Étude d’une méthode de sondage de la vapeur d’eau dans la troposphère appliquée à la correction de mesure GPS pour l’alt

1. Étude d’une méthode de sondage de la vapeur d’eau dans la troposphère appliquée à la correction de mesure GPS pour l’altimétrie de haute précision Jérôme Tarniewicz Vendredi 25 mars 2005

2. Introduction - La problématique But: obtenir une précision sub-millimétrique de positionnement sur la composante verticale du GPS. • Pour l’InstitutGéographique National + Action de recherche NIGPS: amélioration de la précision du GPS pour des applications de nivellement de précision (entretien du réseau de nivellement…). • Pour le Service d’Aéronomie + Développement d’un nouvel instrument de sondage de la vapeur d’eau: amélioration de la compréhension des processus atmosphériques dans la troposphère (caractérisation du champ 3D de vapeur d’eau troposphérique, …).

3. Plan 1 – Le système GPS • Présentation, • Le délai troposphérique, • 2 – Traitement de mesures GPS • L’effet des hétérogénéités atmosphériques sur le positionnement par GPS. • Mesure externe de vapeur d’eau atmosphérique pour la correction du délai troposphérique; comparaison de 2 techniques: radiométrie micro-onde et lidar. 3 – Un nouveau système Lidar Raman vapeur d’eau • Développement instrumental du système IGN/SA, • Résultats campagne de validation (CNRM2002), 4 – Correction des mesures GPS par lidar Raman vapeur d’eau • Apport des mesures obliques: démonstration par la simulation(cas du 29 mai 2002, IHOP2002).

4. 1 - Le système GPS (Global Positionning System) – (1) Présentation du système - Conçu et entretenu par l’US Navy et l’US Army. - Complètement opérationnel en 1993/1994, - Segment spatial: • constellation de 24 satellites, • 6 orbites circulaires, déphasées de 60°, • inclinées à 55 degrés sur le plan équatorial, • altitude sol ~20 184 km, période ~12h. - Mesure tout-temps, 24h/24h, - Signal: 2 porteuses L1(1575.42 MHz) et L2(1227.60 MHz), La mesure GPS en géodésie = variations dephases entre le signal GPS reçu et l’OL du récepteur GPS bi-fréquence.

5. 1 – Le système GPS (2) • Principe de la mesure en géodésie • - mesures en mode relatif  réseaux de stations GPS, • - observation continue et simultanée d plusieurs satellites depuis plusieurs récepteurs, • - sessions d’observations continues, de quelques heures (nivellement de précision) à quelques jours (géodésie), • - différenciation de mesures : simples (SD), doubles (DD) et triples différences (TD), • - traitement des données a posteriori. • Méthode d’inversion - coordonnées (X,Y,Z), - paramètres troposphériques + (gradients) • Précisions observées en positionnement géodésique ([Herring, 1999], [Dixon,1991] …)  2-5 mm en horizontal (Est et Nord),  5-15 mm en vertical (Altitude).

6. 1 – Le système GPS (3) – équation d’observation • Équation simplifiée d’observation de la phase ([Wells, 1986],[Santerre, 1991], …) observable GPS coordonnées (X,Y,Z) à corriger : décalage d’horloge (récepteur et satellites)  traitement différentiel (SD et DD), : ambiguïtés  pré-traitement, : délai ionosphérique  pré-traitement (combinaison de phase), : bruit de mesure  négligeable (0.2 mm rms sur 1s). Effet résiduel prépondérant : le délai troposphérique

7. 1 – Le délai troposphérique (1) – Origine physique et équation Retard de propagation Courbure de la trajectoire Réfractivité [Thayer, 1974] (k1, k2 et k3 = cste) Densité totale de l’air Densité de vapeur d’eau

8. 1 – Le délai troposphérique (2) • Composante hydrostatique et humide du délai troposphérique Fonction angulaire de projection ([Niell, 1996], …) • Délai humide (ZWD) • jusqu’à 20 cm à nos latitudes, au zénith, • très peu corrélé avec des données météorologiques de surface, • variation temporelle et spatiale rapide (5-10 cm / heure), • fonction de la température et de la densité de vapeur d’eau le long de la trajectoire du signal. • Délai hydrostatique (ZHD) • ~ 2,30 m au zénith, • variation temporelle lente (1 cm / 6 h ). • fonction de la pression au sol, et de la latitude du site, [Saastamoinen, 1973]  modélisable  Mesure de reau et T

9. 1 – Le délai troposphérique (3) – traitement 2 possibilités pour réduire les erreurs troposphériques dans le traitement des mesures GPS : Correctiona priori du délai zénithal hydrostatique (ZHD) + Estimation de paramètres troposphériques zénithaux humide (ZWD) par ajustement par moindre carrés 1 Traitement standard  5-15 mm en altitude[Herring, 1999] Correctiona priori ou précise du délai hydrostatique (ZWD) + Correctionexterne du délai humide (SWD) par un instrument de mesure de la vapeur d’eau 2 Précisions de positionnement (altitude), sur des cas favorables de couplage WVR/GPS: • 2.6 mm rms (50 km) [Ware et al., 1993], • 5 mm de répétabilité (180 km) [Glaus et al., 1995], • 1.2 mm rms (43 km) [Alber et al., 1997].

