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Anno Accademico 2012/13
01OPFIT
Tecniche Gnss per il telerilevamento
Dottorato di ricerca in Ingegneria Elettronica E Delle Comunicazioni - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Notarpietro Riccardo ORARIO RICEVIMENTO     11 0 0 0 3
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
*** N/A ***    
Obiettivi dell'insegnamento
Uno dei problemi inerenti l'utilizzo del segnale GNSS per scopi di 'precise positioning' è legato all'errore osservabile sulle misure di pseudodistanza o di carrier phase causato dalla propagazione del segnale all'interno dell'atmosfera terrestre. Nel ricavare la posizione di un qualsiasi punto sulla Terra, o comunque all'interno dell'atmosfera, si cerca infatti di compensare nel modo migliore possibile il ritardo di propagazione che caratterizza il segnale ricevuto, e questa compensazione viene fatta generalmente utilizzando un modello di atmosfera. Conoscendo invece con esattezza le posizioni assunte dal trasmettitore e dal ricevitore, l'incognita ricavabile dall'elaborazione dei dati GNSS grezzi diventa proprio il ritardo di propagazione. La sua misura sistematica e la sua conseguente inversione può portare alla caratterizzazione del mezzo che l'ha causato, cioè dell'atmosfera terrestre.
Questo corso intende fornire una panoramica relativa alle tecniche di inversione utilizzate operativamente per questo particolare settore del remote sensing atmosferico. Verranno descritte, tra le altre, la tecnica del radio occultamento satellitare, applicabile quando il ricevitore è montato a bordo di un satellite, la tecnica basata sulla tomografia, che permette di caratterizzare tridimensionalmente porzioni di atmosfera utilizzando i segnali ricevuti invece da piccole reti terrestri di ricevitori GNSS e la tecnica emergente, basata sull'utilizzo di un ricevitore GNSS come scatterometro/altimetro per la caratterizzazione della superficie terrestre.

One of the major source of error in GNSS precise positioning is caused by effects due to the signal propagation inside terrestrial atmosphere, which are induced on pseudorange or carrier phase GNSS observations. In computing the receiver position, it is necessary to compensate for propagation delays affecting the received signal, and this compensation can be performed using atmospheric models. If, from the other side, the receiver position is known with a good accuracy level, the processing of GNSS observables can be used to characterize such propagation effects. Their systematic measurement and their inversion (propagation delays are integral values, to be necessarily inverted in order to understand the atmospheric parameters distribution along the propagation path) are the basis for the GNSS atmospheric Remote Sensing.
Main topic of this third level course is the description of inversion techniques ordinarily applied to GNSS atmospheric observables (propagation delays) for the Remote Sensing of atmosphere. Among the others, details about the Radio Occultation technique will be given. Such technique can be implemented considering GNSS observations taken on-board a Low Earth's Orbiting receiver, which acquires GNSS signals in a limb sounding strategy. GNSS Radio Occultation is able to characterize vertical profiles of atmospheric parameters (temperature, pressure, density and water vapour). Moreover, techniques based on the evaluation of 3D atmospheric parameters distribution through tomographic inversion of observations performed using local GNSS networks will be described. Finally details about the use of a GNSS receiver as scatterometer/altimeter (namely, GNSS reflectometry) for land Remote Sensing will be given. Such emerging and new techniques exploit GNSS signal reflected off by terrain or sea in order to characterize soil moisture, wave height, wind over sea, dry ice stratification.
Programma
Il corso sarà diviso in tre parti. Nella prima parte, introduttiva, verranno analizzati gli effetti atmosferici sulla propagazione di un segnale a radio frequenza: dal ritardo di propagazione, all'incurvamento delle traiettorie, ai problemi legati al multipath o al ducting atmosferico causati principalmente dal vapor d'acqua. Verrà poi brevemente descritto il sistema di navigazione satellitare GPS e delle sue estensioni/alternative future; particolare enfasi verrà posta nell'analisi dei principali osservabili GNSS e delle tecniche necessarie per estrarre da questi i contributi atmosferici.
Nella seconda parte del corso verrà illustrata la tecnica di remote sensing atmosferico che fa riferimento alla Radio occultamento Occultazione GNSS. L'atmosfera può essere caratterizzata invertendo le misure di ritardo di fase effettuate sul segnale GNSS ricevuto a bordo di un satellite (generalmente in orbita bassa), quando sta tramontando o sorgendo rispetto al trasmettitore. Verrà quindi delineata la teoria che sta alla base della Radio Occultazione, saranno descritte le tecniche di inversione utilizzabili, le applicazioni, i risultati ottenuti da missioni operative (come le missioni CHAMP, COSMIC e METOP) e gli sviluppi futuri.
Nella terza parte verranno affrontate le problematiche e le tecniche applicabili quando il segnale viene ricevuto da Terra. In questo caso verranno descritti tre differenti approcci: è possibile infatti caratterizzare, e quindi monitorare, delle quantità integrali legate al ritardo di propagazione, in particolare la quantità totale di vapor d'acqua presente nelle varie tratte trasmettitore-ricevitore, legata a sua volta alla piovosità in caso di presenza di nubi; inoltre, l'utilizzo di tecniche tomografiche permette la caratterizzazione di porzioni tridimensionali di atmosfera, considerando i segnali ricevuti da una rete di ricevitori GNSS Infine verrà descritto un approccio emergente che permette di studiare il segnale GNSS ricevuto dopo la riflessione sul suolo/mare per scopi di altimetria o scatterometria (misura dello stato del mare, vento sul mare, umidità del terreno).

Bibliografia
- E. Kaplan, Understanding GPS: principles and applications, Artech House, 1996.
- O. I. Yakovlev, Space Radio Science, Taylor & Francis, 2002.
- G. Kirchengast, U. Foelsche, and A. Steiner, Occultations for Probing Atmosphere and Climate, Springer, 2004.

The 'GNSS Remote Sensing' third level course is divided in three parts.
During the first and introductory part, atmospheric effects due to radio frequency signal propagation will be analyzed. Details about propagation delays, trajectory bendings, atmospheric multipath and ducting due mainly to water vapor distribution will be given. A description of GNSS systems, GNSS main observables and techniques often used to extract atmospheric signatures will be given in such introduction.
During the second part, GNSS Radio Occultation technique will be detailed. The inversion of phase delay measurements performed on the signal received on-board a Low Earth's Orbiting platform when GNSS satellite is setting or rising in the local horizon, allows the extraction of quasi-vertical profiles of temperature, atmospheric density, pressure and humidity. Inversion techniques, applications and results already obtained by Radio Occultation operative satellite payloads will be described in the framework of this part.
During the third part, techniques for GNSS Remote Sensing applications which are applicable to signal received from ground based receiver networks will be discussed. Three different approaches can be pursued. It is possible to characterize and monitor the integrated water vapor along the tropospheric propagation path (this variable can be strictly related to rainfall during precipitation phenomena). Moreover, tomographic procedures can be applied to characterize 3D atmospheric distributions. Finally considering the emerging GNSS reflectometry technique, a land Remote Sensing (sea state, wind over sea, soil moisture, etc.) is also possible. Such three applications will be described during this third part.
Bibliography
- E. Kaplan, Understanding GPS: principles and applications, Artech House, 1996.
- O. I. Yakovlev, Space Radio Science, Taylor & Francis, 2002.
- G. Kirchengast, U. Foelsche, and A. Steiner, Occultations for Probing Atmosphere and Climate, Springer, 2004.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma provvisorio per l'A.A.2012/13
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