Reconstruction de paramètres environnementaux à l’aide des GNSS: une opportunité pour les entreprises ? R. Warnant Professeur Université de Liège Géodésie et positionnement par satellites Chef de section ff. Institut royal météorologique

Les applications « classiques » : De la navigation à la géodésie

De la navigation … Fin des années 70 : GPS, un système destiné à la navigation terrestre, maritime et aérienne (militaire) Niveau de précision volontairement limité (20 à 200 m) pour les utilisateurs non-militaires

… À la géodésie A partir des années 80, calcul de positions très précises en géodésie 1985: 10 cm 2010: quelques mm

Une infinité d’applications Aujourd’hui, un spectre continu d’applications dont la précision varie de quelques mm à une dizaine de m

Les applications « exotiques » : Reconstruction de paramètres environnementaux

Les « erreurs » atmosphériques L’atmosphère affecte la propagation des signaux GNSS (principalement modification de la vitesse) Effet de l’ionosphère (électrons libres)  erreur ionosphérique Effet de l’atmosphère neutre (vapeur d’eau)  erreur troposphérique

Les signaux réfléchis Les signaux réfléchis interfèrent avec le signal direct Erreur sur la position

Les erreurs atmosphériques dépendent des propriétés de l’atmosphère Erreur ou signal ? Les erreurs atmosphériques dépendent des propriétés de l’atmosphère Atmosphère neutre: vapeur d’eau Ionosphère : électrons libres Les propriétés des signaux réfléchis dépendent des propriétés des objets réfléchissants

Résolution du problème inverse Si la position de l’utilisateur est connue, il est possible de reconstruire de l’information sur: La vapeur d’eau dans l’atmosphère neutre Les électrons libres dans l’ionosphère Les propriétés des objets réfléchissants (sol, océan)

GNSS-R(eflectometry) : le principe Observation simultanée des signaux directs et réfléchis A l’aide d’antennes au sol

GNSS-R : le principe Observation simultanée des signaux directs et réfléchis A l’aide de satellites en orbite basse

GNSS-R : applications Surface et hauteur des océans (altimétrie) Mesure des courants, direction des vents Hauteur du niveau d’eau d’un barrage Mesure de l’humidité du sol

Atmosphère neutre Reconstruction du contenu en vapeur d’eau de l’atmosphère neutre Applications: météorologie (prévision du temps, validation de modèles météo, …) climatologie (évolution du climat, …) Aucun dispositif expérimental particulier n’est nécessaire Pas besoin de stations dédiées: on peut utiliser les stations existantes

Active Geodetic Network (AGN)

Structures locales dans la vapeur d’eau Développement d’un logiciel permettant de détecter la présence de structures locales dans la vapeur d’eau détection de « zones humides » Ces zones influencent la précision des positions GNSS Ces zones jouent un rôle dans le déclenchement d’orages

Vapeur d’eau: tomographie Réseaux denses de stations Reconstruction 3D de la densité de vapeur d’eau

Passage d’une zone de précipitations Densité de vapeur d’eau en g/m3. Coupe horizontale à 500 m d’altitude. Précipitation radar en mm/h 1 2 8 6 4 3 5 7 Echelle de temps en heure 1 2 8 6 4 3 5 7 Echelle de temps en heure

Précipitation radar en mm/h Coupe verticale Est-Ouest de la densité de vapeur d’eau en g/m3. 1 2 8 6 4 3 5 7 Echelle de temps en heure

Ionosphère Reconstruction du Total Electron Content ou TEC de l’ionosphère Le TEC est l’intégrale de la densité d’électrons libres sur le chemin satellite-récepteur

Total Electron Content Le TEC peut être reconstruit sur base de mesures GNSS (pas besoin de stations dédiées) On exploite le caractère dispersif de l’ionosphère : les temps de propagation des 2 fréquences dans l’ionosphère sont différents TEC est un paramètre clef Pour la correction de l’erreur ionosphérique Pour la recherche en physique de l’ionosphère

Monitoring de l’erreur ionosphérique L’activité solaire peut fortement perturber les GNSS Eruptions solaires  fortes perturbations dans l’ionosphère Dégradations extrêmes pour certaines applications à l’insu des utilisateurs ! Critique pour certaines applications (SoL)

Logiciel RTK Développement d’un logiciel qui « reproduit » les conditions de travail d’un utilisateur du RTK sur le terrain Utilisation des stations des l’AGN pour simuler « station de référence » et « user » Permet une estimation quantitative de l’effet de l’ionosphère  informer les utilisateurs

Tempête géomagnétique sévère Ionosphère « calme »

http://swans.meteo.be (en construction)

Total Electron Content et séismologie Effets (pré- ???) et post-sismiques détectables dans l’ionosphère

Valeur ajoutée de Galileo Plus de signaux différents, signaux de meilleure « qualité » Meilleure précision pour la reconstruction du contenu en vapeur d’eau et du TEC Plus de satellites (combinaison des différents GNSS) Meilleure résolution spatio-temporelle

Conclusions Les GNSS ne sont bien plus que des systèmes de positionnement : possibilité de reconstruire des paramètres environnementaux Les applications scientifiques d’aujourd’hui donneront naissance aux applications commerciales de demain Il existe une expertise dans ce domaine en Belgique !