Search

Radio-Frequency Interference (RFI) signals are undesired signals that degrade or disrupt the performance of a wireless receiver. RFI signals can be troublesome for any receiver, but they are especially threatening for applications that use very low power signals. This is the case of applications that rely on the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), or passive microwave remote sensing applications such as Microwave Radiometry (MWR) and GNSS-Reflectometry (GNSS-R). In order to solve the problem of RFI, RFI-countermeasures are under development. This PhD thesis is devoted to the design, implementation and test of innovative RFI-countermeasures in the fields of MWR and GNSS. In the part devoted to RFI-countermeasures for MWR applications, first, this PhD thesis completes the development of the MERITXELL instrument. The MERITXELL is a multi-frequency total-power radiometer conceived to be an outstanding platform to perform detection, characterization, and localization of RFI signals at the most common MWR imaging bands up to 92 GHz. Moreover, a novel RFI mitigation technique is proposed for MWR: the Multiresolution Fourier Transform (MFT). An assessment of the performance of the MFT has been carried out by comparison with other time-frequency mitigation techniques. According to the results, the MFT technique is a good trade-off solution among all other techniques since it can mitigate efficiently all kinds of RFI signals under evaluation. In the part devoted to RFI-countermeasures for GNSS and GNSS-R applications, first, a system for RFI detection and localization at GNSS bands is proposed. This system is able to detect RFI signals at the L1 band with a sensitivity of -108 dBm at full-band, and of -135 dBm for continuous wave and chirp-like signals when using the averaged spectrum technique. Besides, the Generalized Spectral Separation Coefficient (GSSC) is proposed as a figure of merit to evaluate the Signal-to-Noise Ratio (SNR) degradation in the Delay-Doppler Maps (DDMs) due to the external RFI effect. Furthermore, the FENIX system has been conceived as an innovative system for RFI detection and mitigation and anti-jamming for GNSS and GNSS-R applications. FENIX uses the MFT blanking as a pre-correlation excision tool to perform the mitigation. In addition, FENIX has been designed to be cross-GNSS compatible and RFI-independent. The principles of operation of the MFT blanking algorithm are assessed and compared with other techniques for GNSS signals. Its performance as a mitigation tool is proven using GNSS-R data samples from a real airborne campaign. After that, the main building blocks of the patented architecture of FENIX have been described. The FENIX architecture has been implemented in three real-time prototypes. Moreover, a simulator named FENIX-Sim allows for testing its performance under different jamming scenarios. The real-time performance of FENIX prototype has been tested using different setups. First, a customized VNA has been built in order to measure the transfer function of FENIX in the presence of several representative RFI/jamming signals. The results show how the power transfer function adapts itself to mitigate the RFI/jamming signal. Moreover, several real-time tests with GNSS receivers have been performed using GPS L1 C/A, GPS L2C, and Galileo E1OS. The results show that FENIX provides an extra resilience against RFI and jamming signals up to 30 dB. Furthermore, FENIX is tested using a real GNSS timing setup. Under nominal conditions, when no RFI/jamming signal is present, a small additional jitter on the order of 2-4 ns is introduced in the system. Besides, a maximum bias of 45 ns has been measured under strong jamming conditions (-30 dBm), which is acceptable for current timing systems requiring accuracy levels of 100 ns. Finally, the design of a backup system for GNSS in tracking applications that require high reliability against RFI and jamming attacks is proposed. Les interferències de radiofreqüència (RFI) són senyals no desitjades que degraden o interrompen el funcionament dels receptors sense fils. Les RFI poden suposar un problema per qualsevol receptor, però són especialment amenaçadores per les a aplicacions que fan servir senyals de molt baixa potència. Aquest és el cas de les aplicacions que depenen dels sistemes mundials de navegació per satèl·lit (GNSS) o de les aplicacions de teledetecció passiva de microones, com la radiometria de microones (MWR) i la reflectometria GNSS (GNSS-R). Per combatre aquest problema, sistemes anti-RFI s'estan desenvolupament actualment. Aquesta tesi doctoral està dedicada al disseny, la implementació i el test de sistemes anti-RFI innovadors en els camps de MWR i GNSS. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en MWR, aquesta tesi doctoral completa el desenvolupament de l'instrument MERITXELL. El MERITXELL és un radiòmetre multifreqüència concebut com una plataforma excepcional per la detecció, caracterització i localització de RFI a les bandes de MWR més utilitzades per sota dels 92 GHz. A més a més, es proposa una nova tècnica de mitigació de RFI per MWR: la Transformada de Fourier amb Multiresolució (MFT). El funcionament de la MFT s'ha comparat amb el d'altres tècniques de mitigació en els dominis del temps i la freqüència. D'acord amb els resultats obtinguts, la MFT és una bona solució de compromís entre les altres tècniques, ja que pot mitigar de manera eficient tots els tipus de senyals RFI considerats. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en GNSS i GNSS-R, primer es proposa un sistema per a la detecció i localització de RFI a les bandes GNSS. Aquest sistema és capaç de detectar senyals RFI a la banda L1 amb una sensibilitat de -108 dBm a tota la banda, i de -135 dBm per a senyals d'ona contínua i chirp fen un mitjana de l'espectre. A més a més, el Coeficient de Separació Espectral Generalitzada (GSSC) es proposa com una mesura per avaluar la degradació de la relació senyal a soroll (SNR) en els Mapes de Delay-Doppler (DDM) a causa del impacte de les RFI. La major contribució d'aquesta tesi doctoral és el sistema FENIX. FENIX és un sistema innovador de detecció i mitigació de RFI i inhibidors de freqüència per aplicacions GNSS i GNSS-R. FENIX utilitza la MFT per eliminar la interferència abans del procés de correlació amb el codi GNSS independentment del tipus de RFI. L'algoritme de mitigació de FENIX s'ha avaluat i comparat amb altres tècniques i els principals components de la seva arquitectura patentada es descriuen. Finalment, un simulador anomenat FENIX-Sim permet avaluar el seu rendiment en diferents escenaris d'interferència. El funcionament en temps real del prototip FENIX ha estat provat utilitzant diferents mètodes. En primer lloc, s'ha creat un analitzador de xarxes per a mesurar la funció de transferència del FENIX en presència de diverses RFI representatives. Els resultats mostren com la funció de transferència s'adapta per mitigar el senyal interferent. A més a més, s'han realitzat diferents proves en temps real amb receptors GNSS compatibles amb els senyals GPS L1 C/A, GPS L2C i Galileo E1OS. Els resultats mostren que FENIX proporciona una resistència addicional contra les RFI i els senyals dels inhibidors de freqüència de fins a 30 dB. A més a més, FENIX s'ha provat amb un sistema comercial de temporització basat en GNSS. En condicions nominals, sense RFI, FENIX introdueix un petit error addicional de tan sols 2-4 ns. Per contra, el biaix màxim mesurat en condicions d'alta interferència (-30 dBm) és de 45 ns, el qual és acceptable per als sistemes de temporització actuals que requereixen nivells de precisió d'uns 100 ns. Finalment, es proposa el disseny d'un sistema robust de seguiment, complementari als GNSS, per a aplicacions que requereixen alta fiabilitat contra RFI.

The tool MOST (Modelling of SpaceWire Network) is an open source tool for satellite networks simulations developed by Thales Alenia Space based on the simulator NS3. The goal of this work is to extend the functionalities with the programming of a new module for the SpaceFiber standard. This work presents the implementation of the SpaceFibre protocol for the network simulator MOST NS-3. On board data networks interconnect satellite's modules with mixed requirements on time of deliver delay and jitter. For example, the same link on a network can be shared to retrieve payload telemetry and to receive satellite attitude sensors telemetry. While payload telemetry can usually wait and support some level of delay, attitude sensors telemetry must arrive within an strict window of time. Several protocols try to solve this problematic. One of them is SpaceFibre, an evolution of SpaceWire that introduces Quality of Service at data link layer by using virtual channels (VC). Virtual channels compete to access the link based on their priority, bandwidth reservation and scheduling. Despite the capabilities of SpaceFibre, with complex onboard satellite networks a question arises: are the jitter and delay requirements fulfilled? To answer that question a network simulator is needed. MOST on NS-3 is a network simulator developed by Thales Alenia Space that implements SpaceWire and related protocols. The outcome of this work is an implementation of the SpaceFibre protocol for MOST NS-3. The model implements all the procedures that introduces a delay in the transmission of a packet including lane initialization, the time that a packet frame waits in a buffer due to the multiplexing of several virtual channels in the same link, words precedence or frame recovery mechanisms. Several tests are included to validate that the implementation meets the requirements of the SpaceFibre protocol.

The TFG is involved in the Nano-Satellite and Payload Laboratory (NanoSat Lab) activity to develop a 1U CubeSat in the ESA Academy program. In particular, it is expected that the student implements different subsystems, in terms of Hardware, and verify them following a specific testing procedure. The analysis of the test results will also provide an additional point of view of the system. Increasingly, the nanosatellites are becoming a versatile platform to send experiments to space, since their cost is relatively cheaper in relation to conventional satellites. The NanoSat Lab, from the Polytechnic University of Catalonia, develops innovative applications using nanosatellites for experimenting into space. The mission 3Cat-4, selected by the European Space Agency (ESA) for "Fly Your Satellite" program, aims to design and implement a nanosatellite to send three experiments to space. The applications involved in these experiments are a GNSS receiver, an AIS receiver and an L-band radiometer. In order to test the different satellite?s subsystems, during the different phases of the implementation, a series of tools have been developed. This project aims to design and implement some of these necessary tools. Cada vez más, los nanosatélites se están convirtiendo en una plataforma versátil para poder enviar experimentos al espacio, ya que su coste es relativamente económico en relación con los satélites convencionales. El Nanosat Lab, de la Universidad Politécnica de Catalunya, desarrolla aplicaciones innovadoras y utiliza los nanosatélites para poder experimentar estas aplicaciones en el espacio. La misión 3Cat-4, seleccionada dentro del programa "Fly Your Satellite" de la Agencia Espacial Europea (ESA) pretende diseñar e implementar un nanosatélite que llevará tres experimentos al espacio. Las aplicaciones que forman parte de estos experimentos son: un receptor de GNSS, un receptor AIS y un radiómetro de banda L. Para poder testear los diferentes subsistemas que conforman el satélite, durante las diferentes etapas de su implementación, se ha desarrollado una serie de herramientas. Este trabajo pretende diseñar e implementar algunas de estas herramientas necesarias Cada vegada més, els nanosatèl·lits s'estan convertint en una plataforma versàtil per poder enviar experiments a l'espai, ja que el seu cost es relativament econòmic en relació amb els satèl·lits convencionals. El NanoSat Lab, de la Universitat Politècnica de Catalunya, desenvolupa aplicacions innovadores i utilitza nanosatèl·lits per tal de poder experimentar-les a l'espai. La missió 3Cat-4, seleccionada dins del programa "Fly Your Satellite" de l'Agencia Espacial Europea (ESA) pretén dissenyar i implementar un nanosatèl·lit que portarà tres experiments a l'espai. Les aplicacions que formen part d'aquest experiment són: un receptor de GNSS, un receptor AIS i un radiòmetre de banda L. Per tal de poder testejar els diferents subsistemes que conformen el satèl·lit, durant les diferents etapes de la implementació, s'han de desenvolupat un seguit d'eines. Aquest treball pretén dissenyar i implementar algunes d'aquestes d'eines necessàries.

