GPS, GLONASS AND GALILEO SIGNALS IN MONITORING THE CONDITION OF THE TREES Anatoliy V. Sorokin(1), Valery A. Ivanov(2), Evgeny I. Ponomarev(1), Daniil S. Makarov(1), Dmitriy V. Kharlamov(1), Dmitriy V. Golubev(3) (1) Federal Research Center Krasnoyarsk Science Center of the SB RAS, Krasnoyarsk, Russia (2) Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Krasnoyarsk, Russian Federation (3) Branch of FBI «Russian Centre of Forest Health» – «Centre of Forest Health of Krasnoyarsk Krai», Krasnoyarsk, Russia The variant of using signals from navigation satellites in the monitoring of the state of the forest stand affected by the Ussuri polygraph is considered. The method of radioscopy was tested to determine the state of the forest stand. Test measurements of the attenuation satellite signals of the L1 range in mixed areas of mixed forest were carried out. The possibilities of localization of sites with a fire- hazardous state of the forest stand were identified. Key words: radioscopy, navigation satellite signals, monitoring, forest, Ussuri polygraph, humidity, fire hazard. Copyright © 2019 for this paper by its authors. Use permitted under Creative Commons License Attribution 4.0 Interna- tional (CC BY 4.0). СИГНАЛЫ GPS, ГЛОНАСС И GALILEO В МОНИТОРИНГЕ СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЯ Сорокин А.В. (1), Иванов В.А. (2), Пономарев Е.И. (1), Макаров Д.С. (1), Харламов Д.В. (1), Голубев Д.В. (3) (1) ФИЦ КНЦ СО РАН, г. Красноярск (2) СибГУ им. М.Ф. Решетнева, г. Красноярск (3) Центр защиты леса Красноярского края, г. Красноярск Рассмотрен вариант использования сигналов навигационных спутников в мониторинге состоя- ния древостоя, пораженных полиграфом уссурийским. Апробирован метод радиоскопии для определения состояния древостоя. Проведены тестовые измерения погонных коэффициентов ослабления сигналов навигационных спутников диапазона L1 на участках смешанного леса. Выявлены возможности локализации участков с пожароопасным состоянием древостоя. Ключевые слова: радиоскопия, сигналы навигационных спутников, мониторинг, лес, полиграф уссурийский, влажность, пожароопасность. Введение. Изучение, оценка текущего и прогнозного состояния обширных лесных мас- сивов требует использования объективных средств контроля и долговременного мониторин- га, что в современных условиях перспективно проводить, используя спутниковые монито- ринговые комплексы, в том числе глобальные навигационные спутниковые системы (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO). К факторам, определяющим состояние лесной территории, можно отнести наличие ветровалов, вырубок, пожаров, поражений энтомовредителями (сибирский шелкопряд, поли- граф уссурийский и т.д.). Другой аспект проблемы заключается в том, что климатические изменения, увеличи- вающаяся антропогенная нагрузка, нарушение лесных территорий (рубки, воздействие энто- мовредителей) [1, 2], приводят к повышению природной пожарной опасности и, следова- тельно, к увеличению горимости лесов [3 - 5]. В мониторинге пожароопасности важную роль играет возможность контроля влагосодержания лесных горючих материалов, что определяет риски возникновения и распространения горения. Оценки и мониторинг влагосодержания лесных массивов также перспективно проводить, используя радиометрические данные раз- личных спутниковых систем [6 -7]. В лесных районах Сибири в качестве альтернативы можно использовать сигналы навигационных спутников для непрерывного мониторинга состояния древостоев и лесных горючих материалов. Например, методы радиоскопии древостоя и рефлектометрии лесного опада с использованием автономных специализированных приемников сигналов навигаци- онных спутников позволяют эффективно оценивать влагосодержание лесных горючих мате- риалов [8]. В качестве критерия динамики пожаропасного состояния можно использовать данные о последовательных съемках лесных участков. Периодичность повторения съемки может определяться скоростью достижения равновесного влагосодержания в зависимости от типа лесной подстилки. В среднем величина периода высыхания материалов лесного опада до равновесного значения влагосодержания составляет 100– 150 часов [7]. В данной работе анализируется метод использования радиоскопии в диапазоне L 1 для определения коэффициентов погонного ослабления сигналов GPS, ГЛОНАСС, Galileo и восстановления состояние древостоя, подвергнувшегося воздействию энтомовредителей. 