10. 2 – Hétérogénéité atmosphérique (1) Illustration par la mesure (Campagne IHOP – 29 mai 2002 Lidar DIAL Leandre2)

11. 2 – Traitement GPS standard (1) • Étude d’impact d’hétérogénéités atmosphériques sur le positionnement GPS par la simulation • Origine physique : thermiques et rouleaux[Lenschow ans Stephens, 1980], [Weckwerth et al., 1996] • durée de vie courte (10-30 min), • extension horizontale 100 m - 1 km, • variation du rapport de mélange : 0,2 - 2 g/kg, • vitesse de défilement : 2-3 m/s. • Hypothèses : • - Une seule des deux extrémités de la ligne de base est perturbée, • - Positions stations et satellites GPS connues, • - Atmosphère stratifiée: fonction angulaire a priori: 1 / cos z.

12. 2 – Traitement GPS standard (2) • Une modélisation simple d’atmosphère: • - perturbations sphériques ( rayon = 500 m, altitude = 1 km ), • - gradient d’indice avec le milieu extérieur : 10 ppm ( ~1,5 g/kg soit 1 cm de ZTD ), • - cas statiques et cas dynamiques ( vdéfilement = 2 m/s ). • Simulation de mesures GPS dans cet atmosphère et inversion: - méthode de Santerre [1991], - module GPSSIM du Bernese GPS Software 4.0.

13. 1 sphère décalée de 250 m au sud de la station GPS 9 sphères centrées, espacées de 2 km 1 sphère centré au zénith du GPS 2 – Traitement GPS standard (3) – Résultats – sessions longues (24H) • Avec estimation des paramètres troposphériques • Sans estimation paramètres troposphériques Estimation de 1 paramètre tropo. / 1H (session courte)s=1.6 mm, max = 15 mm GRL [Bock, 2001]

14. 2 – Traitement GPS standard (4) – Conclusions • Présence d’hétérogénéités + estimation de paramètres tropo. : • jusqu’à 15 mmd’erreur en vertical (session horaire), - ~2-8 mm pour des sessions longues (24h) avec un cut-off de 10°, = dégradation de la précision en z avec estimation de paramètres troposphériques,  Fonctions de projections inadaptées aux variations spatiales du délai humide. • Nécessité d’une correction du délai humide, externe au traitement GPS  mesure externe de vapeur d’eau (WVR ou lidar?)

15. 2 – Traitement GPS avec correction externe du délai Correctiona priori ou précise du délai hydrostatique (ZWD) + Correctionexterne du délai humide (SWD) par un instrument de mesure de la vapeur d’eau 2 Précisions de positionnement (altitude), sur des cas favorables: • 2.6 mm rms (50 km) [Ware et al., 1993], • 5 mm de répétabilité (180 km) [Glaus et al., 1995], • 1.2 mm rms (43 km) [Alber et al., 1997]. • Sélection de 11 jours (automne 95 et printemps 96) sur des conditions météorologiques favorables, • 6 mm en traitement classique, • Évaluation des performances (moyenne) de restitutions du délai humide par radiométrie micro-onde, avec un lidar. • Est – il possible d’améliorer ces précisions?

16. 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (1) • L’observable en radiométrie micro-onde (bi-fréquence) [Elgered, 1993] Dépend de la concentration de vapeur d’eau • Simulation directe et inversion • Xrad simulés à partir d’un ensemble de radiosondage, • Calcul de délais humides DLw correspondants à partir de ces même radiosondages, • Restitution du délai humide à partir de Xrad [Wu, 1979] Fonction de pondération

17. 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (2) • Xrad inversés en DLw,rad et comparés aux vrais délais humides DLw. • Paramètres - Radiomètre bi-fréquence (20, 30 GHz), - Modèle d’absorption Liebe87, version abrégée [Kheim et al., 2001], - Radiosondages HR (50 m) sur Milan (MAP) et Pau (PYREX): au total 164 profils. • Erreurs de restitution (en terme de délai humide) = DLw,rad - DLw ~5-20 mm sur le délai zénithal  x3 en altitude • Autres sources d’erreurs - Erreurs d’étalonnage  0.5 K soit 2-3 mm de ZWD [Liljegren, 1994]. - Modèle d’absorption  2-3 % sur ZWD [Cruz-Pol et al., 1998] - Largeur du lobe de réception et direction de pointage  3.5% de ZWD [Liljegren, 2000] (aux élévations basses).

