水在GPS訊號上留下它的記號

  • Physics Today
  • 撰文者:Clara Chew (張鳳吟譯)
  • 發文日期:2022-03-26
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除了作為導航的工具,GPS訊號也正幫助科學家觀測地球的水文循環。

 

        問路的日子已經過去了!現在,任何人有智慧型手機都可以快速找到最鄰近的咖啡廳、最靠近的加油站或出城最快速的路線。跑者保持或不保持步伐,他們都能知道自己已經走了多遠(或多少),這要感謝他們的GPS手錶。全球定位系統(global positioning system,GPS) 的使用變得如此無所不在,以致有些研究人員擔心人類因此失去他們對方向的感知。

         儘管GPS的普及,卻很少人知道,它的訊號還有一項不在計畫之中的用途。除了提供位置的訊息,GPS訊號也可以用來收集關於地球水文循環的資訊:它們能區分地表是乾的或濕的、有多少水包含在土壤與植被裡,以及地面上有多少雪。


        雖然GPS衛星首次於1970年代晚期發射,但直到1990年代中期,人們才開始探索它們作為遙感探測(remote sensing)工具的使用。此後,多個地面與飛機實驗已證明傳輸的GPS訊號對許多地球物理的變數敏感,例如近地表土壤濕度、雪的深度、洪水淹沒範圍、海冰密集度(sea-ice concentration),以及海表風(ocean-surface winds)。現在研究人員將他們的努力擴展到研究衛星所紀錄的GPS訊號如何革新遙感探測。


垃圾或寶藏?

        地球表面瀰漫著GPS訊號,有一些會直接被位於手機與手錶內的接收器攔截,而其它則在被接收器接收前,會先在地面、建築或鄰近的任何物體反彈。這些經過地面反射(或多路徑 multipath)的訊號通常是個麻煩,它們在定位估計時會造成誤差與雜訊,是GPS在擁有許多大建築的城市中,較不可靠的部分原因。許多GPS接收器有特別的演算法來抑制那些多路徑訊號,而且GPS天線本身可被設計來阻隔它們。


         然而,多路徑訊號仍會悄悄潛入。在2008年,科羅拉多大學研究人員正研究如何抑制GPS天線與接收器中的多路徑訊號。他們的研究針對如圖1所顯示的裝置,這是設計來監測構造板塊(tectonic plates)的移動,而天線被金屬環圍繞,能在物理上阻隔多路徑訊號。但一些多路徑訊號依舊會在數據中出現。此外,這些訊號似乎強度以某些規律變化,特別是對於那些遠離造成明顯反射的建物結構,位在田野與牧場中的接收器。

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圖1、GPS天線在半球形的穹頂下,它被設計來監控結構板塊的移動。地面射的GPS訊號可用來推斷天線附近的土壤含水量

 

          當研究人員聯繫大學裡的水文學家時,他辨認出:多路徑訊號的變化看起來,很怪異地像是土壤濕度的時間序列:在暴風雨期間及過後不久,訊號會規律而可預測的增加,隨後慢慢下降,對應土壤正在變乾。


        科羅拉多研究團隊開始調查,是否地面反射訊號能夠用來推斷土壤的含水量,他們的目標是將GPS天線有效的用作土壤感測器,這也許能幫助監測乾旱,並驗證土壤濕度監測衛星取得之數據。然而,這項任務,並不是直接將多路徑訊號對應土壤濕度的觀測這麼簡單。訊號在時間上具有季節性,這同時顯示:地面反射的GPS訊號,也有可能是被地表覆蓋植被裡的水分所反射。


        透過結合數值模型與上百個田野樣本的分析,科羅拉多團隊成功得到一個能估計大地GPS天線附近土壤濕度的演算法。有超過一千個天線,分布在美國西部與阿拉斯加,作為板塊邊界觀測站(Plate Boundary Observatory) 網路的一部分(由美國科學基金會NSF資助)。團隊利用此網路中的數百個天線,得到土壤濕度的數據,解析度達到約一個足球場面積的大小。其成果成為一個GPS土壤濕度感測器的新陣列――全世界最大的這類型網路之一1


