Sistema para la recuperación de parámetros geofísicos usando señales de satélites de navegación.

Sistema para la recuperación de parámetros geofísicos usando señales de satélites de navegación.

Dicho sistema comprende:

- la utilización de un instrumento estático, instalado en el extremo de un mástil, formado por al menos una antena y una etapa de procesado de datos;

- la medición directa así como la medición del reflejo en la superficie de dichas señales provenientes de satélites de navegación; y

- la obtención de dichos parámetros geofísicos mediante algoritmos de procesado de dichas señales.

Dicho sistema comprende además la combinación de al menos dos antenas agrupadas en un mismo emplazamiento para dar total cobertura a un área circular, siendo cada una de dichas antenas de tipo parche y con una completa simetría respecto al eje vertical para la recepción de dichas señales provenientes de satélites de navegación.

Sistema para la recuperación de parámetros geofísicos usando señales de satélites de navegación Sector de la técnica La presente invención concierne a un sistema para la recuperación de parámetros geofísicos usando señales de satélite de navegación, mediante un instrumento estático que mide la señal proveniente de dicho satélite de navegación así como del reflejo de dicha señal sobre una superficie determinada y el posterior procesado de datos, y más concretamente en una realización preferida a un sistema que comprende la combinación de varias antenas para dar total cobertura a una área circular siendo dichas antenas del tipo parche.

Estado de la técnica

Las técnicas tanto activas como pasivas de microondas han sido extensamente usadas para monitorizar la humedad del terreno [1] [2] [3] [4] [5] [6]. Actualmente, las técnicas llamadas Global Navigation Satellite Systems opportunity signals Reflected (GNSS-R) están siendo usadas para la observación de diferentes tipos de superficies sobre la Tierra. Con ello puede obtenerse, por ejemplo, información sobre la salinidad del mar en función de información extraída de la superficie marítima [7] [8] [9] [10], niveles de humedad de suelo sobre superficie terrestre [11] [12] [13] [14]

[15] o el grueso de una capa de hielo en una superficie helada [16].

La técnica IPT (Interference Pattern Technique) consiste en medir las fluctuaciones de potencia de la interferencia de los campos eléctricos directo y reflejado según se mueve un satélite GPS. Estudios previos que usaban técnicas similares [17] [18] mostraron resultados sobre les propiedades dieléctricas del suelo haciendo uso de antenas LHCP. También fueron estudiadas en [19], mediante el uso de antenas LHCP, las propiedades dieléctricas de un plano metálico cubierto de nieve.

Se encontró que al usar una antena LHCP la polarización horizontal enmascara la información angular ya que no muestra la reflectividad nula al ángulo de Brewster que sí muestra la polarización vertical. Así pues, se aplicó una técnica similar que usaba sólo la polarización vertical de la antena [15]. La técnica IPT ha sido aplicada con éxito sobre superficies terrestres para obtener tres tipos de información:

- topografía de la superficie

- altura de la vegetación

- nivel de humedad de un terreno cubierto de vegetación

Estos estudios se basaron en un estudio previo [15] en el que la obtención de la humedad del terreno empleando la técnica IPT resultó satisfactoria.

Durante el 2008 (ver por Ej.: IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 47, NO. 11, NOVEMBER 2009) se desarrolló el reflectómetro SMIGOL (Soil Moisture Interference-pattern GNNS Observations at L-band) que ha sido utilizado para recoger medidas interferométricas.

Explicación de la invención La presente invención propone una serie de modificaciones sustanciales del citado instrumento reflectómetro SMIGOL, para poder dotarlo de mayores prestaciones en cuanto al área de cobertura, eficiencia y tareas de control.

Para ello, se presenta una alternativa a la arquitectura previa de dicho instrumento, conocida hasta el momento presente, que dota a cada reflectómetro SMIGOL de dos o cuatro antenas sectoriales que permiten cubrir un área circular alrededor de dicho instrumento.

Asimismo conforme a una implementación preferida cada una de las citadas antenas dispone a su salida de una etapa de recepción y almacenamiento de las mediciones realizadas. Las salidas de dichas etapas se conectan a un módulo microprocesador común que procesará la señal a enviar a un elemento central, que recogerá las mediciones de todos los reflectómetros SMIGOL repartidos en la zona a cubrir. El envío de esta señal al elemento central se realiza mediante un interfaz inalámbrico dispuesto a la salida del módulo microprocesador.

Dichas antenas, a diferencia del estado de la técnica actual, son del tipo parche y presentan una alta simetría respecto al eje vertical para la recepción de las señales provenientes de satélites de navegación.

Los reflectómetros SMIGOL se instalan en el extremo de un poste vertical, de altura elegida para estar por debajo de la copa de los árboles de una determinada zona a cubrir, o por encima de la copa de los árboles de la zona.

Breve descripción de los dibujos Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

La Figura 1 ilustra el diagrama de bloques del instrumento SMIGOL-reflectometer, conocido y utilizado hasta la fecha.

La Figura 2 muestra una posible configuración del reflectómetro SMIGOL de acuerdo con los principios de esta invención.