2. Источники зондирующего излучения. Сигналы глобальных навигационных спут- никовых систем (ГНСС) высокотехнологичны и позволяют в непрерывном режиме, наряду с координатными измерениями, восстанавливать в реальном времени электрофизические па- раметры сред, с которыми взаимодействуют в процессе распространения. Системы ГНСС имеют значимый для мониторинга земных покров ресурс – когерентные и поляризованные импульсные радиосигналы широкого диапазона частот, проходящие околоземное простран- ство с ионосферой и атмосферой, отраженное и рассеянное поверхностью покровов Земли. В каждой группировке по 24 рабочих спутников (27 для Galileo), которые работают на круго- вых орбитах с высотой 19100, 20183, 23224 метра для ГЛОНАСС, GPS, Galileo соответствен- но. Несущие частоты L1=1575.42МГц для GPS и Galileo, и L1 = 1602 МГц ± K*562,5 кГц, где K = –7, –6, … 6 для ГЛОНАСС. Радиометрия изменений параметров сигнала, трансформиру- емого средами, позволяет восстанавливать значимые для практики электрофизические ха- рактеристики этих сред. Это коэффициенты отражения от границ раздела земных поверхно- стей, фазовые задержки и коэффициенты пропускания объемных сред – ионосферы, атмо- сферы, растительных, снежных и ледовых покровов. Фактически навигационные спутниковые системы позволяют реализовать глобальный радиометр на рабочих частотах действующих группировок GPS, ГЛОНАСС и GALILEO. В течение одного часа приемная аппаратура регистрирует около 10-12 сканирующих серий сигналов, трансформируемых исследуемым объектом. Частота регистрируемых изменений параметров составляет 1 Гц [9]. Восстановление временных изменений характеристик сред земных покровов теоретически возможно во временных интервалах с дискретностью в 1 се- кунду. Пространственная локализация этих изменений ограничена точностью координатных измерений действующих навигационных систем. Специфика взаимодействия сигналов ГНСС с объектами зондирования определяется параметрами зондирующего излучения и электрофизическими характеристиками земных по- кровов. 3. Метод измерений коэффициентов погонного ослабления. Радиоскопия лесных массивов осуществляется регистрацией сигналов, изменяющих свои характеристики в про- цессе прохождения древостоя. На рис. 2 представлена схема измерений в варианте располо- жения антенны вблизи границы лесного массива. Рис. 2. Схема эксперимента по радиопросвечиванию древостоя Пространственно-временные координаты положения навигационных спутников в соче- тании с координатами расположения антенны и границы лесного массива позволяют одно- значно определить траекторию трассы прохождения сигнала сквозь лесной массив и её пе- ремещения в объеме древостоя. Это позволяет получать коэффициент погонного ослабления с последующим восстановлением фитомассы и влагосодержания древостоя с координатной привязкой [10]. Длина трассы (L), которую прошел сигнал в лесу, рассчитывается по форму- ле: (𝐻 − ℎ) cos(𝛼) − 𝑑𝑡𝑔(𝜑) 𝐿= , (1) cos(𝛼) sin(𝜑) где H – средняя высота деревьев; h – высота расположения антенны; d – расстояние от антенны до кромки леса; α – азимут спутника; φ – угол возвышения спутника. Сигнал, прошедший через свободное пространство, аппроксимируем с учетом формы полной кривой, полученной ранее для каждого спутника в базе данных характеристик пря- мых сигналов