不同類型的雷達

        回頭來看,GPS訊號對土壤中的水分敏感,應該不令人如此驚訝,畢竟,微波雷達多年來一直用在偵測土壤濕度與地表水的變化。而GPS正是一種微波雷達系統,儘管有著不同的散射幾何。在傳統的雷達中,發射器與接收器都位在同一個平台,意味著發射器送出一個訊號,接收器在訊號被彈回平台後紀錄它。然而,GPS衛星只有一個發射器,沒有接收器,接受器通常位於手機、塔上或飛機裡。


       雖然散射幾何是不同的,GPS訊號行為,非常像是頻率位於1-2 GHz範圍內,L波段的微波訊號。它們對於土壤裡與地表上的水敏感,這是因為乾燥和飽和土壤的介電常數有很大的差距,類似大的介電常數差異亦存在於飽和土壤與水之間。較濕的土壤擁有較高的介電常數,導致地表對入射的GPS訊號反射更強。


        在地面的系統中,地表反射訊號與GPS衛星直射到天線的直接訊號干涉,干涉程度取決於兩個訊號行經的光程差以及反射表面的性質。透過測量相對於裸露乾燥參考狀態的干涉圖形之頻率、相位或振幅的變化,人們可推論出地表中的改變,無論是來自土壤濕度、植被或是雪。

         GPS訊號在許多方面對遙測地球的水文循環是理想的,因為圓偏振L波段的訊號不受雲量或陽光的影響,無論一天裡什麼時間或大氣狀況如何,它們都能看到地表。此外,L波段訊號的波長――在GPS的例子是19 或24公分――和其它微波頻率(如C或X波段)相比,是相對長的。這很重要,因為波長直接和訊號能穿過多少植被成正比。較長的波長更能感測到覆蓋物(canopy)底下的表面狀況。


       雖然L波段訊號比較不受植被影響,但它們在穿過覆蓋物時仍會衰減,而表面的粗糙度亦會嚴重影響表面如何反射。平滑表面比粗糙表面產生強許多的反射,而粗糙表面會將訊號散射到遠離接收器的方向。儘管這些干擾因素在遙測世界並不是獨一無二的,它們的確將GPS反射的分析複雜化。

太空中捕捉反射

       表面反射的GPS訊號不僅從建築物、到樹木、到汽車周圍不斷反彈,一部分的訊號最後會回到太空。儘管是相對弱的傳輸訊號,地面反射GPS訊號可從具接收器(特別設計來紀錄這些反射)的低地球軌道衛星觀測到。鑑於地面GPS接收器在獲取土壤濕度及其它變數上的成功,人們自然想知道可否從太空來取得,因為從點測量到全球觀測,衛星數據會增加空間的覆蓋。


        多年來,科學家已經知道海平面反射的GPS訊號可被衛星所紀錄,並用來推斷水的粗糙度,而粗糙度本身和表面風速有關。第一個強力證明來自2000年代中期災難監測星系(Disaster Monitoring Constellation)的英國衛星UK-DMC1,這個衛星載有實驗的接收器,設計來捕捉GPS的反射。儘管許多研究人員懷疑它是否真的能運作,他們都錯了,UK-DMC1 證明,在海面反射的訊號的確不斷地被衛星俯看的 GPS天線所記錄2


         訊號對於粗糙度及所延伸風速的靈敏度,促使NASA資助一個新任務:由八個衛星組成的衛星星系來收集GPS反射。「氣旋全球衛星導航系統」(Cyclone Global Navigation Satellite System,CYGNSS)於2016年12月發射,用以測量颶風風速,最終目標為學習如何對暴風強度做更好的預測3。自升空後,CYGNSS的數據已成功在多次颶風期間用來繪製風速,包括哈維(Harvey)及艾瑪(Irma)颶風。那些數據被併入數值氣候預測模式來加強暴風路徑與強度的預測。


