Diapositiva 1

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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 L11.57542 GHz

• 24 satelliti su 6 piani orbitali
• 4 satelliti su ogni orbita con
• quota h20180km (T12ore)
• inclinazione i55

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Segnale GPS Riflesso
Il 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 limplementazione del ricevitore.
• Sv a n t a g g i
• Il segnale GPS è molto debole e dopo
  linterazione con la superficie terrestre può
  essere rivelato solo nella direzione speculare
  rispetto a quella di incidenza

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Il segnale GPS

• Lunico sistema di navigazione attualmente
  attivo è il
• Global Positioning System.

I satelliti nella costellazione GPS trasmettono
due segnali portanti indicati con L1 e L2.

• fL11575,42 MHz

• fL21227,60 MHz

Modulazione portanti
L1
L2

• C/A code
• P code
• Navigation message

• P code
• Navigation message

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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)

• 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.
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receiver slides replica of code in time until
finds correlation with SV signal
(codes are series of digital numbers)
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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
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Coarse/Acquisition code
intercorrelazione codice C/A satellite 6 e 12
autocorrelazione codice C/A satellite 6
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• Caso ideale
• riflessione speculare

superficie piana infinitamente estesa
Esiste una relazione di fase fissa tra londa
incidente e quella riflessa coerenza di
fase
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Riflessione speculare
Onda piana incidente su superficie di dimensioni
finite determinate dal beamwidth dellantenna
trasmittente
X0 è il punto speculare Anche il punto P invia un
segnale verso il ricevitore Fin quando la
differenza di fase tra londa riflessa da X0 e
quella proveniente da P è lt? i due segnali
vengono considerati coerenti. La riflessione
speculare non avviene solo nel punto X0 ma in
unellisse chiamata prima zona di Fresnel
f(P) f(X0) p
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La prima zona di Fresnel

• Larea che apporta il contributo rilevante al
  segnale totale ricevuto tramite riflessione
  speculare

Semiasse maggiore
Semiasse minore
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Prima zona di Fresnel per ricevitori a diverse
quote
h700 km
h400 km
h5 km
0.41 km
1.2 km
0.05 km
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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 H20200 km
• the receiver (at height h) simultaneously
  measures both the direct signal and the signal
  reflected from the Earth surface

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• 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
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Forme donda del segnale riflesso

• Il ricevitore GPS esegue la
  crosscorrelazione tra il segnale riflesso
  ricevuto e il segnale diretto, ottenendo la
  cosiddetta forma donda.

Confronto fra la forma donda del segnale diretto
e del segnale riflesso

• ritardo t del segnale riflesso

t

• abbassamento del picco della forma donda

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Il ritardo del segnale riflesso

• Il ritardo t è legato alle quote del
  trasmettitore e del ricevitore (H e h), nonché
  allangolo dincidenza ?.

?
Il ritardo diminuisce con il crescere dellangolo
di incidenza.
Rd
R1
H
R2
h
T1
T2
Forme donda al variare dellangolo di incidenza
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Applicazioni altimetriche
Invertendo le formule precedenti, dal ritardo ?
ricavo laltezza h
Conoscendo laltezza del ricevitore rispetto al
geoide terrestre (HNAP) è possibile ricavare
laltezza delle onde ?HNAP-h
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Applicazioni scatterometriche

1. Cambiamento della forma donda
2. Abbassamento del picco
3. Allargamento della curva

• Confronto tra caso ideale e caso reale

Quanto più è grande la glistening zone tanto più
è larga la forma donda
E possibile risalire alla rugosità della
superficie e quindi alla velocità del vento sul
mare
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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

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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
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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
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Il coefficiente di riflessione

• Il coefficiente di riflessione G 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.
GLR(Gv - Gh)/2
inversione polarizzazione
G
conservazione polarizzazione
GRR(Gv Gh)/2
con
G GLR
? lt 60
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• Il picco delle forme donda varia al variare
  dellumidità del suolo.

Percentuale di umidità maggiore
Picco della forma donda più alto
Il suolo umido riflette maggiormente londa
rispetto al suolo secco, cosicché al ricevitore
arriva un segnale caratterizzato da maggiore
potenza.
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SMEX02 (Masters et al., 2004)
Data Collected Soil Moisture (TDR and Theta
Probe) Precipitation Canopy height, leaf and stem
water content Soil RMS height Simultaneous
radiometric measurements

• 21 Corn Fields
• Soybean Fields
• 1 Grass Field

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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