Прецизионная радиовысотометрия из космоса

Одним из наиболее информативных бортовых средств дистанционного зондирования является высокоточный (прецизионный) радиовысотомер - альтиметр (ПРВ). ПРВ обеспечивает оперативные прецизионные измерения при работе по большим акваториям Мирового океана, поставляя информацию для решения широкого круга научных и прикладных задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий и аномалий рельефа дна на шельфах, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определения высоты морских волн и скорости поверхностного ветра, а также многих других процессов в Мировом океане, связанных с изменением уровня морской поверхности. Проблема оперативного решения указанных задач, безусловно, актуальна для исследования природных ресурсов Земли, экологического мониторинга, метеорологии, океанографии, судовождения и т. д. Одна из основных задач применения ПРВ – это уточнение формы геоида Земли. Под геоидом понимается эквипотенциальная поверхность в гравитационном поле Земли, совпадающая при определенных условиях с невозмущенным средним уровнем моря. По форме геоида можно судить о распределении массы Земли и определить локальные градиенты силовых линий земного притяжения на поверхности Мирового океана.

Геометрия радиовысотометрии из космоса

Ошибки измерения высоты

Требования к точности ПРВ
Для повышения эффективности океанографических исследований необходима высокая точность измерения высоты, при которой среднеквадратическая ошибка соответствует сантиметровым значениям. Высокие требования к точности ПРВ обусловлены тем, что перепады уровня морской поверхности, которые необходимо регистрировать, имеют порядок от единиц метров до нескольких сантиметров. Для этого используется широкополосный СВЧ-радиосигнал, обладающий наносекундной разрешающей способностью. Точность измерения высоты порядка 0,5м на подспутниковых расстояниях в 100 км (уклоны <10-5) дает возможность обнаружения приливов в зонах континентальных шельфов, штормовых нагонов и деформаций уровня, связанных с западными пограничными течениями. Повышение точности радиовысотомерных измерений до 5 см на 100 км подспутниковой трассы (уклон 10-6) позволяет определять отклонения уровенной поверхности моря от геоида, исследовать вихревую структуру общей океанической циркуляции и своевременно обнаруживать разрушительные волны цунами.

Перечислим основные проблемы, которые решаются при создании океанографического ПРВ
1. Уточненная модель отражения СВЧ радиосигналов с наносекундной разрешающей способностью, учитывающая законы распределения ординат и наклонов неровностей МП.
2. Анализ статистических характеристик отраженных радиосигналов ПРВ при широком варьировании исходных данных, связанных с выбором параметров ПРВ, режимом облучения и состоянием МП.
3. Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки во временной или частотной области отраженных от МП радиосигналов.
4. Оценки потенциальной точности измерения высоты в зависимости от выбранных параметров ПРВ, режима облучения и состояния МП.
5. Разработка алгоритмов и устройств квазиоптимальной (практически реализуемой) обработки отраженных сигналов ПРВ, позволяющих осуществить одновременную оценку высоты КА над средним уровнем МП и высоты морских волн.

Основные параметры перспективного высокоточного
спутникового радиовысотомера:
Несущая частота, ГГц 13,64 (λ=2,2 cm)
Импульсная мощность, Вт 40
Длительность импульса (с ЛЧМ), μs 100
Девиация частоты (полоса модуляции), МГц 250 (500)
Частота повторения (переменная), Гц 1000 - 5000
Шум-фактор, дБ 2 - 3
Ширина ДНА, град. 1
Флуктуационная ошибка (по высоте), см 1,5 ... 2
Суммарная ошибка (по высоте), см 3-5
при высоте орбиты 1000...1200 км
Поляризация круговая
Время когерентности, мс не менее 50
Масса, кг 40
Потребляемая мощность, Вт 150

Отражение радиосигналов от земной и морской поверхности. Расчет мощности отраженного сигнала

Критерий шероховатости поверхности
Гладкая
Шероховатая
РВ – системы, работающие
в дециметровом и более длинно-
волновом диапазоне волн.
Бетонированная взлетно-посадочная полоса аэродрома, спокойная поверхность водоема, ровные участки пустыни и т.д.
РВ – системы, работающие
в сантиметровом диапазоне длин
волн.
Морская поверхность при волнении, овраги, холмы, лесистую местность и т.д.

1.2. Отражение волн от гладкой поверхности

1.2. Отражение волн от гладкой поверхности

1.3. Отражение волн от шероховатой поверхности

1.3. Отражение волн от шероховатой поверхности

МОДЕЛЬ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА
И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Многолетние эксперименты подтверждают, что форму морской поверхности с большой степенью точности можно рассматривать как случайную функцию координат и времени, ординаты которой распределены по закону близкому к нормальному
,
где – среднеквадратичная ордината морских волн, для которой известна эмпирическая связь (для полностью развитого, установившегося волнения) со скоростью ветра. В океанологии часто определяют высоту морских волн через высоту волн 3% обеспеченности (три самых высоких волны из ста последовательно следующих волн),

Реальные земную и водную поверхности часто невозможно задать в виде реализаций непрерывного случайного процесса. На практике широко используется феноменологическая модель поверхности в виде ансамбля отдельных независимых (парциальных) отражателей. Конечное решение легко увязывается с введением в феноменологическую модель статических характеристик, шероховатой поверхности.
Зондирующий сигнал
Отраженный парциальный сигнал

.
Сигнал на входе приемника ПРВ является суперпозицией парциальных сигналов по облучаемой на поверхности моря области
Быстрые флуктуации в возникают при пересечении отдельных неровностей МП распространяющимся СВЧ радиоимпульсом и определяются корреляционной функцией .
Медленные флуктуации в характеризуются взаимной межпериодной корреляционной функцией
и возникают за счет движения КА с ПРВ относительно поверхности.

Средняя мощность отраженного сигнала определяется по формуле
Корреляционная функция полностью определяет статистику отраженного сигнала

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ МОРСКИХ ВОЛН
ПО ФОРМЕ ФРОНТА
ИНФОРМАЦИОННОГО СИГНАЛА

Синтез оптимальных алгоритмов обработки отраженных сигналов ПРВ космического базирования
Синтез оптимального дискриминатора

Структура оптимального дискриминатора при обработке отраженного сигнала
ПРВ во временной области

Зависимость потенциальной точности единичного измерения времени запаздывания (высоты) от отношения с/ш при средней (4 балла) и сильной (9 баллов) степени взволнованности МП ( Н=1000км, f =320 МГц, Q=1,5°)

Экспериментально полученные с ПРВ сигналы для режима работы над морской поверхностью и над участками суши, осредненные за 50мс и за 1с.