Development of novel instruments and techniques for passive microwave remote sensing

Abstract

Earth Observation using satellites has helped to better model our planet. The goal of such systems is to provide large data sets to help to understand the effects of our actions on the climate, to predict storms in near real-time, to prevent forest fires, or to prevent desertification, among others. In the last years, thanks to the miniaturization of electronics a new type of satellite have become popular, the CubeSat, a small spacecraft weighing from 1 to 10 kg, which can carry different types of instruments. Thanks to the cost reduction of these new platforms, new techniques can be easily evaluated, and the concept of a mesh of sensors surrounding the Earth is becoming a reality. Besides, the suitability of new techniques is being proven for such small spacecraft, such as GNSS reflectometry (GNSS-R). GNSS-R instruments are typically cheaper, more efficient (in terms of power consumption), and smaller than their traditional equivalent ones.

This Ph.D. thesis is devoted to the development of passive microwave remote sensing instruments for CubeSats. However, before entering into the instrument design, several field experiments were proposed to model and validate the use of GNSS-R under different conditions. This Ph.D. thesis is divided into three main parts.

The first part is devoted to assessing the capabilities of GNSS-R to retrieve different geophysical parameters through a different set of field experiments. First, the achievable spatial resolution of L1 and L5 GNSS-R signals is analyzed under different conditions. Second, taking into account the incoherent integration limits previously analyzed, the coherency of GNSS-R signals is analyzed at L1 and L5 bands. Third, thanks to the use of short integration times, multiple reflections received in the GPS L5 reflected signal could be identified as multiple peaks, thanks to the narrower auto-correlation function of such signals. Over the ocean, these multiple peaks are analyzed and linked to the sea state. Over the Australian rainforest, these multiple peaks at L5 are linked to multiple reflections on top of the vegetation canopy and in the bare soil. Fourth, a methodology to estimate soil moisture content over land using GNSS-R signals is proposed. Finally, the use of GNSS-R signals to estimate sea-ice thickness and snow content over the sea-ice is examined thanks to the data collected by a circular polarization GNSS-R instrument part of the Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition. The second part of this dissertation is devoted to the design, implementation, and test of three passive microwave instruments for CubeSats. First, the Flexible Microwave Payload -1 (FMPL-1) is proposed as part of the 3Cat-4 mission. The instrument includes three experiments in a single platform: a total power L-band radiometer with frequent internal calibration, an L1/L2 GNSS reflectometer, and an AIS receiver. Second, the FMPL-2 instrument is proposed as the main payload of the 3Cat-5/A, one of the two instruments composing the ESA FSSCat mission, the first third-party mission contributing to the Copernicus system based on CubeSats. This second instrument is the evolved version of FMPL-1 and can provide synchronous GNSS-R and L-band radiometry data. Finally, a third instrument, the FMPL-3, is proposed for the GNSSaS mission of the NSSTC from the UAE. This third instrument includes the first-ever GNSS-R receiver at L5 and aims to prove the capabilities of such signals from space.

Finally, in the third part, the first results of FMPL-2 are presented and analyzed. The instrument was successfully launched into a Low Earth Orbit during the Vega VV16 flight. First, the results of FMPL-2 during the first two weeks of in-orbit validation are presented. Data-driven algorithms to estimate sea-ice concentration, thickness, and soil moisture content over land are implemented using L-band microwave radiometry data and GNSS-R data retrieved by FMPL-2.

iL'observació de la Terra mitjançant satèl·lits ha ajudat a modelar millor el nostre planeta. L'objectiu d'aquests sistemes és proporcionar grans conjunts de dades que ajudin a comprendre els efectes de les nostres accions sobre el clima, a predir tempestes gairebé en temps real, o a prevenir incendis forestals o a prevenir la desertificació, entre d’altres. En els darrers anys, gràcies a la miniaturització de l’electrònica, s’ha popularitzat un nou tipus de satèl·lit, el CubeSat, un petit satèl·lit que pesa menys de 10 kg i que pot transportar diferents tipus d’instruments. Gràcies a la reducció de costos d'aquestes noves plataformes, es poden avaluar fàcilment noves tècniques, com ara la reflectometria GNSS (GNSS-R). Els instruments GNSS-R solen ser més econòmics, més eficients (en termes de consum d’energia) i més petits que els equivalents tradicionals. Aquest doctorat la tesi es dedica al desenvolupament d'instruments de teledetecció passiva per microones per a CubeSats. No obstant això, abans d’entrar en el disseny de l’instrument, es van proposar diversos experiments de camp per modelar i validar l’ús de GNSS-R en diferents condicions. Aquesta tesi es divideix en tres parts principals. La primera part es dedica a avaluar les capacitats de GNSS-R per recuperar diferents paràmetres geofísics mitjançant un conjunt diferent d’experiments de camp. En primer lloc, s’analitza la resolució espacial assolible dels senyals GNSS-R L1 i L5 en diferents condicions. En segon lloc, tenint en compte els límits d’integració incoherents analitzats prèviament, s’analitza la coherència dels senyals GNSS-R a les bandes L1 i L5. En tercer lloc, gràcies a l’ús de curts temps d’integració, les múltiples reflexions rebudes al senyal reflectit GPS L5 s'identifiquen com a múltiples pics. Sobre l’oceà, aquests múltiples pics s’analitzen i es relacionen amb l’estat del mar. A la selva tropical australiana, aquests múltiples pics a L5 es relacionen amb múltiples reflexions a la part superior de la vegetació i al sòl nu. En quart lloc, es proposa una metodologia per estimar el contingut d’humitat del sòl sobre la terra mitjançant senyals GNSS-R. Finalment, l’ús de senyals GNSS-R per estimar el gruix del gel marí i el contingut de neu sobre el gel marí s’examina gràcies a les dades recollides per un instrument GNSS-R de polarització circular que forma part d'expedició "MOSAiC". La segona part d'aquesta dissertació es dedica al disseny, implementació i prova de tres instruments de microones passius per a CubeSats. En primer lloc, es proposa la FMPL-1 com a part de la missió 3Cat-4. L'instrument inclou tres experiments en una única plataforma: un radiòmetre de banda L de potència total amb un calibratge intern freqüent, un reflectòmetre GNSS L1/L2 i un receptor AIS. En segon lloc, es proposa l’instrument FMPL-2 com a principal càrrega útil del 3Cat-5/A, un dels dos instruments que componen la missió FSSCat de la ESA, la primera missió subcontractada basada en CubeSats que contribueix al sistema Copernicus. Aquest segon instrument és la versió evolucionada de FMPL-1 i pot proporcionar dades de radiometria GNSS-R i de banda L síncronament. Finalment, es proposa un tercer instrument, el FMPL-3, per a la missió GNSSaS del NSSTC dels Emirats Àrabs Units. Aquest tercer instrument inclou el primer receptor GNSS-R de L5 i pretén demostrar les capacitats d’aquests senyals des de l’espai. Finalment, a la tercera part es presenten i analitzen els primers resultats de FMPL-2. L'instrument es va llançar amb èxit a una òrbita terrestre baixa durant el vol Vega VV16. En primer lloc, es presenten els resultats de FMPL-2 durant les dues primeres setmanes de validació en òrbita. Algoritmes basats en dades per estimar la concentració i el gruix del gel oceànic, i el contingut d’humitat sobre la terra s'implementen mitjançant dades de radiòmetre