Advanced GNSS-R instruments for altimetric and scatterometric applications

This work is the result of more than eight years during a bachelor thesis, a master thesis, and the Ph.D. thesis dedicated to the development of the Microwave Interferometric Reflectometer (MIR) instrument. It summarizes all the knowledge acquired during this time, and describes the MIR instrument as detailed as possible. MIR is a Global Navigation Satellite System - Reflectometer (GNSS-R), that is, an instrument that uses Global Navigation Satellite System (GNSS) signals scattered on the Earth's surface to retrieve geophysical parameters. These signals are received below the noise level, but since they have been spread in the frequency domain using spread-spectrum techniques, and in particular using the so-called Pseudo Random Noise (PRN) codes, it is still possible to retrieve them because of the large correlation gain achieved. In GNSS-R, two main techniques are used for this purpose: the conventional technique cGNSS-R and the interferometric one iGNSS-R, each with its pros and cons. In the former technique, the reflected signal is cross-correlated against a locally generated clean-replica of the transmitted signal. In the latter technique the reflected signal is cross-correlated with the direct one. Nowadays multiple GNSS systems coexist, transmitting narrow and wide, open and private signals. A comparison between systems, signals, and techniques in fair conditions is necessary. The MIR instrument has been designed as an airborne instrument for that purpose: the instrument has two arrays, an up-looking one, and a down-looking one, each with 19 dual-band antennas in a hexagonal distribution. The instrument is able to form 2 beams at each frequency band (L1/E1, and L5/E5A), which are pointing continuously to the desired satellites taking into account their position, as well as the instrument's position and attitude. The data is sampled and stored for later post-processing. Last but not least, MIR is auto-calibrated using similar signals to the ones transmitted by the GNSS satellites. During the instrument development, the Distance Measurement Equipment/TACtical Air Navigation (DME/TACAN) signals from the Barcelona airport threatened to disrupt the interferometric technique. These signals were also studied, and it was concluded that the use of a mitigation systems were as strongly recommended. The interferometric technique was also affected by the unwanted contribution of other satellites. The impact of these contributions was studied using real data gathered during this Ph.D. thesis. During these 8 years, the instrument was designed, built, tested, and calibrated. A field campaign was carried out in Australia between May 2018 and June 2018 to determine the instrument's accuracy in sensing soil moisture and sea altimetry. This work describes each of these steps in detail and aims to be helpful for those who decide to continue the legacy of this instrument.Este trabajo es el resultado de más de 8 años de doctorado dedicados al desarrollo del instrumento Microwave Interferometric Reflectometer (MIR). Esta tesis resume todo el conocimiento adquirido durante este tiempo, y describe el MIR lo más detalladamente posible. El MIR es un Reflectómetro de señales de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS-R), es decir, es un instrumento que usa señales de GNSS reflejadas en la superficie de la tierra para obtener parámetros geofísicos. Estas señales son recibidas bajo el nivel de ruido, pero dado que han sido ensanchadas en el dominio frecuencial usando técnicas de espectro ensanchado, y en particular usando códigos Pseudo Random Noise (PRN), es todavía posible recibirlas debido a la elevada ganancia de correlación. En GNSS-R existen dos técnicas para este propósito: la convencional (cGNSS-R), y la interferométrica (iGNSS-R), cada una con sus pros y sus contras. En la primera se calcula la correlación cruzada de la señal reflejada y de una réplica generada del código transmitido. En la segunda técnica se calcula la correlación cruzada de la señal reflejada y de la señal directa. Hoy en día muchos sistemas GNSS coexisten, transmitiendo señales de distintos anchos de banda, algunas públicas y otras privadas. Una comparación entre sistemas, señales, y técnicas en condiciones justas es necesaria. El MIR es un instrumento aerotransportado diseñado como para ese propósito: el instrumento tiene dos arrays de antenas, uno apuntando al cielo, y otro apuntando al suelo, cada uno con 19 antenas doble banda en una distribución hexagonal. El instrumento puede formar 2 haces en cada banda frecuencial (L1/E1 y L5/E5A) que apuntan continuamente a los satélites deseados teniendo en cuenta su posición, y la posición y actitud del instrumento. Los datos son guardados para ser procesados posteriormente. Por último pero no menos importante, el MIR se calibra usando señales similares a las transmitidas por los satélites de GNSS. Durante el desarrollo del instrumento, señales del sistema Distance Measuremt Equi Distance Measurement Equipment/TACtical Air Navigation (DME/TACAN) del aeropuerto de Barcelona mostraron ser una amenaza para la técnica interferométrica. Estas señales fueron estudiadas y se concluyó que era encarecidamente recomendado el uso de sistemas de mitigación de interferencias. La técnica interferométrica también se ve afectada por las contribuciones no deseadas de otros satélites, llamado cross-talk. El impacto del cross-talk fue estudiado usando datos reales tomados durante esta tesis doctoral. A lo largo de estos 8 años el instrumento ha sido diseñado, construido, testeado y calibrado. Una campaña de medidas fue llevada a cabo en Australia entre Mayo de 2018 y Junio de 2018 para determinar la capacidad del instrumento para estimar la humedad del terreno y la altura del mar. Este documento describe cada uno de estos pasos al detalle y espera resultar útil para aquellos que decidan continuar con el legado de este instrumento.Postprint (published version

