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Étude dune méthode de sondage de la vapeur deau dans la troposphère appliquée à la correction de mesure GPS pour laltimétrie de haute précision Jérôme.

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1 Étude dune méthode de sondage de la vapeur deau dans la troposphère appliquée à la correction de mesure GPS pour laltimétrie de haute précision Jérôme Tarniewicz Vendredi 25 mars 2005

2 Introduction - La problématique Pour lInstitut Géographique National + Action de recherche NIGPS: amélioration de la précision du GPS pour des applications de nivellement de précision ( entretien du réseau de nivellement… ). Pour le Service dAéronomie + Développement dun nouvel instrument de sondage de la vapeur deau: amélioration de la compréhension des processus atmosphériques dans la troposphère ( caractérisation du champ 3D de vapeur deau troposphérique, … ). But: obtenir une précision sub-millimétrique de positionnement sur la composante verticale du GPS.

3 Plan 1 – Le système GPS – Présentation, – Le délai troposphérique, 2 – Traitement de mesures GPS – Leffet des hétérogénéités atmosphériques sur le positionnement par GPS. – Mesure externe de vapeur deau atmosphérique pour la correction du délai troposphérique; comparaison de 2 techniques: radiométrie micro-onde et lidar. 3 – Un nouveau système Lidar Raman vapeur deau – Développement instrumental du système IGN/SA, – Résultats campagne de validation (CNRM2002), 4 – Correction des mesures GPS par lidar Raman vapeur deau – Apport des mesures obliques: démonstration par la simulation (cas du 29 mai 2002, IHOP2002).

4 1 - Le système GPS (Global Positionning System) – (1) Présentation du système - Conçu et entretenu par lUS Navy et lUS Army. - Complètement opérationnel en 1993/1994, - Segment spatial: - constellation de 24 satellites, - 6 orbites circulaires, déphasées de 60°, - inclinées à 55 degrés sur le plan équatorial, - altitude sol ~ km, période ~12h. - Mesure tout-temps, 24h/24h, - Signal: 2 porteuses L1 ( MHz) et L2 ( MHz), La mesure GPS en géodésie = variations de phases entre le signal GPS reçu et lOL du récepteur GPS bi-fréquence.

5 1 – Le système GPS (2) Précisions observées en positionnement géodésique ([Herring, 1999], [Dixon,1991] …) 2-5 mm en horizontal (Est et Nord), 5-15 mm en vertical (Altitude). Principe de la mesure en géodésie - mesures en mode relatif réseaux de stations GPS, - observation continue et simultanée d plusieurs satellites depuis plusieurs récepteurs, - sessions dobservations continues, de quelques heures (nivellement de précision) à quelques jours (géodésie), - différenciation de mesures : simples (SD), doubles (DD) et triples différences (TD), - traitement des données a posteriori. Méthode dinversion - coordonnées (X,Y,Z), - paramètres troposphériques + (gradients)

6 1 – Le système GPS (3) – équation dobservation Équation simplifiée dobservation de la phase ([Wells, 1986],[Santerre, 1991], …) : décalage dhorloge (récepteur et satellites) traitement différentiel (SD et DD), : ambiguïtés pré-traitement, : délai ionosphérique pré-traitement (combinaison de phase), : bruit de mesure négligeable (0.2 mm rms sur 1s). coordonnées (X,Y,Z)observable GPSà corriger Effet résiduel prépondérant : le délai troposphérique

7 1 – Le délai troposphérique (1) – Origine physique et équation Retard de propagation Courbure de la trajectoire Réfractivité [Thayer, 1974] Densité totale de lairDensité de vapeur deau ( k 1, k 2 et k 3 = cste)

8 Composante hydrostatique et humide du délai troposphérique Fonction angulaire de projection ([Niell, 1996], …) Délai hydrostatique (ZHD) ~ 2,30 m au zénith, variation temporelle lente (1 cm / 6 h ). fonction de la pression au sol, et de la latitude du site, Délai humide (ZWD) jusquà 20 cm à nos latitudes, au zénith, très peu corrélé avec des données météorologiques de surface, variation temporelle et spatiale rapide (5-10 cm / heure), fonction de la température et de la densité de vapeur deau le long de la trajectoire du signal. 1 – Le délai troposphérique (2) [Saastamoinen, 1973] Mesure de eau et T modélisable

