INTRODUCCIÓN

El uso de señales reflejadas provenientes de losSistemas de Navegación Global por Satélite(GNSS - Global Navigation Satellite Systems) esuna tecnología con gran potencial para aplicacio-nes de teledetección oceanográfica, ya que a travésde su uso se consigue: analizar grandes áreas, granprecisión en las medidas, hacer desaparecer el vín-culo entre las medidas y las condiciones meteoro-lógicas y finalmente, y de gran interés, se consi-guen múltiples medidas complementarias con unúnico sensor.

En Starlab hemos seguido y contribuido al desa-rrollo de dicha tecnología desde sus orígenes: ana-lizando gran variedad de escenarios, así comoactualmente contribuyendo a la definición de unaposible misión espacial.

Este documento pretende dar una visión global deesta tecnología, así como analizar su evolucióndesde sus orígenes hasta su estado actual.

SISTEMAS DE NAVEGACIÓN GLO-BAL POR SATÉLITE

Existen varias características de interés que moti-van el uso de dichos sistemas para aplicaciones deteledetección, aunque dos de ellas son fundamenta-les. En primer lugar, los satélites que integran lossistemas GNSS son satélites emplazados en órbitasaltas y con ángulos de inclinación elevados, cuyaventaja principal es que permiten la cobertura delglobo terráqueo íntegra o casi íntegra. En segundolugar, e igualmente importante, debemos citar queactualmente disponemos de varios sistemas GNSS,algunos ya operativos (GPS), y otros en proceso decrecimiento (constelación GLONASS, Galileo). Asípues, está más que asegurada la continuidad ymejora de la recepción de señales reflejadas pordichos sistemas.

TEORÍA GPS

La teoría en la que se fundamenta la tecnologíaGNSS-R está estrechamente ligada con la teoría

Revista de Teledetección. 2006. Número Especial: 153-157

Número Especial - Junio 2006 153

Teledetección con GNSS-R (Global Navigation Satellite System-Reflections)desde la costa al espacio

F. Soulat, E. Farrés, S. Dunne, O. Germain, C. Martín, M. Martínez, M. Caparrini y G. Ruffinicristina.martin@starlab.es

Starlab Barcelona S.L. Research Research Department Cami de l’Observatori s/n. 08035 Barcelona

RESUMEN

En este documento se presenta el trabajo realizadopor Starlab en los últimos cinco años en relación a latecnología GNSS-R: desde sus origines, hasta losactuales proyectos en los que se analiza la viabilidadde emplazar un sensor de estas características en unaplataforma espacial, así como los beneficios que elloreportaría.

PALABRAS CLAVE: GNSS-R, GPS, Galileo, alti-metría, reflectometría, tsunami, nivel del mar.

ABSTRACT

In this document the work carried out at Starlab inthe last five years in relation to the GNSS-R techno-logy is presented: from its origins to the current pro-jects in which we are currently analyzing the feasibi-lity to place a GNSS-R sensor in a satellite, as well asthe benefits that will be acquired with this action.

KEY WORDS: GNSS-R, GPS, Galileo, altimetry,reflectometry, tsunami, sea surface height.

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GPS (código GPS L1 C/A). Es por ello que a con-tinuación, y a modo de introducción detallamoslos fundamentos y teoría en los que se basan nues-tras medidas.

La señal GPS emitida por un satélite s(t) estácaracterizada por tres factores: la frecuencia de laonda portadora (fp), el código abierto CA(t) y elmensaje de navegación N(t).

El código CA(t) es una secuencia de bits únicapara cada satélite, por lo que a través de él se iden-tifica al emisor. La secuencia binaria se construye auna frecuencia de 1 MHz. El mensaje de navega-ción contiene información sobre las efemérides,estado de la constelación y otros datos relativos alsistema y a diferencia del anterior se modula a unafrecuencia de 50Hz.

Así pues la señal directa se puede modelar de lasiguiente forma:

s(t) = N(t) · CA(t) · ei2pft

Donde f es la frecuencia de la onda portadora.

GNSS-R

GNSS-R podría definirse como un nuevo sistemade RADAR (Radio Detection And Ranging) mul-tiestático que utiliza señales de oportunidad (Mar-tin-Neira, 1993).

De entre varias posibles aplicaciones de esta tec-nología, dos tipos son los de mayor interés para lacomunidad científica en estos últimos años (Capa-rrini, 1998):

• altimetría marina. Medida de la altura del niveldel mar (SSH- Sea surface height)

• reflectometría de la superficie del mar. Paráme-tro que permite la determinación de la rugosi-dad, así como de la medida del viento en lasuperficie (oleaje) (Garrison et al., 2002).

