Atmospheric Tomography Using Satellite Radio Signals
Authors:   , Flores Jiménez Alejandro 
Published: October 2023

Los sistemas de posicionamiento global GNSS (GPS y GLONASS) se han convertido en una herramienta básica para obtener medidas geodésicas de la Tierra y en una fuente de datos para el estudio atmosférico. Proporcionan cobertura global y permanente y por la precisión, exactitud y densidad de datos, las señales radio transmitidas pueden ser usadas para la representación espacio-temporal de la atmósfera.<br/><br/>La tecnología de los receptores GPS ha evolucionado con una sorprendente rapidez, resultando en instrumentos con suficiente calidad de medida para ser utilizados en estudios geodésicos, comparables a los resultados de técnicas como la interferometría de muy larga base (VLBI), y estudios atmosféricos cuyos resultados pueden ser usados en meteorología.<br/><br/>En la tesis Tomografía Atmosférica utilizando Señales Radio de Satélites nos hemos centrado en el uso del sistema GPS por disponer mayor cantidad y calidad de referencias y herramientas para el procesado de los datos. No obstante, se ha demostrado la posibilidad de extender el concepto a cualquier sistema de transmisión radio desde satélite como sondeador atmosférico. La estructura de la tesis se ha dividido en dos áreas: el procesado de datos GPS para extraer información referente a los parámetros atmosféricos de interés, y la aplicación de técnicas tomográficas para la resolución de problemas inversos. En particular, la tomografía se ha aplicado a la ionosfera y la atmósfera neutra. En ambos casos, los resultados tienen un innegable impacto socio-económico: a) la monitorización del estado ionosférico es fundamental por las perturbaciones que la ionosfera provoca en las transmisiones radio que la atraviesan, y b) la estimación del contenido de vapor de agua de la troposfera es de utilidad en la predicción meteorológica y climática.<br/><br/>La tomografía ionosférica se empezó a desarrollar usando únicamente datos de la red global IGS. A continuación se mejoró la resolución vertical mediante la utilización de datos de ocultaciones del experimento GPS/MET. La mejora de la resolución se ve limitada a la región en la que estos datos existen. Finalmente, se utilizaron datos de altimetría del satélite TOPEX/POSEIDON para mejorar los mapas y para demostrar la posibilidad de calibración instrumental de los altímetros radar usando técnicas tomográficas.<br/><br/>La aplicación a la troposfera se obtuvo tras la mejora y refinamiento tanto del procesado de datos GPS como del proceso de inversión tomográfica. Los primeros resultados se obtuvieron mediante los datos experimentales de la red permanente en Kilauea, Hawaii, por la configuración particular de los receptores. Estos resultados demostraban la capacidad de obtener representaciones espacio-temporales de la troposfera mediante datos GPS. El análisis de los datos de la campaña REGINA, realizada en el Onsala Space Observatory, nos permitió la descripción de un fenómeno meteorológico complejo mediante la tomografía troposférica usando datos GPS y su verificación por comparación directa con medidas realizadas por radiosondeo.<br/><br/>En conclusión, se ha demostrado la posibilidad de aplicar tomografía a la atmósfera utilizando señales radio de satélites y, en particular, la constelación GPS.
The Global Navigation Satellite Systems (GPS and GLONASS) have become a basic tool to obtain geodetic measurements of the Earth and a source of data for the atmospheric analysis. Since these systems provide a global, dense and permanent coverage with precise and accurate data, the radio signals they transmit can be used for the spatio-temporal representation of the atmosphere.<br/><br/>GPS receivers technology has evolved at a surprising pace: nowadays they have sufficient measurement quality as to be used in geodetic studies, together with other techniques such as the Very Long Base Interferometry (VLBI), and in atmospheric studies whose results can be input into meteorological analysis.<br/><br/>In the thesis "Atmospheric Tomography Using Satellite Radio Signals" we have focused on the use of GPS system due to the better quality and quantity of references and tools for the data processing. This notwithstanding, we have proven the possibility to broaden the concept to include any other radio signal transmitting satellite system as an atmospheric sounder. The thesis has been divided into two main areas: GPS data processing to extract the information related to the atmospheric parameters under study, and the implementation of tomographic techniques to the solution of the inverse problem. In particular, tomography has been applied to the ionosphere and to the neutral atmosphere. In both cases, results have a socio-economic impact: a) monitoring the ionosphere is essential for radio transmissions across it because of the perturbations it may produce on the signal, and b) estimating water vapour content in the troposphere is highly useful for meteorological and climate forecast<br/><br/>For the ionospheric tomography we initally only used the data from the global IGS network. Vertical resolution was afterwards improved using the occultation data of the GPS/MET experiment. The improvement, however, was limited to the region where these data existed. Finally, we used altimeter data from the TOPEX/POSEIDON satellite to improve the maps and to prove the radar altimeter calibration capability of the tomographic technique.<br/><br/>The application to the troposphere was possible after the improvement and refinement of both the GPS data processing and the tomographic inversion. The first results were obtained using the experimental data from the permanent network in Kilauea, Hawaii. The particular geometry of the receivers in this local network made it highly suited for these initial results, which proved the possibility of obtaining spatio-temporal representations of the troposphere using GPS data. The data analysis of the REGINA campaign, which took place at the Onsala Space Observatory, provided the description of a complex meteorological phenomenon using only GPS data tropospheric tomography. We verified the results with a direct comparison with radiosonde data.<br/><br/>Concluding, we have demonstrated the capabilities of atmospheric tomography using satellite radio signals, with particular emphasis on the GPS signals.