Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/20717
Título: Water surface altimetry using GNSS reflected signals: performance analysis
Autor: Mendes, Tiago Gomes
Orientador: Antunes, Carlos Manuel Correia, 1965-
Catarino, Nuno
Palavras-chave: GNSS
GNSS-R
Deteção remota
Hidrografia
SARGO
Teses de mestrado - 2015
Data de Defesa: 2015
Resumo: Apesar de o Sistema de Posicionamento Global (GPS) ter sido, originalmente, desenvolvido para posicionamento e navegação, surgiram diversas aplicações que tiram partido de sinais GPS e, mais recentemente, de outros Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS) para extrair informação relativamente à superfície da Terra, como a humidade do solo e a espessura de neve. Uma dessas aplicações é a Reflectometria GNSS (GNSS-R), uma técnica proposta por Martin-Neira [1993] como forma de densificar observações de altimetria para melhor compreender os efeitos de meso-escala associados à superfície dos oceanos. Esta técnica funciona como um radar bistático, em que o transmissor e o recetor estão separados de uma grande distância quando comparado com a distância à superfície. Na prática, os recetores dedicados à reflectometria GNSS servem-se dos sinais GNSS refletidos da superfície da Terra, adquirindo-os através de uma antena apontada para o local de reflexão. Para além disso, o sistema adquire o sinal direto através de uma antena convencionalmente direcionada para cima. Ao determinar a diferença de tempo de chegada de ambos os sinais ao recetor, é possível derivar outros parâmetros, tais como a altimetria. O desafio no âmbito da reflectometria GNSS tem sido o aperfeiçoamento dos instrumentos e métodos de aquisição e processamento de sinal, de forma a alcançar precisões comparáveis com outras técnicas, tais como os altímetros radar. Contudo, dado que a rugosidade da superfície faz com que haja uma perda de coerência de fase, resultando em saltos aleatórios, apenas é possível utilizar a informação de código do GNSS para realizar as observações, sendo o código bastante menos preciso que a fase. Contudo, com as novas constelações e sinais GNSS, será possível melhorar as observações e alcançar precisões que permitam uma fiável monitorização dos fenómenos geofísicos. O trabalho desenvolvido na presente dissertação foi realizado em colaboração com a Deimos, Engenharia, a qual se encontra a desenvolver um sistema de reflectometria, SARGO (System for Acquiring Reflected GNSS signals for Oceanography), cuja performance em termos de exatidão e precisão será aqui analisada. Para este efeito, foram adquiridos dados em dois testes distintos: um, realizado no Padrão dos Descobrimentos, onde foram adquiridos dados do sinal Galileo E1, e outro, realizado na marina do Parque das Nações, onde foram adquiridos dados Galileo E5a. O SARGO é constituído por duas antenas, uma para aquisição do sinal direto e a outra para aquisição do sinal refletido, um receptor com dois canais para a aquisição simultânea dos dois sinais, uma placa de interface com outros componentes, um comutador para efetuar troca de canais (direto/-refletido), permitindo a determinação do atraso induzido pelo hardware, e uma unidade de computação para proceder à aquisição e processamento dos dados em tempo real. Para o projeto foram ainda desenvolvidos vários processadores, separados em vários níveis com diferentes objetivos: o Gerador de Dados Brutos (RDG) para processamento dos dados do recetor e conversão em ficheiro binário; o Processador de Nível 0 (L0P) para conversão dos ficheiros binários em ficheiros NetCDF; o Processador de Nível 1a (L1aP), para calibração dos dados; o Processador de Nível 1b (L1bP), para geolocalização das funções de autocorrelação e cálculo da elevação do satélite; e o Processador de Nível 2, para cálculo de altimetria. Foi ainda desenvolvido um sistema de orquestração das aquisições e processadores, o SARGO Orchestrator System (SOS). As principais observáveis resultantes da aquisição de reflectometria com o SARGO, utilizadas para cálculo de ruído e altimetria, são as funções de autocorrelação do sinal direto e refletido. De forma a ser possível calcular a altimetria foi necessário determinar o atraso sofrido pelo sinal refletido em relação ao sinal direto antes de chegarem ao recetor. O processamento dos dados foi implementado num software com uma interface gráfica denominado SARGO Analysis and Control System (SACS), onde foram implementados os algoritmos de deteção do máximo das funções de autocorrelação, de filtragem, de remoção de outliers e de visualização. Para determinar o atraso entre sinais foi necessário estimar o valor máximo das funções de autocorrelação, tendo sido testados três métodos diferentes: interpolação cúbica, interpolação linear e um método de estimação de erro baseado na função discriminante, tradicional em recetores GNSS. A fase de processamento de dados envolveu ainda técnicas de filtragem prévia, através da informação da relaão sinal-ruído (SNR), técnicas de remoção de outliers e a aplicação de médias móveis. A sensibilidade do método de estimação do pico foi analisada para o sinal direto, refletido e para as diferenças de atraso entre eles, sendo possível concluir que, no caso do sinal E5a, nenhum método revelou ser particularmente mais preciso. Contudo, ao efetuar a análise para o sinal E1, observou-se que existe uma grande sensibilidade ao método, resultando numa variabilidade na ordem de 1 m entre métodos. Este fenómeno deve-se ao facto de o sinal E1 ser menos preciso e ter uma resolução inferior ao sinal E5a. Neste passo foi também verificada a normalidade dos dados por meios estatísticos baseados no teorema do limite central, de modo a verificar que fontes externas de erro não estariam a enviesar os resultados. Concluiu-se que, apesar dos sinais, individualmente, apresentarem enviesamentos relativamente ao expectável, o mesmo não se verificou após diferenciação, o que significa que determinadas fontes de erro afetam de igual forma ambos os sinais. Após análise dos vários métodos, concluiu-se que seria possível obter melhores resultados utilizando a interpolação cúbica embora haja