Radio frequency interference detection and mitigation techniques for navigation and Earth observation

Radio-Frequency Interference (RFI) signals are undesired signals that degrade or disrupt the performance of a wireless receiver. RFI signals can be troublesome for any receiver, but they are especially threatening for applications that use very low power signals. This is the case of applications that rely on the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), or passive microwave remote sensing applications such as Microwave Radiometry (MWR) and GNSS-Reflectometry (GNSS-R). In order to solve the problem of RFI, RFI-countermeasures are under development. This PhD thesis is devoted to the design, implementation and test of innovative RFI-countermeasures in the fields of MWR and GNSS. In the part devoted to RFI-countermeasures for MWR applications, first, this PhD thesis completes the development of the MERITXELL instrument. The MERITXELL is a multi-frequency total-power radiometer conceived to be an outstanding platform to perform detection, characterization, and localization of RFI signals at the most common MWR imaging bands up to 92 GHz. Moreover, a novel RFI mitigation technique is proposed for MWR: the Multiresolution Fourier Transform (MFT). An assessment of the performance of the MFT has been carried out by comparison with other time-frequency mitigation techniques. According to the results, the MFT technique is a good trade-off solution among all other techniques since it can mitigate efficiently all kinds of RFI signals under evaluation. In the part devoted to RFI-countermeasures for GNSS and GNSS-R applications, first, a system for RFI detection and localization at GNSS bands is proposed. This system is able to detect RFI signals at the L1 band with a sensitivity of -108 dBm at full-band, and of -135 dBm for continuous wave and chirp-like signals when using the averaged spectrum technique. Besides, the Generalized Spectral Separation Coefficient (GSSC) is proposed as a figure of merit to evaluate the Signal-to-Noise Ratio (SNR) degradation in the Delay-Doppler Maps (DDMs) due to the external RFI effect. Furthermore, the FENIX system has been conceived as an innovative system for RFI detection and mitigation and anti-jamming for GNSS and GNSS-R applications. FENIX uses the MFT blanking as a pre-correlation excision tool to perform the mitigation. In addition, FENIX has been designed to be cross-GNSS compatible and RFI-independent. The principles of operation of the MFT blanking algorithm are assessed and compared with other techniques for GNSS signals. Its performance as a mitigation tool is proven using GNSS-R data samples from a real airborne campaign. After that, the main building blocks of the patented architecture of FENIX have been described. The FENIX architecture has been implemented in three real-time prototypes. Moreover, a simulator named FENIX-Sim allows for testing its performance under different jamming scenarios. The real-time performance of FENIX prototype has been tested using different setups. First, a customized VNA has been built in order to measure the transfer function of FENIX in the presence of several representative RFI/jamming signals. The results show how the power transfer function adapts itself to mitigate the RFI/jamming signal. Moreover, several real-time tests with GNSS receivers have been performed using GPS L1 C/A, GPS L2C, and Galileo E1OS. The results show that FENIX provides an extra resilience against RFI and jamming signals up to 30 dB. Furthermore, FENIX is tested using a real GNSS timing setup. Under nominal conditions, when no RFI/jamming signal is present, a small additional jitter on the order of 2-4 ns is introduced in the system. Besides, a maximum bias of 45 ns has been measured under strong jamming conditions (-30 dBm), which is acceptable for current timing systems requiring accuracy levels of 100 ns. Finally, the design of a backup system for GNSS in tracking applications that require high reliability against RFI and jamming attacks is proposed.Les interferències de radiofreqüència (RFI) són senyals no desitjades que degraden o interrompen el funcionament dels receptors sense fils. Les RFI poden suposar un problema per qualsevol receptor, però són especialment amenaçadores per les a aplicacions que fan servir senyals de molt baixa potència. Aquest és el cas de les aplicacions que depenen dels sistemes mundials de navegació per satèl·lit (GNSS) o de les aplicacions de teledetecció passiva de microones, com la radiometria de microones (MWR) i la reflectometria GNSS (GNSS-R). Per combatre aquest problema, sistemes anti-RFI s'estan desenvolupament actualment. Aquesta tesi doctoral està dedicada al disseny, la implementació i el test de sistemes anti-RFI innovadors en els camps de MWR i GNSS. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en MWR, aquesta tesi doctoral completa el desenvolupament de l'instrument MERITXELL. El MERITXELL és un radiòmetre multifreqüència concebut com una plataforma excepcional per la detecció, caracterització i localització de RFI a les bandes de MWR més utilitzades per sota dels 92 GHz. A més a més, es proposa una nova tècnica de mitigació de RFI per MWR: la Transformada de Fourier amb Multiresolució (MFT). El funcionament de la MFT s'ha comparat amb el d'altres tècniques de mitigació en els dominis del temps i la freqüència. D'acord amb els resultats obtinguts, la MFT és una bona solució de compromís entre les altres tècniques, ja que pot mitigar de manera eficient tots els tipus de senyals RFI considerats. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en GNSS i GNSS-R, primer es proposa un sistema per a la detecció i localització de RFI a les bandes GNSS. Aquest sistema és capaç de detectar senyals RFI a la banda L1 amb una sensibilitat de -108 dBm a tota la banda, i de -135 dBm per a senyals d'ona contínua i chirp fen un mitjana de l'espectre. A més a més, el Coeficient de Separació Espectral Generalitzada (GSSC) es proposa com una mesura per avaluar la degradació de la relació senyal a soroll (SNR) en els Mapes de Delay-Doppler (DDM) a causa del impacte de les RFI. La major contribució d'aquesta tesi doctoral és el sistema FENIX. FENIX és un sistema innovador de detecció i mitigació de RFI i inhibidors de freqüència per aplicacions GNSS i GNSS-R. FENIX utilitza la MFT per eliminar la interferència abans del procés de correlació amb el codi GNSS independentment del tipus de RFI. L'algoritme de mitigació de FENIX s'ha avaluat i comparat amb altres tècniques i els principals components de la seva arquitectura patentada es descriuen. Finalment, un simulador anomenat FENIX-Sim permet avaluar el seu rendiment en diferents escenaris d'interferència. El funcionament en temps real del prototip FENIX ha estat provat utilitzant diferents mètodes. En primer lloc, s'ha creat un analitzador de xarxes per a mesurar la funció de transferència del FENIX en presència de diverses RFI representatives. Els resultats mostren com la funció de transferència s'adapta per mitigar el senyal interferent. A més a més, s'han realitzat diferents proves en temps real amb receptors GNSS compatibles amb els senyals GPS L1 C/A, GPS L2C i Galileo E1OS. Els resultats mostren que FENIX proporciona una resistència addicional contra les RFI i els senyals dels inhibidors de freqüència de fins a 30 dB. A més a més, FENIX s'ha provat amb un sistema comercial de temporització basat en GNSS. En condicions nominals, sense RFI, FENIX introdueix un petit error addicional de tan sols 2-4 ns. Per contra, el biaix màxim mesurat en condicions d'alta interferència (-30 dBm) és de 45 ns, el qual és acceptable per als sistemes de temporització actuals que requereixen nivells de precisió d'uns 100 ns. Finalment, es proposa el disseny d'un sistema robust de seguiment, complementari als GNSS, per a aplicacions que requereixen alta fiabilitat contra RFI.Postprint (published version

