Ionospheric tomography using GNSS reflections

In this paper, we report a preliminary analysis of the impact of Global Navigation Satellite System Reflections (GNSS-R) data on ionospheric monitoring over the oceans. The focus will be on a single polar Low Earth Orbiter (LEO) mission exploiting GNSS-R as well as Navigation (GNSS-N) and Occultation (GNSS-O) total electron content (TEC) measurements. In order to assess impact of the data, we have simulated GNSS-R/O/N TEC data as would be measured from the LEO and from International Geodesic Service (IGS) ground stations, with an electron density (ED) field generated using a climatic ionospheric model. We have also developed a new tomographic approach inspired by the physics of the hydrogen atom and used it to effectively retrieve the ED field from the simulated TEC data near the orbital plane. The tomographic inversion results demonstrate the significant impact of GNSS-R: three-dimensional ionospheric ED fields are retrieved over the oceans quite accurately, even as, in the spirit of this initial study, the simulation and inversion approaches avoided intensive computation and sophisticated algorithmic elements (such as spatio-temporal smoothing). We conclude that GNSS-R data over the oceans can contribute significantly to a Global/GNSS Ionospheric Observation System (GIOS). Index Terms Global Navigation Satellite System (GNSS), Global Navigation Satellite System Reflections (GNSS-R), ionosphere, Low Earth Orbiter (LEO), tomography

GNSS Reflectometry and Remote Sensing: New Objectives and Results

The Global Navigation Satellite System (GNSS) has been a very powerful and important contributor to all scientific questions related to precise positioning on Earth's surface, particularly as a mature technique in geodesy and geosciences. With the development of GNSS as a satellite microwave (L-band) technique, more and wider applications and new potentials are explored and utilized. The versatile and available GNSS signals can image the Earth's surface environments as a new, highly precise, continuous, all-weather and near-real-time remote sensing tool. The refracted signals from GNSS Radio Occultation satellites together with ground GNSS observations can provide the high-resolution tropospheric water vapor, temperature and pressure, tropopause parameters and ionospheric total electron content (TEC) and electron density profile as well. The GNSS reflected signals from the ocean and land surface could determine the ocean height, wind speed and wind direction of ocean surface, soil moisture, ice and snow thickness. In this paper, GNSS remote sensing applications in the atmosphere, oceans, land and hydrology are presented as well as new objectives and results discussed.Comment: Advances in Space Research, 46(2), 111-117, 201

GNSS transpolar earth reflectometry exploriNg system (G-TERN): mission concept

The global navigation satellite system (GNSS) Transpolar Earth Reflectometry exploriNg system (G-TERN) was proposed in response to ESA's Earth Explorer 9 revised call by a team of 33 multi-disciplinary scientists. The primary objective of the mission is to quantify at high spatio-temporal resolution crucial characteristics, processes and interactions between sea ice, and other Earth system components in order to advance the understanding and prediction of climate change and its impacts on the environment and society. The objective is articulated through three key questions. 1) In a rapidly changing Arctic regime and under the resilient Antarctic sea ice trend, how will highly dynamic forcings and couplings between the various components of the ocean, atmosphere, and cryosphere modify or influence the processes governing the characteristics of the sea ice cover (ice production, growth, deformation, and melt)? 2) What are the impacts of extreme events and feedback mechanisms on sea ice evolution? 3) What are the effects of the cryosphere behaviors, either rapidly changing or resiliently stable, on the global oceanic and atmospheric circulation and mid-latitude extreme events? To contribute answering these questions, G-TERN will measure key parameters of the sea ice, the oceans, and the atmosphere with frequent and dense coverage over polar areas, becoming a “dynamic mapper”of the ice conditions, the ice production, and the loss in multiple time and space scales, and surrounding environment. Over polar areas, the G-TERN will measure sea ice surface elevation (<;10 cm precision), roughness, and polarimetry aspects at 30-km resolution and 3-days full coverage. G-TERN will implement the interferometric GNSS reflectometry concept, from a single satellite in near-polar orbit with capability for 12 simultaneous observations. Unlike currently orbiting GNSS reflectometry missions, the G-TERN uses the full GNSS available bandwidth to improve its ranging measurements. The lifetime would be 2025-2030 or optimally 2025-2035, covering key stages of the transition toward a nearly ice-free Arctic Ocean in summer. This paper describes the mission objectives, it reviews its measurement techniques, summarizes the suggested implementation, and finally, it estimates the expected performance.Peer ReviewedPostprint (published version

Bayesian approach to ionospheric imaging with Gaussian Markov random field priors