In this TFG a low-cost Software Defined Radio (SDR) receiver will be used to implement an AIS and a GNSS-R receiver for nano-satellite platforms. Cada vez resulta más obvio que los nanosatélites están siendo el impulso para diseñar todo tipo de experimentos que puedan llegar a desarrollar sistemas mucho más potentes, una vez probados y especializados los anteriores. El departamento de "Teoria de la Senyal i les Comunicacions" de la Universitat Politècnica de Catalunya está actualmente estudiando y desarrollando CubeSats para demostrar todo tipo de tecnologías y como plataformas para pequeños experimentos científicos. Teniendo en cuenta el hecho de que la propia estructura y la capacidad del satélite suponen unas limitaciones, todos los proyectos deben contemplarlas para satisfacer sus requisitos. En consecuencia, en esta tesis, son considerados los dispositivos más económicos y que puedan aprovechar al máximo el espacio de los nanosatélites usados. Para el próximo proyecto del laboratorio "NanoSat" de la UPC, el 3CAT-3, el interés y los requisitos se han decantado hacia una carga flexible de microondas que incluya: un Sistema Automático de Identificación de embarcaciones (AIS, en sus siglas en inglés), un Reflectómetro GNSS (GNSS-R) y un Radiómetro de microondas. Esta carga, además, está limitada en términos de espacio, con la intención de que ocupe una sola unidad de CubeSat (10x10x10 cm). Por muy distintos que puedan parecer estos sistemas integrados en la misma carga, tendrán un punto en común característico: el uso de una radio definida por software. En este proyecto se desarrolla la mayor parte del software de esta carga flexible de microondas. Se perfecciona el procesado y la forma de obtener información del Sistema Automático de Identificación, diseñado con anterioridad en la asignatura de Proyecto Avanzado de Ingeniería bajo la misma supervisión. Se diseña e implementa desde cero el Reflectómetro GNSS, ya que contábamos con una iteración anterior que dependía de herramientas que no eran óptimas para el sistema. Por último, se introducen y desarrollan los primeros pasos de un sistema de Mitigación de Interferencias. Este último tomará protagonismo también en el sistema del Radiómetro, fuera de los límites de este proyecto. En general, esta tesis da luz a cómo desarrollar una carga flexible de microondas para nanosatélites y las restricciones que se deben tener en cuenta para hacerlo. Cada cop més, resulta obvi que els nanosatèl·lits estan sent l'impuls per dissenyar tot tipus d'experiments que puguin arribar a desenvolupar sistemes molt més potents, un cop provats i especialitzats els anteriors. El departament de Teoria del Senyal i les Comunicacions de la Universitat Politècnica de Catalunya està actualment estudiant i desenvolupant CubeSats per tal de demostrar tot tipus de tecnologies i com a plataformes per a petits experiments científics. Tenint en compte el fet que la pròpia estructura i la capacitat del satèl·lit suposen certes limitacions, tots els projectes les han de contemplar a l'hora de satisfer els seus requisits. En conseqüència, en aquesta tesi, són considerats els dispositius més econòmics i que puguin aprofitar al màxim l'espai dels nanosatèl·lits utilitzats. Pel pròxim projecte del laboratori "NanoSat" de la UPC, el 3CAT-3, l'interés i els requisits s'han decantat cap a una càrrega flexible de microones que inclogui: un Sistema Automàtic d'Identificació (AIS, en les seves sigles en anglès), un Reflectòmetre GNSS (GNSS-R) i un Radiòmetre de microones. Aquesta càrrega, a més a més, està limitada en termes d'espai, amb la intenció que ocupi una sola unitat de CubeSat (10x10x10 cm). Per molt diferents que puguin semblar aquests sistemes integrats en una mateixa càrrega, tindran un punt en comú característic: l'ús d'una ràdio definida per software. En aquest projecte es desenvolupa la major part del software d'aquesta càrrega flexible de microones. Es perfecciona el processat i la forma d'obtenir informació del Sistema Automàtic d'Identificació, dissenyat amb anterioritat a l'assignatura de Projecte Avançat d'Enginyeria sota la mateixa supervisió. Es disenya i implementa des de zero el Reflectòmetre GNSS, ja que comptàvem amb una iteració anterior que depenia d'eines que no eren òptimes per al sistema. Per últim, s'introdueixen i desenvolupen els primers passos d'un sistema de Mitigació d'Interferències. Aquest últim prendrà protagonisme en el sistema del Radiòmetre, fora dels límits d'aquest projecte. En general, aquesta tesi dóna llum a com desenvolupar una càrrega flexible de microones per nanosatèl·lits i les restriccions que s'han de tenir en compte per fer-ho. It is becoming more and more obvious that nanosatellites are being highlighted as key to conduct all kinds of experiments; most of which will lead to the development of larger and more powerful systems, once the aforementioned nanosatellites experiments are proven valid. The "Teoria de la Senyal i les Comunicacions" department of the Universitat Politècnica de Catalunya is currently developing and studying CubeSats for technology demonstration and as platforms of small scientific experiments. Given the fact that the satellite structure and capacity are not without limitations, all projects have to contemplate them to fulfill the requirements. Consequently, in this thesis, more economic devices that will also not take up much space in the nanosatellite are considered. For the UPC NanoSat Lab's next project, the 3CAT-3, the requirements and interest have shifted towards a flexible microwave payload that combines: an Automatic Identification System (AIS) for vessels tracking, a GNSS Reflectometer (GNSS-R) and a microwave Radiometer. This payload is also constrained in size, since it is intended to fit in one CubeSat unit (10x10x10 cm). In addition, even though all these payload integrated systems seem to be very diverse, they will have a common characteristic: the use of a software defined radio. This degree thesis presents the development of the main software of this flexible microwave payload. The data acquisition and processing for the Automatic Identification System are further developed and improved, considering they were previously designed in the Advanced Engineering Project course under the same supervision. The GNSS Reflectometer is designed and implemented from scratch, since it started off from a previous iteration that depended on tools that were not optimal for the system. And lastly, the first approaches towards a Radio Frequency Interferences Mitigation system are introduced and developed. This will also play an important role in the Radiometer system, but it is outside the scope of the project. Overall, this thesis sheds light on how to develop a flexible microwave payload for a nanosatellite and the constrains that have to be taken into account when doing so.

The aim of this project was the implementation of a software to position and obtain the desired measurements by a radiometer called MERITXELL. To satisfy the goals, this project was divided in three blocks (radiometer control, positioning, and graphical user interface). The radiometer control had the function to control the spectrum analyser of the radiometer backend and configure the switches to select the matched loads or the antennas desired and obtain the temperatures of the sensor of these elements. The target of the radiometer positioning was point the radiometer bore sight in the desired directions selected by the user and receive the information sent by the positioning system. The goal of the graphical user interface was to implement the previous functionalities as user friendly as possible and process the information received by the two previous blocks to show them to the user. Once the software is finished, many usable measurements to detect radiofrequency interferences are obtained. El objetivo de este proyecto ha sido implementar un software encargado de orientar y obtener las medidas deseadas por el radiómetro llamado MERITXELL. Para poder satisfacer estas necesidades este proyecto estaba dividido en tres bloques (control del radiómetro, posicionamiento del mismo e interfaz gráfica). El control del radiómetro consiste en controlar el analizador de espectros del radiómetro, además de configurar los interruptores que conmutan entre las diferentes cargas adaptadas y las antenas y obtener la temperatura de los sensores que miden la temperatura de estos elementos. El posicionamiento del radiómetro tiene la función de ubicar el radiómetro en la orientación deseada por el usuario, además de recibir la información enviada por el sistema de posicionamiento. La interfaz gráfica consiste en generar las instrucciones para realizar las funcionalidades anteriores de la manera más sencilla para el usuario además de procesar la señal recibida por los dos bloques anteriores para mostrarla al usuario. Una vez finalizado el software, se han podido obtener medidas útiles para la detección de interferencias de radiofrecuencia. L’objectiu d’aquest projecte ha sigut implementar un software encarregat de d’orientar i obtenir les mesures desitjades per el radiòmetre anomenat MERITXELL. Per poder satisfer aquestes necessitats aquest projecte està dividit en tres blocs (control del radiòmetre, posicionament del mateix e interfície gràfica) El control del radiòmetre consisteix en control·lar l’analitzador d’espectres del radiòmetre, a més a més de configurar els interruptors que commuten entre les diferents càrregues adaptades i les antenes, també podem obtenir les temperatures dels sensors que mesuren la temperatura d’aquests elements. El posicionament del radiòmetre té la funció d’orientar el radiòmetre en les direccions desitjades per l’usuari, a més de rebre la informació enviada pel sistema de posicionament. L’ interfície gràfica consisteix en generar les instruccions per realitzar les funcionalitats anteriors de la manera més senzilla com sigui possible per l’usuari, a més de processar el senyal rebut pels blocs anteriors per mostrar-la a l’usuari. Un cop finalitzat el software, s’han pogut obtenir mesures útils per la detecció d’interferències de radiofreqüència.

The development Nanosatellites has experienced an enormous growth in these past years; becoming more complex and versatile. The NanoSat Lab, located in the Universitat Politècnica de Catalunya, aims to explore and develop innovative applications and remote sensing techniques based on standard nanosatellite platforms. Given that the satellite structure and capacity have huge limitations, the technologies developed must be compact whilst fulfilling the requirements and being cost efficient. The 3Cat-3 mission foresees the implementation of a high-speed downlink for being able to download recorded video from the satellite to the earth with a higher bit rate. This requires the usage of higher frequencies bands, tightening the link budget margin and decreasing the SNR at reception. Consequently, this thesis is set to developing an S-Band downlink taking advantage of Wi-Fi technologies already implemented and a conical helix antenna that must be compact. El desenvolupament de nanosatèl·lits ha experimentat un gran creixement aquests darrers anys; sent més complex i versàtil. El NanoSat Lab, localitzat a la Universitat Politècnica de Catalunya, pretén explorar i desenvolupar aplicacions innovadores i tècniques de teledetecció basades en plataformes estandarditzades de nanosatèl·lits. Donat que l'estructura del satèl·lit y la capacitat presenten grans limitacions, les tecnologies implementades han de ser compactes sempre complint amb els requeriments d'una manera econòmica. La missió del 3Cat-3 pretén implementar un enllaç descendent d'alta velocitat, per a possibilitar la descàrrega de vídeo gravat des del satèl·lit a la terra, utilitzant una taxa de bits més elevada. Per això es requereix el us de bandes de freqüència més elevades, reduint el marge del link budget i el SNR en recepció. En conseqüència, aquest treball pretén desenvolupar un enllaç descendent en banda S mitjançant la utilització de tecnologies Wi-Fi ja implementades i el desenvolupament d'una antena hèlice cònica que deu ser compacte. El desarrollo de nanosatélites ha experimentado un gran crecimiento estos últimos años; siendo cada vez más complejo i versátil. El NanoSat Lab, situado en la Universidad Politécnica de Cataluña, pretende explorar i desarrollar aplicaciones innovadoras y técnicas de teledetección basadas en plataformas estandarizadas de nanosatélites. Dado que la estructura del satélite y la capacidad presentan grandes limitaciones, las tecnologías desarrolladas deben ser compactas siempre cumpliendo con los requerimientos y siendo económicas. La misión del 3Cat-3 pretende implementar un enlace descendente de alta velocidad, para posibilitar la descarga de video grabado desde el satélite a la tierra utilizando una tasa de bits más elevada. Para ello se requiere el uso de bandas de frecuencia más altas, reduciendo el margen del link budget y reduciendo el SNR en la recepción. En consecuencia, este trabajo pretende desarrollar un enlace descendente en banda S mediante la utilización de tecnologías WiFi ya implementadas y el desarrollo de una antena hélice cónica que debe ser compacta.

The UPC have a Triaxys Mini oceanographical buoy. The onboard electronics system of the buoy has been severely damaged. The goal of the PFC is to design and build a new electrical power system for the buoy (photovoltaic modules, battery charger, voltage regulators, battery, etc.) in order for the buoy to be autonomous. The original buoy worked without solar modules and the measurement campaigns were limited by the duration of the onboard battery. Also, we will tackle the design of the wifi transmission system on the land side. Se dispone de una boya oceanográfica Tryaxis mini para la medida del espectro marino. Al haberse degradado la electrónica interior se propone diseñar e implementar un nuevo sistema de alimentación (módulos solares, cargador de baterías, reguladores, batería etc.) para que puede funcionar de manera autónoma. Anteriormente, dicha boya funcionaba sin paneles solares, y la duración de las campañas de medidas venía limitada por la duración de la batería. También se diseña el sistema de transmisión wifi a tierra, en el lado de la estación terrestre receptora. Es disposa d'una boia oceanogràfica Tryaxis Mini pel mesurament de l'espectre marí. A l'haver-se degradat l'electrònica interior es proposa dissenyar i implementar un nou sistema d'alimentació elèctrica (mòduls solars, carregador de bateries, reguladors, etc.) per a que pugui funcionar de manera autònoma. Anteriorment aquesta boia funcionava sense panells solars, i la duració de les campanyes de mesurament es limitava a la duració de la bateria. També es disenya el sistema de transmisió wifi a terra, en el costat de la estació terrestre receptora.

