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GNSS: Global Navigation Satellite Systems NAVSTAR-GPS (Sistema attivo) I sistemi GNSS sono sistemi di localizzazione satellitare progettati per fornire.

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Presentazione sul tema: "GNSS: Global Navigation Satellite Systems NAVSTAR-GPS (Sistema attivo) I sistemi GNSS sono sistemi di localizzazione satellitare progettati per fornire."— Transcript della presentazione:

1 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= GHz 24 satelliti su 6 piani orbitali 4 satelliti su ogni orbita con quota h=20180km (T=12ore) inclinazione i=55°

2 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

3 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. Modulazione portanti C/A code P code Navigation message P code Navigation message L1L2 f L1 =1575,42 MHz f L2 =1227,60 MHz

4 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 = ns durata codice (1023 chip) = 1 ms Ogni satellite della costellazione GPS ha un C/A code diverso identificato da un numero PRN

5 receiver slides replica of code in time until finds correlation with SV signal (codes are series of digital numbers)

6 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

7 Coarse/Acquisition code intercorrelazione codice C/A satellite 6 e 12autocorrelazione codice C/A satellite 6

8 Caso ideale riflessione speculare Superfici equifase Onda piana incidente Onda piana riflessa Esiste una relazione di fase fissa tra londa incidente e quella riflessa: coerenza di fase Onda è riflessa da un unico punto

9 9 Riflessione speculare φ(P) – φ(X 0 ) π Onda piana incidente su superficie di dimensioni finite determinate dal beamwidth dellantenna trasmittente X 0 è il punto speculare Anche il punto P invia un segnale verso il ricevitore Fin quando la differenza di fase tra londa riflessa da X 0 e quella proveniente da P è < i due segnali vengono considerati coerenti. La riflessione speculare non avviene solo nel punto X 0 ma in unellisse chiamata prima zona di Fresnel

10 La prima zona di Fresnel Larea che apporta il contributo rilevante al segnale totale ricevuto tramite riflessione speculare Semiasse maggiore Semiasse minore

11 Prima zona di Fresnel per ricevitori a diverse quote h=400 km h=700 km 1.2 km 0.05 km 0.41 km h=5 km

12 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

13 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

14 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. τ abbassamento del picco della forma donda Confronto fra la forma donda del segnale diretto e del segnale riflesso: ritardo τ del segnale riflesso

15 Il ritardo del segnale riflesso Il ritardo τ è legato alle quote del trasmettitore e del ricevitore (H e h), nonché allangolo dincidenza θ. θ R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 H h Il ritardo diminuisce con il crescere dellangolo di incidenza. RdRd Forme donda al variare dellangolo di incidenza

16 Conoscendo laltezza del ricevitore rispetto al geoide terrestre (H NAP ) è possibile ricavare laltezza delle onde =H NAP -h Applicazioni altimetriche Invertendo le formule precedenti, dal ritardo ricavo laltezza h

17 CASO IDEALE CASO REALE 1)Cambiamento della forma donda 2)Abbassamento del picco 3)Allargamento della curva Applicazioni scatterometriche 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

18 Riflessione 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

19 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

20 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

21 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. Γ inversione polarizzazione conservazione polarizzazione con θ < 60° Γ = Γ LR Γ LR = (Γ v - Γ h )/2 Γ RR = (Γ v + Γ h )/2

22 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.

23 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

24 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


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