Ionosphere is the partly ionised layer of Earth's atmosphere caused by solar radiation and particle precipitation. The ionisation can start from 60 km and extend up to 1000 km altitude. Often the interest in ionosphere is in the quantity and distribution of the free electrons. The electron density is related to the ionospheric refractive index and thus sufficiently high densities affect the electromagnetic waves propagating in the ionised medium. This is the reason for HF radio signals being able to reflect from the ionosphere allowing broadcast over the horizon, but also an error source in satellite positioning systems. The ionospheric electron density can be studied e.g. with specific radars and satellite in situ measurements. These instruments can provide very precise observations, however, typically only in the vicinity of the instrument. To make observations in regional and global scales, due to the volume of the domain and price of the aforementioned instruments, indirect satellite measurements and imaging methods are required. Mathematically ionospheric imaging suffers from two main complications. First, due to very sparse and limited measurement geometry between satellites and receivers, it is an ill-posed inverse problem. The measurements do not have enough information to reconstruct the electron density and thus additional information is required in some form. Second, to obtain sufficient resolution, the resulting numerical model can become computationally infeasible. In this thesis, the Bayesian statistical background for the ionospheric imaging is presented. The Bayesian approach provides a natural way to account for different sources of information with corresponding uncertainties and to update the estimated ionospheric state as new information becomes available. Most importantly, the Gaussian Markov Random Field (GMRF) priors are introduced for the application of ionospheric imaging. The GMRF approach makes the Bayesian approach computationally feasible by sparse prior precision matrices. The Bayesian method is indeed practicable and many of the widely used methods in ionospheric imaging revert back to the Bayesian approach. Unfortunately, the approach cannot escape the inherent lack of information provided by the measurement set-up, and similarly to other approaches, it is highly dependent on the additional subjective information required to solve the problem. It is here shown that the use of GMRF provides a genuine improvement for the task as this subjective information can be understood and described probabilistically in a meaningful and physically interpretative way while keeping the computational costs low.Ionosfääri on noin 60–1000 kilometrin korkeudella sijaitseva ilmakehän kerros, jossa kaasuatomien ja -molekyylien elektroneja on päässyt irtoamaan auringon säteilyn ja auringosta peräisin olevien nopeiden hiukkasten vaikutuksesta. Näin syntyneillä ioneilla ja vapailla elektroneilla on sähkö- ja magneettikenttien kanssa vuorovaikuttava sähkövaraus. Ionosfäärillä on siksi merkittävä rooli radioliikenteessä. Se voi mahdollistaa horisontin yli tapahtuvat pitkät radiolähetykset heijastamalla lähetetyn sähkömagneettisen signaalin takaisin maata kohti. Toisaalta ionosfääri vaikuttaa myös sen läpäiseviin korkeampitaajuuksisiin signaaleihin. Esimerkiksi satelliittipaikannuksessa ionosfäärin vaikutus on parhaassakin tapauksessa otettava huomioon, mutta huonoimmassa se voi estää paikannuksen täysin. Näkyvin ja tunnetuin ionosfääriin liittyvä ilmiö lienee revontulet. Yksi keskeisistä suureista ionosfäärin tutkimuksessa on vapaiden elektronien määrä kuutiometrin tilavuudessa. Käytännössä elektronitiheyden mittaaminen on mahdollista mm. tutkilla, kuten Norjan, Suomen ja Ruotsin alueilla sijaitsevalla EISCAT-tutkajärjestelmällä, sekä raketti- tai satelliittimittauksilla. Mittaukset voivat olla hyvinkin tarkkoja, mutta tietoa saadaan ainoastaan tutkakeilan suunnassa tai mittalaitteen läheisyydestä. Näillä menetelmillä ionosfäärin tutkiminen laajemmalla alueella on siten vaikeaa ja kallista. Olemassa olevat paikannussatelliitit ja vastaanotinverkot mahdollistavat ionosfäärin elektronitiheyden mittaamisen alueellisessa, ja jopa globaalissa mittakaavassa, ensisijaisen käyttötarkoituksensa sivutuotteena. Satelliittimittausten ajallinen ja paikallinen kattavuus on hyvä, ja kaiken aikaa kasvava, mutta esimerkiksi tarkkoihin tutkamittauksiin verrattuna yksittäisten mittausten tuottama informaatio on huomattavasti vähäisempää. Tässä väitöstyössä kehitettiin tietokoneohjelmisto ionosfäärin elektronitiheyden kolmiulotteiseen kuvantamiseen. Menetelmä perustuu matemaattisten käänteisongelmien teoriaan ja muistuttaa lääketieteessä käytettyjä viipalekuvausmenetelmiä. Satelliittimittausten puutteellisesta informaatiosta johtuen työssä on keskitytty etenkin siihen, miten ratkaisun löytymistä voidaan auttaa tilastollisesti esitetyllä fysikaalisella ennakkotiedolla. Erityisesti työssä sovellettiin gaussisiin Markovin satunnaiskenttiin perustuvaa uutta korrelaatiopriori-menetelmää. Menetelmä vähentää merkittävästi tietokonelaskennassa käytettävän muistin tarvetta, mikä lyhentää laskenta-aikaa ja mahdollistaa korkeamman kuvantamisresoluution

Bayesian approach to ionospheric imaging with Gaussian Markov random field priors

