Estimation du contenu int´ egr´ e en vapeur d’eau troposph´ erique par GPS emba

Estimation du contenu int´ egr´ e en vapeur d’eau troposph´ erique par GPS embarqu´ e Bertrand Lagnoux To cite this version: Bertrand Lagnoux. Estimation du contenu int´ egr´ e en vapeur d’eau troposph´ erique par GPS embarqu´ e. Engineering Sciences. 2013. <dumas-00941611> HAL Id: dumas-00941611 http://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-00941611 Submitted on 4 Feb 2014 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es.   CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS ECOLE SUPERIEURE DES GEOMETRES ET TOPOGRAPHES MEMOIRE présenté en vue d'obtenir le DIPLOME D'INGENIEUR GEOMETRE TOPOGRAPHE par Bertrand LAGNOUX ___________________ Estimation du contenu intégré en vapeur d'eau troposphérique par GPS embarqué Soutenu le 11 juillet 2013 _________________ JURY PRESIDENT : Monsieur Jérôme VERDUN Maitre de conférence à l’ESGT, Gravimétrie. MEMBRES : Monsieur Cédric CHAMPOLLION Maitre de conférence, Laboratoire Géosciences Montpellier, UM2/CNRS. Monsieur Laurent MOREL Maitre de Conférence à l'ESGT Géodésie, Photogrammétrie Madame Joëlle NICOLAS –DUROY Maitre de Conférence à l'ESGT Géodésie, Physique. ENCADRANT : Monsieur Erik DOERFLINGER Ingénieur de recherche, Laboratoire Géosciences Montpellier, UM2/CNRS           Je souhaite tout d’abord remercier mes maitres de stage Erik DOERFLINGER et Cédric CHAMPOLLION qui m’ont consacré de leur temps pour me guider, me conseiller et qui ont toujours été présents pour répondre à mes questions tout au long de mon stage. Je leur suis également reconnaissant de m’avoir permis de découvrir plus particulièrement leur domaine de recherches au travers de conférences ou de sorties sur le terrain. Je voudrai dire merci à Stéphane MAZZOTTI qui m’a permis de comprendre rapidement le fonctionnement du logiciel GPSPPP. D’autre part, j’aimerai aussi remercier Philippe COLLARD qui m’a permis de participer à l’installation et à la maintenance de stations GPS permanentes. Plus généralement, je remercie le laboratoire de Géosciences Montpellier pour son accueil et toute son implication.                 AJA2 : Station GPS fixe d’Ajaccio APPS : Automated Precise Positioning Service DORIS: Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by satellite ERP: Earth rotation Parameter FES 2004 : Finite Element Solution (modèle de surcharges océaniques) GALILEO : Système de positionnement GPS Européen GIEC : Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat GLONASS : Système global de navigation satellitaire Russe GMF : Global Mapping Function GNSS : Global Navigation Satellite System GPS : Global Positioning System : Système global de navigation satellitaire des Etats-Unis HyMEX: Hydrological cycle in the Mediterraneen EXperiment IGN : Institut Géographique National IGS : International GNSS Service ITRF : International Terrestrial Reference Frame ITRS : International Terrestrial Reference System MARS : Station GPS fixe de MARS NIOL : Station GPS cinématique du bateau Marfret Niolon PPP : Precise Point Positioning RENAG : REseau NAtional GPS permanent RINEX : Receiver Independant EXchange Format RNCan : Laboratoire des Ressources Naturelles du Canada SLR : Satellite Laser Ranging SNCM: Société Nationale Corse Méditerranée TEQC : Translating, Editing and Quality Check VAPI : Station GPS cinématique du bateau Paglia Orba VAPIMED : Vapeur d’eau, Pluies Intenses en MEDiterranée VLBI : Very Long Base Interferometry VMF : Vienna Mapping Function ZTD : Zenithal Total Delay       • GNSS (Global Navigation Satellite System): il comprend l’ensemble des systèmes de navigation satellite (GPS, GLONASS, GALILEO). • RINEX (Receiver Independant EXchange Format) : format de fichiers d’observations GPS indépendant du récepteur GPS. Il a été développé dans le but d’uniformiser les données d’observations GPS des différents fabricants. • La troposphère : partie de l’atmosphère comprise entre le sol et 17km d’altitude environ. Son épaisseur est différente au pôle et à l’équateur, elle est plus épaisse à l’équateur. Elle représente environ 80% de la masse totale de l’atmosphère. C’est dans cette couche que se déroule la plupart des phénomènes météorologiques. Le cycle de l’eau peut donc se produire dans la troposphère, car il y a une masse importante en vapeur d’eau.            Introduction .............................................................................................................................. 7 1. Principe du traitement GPS pour l’estimation du délai troposphérique par GPS. ...... 9 1.1. Le positionnement par GPS ............................................................................................ 9 1.1.1. La mesure de pseudo-distance ............................................................................................ 9 1.1.2. La mesure de la phase ......................................................................................................... 9 1.1.3. Le positionnement absolu traditionnel .............................................................................. 10 1.1.4. Le positionnement relatif .................................................................................................. 10 1.1.5. Le positionnement absolu avec la méthode PPP ............................................................... 11 1.2. Le référentiel utilisé ...................................................................................................... 12 1.3. Les erreurs .................................................................................................................... 13 1.4. L’estimation du retard troposphérique ......................................................................... 15 2. Validation du traitement GPSPPP ................................................................................... 18 2.1. Présentation du logiciel ................................................................................................ 18 2.2. La campagne VAPIMED ............................................................................................. 19 2.3. Tests internes du logiciel .............................................................................................. 20 2.3.1. Influence des paramètres de rotation de la Terre (ERP : Earth Rotation parameter) ........ 20 2.3.2. Influence de la fonction de projection .............................................................................. 