Contributions to GNSS-R earth remote sensing from nano-satellites

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit de CiènciesGlobal Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) is a multi-static radar using navigation signals as signals of opportunity. It provides wide-swath and improved spatio-temporal sampling over current space-borne missions. The lack of experimental datasets from space covering signals from multiple constellations (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) at dual-band (L1 and L2) and dual-polarization (Right Hand Left Hand Circular Polarization: RHCP and LHCP), over the ocean, land and cryosphere remains a bottleneck to further develop these techniques. 3Cat-2 is a 6 units (3 x 2 elementary blocks of 10 x 10 x 10 cm3) CubeSat mission ayming to explore fundamentals issues towards an improvement in the understanding of the bistatic scattering properties of different targets. Since geolocalization of specific reflections points is determined by the geometry only, a moderate pointing accuracy is still required to correct for the antena pattern in scatterometry measurements. 3Cat-2 launch is foreseen for the first quarter 2016 into a Sun-Synchronous orbit of 510 km height using a Long March II D rocket. This Ph.D. Thesis represents the main contributions to the development of the 3Cat-2 GNSS-R Earth observation mission (6U CubeSat) including a novel type of GNSS-R technique: the reconstructed one. The desing, development of the platform, and a number of ground-based, airborne and stratospheric balloon experiments to validate the technique and to optimize the instrument. In particular, the main contributions of this Ph.D. thesis are: 1) A novel dual-band Global Navigation Satellite Systems Reflectometer that uses the P(Y) and C/A signals scattered over the sea surface to perform highly precise altimetric measurements (PYCARO). 2) The first proof-of-concept of PYCARO was performed during two different ground-based field experiments over a dam and over the sea under different surface roughness conditions. 3) The scattering of GNSS signals over a water surface has been studied when the receiver is at low height, as for GNSS-R coastal altimetry applications. The precise determination of the local sea level and wave state from the coast can provide useful altimetry and wave information as "dry" tide and wave gauges. In order to test this concept an experiment has been conducted at the Canal d'Investigació i Experimentació Marítima (CIEM) wave channel for two synthetic "sea" states. 4) Two ESA-sponsored airborne experiments were perfomed to test the precision and the relative accuracy of the conventional GNSS-R. 5) The empirical results of a GNSS-R experiment on-board the ESA-sponsored BAXUS 17 stratospheric balloon campaign performed North of Sweden over boreal forests showed that the power of the reflected signals is nearly independent of the platform height for a high coherent integration time. 6) An improved version of the PYCARO payload was tested in Octover 2014 for the second time during the ESA-sposored BEXUS-19,. This work achieved the first ever dual-frequency, multi-constellation GNSS-R observations over boreal forests and lakes using GPS, GLONASS and Galileo signals. 7) The first-ever dual-frequency multi-constellation GNSS-R dual-polarization measurements over boreal forests and lakes were obtained from the stratosphere during the BEXUS 19 using the PYCARO reflectometer operated in closed-loop mode.Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) es una técnica de radar multi-estático que usa señales de radio-navegación como señales de oportunidad. Esta técnica proporciona "wide-swath" y un mejor sampleado espacio-temporal en comparación con las misiones espaciales actuales. La falta de datos desde el espacio proporcionando señales de múltiples constelaciones (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) en doble banda (L1 y L2) y en doble polarización (RHCP y LHCP) sobre océano, tierra y criosfera continua siendo un problema por solucionar. 