Reconstruction de paramètres environnementaux à l’aide des GNSS: une opportunité pour les entreprises ? R. Warnant Professeur Université de Liège Géodésie.

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1 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

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

3 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

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

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

6 Les applications « exotiques » : Reconstruction de paramètres environnementaux

7 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

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

9 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

10 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)

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

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

13 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

14 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

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16 Active Geodetic Network (AGN)

17 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

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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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)

26 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

27 Tempête géomagnétique
sévère Ionosphère « calme »

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

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

30 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

31 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 !