Su carácter multiestático es lo que hace deGNSS-R una tecnología única entre sus competido-res. De esta forma un mismo receptor adquiereinformación simultánea de puntos que reflejan lasseñales de diferentes emisores GNSS visibles en lamisma área de observación.

Aunque parecezca una tecnología simple y muyventajosa, no debemos olvidar que las señalesGNSS presentan una relación S/N muy baja, yaque no fueron diseñadas inicialmente para aplica-ciones radar. Esta restricción hace que el procesa-do de la señal adquiera un rol prioritario en elanálisis.

La debilidad de la señal reflejada se ve afectadaprincipalmente por la superficie de reflexión, quedegrada la intensidad, pero al mismo tiempo trasla-da sus características. Sus efectos concretos sobrela señal son: reducción de la intensidad, distorsióndel frente de la onda y pérdida de la coherencia dela misma.

Aunque las longitudes de onda relativas a señalesGNSS están alrededor de los 20 cm, los resultadosexperimentales han demostrado que la teoría de laÓptica Geométrica es la más apropiada para el aná-lisis de las señales GNSS-R. Esta teoría se puedeutilizar para demostrar que la potencia reflejada esproporcional al número de frentes correctamenteorientados, así como a sus curvaturas.

Altimetría

El principio básico en las medidas altimétricas sefundamenta en la diferencia de tiempo de recepciónentre la señal directa y la reflejada. Esta diferencia

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Figura 1. Representación del escenario real en el que elsensor GNSS-R adquiere las señales directas del resto desatélites presentes en la zona, así como las señales refle-jadas en la superficie – concepto PARIS.

Figura 2. Escenario de medidas altimétricas realizadasdesde la costa.

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temporal se conoce como lapse. Para mayor detallela Figura 2 provee un ejemplo gráfico de un esce-nario representativo.

Dicha diferencia caracterizará las medidas alti-métricas de manera que la variación en altura serelaciona con la diferencia de caminos entre la señalreflejada y la directa de la forma:

siendo ε la elevación local del satélite en el punto dereflexión.

Una de las mayores particularidades de la alti-metría GNSS-R es que la precisión adquirida esvarios órdenes de magnitud por debajo de la lon-gitud temporal del pulso emitido, aunque normal-mente se asume que la precisión a la que se puedellegar mediante un sistema radar es del mismoorden magnitud.

Reflectometría

Dado el carácter introductorio de este docu-mento y la amplia área científica en relación areflectometría GNSS, nos limitaremos en esteapartado a mencionar simplemente que la refle-xión de señales GNSS es la propiedad que enri-quece a la misma con información que permite lacaracterización de la superficie oceánica. Asímismo, dicha señal es posteriormente analizadamediante óptica geométrica.

Aplicaciones oceanográficas

El fuerte vínculo entre la atmósfera y el océanoes y será la base de los modelos matemáticos desimulación de la dinámica terrestres. La superficiedel mar constituye el enlace entre ambos y almismo tiempo regula el momento, la energía, elintercambio de materia, así como la dinámicaentre diferentes agentes como el viento, oleaje yotros elementos que caracterizan los intercambiosen la superficie.

La superficie del océano está caracterizada en pri-mer orden por particularidades relacionadas con laaltura del nivel del mar (local mean sea level, SeaWave Heigth) y el oleaje (direccional mean squareslope). Pero actualmente aún no se han realizado

medidas de mesoescala, lo que supone un atraso enel análisis del cambio climático.

GNSS-R UNA REALIDAD

GNSS-R desde la costa

En Starlab hemos desarrollado nuestro propio sen-sor basado en la tecnología GNSS-R, al cual hemosllamado Oceanpal.

Oceanpal es un sensor pasivo, cuya funcionali-dad, representada gráficamente en la Figura 2, esprincipalmente la medida de:

• Altura del nivel del mar• Oleaje en la superficie• Sus principales ventajas respeto a sus competi-

dores son que:• Es un sensor remoto• Provee datos a tiempo real• Respeta el medio ambiente• Tiene un fácil mantenimiento• Es fácilmente ubicable en varios entornos.

Oceanpal ya ha sido experimentalmente validado,y sus resultados han sido comparados con éxito consistemas de boyas a lo largo del litoral catalán (verFigura 3).

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Figura 3. Resultados de Oceanpal (.) comparados condos boyas situadas en la costa Catalana (o).

dldh = ,

2sin(ε)

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GNSS-R EN EL ESPACIO

El concepto PARIS

GNSS-R aún no ha llegado a sus límites. Todavíahay mucho camino por recorrer. Por ello en Starlabnos hemos embarcado en una nueva aventura basa-da en analizar la viabilidad de embarcar dicha tec-nología en una plataforma espacial.

