Retourner à la liste

Réflectométrie GNSS par mesure de phase de porteuse - Application à l'altimétrie précise à haute résolution

Description

La réflectométrie GNSS (GNSS-R) est une technique alternative d'utilisation des GNSS qui consiste à exploiter conjointement les signaux directs et réfléchis, émis en continu par les quelques 90 satellites des constellations GPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEO. Ces signaux se réfléchissent à la surface de la Terre essentiellement aux interfaces air/eau et, dans une moindre mesure, aux interfaces air/sol. L'analyse de la différence d’amplitude et/ou du retard de phase entre signaux directs et réfléchis permet de déterminer des grandeurs géophysiques de la surface de réflexion, telles la hauteur, le taux d'humidité du sol, la densité de biomasse, la présence de neige et glace. L’évolution actuelle des GNSS est favorable au développement de la réflectométrie de par la progression du nombre de satellites GNSS en visibilité simultanée, et la transmission des signaux sur deux ou trois fréquences non cryptées, permises par la modernisation de GPS et le déploiement de GALILEO. Ces signaux ont également l’intérêt d’être plus précis que les signaux GPS « historiques », en particulier le Alt-BOC de GALILEO.

Le laboratoire Géosciences Environnement de Toulouse et le service DSO/RF/STR du CNES ont mis au point et expérimenté avec succès, un récepteur GNSS logiciel bi-fréquence dédié à la réflectométrie, capable de réaliser des mesures de déphasage de porteuse entre les signaux GNSS directs et réfléchis, avec une précision inégalée d’un centimètre sur plusieurs fréquences simultanément (Lestarquit et al., 2016), récepteur qui sera utilisé comme base de traitement du signal GNSS dans cette thèse. Cette approche novatrice permet une mesure directe et précise du déphasage de porteuse en réflectométrie, là où les approches classiques basées sur les mesures de code ou du rapport signal sur bruit qui se contentent d’une estimation indirecte, sont peu précises. Les difficultés du traitement de réflectométrie GNSS résident dans la levée de l'ambiguïté entière inhérente à toute mesure de déphasage de porteuse et dans la détection des sauts de cycles, conditions essentielles pour garantir la précision et l’intégrité de mesure. La robustesse de la levée des ambiguïtés entières étant primordiale, la recherche d’algorithmes innovants qui utilisent conjointement les deux fréquences GNSS et la combinaison « wide-lane » doit être menée. Une amélioration sensible de ces algorithmes pourrait également venir de l’exploitation complémentaire des mesures de code de plus grande précision issues des signaux GNSS modernes – GPS L5, GALILEO E5a+E5b et Alt-BOC –. À l'instar du positionnement GNSS précis, une bonne estimation du retard troposphérique est primordiale pour fixer avec succès les ambiguïtés entières des mesures de phase de porteuse. En retour, l’exploitation du déphasage pourrait donner une estimation affinée du retard troposphérique, selon une approche entièrement nouvelle. Dans le cas d'un lever aéroporté de réflectométrie GNSS opéré depuis un drone aérien, un avion ou un ballon « basse couche » ou stratosphérique, la détermination de la trajectoire précise du porteur et la prise en compte de la courbure de la Terre et l'ondulation du géoïde sont absolument cruciales pour atteindre un niveau de précision d’un centimètre. C'est pourquoi l'utilisation conjointe, voire l'intégration, des traitements de réflectométrie dans le logiciel de géodésie spatiale GINS doivent être envisagées.

Le premier objectif de cette thèse est de mener l’ensemble des recherches fondamentales dédiées à la conception d’algorithmes innovants et performants pour la fixation des ambiguïtés entières des mesures de phase de porteuse, en explorant les pistes de recherche précédemment évoquées sur l’exploitation des nouveaux signaux GNSS.

L’étude des domaines de fonctionnement de la réflectométrie par mesure de déphasage de porteuse fera l’objet d’un second volet de la thèse. Il conviendra de s’interroger sur les performances de la technique en fonction du mode d’acquisition des mesures – antennes réceptrices statiques ou embarquées sur un porteur mobile – et de la nature des surfaces réfléchissantes. En plus de simulations numériques, une expérimentation concrète de la réflectométrie pour l'altimétrie des plans d'eau (océans, mers, lacs et rivières) sera menée, avec pour ambition la mesure de la hauteur d'eau avec une incertitude égale ou inférieure à un centimètre. La réalisation de levers aériens à bord de l’ATR42 de SAFIRE, voire de ballons, opérant à différentes altitudes et vitesses d’acquisition, pourra être envisagée dans ce cadre. La mise au point de protocoles de validation et d'évaluation comportant l'acquisition de hauteurs d'eau référence par des techniques classiques de topométrie, y compris le positionnement GNSS conventionnel, et sa mise en œuvre pour des levers sur des zones de test, complètera le volet expérimental important de cette thèse.

Un troisième objectif consistera en une évaluation de la qualité des autres grandeurs géophysiques estimées par la réflectométrie, tels le retard troposphérique entre le récepteur et le plan d'eau et la pente de la surface de l'eau, qui pourra être réalisée à partir des données expérimentales acquises à l’occasion des différents levers.  

Les résultats de cette thèse apporteront des informations capitales à la fois pour l'étude de faisabilité et le dimensionnement d'une future mission spatiale de réflectométrie GNSS. Ce projet de thèse s’appuie sur une synergie de compétences des laboratoires impliquées sur les applications scientifiques des GNSS, et s’appuiera sur l’utilisation des algorithmes de traitement GNSS innovants développés par le service DSO/RF/STR du CNES. 

Profil

Ingénieur ou master M2 relevant des mathématiques appliquées, de la physique fondamentale et appliquée, des sciences de l’atmosphère, ou des géosciences.

Connaissances en géodésie spatiale, en traitement des mesures pour les GNSS, en altimétrie, en modélisation de la propagation atmosphérique.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Laboratoire Géomatique & Foncier
Directeur(rice) de thèse/recherche : VERDUN Jérôme
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : jerome.verdun@lecnam.net
Responsable Cnes de l'offre : LESTARQUIT Laurent

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

Répondre à l'offre Retourner à la liste