بررسی اثرات چند مسیره GNSS القا شده توسط بازتابنده های گوشه رادار

بازتابنده های گوشه رادار (CR) به طور فزاینده ای به عنوان اهداف مرجع برای اندازه گیری تغییر شکل سطح زمین با تکنیک رادار دهانه مصنوعی تداخل سنجی (InSAR) استفاده می شوند. هنگامی که با زیرساخت های سیستم های ماهواره ای ناوبری جهانی (GNSS) قرار می گیرد، مشاهدات InSAR در CR می توانند برای ادغام اندازه گیری های نسبی تغییر شکل سطح در چارچوب های مرجع مطلق تعریف شده توسط GNSS استفاده شوند. با این حال، CR همچنین یک منبع بالقوه برای اثرات چند مسیری GNSS است و بنابراین ممکن است تأثیر مضری بر مشاهدات GNSS داشته باشد. در این مطالعه، ما سری های زمانی مختصات GNSS روزانه و مشاهدات نسبت سیگنال به نویز 30 ثانیه ای (SNR) را برای دوره های قبل و بعد از استقرار CR در یک سایت GNSS مقایسه می کنیم. ما متوجه شدیم که نه مختصات سایت و نه مقادیر SNR به طور قابل توجهی تحت تأثیر استقرار CR قرار نمی گیرند، با میانگین تغییرات در 0. 1 میلی متر برای مختصات سایت و در 1٪ برای مقادیر SNR. علاوه بر این، ما مدل های سایت تجربی را با چیدن فضایی باقی مانده های مشاهده GNSS برای تجسم و مقایسه الگوی فضایی در اطراف سایت های GNSS تولید می کنیم. نقشه های انباشته ای حاصل، الگوهای نوسانی را در زوایای ارتفاع بالای 60 درجه نشان می دهند که می تواند به CR مستقر در سایت های تحلیل شده نسبت داده شود. این اثر بستگی به آنتن GNSS مورد استفاده در سایتی دارد که بزرگی الگوهای چند مسیره برای آنتن حلقه چوک با کیفیت بالا در مقایسه با آنتن زمینی بدون حلقه خفه سه برابر کوچکتر است. به طور کلی، چند مسیر ناشی از CR در مقایسه با اثرات چند مسیری در سایر سایت های GNSS که در یک محیط متفاوت قرار دارند (مثلاً بر روی یک ساختمان) کوچک است.

کلمات کلیدی: چند مسیری GNSS; InSAR؛نظارت بر تغییر شکل؛بازتابنده گوشه; انباشته شدن باقیمانده GNSS

1. معرفی

فناوری رادار دیافراگم مصنوعی تداخل سنجی (INSAR) به طور گسترده ای برای اندازه گیری و نقشه برداری از تغییر شکل سطح زمین زمین ناشی از پدیده های طبیعی یا انسان شناسی استفاده شده است [1] ، [2] ، [3]. بر خلاف سایر تکنیک های ژئودزیکی ، InSAR می تواند از راه دور مناطق بزرگ را با وضوح مکانی بالا و در فواصل تکرار منظم (چند روز) تصویر کند. INSAR مکمل سایر شبکه های ژئودزیکی زمینی مانند سایت های ماهواره ای ناوبری جهانی (GNSS) ، معیارهای سطح بندی یا گرانش است که دسترسی به نقطه ای به قاب های مرجع زمینی پایدار و مطلق مانند قاب مرجع بین المللی زمینی را فراهم می کند (ITRF ،[4]).

به منظور مقایسه دقیق بین Insar و سایر تکنیک های اندازه گیری ژئودزیکی و ادغام کامل InSAR در قاب های مرجع ژئودزیکی ، می توان شبکه ای از اهداف رادار مصنوعی مبتنی بر زمین را مستقر کرد [5]. چنین اهداف رادار پاسخ فاز با کیفیت بالا و پایدار در تصاویر SAR را ارائه می دهد ، که برای تجزیه و تحلیل سری زمانی قابل اعتماد از اندازه گیری های فاز InSAR برای استخراج تغییر شکل سطح لازم است [6].