Nowadays, altimetry radars measurements provide us very important data related to weather, climate etc. A very importan field of of study is the surface altimetry, where an small change in the oceanic surface could mean the prelude of a typhon. However, current technology has many limitations in the altimetry measurements resolution. The content of the water vapor in the atmosphere, can cause error to the radar altimetry measures. The scope of this project, is to improve the current methodology used in the radar altimetry to correct the error in the measurements, caused by the atmospheric water vapor content Actualmente, los radares altímetros proporcionan información muy importante relacionada con clima, tiempo, etc. Un campo de estudio muy importante, es la altimetría, donde un pequeño cambio en la altura de la suferfície oceánica puede significar el preludio de un tifón. Aún así, la tecnología actual tiene muchas limitaciones a la hora hora de medir alturas. El contenido de vapor de agua en la atmosfera, puede producir error a las medidas de los radares altímetros. El objetivo de este proyecto, es mejorar la actual metodología utilizada en los radares altímetros para corregir el error en las medidas, causado per el contenido de vapor de agua en la atmosfera Actualment, els radars altimetres proporicionen informació molt important relacionada amb clima temps, etc. Un camp d'estudi molt important, és la radiometria altímetra, on petits canvis a la alçada de la superfície oceànica poden significar el preludi d'un tifó. Tot i així la tecnologia actual té moltes limitacions a la resolució a la mesura de alçades. El contingut de vapor d'aigua a l'atmosfera, pot produïr error a les mesures als radars altímetres. L'objectiu d'aquest projecte, es millorar l'actual metodologia utilitzada als radars altímetres per corregir el error a les mesures, causat pel contigut de vapor d'aigua a l'atmosfera

En aquest projecte es definirà una metodologia per al desenvolupament de manera sistemàtica de nano i picosatèl·lits, definint els standards per a optimizar els dissenys, minimitzant components, transcicions, alimentacions, facilitant la integració, la interconnexió i interoperabilitat amb d'altres subsistemas desenvolupats per terceres parts. The vision of the NanoSat Lab of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC BarcelonaTech) is the exploration and development of innovative applications and remote sensing techniques based on standard nano-satellite platforms (e.g. CubeSats). At the same time, we aim at developing our own platforms, while complying with the CubeSat standard. From the experience gained in our firsts two missions (3Cat-1 and 3Cat-2, to be launched in July 2016), the NanoSat Lab is now continuing its labour keeping an eye on the developing new and innovative hardware for the next generation of CubeSat missions. In this approach, the purpose of this project is to propose a first version of a new CubeSat standard and lay the groundwork for the development of a future multi-purpose hardware platform able to perform generic LEO missions or other technology demonstrations. La visión del NanoSat Lab de la Universitat Politècnia de Catalunya (UPC – BarcelonaTech) es la exploración y el desarrollo de innovadoras aplicaciones y técnicas para la observación de la Tierra basadas en plataformas de nano-satélites estandarizadas (por ejemplo: CubeSats) así como el desarrollo de dichas plataformas. DE la experiencia ganada a partir de nuestras dos primeras misiones (3Cat-1 i 3Cat-2), que se lanzarán en Julio de 2016, en NanoSat Lab continúa ahora su labor con la mirada puesta en el desarrollo de un nuevo e innovador hardware para la próxima generación de misiones CubeSat. En este enfoque, el propósito de este trabajo es proponer una primera versión de un nuevo y actualizado standard de CubeSat y asentar las bases para el desarrollo de una futura plataforma hardware capacitada para llevar a cabo misiones genéricas basadas en CubeSats en órbita baja. La visió del NanoSat Lab de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC BarcelonaTech) és la exploració i el desenvolupament de innovadores aplicacions i tècniques per a la observació de la Terra basades en plataformes de nano-satèl·lits estandarditzades (per exemple: CubeSats) així com el desenvolupament de les citades plataformes. De la experiència guanyada a partir de les nostres dues primeres missions (3Cat-1 i 3Cat-2, que es llençaran al Juliol de 2016), el NanoSat Lab continua ara la seva labor amb la mirada posada en el desenvolupament de nou i innovador hardware per a la propera generació de missions CubeSat. En aquest enfocament, el propòsit d’aquest treball es proposar la primera versió d’un nou i actualitzat standard CubeSat i assentar les bases per al desenvolupament d’una futura plataforma hardware capacitada per a dur a terme missions genèriques basades en CubeSats en òrbita baixa.

Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) is a multi-static radar using navigation signals as signals of opportunity. It provides wide-swath and improved spatio-temporal sampling over current space-borne missions. The lack of experimental datasets from space covering signals from multiple constellations (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) at dual-band (L1 and L2) and dual-polarization (Right Hand Left Hand Circular Polarization: RHCP and LHCP), over the ocean, land and cryosphere remains a bottleneck to further develop these techniques. 3Cat-2 is a 6 units (3 x 2 elementary blocks of 10 x 10 x 10 cm3) CubeSat mission ayming to explore fundamentals issues towards an improvement in the understanding of the bistatic scattering properties of different targets. Since geolocalization of specific reflections points is determined by the geometry only, a moderate pointing accuracy is still required to correct for the antena pattern in scatterometry measurements. 3Cat-2 launch is foreseen for the first quarter 2016 into a Sun-Synchronous orbit of 510 km height using a Long March II D rocket. This Ph.D. Thesis represents the main contributions to the development of the 3Cat-2 GNSS-R Earth observation mission (6U CubeSat) including a novel type of GNSS-R technique: the reconstructed one. The desing, development of the platform, and a number of ground-based, airborne and stratospheric balloon experiments to validate the technique and to optimize the instrument. In particular, the main contributions of this Ph.D. thesis are: 1) A novel dual-band Global Navigation Satellite Systems Reflectometer that uses the P(Y) and C/A signals scattered over the sea surface to perform highly precise altimetric measurements (PYCARO). 2) The first proof-of-concept of PYCARO was performed during two different ground-based field experiments over a dam and over the sea under different surface roughness conditions. 3) The scattering of GNSS signals over a water surface has been studied when the receiver is at low height, as for GNSS-R coastal altimetry applications. The precise determination of the local sea level and wave state from the coast can provide useful altimetry and wave information as "dry" tide and wave gauges. In order to test this concept an experiment has been conducted at the Canal d'Investigació i Experimentació Marítima (CIEM) wave channel for two synthetic "sea" states. 4) Two ESA-sponsored airborne experiments were perfomed to test the precision and the relative accuracy of the conventional GNSS-R. 5) The empirical results of a GNSS-R experiment on-board the ESA-sponsored BAXUS 17 stratospheric balloon campaign performed North of Sweden over boreal forests showed that the power of the reflected signals is nearly independent of the platform height for a high coherent integration time. 6) An improved version of the PYCARO payload was tested in Octover 2014 for the second time during the ESA-sposored BEXUS-19,. This work achieved the first ever dual-frequency, multi-constellation GNSS-R observations over boreal forests and lakes using GPS, GLONASS and Galileo signals. 7) The first-ever dual-frequency multi-constellation GNSS-R dual-polarization measurements over boreal forests and lakes were obtained from the stratosphere during the BEXUS 19 using the PYCARO reflectometer operated in closed-loop mode., Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) es una técnica de radar multi-estático que usa señales de radio-navegación como señales de oportunidad. Esta técnica proporciona "wide-swath" y un mejor sampleado espacio-temporal en comparación con las misiones espaciales actuales. La falta de datos desde el espacio proporcionando señales de múltiples constelaciones (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) en doble banda (L1 y L2) y en doble polarización (RHCP y LHCP) sobre océano, tierra y criosfera continua siendo un problema por solucionar. 3Cat-2 es un cubesat de 6 unidades con el objetivo de explorar elementos fundamentales para mejorar el conocimiento sobre el scattering bi-estático sobre diferentes medios dispersores. Dado que la geolocalización de puntos de reflexión específicos está determinada solo por geometría, es necesario un requisito moderado de apuntamiento para corregir el diagrama de antena en aplicaciones de dispersometría. El lanzamiento del 3Cat-2 será en Q2 2016 en una órbitra heliosíncrona usando un cohete Long March II D. Esta tesis representa las contribuciones principales al desarrollo del satélite 3Cat2 para realizar observación de la tierra con GNSS-R incluyendo una nueva técnica: "the reconstructed-code GNSS-R". El diseño, desarrollo de la plataforma y un número de experimentos en tierra, desde avión y desde globo estratosférico para validar la técnica y optimizar el instrumento han sido realizados. En particular, las contribuciones de esta Ph.D. son: 1) un novedoso Global Navigation Satellite Systems Reflectometer que usa las señales P(Y) y C/A después de ser dispersadas sobre la superficie del mar para realizar medidas altimétricas muy precisas. (PYCARO). 2) La primera prueba de concepto de PYCARO se hizo en dos experimentos sobre un pantano y sobre el mar bajo diferentes condiciones de rugosidad. 3) La disperión de las señales GNSS sobre una superfice de agua ha sido estudiada para bajas altitudes para aplicaciones GNSS-R altimétricas de costa. La determinación precisa del nivel local del mar y el estado de las olas desde la costa puede proporcionar información útil de altimetría e información de olas. Para hacer un test de este concepto un experimento en el Canal d'Investigació i Experimentació Marítima (CIEM) fue realizado para dos estados sintéticos de rugosidad. 4) Dos experimentos en avión con esponsor de la ESA se realizaron para estudiar la preción y la exactitud relativa de cGNSS-R. 5) Los resultados empíricos del experimento GNSS-R en BEXUS 17 con esponsor de la ESA realizado en el norte de Suecia sobre bosques boreales mostró que la potencia reflejada de las señales es independiente de la altitud de la plataforma para un tiempo de integración coherente muy alto. 6) Una versión mejorada del PYCARO fue testeada en octubre del 2014 por segunda vez durante el BEXUS 19 que también fue patrocidado por la ESA. Este trabajo proporcionó las primeras medidas GNSS-R sobre bosques boreales en doble frecuencia usando varias constelaciones GNSS. 7) Las primeras medidas polarimétricas (RHCP y LHCP) de GNSS-R sobre bosques boreales también fueron conseguidas durante el experimento BEXUS 19.

Este TFG está basado en la experiencia ganada en la determinación de actitud y sistemas de control del 3Cat-2. Sistemas basados en los magnetorquers y TFGs previos del control de un eje y un sistema de 3 ejes de reaction wheels. El objetivo es aplicar los algoritmos conocidos de ADCS al reciente sistema de 3 ejes de reaction wheels y testearlo en un modelo de seis unidades sobre el air bearing. Aquest TFG està basat en l'experiència guanyada en la determinació d'actitud i sistemes de control del 3Cat-2. Sistemes basats en els magnetorquers i TFGs previs del control d'un eix i un sistema de 3 eixos de reaction wheels. L'objetiu és aplicar els algoritmes coneguts d'ADCS al recent sistema de 3 eixos de reaction wheels y testejar-lo en un model de sis unitats sobre el air bearing.

This TFG focuses on the design, implementation and test of an scalable (1 to 3 axes) system to control the speed of rotation and sense of a brushless DC motor used in a reaction wheel system to control the attitude in 3 axes in nanosatellites, and in particular for ³Cat-3.

Explains the design and construction of two types of solar panels for the 3cat1, one type based on commercial high efficiency multi-junction solar cells and other based in UPC Electronic Engineering Department in-house developed solar cells. Also describes the design and implementation of a microcontroller based experimental transmitter to send data packets to the 3cat1 ground station. Diseño y construcción de dos tipos de paneles solares para el 3cat1, el primero basado en celulas solares comerciales de alta eficiencia y el otro basado en celulas solares CelSat desarolladas por el Departament d'enginyeria electrònica de la UPC. También explica el diseño y implementación de un transmisor experimental basado en microcontrolador para enviar datos a la estación base del 3cat1. Disseny i construcció de dos tipus de panells solar per al 3cat1, el primer basat en cel·les solars comercials d'alta eficiencia y el segon basat el cel·les solars CelSat desenvolupades pel departament d'enginyeria electrònica de la UPC. També explica el disseny i la implementació de un transmissor experimental basat en microcontrolador per a enviar dades a la estació base del 3cat1.

