Modification of a FPGA-based GPS receiver for reflectometry applications (GNSS-R)

English: Lack of frequent and global global observations from space is currently a limiting factor Earth observation missions. In recent years, as a low-cost alternative, Global Navigation Satellite System's signals Reflectometry (GNSS-R) has stood a potential powerful remote sensing technique. The existing research has shown that GNSS-R has the potential to give environmental scientist a low-cost, wide-coverage measurement network that will allow to derive geophysical parameters such as ocean altimetry, sea state or soil moisture. This data has the potential to greatly increase our knowledge of the Earth's environmental processes. During the last ten years, the Remote Sensing Laboratory of the Department of Signal Theory and Communications at the Univeristat Politècnica de Catalunya, has worked on the design and implementation of the appropriate receivers in order to track and process this GNSS-R signals in real-time to avoid the storage of huge volumes of raw data. One of its most remarkable efforts is the Passive Advanced Unit for ocean monitoring (PAU) project. In this work, the possibility of adapting an existing Global Position System (GPS) receiver for GNSS-R applications is explored. This GPS receiver is the Namuru-GPL a open source software receiver implemented for the Namuru development platform developed by the University of New South Wales Satellite Navigation and Positioning Laboratory (SNAP). A modified version of the Namuru-GPL has been implemented. This modified version of the receiver has been able to simultaneous track a C/A L1-band signal and a delayed version of it that simulated a reflected signal with the associated longer propagation path. In addition, the receiver has measured pseudorange differences with a tested resolution up 3 m with a single measurment in a controlled experimental scenario, thus validating the Namuru-GPL capabilities for GNSS-R altimetry applications. In addition, a new Acquisition Module has been developed. This module dramatically reduces the Namuru-GPL receiver average acquisition time from a few minutes to 2.5 s approximately, thanks to implementing the parallel code acquisition method. Moreover, the Acquisition Module requires low hardware resources and generates Delay Doppler Maps (DDMs). All the development process stages, including validation through testing of these proposed designs are summarized within this work. Castellano: La falta de observaciones frecuentes y a escala global desde el espacio es actualmente un factor limitador de las misiones de observación de la Tierra. En los últimos años, y como alternativa al uso de constelaciones de satélites de propósito especifico y alto coste, la reflectometría con señales de oportunidad de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS-R) ha demostrado ser una técnica de teledetección con gran potencial. Las investigaciones realizadas hasta ahora demuestran que las técnicas GNSS-R poseen el potencial para obtener datos ambientales de alto interés científico a bajo coste y con una amplia cobertura de las mediciones realizadas. Dichas mediciones permitirían obtener o mejorar la medida de parámetros geofísicos importantes, como el estado del mar, altimetría, o la humedad del suelo. Una mejor medida de dichos parámetros tienen el potencial de aumentar considerablemente nuestro conocimiento de los procesos ambientales de la Tierra. Durante los últimos diez años, el Remote Sesing Lab que pertenece al departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones (TSC) de la UPC, ha trabajado en el diseño y la implementación de receptores adecuados para adquirir y procesar señales GNSS-R en tiempo real para evitar el almacenamiento de enormes volúmenes de datos. Uno de los esfuerzos más notables es el proyecto "Passive Advanced Unit for Ocean monitoring" o proyecto PAU. En este trabajo, se explora la posibilidad de adaptar un receptor GPS para a aplicaciones GNSS-R. Este receptor es el Namuru-GPL, un receptor software open source implementado sobre la plataforma de desarrollo Namuru, desarrollada por el University of New South Wales Satellite Navigation and Positioning Laboratory (SNAP). La versión modificada del receptor Namuru-GPL que se ha implementado, ha sido capaz de seguir una señal GPS C/A en la banda L1 y simultáneamente una versión retardada de la misma que simulaba ser una señal reflejada con un camino de propagación más largo. Además, el receptor ha sido capaz de medir diferencias de pseudorangos con una resolución máxima de hasta 3 m con una única medida, en un escenario experimental controlado, validando así las capacidades del Namuru-GPL para aplicaciones de altimetría mediante GNSS-R. Además, se ha desarrollado un nuevo Módulo de Adquisición. Este módulo es capaz de reducir drásticamente el tiempo medio de adquisición del Namuru-GPL de unos pocos minutos a 2,5 s aproximadamente, gracias al método de adquisición en paralelo. Además, el Módulo de Adquisición necesita relativamente pocos recursos hardware y es capaz de generar "Delay Doppler Maps" (DDMs). Todas las etapas del proceso de desarrollo de los diseños propuestos, incluida la validación experimental se encuentran resumidos en este trabajo. Català: La manca d'observacions freqüents i a escala global des de l'espai és actualment un factor limitador de les missions d'observació de la Terra. En els últims anys, i com a alternativa a l'ús de constel·lacions de satèl·lits de propòsit específic i alt cost, la reflectometría amb senyals d'oportunitat dels sistemes globals de navegació per satèl·lit (GNSS-R) ha demostrat ser una tècnica de teledetecció amb un alt potencial. Les investigacions realitzades fins ara demostren que les tècniques GNSS-R disposen del potencial per obtenir dades ambientals d'alt interès científic a baix cost i amb una àmplia cobertura de les mesures realitzades. Aquestes mesures permetrien obtenir o millorar la mesura de paràmetres geofísics importants, tals com l'estat de la mar, altimetria, o la humitat del sòl. Una millor mesura d'aquests paràmetres té el potencial d'augmentar considerablement el nostre coneixement dels processos ambientals de la Terra. Durant els últims deu anys, el Remote Sesing Lab pertanyent al departament de Teoria del Senyal i Comunicacions (TSC) de la UPC, ha treballat en el disseny i la implementació de receptors adequats per rastrejar i processar senyals GNSS-R en temps real i evitar així haver d'emmagatzemar enormes volums de dades. Un dels seus esforços més rellevants és el projecte "Passive Advanced Unit for Ocean monitoring" o projecte PAU. En aquest treball, s'explora la possibilitat d'adaptar un receptor GPS per aplicacions GNSS-R. Aquest receptor és el Namuru-GPL, un receptor open source implementat sobre la plataforma de desenvolupament Namuru, desenvolupada pel University of New South Wales Satellite Navigation and Positioning Laboratory (SNAP). La versió modificada del receptor Namuru-GPL implementada, ha estat capaç de seguir un senyal GPS C/A a la banda L1 i simultàniament una versió retardada del mateix que simulava ser un senyal reflectit amb un camí de propagació més llarg. A més, el receptor ha estat capaç de mesurar diferències de pseudorangs amb una resolució màxima de fins a 3 m en una única mesura a un escenari experimental controlat, validant així les capacitats del Namuru-GPL per a possibles aplicacions d'altimetria mitjançant GNSS-R. També s'ha desenvolupat un nou Mòdul d'Adquisició. Aquest mòdul és capaç de reduir dràsticament el temps mitjà d'adquisició del Namuru-GPL d'uns pocs minuts a 2,5 s aproximadament, gràcies al mètode d'adquisició en paral·lel. A més, el Mòdul d'Adquisició consumeix relativament pocs recursos hardware i és capaç de generar "Delay Doppler Maps" (DDMs). Totes les etapes del procés de desenvolupament dels dissenys proposats, inclosa la seva validació experimental es troben resumits en aquest treball.