Réflectométrie GNSS par mesure de phase de porteuse : application à l'altimétrie précise à haute résolution spatiale

GNSS reflectometry using carrier phase measurements - Application to precise altimetry with high spatial resolution

• Auteur / Autrice : Nolan Varais
• Direction : Jérôme Verdun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes. Métrologie
• Date : Soutenance le 06/02/2024
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeF - Laboratoire Géomatique et Foncier - Géomatique - Laboratoire Géomatique et foncier
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Briole
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andréa Walpersdorf, Gaël Pagès, Jean-Marc Rousset, Álvaro Santamaría Gómez, Laurent Lestarquit, José Cali
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guy Wöppelmann, Serge Reboul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géodésie

Télédétection

Spectroscopie de réflectance

Mots clés libres

Gnss

Altimétrie

Réflectométrie

Mesure de phase

Géodésie

Traitement du signal

Gnss

Altimetry

Reflectometry

Carrier phase measurements

Geodesy

Signal processing

Résumé

La réflectométrie GNSS (GNSS-R) est une méthode opportuniste d’exploitation des signaux émis en continu par les satellites de positionnement des différentes constellations GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, etc.). Elle est basée sur la collecte des signaux après leur réflexion à la surface de la terre dans le but d’en déterminer certains paramètres géophysiques. Depuis sa théorisation à la fin des années 80, elle trouve des applications telles que la mesure l’humidité des sols, de l’épaisseur de neige et de glace ou encore du niveau des eaux. Bien qu’il existe plusieurs méthodes de mise en application, la mesure de phase via la collecte indépendante des signaux directs et réfléchis est prometteuse pour une application à l’altimétrie.Les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif de développer cette implémentation de la réflectométrie et observer ses capacités pour la mesure du niveau des eaux. Pour cela, nous avons commencé par mettre au point une méthodologie afin de modéliser la position spéculaire des réflexions en tenant compte d’un modèle de réflexion sur une surface géodésique plus réelle qu’une simple surface plane. En effet, la modélisation sur une surface plane ne tient pas compte de la courbure de la terre ou de l’ondulation du géoïde et peut donc entrainer une erreur sur la mesure altimétrique lorsque l’altitude de l’antenne de réception augmente. Ainsi, la simple courbure de la terre modélisée par une ellipsoïde peut entrainer une erreur de 1 cm pour une antenne située à plus de 100 m. En septembre 2021, le Cnes a conduit une importante campagne aéroportée de collecte de données de réflectométrie sur plusieurs sites de la côte atlantique. Ce manuscrit détaille ainsi les travaux réalisés pour mettre en place une chaine de traitement afin de déterminer le déphasage entre les signaux directs et réfléchis. Cette chaîne a été testée, de l’acquisition à l’estimation des hauteurs d’eau, sur le lac de Carcans-Hourtin et les mesures altimétriques ont été comparées aux mesures réalisées par une bouée GNSS. Plusieurs survols du lac ont été réalisé à des altitudes de 300, 500, 1000 et 2000 pieds, en utilisant les fréquences GPS L1 et L5 et les fréquences Galileo E1 et E5.La réflectométrie GNSS pour l’altimétrie est soumise à la cohérence du signal, elle-même dépendante de la rugosité de la surface de réflexion. Lors du traitement des données acquises sur le lac de Carcans-Hourtin, nous avons montré qu’il est possible d’améliorer la cohérence via la prolongation de l’intégration cohérente au-delà des 20 ms (pour GPS L1). Mon travail de thèse a ainsi permis de montrer que le GNSS-R peut fournir un véritable outil pour la mesure absolue des niveaux d’eaux océaniques et continentales. Elle peut permettre d’atteindre des performances similaires aux méthodes satellitaires actuelles, inférieur à 10 cm, avec un coût bien inférieur aux satellites dédiés et une couverture spatiale bien supérieure aux marégraphes.

GNSS reflectometry (GNSS-R) is an opportunistic method of exploiting the signals continuously emitted by positioning satellites of the various GNSS constellations (GPS, GLONASS, Galileo, etc.). It is based on the collection of signals after they have been reflected from the earth’s surface, with the aim of determining certain geophysical parameters. Since its theorization in the late 80s, it has found applications such as measuring soil moisture, snow and ice thickness or water levels. Although there are several methods of implementation, phase measurement via the independent collection of direct and reflected signals is promising for application to altimetry.The aim of the work carried out as part of this thesis is to develop this implementation of reflectometry and observe its capabilities for measuring water levels. To achieve this, we began by developing a methodology to model the specular position of reflections considering a reflection model on a geodesic surface that is more real than a simple flat surface. Indeed, model using a plane surface does not take into account the curvature of earth or the geoid undulation, and can therefore lead to an error in the altimetry measurement when the altitude of the receiving antenna increase. For example, the simple curvature of the earth modelled by an ellipsoid can lead to an error of 1 cm for an antenna located more than 100 m above ground. In September 2021, the Cnes conducted a major airborne reflectometry data collection campaign above several sites on the French Atlantic coast. This manuscript details the work carried out to set up a processing chain to determine the phase shift between direct and reflected signals. This chain was then tested, from acquisition to water level estimation, on the Carcans-Hourtin lake and the altimetry measurements were compared with those taken by a GNSS buoy. Several overflights above the lake were carried out at altitudes of 300, 500, 1000 and 200 feet, using GPS frequencies L1 and L5 and Galileo frequencies E1 and E5.GNSS reflectometry for altimetry is subject to the signal coherency which depends on the roughness of the reflecting surface. During the processing of Carcans-Hourtin’s data, we showed that it is possible to improve the coherency by extending the coherent integration beyond the usual 20 ms (for GPS L1). My PhD work has thus shown that GNSS-R can provide a real tool for the absolute measurement of ocean and continental water levels. It can achieve similar performances to current methods, less than 10cm, at a much lower cost than dedicated satellites, and with a much better spatial coverage than tide gauges.