3Cat-2 es un cubesat de 6 unidades con el objetivo de explorar elementos fundamentales para mejorar el conocimiento sobre el scattering bi-estático sobre diferentes medios dispersores. Dado que la geolocalización de puntos de reflexión específicos está determinada solo por geometría, es necesario un requisito moderado de apuntamiento para corregir el diagrama de antena en aplicaciones de dispersometría. El lanzamiento del 3Cat-2 será en Q2 2016 en una órbitra heliosíncrona usando un cohete Long March II D. Esta tesis representa las contribuciones principales al desarrollo del satélite 3Cat2 para realizar observación de la tierra con GNSS-R incluyendo una nueva técnica: "the reconstructed-code GNSS-R". El diseño, desarrollo de la plataforma y un número de experimentos en tierra, desde avión y desde globo estratosférico para validar la técnica y optimizar el instrumento han sido realizados. En particular, las contribuciones de esta Ph.D. son: 1) un novedoso Global Navigation Satellite Systems Reflectometer que usa las señales P(Y) y C/A después de ser dispersadas sobre la superficie del mar para realizar medidas altimétricas muy precisas. (PYCARO). 2) La primera prueba de concepto de PYCARO se hizo en dos experimentos sobre un pantano y sobre el mar bajo diferentes condiciones de rugosidad. 3) La disperión de las señales GNSS sobre una superfice de agua ha sido estudiada para bajas altitudes para aplicaciones GNSS-R altimétricas de costa. La determinación precisa del nivel local del mar y el estado de las olas desde la costa puede proporcionar información útil de altimetría e información de olas. Para hacer un test de este concepto un experimento en el Canal d'Investigació i Experimentació Marítima (CIEM) fue realizado para dos estados sintéticos de rugosidad. 4) Dos experimentos en avión con esponsor de la ESA se realizaron para estudiar la preción y la exactitud relativa de cGNSS-R. 5) Los resultados empíricos del experimento GNSS-R en BEXUS 17 con esponsor de la ESA realizado en el norte de Suecia sobre bosques boreales mostró que la potencia reflejada de las señales es independiente de la altitud de la plataforma para un tiempo de integración coherente muy alto. 6) Una versión mejorada del PYCARO fue testeada en octubre del 2014 por segunda vez durante el BEXUS 19 que también fue patrocidado por la ESA. Este trabajo proporcionó las primeras medidas GNSS-R sobre bosques boreales en doble frecuencia usando varias constelaciones GNSS. 7) Las primeras medidas polarimétricas (RHCP y LHCP) de GNSS-R sobre bosques boreales también fueron conseguidas durante el experimento BEXUS 19.Award-winningPostprint (published version

Contributions to land, sea, and sea ice remote sensing using GNSS-reflectometry

This PhD thesis researches the use of passive remote sensing techniques using signals transmitted from the navigation satellites (GNSS) in order to retrieve different geophysical parameters. The thesis consists of two different parts without taking into account the introduction, the state of the art and the conclusions. The first part analyzes the Interference Pattern Technique (IPT), which was previously used in another PhD thesis, and proposes some key improvements. First, the addition of horizontal polarization to the existing vertical polarization is proposed. Then, the retrieval of soil moisture is studied using the horizontal polarization only and combining both polarizations to correct for the surface roughness effects. It is also demonstrated that the phase difference between the two interference patterns is directly related to soil moisture content. A field campaign was conducted in Australia to test empirically all the theoretical developments and algorithms. Secondly, the possibility of measuring Significant Wave Height (SWH) and Mean Sea Surface Level (MSSL) using the IPT is studied. A three month field campaign over coastal sea is devoted to that study. The SWH retrieval is a new estimation algorithm based on measuring the point where the interference pattern loses coherence. The MSSL retrieval is based on the estimation of the IPT oscillation frequency, testing different spectral estimators to improve the accuracy. Since the IPT is limited in coverage due to its static requirements, the research conducted in this thesis migrated to scatterometric GNSS-R techniques. The main goal that migration was to increase coverage of the different GNSS-R instruments. Therefore, the second part of this thesis analyzes the applicability of a scatterometric technique from different platforms: ground-based (mobile and fixed), airborne, and spaceborne. The ground-based still platforms have allowed to develop a soil moisture retrieval algorithm. The ground-based moving platforms have extended the validity of that algorithm. Airborne platforms have been used to study the reflected