Preliminary altimetry results of the Malygnss instrument in the Humit project

In order to provide high resolution soil moisture maps, the Institut Cartografic i Geológic de Catalunya (ICGC) in colab-oration with Universitat Politecnica de Catalunya are planing to deploy the 3 Cat-3 picosatellite, which aims to estimate soil moisture from space using Global Navigation Satellite Systems - Reflectometry (GNSS-R) and to downscale it using data fusion with a multi-spectral camera. As a proof of concept, a field campaign is being carried out in Lleida, Catalunya. MALYGNSS is a GNSS reflectometer flying as an opportunity sensor that will validate the main reflectometer of the project: the CORTO instrument.Peer ReviewedPostprint (published version

Preliminary altimetry results of the Malygnss instrument in the Humit project

In order to provide high resolution soil moisture maps, the Institut Cartografic i Geológic de Catalunya (ICGC) in colab-oration with Universitat Politecnica de Catalunya are planing to deploy the 3 Cat-3 picosatellite, which aims to estimate soil moisture from space using Global Navigation Satellite Systems - Reflectometry (GNSS-R) and to downscale it using data fusion with a multi-spectral camera. As a proof of concept, a field campaign is being carried out in Lleida, Catalunya. MALYGNSS is a GNSS reflectometer flying as an opportunity sensor that will validate the main reflectometer of the project: the CORTO instrument.Peer Reviewe