группировок ГНСС. Далее, с учетом положения максимума амплитуды при максимальном значении угла возвышения, экстраполируем функцию зависимости амплиту- ды прямого сигнала от времени на время прохождения сигнала через древостой. Для вы- бранных точек (кадров) на рис. 4Б, определяем амплитуды сигнала и соответствующие им длины трасс в лесу и рассчитываем значения коэффициента погонного ослабления γ: 𝑃 10𝑙𝑛 𝑃 0 𝛾= − , (2) 𝐿 где P – амплитуда сигнала, прошедшего через древостой; P0 – амплитуда сигнала сво- бодного пространства. Изменения амплитуды сигналов ГНСС, возникающих при взаимодействии с объемом древостоя и учет вариаций характеристик прямых сигналов, позволяют восстанавливать его фитомассу и влагосодержание. 4. Натурные измерения. Измерения коэффициентов ослабления сигналов GPS и ГЛОНАСС проведены на участке Мининского лесничества 29.05.2019 г. Участок смешанно- го леса, с преобладанием в древостое пихты и кедра. Категория защитности: леса зеленой зоны поселения, хозяйственный объект. Средний возраст пихты и кедра 120 и 140 лет, высо- ты в интервале 18-24 м, объем древесины 210 м3/га. Место расположения антенны выбрано на просеке шириной 8 м в массиве леса, пораженного полиграфом уссурийским. с координа- тами 56°02'25.7"N 92°25'17.9"E. Спутниковый снимок соответствует здоровому состоянию лесного массива до 2012 г. - Рис. 3а. Современное состояние фрагмента древостоя представ- лено на Рис.3б. а) б) Рис. 3. Тестовая площадка «Мининское лесничество»: а) спутниковый снимок неповрежден- ного древостоя, июнь 2012 года, б) фотография текущего состояния 29.05.2019 г. В измерениях использована антенна АМ 475 ГНСС L1/L2/L3, и специализированный автономный приемник-регистратор НСРП-04 Регистрировался сигнал диапазона L1 систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. Высота расположения антенны над уровнем лесной подстилки 0,25 м. Ось диаграммы направленности антенны ориентирована вертикально. Антенна нахо- дилась на середине просеки, разделяющий лесной массив. Продолжительность непрерывной регистрации составляла 2 часа 55 минут. Частота отсчетов составляла 1 Гц, число спутников от каждой группировки GPS, ГЛОНАСС, GALILEO за сеанс регистрации составило 18, 13 и 11 соответственно. Расположение антен- ны обеспечивало регистрацию сигналов ГЛОНАСС, GPS и Galileo, прошедших через массив леса и частично свободное пространство, в интервале углов азимута 0-360ᴼ и углов возвыше- ния 10-90ᴼ. Максимальная длина трассы прохождения сигнала в лесном массиве составляет около 100 м. Полярная диаграмма траекторий трех спутников и графики изменения амплиту- ды сигналов от времени (шкала кадров, шаг 1 с.) представлены на рис.4. 5. Результаты и обсуждение. Анализ записей сигналов радиопросвечивания позволил выявить динамику амплитуды сигналов спутников в соответствии со степенью нарушенно- сти древостоя восточного (ГЛОНАСС 10) и западного (GPS 18, GALILEO 11) участков. От- личие древостоя участков состояло в различной плотности деревьев пораженной пихты и здоровых кедров. Изменения амплитуды зондирующего сигнала определяются плотностью фитомассы стволовой древесины и её влагосодержания. Среднее значение влагосодержания образцов древесины пораженных деревьев по зондируемым участка составило 27%. Рис. 4. А) Полярная диаграмма траектории спутников GALILEO 11, GPS18, GLONASS 10. Б) Ампли- туда сигналов спутников при прохождении через древостой Угловые координаты источника сигналов азимут α, угол возвышения φ, средняя высо- та древостоя H; высота расположения антенны h и расстояние от антенны до кромки леса d позволяют определить погонный коэффициент ослабления γ с координатной привязкой тра- ектории прохождения сигнала к точке размещения антенны. Результаты обработки данных трех спутников для траекторий сигнала, дающих зна- чения амплитуд в точках 1-8, указанных на рис. 4Б, представлены