18. 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (3) • Précisions expérimentales obtenues en radiométrie micro-onde (en mm de délai humide)  Résultats consistants avec les simulations précédentes

19. 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (4) – conclusions • Précisions millimétriques à centimétriques sur les délais humides avec un radiomètre micro-onde, • Biais très variable car fonction des conditions météorologiques  Wm non représentative de la variation instantanée du profil de vapeur d‘eau, • - En présence d’hétérogénéités atmosphériques, les délais humides restitués sont biaisés. • profil étalonné avec bonne résolution spatiale dans la CL •  LIDAR

20. (Campagne IHOP – 29 mai 2002 Lidar DIAL Leandre2)

21. 2 – Radiométrie micro-onde & délai humide (4) – conclusions • Précisions millimétriques à centimétriques sur les délais humides avec un radiomètre micro-onde, • Biais très variable car fonction des conditions météorologiques  Wm non représentative de la variation instantanée du profil de vapeur d‘eau, • - En présence d’hétérogénéités atmosphériques, les délais humides restitués sont biaisés. • profil étalonné avec bonne résolution spatiale dans la CL •  LIDAR

22. 2 – Lidar (1) • Système lidar profileurs : lidar DIAL ou Raman. • Grandeurs restituées par un lidar: rapport de mélange r oureau. - Grandeurs nécessaires pour le calcul de délai humide: T et densité de vapeur d’eau reau.  Précision de restitution du délai humide à partir de r? dereau et T? • Simulation des performances d’un lidar pour la restitution d’un délai humide: 3 cas. • Paramètres - Radiosondages HR sur Milan & Medicina (50 m) et Toulouse (25 m), - TRS et rRSpeuvent varier en temps/distance par rapport au lidar Raman.

23. 2 – Lidar (2) • Estimation du délai troposphérique humide Influence de l’écart en temps/distance de T et rpar rapport au lidar d1 = 214 km Lidar + étalonnage absolu + RS coloc. = précision sub-millimétrique Lidar + étalonnage absolu = précision millimétrique • Etalonnage : ~ 2-5% sur r  ~0.2-0.5 mm surDLw • Précision altimétrique de 0.9-2.2 mm en GPS avec un lidar. • Lidar Raman

24. 3 – Lidar Raman • principe diffusion Raman : Décalage en fréquence spécifique à la molécule diffusante H2O décalage= 3652 cm-1l0= 355 / 532 nm lraman= 407 / 660,3 nm N2 décalage= 2330,1 cm-1 l0= 355 / 532 nm lraman= 386,7 / 607,3 nm

25. 3 – Lidar IGN/SA (1) – Principe de fonctionnement du système

26. 3 – Lidar IGN/SA (2) • Deux signaux (N2 et H2O) en comptage de photons, à 7.5 m de résolution nominale

27. 3 – Lidar IGN/SA (3) – restitution du rapport de mélange • définition • signaux lidar • restitution • étalonnage Mesure lidar [Penney & Lapp, 1976] Étalonnage labo mesure Modèle (Modtran + Rayleigh) + dé-saturation des signaux, + lissage par sommation spatiale (50500 m) pour maintenir un RSB>5.

28. 3 – Lidar IGN/SA (4) – résultats: comparaison avec RS co-localisé - 21 oct. – 1er Nov. 2002 (CNRM, Toulouse) - 11 nuits de mesures complètes - 26-27 oct. 2002 (nuit) - profils à 20 min - 50-500 m

29. 3 – Lidar IGN/SA (4) – résultats: série temporelle - 29-30 oct. 2002 (nuit) - profils à 5 min - 50-500 m  Structure et évolution de la concentration en vapeur d’eau dans la CL.

