Etude d'une méthode de sondage de la vapeur d'eau dans la troposphère appliquée à la correction de mesures GPS pour l'altimétrie de haute précision
Résumé
Since 1999, IGN (Institut Géographique National) aims at improving the accuracy of the vertical component of GPS coordinates. IGN is interested in improving GPS components accuracy for applications such as leveling network, when both short baselines and short observation sessions are involved, and more generally, for traditional GPS network in geodetic applications. The GPS signal belongs to the microwave band. As it propagates through the atmosphere, it is affected by the variation of the refractivity index of the air. Once major error sources (ionospheric delay, GPS receiver and receiver clocks, a priori variation of antenna phase center) have been corrected, the tropospheric delay remains the major error source in the GPS data processing. This tropospheric delay is divided into two contributions: the dry delay, related to the pressure an temperature variations of the dry air, and the wet delay, related to temperature and water vapor density variations. Consequently, to correct the GPS signal from the tropospheric wet delay, the water vapor distribution has to be precisely known in time and place around each GPS station to be processed. Since water vapor is both temporally and spatially variable, we chose to develop an high sensitive water vapor sensor, collocated to the GPS station to be positioned, in order to sound tropospheric water vapor variation simultaneously to GPS measurements. We chose to develop a Raman lidar which is a high spatially resolved remote sensing system. This lidar is the fruit of a collaboration between IGN/LOEMI, a laboratory specialized in instrumentation, and SA (Service d'Aéronomie, from CNRS), which deals with atmospheric dynamic and meteorology questions.
The first part of this work deals with the atmospheric water vapor, mainly its singular role in the atmosphere and its influence on the microwave signal propagation. After a review of major means of detecting water vapor, we take a particular interest in the relation between GPS and water vapor, since water vapor is not only a error source for GPS signal, but can also be a product of GPS data processing.
In a second part, we describe the lidar technique in general. After a review of the major water vapor lidar systems in action in the world, our Raman lidar is described in particular. Direct problem and precise inversion procedure are presented. Relative calibration and efforts in an absolute calibration aspects (aerosol content, overlap effect, instrumental and optical calibration) of the system are treated in detail.
In a last part, the first results obtained during the ESCOMPTE 2001 campaign and AIRS 2002 validation campaign are presented. The water vapor profiles determined from our Raman lidar are compared to other collocated water vapor measurements (WVR, Solar Spectrometer and RS). The variability of the water vapor field is analyzed and its impact on GPS signals and coordinates estimates is evaluated. We conclude on the strategy to apply for collocated measurements with GPS and a Raman lidar for high accuracy positioning. We discuss also the perspectives for the Raman lidar accuracy and other applications, such as the coupling between Raman lidar and GPS for the retrieved of water vapor in the lower troposphere (tomography).
The first part of this work deals with the atmospheric water vapor, mainly its singular role in the atmosphere and its influence on the microwave signal propagation. After a review of major means of detecting water vapor, we take a particular interest in the relation between GPS and water vapor, since water vapor is not only a error source for GPS signal, but can also be a product of GPS data processing.
In a second part, we describe the lidar technique in general. After a review of the major water vapor lidar systems in action in the world, our Raman lidar is described in particular. Direct problem and precise inversion procedure are presented. Relative calibration and efforts in an absolute calibration aspects (aerosol content, overlap effect, instrumental and optical calibration) of the system are treated in detail.
In a last part, the first results obtained during the ESCOMPTE 2001 campaign and AIRS 2002 validation campaign are presented. The water vapor profiles determined from our Raman lidar are compared to other collocated water vapor measurements (WVR, Solar Spectrometer and RS). The variability of the water vapor field is analyzed and its impact on GPS signals and coordinates estimates is evaluated. We conclude on the strategy to apply for collocated measurements with GPS and a Raman lidar for high accuracy positioning. We discuss also the perspectives for the Raman lidar accuracy and other applications, such as the coupling between Raman lidar and GPS for the retrieved of water vapor in the lower troposphere (tomography).
Réservé lors de sa mise en service aux applications militaires, le système GPS (Global Positioning System) est désormais utilisé par la communauté scientifique civile pour des applications de positionnement de précision; dans un souci d'amélioration de la précision du positionnement vertical par GPS, une action de recherche est menée conjointement depuis 1999 entre l'Institut Géographique National (IGN) et le Service d'Aéronomie (SA) du CNRS. Cette amélioration concerne la précision de la détermination du délai troposphérique (principalement dû à la présence de vapeur d'eau dont la distribution spatiale est très variable) qui limite actuellement la précision de la restitution de la composante verticale par GPS. Cette thèse porte donc sur l'étude d'une méthode de correction des mesures GPS de la propagation troposphérique et la validation du concept proposé à partir de mesures atmosphériques et de simulations numériques.
Dans un premier temps, le système GPS est présenté dans son utilisation géodésique classique; un bilan d'erreur est donné, en insistant particulièrement sur la modélisation du délai troposphérique qui intervient dans les observations GPS. L'erreur de positionnement induite par des hétérogénéités atmosphériques est estimée par simulation simplifiée de la chaîne de traitement GPS d'une ligne de base en double différence. Il en ressort qu'une correction externe des mesures GPS est nécessaire, et que les méthodes de traitement GPS actuelles (correction a priori et estimation de paramètres troposphériques) ne sont pas adaptées à des situations présentant de fortes hétérogénéités dans la distribution de vapeur d'eau atmosphérique.
