Positionnement GPS précis et en temps-réel dans le contexte de réseaux de capteurs sans fil type Geocube : application à des objets géophysiques de taille kilométrique

Precise and real-time GPS positioning in the context of wireless sensor networks : application to small extend geophysical structures monitoring

• Auteur / Autrice : Lionel Benoît
• Direction : Pierre Briole, Christian Thom
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 23/10/2014
• Etablissement(s) : Paris, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement public : Institut géographique national (France ; 1940-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie - École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie - Laboratoire de Géologie de l'ENS - Laboratoire de Géologie de l'ENS

Mots clés

Mots clés contrôlés

GPS

Mots clés libres

GPS

Temps-réel

Réseaux de capteurs

Mesure de déformations

Glacier

Glissement de terrain

GPS

Real-time

Wireless sensor network

Deformation monitoring

Glacier

Landslide

Résumé

Les réseaux de capteurs permettent une surveillance multi-paramètres de zones d'étendue limitée grâce à la coopération d'un ensemble de récepteurs déployés in-situ qui gèrent l'acquisition, le traitement et le transfert de données. Afin de coupler le concept de réseaux de capteurs et un positionnement précis des récepteurs à l'aide de puces GPS mono-fréquence, l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière (IGN) a mis au point le Geocube.La première partie de ce travail a été consacrée au développement d'une stratégie d'acquisition, de transfert et de traitement des données GPS des Geocubes pour permettre un positionnement précis et en temps-réel des récepteurs au sein du réseau. Un traitement utilisant les observations de phase GPS ainsi qu'un filtrage de Kalman a été adopté. Cependant, les séries temporelles de positions brutes sont entachées de l'effet des multitrajets. Diverses méthodes d'atténuation de ce phénomène sont alors proposées. Au final, une précision infra-centimétrique à millimétrique est atteinte.La seconde partie de cette thèse a été consacrée à l'application de réseaux de Geocubes pour l'étude d'objets géophysiques. Deux sites d'étude ont été sélectionnés: le glissement de terrain de Super-Sauze dans la vallée de l'Ubaye et le glacier d'Argentière dans le massif du Mont-Blanc. La dynamique des objets d'intérêt peut alors être étudiée à une échelle infra-journalière grâce à la précision et à la grande résolution temporelle du positionnement des Geocubes. De plus, la densité des réseaux de mesure et leur facilité d'installation permet d'instrumenter la grande majorité des points où un besoin de surveillance est identifié.

Wireless Sensor Networks (WSN) allow a multi-parameters monitoring of small extend areas thanks to cooperative data acquisition, transfer and processing. In order to combine WSN with a precise positioning of the receivers within the network using single frequency GPS modules, the Geocube has been developed by the French National Institute of Geographic and Forest Information (IGN-France). The first part of this work focused on GPS data management and processing to allow the relative positioning of the Geocubes within a local network. To this end, a processing method customized for Geocube data and WSN environment was developed. It is based on the use of GPS carrier phase double differences and a Kalman filtering. Due to the basic GPS antenna used into the Geocube to minimize its price and its size, multipath affect position time series. Various strategies are proposed for multipath mitigation, and finally a sub-centimeter to millimeter level accuracy is reached for relative positioning depending on measurement conditions.The second part of this work was devoted to the use of Geocube networks for geophysical structures monitoring. Two test sites were selected: the Super-Sauze landslide (Ubaye valley, Alpes de Haute-Provence, France) and the Argentière glacier (Mont-Blanc massif, Haute-Savoie, France). The dynamics of the studied areas was investigated at a sub-daily time scale thanks to the high accuracy and the high time resolution of positioning time series derived from Geocubes. In addition, positioning data were acquired quite everywhere a deformation measurement was needed thanks to the low-cost of Geocubes and their easy set up.