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

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

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

Feasibility of GNSS-R ice sheet altimetry in Greenland using TDS-1

Radar altimetry provides valuable measurements to characterize the state and the evolution of the ice sheet cover of Antartica and Greenland. Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) has the potential to complement the dedicated radar altimeters, increasing the temporal and spatial resolution of the measurements. Here we perform a study of the Greenland ice sheet using data obtained by the GNSS-R instrument aboard the British TechDemoSat-1 (TDS-1) satellite mission. TDS-1 was primarily designed to provide sea state information such as sea surface roughness or wind, but not altimetric products. The data have been analyzed with altimetric methodologies, already tested in aircraft based experiments, to extract signal delay observables to be used to infer properties of the Greenland ice sheet cover. The penetration depth of the GNSS signals into ice has also been considered. The large scale topographic signal obtained is consistent with the one obtained with ICEsat GLAS sensor, with differences likely to be related to L-band signal penetration into the ice and the along-track variations in structure and morphology of the firn and ice volumes The main conclusion derived from this work is that GNSS-R also provides potentially valuable measurements of the ice sheet cover. Thus, this methodology has the potential to complement our understanding of the ice firn and its evolution.Peer ReviewedPostprint (published version

Space-borne application of GNSS reflectometry for global sea state monitoring

This research focuses on modelling the relationship between wind conditions, sea roughness and GNSS reflections received from Low Earth Orbit (LEO). The motivation for this study lies in the recent development of a GNSS reflections receiver platform for the UK-DMC satellite and the numerous advantages proposed GNSS Reflectometry can provide in Earth Observation and global disaster monitoring. The fIrst part of the thesis focuses on the simulation procedure of received GPS-R Delay-Doppler Map (DDM). Airborne GPS-R scatterometric model has been adapted into this space-borne application research. Aft~r deriving DDM simulations according to reflection scenario, the results of two-dimensional data-model fItting are presented and analysed. The sensitivity discussion of current GPS-R model suggests some limitations of the modelling method, especially under medium and high wind speed ranges. In the second part, we investigate the inversion scheme of DDMs for the purpose of extracting a statistical wave model empirically. The similar model structure of DDM simulation is used but the processing order is turned over. After deconvolution, DDMs are inversed back to spatial energy maps and spatial slope probability maps. Three inversion algorithms are developed and compared. Preliminary synthetic and real data experiments give evidence of the feasibility of the inversion methodology. Finally, in the third part of this research, a new geometric wave slope statistical model is discussed in the context of wave fIeld simulations. The sensitivity of obtained statistical model is discussed in terms of wind speed, wave direction and observing incident angle. This provides an alternative view point to look into the wave slope probability properties and compensate the traditional theoretic and empirical wave modelling methods. Key words: GNSS-Reflectometry, Delay-Doppler Map inversion, wind conditions, sea surface roughness, slope probability density function, statistical wave slope model.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

