On the Feasibility of Real-time Sea Level Monitoring using Ground-based GNSS-Reflectometry Measurements

Abstract

GNSS Reflektometri (GNSS-R) er en fjernmålingsteknikk som har fått mye oppmerksomhet i nyere tid. I denne avhandlingen blir teorien bak GNSS reflektometri presentert, og et eksperiment er gjennomført for å vurdere mulighetene til å bruke denne teknologien for sanntidsmålinger av tidevann og vannstand. Høyder er estimert ved å benytte signalene og efemeridene som blir sendt med dette signalet, hvor frekvensen til det interferometriske mønsteret mellom det direkte og det reflekterte signalet blir brukt for estimeringen. Data er hentet fra en mottaker i Onsala, Sverige, som leverer observasjoner med en frekvens på 200 Hz. Et python-script er laget for å håndtere rådata fra denne mottakeren og gjøre nødvendig pre-prosessering. Forsøket blir gjennomført ved å kun benytte data fra mottakeren, som medfører at vi bruker efemeridene som blir sent med gps-signalet i stedet for med nøyaktig omløpsinformasjon. "Singular Spectrum Analysis" og "Wavelet Analysis" blir brukt for å estimere høydene. Høydene blir så sammenlignet med en tidevannsmåler i nærheten av mottakeren. Vi observerer at vi har bedre resultater når vi kan gjennomføre altimetri med flere satelliter nær horisonten. Vi ser også flere begrensninger med metoden brukt. Tilgjengeligheten av satelliter og nøyaktigheten til omløpsinformasjonen brukt blir presentert som de mest begrensende faktorene. Forslag til mulige forbedringer for å redusere disse feilene blir også presentert.

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) reflectometry (GNSS-R) is an emerging remote sensing technique with a vast area of applications. In this thesis we study the feasibility of real-time retrieval of sea level anomalies using a ground-based setup. To this end, we investigate the interferometric pattern caused by the interference of the signals received directly from the satellites with the signals reflected off the sea surface. The frequency of the interferometric signal is the main observable of interest. This observable is used to measure the height difference between the sea surface and the receiver antenna. The dataset used in this research consist of high-rate observations acquired from a ground-based experiment at Onsala space observatory in Sweden. A software package is developed in Python to handle the raw data stream from the receiver and pre-process the observations. In this study we focus on the measurements that are made from the stand-alone output data stream of the GNSS-R receiver with no external auxiliary data such as precise orbit information. Therefore, the broadcast ephemeris are used for retrieving satellite orbit information within the height estimation process. The height retrieval process is performed using the combination of the Singular Spectrum Analysis (SSA) and wavelet transform. A comparison of the retrieved heights with a nearby tide gauge measurements show promising estimates of sea level anomaly trends during favorable conditions. The favorable conditions are met when several satellites at low elevation angles can be tracked and used for the reflectometry measurements. Our investigation also highlights some of the limitations of the utilized observations and approach. The issues of availability of favorable satellites and the accuracy of the broadcast ephemeris can be considered as the major issues in this study. The study includes some suggested remarks about tackling the limitations and issues for future works.