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Traitement du signal innovant pour la télédétection par GNSS

Description

Motivation :

La réflectométrie GNSS (GNSS-R) est une application originale des signaux des 95 satellites GNSS des constellations GPS/GLONASS/BEIDOU/GALILEO: exploiter conjointement les signaux directs et réfléchis sur la surface de la terre pour déterminer les paramètres géophysique de la surface de réflexion ainsi que de la couche atmosphérique additionnelle traversée. Ces signaux réfléchis sont particulièrement marqués sur les surfaces en eau ou en glace. Le récepteur peut être situé à toutes altitudes : du sol au satellite en orbite  basse, on s’interressera ici essentiellement aux usages aéroportés. Deux grands type de mesures peuvent être réalisées : des mesures de puissance relatives entre signaux direct et réfléchis à partir desquels peuvent être déduit par exemple la rugosité et par extension le vent de surface (c’est la mission CYGNSS), et aussi des mesures de retard relatifs entre signaux directs et réfléchis, dont il est ici l’objet.

Lors de travaux internes, le service DSO/RF/STR à mis au point et implémenté sur un récepteur GNSS logiciel une technique originale réalisant des mesures par phase de porteuse avec une précision inférieure ou égale au centimètre [1], la où les mesures classiques avec le code standard du GPS ne sont précises qu’à plusieurs mètres, au prix cependant d’une ambiguïté à lever, à l’instar des problématiques rencontrées en positionnement précis GNSS.

Début 2019, la constellation GALILEO sera complètement déployée, et les premiers satellites GPS de nouvelle génération (block III)  seront lancés. Cette arrivée de nouveaux signaux offrent à l’utilisateur civil des signaux multi-fréquence d’une précision inégalés qui permettent d’envisager des traitements du signal inédits pour la réflectométrie GNSS, tel que l’usage du Alt-BOC ou de méta signaux.

Objectif général  :

L’objectif général dans lequel s’insère cette thèse est la détermination de méthode innovantes pour réaliser des mesures précises et robustes de différence de trajet entre voies directe et réfléchie, de manière à déterminer les paramètres géophysiques de la surface de réflexion : altitude et pente du géoïde, ainsi que le retard troposphérique entre le sol et le récepteur, ce qui peut être exploité dans des domaines de tomographie atmosphérique et météorologie.

Cette thèse se focalisera en particulier sur l’étude, la recherche, la mise au point et la caractérisation d’algorithmes et méthodes de traitement du signal précises et robustes. Partant du travail déjà réalisée sur la phase de porteuse [1-2] dont les points faibles sont d’être ambiguës et peu robuste, on cherchera à obtenir une mesure ne présentant pas ces inconvénients en tirant avantage des signaux GNSS modernisés. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse principalement à l'utilisation pour la réflectométrie des nouveaux signaux Galileo, en particulier le Alt-BOC ainsi qu’aux traitements innovants permis par la diversité de fréquence.. Des signaux collectés lors de campagnes aéroportées (ballon, avion ou drone) seront utilisés afin de caractériser la robustesse des diverses techniques en environnement réel dans diverses conditions d’usage.

Objectifs détaillés et plan de travail

Le point de départ est la compréhension de l’architecture d’un récepteur GNSS (acquisition, poursuite et calcul d’observables) et les différentes techniques d’estimation de phase et délai, ainsi que les méthodes pour combiner les voies directe et réfléchie, afin que le candidat obtienne les compétences requises en traitement du signal GNSS et en réflectométrie. Au niveau système, dans un premier temps il faudra compléter l’implémentation, de manière progressive, du traitement de réflectométrie GNSS de code et de phase de porteuse pour tous les signaux GPS, Galileo et SBAS existants : GPS L1 C/A, L2C, L5, Galileo E1B, E5a et E5 AltBOC (ce qui est déjà réalisé pour L1, L2C et E1B). On prêtera une attention particulière au Alt-BOC GALILEO. On s’intéressera ensuite aux méta-signaux, qui sont la combinaison de 2 fréquences GNSS arbitraires traitées comme un signal unique, cela permettant de réaliser directement des mesures de battement entre 2 fréquence. Le Alt-BOC est un cas particulier de méta-signal GNSS.

