Sea Surface Height retrieval using GNSS Reflected Signals

Abstract

This work is the result of 6 months of work devoted to the analysis of GNSS scattered signals over coastal Sea. It starts introducing different ways of monitoring Sea surface level focusing on the use of GNSS reflected signals (GNSS-R) with a GNSS antenna looking to the zenith. This method had been partially studied in other universities such as CU in Boulder and in Chalmers University in Sweden, but not covered before in Spain. Apart from that, as a novelty, the already installed European GNSS reference Network (EUREF) is used instead of proprietary hardware. This thesis is a continuation of the research done by Dr. Nereida Rodriguez and Dr. Alberto Alonso Arroyo at UPC, although their analysis was focused on linear polarized antennas looking to the horizon and custom-made hardware. The benefit of using zenith looking antennas is that no specific equipment is needed, since GNSS stations already available can be used for this purpose. The main method analyzed in this thesis, which is based on spectral analysis, is explained theoretically and demonstrated practically using data from two different GNSS reference stations located in Mallorca and Tarifa. The methodologies analyzed use the Lomb Scargle Periodogram and the Lomb Scargle Spectrogram to infer the Sea Surface Height from the interaction between the direct and reflected signals acquired at each GNSS Station. A geophysical retrieval algorithm allows to measure the distance between the Sea Surface and the antenna receiver phase center from the oscillation frequency observed in the interference pattern. Apart from that, a state of the art method is also presented and tested, called Inverse modeling using B-Splines. This method consists of the use of B-Splines and non-linear least squares methods to obtain the Sea Surface Height information using the same data. The results obtained encourage the use of GNSS-R technology to monitor Sea Surface Height as an alternative to current methods (altimeters, tide gauges and buoys), although the accuracy and the coverage need to be improved. Therefore, they could be used together or even combined to increase the amount of available observations.

Aquest Treball de Fi de Grau és el resultat de 6 mesos fent recerca en l’estudi de la senyal reflectida de sistemes GNSS a la costa. El treball comença introduint els principals mètodes per a monitoritzar el nivell del mar, prestant especial atenció al us de les senyals reflectides de sistemes GNSS (GNSS-R) captades per una antena GNSS mirant cap al zenit. Aquest mètode ha estat parcialment estudiat en altres universitats com la CU en Boulder o la Universitat Chalmers en Suècia, però no pas en cap institució espanyola. A més a més, com a novetat, es farà us de les instal·lacions proporcionades per la Xarxa de GNSS de Referencia Europea (EUREF) i, d’aquesta manera, s’evita la necessitat de desenvolupar hardware específic per aquesta tasca. Aquesta Tesi és una continuació natural del treball desenvolupat pels Drs. Nereida Rodriguez i Alberto Alonso en la UPC, tot i que el seu anàlisis va anar focalitzat en antenes polaritzades linealment i mirant cap a l’horitzó, dissenyades específicament per a rebre senyals GNSS. El benefici d’utilitzar antenes mirant cap al zenit és que no requereix del desenvolupament de hardware específic, ja que les estacions de GNSS porten incorporades una antena GNSS mirant cap al zenit per a proveir posicionament i localització en qualsevol indret del mon. El principal mètode utilitzat per a determinar el nivell del mar és aplicant anàlisi espectral. El desenvolupament analític del mètode, així com també l’avaluació de resultats, són analitzats en dos estacions GNSS situades en Mallorca i Tarifa respectivament. El mètode desenvolupat fa us del Periodograma Lomb Scargle i del Espectograma Lomb Scargle per a determinar l’alçada del nivell del mar a partir de la interacció entre dos tipus de senyals rebudes en la estació de GNSS, la senyal directa i la reflectida en el mar. Mitjançant fórmules de la física, es pot determinar la distancia entre la superfície del mar i el centre de fase de la antena receptora simplement observant la freqüència de les oscil·lacions que es produeixen en el patró d’interferència del senyal emmagatzemat. El segon mètode estudiat, anomenat Modelatge Invers a partir de B-Splines, fa us de B-Splines i d’un algoritme de minimització no lineal per a modelar el comportament del mar, i es analitzat en les mateixes dos estacions que el primer mètode i amb les mateixes dades. Després d’analitzar els resultats per a diferents sistemes i diferents freqüències, els resultats són força encoratjadors i podria ser un primer pas per a monitoritzar el nivell del mar sense necessitat d’utilitzar eines específiques per aquesta tasca, com podrien ser altímetres o boies. Per a que sigui viable utilitzar aquest mètode a escala global es necessita encara una reducció en l’error comès i també una major freqüència en les dades obtingudes.

Este Trabajo de Fin de Grado es el resultado de 6 meses haciendo investigación en el estudio de las señales reflejadas de sistemas de GNSS en la costa. La Tesis empieza introduciendo los principales métodos de monitorización del nivel del mar, prestando especial atención al uso de las señales reflejadas de sistemas GNSS (GNSS-R) captadas por una antena GNSS mirando al zenit. Este método ha sido parcialmente estudiado en otras universidades como la CU en Boulder o la Universidad de Chalmers en Suecia, pero aún no en ninguna institución española. Además, como novedad, se hace uso de las instalaciones proporcionadas por la Red de GNSS de Referencia (EUREF) y, de esta manera, se evita la necesidad de desarrollar hardware específico. Esta Tesis es una continuación natural del trabajo desarrollado por los Drs. Nereida Rodriguez y Alberto Alonso en la UPC, aunque su análisis se focalizaba en el uso de antenas polarizadas linealmente y orientadas hacia el horizonte, diseñadas específicamente para recibir la señal reflejada de GNSS. El beneficio de utilizar antenas orientadas hacia el zenit es que no se requiere del desarrollo específico de hardware, ya que las estaciones de GNSS llevan incorporadas antenas de GNSS orientadas hacia el zenit para proveer de posicionamiento y localización en cualquier parte del mundo. El principal método utilizado para determinar el nivel del mar es aplicando análisis espectral. El desarrollo teórico, así como la evaluación de los resultados, serán analizados para dos estaciones GNSS situadas en Mallorca y Tarifa respectivamente. El método desarrollado hace uso del Periodograma Lomb Scargle y del Espectrograma Lomb Scargle para determinar la altura del nivel del mar a partir de la interacción entre dos tipos de señales recibidas en la estación GNSS, la señal directa y la reflejada en el mar. Mediante fórmulas de la física, se puede determinar la distancia entre la superficie del mar y el centro de fase de la antena receptora simplemente observando la frecuencia de las oscilaciones que se producen en el patrón de interferencia del señal obtenido. El segundo método estudiado, llamado Modelado Inverso a partir de B-Splines, hace uso de BSplines y de un algoritmo de minimización no lineal para modelar el comportamiento del mar, y es analizado para las mismas dos estaciones y los mismos datos que el primer método. Después de analizar los resultados para diferentes sistemas y frecuencias, las conclusiones son bastante esperanzadores y podría ser un primer paso para monitorizar el nivel del mar sin la necesidad de utilizar herramientas específicas para esta misión, como podrían ser altímetros o boyas. Para implementar este método a escala global, aún es necesario reducir el error en los resultados y aumentar la frecuencia de obtención de los datos.