Dans un second temps, l'étude se focalise sur le mode de la correction des mesures GPS à utiliser. Après une rapide revue des différentes techniques de sondage de la vapeur d'eau troposphérique, les précisions des délais troposphériques humides obtenus à partir d'une mesure résolue en distance sont comparées, par simulation, à celles obtenues à partir d'une mesure intégrée; de ces simulations, il est conclu qu'une mesure résolue (rapport de mélange ou concentration absolue), fournie par un lidar Raman à balayage, permet d'obtenir la précision sub-millimétrique visée sur le délai troposphérique humide.
Le développement instrumental d'un lidar Raman vapeur d'eau à balayage est ensuite abordé. Le principe de la mesure de vapeur d'eau par lidar Raman est présenté, et compte-tenu des configurations instrumentales existantes, des contraintes d'encombrement imposées par la mobilité du système et des performances obtenues par un simulateur développé pour l'occasion, les caractéristiques d'un nouveau système lidar Raman sont présentées. Les premiers résultats expérimentaux obtenus en visée zénithale lors de la campagne ESCOMPTE en 2001 et d'une campagne de mesure à Toulouse au CNRM en 2002 sont présentés, validant ainsi le simulateur instrumental du lidar Raman développé pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique.
Dans une dernière partie, le bénéfice d'une correction externe des mesures GPS par lidar Raman à balayage est démontré par la simulation numérique. Les observations GPS et les corrections lidar correspondantes sont calculées à partir d'une simulation de l'évolution de la distribution spatiale de la vapeur d'eau effectuée à méso-échelle par le modèle MM5. La simulation concerne une journée d'étude de la campagne IHOP (International H2O Project) pour un cas où la couche limite est très hétérogène. La stratégie d'observation est discutée en fonction de l'erreur obtenue. Il est montré que les erreurs de positionnement sub-millimétriques (environ 10 fois plus faibles que celles obtenues lors d'un traitement GPS classique) peuvent être obtenues sur une période de 24 heures, avec un balayage séquentiel et homogène de la constellation de satellites GPS (5 minutes d'observation par satellite pour des élévations supérieures à 5°).
Dans un premier temps, le système GPS est présenté dans son utilisation géodésique classique; un bilan d'erreur est donné, en insistant particulièrement sur la modélisation du délai troposphérique qui intervient dans les observations GPS. L'erreur de positionnement induite par des hétérogénéités atmosphériques est estimée par simulation simplifiée de la chaîne de traitement GPS d'une ligne de base en double différence. Il en ressort qu'une correction externe des mesures GPS est nécessaire, et que les méthodes de traitement GPS actuelles (correction a priori et estimation de paramètres troposphériques) ne sont pas adaptées à des situations présentant de fortes hétérogénéités dans la distribution de vapeur d'eau atmosphérique.
Dans un second temps, l'étude se focalise sur le mode de la correction des mesures GPS à utiliser. Après une rapide revue des différentes techniques de sondage de la vapeur d'eau troposphérique, les précisions des délais troposphériques humides obtenus à partir d'une mesure résolue en distance sont comparées, par simulation, à celles obtenues à partir d'une mesure intégrée; de ces simulations, il est conclu qu'une mesure résolue (rapport de mélange ou concentration absolue), fournie par un lidar Raman à balayage, permet d'obtenir la précision sub-millimétrique visée sur le délai troposphérique humide.
Le développement instrumental d'un lidar Raman vapeur d'eau à balayage est ensuite abordé. Le principe de la mesure de vapeur d'eau par lidar Raman est présenté, et compte-tenu des configurations instrumentales existantes, des contraintes d'encombrement imposées par la mobilité du système et des performances obtenues par un simulateur développé pour l'occasion, les caractéristiques d'un nouveau système lidar Raman sont présentées. Les premiers résultats expérimentaux obtenus en visée zénithale lors de la campagne ESCOMPTE en 2001 et d'une campagne de mesure à Toulouse au CNRM en 2002 sont présentés, validant ainsi le simulateur instrumental du lidar Raman développé pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique.
Dans une dernière partie, le bénéfice d'une correction externe des mesures GPS par lidar Raman à balayage est démontré par la simulation numérique. Les observations GPS et les corrections lidar correspondantes sont calculées à partir d'une simulation de l'évolution de la distribution spatiale de la vapeur d'eau effectuée à méso-échelle par le modèle MM5. La simulation concerne une journée d'étude de la campagne IHOP (International H2O Project) pour un cas où la couche limite est très hétérogène. La stratégie d'observation est discutée en fonction de l'erreur obtenue. Il est montré que les erreurs de positionnement sub-millimétriques (environ 10 fois plus faibles que celles obtenues lors d'un traitement GPS classique) peuvent être obtenues sur une période de 24 heures, avec un balayage séquentiel et homogène de la constellation de satellites GPS (5 minutes d'observation par satellite pour des élévations supérieures à 5°).
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