Centrale à inertie (INS) miniature combinée au système de positionnement par satellites (GNSS) pour la gravimétrie statique et mobile : une méthode opportuniste pour les applications géophysiques et environnementales

Miniature inertial navigation system (INS) combined with global navigation satellite system (GNSS) for static and mobile gravimetry : An opportunistic method for geophysical and environmental applications

• Auteur / Autrice : Benjamin Beirens
• Direction : José Darrozes, Guillaume Ramillien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, Hydrologie
• Date : Soutenance le 11/10/2023
• 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 : Frédéric Frappart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucía Seoane Corral
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Minh Cuong Ha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Localisation par satellites, Systèmes de

Centrales inertielles

Gravimétrie (géophysique)

Mots clés libres

Gravimétrie

INS

GNSS

Mesures aéroportées

Marées solides

Gravimetry

INS

GNSS

Airborne data

Solid tides

Résumé

La gravimétrie consiste à mesurer et à interpréter les variations du champ de gravité terrestre en termes de contrastes de densité et donc de structures. Bien que les grandes longueurs d'onde de la gravité soient bien restituées par les missions satellites dédiées dont les plus récentes à basses altitudes (300-400 km) sont CHAMP, GRACE et GOCE, et que les gravimètres absolus réalisent des mesures très précises mais ponctuelles, les informations relatives à la pesanteur aux échelles spatiales intermédiaires de la centaine de mètres à quelques centaines de kilomètres, restent inaccessibles. L'utilisation de centrales inertielles de types ''SPATIAL'' et ''MOTUS'' (Advanced Navigation) qui enregistrent les accélérations suivant trois axes - par conséquent de la composante verticale de la gravité - à une cadence d'échantillonnage élevée (jusqu'à 1000 Hz), permet d'accéder à ces variations dans la gamme de longueurs d'onde manquantes, en particulier si elles sont installées à bord d'une plateforme (voiture, drone, avion). Mon travail de thèse est la mise en œuvre de tels systèmes d'acquisition opportunistes pour la gravimétrie mobile afin de restituer les variations spatio-temporelles de la gravité. Mes premiers tests sur la fréquence d'échantillonnage ont mis en évidence le bruit haute fréquence d'origine thermique dû à l'échauffement des composants électroniques de la centrale, qui peut être corrigé. Dans un premier temps, les effets thermiques sur l'accélération ont été ajustés en utilisant une simple fonction linéaire des variations de température, pour corriger des données accélérométriques acquises à bord d'une voiture entre le laboratoire GET à Toulouse et le barrage des Cammazes (81) situé dans la Montagne Noire. Une fois corrigées empiriquement des effets de la température interne, ces données ont été comparées aux mesures précises d'un gravimètre absolu et ont confirmé la décroissance de la pesanteur avec l'altitude. Dans un second temps, des tests d'acquisition en mode ''statique'' (au repos) ont montré que les périodes des marées principales à 12h00 et 24h00 peuvent être extraites du spectre des enregistrements accélérométriques à 5 minutes puis reconstruites pour être comparées aux valeurs théoriques du logiciel Tsoft, un simulateur des variations de la gravité dues aux marées terrestres, montrant une excellente corrélation en phase et relativement bonne en amplitude. Installée sur le drone de la société BOREAL lors de campagnes à Lannemezan puis sur un site d'éoliennes, la centrale inertielle a enregistré l'influence prédominante du catapultage, puis des virages et des vibrations mécaniques du moteur thermique sous forme d'un bruit coloré réparti sur plusieurs fréquences du spectre des mesures. Même si l'exploitation de ces mesures accélérométriques aéroportées représente encore un vrai défi et nécessite des investigations supplémentaires, leur filtrage spectral sur des portions rectilignes de sa trajectoire ont révélé les variations verticales de la gravité dus les changements d'altitude du drone.

Gravimetry consists of measuring and interpreting variations in the earth's gravity field in terms of density contrasts and therefore of structures. Although the long wavelengths of gravity are well restored by the dedicated satellite missions, the most recent of which at low altitudes (300-400 km) are CHAMP, GRACE and GOCE, and the absolute gravimeters carry out very precise but specific measurements, information relating to gravity at intermediate spatial scales of a hundred meters to a few hundred kilometers, remains hard to cover. The use of ''SPATIAL'' and ''MOTUS'' (Advanced Navigation) type inertial measurement units which record accelerations along three axes - and therefore the vertical component of gravity - at a high sampling rate (up to 1000 Hz ), makes it possible to access these variations in the range of missing wavelengths, in particular if they are installed on board a mobile platform (car, drone, plane). My thesis work is the implementation of such opportunistic acquisition systems for mobile gravimetry in order to restore the spatio-temporal variations of gravity. My first tests on the sampling frequency highlighted the high frequency noise of thermal origin due to the heating of the electronic components of the control unit, which can be corrected. First, the thermal effects on acceleration were adjusted using a simple linear function of temperature variations, to correct accelerometric data acquired on board a car between the GET laboratory in Toulouse and the Cammazes dam (81) located in the Montagne Noire. Once corrected empirically for the effects of internal temperature, these data were compared with precise measurements of an absolute gravimeter and confirmed the decrease in gravity with altitude. In a second step, acquisition tests in ''static'' mode (at rest) showed that the periods of the main tides at 12h and 24h can be extracted from the spectrum of accelerometric recordings at 5 minutes and then reconstructed to be compared with theoretical values of the Tsoft software, a simulator of the variations of gravity due to the earth's tides, showing an excellent correlation in phase and relatively good in amplitude. Installed on the BOREAL company's drone during flights at Lannemezan and then at a wind turbine site, the inertial unit recorded the predominant influence of the catapult launch, then the turns and mechanical vibrations of the engine in the form of a colored noise distributed over several frequencies of the measurement spectrum. Even if the exploitation of these airborne accelerometric measurements still represents a real challenge and requires additional investigations, their spectral filtering on rectilinear portions of its trajectory revealed the vertical variations of gravity due to the altitude changes of the drone.