New methods and applications for interferometric GNSS reflectometry
Doctoral thesis, 2020
The GNSS reflectometry technique has been proven to be usable for measuring several environmental properties, such as soil moisture, snow depth, vegetation, and sea level. As numerous GNSS installations are already installed around the world for geodetic purposes, the technique opens up a large data set for new analyses, complementing other environmental measurement campaigns. However, a main drawback of the technique is that its precision generally is worse than more specialised equipment, and while this is in part compensated for its low cost and maintenance requirements, improved precision is still a main goal of research in the field of GNSS reflectometry.
The first topic of this thesis concerns the development of new methods for analysing GNSS-R data to retrieve precise measurements, especially in the case of sea level.
As GNSS-R measurements are usually done over time spans of around half an hour, the dynamic sea surface has proven to be a challenge to measure. However, using inverse modelling with least squares adjustment, we prove that we can significantly improve the retrieval precision. Developing on the inverse modelling approach, we also prove that high-precision real-time GNSS reflectometry is also feasible using Kalman filtering.
The other main topic of this thesis is finding new applications for the GNSS-R technique. Firstly, we show that when a GNSS-R installation is mounted close to a body of water, it is possible to determine whether the surface is frozen or not. Secondly, while GNSS reflectometry is traditionally performed with high-precision geodetic instruments, we show that everyday devices, such as a mobile phone, can be used instead. We find that the precision of the mobile devices is on a similar level as for geodetic equipment.
Finally, this thesis explores and highlights one of the challenges that are still left in GNSS-R research: absolute referencing of sea level measurements. Past research has mostly focused on precision, leaving out accuracy, and we show that there are unknown effects that cause an offset between GNSS-R measurements and co-located tide gauges.
The first topic of this thesis concerns the development of new methods for analysing GNSS-R data to retrieve precise measurements, especially in the case of sea level.
As GNSS-R measurements are usually done over time spans of around half an hour, the dynamic sea surface has proven to be a challenge to measure. However, using inverse modelling with least squares adjustment, we prove that we can significantly improve the retrieval precision. Developing on the inverse modelling approach, we also prove that high-precision real-time GNSS reflectometry is also feasible using Kalman filtering.
The other main topic of this thesis is finding new applications for the GNSS-R technique. Firstly, we show that when a GNSS-R installation is mounted close to a body of water, it is possible to determine whether the surface is frozen or not. Secondly, while GNSS reflectometry is traditionally performed with high-precision geodetic instruments, we show that everyday devices, such as a mobile phone, can be used instead. We find that the precision of the mobile devices is on a similar level as for geodetic equipment.
Finally, this thesis explores and highlights one of the challenges that are still left in GNSS-R research: absolute referencing of sea level measurements. Past research has mostly focused on precision, leaving out accuracy, and we show that there are unknown effects that cause an offset between GNSS-R measurements and co-located tide gauges.
sea level
sea ice
GNSS
reflectometry
Author
Joakim Strandberg
Chalmers, Space, Earth and Environment, Onsala Space Observatory
Improving GNSS-R sea level determination through inverse modeling of SNR data
Radio Science,;Vol. 51(2016)p. 1286-1296
Journal article
Coastal Sea Ice Detection Using Ground-Based GNSS-R
IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,;Vol. 14(2017)p. 1552-1556
Journal article
Real-time sea-level monitoring using Kalman filtering of GNSS-R data
GPS Solutions,;Vol. 23(2019)
Journal article
Can We Measure Sea Level With a Tablet Computer?
IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,;Vol. 17(2020)p. 1876-1878
Journal article
Att kunna mäta på vår omgivning är grunden i all vetenskaplig forskning om klimat och miljö och deras utveckling framåt i tiden. Ju fler och bättre mätningar som görs, desto bättre blir våra förutsägelser om hur världen kommer fortsätta att förändras. Mätning av vattencykeln är en viktig del i detta, då klimatförändringarna både spås förändra vädermönster och havsvattennivåer. Vanligtvis görs detta med specialiserade instrument byggda för specifika ändamål — t.ex. för att mäta markfukt, snödjup, och havsvattenstånd — men i denna avhandling presenteras istället en teknik baserad på ett instrument som egentligen har andra användningsområden. Denna teknik kallas för GNSS-reflektometri.
GNSS är ett samlingsnamn på alla satellitbaserade navigationssystem, där det mest kända är det amerikanska systemet GPS, som vardagligen används i mobiltelefoner och bilar för att bestämma deras positioner. I GNSS reflektometri används signaler från dessa system inte för att navigera; istället används den egenskap att signalerna kan reflekteras i olika ytor, som t.ex. havsytan. Dessa reflekterade signaler ses normalt som störningar för vanlig GNSS användning. Men de påverkas av reflektionsytornas egenskaper, och med hjälp av GNSS-reflektometri blir det då möjligt att studera dessa ytor. GNSS-mottagare finns utplacerade på många ställen runtom i världen för att mäta bland annat kontinentaldrift och landhöjning, och genom GNSS-reflektometri kan alla dessa instrument dessutom användas för miljömätningar.
I avhandlingen presenteras först några nyutvecklade metoder för GNSS-reflektometri som gör mätningarna mer noggranna, och som ger möjlighet till att mäta på omgivningen i realtid. Sedan visas för första gången hur tekniken kan användas för att upptäcka havsis. Dessutom presenteras slutligen hur en helt vanlig mobil kan användas för att mäta på klimatet med hjälp av reflekterade GNSS-signaler.
GNSS är ett samlingsnamn på alla satellitbaserade navigationssystem, där det mest kända är det amerikanska systemet GPS, som vardagligen används i mobiltelefoner och bilar för att bestämma deras positioner. I GNSS reflektometri används signaler från dessa system inte för att navigera; istället används den egenskap att signalerna kan reflekteras i olika ytor, som t.ex. havsytan. Dessa reflekterade signaler ses normalt som störningar för vanlig GNSS användning. Men de påverkas av reflektionsytornas egenskaper, och med hjälp av GNSS-reflektometri blir det då möjligt att studera dessa ytor. GNSS-mottagare finns utplacerade på många ställen runtom i världen för att mäta bland annat kontinentaldrift och landhöjning, och genom GNSS-reflektometri kan alla dessa instrument dessutom användas för miljömätningar.
I avhandlingen presenteras först några nyutvecklade metoder för GNSS-reflektometri som gör mätningarna mer noggranna, och som ger möjlighet till att mäta på omgivningen i realtid. Sedan visas för första gången hur tekniken kan användas för att upptäcka havsis. Dessutom presenteras slutligen hur en helt vanlig mobil kan användas för att mäta på klimatet med hjälp av reflekterade GNSS-signaler.
Subject Categories (SSIF 2011)
Remote Sensing
Geophysics
Infrastructure
Onsala Space Observatory
ISBN
978-91-7905-298-0
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4765
Publisher
Chalmers
Opponent: Prof. Jörg Reinking, Jade Hochschule, Germany