uma ligeira perda na rapidez de processamento. A resolução mais elevada do sinal E5a refletiu-se também nos resultados: as diferenças de atraso para este sinal apresentam uma precisão cinco a seis vezes superior à precisão alcançada com o sinal E1, situando-se em cerca de 2-3 m, sem qualquer tipo de integração, e em 20-30 cm, após 1 s de integração, ao passo que com o sinal E1 a precisão se situou em cerca de 10-12 m, sem integração, e 1 m, após 1 s de integração. Os resultados de altimetria foram ainda comparados com modelos de maré gerados pela FCUL, aos quais se aplicou o método de concordância de marés para os portos mais próximos, assim como os valores de sobre-elevação meteorológica obtidos no marégrafo de Cascais. Foi possível observar um desvio bastante reduzido entre os dados observados e o modelo de maré para o sinal E5a. Contudo, estes não apresentaram um acompanhamento constante do nível de água. O sinal E1, pelo contrário, apesar de apresentar desvios significativos relativamente ao valor da maré (na ordem de 2 m), estes desvios eram constantes, representando bem o comportamento dos níveis de água. Para se proceder a uma comparação fiável entre os dois sinais, E1 e E5a, seria essencial que as observações fossem recolhidas nas mesmas condições (mesma hora, local e com os mesmos recetores). Contudo, por questões logísticas, tal não foi possível. Atualmente o SARGO encontra-se instalado em modo permanente, pelo que será possível efetuar várias aquisições cobrindo tempos maiores de observação, possibilitando uma melhor comparação e análise dos resultados. Apesar de as precisões do SARGO não serem capazes de substituir os métodos convencionais de medição de marés, este sistema pode servir de complemento, não só para medição de níveis de água como também para deteção de outros fenómenos como a altura de ondas, algo que ainda não foi implementado, mas que se sabe ser possível. A densificação de sistemas de monitorização e controlo de níveis de água e fenómenos extremos poderá ser um elemento essencial na prevenção de desastres naturais, particularmente com o aumento do nível médio do mar e de eventos meteorológicos extremos. A operacionalização de sistemas GNSS-R poderá ainda abrir portas a novas aplicações.
Although GPS was originally intended for navigation and positioning purposes, new applications are taking advantage of the GPS and, more recently, Global Navigation Satellite System (GNSS) signal properties in order to estimate several geophysical parameters from the Earth’s surface, such as soil moisture or snow thickness. One of those applications is GNSS-R which was proposed as a way to study the complex mesoscale structure of the ocean circulation. It works by using GNSS signals reflected off the Earth’s surface, which are then acquired by a receiver with two antennas, a down-looking one for reflected signals and an up-looking antenna for direct signal. By analyzing the difference between the time of arrival of each signal it is possible to calculate other parameters, such as altimetry. However, the phenomena we wish to study demands high levels of accuracy, and the main challenge in the field is to improve acquisition and processing techniques in order to reach accuracies which allow the understanding of oceanographic effects. The current dissertation was developed in cooperation with Deimos, Engenharia and focuses on the study of GNSS-R observations for water surface altimetry from a ground-based instrument, where the system is analyzed in terms of accuracy and precision. The observations were acquired by Deimos’s System to Acquire Reflectometry with GNSS Signals for Oceanography (SARGO) system, which is currently focusing on the improved characteristics of Galileo’s E1 and E5a signals. The data for the current dissertation was acquired in two different field tests, Padrão dos Descobrimentos for the E1 signal and the Marina of Parque das Nações for the E5a signal. The main observables used in this study were the direct and reflected ACFs, or waveforms. In order to compute the altimetry, it was necessary to estimate the peak of each waveform, which enables the estimation of the delay differences between them. The noise values were analyzed for the individual signals and for the delay differences, where three different peak estimation methods were tested: cubic interpolation, linear interpolation and a discriminator based error estimation. The best method was used to analyze the altimetry data, which was compared with truth data obtained from tidal models. A software tool, SARGO Analysis and Control System (SACS), was developed in order to process and visualize the data. It could be concluded that, although the E5a signal did not present a particular sensibility to the chosen peak estimation method, the lower resolution of the E1 signal resulted in a high variability of results between methods. The cubic interpolation method presented the best overall performance, both in terms of noise and in terms of altimetry. Furthermore, observations using the E5a signal presented results which were 5 to 6 times better than results with E1 signal, which was already expected due to the higher chipping rate of the E5a signal. Furthermore, the bias between the E5a observations and the truth data was significantly lower than with the E1 signal, although the E1 signal presented a better representation of the water level change. Although still in preliminary stages, with the best achievable accuracies in the order of 20 cm after averaging for 1 s, these are already promising results when compared to other studies in the field. Furthermore, the system is now installed on top of a location overlooking the Tagus river, and will be able to work permanently in the near future, which will result in more acquisitions with longer durations, enabling future improvement of the system’s performance.
Descrição: Tese de mestrado em Engenharia Geográfica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015
URI: http://hdl.handle.net/10451/20717
Designação: Mestrado em Engenharia Geográfica
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