Использование излучений ГНСС (GPS, ГЛОНАСС) для дистанционного зондирования окружающей среды

Изучение физических процессов в тропосфере необходимо для понимания атмосферных явлений, которые обуславливают изменения погоды, а также факторов, определяющих статистические свойства общей циркуляции атмосферы. Основная идея состоит в использовании радиоизлучения существующих спутников для создания системы глобального мониторинга атмосферных процессов и опасных метеорологических явлений с использованием метода радиопросвечивания. Спутник при своем движении по орбите просвечивает толщу атмосферы под разными углами. Интерференционная картина поля позволяет судить о тропосферной рефракции, а затухание и фазовое запаздывание сигнала, позволяет обнаруживать и определять запас влаги.
Мониторинг тропосферной рефракции. Для определения показателей тропосферной рефракции, которые необходимы для оценки дальности действия и точности радиосистем различного назначения могут использоваться несколько физических эффектов. При распространении радиоволны от навигационного спутника до аппаратуры потребителя, вследствие ионосферной и тропосферной рефракции происходит искривление радиолуча, причем, чем больше рефракция, тем сильнее он искривляется. Вследствие этого, даже, когда спутник при своем движении по орбите скрывается за горизонтом, сигнал от него может попадать на приемник. При распространении сигнала, вследствие рефракции, происходит его групповая и фазовая задержки, которые сказываются на определяемой псевдодальности и, в процессе решения навигационной задачи, – на координатах. Это означает, что по изменениям псевдодальности, высоты и углов радиовосхода и радиозахода спутника можно оценивать рефракционные свойства атмосферы.
Мониторинг ионосферы по значениям полного электронного содержания (ПЭС) на основании двухчастотных измерений. Методы радиопросвечивания ионосферы позволяют получить информацию о ПЭС вдоль лучевой траектории между наземным приемником и спутниковым передатчиком. Существует два основных подхода восстановления ПЭС: измерения угла поворота плоскости поляризации волны, принятой на Земле от спутникового излучателя вследствие фарадеевского вращения, и измерения вариаций фазовых или групповых путей радиосигнала.
Мониторинг состояния подстилающей поверхности. Используется радиоинтерферометрический метод. Регистрируется амплитуду принимаемого сигнала в зависимости от угла возвышения спутника. При малых углах интерференция прямого сигнала и отраженного от поверхности приводит к глубоким замираниям сигнала. Кроме того, в принятом сигнале присутствуют диффузные отражения. Регистрируя уровень флуктуаций, можно, по глубине замираний, оценить коэффициент зеркального отражения, а по нему параметр шероховатости и среднеквадратичную величину неровностей поверхности.
Оценка влагозапаса атмосферы. Вода обладает большими значениями действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости. Используя модель сухой атмосферы для зенитной задержки, которая достаточно хорошо описывает ее поведение, на основании данных о температуре, давлении и влажности можно выделить влажностную составляющую из приращения псевдодальности. Она и будет характеризовать запас влаги.
Обнаружение очагов гроз. Поскольку облака содержат влагу в конденсированном состоянии, то их появление на пути распространения электромагнитной волны приводит к возрастанию групповой и фазовой задержек, так же, как и в случае зон повышенного запаса влаги в виде пара. По возрастанию уровня флуктуаций изменения псевдодальности, изменениям измеренной высоты можно оценить интенсивность дождя. А по угловым флуктуациям и их спектру – пространственные размеры зон неоднородностей в виде дождя.
В докладе приведены результаты экспериментов по оценке рефракционных свойств тропосферы по углам радиозаходов, изменениям высоты и псевдодальности, обнаружению очагов гроз, суточным изменениям ПЭС, оценке степени шероховатости подстилающей поверхности.