Procesamiento estadístico de señales GNSS reflejadas: Sensado remoto de altimetría oceánica

Abstract

La reflectometría con señales GNSS (GNSS-R) es una técnica de sensado remoto que utiliza las reflexiones de las transmisiones de los Sistemas de Navegación Global por Satélite para estimar parámetros geofísicos de la superficie de la Tierra. Su principio de funcionamiento es el de un radar biestático, con el satélite del sistema GNSS actuando como transmisor, la superficie de la Tierra como objetivo y el receptor ubicado en una posición distinta, que puede ser tanto en tierra, a bordo de aviones o en satélites de órbita baja. El receptor, que aprovecha oportunísticamente las señales transmitidas, generalmente utiliza dos antenas, una orientada al cenit que captura la señal directa y otra a nadir para recibir su reflexión. Luego, mediante el procesamiento de ambas señales con distintos algoritmos de estimación se obtienen los parámetros a sensar. En altimetría oceánica, por ejemplo, a partir de la diferencia de la longitud del camino de la señal directa y de la reflejada se estima la altura de la superficie del mar. En ese caso, a fin de obtener buenas estimaciones es crítico lograr un buen seguimiento del retardo de la señal reflejada. En aplicaciones de medición de rugosidad del océano o de velocidad del viento presente en superficie se utilizan otros observables obtenidos del procesamiento de la señal reflejada, como su nivel de potencia y la dispersión en retardo y desviación de frecuencia por efecto Doppler que presenta. Debido a las características de las señales de los sistemas de navegación, un mismo receptor puede procesar múltiples reflexiones simultáneas. Además, en contraste con los sistemas de radar activo, el hecho de que los sensores sean receptores GNSS modificados los hace más livianos y económicos. Esto da a lugar a sistemas con varios sensores en satélites pequeños de alta cobertura temporal y espacial. Por otro lado, las señales GNSS no fueron diseñadas originalmente para este tipo de aplicaciones y, en consecuencia, presentan limitaciones en la calidad de las mediciones, principalmente por su baja potencia de transmisión y ancho de banda. Por este motivo, es de suma importancia un procesamiento de la señal que aproveche eficientemente los recursos disponibles para lograr mediciones útiles. Las características de la señal GNSS-R son altamente dependientes del tipo de superficie sobre la que se refleja. Las reflexiones sobre la superficie del océano producen señales muy débiles, con rápidas variaciones de fase y dispersión tanto en retardo como en frecuencia. En reflexiones sobre la tierra o aguas continentales, la señal mantiene la coherencia de fase por períodos más largos y presenta una potencia mayor y más concentrada en retardo y Doppler. En esta tesis se realiza un estudio de estas características y las propiedades estadísticas de las señales GNSS-R capturadas a bordo de satélites de órbita baja. A partir de un modelo adecuado de las mismas se estudian los parámetros relevantes para un procesamiento eficiente, contrastando con resultados empíricos basados en registros de señales reales capturadas por distintas misiones espaciales. En primer lugar, se plantea una mejora respecto a las técnicas habituales adaptando los tiempos de procesamiento coherente y no coherente a los observados en la señal reflejada. Luego, desarrollando un modelo estadístico más detallado, se plantea un esquema de detector de señal GNSS-R basado en la teoría GLRT obteniendo ganancias de SNR del orden de 4 dB con señales reales. Posteriormente, la tarea se enfoca en el procesamiento de señal para altimetría oceánica, buscando mejorar las técnicas de estimación del retardo relativo entre señal directa y reflejada. Concretamente, se proponen dos nuevos algoritmos de altimetría obtenidos mediante la teoría de estimación estadística a partir de un modelo estocástico de la señal reflejada en el océano previamente desarrollado, y de baja complejidad computacional. Se presentan caracterizaciones de desempeño mediante simulación y ensayos con señales capturadas sobre la superficie del mar desde satélites LEO, donde se observa una mejora del orden de 2 dB en términos de SNR frente a métodos previos, como el método de la derivada o el HALF/p70, usados generalmente en este tipo de aplicaciones.