GNSS-R as a source of opportunity for remote sensing of the cryosphere

This work evaluates the potential use of signals from the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) that scatter off the Earth surface for the retrieval of geophysical information from the cryosphere. For this purpose, the present study is based on data collected with a dedicated reflectometry GNSS receiver during two field campaigns, which were focused on two types of characteristic surfaces of the cryosphere: thin sea ice covers and thick dry snow accumulations. During the first experiment, the complete process of formation, evolution and melting of sea ice was monitorized for more than seven months in a bay located in Greenland. This type of ice is typically characterized by its thickness, concentration and roughness. Different observables from GNSS reflections are analyzed to try to infer these properties. The ice thickness is linked to the free-board level, defined as the height of the sea ice surface. Accurate phase altimetry is achieved, showing good agreement with an Arctic tide model. In addition, the long term results of ellipsoidal height retrievals are consistent with the evolution of the ice surface temperature product given by MODIS, which is a key parameter in the rate of growth of sea ice. On the other hand, the presence of salinity in the sea ice modifies its dielectric properties, resulting in different amplitude and phase for the co- and cross-polar components of the complex Fresnel coefficients. The polarimetric measurements obtained show good agreement with visual inspections of ice concentration from an Arctic weather station. Finally, the shape of the reflected signals and its phase dispersion are tested as potential signatures of surface roughness. For comparison, ice charts of the experimental area are employed. In particular, maximums in roughness given by the GNSS observables coincide with fast ice events. Fast ice is defined as ice anchored to the coast, where the tidal movements contribute to the development of strange patterns, cracks, and fissures on its surface, thus consistent with the GNSS-R roughness retrievals. The second experiment took place on Antarctica, monitoring a pristine snow area which is well-known for the calibration of remote sensing instruments. Due to the relative stability of the snow layers, the data acquisition was limited to ten continuous days. Interferometric beats were found after a first analysis of the amplitude from the collected signals, which were consistent with a multipath model where the reflector lies below the surface level. Motivated by these results, a forward model is developed that reconstructs the complex received signal as a sum of a finite number of reflections, coming from different snow layers (a snow density profile obtained from in-situ measurements). The interferometric information is then retrieved from the spectral analysis applied to time series from both real and modeled signals (lag-holograms). We find that the frequency bands predicted by the model are in general consistent with the data and the lag-holograms show repeatability for different days. Then, we attempt a proper inversion of the collected data to determine the dominant layers of the dry snow profile that contribute to L-band reflections, which are related to significant gradients of snow density/permittivity.Aquest treball avalua el possible ús dels senyals dels sistemes mundials de navegació per satèl lit (GNSS) que es reflecteixen a la superfície terrestre, per a l’extracció de la informació geofísica de la criosfera. Amb aquest propòsit, el present estudi es basa en dades recollides amb un reflectòmetre GNSS durant dues campanyes experimentals, centrades en dos tipus de superfícies característiques de la criosfera: cobertes de gel marí i gruixudes acumulacions de neu seca. En el primer experiment, el procés complet de formació, evolució i fusió del gel marí va ser monitoritzat durant més de set mesos a una badia situada a Groenlàndia. Aquest tipus de gel es caracteritza típicament amb el seu gruix, concentració i rugositat. Diferents observables de les reflexions GNSS són analitzats per tractar de fer una estimació d’aquestes propietats. El gruix de gel està relacionat amb el nivell de francbord, que a la seva vegada està relacionat amb l’alçada de la superfície de gel marí. S’ha aconseguit altimetria de fase precisa, que mostra correlació amb un model de marea de l’Àrtic. A més, els resultats a llarg termini de l’alçada elipsoidal segueixen l’evolució de les mesures de temperatura de superfície de gel donades per MODIS. La temperatura és un paràmetre clau en el ritme de creixement del gel marí. Per altra banda, la presència de sal a aquest tipus de gel modifica les seves propietats dielèctriques, el que implica variacions d’amplitud i fase per als coeficients de Fresnel complexos amb polaritzacions oposades. Les mesures polarimètriques obtingudes mostren concordança amb els valors de concentració de gel obtinguts des d’una estació meteorològica propera. Finalment, la forma de la senyal reflectida i la dispersió de la seva fase s’evaluen com a potencials indicadors de la rugositat de superfície. Per a la seva comparació, es fan servir mapes