Procesamiento estadístico de señales GNSS reflejadas: Sensado remoto de altimetría oceánica

La reflectometría con señales GNSS (GNSS-R) es una técnica de sensado remoto que utiliza las reflexiones de las transmisiones de los Sistemas de Navegación Global por Satélite para estimar parámetros geofísicos de la superficie de la Tierra. Su principio de funcionamiento es el de un radar biestático, con el satélite del sistema GNSS actuando como transmisor, la superficie de la Tierra como objetivo y el receptor ubicado en una posición distinta, que puede ser tanto en tierra, a bordo de aviones o en satélites de órbita baja. El receptor, que aprovecha oportunísticamente las señales transmitidas, generalmente utiliza dos antenas, una orientada al cenit que captura la señal directa y otra a nadir para recibir su reflexión. Luego, mediante el procesamiento de ambas señales con distintos algoritmos de estimación se obtienen los parámetros a sensar. En altimetría oceánica, por ejemplo, a partir de la diferencia de la longitud del camino de la señal directa y de la reflejada se estima la altura de la superficie del mar. En ese caso, a fin de obtener buenas estimaciones es crítico lograr un buen seguimiento del retardo de la señal reflejada. En aplicaciones de medición de rugosidad del océano o de velocidad del viento presente en superficie se utilizan otros observables obtenidos del procesamiento de la señal reflejada, como su nivel de potencia y la dispersión en retardo y desviación de frecuencia por efecto Doppler que presenta. Debido a las características de las señales de los sistemas de navegación, un mismo receptor puede procesar múltiples reflexiones simultáneas. Además, en contraste con los sistemas de radar activo, el hecho de que los sensores sean receptores GNSS modificados los hace más livianos y económicos. Esto da a lugar a sistemas con varios sensores en satélites pequeños de alta cobertura temporal y espacial. Por otro lado, las señales GNSS no fueron diseñadas originalmente para este tipo de aplicaciones y, en consecuencia, presentan limitaciones en la calidad de las mediciones, principalmente por su baja potencia de transmisión y ancho de banda. Por este motivo, es de suma importancia un procesamiento de la señal que aproveche eficientemente los recursos disponibles para lograr mediciones útiles. Las características de la señal GNSS-R son altamente dependientes del tipo de superficie sobre la que se refleja. Las reflexiones sobre la superficie del océano producen señales muy débiles, con rápidas variaciones de fase y dispersión tanto en retardo como en frecuencia. En reflexiones sobre la tierra o aguas continentales, la señal mantiene la coherencia de fase por períodos más largos y presenta una potencia mayor y más concentrada en retardo y Doppler. En esta tesis se realiza un estudio de estas características y las propiedades estadísticas de las señales GNSS-R capturadas a bordo de satélites de órbita baja. A partir de un modelo adecuado de las mismas se estudian los parámetros relevantes para un procesamiento eficiente, contrastando con resultados empíricos basados en registros de señales reales capturadas por distintas misiones espaciales. En primer lugar, se plantea una mejora respecto a las técnicas habituales adaptando los tiempos de procesamiento coherente y no coherente a los observados en la señal reflejada. Luego, desarrollando un modelo estadístico más detallado, se plantea un esquema de detector de señal GNSS-R basado en la teoría GLRT obteniendo ganancias de SNR del orden de 4 dB con señales reales. Posteriormente, la tarea se enfoca en el procesamiento de señal para altimetría oceánica, buscando mejorar las técnicas de estimación del retardo relativo entre señal directa y reflejada. Concretamente, se proponen dos nuevos algoritmos de altimetría obtenidos mediante la teoría de estimación estadística a partir de un modelo estocástico de la señal reflejada en el océano previamente desarrollado, y de baja complejidad computacional. Se presentan caracterizaciones de desempeño mediante simulación y ensayos con señales capturadas sobre la superficie del mar desde satélites LEO, donde se observa una mejora del orden de 2 dB en términos de SNR frente a métodos previos, como el método de la derivada o el HALF/p70, usados generalmente en este tipo de aplicaciones.Facultad de Ingenierí

