GNSS Reflectometry for spaceborne remote sensing

Abstract

Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) er en fortsatt voksende og underutnyttet teknologi for fjernmåling, miljøovervåking og katastroferisikoreduksjon. Hensikten med denne oppgaven er å legge det teoretiske grunnlaget og begynne å implementere et fungerende konseptbevisende system. Dette gjøres ved å forske på eksisterende litteratur og hvordan teknologien har blitt implementert tidligere, for så å bruke teorien til å designe og utvikle systemet. De to hovedtypene av GNSS-R presenteres, sammen med satellitter som har implementert dem. Deretter presenteres de observerbare dataene som skal utledes fra de produserte Doppler Delay Kartene (DDM)-ene, sammen med hvordan de kan brukes i forskjellige GNSS-R applikasjoner.

MATLAB kode ble utviklet for å behandle simulerte GPS signaler for å skaffe de nåværende PRN-IDene og produsere DDM-er. En fysisk implementering presenteres for å realisere de utviklede kodene. Denne implementeringen registrerer signaler ved hjelp av en aktiv antenne til en programvaredefinert radio (SDR), som deretter behandles ved hjelp av de utviklede kodene. Ulike SDR-er ble testet for å finne ut hvilke som passer best for videre utvikling. De utviklede funksjonene testes ved å sammenligne de simulerte signalene med de registrerte signalene for å bestemme effektiviteten.

Til tross for de lovende innledende testene, var ikke et fungerende konseptbevisende system fullt utviklet. Problemene som hindrer et fungerende system presenteres og diskuteres videre i denne oppgaven, slik at fremtidig utvikling på prosjektet kan løse dem. Oppsettet for et alternativt GNSS-R prosjekt presenteres, som kan fungere som et parallelt prosjekt til satellitt GNSS-R prosjektet.

Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) is a still emerging and underutilized technology for remote sensing, environmental monitoring, and disaster risk reduction. The purpose of this thesis is to lay the theoretical foundation and begin implementing a functioning proof-of-concept system. This development is done by researching existing literature and how the technology has been implemented previously, then using the theory to design and develop the system. The two main types of GNSS-R are presented, along with satellites that have them implemented. Then, the observables to be derived from the produced Doppler Delay Maps (DDM)s are presented, along with how they may be utilized in different GNSS-R applications.

MATLAB code was developed to process simulated GPS signals to acquire the present PRN IDs, and produce DDMs. A physical implementation is presented to realize the developed codes. This implementation records signals using an active antenna into a Software-Defined Radio (SDR), which are then processed using the developed codes. Different SDRs were tested to determine which would fit best for further development. The developed functions are tested by comparing the simulated signals with the recorded signals to determine effectiveness.

Despite the promising initial tests, a functioning proof-of-concept system was not fully developed. The obstacles preventing a functioning system are presented and further discussed in this thesis, so future development on the project can solve them. The setup for an alternate GNSS-R project is presented, which may function as a parallel project to the satellite GNSS-R project.