داده های Sentinel-1 با آشکار در دسترس ، فرصتی برای استفاده از Insar برای نقشه برداری تغییر شکل در مقیاس های ملی و قاره ای ایجاد می کند [7] ، [8] ، [9]. برای بهبود تولید نقشه های تغییر شکل در مقیاس بزرگ و یکپارچه و ادغام محصولات Sentinel-1 در قاب های مرجع ژئودزیکی ، روند فزاینده ای برای اهداف رادار مناسب برای آنالیز Insar در شبکه های ژئودزیکی وجود دارد [10] ، [11] ،[12] ، [13] ، [14] ، [15]. در حالی که بازتاب دهنده های گوشه رادار منفعل (CR) از اوایل دهه 2000 در این زمینه مستقر شده اند [16] و با موفقیت با مأموریت های مختلف SAR استفاده می شوند [17] ، دستگاه های ترانسپوندر فعال رادار نیز به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند [18] [19]]. با همكاری اهداف رادار با سایر سنسورهای ژئودزیکی مانند GNSS این مزیت را دارد كه می توان اندازه گیری های جابجایی InSAR را با اندازه گیری GNSS به طور مستقیم مقایسه و تأیید كرد [20] كه به ادغام جابجایی های نسبی Insar در یك قاب مرجع مطلق كه توسط GNSS تعریف شده است کمک می کند [14] ، [21]. با این حال ، نگرانی هایی در مورد تخریب سیگنال های GNSS هنگام همبستگی CR در سایت های GNSS به طور مداوم وجود دارد [13]. ساختارهای فلزی مانند CR واقع در مجاورت مستقیم آنتن GNSS ممکن است با بازتاب سیگنال های اضافی GNSS ، به ویژه اگر در مجاورت مستقیم آنتن گیرنده GNSS قرار داشته باشد ، اثرات چندگانه ای را القا کند. چنین اثرات چند منظوره ناشی از تداخل مسیر مستقیم مشاهدات GNSS از ماهواره GNSS به آنتن گیرنده با مسیرهای غیرمستقیم ناشی از بازتاب های نزدیک و دور در محیط آنتن است [22]. بسته به فاصله بین آنتن GNSS و منبع بازتاب می توان اثرات چندگانه را طبقه بندی کرد. در حالی که اثرات دور از میدان ، خواص دوره کوتاه مدت (تا نیم ساعت [23]) را نشان می دهد و می تواند به طور متوسط در دوره های مشاهده طولانی به طور متوسط باشد ، اثرات نزدیک به میدان دارای میانگین غیرزرو و ویژگی های طولانی مدت تا چند ساعت است [24]بشراثرات چند چندتایی قوی ممکن است منجر به الگوهای نوسان در مشاهدات GNSS شود [25]. در زمینه آزمایشات بازتابی GNS (به عنوان مثال برای اندازه گیری رطوبت خاک ، عمق برف یا ارتفاع آب [26]) از مناطق Fresnel برای شناسایی و توصیف مناطق پراکندگی فعال استفاده می شود [27]. با این حال ، با استفاده از مناطق Fresnel برای توصیف محیط کامل یک سایت GNSS ، هنگام در نظر گرفتن سناریوهای دنیای واقعی با سطوح غیر زبانی و اثرات چندگانه ناشی از چندین بازتابنده در اطراف سایت ، به طور فزاینده ای پیچیده می شود [28] ، [29].

تعدادی از استراتژی ها برای کاهش اثرات چندگانه GNSS در دهه های گذشته ارائه شده است. ساده ترین گزینه برای کاهش چندگانه جلوگیری از بازتاب در مجاورت آنتن GNSS با انتخاب مناسب سایت یا استفاده از مواد جذب کننده مایکروویو است [30]. سایر گزینه های کاهش بر روی سخت افزار با بهبود طراحی آنتن تمرکز می کنند (به عنوان مثال الگوی افزایش آنتن مربوط به قطبش ، حلقه های خفه کننده ، هواپیماهای زمینی ، آرایه های آنتن [31]) یا معماری گیرنده (به عنوان مثال تکنیک های همبستگی [32]). علاوه بر انتخاب سایت و پیشرفت های سخت افزاری ، بیشتر گزینه های کاهش منتشر شده از استراتژی های پردازش داده های GNSS برای مدل سازی و کاهش اثرات چندگانه استفاده می کنند. این رویکردها را می توان به کالیبراسیون در محل [33] ، [34] ، [35] از جمله استفاده از مناطق Fresnel [29] ، کاهش چندگانه مبتنی بر موجک [36] ، کاهش چندتایی با استفاده از نسبت سیگنال به نویز طبقه بندی کرد.(SNR) [25] ، [37] ، حداقل میانگین فیلتر تطبیقی مربع [38] ، مدل سازی تصادفی بهبود یافته [39] ، [40] ، مدل سازی الکترومغناطیسی محاسباتی [41] ، انباشت و فیلتر Sidereal [42] ، [43] ،[44] و مدل سازی سایت تجربی با استفاده از باقیمانده های مشاهده [45] ، [46] ، [47]. رویکرد دوم دارای چندین مزیت از جمله اینکه برای همه GNS ها قابل اجرا است (برعکس به عنوان مثال با رویکردهای فیلتر سایدرال) ، قادر به تشخیص هر دو سیگنال های چند منظوره نزدیک به میدان و دور ، مستقل از تجهیزات GNSS و میزان نمونه برداری داده ها و مناسب است. برای ارزیابی آسان از کیفیت سایت. بنابراین ما از این روش برای نقشه های چندگانه در محیط سایت های GNSS به طور مداوم در بخش 3. 3 استفاده خواهیم کرد. ما همچنین فیلتر Sidereal را در بخش 3. 2 انجام می دهیم تا تغییرات SNR را در یک سایت GNSS مجهز به CR بررسی کنیم.