This PhD thesis researches the use of passive remote sensing techniques using signals transmitted from the navigation satellites (GNSS) in order to retrieve different geophysical parameters. The thesis consists of two different parts without taking into account the introduction, the state of the art and the conclusions. The first part analyzes the Interference Pattern Technique (IPT), which was previously used in another PhD thesis, and proposes some key improvements. First, the addition of horizontal polarization to the existing vertical polarization is proposed. Then, the retrieval of soil moisture is studied using the horizontal polarization only and combining both polarizations to correct for the surface roughness effects. It is also demonstrated that the phase difference between the two interference patterns is directly related to soil moisture content. A field campaign was conducted in Australia to test empirically all the theoretical developments and algorithms. Secondly, the possibility of measuring Significant Wave Height (SWH) and Mean Sea Surface Level (MSSL) using the IPT is studied. A three month field campaign over coastal sea is devoted to that study. The SWH retrieval is a new estimation algorithm based on measuring the point where the interference pattern loses coherence. The MSSL retrieval is based on the estimation of the IPT oscillation frequency, testing different spectral estimators to improve the accuracy. Since the IPT is limited in coverage due to its static requirements, the research conducted in this thesis migrated to scatterometric GNSS-R techniques. The main goal that migration was to increase coverage of the different GNSS-R instruments. Therefore, the second part of this thesis analyzes the applicability of a scatterometric technique from different platforms: ground-based (mobile and fixed), airborne, and spaceborne. The ground-based still platforms have allowed to develop a soil moisture retrieval algorithm. The ground-based moving platforms have extended the validity of that algorithm. Airborne platforms have been used to study the reflected electric field statistics when the surface reflecting surface is varying (smooth or rough land, and sea). They have also been used to develop different algorithms to measure the coherent and incoherent scattered components depending on the data structure (real-data or complex data). Coherent reflectivity measured from airborne platforms has been compared to other techniques such microwave radiometry, which is highly used in the soil moisture retrieval from spaceborne sensors, and other sensors using optical, multispectral and thermal frequency bands. These relationships between microwave radiometry and GNSS-R measurements suggests the potential synergy of both techniques. A sea ice detection algorithm is also developed using scatterometric GNSS-R data from the UK TDS-1 mission. This algorithm is based on measuring the degree of coherence of the reflected waveform. Finally, a field campaign was conducted to study the effect of vegetation on the GNSS signals that pass through it in order to take into account and correct the effect of vegetation in the GNSS-R data and in the soil moisture retrieval algorithms., Aquesta tesi doctoral aprofundeix en el coneixement de les tècniques de teledetecció passives utilitzant senyals emesos pels satèl·lits de navegació (GNSS) amb l'objectiu de recuperar diferents paràmetres geofísics del terreny. La tesi conté dues parts ben diferenciades a banda de la introducció, estat de l'art i conclusions. La primera part analitza la tècnica coneguda com a patró d'interferències, utilitzada prèviament en una altra tesi doctoral, i proposa certes millores per la seva aplicabilitat. En primer lloc es decideix afegir polarització horitzontal a la ja existent polarització vertical, i s'estudia la recuperació d'humitat del sòl utilitzant només polarització horitzontal i combinant les dues polaritzacions per corregir els efectes de la rugositat del terreny. A continuació es demostra que la mesura de desfasament entre els dos patrons d'interferència està directament relacionada amb la humitat del terreny. Es va realitzar una campanya de mesures a Austràlia per provar empíricament tots els desenvolupaments teòrics i algorismes proposats. En segon lloc s'analitza l'aplicabilitat del patró d'interferències en la mesura de l'altura de les onades (SWH) i del nivell del mar (MSSL), tots dos de forma precisa. L'estimació de l'alçada de les onades és un procés totalment nou basat en mesurar el punt on el patró d'interferències perd la coherència. L'estimació del nivell del mar es basa en l'anàlisi espectral del patró d'interferències provant diferents estimadors espectrals. Atès que la tècnica del patró d'interferència està limitada en cobertura per les seves característiques estàtiques, la investigació duta a terme en aquesta tesi doctoral va migrar cap a tècniques GNSS-R escateromètriques. El principal objectiu a assolir va ser el d'augmentar la cobertura dels diferents instruments GNSS-R de mesura. En conseqüència, la segona part d'aquesta tesi analitza l'aplicabilitat d'aquestes tècniques des de diferents plataformes terrestres (mòbils i fixes), aerotransportades i satèl·lit. Les plataformes terrestres fixes han permès derivar algoritmes de recuperació d'humitat i les mòbils estendre la validació d'aquests. Les plataformes aerotransportades s'han utilitzat per mirar l'estadística del camp elèctric reflectit quan la superfície on es reflecteixen els senyals GNSS va variant (terra plana o terra rugosa, i mar). També han servit per desenvolupar diferents algorismes amb l'objectiu de determinar les components coherent i incoherent del senyal reflectit. De la mateixa manera, dades de reflectivitat coherent mesurades des d'aquestes plataformes han estat comparades amb altres tècniques de teledetecció passiva com la radiometria de microones, altament utilitzada en la mesura d'humitat de terreny, i altres sensors òptics, multi-espectrals, i tèrmics. Aquests resultats han permès suggerir la possible sinergia de dades d'ambdues tecnologies. Un algorisme per detectar la presència de gel sobre el mar també ha estat desenvolupat mitjançant l'ús de dades GNSS-R escateromètriques satel·litals de la missió UK TDS-1. Aquest algorisme es basa en mesurar el grau de coherència de la forma d'ona reflectida. Finalment, s'ha realitzat un estudi de l'efecte de la vegetació en els senyals GNSS que la travessen, per tal de poder corregir aquest efecte en els algoritmes de recuperació d'humitat del terreny.

El projecte tracta sobre el disseny i implementació dels transmissors i receptors d'un sistema de seguiment terrestre robust a interferències. El candidat haurà de dissenyar i programar els transceptors que composen el sistema de seguiment en una FPGA, així com determinar tant la precisió com l'abast del sistema mitjançant proves de camp. This is a project developed in the Theory of the Signal and Communication (TSC) Department in the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). The objective of this project is to track a transmitter position offering a high resistance to Radio Frequency Inference (RFI) In order to implement the system, GPS data, the study of stability with Allan Variance and the delay estimation are used to check the precision of the Robust Tracking System (RTS). Also the transmitter is implemented to send a positioning signal to update the position every second. The results obtained of the Allan Variance are in order of tenths of meters of accuracy. Also the communication between the transceivers has been achieved satisfactory. Se trata de un proyecto desarrollado en el Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones (TSC de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). El objetivo de este proyecto es realizar un seguimiento de la posición del transmisor que ofrece una alta resistencia a la Radio Inferencia de frecuencia (RFI) Con el fin de implementar el sistema, los datos del GPS, el estudio de la estabilidad con la Varianza de Allan y la estimación de retardo se utilizan para comprobar la precisión del Sistema Robusto de Seguimiento (RTS). También el transmisor se implementa para enviar una señal de posicionamiento para actualizar la posición cada segundo. Los resultados obtenidos en la Varianza Allan son del orden de décimas de metros de exactitud. También la comunicación entre los transceptores se ha logrado satisfactoriamente. Es tracta d'un projecte desenvolupat en el Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions (TSC) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). L'objectiu d'aquest projecte és realitzar un seguiment de la posició del transmissor que ofereix una alta resistència a la Inferència de Ràdio freqüència (RFI) Per tal d'implementar el sistema, les dades del GPS, l'estudi de l'estabilitat amb la Variància d'Allan i l'estimació del retard s'utilitzen per comprovar la precisió del Sistema Robust de Seguiment (RTS). També el transmissor s'implementa per enviar un senyal de posicionament per actualitzar la posició cada segon. Els resultats obtinguts en la Variància d’Allan són de l'ordre de dècimes de metres d'exactitud. També la comunicació entre els transceptors s'ha aconseguit satisfactòriament.

In this TFM the attitude determination and control system for the 3Cat-2 nanosatellite will be implemented, including the sun sensors, 3 axes magnetometers and 3 axes gyroscopes to determine the satellite's attitude, and three axes magnetorquers as actuators. Algorithms will be tested in a Matlab-based simulation environment and then converted into C, to be executed in the Nanomind (on board computer) of 3Cat-2. Algorithm performance should be evaluated in an air bearing in the center of a 3 axes Helmholtz coils. This projects takes the desing and implementation of an attitude determination and control subsystem for the 3Cat-2 Mission. The system has to be able to correct the different perturbations and point the satellite to the desired orientation according to the working mode of the satellite. The subsystem has to be able to correct the different sensing perturbations and compute all the different attitude parameters to control the satellite. The design is divided in three different modes: Detumbling, Sun-safe, and Nominal. The Detumbling Mode is in charge of stabilizing the satellite rotation after the launch or when some other of the controllers has had a problem, and it induces a high rotation over the satellite. The Sun-safe is in charge of pointing the largest solar panels to the Sun to charge the batteries. Finally, the Nominal has to point the payload antennas to the Nadir (Earth Center) for performing the mission of the satellite. Each mode will make use of different sensors to save as much energy as possible. The work will be based on the usual algorithms used in different satellite mission and looking for a new and the first complex implementation of an Attitude subsystem for the Nanosatellite Laboratory.

Diseño, implementación y desarrollo de los sistemas de adquisión, procesado, y transmisión de datos de una boya oceanográfica costera para la medida del espectro direccional del oleaje.

The LISA Pathfinder project is an ESA/NASA technology demonstrator mission that must test the critical instrumentation required for a future space-borne gravitational wave observatory based on the LISA design. The satellite, to be launched by December 2015, carries two free-floating test masses and an interferometer that measures the relative distance between them. The main objective of the satellite is to demonstrate that the residual acceleration noise between the masses is lower than 3e-14 m/s^2/sqrt(Hz) in the band between 1-30 mHz. To achieve such a high sensitivity, the instrument is provided with an accurate control system that allows to sense and actuate on any of the 18 degrees of freedom of the system composed of the two test masses and the spacecraft, avoiding interfering the scientific measurements. The whole instrument is called the LISA Technology Package (LTP). At such low frequencies, the system is exposed to a broad list of external perturbations that eventually limit the sensitivity of the instrument. Amongst them, temperature fluctuations at different spots of the satellite can end up distorting the motion of the masses and the interferometer readouts through different mechanisms. In order to measure such fluctuations and to characterise their contribution to the system sensitivity, the satellite is equipped with a thermal diagnostic subsystem composed of a series of heaters and high precision temperature sensors. Three different kind of thermal perturbation mechanisms are to be studied with such a subsystem: (1) thermal effects inducing direct forces and torques to the test masses due to the presence of temperature gradients, (2) thermo-elastic distortion due to temperature fluctuations in the structure hosting the test masses and the interferometer and (3) thermo-optical distortion of two optical parts located outside the ultra-stable optical bench. This thesis focuses on the design of the experiments aimed to study the first two mechanisms. These experiments essentially consist in the injection of a series of heat loads near each of the thermal-sensitive locations in order to stress their associated thermal mechanism. Such an induced perturbation is visible with high SNR at both the optical measurements and the nearby temperature sensors, and allows to derive coupling coefficients for each of the effects or, at least, bound their contribution to the acceleration noise. The analysis of the impact of forces and torques on the masses has followed two approaches: first, a simulator environment has been designed and implemented to estimate the impact of any kind of heat signal applied close to the test masses and, secondly, a test campaign has been carried out by means of a LTP-test mass replica installed in a torsion pendulum facility. Regarding the simulator, a state-space model has been developed including a thermal system of the whole spacecraft and a specific design for each of the mechanisms that generate forces and torques from temperature gradients: the radiometer effect, the radiation pressure effect and asymmetric outgassing. This model has been integrated to a general simulator of the whole LTP performance, what has allowed to simulate the whole chain between the heater activation and the final impact to the closed-loop performance of the LTP. In parallel, the experimental campaign by means of a torsion pendulum facility of the University of Trento has allowed to characterise the impact of each of the effects in different scenarios of absolute temperature and pressure. On the other hand, the analysis of thermo-elastic noise in the LTP is based on the results obtained during a spacecraft Thermal Vacuum test campaign. In this test, a series of heater activations in the suspension struts that attach the LTP core assembly to the satellite structure allowed to bound the impact of temperature fluctuations at these locations and to characterise the main mechanical distortion mode associated to them., LISA Pathfinder és una missió de la ESA amb participació de la NASA que pretén validar la instrumentació necessària per a un futur observatori espacial d'ones gravitatòries basat en el model LISA. Amb data de llançament pel desembre de 2015, el satèl·lit porta dues masses en caiguda lliure i un interferòmetre que mesura la seva distància relativa. L'objectiu principal és aconseguir mesurar una acceleració residual entre masses per sota de 3e-14 m/s^2/sqrt(Hz) en la banda entre 1 i 30 mHz, fet que requereix una precisió de picòmetres en la mesura. Per altra banda, un sofisticat sistema de control regula els 18 graus de llibertat del sistema conformat per les dues masses i el satèl·lit sense pràcticament afectar la mesura principal. El conjunt d'instrumentació que forma part d'aquest experiment s'anomena LISA Technology Package (LTP). Les freqüències d'operació del LTP, a la banda el mili-Hertz, exposen el sistema a una sèrie de pertorbacions externes difícils d'aïllar i que eventualment podrien limitar la precisió de l'instrument. Entre d'altres, fluctuacions de temperatura en punts concrets del sistema poden alterar les trajectòries de les masses i afectar la precisió de l'interferòmetre mitjançant diferents mecanismes tèrmics, per la qual cosa el satèl·lit porta un subsistema de diagnòstics tèrmics format per una xarxa de sensors de temperatura i escalfadors estratègicament col·locats. La finalitat d'aquest subsistema és estudiar tres tipus de pertorbacions tèrmiques mitjançant diferents experiments: (1) les forces i moments que perceben les masses quan estan exposades a gradients tèrmics, (2) les distorsions termo-elàstiques induïdes per fluctuacions de temperatura a l'estructura on es troben les masses i l'interferòmetre i (3) les distorsions termo-òptiques de dos components òptics que es troben fora de l'ultra-estable banc òptic de l'interferòmetre. D'entre tots aquests, aquesta tesi es centra en el disseny associat als experiments (1) i (2). Cada experiment consisteix principalment en la inducció de càrregues tèrmiques a llocs concrets que forcen una pertorbació tèrmica diferent. L'impacte de la pertorbació és visible amb alt SNR (Signal-to-Noise Ratio) tan a l'interferòmetre com als sensors tèrmics propers, cosa que permet extreure els coeficients principals de distorsió de cada cas. L'anàlisis dels efectes tèrmics que provoquen forces directament sobre les masses s'ha fet en dues parts: en primer lloc s'ha desenvolupat un simulador que permet estimar la dinàmica de les masses davant de qualsevol activació dels escalfadors propers i, en segon lloc, s'ha dut a terme una campanya experimental amb una rèplica de les masses de test i els diagnòstics tèrmics que està instal·lada en un pèndol de torsió de la Universitat de Trento. Pel que fa al simulador, s'ha implementant un model d'espai d'estats que inclou un model tèrmic de tot el satèl·lit i submodels per a cada un dels mecanismes que poden generar forces i moments sobre les masses, que són l'efecte radiomètric, la pressió per radiació i el flux de desgasificació (outgassing) de les superfícies. Aquest model s'ha integrat en un simulador global del LTP, cosa que permet estudiar l'impacte que una activació tèrmica acaba induïnt a l'interferòmetre i en els llaços de control. D'altra banda, la campanya experimental ha permès caracteritzar les contribucions de cada un d'aquests efectes tèrmics en diferents condicions de temperature i pressió. Pel que fa a l'anàlisi de la distorsió termo-elàstica, la investigació s'ha centrat en els resultats obtinguts durant una campanya de proves on es va sotmetre el satèl·lit sencer en condicions realistes de pressió, temperatura i radiació solar. Breus activations dels escalfadors col·locats a prop de les barrers que subjecten la part principal del LTP han permès caracteritzar el mecanisme de distorsió principal i definir un límit superior en l'acoblament entre fluctuacions de temperatura en aquesta l'estructura i l'interferòmetre.

