MÉTODO Y SISTEMA DE ALTIMETRÍA.

La invención se relaciona con un método y sistema de altimetría para determinar un perfil de elevación de una porción de la superficie terrestre. Más precisamente, la invención se relaciona con un método de altimetría pasivo biestático, que utiliza señales de oportunidad tales como señales GNSS y que incorpora la compensación de la curvatura de retardo-doppler. La invención se puede aplicar, en particular, al campo de la altimetría de satélites para oceanografía. La posibilidad de medir con alta precisión la topografía oceánica a mesoescala es de principal importancia para los oceanógrafos, meteorólogos o climatólogos con el fin de mejorar el entendimiento de la circulación del océano, la batimetría del océano, contracorrientes, mareogramas y modelos del clima Terrestre. Durante los últimos años los altímetros convencionales de radar han suministrado cantidades enormes de datos permitiendo la observación de muchas características oceánicas. Sin embargo, en razón a que se basan en la observación del océano sobre una pequeña huella a lo largo de la dirección de observación de nadir, los altímetros clásicos tales como TOPEX/Poseidon, Jason, o ESA RA y RA-2, no pueden suministrar alto muestreo espacial-temporal, absolutamente necesario para mapear adecuadamente las características de mesoescala del océano, a menos que se desplieguen en constelaciones ad-hoc. El altímetro oceánico de barrido amplio se ha previsto como una solución potencial para incrementar el muestreo espacio temporal; sin embargo es una solución muy compleja y costosa. Ver W. J. Emery, d. g. Baldwin, D. K. Mathews, Sampling the Mesoscale Ocean Surface Currents With Various Satellite Altimeter Configurations, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 42, No. 4, Apr 2004, 795. En este contexto, desde 1993 la Agencia Europea del Espacio y posteriormente la Industria Europea han estado trabajando en la idea de hacer uso de las señales GNSS (Sistema Satelital de navegación Global) reflejadas desde la superficie del océano con el fin de efectuar la altimetría. La técnica, designada como PARIS (Sistema de Reflectometría e Interferometría pasiva), ha sido investigado y probado experimentalmente por la ESA, NASA y muchas otras organizaciones de investigación relacionadas con el espacio y no relacionadas con el espacio. PARIS es un altímetro de barrido muy amplio capaz de alcanzar un barrido de 1000 km o más, dependiendo de la altitud orbital, en razón a que recoge las señales reflejadas del océano desde diversos satélites GNSS, hasta 12 pistas cuando Galileo esté disponible. Para una descripción detallada de la técnica PARIS, ver: - M. Martin-Neira, A Passive Reflectometry and Interferometry system (PARIS): Application to Ocean Altimetry, ESA Journal, 1993 - U.S. Patent No. 5546087; y ES 2 367 598 T3 -G.A. Hajj, C. Zufrada, Theoretical Description of a Bistatic System for Ocean Altimetry Using the GPS Signal, Radio Science, Vol. 38, No. 5, Oct. 2003. Debido al cubrimiento global de naturaleza bi o multi-estática de esta técnica, el instrumento PARIS de órbita Terrestre baja permitiría un muestreo espacialtemporal alto de la superficie de la Tierra. Por estas razones, PARIS se ha identificado como una técnica complementaria muy promisoria con respecto a los altímetros de radar convencional con el fin de manejar la altimetría a mesoesacala o la detección rápida de tsunamis. El requisito de precisión con el fin de efectuar adecuadamente la altimetría de mesoescala se considera con una precisión de 5 cm de altura sobre una extensión espacial de 100 km a lo sumo. Véase P. Y. Le Traon and G. Dibarboure, G. Ruffini, E. Cardellach. Mesoscale Ocean Altimetry Requirements and Impact of GPS-R measurements for Ocean Mesoscale Circulation Mapping. Technical Note Extract from the PARIS-BETA­ ESTEC/ESA Study ESTEC, Dec. 2002, available at http://arxiv.org/abs/physics/0212068. Sin embargo, una desventaja principal de esta técnica es que, siendo intrínsecamente pasiva, es altamente dependiente de las características de las señales de navegación disponibles. De hecho, el ancho de banda y la potencia de las señales transmitidas son los parámetros más importantes que controlan el desempeño de un altímetro, bien sea radar o basado en PARIS, mono-estático o bi estático. Actualmente las señales de navegación transmitidas muestran una potencia y ancho de banda significativamente reducidos con respecto a los altímetros de radar convencionales. Esto implica una precisión de altímetro, exactitud y resolución por pulso más pobres. Diversos estudios y resultados de datos experimentales aéreos han predicho que el receptor PARIS con base en el espacio que explote el código GPS C/A no puede cumplir con los requisitos de altimetría a mesoescala del océano, adoptando aún las máximas dimensiones razonables del instrumento. 