ادبیات منتشر شده محدود در مورد اهداف رادار عملیاتی مانند CR در سایت های GNSS با همزمان وجود دارد. در سناریویی که یک CR 30 متر از یک سایت GNSS به طور مداوم مستقر شده است ، [13] هیچ افزایش قابل تشخیص در میانگین میانگین مربع ریشه (RMS) باقیمانده های فاز GNSS مشاهده نکرد ، اما پیشنهاد کرد که آزمایش چندگانه بیشتری را برای سناریوهای استقرار مختلف انجام دهید. با وجود این توصیه و به دانش نویسندگان ، هیچ مطالعه منتشر شده ای در مورد اثرات چندگانه رادار CR بر اندازه گیری GNSS برای یک سناریوی همراه GNSS/InSAR همراه نیست. در این سهم ، ما قصد داریم با ارزیابی تأثیر بر مشاهدات GNSS و مختصات سایت دو فلزی CR که مستقیماً در یک بنای GNSS نصب شده اند ، این شکاف را پر کنیم. علاوه بر این ، ما الگوی مکانی اثرات چندگانه GNSS ناشی از CR با استفاده از باقیمانده های مشاهده GNSS را تجسم خواهیم کرد. تحقیقات ما از سال 2016 از یک شبکه منطقه ای از سایت های نظارت بر ژئودزیکی واقع در منطقه بزرگ سیدنی ، استرالیا ، استفاده می کند و از پنج سایت GNSS به طور مداوم کار می کند که با CR مستقر هستند (به بخش 2. 1 مراجعه کنید).

مقاله به شرح زیر ساختار یافته است. بخش 2 حوزه مورد مطالعه و مجموعه داده ها را ارائه می دهد و تکنیک های تجزیه و تحلیل داده های مورد استفاده برای تحقیقات مختلف را خلاصه می کند. بخش 3 شامل سه زیر بخش است که نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل سری زمانی مختصات ، مقایسه ارزش SNR و تولید نقشه انباشته چندگانه را ارائه می دهد ، در حالی که تمرکز تحقیقات بر بخش دوم است. در بخش 4 ، ما دوباره یافته های خود را با تمرکز بر روی نقشه های انباشت چندگانه و تفسیر آنها بحث می کنیم. این بحث شامل یک مدل سازی نظری از بازتاب سیگنال GNSS برای سناریوی CR خاص با استفاده از مناطق Fresnel است. بخش 5 نتیجه گیری عمده این مطالعه را ارائه می دهد.

2 ماده و روش

2. 1 مجموعه داده های منطقه مورد مطالعه و GNSS

در این مطالعه ، ما داده های GNSS مشاهده شده در 18 سایت به طور مداوم در منطقه بزرگ سیدنی ، استرالیا را تجزیه و تحلیل می کنیم. چهار سایت (یعنی CA07 ، CA10 ، CA17 ، CA19 ، که در زیر به عنوان CAXX گفته می شود) در ژوئن سال 2016 ساخته شده و مجهز به دو CR هستند (شکل 1 و [14] را ببینید). یک سایت اضافی ، MENA (از سال 2010) ، با دو CR که در 25 مه 2016 به قطب آنتن نصب شده بود ، مقاوم شد (DOY 146 ، شکل 1B را ببینید). بنابراین این سایت به ویژه برای تشخیص تفاوت در مختصات ، نسبت سیگنال به نویز (SNR) یا باقیمانده های پس از مناسب ناشی از استقرار CR مناسب است.

CR مورد استفاده در این آزمایش از سه صفحه مربع 60 سانتی متر × 60 سانتی متر مربع تشکیل شده از یک قاب استیل ضد زنگ جوش داده شده و مش آلومینیوم ساخته شده است. دو CR در هر سایت برای گذرگاه های مداری صعودی و نزولی ماهواره های SAR تراز شده اند و ارتفاع آزیموت و پایه در جدول 1 آورده شده است. CR روی قطب آنتن GNSS با فاصله عمودی تقریباً 50 سانتی متر از بالای بالای صفحه نصب شده استCR به پایین آنتن GNSS (در هر دو سایت Caxx و سایت MENA). علاوه بر پنج سایت به طور مداوم مجهز به CR ، ما تجزیه و تحلیل GNSS را برای چندین سایت دیگر در منطقه با همان آنتن به عنوان چهار سایت Caxx و سایت MENA انجام می دهیم. شکل 2 مروری بر محل کلیه سایتهای مورد استفاده در این مطالعه ارائه می دهد ، که بیشتر آنها بخشی از شبکه Corsnet-NSW [48] را که توسط خدمات فضایی نیو ساوت ولز (NSW) اداره می شود ، تشکیل می دهند.

شکل 1

سایت های GNSS در منطقه سیدنی با CR متصل به قطب آنتن. الف) سایت منا در Menangle ، NSW ، بدون CR (قبل از 25 مه 2016) ؛ب) سایت MENA با CR (از 25 مه 2016) ؛ج) سایت CA07 در پارک ویلتون ، NSW (از ژوئیه 2016 فعالیت می کند).