GNSS: Global Navigation Satellite Systems

•NAVSTAR-GPS

(Sistema attivo)

I sistemi GNSS sono sistemi di localizzazione satellitare progettati per fornire un servizio di posizionamento a copertura globale

Segnale GPS

L1=1.57542 GHz

24 satelliti su 6 piani orbitali4 satelliti su ogni orbita con •quota h=20180km (T=12ore)•inclinazione i=55°

Segnale GPS RiflessoIl segnale riflesso dalla superficie terrestre contiene

informazioni sulla superficie stessa

V a n t a g g i•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.

Modulazione portanti

• C/A code

• P code

• Navigation message

• P code

• Navigation message

L1 L2

• fL1=1575,42 MHz

• fL2=1227,60 MHz

Coarse/Acquisition code Il C/A code è un codice pseudo-

random, formato da una sequenza di 1 e 0. Ogni elemento del codice è chiamato chip (invece di bit)

Mediante operazioni di crosscorrelazione dei C/A code è possibile identificare quale satellite è in trasmissione.

• chip rate= 1,023 MHz

• durata chip = 977.5 ns

• durata codice (1023 chip) = 1 ms

Ogni satellite della costellazione GPS ha un C/A code diverso identificato da un numero PRN

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

intercorrelazione codice C/A satellite 6 e 12autocorrelazione codice C/A satellite 6

Caso ideale

riflessione speculare riflessione speculare

Superfici equifaseOnda piana incidente

Onda piana riflessa

Esiste una relazione di fase fissa tra l’onda incidente e quella riflessa: coerenza di fase

Onda è riflessa da un unico punto

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Riflessione speculare

φ(P) – φ(X0) ≤ π

Onda piana incidente su superficie di dimensioni finite determinate dal beamwidth dell’antenna trasmittente

X0 è il punto speculare

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

La prima zona di FresnelL’area che apporta il contributo rilevante al segnale totale

ricevuto tramite riflessione speculare

sin2

sinha

sin

sinhb

Semiasse maggiore

Semiasse minore

Prima zona di Fresnel per ricevitori a diverse quote

h=400 km

h=700 km

1.2 km0.05 km

0.41 km

h=5 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.

τ• abbassamento del picco della forma d’onda

Confronto fra la forma d’onda del segnale diretto e del segnale riflesso:

• ritardo τ del segnale riflesso

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

R1

R2

T1T2

H

h

Il ritardo diminuisce con il crescere dell’angolo di incidenza.

Rd

Forme d’onda al variare dell’angolo di incidenza

Conoscendo l’altezza del ricevitore rispetto al geoide terrestre (HNAP) è possibile ricavare l’altezza delle onde =HNAP-h

Applicazioni altimetriche

Invertendo le formule precedenti, dal ritardo ricavo l’altezza h

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

numero chip

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

numero chip

CASO IDEALE

CASO REALE

1) Cambiamento della forma d’onda

2) Abbassamento del picco

3) Allargamento della curva

Applicazioni scatterometriche

Quanto più è grande la glistening zone tanto più è larga la forma d’onda

E’ possibile risalire alla rugosità della superficie e quindi alla velocità del vento sul mare

Riflessione dal mareRiflessione dal mare

4 m/s 12. m/s

Uscite del correlatore (dati acquisiti da UK-DMC)

La glistening zone si allarga e il coefficiente di scattering nella direzione speculare si abbassa al crescere del moto ondoso

ScatterometryScatterometryFitting 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 activitiesWaveforms from land surfaces indicate that

scattering from soil is mainly specularThe 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.

Γinversione polarizzazione

conservazione polarizzazione

con

θ < 60° Γ = ΓLR

ΓLR=(Γv - Γh)/2

ΓRR=(Γv + Γh)/2

Il picco delle forme d’onda varia al variare dell’umidità del suolo.

Percentuale di umidità maggiore

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 Fields10 Soybean Fields1 Grass Field

Data Collected:Soil Moisture (TDR and Theta Probe)PrecipitationCanopy height, leaf and stem water contentSoil RMS heightSimultaneous radiometric measurements

SMEX02 (Masters et al., 2004)

• GPS reflected SNR vs. volumetric soil moisture for all sites.

• Generally exhibitsexpected trend

• Large dispersion suggests dependence on other geophysical parameters (besides SMC) and incidence angle