Altimetry precision of 1 cm over a pond using the wide-lane carrier phase of GPS reflected signals

Abstract

The capability of global navigation satellite system (GNSS) reflected signals for ocean altimetry can be enhanced by the use of carrier-phase measurements. The reflected signals have a Doppler spread inherent to the geometry of the measurement system, in our case of interest, a satellite in low Earth orbit flying over the rough sea surface illuminated by a constellation of GNSS transmitters. Carrier-phase measurements are thus difficult because of the short coherence time of the signal and their not obvious relation to the average water surface because of the roughness-induced fluctuations. In the near future, however, the global positioning system (GPS) and the European Galileo GNSS system will transmit several civilian signals on at least three different carriers. Using wide-lane processing, that is, the combination of the phases from the different carriers, a more coherent observable is obtained which is quite powerful for ocean remote sensing. The paper presents the first step in our research on carrier-phase processing of GNSS-reflected signals, consisting of an experiment over the smooth water surface of a pond. In addition to altimetry, the measurement of GNSS multi-carrier reflected signals can potentially provide accurate wind speed estimations based on the analysis of the statistical fluctuations of the carrier phases.

Le potentiel des signaux réfléchis par les systèmes de navigation par satellite GNSS pour la mesure de l'altimétrie de l'océan peut être amélioré par le biais de la mesure de la phase de l'onde porteuse. Les signaux réfléchis ont une étendue Doppler inhérente à la géométrie du système de mesures, dans notre cas, un satellite navigant à basse altitude au-dessus de la surface rugueuse de la mer illuminée par une constellation de transmetteurs GNSS. La mesure de la phase de l'onde porteuse est ainsi difficile à réaliser à cause du court temps de cohérence du signal et de la relation peu évidente existant entre cette dernière et la surface moyenne de l'eau en raison des fluctuations induites par la rugosité. Toutefois, bientôt les systèmes GPS ainsi que le système GNSS européen Galileo transmettront plusieurs signaux civils utilisant au moins trois ondes porteuses différentes. À l'aide de la technique de traitement « wide laning », c'est-à-dire la combinaison de la phase issue de différentes ondes porteuses, il est possible d'obtenir un observable plus cohérent et suffisamment puissant pour la télédétection de l'océan. Cet article présente l'étape initiale de notre recherche sur le traitement de la phase de l'onde porteuse des signaux réfléchis GNSS et consiste en une expérience réalisée au-dessus de la surface lisse d'un étang. En ajout aux mesures d'altimétrie, la mesure des signaux réfléchis des multi-ondes porteuses GNSS peut potentiellement fournir des estimations précises de la vitesse du vent basées sur l'analyse des fluctuations statistiques des phases de l'onde porteuse.[Traduit par la Rédaction]