         即使CYGNSS是設計來收集海表面的數據,它的衛星也收集了陸地資訊。在CYGNSS之前,已經有陸地上GPS反射看起來如何的暗示。UK-DMC1 實驗在2000年代中期於內布拉斯加州產生了少量的觀測2,隨後英國TechDemoSat-1衛星在2014年證明,可識別的反射訊號可從各種地面覆蓋類型與表面上獲得4。但這些數據依舊太過於稀少而無法完整成像地表,但它們留給研究人員希望,雖然對於這新技術的真實潛力還不是很確定。


        在CYGNSS升空後,研究人員很快開始繪製來自表面的反射,以確定是否數據完全響應地表水文的變化。讓他們出乎意料的是,這些數據似乎對極小的地表-水特徵相當敏感。例如,研究人員利用CYGNSS數據輕易地將亞馬遜河的支流成像,其中有些只有20米寬,如圖2所示。而當他們將數據與運行中的土壤濕度衛星取得資料做比對,他們發現數據對土壤濕度有顯著的敏感度5


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圖2、亞馬遜河與它在南美洲的許多分支,出現在氣旋全球導航衛星系統所記錄的GPS反射訊號的長期平均裡。大的平滑水體有較高的表面反射率,儘管較小的支流仍產生顯著的表面反射。

        那個發現令人驚訝。因為在CYGNSS升空前,絕大多數與星載GPS反射數據(spaceborne GPS-reflection data)有關的研究來自假設粗糙海洋為散射面的理論與模型建立。這粗糙度產生微弱的散射訊號,來自約25 km × 25 km的面積。大部分研究人員假設陸地表面在電磁學上比海洋表面更粗糙許多,確實,他們認為山丘與樹木比平均海浪還要粗糙,而預期甚至更弱的反射訊號。他們發現的卻是,避開風的內陸水體足夠平滑到產生同調的反射,造成來自相對小面積(約0.5km2)的強訊號。

花費與星系

        陸地表面能在相對高的空間解析度產生強大反射的發現,激起大家的興趣,預期CYGNSS或未來像它的衛星所記錄的GPS反射訊號,可以繪製洪水、土壤濕度改變、及其它變數,例如土壤的凍融狀態(freeze-and-thaw state)6、甚至是海冰面積(sea-ice extent)7。幾種其它遙測衛星技術與儀器能取出相同的資訊,但GPS反射技術因它的成本效益而與眾不同――因為這技術在本質上是回收已離開的訊號,因此不需要建造昂貴的發射器,少了它們,便縮小了每個衛星的大小與質量。

       其它微波儀器,包括被動輻射儀(passive radiometers)及主動式雷達(active radar),由一個衛星發射需花費數億美金。舉例來說,NASA與印度太空研究組織(Indian Space Research Organisation)合作,預計在2023年初發射NASA–ISRO合成孔徑雷達(NISAR)太空船,NISAR將部署一個結合L-與S-波段的主動式雷達,花費約15億美元。相較之下,CYGNSS八個衛星總花費只有1億5000萬美元。

      考慮到地球科學的資金總是不確定,單是經濟效益就很有說服力了。不過,正如CYGNSS已經證明的那樣,這技術相對節約的特性,為發射儀器星系開啟了大門。衛星星系減少了時間重複週期:你用多顆衛星比只用一顆衛星更頻繁地從特定一點取到數據。對於許多應用,擁有頻繁更新的數據是個關鍵。在洪水的例子裡,受影響的社區需要快速更新的洪水地圖,以便知道哪裡及如何獲取資源,因為洪水通常和明顯的雲量有關,它們時常用微波儀器的數據繪出(參見47頁方塊中的案例)。目前,具最快重複時間的儀器為被動輻射儀,其收集從地表自然發射的微波輻射。重複的時間為每三天一次,代價是空間解析度,以致讓它難以標出洪水的確切位置。