2 ES 2 367 598 T3 De otro lado, una explotación de una señal similar al código GPS P (que presenta un ancho de banda más amplio, y, a su vez, mejores desempeños) está sobre el límite para cumplir con los requisitos de mesoescala para una resolución espacial de 100 km, como lo muestran O. Germain and G. Ruffini en su documento A revisit to the GNSS-R code range precision, Proceedings of GNSS-R Workshop, 14-15 de Junio 2006, ESTEC. La invención tiene por objeto mejorar los desempeños de la técnica PARIS, es decir, su precisión, exactitud y/o resolución espacial. De acuerdo con la invención, se puede lograr tal mejora al aplicar la compensación de la curvatura de retardo- Doppler a la altimetría biestática pasiva utilizando las señales de oportunidad (por ejemplo GNSS). La compensación de la curvatura retardo-Doppler también conocida como compensación de curvatura de rango de retardo es una técnica de procesamiento de señal introducida de 1998 por R. K. Raney con el fin de mejorar la resolución espacial de los altímetros de radar monoestáticos: Ver R. Keith Raney, The Delay/Doppler Radar Altimeter, IEEE, Transaction on Geoscience and Remote Sensing, vol. 36. No. 5, Sept 1998; y la Patente U.S No. 5736957. La aplicación de la compensación de curvatura retardo-Doppler a una técnica de altimetría biestática pasiva como PARIS no es directa y requiere adaptación específica. Más específicamente, un objeto de la presente invención es un método de altimetría para determinar un perfil de elevación de una porción de la superficie terrestre de acuerdo con la reivindicación 1. Tal método comprende las etapas de: a.- suministrar un receptor de señal sobre una primera plataforma que vuela por encima de dicha porción de la superficie terrestre, para recibir una serie temporal de señales emitidas por una segunda plataforma volante y dispersada por dicha porción de la superficie terrestre; b.- Computar las formas de onda de la altimetría, indicativas del perfil de elevación de dicha porción de la superficie terrestre, al procesar las señales recibidas; y se caracteriza porque dicha etapa de computar las formas de onda de la altimetría comprende: (b.1.1) determinar las formas de onda de la correlación al correlacionar de manera cruzada las señales recibidas con una pluralidad de réplicas cambiadas por la frecuencia de las señales emitidas, correspondiendo el cambio de frecuencia de cada replica al cambio Doppler promedio de las señales reflejadas en un momento dado por una región particular de la superficie Terrestre; (b.1.2) Introducir un cambio temporal a las formas de onda de correlación con el fin de compensar la curvatura de retardo del rango; y (b2) sumar incoherentemente las formas de onda de correlación cambiadas temporalmente que corresponden a las señales esparcidas por la misma región de la superficie Terrestre en diferentes momentos durante el movimiento de la primera plataforma. Las características ventajosas de la invención constituyen la materia objeto de las reivindicaciones dependientes. Otro objeto de la invención es un sistema de altimetría de acuerdo con la reivindicación 15. Tal sistema comprende un satélite que lleva un receptor para recibir una serie temporal de señales conocidas emitidas por un segundo satélite y esparcidas por una porción de la tierra por debajo de dicho satélite; y medios para procesar la señal para llevar a cabo un método de altimetría de acuerdo con la invención. Características y ventajas adicionales de la presente invención serán evidentes de la descripción que sigue, tomado en conjunto con los dibujos que la acompañan, los cuales muestran: Figura 1, la traza de correlación cruzada de una señal GNSS esparcida recibida con un altímetro que se lleva al espacio de acuerdo con la invención, con una réplica localmente generada del mismo; Las Figuras 2 y 3, la geometría del método de altimetría PARIS, conocido de la técnica anterior; Las Figuras 4A y 4B, la compensación... [Seguir leyendo]

1. Un método de altimetría para determinar un perfil de elevación de una porción de la superficie de la tierra (ES), que comprende las etapas de: (a) suministrar a un receptor de señal (RX) sobre una primera plataforma (S1) que vuela por encima de dicha porción de la superficie de la tierra, para recibir una serie temporal de señales emitidas por la segunda plataforma volante (S2) y esparcidas mediante dicha porción de la superficie de la Tierra; (b) computar las formas de onda de altimetría, indicativas del perfil de elevación de dicha porción de la superficie de la Tierra, al procesar las señales recibidas; caracterizado porque dicha etapa de computar las formas de onda de altimetría comprende: (b.1.1) determinar las formas de onda de correlación (XC) al correlacionar cruzadamente las señales recibidas con una pluralidad de réplicas con frecuencia desplazada generadas localmente de las señales emitidas, con el desplazamiento de frecuencia de cada replica correspondiente al cambio Doppler promedio de las señales reflejadas en un momento dado por una región particular de la superficie de la Tierra; (b.1.2) Introducir un cambio temporal dependiente de la frecuencia Doppler a las formas de onda de correlación con el fin de compensar el retardo extra inducido por la curvatura esférica del frente de onda de las señales emitidas en la medida en que éste incide sobre la superficie de la Tierra; (b2) sumar incoherentemente las formas de onda de coordinación temporalmente desplazadas (CXC) que corresponden a las señales esparcidas por la misma región de la superficie de la Tierra en diferentes momentos durante el movimiento de dicha primera plataforma. 