Accurate localization of microwave emitting sources is an important topic, in telecommunication and remote sensing. Especially, in order to increase the data quality of satellite microwave remote sensing, radio frequency interference (RFI) sources need to be accurately geolocated. This project offers the opportunity to learn and experience the method for high-performance detection and localization of RFI sources. Study of radio frequency interference definition and detection techniques. Estudio de la definición de interferencias en las bandas de radiofreqüència y técnicas para su detección. Estudi de la definició de interferències en bandes de radiofreqüència i técniques per la seva detecció.

The 3Cat-2 nanosatellite payload includes, amongst other experiments, a Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) receiver. The payload captures GNSS data from the two channels of a Software Defined Radio (SDR) connected to two arrays of antennas (for direct and reflected signals). Raw data is stored in binary files by the payload computer which also processes them afterwards, all by means of the software described in this work. To do so it takes advantage of the capabilities of its ultra-low power ARM processor and a Linux OS. As a result, this system can create Delay Doppler Maps (DDM) using information from multiple GNSS constellations and stores them as small, compressed files that are a good compromise for the satellite’s tight link budget. La càrrega útil del nanosatèl·lit 3CAT-2 inclou, entre altres experiments, un receptor de senyals per realitzar reflectometria mitjançant sistemes de navegació global per satèl·lit (GNSS-R). La càrrega útil captura senyals de posicionament GNSS a través dels dos canals d'una ràdio definida per programari (SDR) connectada a dues matrius d'antenes (una per senyals directes i l'altra per reflectits). Les dades crues són emmagatzemades en fitxers binaris per l'ordinador de la càrrega útil, que també s'encarrega de processar-les més tard, tot plegat mitjançant el programari descrit en aquest treball. Per fer-ho, aprofita les característiques del processador basat en ARM i el seu sistema Linux. De resultes d'això, aquest sistema és capaç de crear mapes Doppler de retard (DDM) utilitzant informació de múltiples constel·lacions GNSS i els emmagatzema com a petits fitxers comprimits que poden ser assumits pel limitat enllaç de baixada de dades del satèl·lit.

In this Ph. D. dissertation the electromagnetic bias in GNSS-R (Global Navigation Satellite Systems Reflectometry) altimetry has been studied. GNSS-R altimetry is a new type of system that uses navigation signals as signals of opportunity for Earth observation. The electromagnetic bias has been a topic of research for several decades in conventional radar altimetry, typically at C and Ku bands, and pointing in the nadir direction, but it is a new subject in altimetry GNSS-R. Previous studies on the electromagnetic bias have been first reviewed: the Weakly Non-Linear theory (WNL), the Modulation Transfer Function (MTF), and a combination of both models. After a brief study of both the WNL and the MTF, a combined method is selected, simulated and validated at Ku and C bands, and then extrapolated at L band, the band of the GNSS signals. Then, the EM bias is studied in the time domain and it is characterized using statistical descriptors. Finally, the impact of natural phenomena such as rain, waves and currents in the electromagnetic bias is calculated. In conclusion, this dissertation has demonstrated that the electromagnetic bias is not only a function of the wind speed (or waves), but also a function of both the incidence and azimuth angles. The study in the time domain has been shown that it exhibits a non-linear behavior. Moreover, heavy rains decrease the electromagnetic bias, as they damp the waves, while sea currents in the opposite direction of the wind speed increase the electromagnetic bias, because they increase the surface "roughness", while currents with the same direction of the wind, reduce it, En esta tesis doctoral se estudia el sesgo electromagnético en altimetría GNSS-R (Global Navigation Satellite Systems Reflectometry). La altimetría GNSS-R es un nuevo tipo de sistema que utiliza las señales de navegación como señales de oportunidad para la observación de la tierra. El sesgo electromagnético ha sido un tema de investigación durante varias décadas en altimetría radar convencional utilizando típicamente las bandas C y Ku, y apuntando en la dirección nadir, pero es un tema novedoso en altimetría GNSS-R. En primer lugar se revisan los estudios previos sobre el sesgo electromagnético: la Weakly Non-Linear theory (WNL), la Modulation Transfer Function (MTF), y modelos combinados de ambos. Después de un breve estudio tanto de la WNL como de la MTF, se selecciona un modelo combinado, se simula, y valida en las bandas C y Ku, y luego es extrapolado a la banda L, la banda de las señales de los GNSS. En segundo lugar, se estudia el sesgo electromagnético en el dominio del tiempo y es caracterizado utilizando descriptores estadísticos. Por último, se calcula el impacto de los fenómenos naturales como la lluvia, el oleaje y las corrientes en el sesgo electromagnético . En conclusión, esta tesis doctoral ha demostrado que el sesgo electromagnético no es sólo una función de la velocidad del viento (o del oleaje), sino que también es una función tanto del ángulo de incidencia, como del ángulo de acimut. El estudio en el dominio del tiempo ha demostrado que tiene un comportamiento no lineal. Por otra parte, las fuertes lluvias disminuyen el sesgo electromagnético, pues amortiguan las olas, mientras que las corrientes con dirección opuesta al viento aumentan el sesgo electromagnético, pues aumentan la "rugosidad" superficial, mientras que la corriente tiene la misma dirección de la velocidad del viento, lo reduce.

The submitted Ph.D. thesis is a contribution to the development of pico-satellites and nano-satellites for Earth Observation and Technology Demonstrators. Development of satellites with a mass from 1 kg up to 10 kg has really boosted during the past 15 years offering large costs reduction with respect to conventional (larger) satellites at compromised performances. However, these performances are increasing step by step, and their potential is about to explode. With 1.3 kg and a volume of 1 liter, 3Cat-1 is the first pico-satellite class satellite with up to seven different payloads on board: a harvesting energy powered beacon, a new topology solar cells, an optical sensor, a Geiger counter, a mono-atomic MEMS oxygen detector, a graphene transistor, and a Wireless Power Transfer experiment. Additionally, many main subsystems like the Electrical Power, the Attitude Determination and Control, and the Communication subsystems have been developed during this PhD. A description of each subsystem and how they have been integrated under these constrains are described in this PhD Thesis report. In the subsystems and in the experiments there are novel concepts and designs that will be explained. Some have been already published in the technical and scientific literature, others will be in the near future., Tesi doctoral és una contribució al desenvolupament de pico-satèl.lits per a observació de la Terra i demostradors tecnològics. El desenvolupament de satèl¿lits amb massa d'entre 1 kg i 10 kg ha crescut ràpidament durant els darrers 15 anys, oferint importants reduccions de cost respecte els satèl.lits més convencionals (i més grans) amb unes prestacions menors però al mateix temps, acceptables. No obstant, aquestes prestacions estan millorant pas a pas, i el seu potencial a prop d'explosionar. Amb una massa de 1.3 kg i un volum d'un litre, el 3Cat-1 és el primer pico-satèl.lit de la seva categoria equipat amb set diferents càrregues útils a bord: un senyal de radio-balisa alimentat amb energia provinent d'un sistema recol.lector d'energia ambient, una nova topologia de cel.les solars, un sensor òptic, un comptador Geiger, un detector MEMS d'oxigen atòmic, un transistor de grafè, i un experiment de transmissió d'energia per acoblament inductiu. A més a més, molts dels subsistemes com ara el d'energia elèctrica, control i determinació d'actitud, i el subsistema de comunicacions han estat desenvolupats durant aquesta Tesi doctoral. Una descripció de cada subsistema, i com han estat integrats en condicions d'espai, massa i energia reduïdes, s'explica en aquest document. En els subsistemes i en els experiments hi ha nous conceptes i dissenys explicats. Alguns han estat ja publicats en la literatura científica mentre que altres ho seran en un futur proper

The project aims to design and build a control system for a new GNSS reflectometer. The instrument has two antenna arrays and it is needed to electronically steer the beams of these arrays (each array has two frequency bands and two beams per band) to point some satellites and the ground point where the transmitted signals from these satellites reflect. To achieve this, the instrument needs to determine the position and attitude of the sensor using GNSS receivers and IMUs and then it will calculate the appropriate phase shifts for the beamformers. The system also will take

El equipo RSLAB está construyendo un instrumento para estudiar el estado del mar mediante las señales de posicionamiento global (GNSS) y su reflexión sobre la superficie (técnica conocida como GNSS-R). El instrumento incluye dos agrupaciones de antenas con 4 haces cada una, dirigibles para apuntar a los satélites GNSS y a sus respectivas señales reflejadas. La cadena receptora requiere una calibración periódica para asegurar un buen apuntamiento. [ANGLÈS] This project describes the design and implementation of a calibration network for the Microwave Interferometric Reflectometer (MIR), a reflectometer that the Remote Sensing Lab (RSLAB) is developing at the Department of Signal Theory and Communications (TSC) at the Catalonia Polytechnic University BarcelonaTech (UPC). This particular instrument requires periodic calibration to ensure good targeting of its 2 antenna arrays’ beams using a pseudorandom noise (PRN) sequence at L1 and L5 center frequencies. This calibration network is capable of retrieving the amplitude and phase distortion of both channels after the cross-correlation of the received signal and a clean replica of the PRN. [CASTELLÀ] Este proyecto describe el diseño e implementación de una red de calibración para el Microwaves Interferometric Reflectometer (MIR), un reflectómetro que el Remote Sensing Lab (RSLAB) está desarrollando en el Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones (TSC) de la Universidad Politécnica de Cataluña BarcelonaTech (UPC). Este instrumento en particular requiere una calibración periódica para asegurar una buen apuntamiento de las haces de sus 2 conjuntos de antenas utilizando una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PRN) en frecuencias centrales de las bandas L1 y L5. Esta red de calibración es capaz de recuperar las distorsiones de amplitud y la fase de ambos canales después de realizar la correlación cruzada de la señal recibida y una réplica limpia del PRN. [CATALÀ] Aquest projecte descriu el disseny i implementació d'una xarxa de calibratge pel Microwaves Interferometric Reflectometer (MIR), un reflectòmetre que el Remote Sensing Lab (RSLAB) està desenvolupant en el Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions (TSC) de la Universitat Politècnica de Catalunya BarcelonaTech (UPC). Aquest instrument en particular requereix un calibratge periòdic per assegurar una bon apuntant de les fas dels seus 2 conjunts d'antenes utilitzant una seqüència de soroll pseudoaleatori (PRN) en freqüències centrals de les bandes L1 i L5. Aquesta xarxa de calibratge és capaç de recuperar les distorsions d'amplitud i la fase de tots dos canals després de realitzar la correlació creuada del senyal rebut i una rèplica neta del PRN.

The aim of this project is to conceive, design, implement, test, qualify, operate, and validate a new high accuracy sensor based on a star sensor for the ADCS subsystem of the 3Cat-2 Mission. This system will implement the necessary algorithms for the star identification and attitude determination in a highly constrained in time, size, mass and power embedded environment. Test and qualification campaign shall be done both in controlled environment and field test.