del gel de la zona experimental. En concret, els valors màxims a la rugositat estimada a partir pels observables GNSS coincideixen amb el gel fixe, que es refereix a gel ancorat a la costa, on els moviments de les marees contribueixen al desenvolupament de patrons estranys, esquerdes i fissures en la seva superfície. El segon experiment es va dur a terme a l’Antàrtida, monitoritzant una àrea de neu pristina que és ben coneguda per al calibratge d’instruments de teledetecció. A causa de la relativa estabilitat de les capes de neu, l’adquisició de dades es va limitar a deu dies consecutius. Es van trobar pulsacions interferomètriques a partir d’un primer anàlisi de l’amplitud de les senyals recollides, les quals eren compatibles amb un model de propagació multicamí a on el reflector es troba per sota del nivell de superfície. Com a conseqüència d’aquests resultats, s’ha desenvolupat un model que reconstrueix el senyal complexe rebut com la suma d’un nombre finit de reflexions, procedents de diferents capes de neu (determinat per mesures locals). La informació interferomètrica es recupera després de l’anàlisi espectral aplicat a les sèries temporals tant de les senyals reals, com de les modelades (lag-hologrames). Trobem que les bandes de freqüències predites pel model són en general consistents amb les dades i que els lag-hologrames mostren repetibilitat per dies diferents. Posteriorment, es realitza un anàlisi de les dades recollides per determinar les capes dominants del perfil de neu seca que contribueixen a les reflexions en banda L, i que a la seva vegada, estan relacionades amb gradents significatius de densitat/permitivitat.Este trabajo evalúa el posible uso de las señales de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) que se reflejan en la superficie terrestre para la extracción de información geofísica de la criosfera. Con este propósito, el presente estudio se basa en datos recogidos con un reflectómetro GNSS durante dos campañas experimentales, centradas en dos tipos de superficies características de la criosfera: capas de hielo marino y gruesas acumulaciones de nieve seca. Durante el primer experimento, el proceso completo de formación, evolución y fusión del hielo marino fue monitorizado durante más de siete meses en una bahía ubicada en Groenlandia. Este tipo de hielo se caracteriza típicamente por su grosor, concentración y rugosidad. Diferentes observables de las reflexiones GNSS son analizados para tratar de estimar dichas propiedades. El espesor de hielo está relacionado con el nivel de francobordo o borda libre, que a su vez está relacionado con la altura de la superficie de hielo marino. Se ha logrado altimetría de fase precisa, mostrando correlación con un modelo de marea del Ártico. Además, los resultados a largo plazo de la altura elipsoidal siguen la evolución de las mediciones de temperatura de superficie de hielo proporcionadas por MODIS. La temperatura es un parámetro clave en el ritmo de crecimiento del hielo marino. Por otro lado, la presencia de sal en este tipo de hielo modifica sus propiedades dieléctricas, lo que implica variaciones en las amplitudes y fases de los coeficientes complejos de Fresnel con polarizaciones opuestas. Los resultados polarimétricos concuerdan con los valores de concentración de hielo obtenidos mediante inspección visual desde una estación meteorológica cercana. Por último, la forma de la señal reflejada y la dispersión de su fase son evaluadas como potenciales indicadores de la rugosidad de superficie. Para su comparación, se emplean mapas del hielo de la zona experimental. En particular, valores máximos de rugosidad estimada por los observables GNSS coinciden con hielo fijo, que se refiere al hielo anclado a la costa, donde los movimientos de las mareas contribuyen al desarrollo de patrones extraños, grietas y fisuras en su superficie. El segundo experimento se llevó a cabo en la Antártida, monitorizando una área de nieve pristina que es bien conocida para la calibración de instrumentos de teledetección. Debido a la relativa estabilidad de las capas de nieve, la adquisición de datos se limitó a diez días consecutivos. Se encontraron pulsaciones interferométricas a partir de un primer análisis de la amplitud de las señales recibidas, las cuales eran compatibles con un modelo de propagación multicamino donde el reflector se encuentra por debajo del nivel de la superficie. Como consecuencia de estos resultados, se ha desarrollado un modelo que reconstruye la señal recibida como la suma de un número finito de reflexiones, procedentes de diferentes capas de nieve (caracterizados por mediciones locales). La información interferométrica se recupera después del análisis espectral aplicado a las series temporales tanto de las señales reales, como de las modeladas (lag-hologramas). Encontramos que las bandas de frecuencias predichas por el modelo son en general consistentes con los datos y que los lag-hologramas muestran repetibilidad para días diferentes. Posteriormente, se realiza un análisis de los datos recogidos para determinar las capas dominantes del perfil de nieve seca que contribuyen a las reflexiones en banda L, y que a su vez, están relacionadas con gradientes significativos de densidad/permitivida

