Analyse des sources d'erreurs systématiques dans le positionnement précis par GNSS : apport de la constellation Galileo

Analysis of the sources of the systematic errors in GNSS precise positioning : contribution of the constellation Galileo

• Auteur / Autrice : Hanane Ait-Lakbir
• Direction : Félix Perosanz, Álvaro Santamaría Gómez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Birol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Álvaro Santamaría Gómez, Gilles Métris, Jean-Paul Boy, Joëlle Nicolas, Marianne Metois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Métris, Jean-Paul Boy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galileo, Système

Satellites artificiels en géodésie

Mots clés libres

GNSS

Galileo

Géodésie spatiale

GNSS

Alileo

Space geodesy

Résumé

Outre leur utilisation pour la navigation, de nombreux domaines scientifiques comme la géophysique et la géodésie utilisent le positionnement précis par GNSS (Global Navigation Satellite Systems - GNSS) pour mesurer des déplacements à la surface de la Terre avec une précision de l'ordre du millimètre au centimètre. Cependant, de nombreuses sources d'erreurs affectent la précision du positionnement, introduisant ainsi des signatures parasites dans les séries de positions. Les comprendre est donc essentiel pour limiter une interprétation erronée des déplacements des stations GNSS en termes de processus géophysiques. Une étape vers ce but est de caractériser les erreurs systématiques propres à chaque constellation ainsi que les mécanismes impliqués dans la propagation de ces erreurs au positionnement. Cette thèse contribue à la compréhension actuelle de ces erreurs systématiques et des stratégies pour les atténuer. Pour cela, nous comparons les constellations aujourd'hui disponibles, GPS, GLONASS, Galileo et Be Dou, afin de mener une analyse complète de ces erreurs. Nous étudions d'abord l'effet des erreurs de modèles de déplacements dus à la surcharge des marées océaniques (Ocean Tide Loading - OTL) sur les signatures périodiques observées dans les positions GNSS. Puis, nous analysons la contribution de la dynamique orbitale des satellites GNSS à la corrélation du bruit de positionnement. Dans la première partie, nous avons amélioré les estimations des erreurs dans le modèle de déplacement OTL grâce aux observations multi-GNSS, et en développant une nouvelle stratégie d'estimation basée sur l'ajout de paramètres empiriques dans le traitement PPP et le cumul d'équations normales. Cela nous permet de passer outre les erreurs systématiques, liées aux constellations, qui impactent l'estimation des erreurs dues au modèle OTL. En particulier pour les fréquences de marée K1 et K2, on obtient une estimation améliorée de 50 % en utilisant les observations Galileo. Les erreurs subdiurnes dues au modèle OTL produisent également des signaux périodiques à longues périodes, différents en fonction de la constellation. On a identifié des signaux spécifiques à la constellation GPS aux périodes de 13,6 jours et saisonnières. D'autres signaux se propagent à des périodes plus courtes pour Galileo et GLONASS. La seconde partie analyse la contribution des orbites des satellites GNSS au bruit de scintillation (bruit flicker) observé dans le positionnement, sous deux aspects : leur stabilité à long terme et les discontinuités des produits d'orbite. Le bruit flicker ne s'observe qu'avec les produits GPS. En effet, les orbites GPS sont plus enclins à une dérive interannuelle, en comparaison avec les autres constellations GNSS ; ce qui implique une géométrie d'observation variable dans le temps. De plus, deux autres facteurs contribue à l'émergence du bruit flicker dans les positions : la présence d'erreurs d'observation introduisant des biais dépendant de l'élévation des satellites, et les limites des fonctions de pondération des observations GNSS. Ces trois facteurs, présent avec GPS, ouvrent des perspectives quant aux moyens de réduire la corrélation du bruit dans les positions GNSS. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires sur une autre source potentielle de bruit coloré, en analysant les discontinuités d'orbites et en utilisant des modèles simplifiés pour déterminer l'effet d'accélérations stochastiques ou de bruit dans la réponse dynamique du satellite. En examinant les erreurs systématiques qui affectent la précision du positionnement multi-GNSS, nous avons obtenu des résultats qui permettent non seulement de mieux observer les processus géophysiques en facilitant leur détection et l'interprétation des déformations géophysiques à partir des positions GNSS, mais aussi d'ouvrir la voie à des travaux futurs afin d'améliorer les traitements des observations GNSS et la modélisation des séries temporelles de positions GNSS.

Beside their use for navigation, many scientific fields such as geophysics and geodesy use precise positioning by Global Navigation Satellite Systems (GNSS) to measure millimeter-to-centimeter deformations of the Earth's surface. However, many sources of error affect the precision of the positioning, introducing spurious signatures into position series. Understanding them is therefore essential to limit the misinterpretation of GNSS station displacements in terms of geophysical processes. One step towards this goal is to characterize the systematic errors specific to each constellation, as well as the mechanisms involved in propagating these errors to positioning. This thesis contributes to the current understanding of these systematic errors and the strategies to mitigate them. To this end, we compare the constellations currently available - GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou - in order to carry out a comprehensive analysis of these errors. First, we investigate the errors in the modeled displacements induced by ocean tide loading (OTL), and their effects on the periodic signatures observed in the GNSS positions. Then, we analyze the contribution of GNSS satellites' orbital dynamics to the correlated positioning noise. In part 1, we have improved the estimates of errors in the OTL displacement model by using multi-GNSS observations, by developing a new estimation strategy based on the addition of empirical parameters in PPP and the stacking of normal equations. This enables us to overcome the constellation-specific errors that impact the estimation of OTL model errors, in particular for the K1 and K2 tidal frequencies, which is improved by up to 50 % by using Galileo observations. The subdiurnal tidal model errors produce different signals, depending on the constellation. These aliasing signals are specific to the GPS constellation at the fortnightly (13.6 days) and seasonal frequencies. Additional aliased signals at higher frequencies have been identified for Galileo and GLONASS. Part 2 discusses the contribution of orbital dynamics to the flicker noise observed in the GNSS position series, and examines two aspects of satellite orbits: the long-term stability of orbital parameters and orbit discontinuities at midnight. We show that part of the colored noise is specific to GPS-only products, suggesting the contribution of the satellite orbits product or the constellation design. Indeed, GPS satellites are more prone to secular behavior than other GNSS constellations, particularly due to lunisolar gravitational acceleration resonances. The thesis also identifies three factors that contribute to the emergence of flicker noise in positions: the time-varying observation geometry caused by long-term instability in satellite orbits, the presence of observation errors that do not average to zero over satellite elevations, and the limitations of observation weighting in mitigating these errors. All three factors are present in GPS-derived positioning, but these findings open up perspectives as to the means to reduce the noise correlation in GNSS positions. Finally, we also give preliminary results about another potential source of colored noise coming from orbit discontinuities, using simplified models to examine the effects of the presence of stochastic accelerations or noise in the satellite's dynamic response. By providing insight into the systematic errors that affect the accuracy of multi-GNSS positioning, our results will allow us to facilitate the detection and interpretation of geophysical deformations from GNSS positioning. In addition to improving our understanding of the geophysical processes, this also opens up avenues for future work to refine the current processing strategies for GNSS observations and modeling strategies of GNSS position time series.