This PhD dissertation is focused on the use of the opportunity signals from the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), that scatter-off the Earth's surface for perform ocean mesoscale altimetry (the so called GNSS-R technique). Specially, this work analyses the capabilities of the interferometric approach (iGNSS-R) originally proposed for PARIS IoD (which will be implemented on GEROS-ISS), comparing its performance with the one obtained by the conventional approach (cGNSS-R). The main content of this PhD dissertation includes: A comprehensive analysis of the GNSS-R cross-correlation waveform properties, analyzing the impact that the observation geometry and system parameters have on the GNSS-R observables, where parameters such as the receiver bandwidth, observation geometry, sea state, and thermal and speckle noises are analyzed. A detailed derivation of the statistics for both the voltage and power cross-correlations (for both conventional and interferometric processing cases) validated all of them with both simulated and real data from ground-based airborne, and spaceborne experiments. Study of the performance model of the altimetry precision based on the Cramer-Rao Bound statistical estimator theory. This study has been carried out for a wide variety of parameters concerning the overall observation system, including instrument, on-board and on-ground processing aspects, for both the conventional and interferometric GNSS-R techniques. Analysis of experimental data from the Typhoon Investigation using GNSS-R Interferometric Signals (TIGRIS) experiment. This analysis has been used to determine and establish the boundaries and capabilities of GNSS-R towards remote sensing of typhoons. In this part, aspects such as the mitigation of the direct cross-talk contamination, GNSS multipath contamination, and preliminary results (including a novel observable) are presented., Este PhD se centra en el uso de la señales GNSS (Global Navigation Satellite Systems) como señales de oportunidad, para realizar altimetría. Es lo que se conoce como GNSS-R (Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry). Especialmente este trabajo analiza las principales propiedades del método interferométrico (iGNSS-R) inicialmente propuesto para PARIS-IoD, y que será implementado en GEROS-ISS. comparándolo con el método convencional (cGNSS-R). A continuación se enumeran los principales puntos abordados en esta tesis doctoral: Se ha realizado un exhaustivo y detallado análisis de las propiedades de las waveforms, evaluando la influencia de la geometría (altitud, ángulo de incidencia, estado del mar, etc), y de los principales parámetros a nivel de instrumento sobre las waveforms. Así mismo se ha analizado el impacto del ancho de banda del receptor, y del ruido térmico y speckle. Por otra parte, se han derivado las estadísticas (matrices de covarianzas) tanto para las waveforms complejas, como para las waveforms de potencia, considerando el método convencional, y el interferométrico. Las diferentes estadísticas o matrices de covarianzas han sido validadas usando datos reales procedentes de diferentes experimentos y datos simulados, para diferentes escenarios (.espacio, aerotransportado, ground-base). Dichas matrices de covarianza, posteriormente han sido usadas para calcular la precisión altimétrica, basada en el uso de estimadores estadísticos, como es el Cramer-Rad Bound. Dicho estudio ha sido realizado considerando un amplio número de parámetros, tanto para el método convencional como para el interferométrico, comparando el performance de ambas técnicas, y realizando una primera estimación de la precisión altimétrica que se obtendría para una misión espacial como PARIS-IoD. Por último se han analizado datos de la campaña experimental TIGRIS (Typhoon Investigation using GNSS-R Interferometric Signal). con dicho analisis se han estudio la capacidad de la técnica GNSS-R para monitorizar y detectar huracanes. Este análisis incluye aspectos como la mitigación de la contaminación procendente de la señal directa, y del multipath ocasionado por las diferentes señales GNSS. Al mismo tiempo durante este análisis un nuevo observable se ha propuesto.

[ANGLÈS] Nowadays several GNSS services co-exist at L-band and some more will be available in the near future. These new signals were originally conceived to enhance the location accuracy, but they also offer a promising opportunity for improved GNSS-R retrievals. This work gives closed form expressions for GNSS-R waveform simulation using the composite GPS L1 and L5 and Galileo E1, E5 and E6 signals as function of the receiver bandwidth. The impact of the observation geometry and sea state on the waveform shape is studied in airborne and spaceborne conditions. The altimetric height bias using the derivative method is analyzed as function of the receiver bandwidth. The achievable height precision is studied with the Cram´ er-Rao bound for time-delay estimation. Precision bounds for the composite signals in a space-borne mission scenario are assessed, and the optimum receiver bandwidths which minimize them are obtained. [CASTELLÀ] Actualmente existen distintos servicios GNSS en la banda L i algunos más aparecerán en los próximos años. Estas señales fueron concebidas para mejorar la posición pero también ofrecen una buena oportunidad para recuperar datos geofísicos. Este trabajo proporciona expresiones analíticas para simular wavefroms GNSS-R de las señales compuestas GPS L1 i L5 i Galileo E1, E5 y E6 en función del ancho de banda del receptor. Se estudia el impacto de la geometría y del estado del mar en la forma de la waveform, tanto des del aire como des del espacio. Se calcula el sesgo altimétrico utilizando el metodo de la derivada en funcion del ancho de banda. La precisión altimétrica máxima se estudia con el limite de Cramér-Rao para estimación del retardo. Se proporciona las corvas de precisión en función del ancho de banda y se encuentra el que las minimiza para cada señal. [CATALÀ] Actualment existeixen diferents serveis GNSS a la banda L i alguns més apareixeran en els próxims anys. Aquestes senyals van ser concebudes per millorar la posició però ofereixen també una bona oportunitat per recuperar dades geofísiques. Aquell treball dona expressions analítiques per simular waveforms GNSS-R de les senyals composes GPS L1 i L5 i Galileo E1, E5 i E6 en funció de l'ample de banda del receptor. S'estudia l'impacte de la geometria i de l'estat del mar en la forma de la waveform, tant des de l'aire com des de l'espai. Es calcula el biaix altimètric utilitzant el mètode de la derivada en funció de l'ample de banda. La precisió altimètrica màxima s'estudia amb el límit de Cramér-Rao per estimació de retard. Es proporcionen les corbes de precisió en funció de l'ampla de banda i es troba el que les minimitza per cada senyal.

Radio Frequency Interference (RFI) is the most common problem for electronic measuring systems. The presence of those electromagnetic waves can harm the measurements taken from very sensitive instruments, like microwave radiometry or navigation systems. The accuracy and precision are compromised. A first step to mitigate those unwanted effects is to study the RFI properties. Different algorithms have been proposed to detect the interferences, but there is no method that works in all cases. The scope of this dissertation is the design, implementation and testing of different detection and mitigation methods in real-time. Performed surveys and characterization of RFI sources provide a great contribution to optimize the current mitigation techniques. In the mitigation area, two real-time hardware systems have been implemented: a wavelet denoise system to model the RFI and mitigate it, and a circuit to allow a navigation system to continue operational under the effects of a jammer., El problema més comú en els sistemes electrònics de mesura són les interferències electromagnètiques. La presència d'aquests senyals pot danyar les mesures preses per instruments molt sensibles, com radiòmetres de microones o sistemes de navegació. L'exactitud i precisió es veuen compromeses. El primer pas per mitigar aquests efectes no desitjats és estudiar les propietats de les interferències electromagnètiques. Diversos algoritmes han estat proposats per detectar interferències, però no hi ha mètode que funcioni bé en tots els casos . Aquest treball comprèn el disseny, implementació i comprovació de diferents mètodes de detecció i mitigació en temps real. Els estudis i caracterització de les fonts d'interferències són una gran contribució per a optimitzar les tècniques de mitigació actuals. En el tema de mitigació, dos sistemes en temps real han estat implementats en hardware: un sistema que utilitza wavelets per modelar la interferència i mitigar-la, i un circuit que permet a un sistema de navegació continuar funcionant sota els efectes d'un interferidor comercial ( jammer ).

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) [ANGLÈS] Radio Frequency Interference (RFI) is an increasing problem that degrades or, even, disrupts the performance of electronic devices. A specific case of great concern is the electromagnetic emissions in the L1 band (1.5742 GHz) that affect GNSS receivers and prevent them from retrieving position, and timing information. Although several RFI detection and mitigation techniques have been developed, none of them exhibit enough rejection against different kinds of interference signals. The aim of this work is to implement an anti-jamming hardware specific for GPS receivers by optimally combining some of the known techniques to take advantage of the best properties of each of them. These techniques include time-frequency analysis based on the Short-Time Fourier Transform and statistical filtering using the Kurtosis normality test and robust standard deviation estimation. The hardware that has been implemented has been tested with a real commercial GPS jammer signal exhibiting a rejection ratio of up to 50 dB. This result is a first step forward in the fight against RFI. Future improvements will include RF bandwidth increase, larger filter bank and additional normality tests. [CASTELLÀ] Las interferencias de radio frecuencia (RFI) son un problema creciente que degrada o, incluso, llega a interrumpir el funcionamiento de aparatos electrónicos. De especial preocupación es el caso de la emisiones en la banda L1 (1,5742 GHz) que afectan a los receptores GNSS e impiden la obtención de los datos de posición y sincronismo. Aunque varias técnicas de detección y mitigación han sido desarrolladas, ninguna de ellas presenta un rechazo suficiente ante diferentes tipos de señales interferentes. El objetivo de éste trabajo es implementar un hardware anti-interferencias, específico para receptores GPS, mediante la combinación óptima de algunas de las técnicas ya conocidas para, de ésta forma, sacar provecha de cada una de ellas. De entre dichas técnicas cabe destacar el análisis en tiempo-frecuencia con la transformada de Fourier en tiempo reducido (STFT) i el filtrado estadístico utilizando el test de normalidad basado en la Kurtosis i la estimación robusta de la desviación típica. El hardware implementado ha sido probado con la señal de un generador de interferencias GPS comercial obteniendo un rechazo de hasta 50 dB. Éste resultado un es paso adelante en la lucha contra las RFI. Futuras mejoras incluirán el incremento de ancho de banda, bancos de filtros más extensos y otros test de normalidad. [CATALÀ] es interferències de ràdio freqüència (RFI) són un problema en creixement que degrada o, fins i tot, poden interrompre el funcionament d’aparells electrònics. D’especial preocupació és el cas de les emissions a la banda L1 (1,5742 GHz) que afecten els receptors GNSS i impedeixen l’obtenció de dades de posició i sincronisme. Encara que diverses tècniques de detecció i mitigació de RFI han sigut desenvolupades, cap d’elles presenta suficient rebuig en enfront de diferents tipus de senyals interferents. L’objectiu d’aquest treball és el d’implementar un hardware anti-interferències, específic per a receptors GPS, mitjançant l’òptima combinació d’algunes de les tècniques ja conegudes i, així, treure profit dels avantatges de cadascuna d’elles. Entre aquestes tècniques destaquen l’anàlisi en temps-freqüència amb la transformada de Fourier en temps discret (STFT) i el filtratge estadístic utilitzant el test de normalitat basat en la Kurtosis i l’estimació robusta de la desviació estàndard. El hardware implementat ha sigut provat amb el senyal d’un generador d'interferències GPS comercial mostrant un rebuig de fins a 50 dB. Aquest resultat és un pas endavant en la lluita contra les RFI. Futures millores inclouran l’increment de l’ample de banda, bancs de filtres més extensos i altres tests de normalitat.

Microwave radiometry field has been increasing its performance with higher accuracy measurements, leading to a more presence in the remote sensing field. Several space-borne, air-borne and ground-based radiometers have been developed to perform measurement campaigns; however, the actual sensitivity of a radiometer is often limited by man-made radio emissions such as radars, broadcasting emissions, wireless communications and many other communication systems based on electromagnetic waves, limiting the improvement in the radiometers¿ performance. Consequently, in order to maintain the accuracy in the radiometric measurements, it has been researched in the Radio Frequency Interference (RFI) detection and mitigation systems and algorithms for the microwave radiometry field. The scope of this doctoral thesis is the development and testing of RFI detection and mitigation algorithms in order to enhance radiometric measurements performed by the Multifequency Experimental Radiometer with Interference Tracking for Experiments over Land and Littoral (MERITXELL). The MERITXELL has been developed during this thesis with the idea studying the RFI present in several radiometric bands and the way to mitigate it, as well as to obtain data from diverse frequency bands and devices in only one measurement campaign.

[ANGLÈS] The CubeSat program provides a cost-effective solution to the educational institutions and private firms, around the world, willing to put their satellites in orbit, which are no bigger than a 10 cm cube, and weigh less than 1.33 kg. Benefitting from such program is a CubeSat from Universitat Politècnica de Catalunya, 3Cat-1, which aims to test various scientific payloads in a space environment. Like most of the satellites, a CubeSat requires a harmonious interactions among different subsystems to function properly. The thesis focuses on one such subsystem, the communications subsystem, which is responsible for establishing a communication link between the CubeSat and the ground stations. The communication can take different form, from transmitting only the status of the satellite to transferring payloads data to earth or responding to the tele-commands uploaded from the ground station. The report emphasises on the detailed design and test of the communications subsys- tem consisting of the RF front-end, the antenna and the electronic hardware. It also focuses on different experiments conducted to optimise the design. Furthermore, the work outlined in this thesis can be extended to future CubeSat projects. [CASTELLÀ] La iniciativa CubeSat ha abierto el acceso al espacio a organismos educacionales y empresas privadas que necesitan poner en órbita pequeñas cargas útiles, que puedan caber en un cubo de 10cm de lado con un peso inferior a 1.33kg. Dentro de esta iniciativa, la Universitat Politècnica de Catalunya ha puesto en marcha el 3Cat−1, con la intención de probar distintas cargas útiles diseñadas en distintos departamentos en el espacio. Como cualquier otro satélite, un CubeSat necesita un correcto funcionamiento de los distintos subsistemas para poder funcionar. Esta tesis se focaliza en el subsistema de comunicaciones, que es el responsable de establecer la comunicación entre el satélite y la estación de seguimiento terrestre. La comunicación entre la Tierra y el satélite puede ir desde una transmisión del estado del satélite hasta el envío de los datos de los experimentos embarcados, o bien responder a los telecomandos que se envían desde la estación terrestre. El trabajo presentado enfatiza el diseño y test del subsistema de comunicaciones, que consiste en una interfície RF, la antena y el hardware electrónico. Igualmente, el documento presta especial atención a los tests realizados para validar y optimizar el diseño del subsistema. Finalmente, se prevé que el material presentado en esta Tesi pueda ser reutilizado en las próximas misiones de satélites de la UPC. [CATALÀ] La iniciativa CubeSat ha permès obrir l’accés a l’espai a organismes educacionals i em- preses privades, que necessiten posar en òrbita petites càrregues útils, que puguin cabre en un cub de 10cm i un pes inferior a 1.33kg. Emmarcat en aquesta iniciativa, la Universitat Politècnica de Catalunya ha posat en marxa el 3Cat − 1, amb la intenció de provar diferents càrregues útils dissenyades per diferents departaments a l’espai. Com qualsevol altre satèl·lit, un CubeSat necessita un bon funcionament dels diferents subsitemes per poder funcionar. Aquesta tesis es focalitza en el subsistema de comunicacions, que és el responsable d’establir comunicació entre el satèl·lit i la estació de seguiment terrestre. La comunicació entre els dos pot anar des de transmetre únicament l’estat del satèl·lit fins a transmetre les dades dels experiments, o bé respondre als telecomandaments enviats des de l’estació terrestre. El treball presentat emfatitza el disseny i test del subsistema de comunicacions, que con- sisteix en una interfície RF, l’antena i el hardware electrònic. Igualment, el document para especial atenció als tests realitzats per a validar i optimitzar el disseny del subsiste- ma. Finalment, es preveu que el material presentat en aquesta Tesi pugui ser reutilitzat en futures missions de satèl·lits a la UPC.