 

洪水成像 

 

       2019年1月底的大雨帶來澳洲東北部昆士蘭省大範圍的洪水,並幫助結束了長期的乾旱。氣旋全球導航衛星系統(CYGNSS)星系所記錄的地面反射GPS訊號獲取了洪水的範圍,如上圖所示。研究人員利用Terra與Aqua兩個衛星搭載的中解析度成像頻譜輻射儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)的無雲影像證實了洪水區域。在洪水邊界的CYGNSS數據(以彩色條紋疊加)顯示,反射訊號功率相對於洪水前的觀測()有明顯增加()。反射訊號強度的大量增加可最終用來繪製空間與時間尺度的洪水,這是目前用其它方式得不到的。

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 CYGNSS衛星不是唯一在洪水期間紀錄數據的微波儀器。下圖是來自NASA 土壤水分觀測衛星SMAP (Soil Moisture Active Passive) 上的L波段微波輻射儀,以及歐洲太空總署 Sentinel-1A Sentinel-1B 衛星一對C波段雷達的影像。在創造洪水的時間軸時,每個衛星都能提供互補的資訊。在左圖,SMAP衛星捕捉到201928日至12日昆士蘭洪水事件期間的平均亮度溫度(brightness temperatures),雖然SMAP數據涵蓋了整個區域,但它的解析度是相當粗糙的。右圖是Sentinel-1A Sentinel-1B 在相同期間紀錄的整合數據(aggregate data),那些衛星捕捉較小的面積,但它們的紀錄是豐富詳細的。


       在另一方面,主動式微波雷達,如NISAR,擁有幾十平方公尺的高空間解析度。然而,它們的時間重複週期相當長——超過10天——這暗示了儀器遺漏完整洪水事件的重大風險。並且即使衛星沒有遺漏整個事件,它所收集的數據快照也可能沒捕捉到最大的洪水階段。

       發射被動式或主動式微波儀器星系來減少時間重複週期是個昂貴的提議。舉例來說,歐洲太空總署目前在軌道上有兩顆C波段雷達衛星組成的Sentinel-1星系,而它計畫在未來幾年發射另外兩個衛星,每一個成本超過2億歐元(226百萬美元),或者四衛星星系的總成本超過8億歐元。

獨特的障礙

        儘管發射價格低廉的GPS反射衛星星系是個吸引人的提議,但這技術並不是沒有它自身的挑戰性。星載GPS反射觀測的收集策略,特徵對於熟悉傳統遙測數據的人,可能會有些陌生。通常,衛星遙測任務的設計,是以特定頻率收集特定區域的觀測資料。例如,對德州達拉斯土壤濕度數據有興趣的人,會有信心NASA的土壤水分觀測衛星SMAP (Soil Moisture Active Passive) ——一個L波段的輻射儀,每三天會在美國中部時間早上6點提供那些數據。然而,星載GPS反射數據的時間線是較模糊的,因為GPS發射器與GPS反射接收器的位置不斷在改變,因此地球表面的反射點也在不停變化。

        所以,得到的結果,會是一組位置在地面上,擬隨機(pseudo-randomly)分佈的觀測,如第47頁方塊中的圖可見。在達拉斯上空,可能會在幾小時內收到兩個後續的GPS反射,接下來有幾個小時或幾天沒有數據,不過這時間空隙可透過增加更多低成本衛星來縮短。其它導航衛星星系的紀錄數據,如歐盟的伽利略(Galileo)或俄羅斯的GLONASS,也能增加觀測的密度而不需發射更多衛星。這樣做的GPS反射接收器已經在研發中。