La Figura 3 muestra un ejemplo de la zona de cobertura para un reflectómetro SMIGOL con una única antena receptora a 3 metros de altura sobre el terreno.

La Figura 4 ilustra la formación de una red de tipo WSN (wireless sensor network) obtenida utilizando una pluralidad de instrumentos reflectómetro SMIGOL conforme a la presente propuesta para dar cobertura a una área extensa.

La Figura 5 muestra el diagrama de bloques del reflectómetro SMIGOL propuesto en la presente invención.

La Figura 6 muestra una antena tipo parche empleada para la recepción de señales provenientes, directa o indirectamente, de satélites de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada de unos ejemplos de realización La presente invención se basa en el Soil Moisture Interference-pattern GNSS Observations at L-band Reflectometer (SMIGOL-reflectometer) referido en el apartado de antecedentes, que es un instrumento estático de bajo coste que permite medir la topografía, la altura de la vegetación y la humedad del suelo a partir de la potencia de la señal producida por la interferencia entre las señales directa y reflejada sobre la superficie, provenientes de satélites de navegación tipo GPS, GLONASS, Galileo, etc. Actualmente, debido a que los satélites más abundantes son los GPS, el reflectómetro SMIGOL opera en la banda L1 de GPS, pero puede trabajar igualmente con otras señales de navegación.

La configuración del instrumento reflectómetro SMIGOL que se propone es totalmente versátil pudiendo dotarse al mismo de 1 ó más antenas, dependiendo de los requisitos de la zona a observar. Las antenas son independientes y pueden conectarse o desconectarse para medir un sector angular mayor o menor. La potencia de la señal recibida en cada antena es detectada por el receptor y esta información se almacena en una unidad de datos. A su vez un emisor inalámbrico se comunica con una estación base que transmite los datos a un PC, vía USB, RS-232, RS-485, o cualquier otro tipo de interfaz.

El instrumento puede conectarse a la red eléctrica o ser alimentado con un sistema de paneles solares y baterías recargables para funcionamiento autónomo.

El reflectómetro SMIGOL de esta invención está dotado de un pequeño micro-controlador de bajo coste y bajo consumo que dota al sistema de la inteligencia para gestionar la información recibida y toda la electrónica, como por ejemplo:

- Activación/desconexión de los receptores.

-Activación/desconexión del sistema de almacenamiento de datos.

- Monitorización de la tensión de alimentación.

En el caso en que el reflectómetro SMIGOL funcione en modo autónomo el sistema asegura que la tensión de la batería no cae por debajo de sus límites de funcionamiento para evitar que quede dañada.

En la Figura 1 se muestra el diagrama de bloques del instrumento SMIGOL-reflectometer, que se compone de los siguientes elementos:

(1) Alimentación del sistema y gestión de la misma para maximizar la eficiencia del sistema.

(2) Micro-controlador

(3) Receptor de señal de navegación (GPS, Galileo, GLONASS, ..)

(4) Sistema de gestión de datos

(5) Antena receptora

(6) Unidad final de almacenamiento de datos

A partir del análisis de la información recibida (periodo y amplitud de las fluctuaciones del nivel de señal) , un software específico implementa unos algoritmos de recuperación de parámetros geofísicos, que incluyen modelos de reflectividad para distintos tipos de escenarios: suelos descubierto liso o con orografía, cubierto o descubierto de vegetación, y además considera el diagrama de radiación de la (s) antena (s) . El avance de los distintos satélites de navegación a lo largo de su órbita hace que la reflexión se produzca en diferentes...

1. Sistema para la recuperación de parámetros geofísicos usando señales de satélites de navegación, que comprende:

- la utilización de un instrumento estático, instalado en el extremo de un mástil, formado por al menos una5 antena y una etapa de procesado de datos;

- medios para una medición directa así como la medición del reflejo en la superficie de dichas señales provenientes de satélites de navegación; y

- medios para la obtención de dichos parámetros geofísicos mediante algoritmos de procesado de dichas señales;

caracterizado porque dicho sistema comprende para cada instrumento la combinación de al menos dos antenas agrupadas en un mismo emplazamiento para dar total cobertura a un área circular, siendo cada una de dichas antenas de tipo parche y con una completa simetría respecto al eje vertical para la recepción de dichas señales provenientes de satélites de navegación.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que dichas antenas tipo parche son antenas sectoriales e 15 incorporan cada una a su salida una etapa de recepción y una etapa de registro de datos.

3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende cuatro de dichas antenas, distribuidas con una separación angular de 90 grados.

4. Sistema según la reivindicación 2, en el que dichas etapas de registro de datos de un mismo instrumento están conectadas, a su salida, a una etapa común de procesado de datos que implementa dichos algoritmos de 20 obtención de parámetros geofísicos.

5. Sistema según reivindicaciones de la 1 a la 4, en el que cada instrumento integra un sensor inalámbrico y porque una pluralidad de dichos instrumentos constituyen una red de sensores inalámbricos mediante métodos de comunicación inalámbrica.

Figura 1

Figura 2 Figura 3

Figura 4

Figura 5 Figura 6