The knowledge of sea surface salinity (SSS) is a key issue to understand and monitor the Earth¿s water cycle. Accurate and systematic measurement of SSS was not possible until the ESA¿s Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission was launched in 2009. The SMOS mission uses L-band microwave radiometry to infer SSS from measurements of the ocean¿s emis- sivity. However, the ocean surface emissivity is not only dependent on SSS, but also on sea surface temperature (SST), incidence angle, polarization, and sea surface roughness (i.e. sea-state). While the dependence on most of these parameters is well-known, and can be properly accounted for, the accurate estimation and correction of the sea surface roughness contribution remains a challenge. The Passive Advanced Unit (PAU) project was born in 2003 with the main objective of studying how to correct ocean L-band brightness temperature for the sea-state effect by using an emerging technology such as reflectome- try of opportunity GNSS signals (GNSS-R). GNSS-R is based on measuring the forward scattered GNSS signals so as to infer geophysical properties of the scattering surface. Particularly, the PAU project proposed to use direct observables from the reflected signal¿s Delay-Doppler Map (DDM) to parame- terize sea surface roughness, and link those observables to the brightness tem- perature variations induced by sea-state, without using scattering/emissivity models. In this line, prior work was performed by J.F. Marchan-Hernandez in his PhD. Thesis (UPC, Barcelona, 2009). In that work, a first version of the PAU GNSS-R receiver was developed, and first experimental results were obtained that supported the hypothesis that direct GNSS-R observables can be used to describe sea-state. This PhD. Thesis follows on that research, and steps into the use of GNSS- R observables for estimation of the sea-state contribution to the ocean L-band brightness temperature. The work presented here was undertaken between 2008 and 2012, and comprises contributions to three main fields: GNSS-R hardware development, experimental results, and theoretical studies. Firstly, the PAU GNSS-R instrument was re-designed and re-implemented for im- proved sensitivity and stability. Secondly, results from ground-based and airborne experiments were obtained, that prove the hypothesis that GNSS-R observables can be used to successfully correct L-band brightness tempera- ture for the sea-state effect, resulting in an improvement in the SSS retrieval accuracy. Finally, theoretical studies to foresee the performance of the PAU concept in a future spaceborne mission were conducted, along with the de- velopment of a new technique to obtain ocean surface scattering coefficient images from measured DDMs.

En este proyecto se detalla el proceso de montaje de los paneles solares del UPCSat-1, así como de los diferentes componentes y sensores que equipan estos paneles. Se ha realizado una detallada descripción del proceso y las técnicas utilizadas en el montaje, que ha permitido la detección de errores en el diseño y en los protocolos utilizados, obteniendo como resultado un proceso de montaje que garantiza el correcto funcionamiento de los paneles solares del UPCSat-1. Se presentan los resultados de los test realizados a los paneles solares construidos mediante el proceso de montaje descrito. Estos resultados certifican el correcto funcionamiento de los diferentes dispositivos y sensores, para lo que se han realizado test de simulación solar, test térmicos y test en cámara de vacío. Este proyecto también describe los trabajos realizados para la instalación, configuración y test del sensor óptico que debe equipar el UPCSat-1. Durante el proceso de configuración de este sensor óptico, se detectaron errores y problemas de configuración en el software utilizado que forzaron la decisión de substituir el ordenador de a bordo (On Board Computer) así como el cambio del sensor óptico por otro con mejores prestaciones. Los trabajos y datos presentados en este proyecto han permitido incrementar el conocimiento en la construcción y desarrollo de paneles solares para su uso en pico-satélites, así como en el desarrollo y configuración de los sensores ópticos que pueden equipar este tipo de satélites. English:This project details the process of assembling UPCSat-1 solar panels, and the different components and sensors fitted to these panels. It gives a detailed description of the process and techniques used in the assembly. The description allows the detection of errors both in the design and in the protocols used, resulting in an assembly process that ensures the proper functionality of UPCSat-1 solar panels. The results of the tests made to the solar panels which have been built following the assembly process described, are presented certifying the proper operation of the different devices and sensors. Details of the results of the solar simulator, thermal and vacuum chamber tests are also provided. This study also describes the work carried out for installation, configuration and testing of optical sensor that it has to equip the UPCSat-1. During the setup process of this optical sensor, errors and configuration problems in the software used were detected. This consequently forced the decision to replace the on board computer as well as changing the optical sensor by one with a better performance. The work and data presented contributes to greater knowledge in the construction and development of solar panels for pico-satellites, as well as the development and configuration of the optical sensors that can equip these satellites.

The Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission is an Earth Explorer Opportunity mission from the European Space Agency (ESA). It was a direct response to the global observations of soil moisture and ocean salinity. Its goal is to produce global of these parameters using a dual-polarization L-band interferometric radiometer the Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis (MIRAS). This instrument is a new polarimetric two-dimensional (2-D) Y-shaped synthetic aperture interferometric radiometer based on the techniques used in radio-astronomy to obtain high resolution avoiding large antenna structures. MIRAS measures remotely the brightness temperature (TB) emitted by the Earth's surface, which is not isotropic, since it depends on the incidence angle and polarization, the Soil Moisture (SM) or the Sea Surface (SSS), the surface roughness etc. among others. The scope of this doctoral thesis is the study of some potential improvements could eventually be implemented in future interferometric radiometers. To validate improvements a ground-based instrument concept demonstrator the Passive Advanced Unit Synthetic Aperture or (PAU-SA) has being designed and implemented. Both MIRAS and PAU-SA are Y-shaped array, but the receiver topology and the processing unit are different. This Ph.D. thesis has been developed in the frame of The European Investigator Awards (EURYI) 2004 project entitled "Passive Advanced Unit (PAU): Hybrid L-band Radiometer, GNSS Refectometer and IR-Radiometer for Passive Sensing of the Ocean", and supported by the European Science Foundation (ESF).

During years a number of satellites have been developed to remotely sense Earth geophysical parameters for weather forecasting and other climate studies. In recent years the use of reflected Global Navigation Satellite System Signals (GNSS-R) has shown its potential to retrieve geophysical parameters over the ocean, mainly altimetry and sea state, and over land, mainly soil moisture. It is known that sea roughness has an impact on L-band radiometric measurements, and therefore on the retrieved sea surface salinity (SSS). GNSS-R is an interesting tool to help improving the sea state effect correction to reduce the final SSS retrieval error. To demonstrate this idea the Passive Advanced Unit (PAU) project was proposed to the European Scienc Foundation (ESF) under the EURYI 2004 call. The main objective was the study of the direct relationship between the radiometric brightness temperatures and some GNSS-R observables to perform the state correction without using emission/scattering models. Once this goal was successfully addressed, the PAU objectives were broaden including the development of new GNSS-R instruments and techniques, and the study of retrieving geophysical parameters from different surfaces. The present Ph.D. dissertation describes one of the research lines of the the PAU project, undertaken between February 2007 and December 2011, within the Passive Remote Sensing Group of the Remote Sensing Lab, at the Department of Signal Theory and Communications of the Universitat Politènica de Catalunya. The present Ph.D. dissertation focuses on GNSS-R techniques applied to the observation of different types of scattering surfaces (land surfaces: bare soils, vegetation-covered soils, snow-covered soils; inland-water surfaces and ocean surfaces) and the retrieval of different geophysical parameters. Two main GNSS-R techniques have been studied and applied to real data obtained during seven field experiments, the Delay-Doppler Map (DDM) processing technique and the Interference-Pattern Technique (IPT), selecting the one most appropriate to the observed surface. Furthermore, in the context of this Ph.D dissertation a new type of GNSS-R instrument has been developed, being the main tool for the application of the IPT and the retrieval of several geophysical parameters over land and inland-water surfaces. After an introduction on GNSS-R and the PAU-project, the methodology, the instruments and the techniques used to retrieve soil moisture, vegetation height and topography in agricultural areas, snow thickness, water level in reservoirs, and wind speed in ocean surfaces, are described. These retrievals show the potential that these opportunity signals have for monitoring a broad kind of effects. After that, some studies related to space-borne GNSS-R techniques are summarized. Finally a summary of the work performed in this Ph. D. dissertation, the main conclusions and the future work lines are presented. The presented results contribute to promote the use of the GNSS opportunity signals for monitoring geophysical parameters to increase the understanding of the Earth¿s water cycle, and position these techniques as suitable tools that enhance water resources management.

Actualment, la comunitat científica ja disposa de les primeres mesures radiomètriques a banda L, polarimètriques i multi-angulars fetes de l’espai. Això és gràcies al recent llançament de la missió de la Eurepean Space Agency (ESA) anomenada Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS). Es sabut que a partir de la temperatura d’antena es possible recuperar salinitat superficial marina (Sea Surface Salinity, (SSS)) i humitat del sòl (Soil Moisture (SM)). Els beneficis de mesurar aquests dos paràmetres geofísics son múltiples, essent especialment profitosos en els camps de la oceanografia i la climatologia. La raó principal que va motivar la presentació del projecte Passive Advanced Unit (PAU) a la European Science Foundantion (ESF) va ser per estudiar la relació entre brillantor de temperatura i observables Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS/R) per a millorar la recuperació de la SSS i SM. A més a més, els objectius tècnics del projecte PAU incloïen el desenvolupament de nous conceptes de radiòmetres en banda L, com a base tecnològica per a nous sistemes radiomètrics. La present tesi doctoral estén el coneixement adquirit en els últims anys en el desenvolupament del radiòmetre SMOS i és una contribució al desenvolupament d'una nova generació de sensors passius. Per primera vegada – pel que fa els coneixements de l'autor – s’ha desenvolupat amb èxit un radiòmetre amb una agrupació d’antenes capaç de formar feixos en temps real. Aquest sistema és capaç de dirigir múltiples i simultanis feixos en diferents angle d'incidència, sense cap m moviment mecànic, proporcionant així un nou mètode per a obtenir mesures multi-angulars. El projecte PAU ha estat desenvolupat en el Remote Sensing Lab, del Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions de la Universitat Politècnica de Catalunya. La present tesi doctoral descriu la tasca realitzada entre 2005 i 2010, tant en aspectes teòrics i de hardware com en el camp de la radiometria de banda L. Aquesta tesi consisteix en un estudi teòric realitzat en radiòmetres correlació amb la formació de feix digital des del punt de vista dels radiòmetres d'obertura sintètica i una anàlisi exhaustiva del impacte del sistema de digitalització. D'altra banda, han estat definits els requisits per a construir un radiòmetre de correlació amb la formació de feix digital en temps real i amb síntesi de la polarització. Un instrument amb aquestes característiques s'ha construït, a nivell intern va igualar per l'amplitud i fase de cada receptor, provat i es caracteritza a la cambra anecoica, i, finalment, s’ha realitzat campanya de camp per obtenir valors de l'emissivitat del sòl per a una gamma d’angles d'incidència., With the recent launch of the ESA’s Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission the scientific community is provided with the first polarimetric and multi-angular L-band radiometric measurements from the space. From the antenna temperature is possible to retrieve Sea Surface Salinity (SSS) and Soil Moisture (SM), which benefits both the oceanographic and climatologic studies. It is well known that it exists angular and polarization dependence for the radiometric measurements. Using this dependence, it is possible to use multi-angular and polarimetric measurements to retrieve geophysical parameters. The main rationale that motivated the submission of the Passive Advanced Unit (PAU) project to the European Science Foundation (ESF) was to study the relationship between the brightness temperatures and some Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS/R) observables, so as to improve the SSS retrievals. Also, the technical objectives of the PAU project included the development of new L-band radiometer concepts, such as a technological bed for providing new radiometer systems. The present PhD dissertation extends the knowledge acquired in the recent years in the development of the SMOS radiometer, and is a contribution to the development of a new generation of passive sensors. For the first time – to author’s knowledge – real-time digital beamforming and polarization synthesis have been successfully implemented in a real system. The system is able to steer multiple and simultaneous beams in different incidence angles without mechanical scan of the antenna, providing a new method to obtain multi-angular measurements combining an L-band radiometer with the concept of digital beamformer. The PAU project has been developed by the Passive Remote Sensing Group of the Remote Sensing Lab, at the Department of Signal Theory and Communications of the Universitat Politècnica de Catalunya. The present PhD dissertation describes the work undertaken between 2005 and 2010 in both theoretical and hardware issues within the field of L-band radiometry with real-time digital beamforming with polarization synthesis. This dissertation consists of a theoretical study performed on digital correlation radiometers with beamforming from the point of view of the synthetic aperture radiometers and an extended analysis of the impact of the digitization scheme. Moreover, the requirements to build a correlation radiometer with real-time digital beamforming and polarization synthesis have been stated. The new concept instrument has been built, internally equalized for the amplitude and phase of each receiver, tested and characterized in the anechoic chamber, and in a field campaign obtaining soil emissivity values for a range of incidence angles.

