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 : 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°).
Type de document :
Thèse
Autre. Université de Versailles-Saint Quentin en Yvelines, 2005. Français
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Contributeur : Jérôme Tarniewicz <>
Soumis le : lundi 13 mars 2006 - 12:43:06
Dernière modification le : jeudi 11 janvier 2018 - 06:18:19
Document(s) archivé(s) le : samedi 3 avril 2010 - 21:27:22

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Jérôme Tarniewicz. 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. Autre. Université de Versailles-Saint Quentin en Yvelines, 2005. Français. 〈tel-00011934〉

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