30. 3 – Lidar IGN/SA (5) – Conclusions • Système opérationnel transportable (camion), • Performances actuelles (de nuit, en visée zénithale) : • Portée 6-7 km, résolution de 50 m, 20 min, ~10% d’écart avec RS à 6000 m (optimisée avec réglage du tirage). • Étalonnage / RS: écart type de 5% sur la campagne 2002 (500-1000m par ciel clair, 11 nuits de mesures)  erreur liée à celle du RS et à la répétabilité de la mesure lidar (variation entre deux étalonnages) •  Mesure de rapport de mélange précise de 5 à 10 %, sur la portée du système par rapport au RS • Portée 6 km (V.Z.) = ~90%, et 7 km = ~95-99% de la vapeur d’eau troposphérique au zénith. • Complément de mesure : modèle météorologique, climatologie, RS, satellite… erreur résiduelle ~ 1 à 2 % • Améliorer les performances : étalonnage absolu, portée

31. GPS 2 GPS 3 GPS 1 Signal GPS à corriger Station à positionner Station du réseau 4 – Mesures obliques par lidar Raman (1) – Principe • Quelle séquence de balayage appliquer? • Durée d’observation? Simulation sur une journée présentant une variabilité atmosphérique marquée

32. 4 – Mesures obliques par lidar Raman (2) • Description d’un cas hétérogène observé par deux lidar aéroportés • (Campagne IHOP_2002, cas du 29 mai 2002) • P3 : vols Est-Ouest avec le DIAL Leandre2 • FALCON : vols Nord-sud avec le DIAL DLR. ~400 km ~490 km

33. 4 – Mesures obliques par lidar Raman (3) – MM5 • MM5 (Mesoscale Model version 5) + Champs P, T, et r sur 24 échéances horaires, + Domaine : maille = 78 x 93 , • + Résolution horizontale 5 km, + 43 niveaux entre le sol et ~15 km, • + Résolution verticale 12 m1km, MM5 – coupe horizontale niveau 34 (~500 m) Simulation MM5: S. Bastin, 2004

34. 4 – Mesures obliques par lidar Raman (4) – MM5 MM5 – coupe verticale nord-sud centré sur Homestead MM5 – coupe verticale Est-ouest centré sur Homestead Simulation MM5: S. Bastin, 2004

35. 43 niveaux MM5 Nord Est Homestead 490 km 400 km 4 – Mesures obliques par lidar Raman (5) – Simulation de mesures lidar et GPS Mesures GPS simulées • GPS à 30 sec parfait (Bernese GPS software). • Ajout délai tropo. humide oblique (MM5). Mesures lidar simulées • Lidar Raman à 5 min, portée 5 km et complété sans erreur. selon 3 configurations de balayage lidar: • 1H/satellite GPS, • 5 min/satellite GPS et el>5°, • 5 min/satellite GPS et el>30°, Traitements GPS • 2 stratégies: • GPS classique: estimation ZWD horaire, Wet Niell, el>5° et 30°. • GPS avec correction lidar (sans estimation de ZWD): 3 configurations lidar.

36. 4 – Mesures obliques par lidar Raman (6) – Simulation : résultats Lidar Raman, 5 min/sat. GPS, el>30°, Lidar Raman, 5 min/sat. GPS, el>30°, 2% de biais, Radiomètre vapeur d’eau (23.8, 31.5 GHz), balayage 5 min, GPS classique: 1 para. tropo/1H, fonction angulaire Wet Niell, el>30°, GPS classique: 1 para. tropo/1H, fonction angulaire Wet Niell, el>5°, GPS classique: 1 para. tropo/1H, fonction angulaire 1/cos z, el>5°, Pas d’estimation de para. tropo. 1H/satellite GPS, 5 min/satellite GPS, el>5° 5 min/satellite GPS, el>30°

37. Conclusions • Mise en évidence l’effet d’hétérogénéités du champ 3D de vapeur d’eau sur le positionnement par GPS, • La radiométrie vapeur d’eau ne permet pas une restitution suffisamment précise du délai humide pour l’obtention d’un positionnement altimétrique sub-millimétrique, • La technique lidar est la mieux adaptée à la mesure de l’anisotropie du champ de vapeur d’eau en vue d’une utilisation en altimétrie de précision, • Développement et test d’un système opérationnel en visée zénithale, de nuit, transportable – Portée 6-7 km, ~10% d’écart avec RS. 5-10 % de précision • L’apport d’un lidar Raman à balayage a été démontré par simulation numérique: la barre des 1 mm de précision en vertical peut être franchie en améliorant encore les performances.

38. Perspectives D’un point de vue… • … instrumental • Tests du système de balayage effectués : automatisation, …, • Passage à des mesures 24/24h (de jour), • Mise en place des méthodes d’étalonnage absolu, • Amélioration de la portée. • … méthodologique • Intégration des corrections lidar dans le traitement des mesures GPS, • Déterminer le complément à utiliser au-delà de la portée du système, • … scientifique • Applications en géodésie (couplage GPS/lidar), • Campagne de mesure de vapeur d’eau (SIRTA, …).