Ionosfääri on noin 60–1000 kilometrin korkeudella sijaitseva ilmakehän kerros, jossa kaasuatomien ja -molekyylien elektroneja on päässyt irtoamaan auringon säteilyn ja auringosta peräisin olevien nopeiden hiukkasten vaikutuksesta. Näin syntyneillä ioneilla ja vapailla elektroneilla on sähkö- ja magneettikenttien kanssa vuorovaikuttava sähkövaraus. Ionosfäärillä on siksi merkittävä rooli radioliikenteessä. Se voi mahdollistaa horisontin yli tapahtuvat pitkät radiolähetykset heijastamalla lähetetyn sähkömagneettisen signaalin takaisin maata kohti. Toisaalta ionosfääri vaikuttaa myös sen läpäiseviin korkeampitaajuuksisiin signaaleihin. Esimerkiksi satelliittipaikannuksessa ionosfäärin vaikutus on parhaassakin tapauksessa otettava huomioon, mutta huonoimmassa se voi estää paikannuksen täysin. Näkyvin ja tunnetuin ionosfääriin liittyvä ilmiö lienee revontulet. Yksi keskeisistä suureista ionosfäärin tutkimuksessa on vapaiden elektronien määrä kuutiometrin tilavuudessa. Käytännössä elektronitiheyden mittaaminen on mahdollista mm. tutkilla, kuten Norjan, Suomen ja Ruotsin alueilla sijaitsevalla EISCAT-tutkajärjestelmällä, sekä raketti- tai satelliittimittauksilla. Mittaukset voivat olla hyvinkin tarkkoja, mutta tietoa saadaan ainoastaan tutkakeilan suunnassa tai mittalaitteen läheisyydestä. Näillä menetelmillä ionosfäärin tutkiminen laajemmalla alueella on siten vaikeaa ja kallista. Olemassa olevat paikannussatelliitit ja vastaanotinverkot mahdollistavat ionosfäärin elektronitiheyden mittaamisen alueellisessa, ja jopa globaalissa mittakaavassa, ensisijaisen käyttötarkoituksensa sivutuotteena. Satelliittimittausten ajallinen ja paikallinen kattavuus on hyvä, ja kaiken aikaa kasvava, mutta esimerkiksi tarkkoihin tutkamittauksiin verrattuna yksittäisten mittausten tuottama informaatio on huomattavasti vähäisempää. Tässä väitöstyössä kehitettiin tietokoneohjelmisto ionosfäärin elektronitiheyden kolmiulotteiseen kuvantamiseen. Menetelmä perustuu matemaattisten käänteisongelmien teoriaan ja muistuttaa lääketieteessä käytettyjä viipalekuvausmenetelmiä. Satelliittimittausten puutteellisesta informaatiosta johtuen työssä on keskitytty etenkin siihen, miten ratkaisun löytymistä voidaan auttaa tilastollisesti esitetyllä fysikaalisella ennakkotiedolla. Erityisesti työssä sovellettiin gaussisiin Markovin satunnaiskenttiin perustuvaa uutta korrelaatiopriori-menetelmää. Menetelmä vähentää merkittävästi tietokonelaskennassa käytettävän muistin tarvetta, mikä lyhentää laskenta-aikaa ja mahdollistaa korkeamman kuvantamisresoluution.Ionosphere is the partly ionised layer of Earth's atmosphere caused by solar radiation and particle precipitation. The ionisation can start from 60 km and extend up to 1000 km altitude. Often the interest in ionosphere is in the quantity and distribution of the free electrons. The electron density is related to the ionospheric refractive index and thus sufficiently high densities affect the electromagnetic waves propagating in the ionised medium. This is the reason for HF radio signals being able to reflect from the ionosphere allowing broadcast over the horizon, but also an error source in satellite positioning systems. The ionospheric electron density can be studied e.g. with specific radars and satellite in situ measurements. These instruments can provide very precise observations, however, typically only in the vicinity of the instrument. To make observations in regional and global scales, due to the volume of the domain and price of the aforementioned instruments, indirect satellite measurements and imaging methods are required. Mathematically ionospheric imaging suffers from two main complications. First, due to very sparse and limited measurement geometry between satellites and receivers, it is an ill-posed inverse problem. The measurements do not have enough information to reconstruct the electron density and thus additional information is required in some form. Second, to obtain sufficient resolution, the resulting numerical model can become computationally infeasible. In this thesis, the Bayesian statistical background for the ionospheric imaging is presented. The Bayesian approach provides a natural way to account for different sources of information with corresponding uncertainties and to update the estimated ionospheric state as new information becomes available. Most importantly, the Gaussian Markov Random Field (GMRF) priors are introduced for the application of ionospheric imaging. The GMRF approach makes the Bayesian approach computationally feasible by sparse prior precision matrices. The Bayesian method is indeed practicable and many of the widely used methods in ionospheric imaging revert back to the Bayesian approach. Unfortunately, the approach cannot escape the inherent lack of information provided by the measurement set-up, and similarly to other approaches, it is highly dependent on the additional subjective information required to solve the problem. It is here shown that the use of GMRF provides a genuine improvement for the task as this subjective information can be understood and described probabilistically in a meaningful and physically interpretative way while keeping the computational costs low