9 2 possibilités pour réduire les erreurs troposphériques dans le traitement des mesures GPS : Correction a priori du délai zénithal hydrostatique (ZHD) + Estimation de paramètres troposphériques zénithaux humide (ZWD) par ajustement par moindre carrés Correction a priori ou précise du délai hydrostatique (ZWD) + Correction externe du délai humide (SWD) par un instrument de mesure de la vapeur deau 1 – Le délai troposphérique (3) – traitement Précisions de positionnement (altitude), sur des cas favorables de couplage WVR/GPS: mm rms (50 km) [Ware et al., 1993], - 5 mm de répétabilité (180 km) [Glaus et al., 1995], mm rms (43 km) [Alber et al., 1997]. Traitement standard 5-15 mm en altitude [Herring, 1999]

10 2 – Hétérogénéité atmosphérique (1) Illustration par la mesure (Campagne IHOP – 29 mai 2002 Lidar DIAL Leandre2)

11 2 – Traitement GPS standard (1) Hypothèses : - Une seule des deux extrémités de la ligne de base est perturbée, - Positions stations et satellites GPS connues, - Atmosphère stratifiée: fonction angulaire a priori: 1 / cos Étude dimpact dhétérogénéités atmosphériques sur le positionnement GPS par la simulation Origine physique : thermiques et rouleaux [Lenschow ans Stephens, 1980], [Weckwerth et al., 1996] - durée de vie courte (10-30 min), - extension horizontale 100 m - 1 km, - variation du rapport de mélange : 0,2 - 2 g/kg, - vitesse de défilement : 2-3 m/s.

12 2 – Traitement GPS standard (2) Une modélisation simple datmosphère: - perturbations sphériques ( rayon = 500 m, altitude = 1 km ), - gradient dindice avec le milieu extérieur : 10 ppm ( ~1,5 g/kg soit 1 cm de ZTD ), - cas statiques et cas dynamiques ( v défilement = 2 m/s ). Simulation de mesures GPS dans cet atmosphère et inversion: - méthode de Santerre [1991], - module GPSSIM du Bernese GPS Software 4.0.

13 2 – Traitement GPS standard (3) – Résultats – sessions longues (24H) Avec estimation des paramètres troposphériques Sans estimation paramètres troposphériques GRL [Bock, 2001] 1 sphère décalée de 250 m au sud de la station GPS 9 sphères centrées, espacées de 2 km 1 sphère centré au zénith du GPS Estimation de 1 paramètre tropo. / 1H (session courte) =1.6 mm, max = 15 mm

14 2 – Traitement GPS standard (4) – Conclusions Présence dhétérogénéités + estimation de paramètres tropo. : - jusquà 15 mm derreur en vertical (session horaire), - - ~2-8 mm pour des sessions longues (24h) avec un cut-off de 10°, = dégradation de la précision en z avec estimation de paramètres troposphériques, Fonctions de projections inadaptées aux variations spatiales du délai humide. Nécessité dune correction du délai humide, externe au traitement GPS mesure externe de vapeur deau (WVR ou lidar?)

15 Correction a priori ou précise du délai hydrostatique (ZWD) + Correction externe du délai humide (SWD) par un instrument de mesure de la vapeur deau 2 – Traitement GPS avec correction externe du délai Précisions de positionnement (altitude), sur des cas favorables: mm rms (50 km) [Ware et al., 1993], - 5 mm de répétabilité (180 km) [Glaus et al., 1995], mm rms (43 km) [Alber et al., 1997]. Évaluation des performances (moyenne) de restitutions du délai humide par radiométrie micro-onde, avec un lidar. Est – il possible daméliorer ces précisions? - Sélection de 11 jours (automne 95 et printemps 96) sur des conditions météorologiques favorables, - 6 mm en traitement classique,

16 Lobservable en radiométrie micro-onde (bi-fréquence) Simulation directe et inversion 1.X rad simulés à partir dun ensemble de radiosondage, 2.Calcul de délais humides L w correspondants à partir de ces même radiosondages, 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (1) Dépend de la concentration de vapeur deau [Elgered, 1993] Restitution du délai humide à partir de X rad Fonction de pondération [Wu, 1979]