electric field statistics when the surface reflecting surface is varying (smooth or rough land, and sea). They have also been used to develop different algorithms to measure the coherent and incoherent scattered components depending on the data structure (real-data or complex data). Coherent reflectivity measured from airborne platforms has been compared to other techniques such microwave radiometry, which is highly used in the soil moisture retrieval from spaceborne sensors, and other sensors using optical, multispectral and thermal frequency bands. These relationships between microwave radiometry and GNSS-R measurements suggests the potential synergy of both techniques. A sea ice detection algorithm is also developed using scatterometric GNSS-R data from the UK TDS-1 mission. This algorithm is based on measuring the degree of coherence of the reflected waveform. Finally, a field campaign was conducted to study the effect of vegetation on the GNSS signals that pass through it in order to take into account and correct the effect of vegetation in the GNSS-R data and in the soil moisture retrieval algorithms.Aquesta tesi doctoral aprofundeix en el coneixement de les tècniques de teledetecció passives utilitzant senyals emesos pels satèl·lits de navegació (GNSS) amb l'objectiu de recuperar diferents paràmetres geofísics del terreny. La tesi conté dues parts ben diferenciades a banda de la introducció, estat de l'art i conclusions. La primera part analitza la tècnica coneguda com a patró d'interferències, utilitzada prèviament en una altra tesi doctoral, i proposa certes millores per la seva aplicabilitat. En primer lloc es decideix afegir polarització horitzontal a la ja existent polarització vertical, i s'estudia la recuperació d'humitat del sòl utilitzant només polarització horitzontal i combinant les dues polaritzacions per corregir els efectes de la rugositat del terreny. A continuació es demostra que la mesura de desfasament entre els dos patrons d'interferència està directament relacionada amb la humitat del terreny. Es va realitzar una campanya de mesures a Austràlia per provar empíricament tots els desenvolupaments teòrics i algorismes proposats. En segon lloc s'analitza l'aplicabilitat del patró d'interferències en la mesura de l'altura de les onades (SWH) i del nivell del mar (MSSL), tots dos de forma precisa. L'estimació de l'alçada de les onades és un procés totalment nou basat en mesurar el punt on el patró d'interferències perd la coherència. L'estimació del nivell del mar es basa en l'anàlisi espectral del patró d'interferències provant diferents estimadors espectrals. Atès que la tècnica del patró d'interferència està limitada en cobertura per les seves característiques estàtiques, la investigació duta a terme en aquesta tesi doctoral va migrar cap a tècniques GNSS-R escateromètriques. El principal objectiu a assolir va ser el d'augmentar la cobertura dels diferents instruments GNSS-R de mesura. En conseqüència, la segona part d'aquesta tesi analitza l'aplicabilitat d'aquestes tècniques des de diferents plataformes terrestres (mòbils i fixes), aerotransportades i satèl·lit. Les plataformes terrestres fixes han permès derivar algoritmes de recuperació d'humitat i les mòbils estendre la validació d'aquests. Les plataformes aerotransportades s'han utilitzat per mirar l'estadística del camp elèctric reflectit quan la superfície on es reflecteixen els senyals GNSS va variant (terra plana o terra rugosa, i mar). També han servit per desenvolupar diferents algorismes amb l'objectiu de determinar les components coherent i incoherent del senyal reflectit. De la mateixa manera, dades de reflectivitat coherent mesurades des d'aquestes plataformes han estat comparades amb altres tècniques de teledetecció passiva com la radiometria de microones, altament utilitzada en la mesura d'humitat de terreny, i altres sensors òptics, multi-espectrals, i tèrmics. Aquests resultats han permès suggerir la possible sinergia de dades d'ambdues tecnologies. Un algorisme per detectar la presència de gel sobre el mar també ha estat desenvolupat mitjançant l'ús de dades GNSS-R escateromètriques satel·litals de la missió UK TDS-1. Aquest algorisme es basa en mesurar el grau de coherència de la forma d'ona reflectida. Finalment, s'ha realitzat un estudi de l'efecte de la vegetació en els senyals GNSS que la travessen, per tal de poder corregir aquest efecte en els algoritmes de recuperació d'humitat del terreny