PARIS “A passive reflectometry and interfero-metry system” (ver Figura 1, y Martín-Neira, 1993)es el nombre de la iniciativa que desde la AgenciaEspacial Europea da origen a la tecnología GNSS-R. Este concepto empieza a ver sus frutos en laactualidad, donde su fase Gamma II, analiza laposibilidad de emplazar dicha tecnología en unsatélite.

El equipo de Starlab contribuye al proyecto en ladefinición, manufacturación y validación de un sen-sor GNSS-R aerotransportable. Prototipo que en unfuturo podría desembocar en un sistema embarca-ble en un satélite.

El éxito de esta iniciativa ayudaría a proveer nue-vos productos con excelente cobertura y buenaresolución a bajo coste. Al mismo tiempo permitiríala expansión de las aplicaciones de GNSS-R a otroscampos de las ciencias de la Tierra.

Detección de tsunamis

Un sistema en órbita podría proveer la caracteri-zación de diferente tipo de fenómenos geofísicoscomo por ejemplo la caracterización de tsunamis.Esta es la base del proyecto STERNA (ESA, 2005)el cuál ha permitido demostrar el potencial de latecnología GNSS-R (PARIS) para la detección deysunamis [Martín-Neira et al., 2005].

Inicialmente se adaptaron las características delsensor GNSS-R a la escala sinóptica de los tsuna-mis. Posteriormente se consiguió simular el con-cepto PARIS (Figura 3) teniendo en cuenta unsistema de 10 satélites. En una base de datos seintegraron los valores reales que han caracteriza-do los terremotos más conocidos del último siglocuyo foco se encuentra próximo al lecho oceáni-co. Finalmente, se analizaron cuales serían lostiempos de detección de dichos eventos en tiem-po real, así como la caracterización de la densi-dad de los mismos a través de simulacionesMonte-Carlo.

A través de dicho experimento se concluyó que el80% de los tsunamis acontecidos podrían detectar-se en menos de 1 hora a través de constelacionescon órbitas de 800 km. En caso de órbitas superio-res (1.300 km) la tasa aumentaba al 100% de éxitoen un período de 1 hora y 45 minutos. Estos resul-tados llevan a considerar que el concepto PARISemplazado en una constelación de órbita fija podríaser de gran ayuda para la detección de estos fenó-menos geofísicos.

OCEANPAL en Groenlandia

Más recientemente, el equipo de Starlab se haembarcado en una nueva iniciativa (CryoVEX,ESA) en la que se ha enviado un sensor Oceanpal aGroenlandia. El objetivo de la misión es la realiza-ción de varios vuelos sobre la región de Svalbard yGroenlandia, para la adquisición de datos experi-mentales. Dichos datos ayudarán a analizar elpotencial de la tecnología GNSS-R para la caracte-rización de superficies glaciales.

CONCLUSIONES

La tecnología GNSS-R muestra un futuro deéxito asegurado. Tantas son sus aplicaciones y tanprometedores los resultados obtenidos que actual-mente ya existen varias misiones en las que GNSS-R no sólo se tiene en consideración para el análisisde superficies oceanográficas, sino que se perfilacomo una herramienta de gran utilidad para el estu-dio para diferentes tipos de superficies.

El éxito de los estudios de viabilidad del GNSS-R aerotransportado ayudaría notoriamente a la evo-lución tecnológica de la observación de la Tierra yampliaría el margen de aplicaciones.

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Figura 4. Resultados a tiempo real del sensor Oceanpalubicado en el puerto de Barcelona (http://apb.oceanpal.net/).

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AGRADECIMIENTOS

A todo el equipo de Starlab por su colaboración yayuda en la realización de este documento.

BIBLIOGRAFÍA

CAPARRINI, M. 1998, Using reflected GNSS sig-nals to estimate surface features over wide oceanareas. ESTEC Working Paper. No. 2003

GARRISON, J. L., A. KOMJATHY, V. U. ZAVO-ROTNY, y KATZBERG, S. J. 2002. Wind-Speed

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MARTÍN-NEIRA, M. 1993, A passive reflectometryand interferometry system (PARIS): application toocean altimetry. ESA Journal. 17: 331-355.

MARTÍN-NEIRA, M., BUCK, C., GLEASON, S.,UNWIN, M., CAPARRINI, M., FARRÈS, E.GERMAIN, O., RUFFINI, G. y SOULAT, F.2005. Tsunami detection using the PARIS con-cept. Progress in Electromagnetics ResearchSymposium 2005.

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