в таблице. Относительные изменения этих коэффициентов позволяют фиксировать границу здоровых и пораженных участков древостоя, их временную динамику. Имеется возможность оперативного восста- новления влажности древостоя с использованием диэлектрической модели, адаптированной к видовой и возрастной особенностям древостоя, его состояния и рельефу почвы. Таблица. Значения коэффициентов погонного ослабления γ. Спутники GALILEO 11 GPS 18 ГЛОНАСС 10 Траектория 1 2 3 4 5 6 7 8 γ 0,11 0,14 0,08 0,19 0.10 1,01 0,63 0,37 Вариации коэффициента погонного ослабления, представленные в таблице, связаны с наличием неоднородностей эффективной диэлектрической проницаемости древостоя, фор- мируемых живыми кедрами и разряженными участками древостоя пораженных деревьев пихты. Заключение. Рассмотрен вариант использования сигналов навигационных спутников в мониторинге состояние лесных массивов, пораженных полиграфом уссурийским. Проведены тестовые измерения погонных коэффициентов ослабления сигналов навигационных спутни- ков диапазона L1 участков смешанного леса. Сделан вывод о возможности использования относительных изменений коэффициентов погонного ослабления с временной динамикой для определения границ здоровых и пораженных участков древостоя. Перспективна разра- ботка диэлектрических моделей древостоя, адаптированных к его состоянию, видовым и возрастным особенностям и рельефу почвы. ЛИТЕРАТУРА [1] Иванов В.А., Москальченко С.А., Пономарёв Е.И. Влияние нарушенных лесных территорий на частоту пожаров в Нижнем Приангарье // Хвойные бореальной зоны. – СибГТУ, 2009, т. 26, №2. – С. 249 – 254. [2] Харук В.И., Антамошкина О.А. Воздействие сибирского шелкопряда на горимость лесных тер- риторий // Сибирский экологический журнал. 2017. Т. 24. № 5. С. 647-654. [3] Conard S.G., Ivanova G.A. Wildfire in Russian boreal forests-potential impacts of fire regime charac- teristics on emissions and global carbon balance estimates // Environmental Pollution. 1997. V.98. P. 305-313. [4] Loupian E. A., Mazurov A. A., Flitman E. V., Ershov D. V., Korovin G. N., Novik V. P., Abushenko N. A., Altyntsev D. A., Koshelev V. V., Tashchilin S. A., Tatarnikov A. V., Csiszar I., Sukhinin A. I., Ponomarev E. I., Afonin S. V., Belov V. V., Matvienko G. G., Loboda T. Satellite Monitoring Of Forest Fires in Russia at Federal And Regional Levels // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2006. V. 11. N. 1. P. 113–145. [5] Пономарев Е. И., Харук В. И. Горимость лесов Алтае-Саянского региона Сибири в условиях наблюдаемых изменений климата // Сиб. экологич. журн. 2016. № 1. C. 38–46. doi: 10.15372/SEJ20160104. [Ponomarev E. I., Kharuk V. I. Wildfire Occurrence in Forests of the Altai– Sayan Region under Current Climate Changes // Cont. Probl. of Ecol. 2016. V. 9. N. 1. P. 29–36. doi: 10.1134/S199542551601011X]. [6] Сухинин А.И., Пономарев Е.И. Картирование и краткосрочное прогнозирование пожарной опасности в лесах Восточной Сибири по спутниковым данным. // Сибирский экологический журнал, т. 10, №6, 2003. – С. 669 – 675. [7] Сухинин А., Пономарев Е. Оценка влагосодержания лесных горючих материалов по радиацион- ной температуре // Деп. в ВИНИТИ. 1998. №1144-В98, 26 с. [8] Сорокин А. В., Подопригора В. Г., Фомин С. В., Савин И. В. Эволюция характеристик сигналов навигационных спутников в лесу. Известия вузов. Физика. 2017, Т. 60. № 12/2. С. 19-22. [9] Jin S., Cardellach E., Xie F. GNSS Remote Sensing. New York, London.: Springer Dordrecht Heidel- berg,. 2014. 286 p. [10] Пат. 2 682 718 Российской Федерации. МПК G01S 19/03 (2010.01) Способ определения коэф- фициентов погонного ослабления сигналов навигационных космических аппаратов в лесном массиве с координатной привязкой // Макаров Д.С., Савин И.В., Сорокин А.В., Фомин С.В. Хар- ламов Д.В. № 2018119448; заявл.25.05.2018; опубл. 21.03.2019, Бюл. № 9. 8 с.