        除此之外,GPS反射技術最大的優點之一 ――使用免費可得的傳輸訊號――是要付出代價的:缺乏訊號的控制。儘管GPS已被平民百姓大量使用,GPS發射器星系基本上是軍事操作的,而軍方能夠也的確改變了傳輸訊號的功率。傳輸訊號的功率愈大會造成愈強的反射,但在不知道傳輸功率改變的情況下,反射功率的變化可能會誤認成是地表水文學的變化。這些功率強度的跳躍可透過觀察直接訊號的功率(從GPS發射器到接收器沒有先經過地面反射)來減緩,未來的GPS反射衛星很可能將減緩策略做到完美。

開拓利基市場

          GPS反射技術的獨特優勢仍不能使它成為滿足每個水文學家遙測需求的一站式(one-stop shop)。以主動式雷達為例,它數據卓越的空間解析度可用於繪製單一鄰近地區的洪水地圖;而輻射儀觀測的可重複測量範圍與一致性、全球覆蓋,使它們非常適合併入數值天氣與氣候模式。

         相反的,GPS反射技術可提供數據,和其它微波儀器已有的數據互補,而可幫忙填補我們關於水文事件在短時間尺度演變的知識空白。舉例來說,科學家可繪製環境比典型36公里輻射儀像素更異質(不均勻)的土壤濕度短期變化,而CYGNSS數據已在那方面展現希望。最近CYGNSS數據在東非爆發蝗災時,被用來幫助繪製高解析度的土壤濕度。蝗蟲容易在特定土壤濕度範圍的環境孵化,因此透過繪製土壤濕度的現況,科學家更能判定蝗蟲可能的繁殖地8

         此外,紀錄GPS反射的衛星有可能在事件發生的幾天內提供中等(0.5 km2)解析度的洪水地圖。假如有更多低成本的GPS反射衛星升空,如方框中所強調的觀測間隙就能填補起來,以便每日都能取得類似圖2所顯示的地圖。這個改良可能會徹底改變使用衛星數據的方式――不只是監測,也可以以近即時(near-real time)反應事件發生5,9

       政府機關是否真的會對GPS反射技術做出重大投資還有待觀察,最近 HydroGNSS (一個反射-衛星的概念)被宣布作為歐洲太空總署第二個偵察任務,這無疑是令人鼓舞的。假如商業衛星公司近期對反射研究的投資有任何跡象,這個領域可能會繼續成長。讓GPS訊號的潛力完全發揮只是時間的問題,考慮這個領域在過去僅僅5年的快速進展,我們也許不會等太久。

 

 

References

1.    K. Larson, E. Small, EOS Trans. Am. Geophys. Union 94, 505 (2013). 

2.    S. Gleason, M. Adjrad, M. Unwin, Proceedings of the 18th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, ION (2005), p. 1679. 

3.    C. Ruf et al., Bull. Am. Meteorol. Soc. 97, 385 (2016). 

4.    A. Camps et al., IEEE J. Sel. Top. Appl. Earth Obs. Remote Sens. 9, 4730 (2016).

5.    C. Ruf et al., Sci. Rep. 8, 8782 (2018). 

6.    D. Comite et al., IEEE J. Sel. Top. Appl. Earth Obs. Remote Sens. 13, 2996 (2020).

7.     J. Cartwright, C. Banks, M. Srokosz, Geophys. Res. Lett. 124, 5801 (2019).

8.     K. Patel, “Could Satellites Help Head Off a Locust Invasion?,” Image of the Day, NASA, 29 March 2020. 

9.    G. Stephens et al., Bull. Am. Meteorol. Soc. 101, E274 (2020). 

 

 本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today 雜誌內 (Physics Today 75, 2, 42 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.4941)。原文作者:Clara Chew 。中文編譯:張鳳吟,陽明交通大學物理系博士。


Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Clara Chew , and is published on (Physics Today 75, 2, 42 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.4941). The article in Mandarin is translated and edited by F. Y, Chang, National Yang Ming Chiao Tung University.