Treball confidencial fins el 19/07/2015 The improvement in weather forecast and climate motorization, to prevent for example natural disasters, requires global scale knowledge of the soil moisture (SM) and the surface salinity (SSS), which are non-existent at present due to the difficulty to carry out in-situ measurements. These parameters influence the heat exchange among land, sea and air. On one hand, thanks to the SM, the amount of water on Earth and the exchange of energy between the land’s surface and the atmosphere can be known. On the other hand, the knowledge of the distribution of the SSS will inform about sea currents and differences between evaporation and precipitation. The quantification of these parameters will contribute to improve the weather forecasts, hydrological studies, vegetation motorization, and risk of forest fires. As part of the program “The living planet programme: Earth Explorer Opportunity Missions”, the European Space Agency (ESA) selected in 1999 the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, designed to observe soil moisture over land and salinity over the oceans. It was launched in 2009 and has put in orbit the first microwave imaging radiometer using aperture synthesis. Over the sea, sea surface salinity will be remotely measured by means of L-band (1400-1427 MHz) microwave radiometry. As the brightness temperature also depends on the sea surface temperature and on the sea state, post-processing corrections are needed to get the surface salinity. Over land, soil moisture is retrieved from the changes in the L-band brightness temperature, although post processing correction for surface roughness and vegetation are also required.

Memoria de tesis doctoral presentada por María Piles Guillem para optar al grado de Doctora por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), realizada bajo la dirección del Dr. Adriano Camps y de la Dra. Mercè Vall-llossera.-- 159 pages, [EN] Soil moisture is a key state variable of the Earth’s system; it is the main variable that links the Earth’s water, energy and carbon cycles. Soil moisture variations affect the evolution of weather and climate over continental regions, and accurate observations of the Earth’s changing soil moisture are needed to achieve sustainable land and water management, and to enhance weather and climate forecasting skill, flood prediction and drought monitoring. This Ph.D. Thesis focuses on measuring the Earth’s surface soil moisture from space at a global and regional scale. [...], [ES] La humedad del suelo es la variable que regula los intercambios de agua, energía, y carbono entre la tierra y la atmósfera. Mediciones precisas de humedad son necesarias para una gestión sostenible de los recursos de agua del planeta, para mejorar las predicciones meteorológicas y climáticas, y para la detección y monitorización de sequías e inundaciones. Esta tesis se centra en la medición de la humedad superficial de la Tierra desde el espacio, a escalas global y regional. [...], This work has been funded by the Spanish Ministry of Science and Education under the FPU grant AP2005-4912 and projects ESP2007-65667-C04-02 and AYA2008-05906-C02-01/ESP

Premi extraordinari doctorat curs 2010-2011, àmbit d’Enginyeria de les TIC The European Space Agency's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) satellite was launched on November, 2, 2009 from the Russian cosmodrome of Plesetsk. Its objective is to globally and regularly collect measurements of soil moistre and Sea Surface Salinity (SSS). To do that, a pioneering instru- ment has been developed: the Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis (MIRAS), the rst space-borne, 2-D interferometric radiometer ever built; it operates at L-band, with a central frequency of 1.4135 GHz, and consists of 69 antennas arranged in a Y shape array. MIRAS' output are brightness temperature maps, from which SSS can be derived through an iterative algorithm, and using auxiliary information. For each overpass of the satellite an SSS map is produced, with an estimated accuracy of 1 psu (rmse). According to the Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE) the mission requirement is instead speci ed as 0.1 psu after av- eraging in a 10-day and 2 2 spatio-temporal boxes. In previuos works ((Sabia et al., 2010), or more extensively in Dr. Sabia's Ph.D. thesis (Sabia, 2008)) the main error sources in retrieving SSS from SMOS measurements were determined as: 1. Scene-dependent bias in the simulated measurements, 2. L-band forward modeling de nition, 3. Radiometric sensitivity and accuracy, 4. Constraints in the cost function, and 5. Spatio-temporal averaging. This Ph.D. thesis, is an attempt of reducing part of the aforementioned errors (the relative to the one-overpass SSS (1 - 4)) by a more sophisticated data processing. Firstly, quasi-realistic brightness temperatures have been simulated using the SMOS End-to-end Performance Simulator (SEPS) in its full mode and an ocean model, as provider for geophysical parameters. Using this data set the External Brightness Temperature Calibration technique has been tested to mitigate the scene-dependent bias, while the error introduced by inaccuracies in the L-band forward models has been accounted for by the application of the External Sea Surface Salinity Calibration. Apart from simulated brightness temperatures, both External Brightness Temperature Calibration and External Sea Surface Salinity Calibration have been tested using real synthetic-aperture brightness temperatures, collected by the Helsinki University of Technology HUT-2D radiometer during the SMOS Calibration and Validation Rehearsal Campaign in August 2007 and ten days of data acquired by the SMOS satellite between July 10 and 19, 2010. Finally, a study of the cost function used to derive SSS has been performed: the correlation between measurement mis ts has been estimated and the e ect of including it in the processing have been assessed. As an outcome of a 3-month internship at the Laboratoire LOCEAN in Paris, France, a theoretical review of the e ect of the rain on the very top SSS vertical pro le has been carried out and is presented as Appendix. Award-winning

Hi ha una gran quantitat d’estudis de caire geofísic [1] que determinen, des de fa molts anys, que un 70% de la superfície total del nostre planeta és aigua; és més, se sap que un 97% del total d’aquesta aigua és la superfície formada pel conjunt de tots els oceans. Paradoxalment a aquest fet, el coneixement de les característiques físiques d’aquest medi no és tan exhaustiu com caldria esperar. Aquest projecte final de carrera s’emmarca, doncs, dins d’aquest ampli estudi. Concretament, com s’explicarà més endavant, dins de la part corresponent a l’estudi de l’estat del mar, que ens permetrà saber amb més exactitud el valor de la salinitat dels oceans a nivell mundial

the UPC Passive Remote Sensing Lab (RSLab) has developed theoretical models exploiting this technique for soil moisture retrieval. These models are based on the interference pattern produced by interaction between the direct GPS signal and the reflected GPS signal coming from the soil surface. The properties of the received interference pattern are modified by changes in geophysical parameters, such as the soil texture, moisture, roughness and thickness of soil layers. Changes in each of the parameters will induce a characteristic change in the interference pattern. Therefore, by identifying the correct observable change in the pattern, the soil moisture can be inferred. So as to get enough experimental results to validate the theoretical models mentioned above, a ground-based instrument, called the Soil Moisture Interference-pattern GNSS Observations at L-band (SMIGOL) Reflectometer, was placed in a wheat field at Palau d’Anglesola in Lleida province, from January to October 2008. Measurements have been carried out at the different stages in the growth of wheat. Those were then compared to the results produced by the theoretical model by means of a simulator, implemented using Matlab. By fixing geophysical variables in the simulator so as to represent as closely as possible the characteristics of the monitored soil, it is able to produce a theoretical interference pattern. It is then possible to compare this pattern with the experimental results to test the validity of the models. The simulator was in an initial stage so that most of the parameterisation had to be done manually, which takes a lot of time and introduces errors in accuracy. The presented PFC arises in this framework, so that the objective is to automate the simulator taking as input raw data produced by the SMIGOL Reflectometer and producing as output the soil moisture and topography of the monitored site, with minimum human input and delivering a fast response. Having a more accurate and faster simulator gives more results to analyse and better theoretical models for soil moisture retrieval.

El inminente lanzamiento de la misión Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, humedad del terreno y salinidad del mar) de la Agencia Espacial Europea (ESA) permitirá la recuperación sistemática y a escala global de la salinidad superficial del mar, con el consecuente beneficio tanto para oceanografía como para la climatología. No obstante, primero es necesario modelar y compensar adecuadamente el impacto de la rugosidad del mar en las medidas radiométricas, a fin de reducir el error inducido en la SSS recuperada y obtener valores significativos. En los últimos años el uso de señales reflejadas de sistemas de navegación global por satélite (GNSS-R) ha mostrado su potencial para obtener parámetros geofísicos, inicialmente altimetría y más recientemente estado del mar. La metodología más comúnmente empleada era comparar la forma de onda medida (correlación para diferentes retardos) con la modelada. Uno de los objetivos que motivó la presentación del proyecto Passive Advance Unit (PAU, Unidad Pasiva Avanzada) a la fundación EURYI fue el estudiar la relación directa entre la temperatura de brillo radiométrica y algunos observables GNSS-R por definir. Para ello se obtendrían medidas colocadas con una radiómetro en banda L y un reflectómetro GPS, y se procedería a la recuperación completa de la salinidad con ayuda de un radiómetro de infrarrojos adicional. El proyecto PAU se ha desarrollado dentro del Grupo de Teledetección Pasiva del Remote Sensing Lab, en el departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones del la Universitat Politècnica de Catalunya.La presente tesis doctoral describe el trabajo desarrollado entre 2004 y 2008 en aspectos tanto teóricos como de implementación hardware dentro del campo de la reflectometría GNSS. Más concretamente, el capítulo 1 introduce brevemente la recuperación de SSS mediante teledetección y describe el proyecto PAU. Por su parte, el capítulo 2 esta dedicado a los fundamentos de la reflectometría GNSS, mientras que el capítulo 3 hace hincapié en el observable GNSS-R elegido, el delay-Doppler Map (DDM) completo. Así, se presenta una nueva y eficiente aproximación a la simulación de DDMs junto a las clásicas expresiones de Zavorotny-Voronovich para la señal GNSS dispersada. Posteriormente se estudia la parametrización de DDMs en el capítulo 4, donde algunos de los parámetros derivados son subsecuentemente relacionados con el estado del mar. Por otro lado, en el capítulo 5 se ofrece una descripción pormenorizada del diseño, implementación y validación del un reflectómetro capaz de generar DDMs en tiempo real basado en un dispositivo FGPA, mientras que en el capítulo 6 se presenta la campaña de medidas ALBATROSS 08, donde se utilizó el instrumento PAU-GNSS/R desarrollado para verificar la idoneidad de los parámetros GNSS-R propuestos para describir el estado del mar. Finalmente, las conclusiones y el trabajo futuro se consignan en el capítulo 7., With the upcoming launch of the ESA's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, the retrieval of Sea Surface Salinity (SSS) from space will benefit both the oceanography and climatology communities. However, the impact of the sea roughness on the radiometric measurement has to be accurately modeled and accounted for first, so that to reduce the induced error on the retrieved SSS and yield meaningful values. In recent years the use of reflected Global Navigation Satellite System Signals (GNSS-R) has shown its potential to retrieve geophysical parameters, mainly altimetry and more recently sea state. The approach consisted of comparing the measured waveform (correlation at different delays) with a modeled one. One of the rationales that motivated the submission of the Passive Advanced Unit (PAU) project to the EURYI foundation was to study the direct relationship between the radiometric brightness temperature and some to-be-defined GNSS-R observables by obtaining co-located measurements with an L-band radiometer and a GPS reflectometer, and perform the actual SSS retrieval with the aid of an infrared radiometer. The PAU project has been developed by the Passive Remote Sensing Group of the Remote Sensing Lab, at the Department of Signal Theory and Communications of the Universitat Politènica de Catalunya. The present PhD dissertation describes the work undertaken between 2004 and 2008 in both theoretical and hardware issues within the field of GNSS-R reflectometry. More specifically, in chapter 1 a brief introduction to SSS retrieval is given along with the description of the PAU project. Chapter 2 is devoted to the basics of GNSS reflectometry, whereas chapter 3 is focused into the simulation of the chosen GNSS-R observable, the whole Delay-Doppler Map (DDM). A new approach to DDM simulation is introduced along with the review of the classical implementation of the Zavorotny-Voronovich expressions for the reflected GNSS signal. After that, the parameterization of the DDMs is studied in chapter 4, where some of the derived parameters are to be linked to the actual sea state. Chapter 5 offers a detailed description of the design, implementation and validation of a real- time FPGA-based DDM reflectometer, whereas chapter 6 describes the ALBATROSS 08 measurement campaign, where the developed PAU-GNSS/R was tested. The conclusions and the future work are listed in chapter 7.