GNSS: Global Navigation Satellite Systems
I sistemi GNSS sono sistemi di localizzazione satellitare progettati
per fornire un servizio di posizionamento a copertura globale
•NAVSTAR-GPS
(Sistema attivo)
Segnale GPS
L1=1.57542 GHz
24 satelliti su 6 piani orbitali
4 satelliti su ogni orbita con
•quota h=20180km (T=12ore)
•inclinazione i=55°
Segnale GPS Riflesso
Il segnale riflesso dalla superficie terrestre contiene
informazioni sulla superficie stessa
Vantaggi
•Segnale già esistente, disponibile
gratuitamente (segnale di opportunità).
•Sistema bistatico: trasmettitore e
ricevitore appartengono a differenti
piattaforme. E’ richiesta solo
l’implementazione del ricevitore.
Sv a n t a g g i
•Il segnale GPS è molto debole e dopo
l’interazione con la superficie terrestre può
essere rivelato solo nella direzione
speculare rispetto a quella di incidenza
Il segnale GPS
L’unico sistema di navigazione attualmente attivo è il
Global Positioning System.
I satelliti nella costellazione GPS
trasmettono due segnali portanti
indicati con L1 e L2.
• fL1=1575,42 MHz
• fL2=1227,60 MHz
Modulazione portanti
L1
L2
• C/A code
• P code
• P code
• Navigation
message
• Navigation
message
Coarse/Acquisition code
Il C/A code è un codice pseudorandom, formato da una sequenza
di 1 e 0. Ogni elemento del codice
è chiamato chip (invece di bit)
•
durata chip = 977.5 ns
•
durata codice (1023 chip) = 1 ms
•
chip rate= 1,023 MHz
Ogni satellite della costellazione GPS
ha un C/A code diverso identificato da
un numero PRN
Mediante
operazioni
di
crosscorrelazione dei C/A code è
possibile identificare quale satellite è
in trasmissione.
receiver slides replica of code in time until
finds correlation with SV signal
(codes are series of digital numbers)
if receiver applies different PRN code to SV signal
…no correlation
when receiver uses same code as SV and codes begin to align
…some signal power detected
Coarse/Acquisition code
autocorrelazione
intercorrelazionecodice
codiceC/A
C/Asatellite
satellite66 e 12
Caso ideale
riflessione speculare
Onda piana riflessa
Superfici equifase
Onda piana incidente
Esiste una relazione di fase fissa tra l’onda incidente e quella riflessa:
coerenza di fase
Onda è riflessa da un unico punto
Riflessione speculare
X0 è il punto speculare
Onda piana incidente su
superficie di dimensioni
finite determinate dal
beamwidth dell’antenna
trasmittente
Anche il punto P invia un segnale
verso il ricevitore
Fin quando la differenza di fase tra
l’onda riflessa da X0 e quella
proveniente da P è < i due segnali
vengono considerati coerenti.
La riflessione speculare non avviene
solo nel punto X0 ma in un’ellisse
chiamata prima zona di Fresnel
φ(P) – φ(X0) ≤ π
9
La prima zona di Fresnel
L’area che apporta il contributo rilevante al segnale totale
ricevuto tramite riflessione speculare
Semiasse maggiore
h sin 
a
2
sin 
Semiasse minore
h sin 
b
sin 
Prima zona di Fresnel per ricevitori a diverse quote
h=700 km
h=400 km
h=5 km
0.41 km
0.05 km
1.2 km
The GNSS-R system

GNSS-Reflectometry is a form of bistatic microwave remote sensing:
•the transmitter is located on a GNSS satellite with a nominal orbit altitude
H=20200 km
•the receiver (at height h) simultaneously measures both the direct signal
and the signal reflected from the Earth surface
The reflected signal will arrive later than the direct
one, since it travels a longer path to the receiver.