Pour les différents signaux, il faudra analyser et caractériser la qualité de la mesure, et si besoin optimiser les paramètres du récepteur et/ou développer des techniques d’estimation robuste avancées [3] vis-à-vis des problématiques suivantes : i) contamination de la voie réfléchie par le signal direct et vice-versa, ii) hauteur et vitesse du porteur, iii) détection et correction des éventuels sauts de cycle de phase selon l’état de surface de plan d’eau analysé. Aussi, dans les configurations où c’est possible, il faudra étudier comment lever l’ambigüité de porteuse et/ou sous porteuse à partir de mesures de code sans modélisation géophysique avancée. Dans ce cadre, on peut prendre en compte plusieurs problématiques : i) biais instrumentaux inter-signaux et inter-fréquence, ii) diagramme de gain et loi de phase des antennes utilisées aux diverses fréquences d’intérêt (le CNES possède une BCMA permettant la mesure des centres et loi de phase des antennes), et iii) correction du différentiel de retard ionosphérique entre les signaux directs et réfléchis dans le cas de porteurs à très haute altitude.

Dans la suite on détaille plusieurs étapes qui pourront être envisagés selon les résultats obtenus dans la première partie des études :

 

Réflectométrie bi-fréquence GPS L1/L5 (+SBAS) et/ou Galileo E1/E5a :

Les mesures faites sur les phases de porteuse sont ambigües. Aux fréquences GPS L1 et L2, les mesures de code sont trop imprécise pour permettre le lever d’ambiguïté sans modélisation géophysique, par contre on pourra  étudier la possibilité de réaliser le levée d’ambigüité en utilisant le signal seul en s’appuyant sur les mesures des codes GPS L5 et Galileo E5a. Ces codes sont non ambiguës et 10 fois plus précis que l’actuel code C/A GPS.

Étude de la potentialité du Galileo AltBOC :

L’objectif et de démontrer l’intérêt de la mesure de code et sous-porteuse AltBOC, pour lever l’ambiguïté sur la phase de porteuse ou bien utilisée toute seule. Cette mesure est par construction non ambigüe et 45 fois plus précise que l’actuel code GPS C/A. Cela permettrait de démontrer la supériorité des signaux Galileo pour la réflectométrie, et en particulier en cas de mer agitée avec une poursuite de sous-porteuse (la sous porteuse AltBOC a une longueur d’onde de 9,78m). La présence de 24 satellites Galileo opérationnels vers début-2019 doit permettre de déclencher les expérimentations associées.

Extension aux Méta-signaux :

Un méta-signal consiste en 2 fréquences GNSS traitées comme un signal unique, le AltBOC étant un cas particulier, pour réaliser des mesures de code, sous-porteuse et porteuse. On peut étendre ce concept au code et/ou à la sous-porteuse résultant du méta-signal constitué par exemple de GPS L1+L2, GPS L1+L5, Galileo E1+E5a ou Galileo E5+E6. Cela peut avoir un intérêt pour les mers agitées où selon la littérature, la mesure de phase de porteuse n’est pas robuste, alors que la sous-porteuse résultante d’un méta-signal le serait car sa longueur d’onde équivalente est plus grande. Un autre intérêt des méta-signaux est d’avoir des mesures méta-signaux bi-fréquence, ce qui permettrait de corriger le retard ionosphérique lorsque cela est nécessaire.

Lien avec la radio-occultation (GNSS-RO) et la scintillation ionosphérique :

On étudiera si les techniques mise au point pour la réflectométrie peuvent avoir une utilité pour la réalisation de mesures radio-occultation, et si des techniques d’estimation avancées pour la caractérisation de la scintillation ionosphérique [4] peuvent être exploités pour améliorer l’estimation de phase dans les deux domaines (réflectométrie et radio-occultation).

Références :

[1] L. Lestarquit et al., “Reflectometry With an Open-Source Software GNSS Receiver: Use Case With Carrier Phase Altimetry”, in IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, vol. 9, no. 10, pp. 4843-4853, Oct. 2016.

[2] L. Lestarquit et al., “Exploring ground based and airborne carrier phase GNSS-R altimetry”, GNSS+R 2017 Conference, Ann Harbor, USA, 24/05/2017.

[3] J. Vilà-Valls et al., “Are PLLs Dead? A Tutorial on Kalman Filter-based Techniques for Digital Carrier Synchronization”, IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, vol. 32, no. 7, pp. 28-45, July 2017.

[4] J. Vilà-Valls et al., “Multi-frequency GNSS Robust Carrier Tracking for Ionospheric Scintillation Mitigation”, Journal of Space Weather and Space Climate, vol. 7, A26, October 2017."         

 


Profil

Master Traitement du signal

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ISAE-TéSA
Directeur(rice) de thèse/recherche : Chaumette Eric
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : eric.chaumette@isae-supaero.fr
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

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