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 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. fL1=1575,42 MHz fL2=1227,60 MHz Modulazione portanti L’unico sistema di navigazione attualmente utilizzabile è il Global Positioning System. (click) I satelliti nella costellazione GPS inviano due segnali portanti indicati con L1 e L2 con frequenze collocate nella banda L. (click) La portante L1 è modulata utilizzando sia il codice C/A che il codice P (click), mentre la portante L2 è modulata solo con il codice P; il messaggio di navigazione è situato in entrambi i canali (click) Nelle simulazioni è stato considerato solo il C/A code nel canale L1, in quanto il P-code è criptato e ha una potenza inferiore di 3dB rispetto al codice C/A (click) L1 L2 C/A code P code Navigation message P code Navigation message

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 Il codice C/A è un codice pseudo-random caratterizzato da un chip rate di 1,023 MHz; ogni chip ha una durata di 977,5 ns; inoltre ogni codice contiene 1023 chip quindi ogni C/A code dura circa 1 ms (click) Ad ogni satellite in costellazione è assegnato un codice C/A. Il ricevitore esegue l’intercorrelazione fra il segnale ricevuto e tutti i possibili codici C/A per identificare il satellite in trasmissione (click) Solo quando è effettuata l’intercorrelazione con il codice C/A del satellite in trasmissione la funzione d’intercorrelazione presenta il picco che indica il riconoscimento del satellite.(click) 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 Il codice C/A è un codice pseudo-random caratterizzato da un chip rate di 1,023 MHz; ogni chip ha una durata di 977,5 ns; inoltre ogni codice contiene 1023 chip quindi ogni C/A code dura circa 1 ms (click) Ad ogni satellite in costellazione è assegnato un codice C/A. Il ricevitore esegue l’intercorrelazione fra il segnale ricevuto e tutti i possibili codici C/A per identificare il satellite in trasmissione (click) Solo quando è effettuata l’intercorrelazione con il codice C/A del satellite in trasmissione la funzione d’intercorrelazione presenta il picco che indica il riconoscimento del satellite.(click) autocorrelazione codice C/A satellite 6 intercorrelazione codice C/A satellite 6 e 12

riflessione speculare Caso ideale riflessione speculare superficie piana infinitamente estesa Superfici equifase Onda 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

Riflessione speculare 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 Nelle simulazioni effettuate si è assunto che la superficie riflettente fosse piana e infinitamente estesa (click). In questa configurazione è possibile considerare il segnale riflesso in maniera puramente speculare in una singola direzione.(click) La riflessione in modalità speculare che si pensa provenire da un unico punto della superficie (specular point) è in realtà determinata dalla superficie ellittica denominata prima zona di Fresnel (click) Che è definita come il luogo dei punti del piano circondanti lo specular point che irradiano i segnali caratterizzati da una differenza di fase inferiore a pigreco rispetto a quella del segnale irradiato dal punto speculare. (click) 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 Semiasse minore

Prima zona di Fresnel per ricevitori a diverse quote h=700 km h=400 km h=5 km 0.41 km 1.2 km 0.05 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 Specular Point =green – blue is the path difference

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 Il ricevitore GPS esegue l’intercorrelazione tra il segnale riflesso ricevuto e il segnale diretto ottenendo la cosiddetta forma d’onda (click) Si nota subito che il segnale riflesso viene sempre ricevuto dopo un intervallo di tempo tao rispetto al segnale diretto e inoltre presenta una abbassamento del picco della forma d’onda ottenuta dall’autocorrelazione del segnale diretto (click) τ abbassamento del picco della forma d’onda

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 Il ritardo diminuisce con il crescere dell’angolo di incidenza. Rd Il ritardo tao è calcolabile note le quote del trasmettitore e del ricevitore nonché l’angolo di incidenza. (click) Determinato il raggio riflesso e Rr (click) e il raggio diretto Rd (click) si determina il ritardo dalla differenza dei due percorsi rapportata alla velocità della luce, avendo considerato che la radiazione si propaghi nel vuoto. (click) Dall’analisi delle forme d’onda si è notato che il ritardo diminuisce all’aumentare dell’angolo di incidenza e non dipende dall’umidità del suolo. (click) R1 H R2 h T2 T1 Forme d’onda al variare 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

Confronto tra caso ideale e caso reale Applicazioni scatterometriche Cambiamento della forma d’onda Abbassamento del picco Allargamento della curva Confronto tra caso ideale e caso reale CASO IDEALE Quanto più è grande la glistening zone tanto più è larga la forma d’onda CASO REALE 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 Il coefficiente di riflessione è definito come il rapporto tra il campo elettrico riflesso e quello incidente; il suo valore dipende dalla polarizzazione del raggio incidente (click) Nelle simulazioni condotte si è considerato il segnale GPS inviato in polarizzazione circolare destra. (click) (click) Se il segnale, dopo la riflessione, subisce una variazione nel verso della polarizzazione allora il coefficiente di riflessione è gammaLR, altrimenti è gammaRR; entrambi sono ottenuti come combinazione lineare dei coefficienti di riflessione in polarizzazione verticale e orizzontale (click) Nella riflettometria GNSS gli angoli di incidenza difficilmente raggiungono i 60°, di conseguenza gammaRR può essere trascurato e per questo si è considerato solo il caso in cui si ha l’inversione della polarizzazione del segnale incidente (click) ΓRR=(Γv + Γh)/2 con Γ = ΓLR θ < 60°

Percentuale di umidità maggiore Il picco delle forme d’onda varia al variare dell’umidità del suolo. Percentuale di umidità maggiore Come successiva applicazione si è valutato il cambiamento delle forme d’onda al variare dell’umidità del suolo. (click) Fissato l’angolo di incidenza si è notato che all’aumentare della percentuale di umidità (click) i picchi della forma d’onda sono più alti (click) Ciò accade perche il suolo umido riflette maggiormente l’onda rispetto al suolo secco, cosicché al ricevitore arriva un segnale caratterizzato da maggiore potenza (click) 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 Soybean Fields 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

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