The basic principle in GNSS-R altimetry is that
reflection from the specular point can be tracked
and the measurement of the arrival time difference
() allows receiver height measurements
=green – blue
is the path difference
Specular Point
Forme d’onda del segnale riflesso
Il ricevitore GPS esegue la crosscorrelazione tra il segnale riflesso
ricevuto e il segnale diretto, ottenendo la cosiddetta forma d’onda.
Confronto fra la forma d’onda
del segnale diretto e del segnale
riflesso:
• ritardo τ del segnale riflesso
• abbassamento del picco della
forma d’onda
τ
Il ritardo del segnale riflesso
Il ritardo τ è legato alle quote del trasmettitore e del ricevitore (H e
h), nonché all’angolo d’incidenza θ.
θ
Rd
R1
H
R2
h
T2
T1
Forme d’onda al variare dell’angolo di incidenza
Il ritardo diminuisce con il
crescere
dell’angolo
di
incidenza.
Applicazioni altimetriche
Invertendo le formule precedenti, dal ritardo  ricavo l’altezza h
Conoscendo l’altezza del ricevitore rispetto al geoide terrestre (HNAP) è possibile
ricavare l’altezza delle onde =HNAP-h
Applicazioni scatterometriche
1) Cambiamento della forma
d’onda
2) Abbassamento del picco
3) Allargamento della curva
0.3
0.3
CASO IDEALE
0.25
0.25
0.2
0.2
Quanto più è grande la
glistening zone tanto più è larga
la forma d’onda
0.15
0.15
CASO REALE
0.1
0.1
0.05
0.05
00
-0.05
-0.05
-2
-2
-1
-1
00
11
22
33
44
chip
numero chip
numero
55
66
77
88
E’ possibile risalire alla rugosità
della superficie e quindi alla
velocità del vento sul mare
Riflessione dal mare
 Uscite del correlatore (dati acquisiti da UK-DMC)
4 m/s
12. m/s
 La glistening zone si allarga e il coefficiente di
scattering nella direzione speculare si abbassa al
crescere del moto ondoso
Scatterometry
Fitting of the trailing edge of the waveform is the most widely used
technique for wind speed inversion (Komjathy et al., 2000, Garrison
et al., 2002, Zuffada et al., 2003), even though some best fit is also
performed on the leading edge (Hajj and Zuffada, 2002) or on the
whole waveform (Komjathy et al., 2001, Gleason et al., 2005). An
example (Komjathy et al., 2000) of the wind speed retrieved by
GNSS-R measurements is reported in figure 4.4, where a comparison
with TOPEX data shows an agreement within 2 m/s
Experimental activities
Waveforms from land surfaces indicate that
scattering from soil is mainly specular
The waveforms have triangular shapes
Some reflected waveforms from
the SMEX campaign
The direct signal
Il coefficiente di riflessione
Il coefficiente di riflessione Γ è il rapporto tra il campo elettrico
riflesso e quello incidente; il suo valore dipende dalla polarizzazione
del raggio incidente.
Il segnale GPS è inviato in polarizzazione circolare destra.
ΓLR=(Γv - Γh)/2
inversione polarizzazione
Γ
conservazione polarizzazione
ΓRR=(Γv + Γh)/2
con
θ < 60°
Γ = ΓLR
Il picco delle forme d’onda varia al variare dell’umidità del suolo.
Percentuale
maggiore
di
umidità
Picco della forma d’onda
più alto
Il suolo umido riflette maggiormente l’onda rispetto al suolo secco, cosicché
al ricevitore arriva un segnale caratterizzato da maggiore potenza.
SMEX02 (Masters et al., 2004)
21 Corn Fields
10 Soybean Fields
1 Grass Field
Data Collected:
Soil Moisture (TDR and Theta Probe)
Precipitation
Canopy height, leaf and stem water content
Soil RMS height
Simultaneous radiometric measurements
SMEX02 (Masters et al., 2004)
• GPS reflected SNR vs.
volumetric soil moisture
for all sites.
• Generally exhibits
expected trend
• Large dispersion
suggests dependence on
other geophysical
parameters (besides
SMC) and incidence
angle