GNSS reflectometry for land remote sensing applications

Soil moisture and vegetation biomass are two essential parameters from a scienti c and economical point of view. On one hand, they are key for the understanding of the hydrological and carbon cycle. On the other hand, soil moisture is essential for agricultural applications and water management, and vegetation biomass is crucial for regional development programs. Several remote sensing techniques have been used to measure these two parameters. However, retrieving soil moisture and vegetation biomass with the required accuracy, and the appropriate spatial and temporal resolutions still remains a major challenge. The use of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) reflected signals as sources of opportunity for measuring soil moisture and vegetation biomass is assessed in this PhD Thesis. This technique, commonly known as GNSS-Reflectometry (GNSS-R), has gained increasing interest among the scienti c community during the last two decades due to its unique characteristics. Previous experimental works have already shown the capabilities of GNSS-R to sense small reflectivity changes on the surface. The use of the co- and cross-polarized reflected signals was also proposed to mitigate nuisance parameters, such as soil surface roughness, in the determination of soil moisture. However, experimental evidence of the suitability of that technique could not be demonstrated. This work analyses from a theoretical and an experimental point of view the capabilities of polarimetric observations of GNSS reflected signals for monitoring soil moisture and vegetation biomass. The Thesis is structured in four main parts. The fi rst part examines the fundamental aspects of the technique and provides a detailed review of the GNSS-R state of the art for soil moisture and vegetation monitoring. The second part deals with the scattering models from land surfaces. A comprehensive description of the formation of scattered signals from rough surfaces is provided. Simulations with current state of the art models for bare and vegetated soils were performed in order to analyze the scattering components of GNSS reflected signals. A simpli ed scattering model was also developed in order to relate in a straightforward way experimental measurements to soil bio-geophysical parameters. The third part reviews the experimental work performed within this research. The development of a GNSS-R instrument for land applications is described, together with the three experimental campaigns carried out in the frame of this PhD Thesis. The analysis of the GNSS-R and ground truth data is also discussed within this part. As predicted by models, it was observed that GNSS scattered signals from natural surfaces are a combination of a coherent and an incoherent scattering components. A data analysis technique was proposed to separate both scattering contributions. The use of polarimetric observations for the determination of soil moisture was demonstrated to be useful under most soil conditions. It was also observed that forests with high levels of biomass could be observed with GNSS reflected signals. The fourth and last part of the Thesis provides an analysis of the technology perspectives. A GNSS-R End-to-End simulator was used to determine the capabilities of the technique to observe di erent soil reflectivity conditions from a low Earth orbiting satellite. It was determined that high accuracy in the estimation of reflectivity could be achieved within reasonable on-ground resolution, as the coherent scattering component is expected to be the predominant one in a spaceborne scenario. The results obtained in this PhD Thesis show the promising potential of GNSS-R measurements for land remote sensing applications, which could represent an excellent complementary observation for a wide range of Earth Observation missions such as SMOS, SMAP, and the recently approved ESA Earth Explorer Mission Biomass.La humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on son dos parametros clave desde un punto de vista tanto cient co como econ omico. Por una parte son esenciales para el estudio del ciclo del agua y del carbono. Por otra parte, la humedad del suelo es esencial para la gesti on de las cosechas y los recursos h dricos, mientras que la biomasa es un par ametro fundamental para ciertos programas de desarrollo. Varias formas de teledetección se han utilizado para la observaci on remota de estos par ametros, sin embargo, su monitorizaci on con la precisi on y resoluci on necesarias es todav a un importante reto tecnol ogico. Esta Tesis evalua la capacidad de medir humedad del suelo y biomasa de la vegetaci on con señales de Sistemas Satelitales de Posicionamiento Global (GNSS, en sus siglas en ingl es) reflejadas sobre la Tierra. La t ecnica se conoce como Reflectometr í a GNSS (GNSS-R), la cual ha ganado un creciente inter es dentro de la comunidad científ ca durante las dos ultimas d ecadas. Experimentos previos a este trabajo ya demostraron la capacidad de observar cambios en la reflectividad del terreno con GNSS-R. El uso de la componente copolar y contrapolar de la señal reflejada fue propuesto para independizar la medida de humedad del suelo de otros par ametros como la rugosidad del terreno. Sin embargo, no se pudo demostrar una evidencia experimental de la viabilidad de la t ecnica. En este trabajo se analiza desde un punto de vista te orico y experimental el uso de la informaci on polarim etrica de la señales GNSS reflejadas sobre el suelo para la determinaci on de humedad y biomasa de la vegetaci on. La Tesis se estructura en cuatro partes principales. En la primera parte se eval uan los aspectos fundamentales de la t ecnica y se da una revisi on detallada del estado del arte para la observaci on de humedad y vegetaci on. En la segunda parte se discuten los modelos de dispersi on electromagn etica sobre el suelo. Simulaciones con estos modelos fueron realizadas para analizar las componentes coherente e incoherente de la dispersi on de la señal reflejada sobre distintos tipos de terreno. Durante este trabajo se desarroll o un modelo de reflexi on simpli cado para poder relacionar de forma directa las observaciones con los par ametros geof sicos del suelo. La tercera parte describe las campañas experimentales realizadas durante este trabajo y discute el an alisis y la comparaci on de los datos GNSS-R con las mediciones in-situ. Como se predice por los modelos, se comprob o experimentalmente que la señal reflejada est a formada por una componente coherente y otra incoherente. Una t ecnica de an alisis de datos se propuso para la separacióon de estas dos contribuciones. Con los datos de las campañas experimentales se demonstr o el bene cio del uso de la informaci on polarim etrica en las señales GNSS reflejadas para la medici on de humedad del suelo, para la mayor a de las condiciones de rugosidad observadas. Tambi en se demostr o la capacidad de este tipo de observaciones para medir zonas boscosas densamente pobladas. La cuarta parte de la tesis analiza la capacidad de la t ecnica para observar cambios en la reflectividad del suelo desde un sat elite en orbita baja. Los resultados obtenidos muestran que la reflectividad del terreno podr a medirse con gran precisi on ya que la componente coherente del scattering ser a la predominante en ese tipo de escenarios. En este trabajo de doctorado se muestran la potencialidades de la t ecnica GNSS-R para observar remotamente par ametros del suelo tan importantes como la humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on. Este tipo de medidas pueden complementar un amplio rango de misiones de observaci on de la Tierra como SMOS, SMAP, y Biomass, esta ultima recientemente aprobada para la siguiente misi on Earth Explorer de la ESA

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 (&lt;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

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