Likelihood Map Waveform Tracking Performance for GNSS-R Ocean Altimetry

Ocean altimetry with Global Navigation Satellite Systems signals (GNSS) signals is a remote sensing technique that measures the height of the sea surface through the difference in path length of the direct and reflected signal. Code altimetry estimates this parameter by tracking the code delay after performing correlations with a GNSS signal replica. It is of limited precision due to the low signal-to-noise ratio (SNR) and narrow bandwidth of the ocean-reflected GNSS signal. However, the potential advantages of the GNSS-R systems such as high temporal resolution and spatial coverage are a motivation to improve its altimetric precision. In this article, we present a performance assessment of the Likelihood Map Waveform tracking technique, a method based on Maximum Likelihood Estimation theory that exploits the available reflected power in a more efficient way than the single tracking point methods. We use a modification of the theoretical optimal solution that achieves a better performance than previous methods. We estimate it, in terms of SNR gain, using Monte Carlo method with a detailed stochastic model of the signal, and with actual signals from the Cyclone Global Navigation Satellite System. The gain values obtained were between 1.64 and 3.66 dB in the theoretical analysis, and between 1.69 and 2.62 dB with the real data, confirming the potential of the proposed approach.Facultad de IngenieríaInstituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señale

Misión USAT-I: análisis de factibilidad de las aplicaciones de ciencia y diseño de sus antenas

USAT-I es el primer satélite en proceso de desarrollo en la Universidad Nacional de La Plata (UNLP, Argentina) del Programa Satelital Universitario, que planea el desarrollo de una serie de satélites pequeños, impulsado por el Centro Tecnológico Aeroespacial (CTA) de nuestra Facultad de Ingeniería, Centro con el cual nuestra UIDET SENyT mantiene una estrecha colaboración en este y otros proyectos aeroespaciales. Este primer satélite es un CubeSat 3U (30cmx10cmx10cm), y su misión es la demostración de la capacidad de desarrollo tecnológico para la utilización de señales de Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GNSS) en aplicaciones de sensado remoto mediante técnicas de radio-ocultación (GNSS-RO) y reflectometría (GNSS-R). Estas técnicas utilizan las señales transmitidas por los sistemas GNSS refractadas en la atmosfera o reflejadas en la Tierra para medir características de la ionosfera o de la superficie terrestre, como la humedad del suelo, vientos oceánicos, altimetría, entre otros. La mayor parte de la carga util del satélite esta siendo diseñada y desarrollada por estudiantes y profesionales de la Facultad de Ingeniería de la UNLP, por lo que constituye un proyecto simultáneamente educacional y tecnológico. En este trabajo se presenta el diseño propuesto para las antenas de GNSS-R y GNSS-RO y sus parámetros más relevantes, que permiten conseguir la suficiente ganancia para obtener mediciones titiles, acompañado de los resultados de simulación que confirman una cobertura satisfactoria con reflexiones capturadas en más del 80 % del tiempo simulado con máximos de 5 eventos simultáneos.Facultad de Ingenierí

New Technique for Weak GNSS Signal Acquisition

The reception of weak GNSS signals is a challenging problem that is becoming ever more common due to the massive use of satellite localization devices. The sensitivity of classic GNSS signal acquisition techniques is limited, among other factors, by the presence of data bits modulation. The focus of this work is to present a novel weak signal acquisition technique that circumvents the data bit transitions problem, producing at the same time a refined frequency estimate and an estimation of the data flank position, in case an actual transition occurs. Besides a description of the algorithm, a statistical analysis in terms of detection and false alarm probabilities is also presented, as well as its comparison to other acquisition techniques. A real time implementation of this weak signal acquisition technique is shown. Some technical details of the implementation and simulation and live signal results are also presented.Fil: Smidt, Javier Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Ozafrain, Santiago. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Roncagliolo, Pedro Agustin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Muravchik, Carlos Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; Argentin