21 2.3.3. Evolution à long terme des coordonnées de la station de Marseille ................................. 22 2.4. Positionnement d'un point avec GPSPPP ..................................................................... 24 2.4.1. Paramétrages des calculs................................................................................................... 24 2.4.2. Test externes statiques ...................................................................................................... 25 2.4.3. Tests externes cinématiques .............................................................................................. 27 2.5. Les délais zénithaux totaux .......................................................................................... 29 2.5.1. Tests externes statiques ..................................................................................................... 30 2.5.2. Tests externes cinématiques .............................................................................................. 32 2.5.3. Les données issues du bateau ............................................................................................ 33 2.5.4. Optimisation des résultats ................................................................................................. 35 2.6. Conclusion des différents tests ..................................................................................... 38 3. Traitement de la campagne HyMex ................................................................................. 40   3.1. Installation du récepteur et récupération des données sur le bateau ............................. 41 3.2. Traitement des données avec les paramètres de la campagne VAPIMED ................... 42 3.3. Recherche des erreurs ................................................................................................... 42 3.3.1. Visualisation des erreurs sur les composantes Nord, Est et altitude ................................. 43 3.3.2. Visualisation des erreurs des ZTD des fichiers non concaténés sur une journée .............. 43 3.3.3. Sélection d’une zone d’étude ............................................................................................ 44 3.4. Solution proposée ......................................................................................................... 50 3.5. Calcul de la campagne avec la mise à jour de GPSPPP ............................................... 50 Conclusion ............................................................................................................................... 53 Bibliographie ........................................................................................................................... 55 Annexe 1a ............................................................................................................................... 60 Annexe 1b ................................................................................................................................ 60 Annexe 1c ................................................................................................................................ 61 Annexe 2 .................................................................................................................................. 62 Index des figures ..................................................................................................................... 64 Index des tables ....................................................................................................................... 66 Index des illustrations ............................................................................................................ 66          Le laboratoire Géosciences Montpellier réalise des recherches en géologie, en géodynamique et en géodésie. Le but de ces recherches est de développer des nouvelles connaissances sur la dynamique interne et externe de la Terre, mais aussi de mieux comprendre les aléas naturels et de mieux gérer l'environnement et les ressources minérales. Dans le golfe du lion et plus précisément sur les départements de l'Hérault, du Gard, de l'Aude et de La Lozère ont lieu principalement à l'automne des évènements météorologiques spécifiques appelés épisodes Cévenols. Ils sont caractérisés par des pluies intenses d'une durée de deux à trois jours avec cumuls deux à trois fois supérieurs aux moyennes mensuelles. La région de la Méditerranée est aussi touchée par des crues éclairs en automne, par de forts vents et de grosses houles en hiver, par des vagues de chaleur et de sècheresse en été. Il est difficile de prévoir ces évènements atypiques qui causent des dégâts humains et matériels. Le laboratoire est impliqué dans la campagne HyMex (HYdrological cycle in the Mediterranean EXperiment ; Expérience sur le cycle hydrologique méditerranéen) qui se situe en méditerranée occidentale. L'un des objectifs primordial du programme HyMex est de comprendre et prévoir ces épisodes Cévenols. Un moyen d’améliorer les prévisions serait d’utiliser les estimations de quantité en vapeur d'eau dans l’atmosphère par GPS. En effet, le GPS est l'un des seuls instruments de mesure de vapeur d'eau fonctionnel même en présence de nuages dans l'atmosphère. Une partie des mesures de cette campagne sont des mesures GPS embarquées sur un ferry qui fait des liaisons entre plusieurs pays se situant en périphérie de la méditerranée. L’intérêt des mesures en pleine mer est majeur car c’est une des lacunes des systèmes d’observation météorologique. Il faudra donc tenter de modéliser ces épisodes à partir de différentes campagnes de mesures. La finalité de ce projet est d’affiner les prévisions météorologiques, celles-ci seront un atout pour alerter la population habitant dans ces zones côtières de la mer méditerranée, afin de permettre, en cas extrême l’évacuation de la population vivant dans les zones inondables lors de crues éclairs dans ces régions. Ces dernières décennies le GPS (Global Positioning System ; Système de positionnement mondial) a bénéficié d'une évolution constante. Celle-ci a commencé dans le contexte de la guerre froide et des besoins militaires de positionnement avec le premier lancement de satellite GPS en 1978 par le pentagone. Le système est opérationnel pour les civils depuis 1994, avec une constellation de 28 satellites GPS, suite à un avion uploads/Geographie/lagnoux-bertrand.pdf

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