2. Un método de altimetría de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha primera y segunda plataforma son satélites. 3. Un método de altimetría de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, donde dichas señales emitidas por la segunda plataforma son señales coherentes. 4. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichas señales emitidas por la segunda plataforma son señales del espectro esparcidas. 5. Un método de altimetría de acuerdo con la reivindicación 4, en donde dichas señales emitidas por la segunda plataforma son señales GNSS. 6. Un método de altimetría de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el tiempo de correlación entre las señales recibidas y las réplicas localmente generadas de las señales GNSS emitidas es significativamente mayor que un chip de estas últimas. 7. Un método de altimetría de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el desplazamiento de frecuencia entre las réplicas cambiadas de frecuencia generadas localmente de las señales emitidas es inversamente proporcional a la duración de dichas réplicas. 8. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho receptor sobre dicha plataforma también recibe señales emitidas por dicha segunda plataforma volante a través de una ruta directa (DP), con el fin de generar la réplica cambiada de frecuencia para estar correlacionada con la señal esparcida. 9. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además la etapa de sumar incoherentemente una pluralidad de formas de onda de correlación desplazadas temporalmente que corresponde al mismo desplazamiento de frecuencia Doppler y adquirida dentro de un tiempo de integración incoherente, durante el cual el punto (SP) sobre la superficie de la Tierra refleja especularmente las señales emitidas por dicha segunda plataforma de vuelo que se mueve desde una distancia a lo sumo igual al ancho de la zona Doppler correspondiente. 10. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además una etapa adicional de promediar especialmente las formas de onda de una altimetría con el fin de mejorar la precisión del perfil de elevación determinado, mientras disminuye su resolución espacial. 11. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, y en donde dicha etapa de computar las formas de onda de altimetría comprende: -convertir las señales recibidas en el dominio de frecuencia; 11 - en los dominios de frecuencia, multiplicar dichas señales por dichas réplicas de frecuencia desplazada de la misma e introducir el desplazamiento de fase dependiente de la frecuencia Doppler, que corresponde a dicho desplazamientoo de tiempo dependiente de la frecuencia Doppler en el dominio de tiempo; - retrotransformar las señales procesadas en el dominio de tiempo. 12. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los posibles valores del desplazamiento Doppler introducidos por el movimiento del satélite y en los desplazamientos de tiempo correspondientes son computados al tomar en cuenta las posiciones relativas variantes en el tiempo de la primera y segundas plataformas y de la tierra. 13. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las señales emitidas de una pluralidad de segundas plataformas es recibida por dicho receptor, y procesadas simultáneamente con el fin de computar dichas formas de onda de altimetría. 14. Un método de altimetría de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además una etapa adicional de determinar un perfil de la altura de la región de la superficie de la Tierra por encima del primer satélite sobre la base de dichas formas de onda de altimetría. 15. Un sistema de altimetría que comprende: ES 2 367 598 T3 - un primer satélite que lleva un receptor para recibir una serie temporal de señales emitidas por un segundo satélite y esparcidas en una porción de la Tierra por debajo de dicho satélite; - medios para procesamiento de señal para computar las formas de onda de altimetría, indicativas del perfil de elevación de dicha porción de la superficie de la tierra al: - determinar las formas de onda de correlación (XC) mediante correlación cruzada de las señales recibidas por dicho primer satélite con una pluralidad de réplicas con frecuencia desplazada generadas localmente de las señales emitidas por dichos segundo satélite, correspondiendo el desplazamiento de frecuencia de cada réplica al desplazamiento Doppler promedio de las señales reflejadas en un momento dado por una región particular de la superficie de la Tierra; -introducir un desplazamiento temporal dependiente de la frecuencia Doppler a las formas de onda de correlación con el fin de compensar en la curvatura del rango; y sumar incoherentemente las formas de onda de correlación cambiadas temporalmente (CXC) que corresponden a las señales esparcidas por la misma región de la superficie de la tierra en diferentes momentos durante el movimiento de dicho primer satélite. 12 ES 2 367 598 T3 13 ES 2 367 598 T3 14 ES 2 367 598 T3 ES 2 367 598 T3 16