17 Erreurs de restitution (en terme de délai humide) = L w,rad - L w - Erreurs détalonnage 0.5 K soit 2-3 mm de ZWD [Liljegren, 1994]. - Modèle dabsorption 2-3 % sur ZWD [Cruz-Pol et al., 1998] - Largeur du lobe de réception et direction de pointage 3.5% de ZWD [Liljegren, 2000] (aux élévations basses). 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (2) X rad inversés en L w,rad et comparés aux vrais délais humides L w. Paramètres - Radiomètre bi-fréquence (20, 30 GHz), - Modèle dabsorption Liebe87, version abrégée [Kheim et al., 2001], - Radiosondages HR (50 m) sur Milan (MAP) et Pau (PYREX): au total 164 profils. Autres sources derreurs ~5-20 mm sur le délai zénithal x3 en altitude

18 Précisions expérimentales obtenues en radiométrie micro-onde (en mm de délai humide) 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (3) Résultats consistants avec les simulations précédentes

19 - Précisions millimétriques à centimétriques sur les délais humides avec un radiomètre micro-onde, - Biais très variable car fonction des conditions météorologiques W m non représentative de la variation instantanée du profil de vapeur deau, - En présence dhétérogénéités atmosphériques, les délais humides restitués sont biaisés. profil étalonné avec bonne résolution spatiale dans la CL LIDAR 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (4) – conclusions

20 (Campagne IHOP – 29 mai 2002 Lidar DIAL Leandre2)

21 - Précisions millimétriques à centimétriques sur les délais humides avec un radiomètre micro-onde, - Biais très variable car fonction des conditions météorologiques W m non représentative de la variation instantanée du profil de vapeur deau, - En présence dhétérogénéités atmosphériques, les délais humides restitués sont biaisés. profil étalonné avec bonne résolution spatiale dans la CL LIDAR 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (4) – conclusions

22 2 – Lidar (1) - Système lidar profileurs : lidar DIAL ou Raman. - Grandeurs restituées par un lidar: rapport de mélange r ou eau. - Grandeurs nécessaires pour le calcul de délai humide: T et densité de vapeur deau eau. Précision de restitution du délai humide à partir de r? de eau et T? Paramètres - Radiosondages HR sur Milan & Medicina (50 m) et Toulouse (25 m), - T RS et RS peuvent varier en temps/distance par rapport au lidar Raman. Simulation des performances dun lidar pour la restitution dun délai humide: 3 cas.

23 2 – Lidar (2) Estimation du délai troposphérique humide Lidar + étalonnage absolu = précision millimétrique Lidar + étalonnage absolu + RS coloc. = précision sub-millimétrique - Etalonnage : ~ 2-5% sur r ~ mm sur L w - Précision altimétrique de mm en GPS avec un lidar. Lidar Raman d 1 = 214 km Influence de lécart en temps/distance de T et par rapport au lidar

24 3 – Lidar Raman principe diffusion Raman : Décalage en fréquence spécifique à la molécule diffusante H 2 O décalage= 3652 cm -1 0 = 355 / 532 nm raman = 407 / 660,3 nm N 2 décalage= 2330,1 cm -1 0 = 355 / 532 nm raman = 386,7 / 607,3 nm

25 3 – Lidar IGN/SA (1) – Principe de fonctionnement du système

26 3 – Lidar IGN/SA (2) Deux signaux (N 2 et H 2 O) en comptage de photons, à 7.5 m de résolution nominale

27 3 – Lidar IGN/SA (3) – restitution du rapport de mélange définition signaux lidar restitution étalonnage Étalonnage labomesureModèle (Modtran + Rayleigh) [Penney & Lapp, 1976] Mesure lidar + dé-saturation des signaux, + lissage par sommation spatiale ( m) pour maintenir un RSB>5.

28 3 – Lidar IGN/SA (4) – résultats: comparaison avec RS co-localisé oct (nuit) - profils à 20 min m - 21 oct. – 1er Nov (CNRM, Toulouse) - 11 nuits de mesures complètes

29 3 – Lidar IGN/SA (4) – résultats: série temporelle oct (nuit) - profils à 5 min m Structure et évolution de la concentration en vapeur deau dans la CL.

