Interferometric GNSS-R processing : modeling and analysis of advanced processing concepts for altimetry

Abstract

This PhD dissertation is focused on the use of the opportunity signals from the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), that scatter-off the Earth's surface for perform ocean mesoscale altimetry (the so called GNSS-R technique). Specially, this work analyses the capabilities of the interferometric approach (iGNSS-R) originally proposed for PARIS IoD (which will be implemented on GEROS-ISS), comparing its performance with the one obtained by the conventional approach (cGNSS-R). The main content of this PhD dissertation includes: A comprehensive analysis of the GNSS-R cross-correlation waveform properties, analyzing the impact that the observation geometry and system parameters have on the GNSS-R observables, where parameters such as the receiver bandwidth, observation geometry, sea state, and thermal and speckle noises are analyzed. A detailed derivation of the statistics for both the voltage and power cross-correlations (for both conventional and interferometric processing cases) validated all of them with both simulated and real data from ground-based airborne, and spaceborne experiments. Study of the performance model of the altimetry precision based on the Cramer-Rao Bound statistical estimator theory. This study has been carried out for a wide variety of parameters concerning the overall observation system, including instrument, on-board and on-ground processing aspects, for both the conventional and interferometric GNSS-R techniques. Analysis of experimental data from the Typhoon Investigation using GNSS-R Interferometric Signals (TIGRIS) experiment. This analysis has been used to determine and establish the boundaries and capabilities of GNSS-R towards remote sensing of typhoons. In this part, aspects such as the mitigation of the direct cross-talk contamination, GNSS multipath contamination, and preliminary results (including a novel observable) are presented.Este PhD se centra en el uso de la señales GNSS (Global Navigation Satellite Systems) como señales de oportunidad, para realizar altimetría. Es lo que se conoce como GNSS-R (Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry). Especialmente este trabajo analiza las principales propiedades del método interferométrico (iGNSS-R) inicialmente propuesto para PARIS-IoD, y que será implementado en GEROS-ISS. comparándolo con el método convencional (cGNSS-R). A continuación se enumeran los principales puntos abordados en esta tesis doctoral: Se ha realizado un exhaustivo y detallado análisis de las propiedades de las waveforms, evaluando la influencia de la geometría (altitud, ángulo de incidencia, estado del mar, etc), y de los principales parámetros a nivel de instrumento sobre las waveforms. Así mismo se ha analizado el impacto del ancho de banda del receptor, y del ruido térmico y speckle. Por otra parte, se han derivado las estadísticas (matrices de covarianzas) tanto para las waveforms complejas, como para las waveforms de potencia, considerando el método convencional, y el interferométrico. Las diferentes estadísticas o matrices de covarianzas han sido validadas usando datos reales procedentes de diferentes experimentos y datos simulados, para diferentes escenarios (.espacio, aerotransportado, ground-base). Dichas matrices de covarianza, posteriormente han sido usadas para calcular la precisión altimétrica, basada en el uso de estimadores estadísticos, como es el Cramer-Rad Bound. Dicho estudio ha sido realizado considerando un amplio número de parámetros, tanto para el método convencional como para el interferométrico, comparando el performance de ambas técnicas, y realizando una primera estimación de la precisión altimétrica que se obtendría para una misión espacial como PARIS-IoD. Por último se han analizado datos de la campaña experimental TIGRIS (Typhoon Investigation using GNSS-R Interferometric Signal). con dicho analisis se han estudio la capacidad de la técnica GNSS-R para monitorizar y detectar huracanes. Este análisis incluye aspectos como la mitigación de la contaminación procendente de la señal directa, y del multipath ocasionado por las diferentes señales GNSS. Al mismo tiempo durante este análisis un nuevo observable se ha propuesto