我要评论文：Clara Chew
譯：張鳳吟
問路的除作測地日子已經過去了！現在，為導任何人有智慧型手機都可以快速找到最鄰近的航的S何咖啡廳、最靠近的工具加油站或出城最快速的路線。跑者保持或不保持步伐，幫助他們都能知道自己已經走了多遠（或多少），科學這要感謝他們的家觀GPS手錶。全球定位系統（global positioning system,水文 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循環感知。
儘管GPS已經普及，除作測地卻很少人知道，為導它的航的S何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工具資訊：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，幫助以及地面上有多少雪。科學
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。
圖片來源：物理雙月刊 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，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1000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（ref. 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。
最新评论