30 Système opérationnel transportable (camion), Performances actuelles (de nuit, en visée zénithale) : Portée 6-7 km, résolution de 50 m, 20 min, ~10% décart avec RS à 6000 m (optimisée avec réglage du tirage). Étalonnage / RS: écart type de 5% sur la campagne 2002 ( m par ciel clair, 11 nuits de mesures) erreur liée à celle du RS et à la répétabilité de la mesure lidar (variation entre deux étalonnages) Mesure de rapport de mélange précise de 5 à 10 %, sur la portée du système par rapport au RS Portée 6 km (V.Z.) = ~90%, et 7 km = ~95-99% de la vapeur deau troposphérique au zénith. Complément de mesure : modèle météorologique, climatologie, RS, satellite… erreur résiduelle ~ 1 à 2 % Améliorer les performances : étalonnage absolu, portée 3 – Lidar IGN/SA (5) – Conclusions

31 4 – Mesures obliques par lidar Raman (1) – Principe GPS 1 Station à positionner Station du réseau GPS 2 GPS 3 Signal GPS à corriger - Quelle séquence de balayage appliquer? - Durée dobservation? Simulation sur une journée présentant une variabilité atmosphérique marquée

32 4 – Mesures obliques par lidar Raman (2) P3 : vols Est-Ouest avec le DIAL Leandre2 FALCON : vols Nord-sud avec le DIAL DLR. ~490 km ~400 km Description dun cas hétérogène observé par deux lidar aéroportés (Campagne IHOP_2002, cas du 29 mai 2002)

33 4 – Mesures obliques par lidar Raman (3) – MM5 MM5 (Mesoscale Model version 5) + Champs P, T, et r sur 24 échéances horaires,+ Domaine : maille = 78 x 93, + Résolution horizontale 5 km,+ 43 niveaux entre le sol et ~15 km, + Résolution verticale 12 m 1km, MM5 – coupe horizontale niveau 34 (~500 m) Simulation MM5: S. Bastin, 2004

34 4 – Mesures obliques par lidar Raman (4) – MM5 MM5 – coupe verticale Est-ouest centré sur Homestead MM5 – coupe verticale nord-sud centré sur Homestead Simulation MM5: S. Bastin, 2004

35 4 – Mesures obliques par lidar Raman (5) – Simulation de mesures lidar et GPS Mesures GPS simulées GPS à 30 sec parfait (Bernese GPS software). Ajout délai tropo. humide oblique (MM5). Mesures lidar simulées Lidar Raman à 5 min, portée 5 km et complété sans erreur. selon 3 configurations de balayage lidar: 1. 1H/satellite GPS, 2. 5 min/satellite GPS et el>5°, 3. 5 min/satellite GPS et el>30°, Homestead 400 km 490 km NordEst 43 niveaux MM5 Traitements GPS 2 stratégies: 1.GPS classique: estimation ZWD horaire, Wet Niell, el>5° et 30°. 2.GPS avec correction lidar (sans estimation de ZWD): 3 configurations lidar.

36 4 – Mesures obliques par lidar Raman (6) – Simulation : résultats 1.Lidar Raman, 5 min/sat. GPS, el>30°, 2.Lidar Raman, 5 min/sat. GPS, el>30°, 2% de biais, 3.Radiomètre vapeur deau (23.8, 31.5 GHz), balayage 5 min, 4.GPS classique: 1 para. tropo/1H, fonction angulaire Wet Niell, el>30°, 5.GPS classique: 1 para. tropo/1H, fonction angulaire Wet Niell, el>5°, 6.GPS classique: 1 para. tropo/1H, fonction angulaire 1/cos, el>5°, 7.Pas destimation de para. tropo. 1.1H/satellite GPS, 2.5 min/satellite GPS, el>5° 3.5 min/satellite GPS, el>30°

37 Conclusions Mise en évidence leffet dhétérogénéités du champ 3D de vapeur deau sur le positionnement par GPS, La radiométrie vapeur deau ne permet pas une restitution suffisamment précise du délai humide pour lobtention dun positionnement altimétrique sub-millimétrique, La technique lidar est la mieux adaptée à la mesure de lanisotropie du champ de vapeur deau en vue dune utilisation en altimétrie de précision, Développement et test dun système opérationnel en visée zénithale, de nuit, transportable – Portée 6-7 km, ~10% décart avec RS % de précision Lapport dun lidar Raman à balayage a été démontré par simulation numérique: la barre des 1 mm de précision en vertical peut être franchie en améliorant encore les performances.

38 Perspectives … instrumental - Tests du système de balayage effectués : automatisation, …, - Passage à des mesures 24/24h (de jour), - Mise en place des méthodes détalonnage absolu, - Amélioration de la portée. … méthodologique - Intégration des corrections lidar dans le traitement des mesures GPS, - Déterminer le complément à utiliser au-delà de la portée du système, … scientifique - Applications en géodésie (couplage GPS/lidar), - Campagne de mesure de vapeur deau (SIRTA, …). Dun point de vue…


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