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Traitement et Analyse des délais troposphériques issus des

1. MARS PRIE AJAC AJA2 alm Emam 147 6 188 es Tableau 4 Comparaison des ZTDs bateau avec ZTD issu des donn es des stations proches Ces r sultats montrent bien que les stations proches subissent le m me ph nom ne du la propagation de l onde GPS dans la troposphere Mais cette validation reste interne par ce qu on utilise la m me m thode de calcul II faut donc comparer les r sultats issus des m thodes diff rents de traitement et de centre diff rents de calcul Page 40 sur 94 b Traitement des stations du RGP Le but de ces tests est de traiter les donn es issues des stations avec le noyau de calcul et de comparer les coordonn es et les ZTDs estim s en PPP cin matique avec la solution officielle du RGP Cette comparaison nous donnera une information sur la pr cision et l exactitude des r sultats et nous fournira une validation externe i Comparaison des coordonn es des stations avec la solution du RGP Ce test consiste calculer les coordonn es des stations AJAC MARS PRIE en PPP en mode cin matique et de les comparer avec la solution officielle du RGP Le but est de voir comment varie la s rie temporelle avoir une id e sur la dispersion du nuage de points et l exactitude de la solution en la comparant aux coordonn es officielles du RGP qui sont calcul es en diff rentiel en mode statique Les r sultats suivants sont issus d un traitement de 5 jours Une position par poque
2. Param tre d estimations Ce sont les param tres qui sont susceptibles d influencer la solution finale du panneau GPSEST INP Ces param tres sont o Elevation cutoff angle Les param tres qui seront estim s sont les coordonn es le d lai troposph rique le d calage de l horloge r cepteur et les ambig it s La hauteur au dessus de lellipsoide le ZTD et l offset de l horloge r cepteur sont fortement corr l s quand on les estimes ensemble Le fait de choisir un angle de coupure tr s bas diminue la corr lation En plus la station verra plus de satellites donc plus de redondance et la g om trie des satellites sera meilleure L inconv nient est le risque de recevoir des multi trajets Ce param tre existe aussi dans les panneaux CODSPP INP et AH_SPP INP 3 o Gradient estimation model pour tenir compte des asym tries azimutales de la r fractivit qui s amplifie quand l angle de coupure devient de plus en plus faible 4 Une description du gradient et du modele utilis est dans Pannexe2 mod lisation du retard troposph rique gradients horizontaux Page 32 sur 94 o Sigma a priori On peut aussi contraindre les param tres estimer pour diminuer les bruits lisser la solution et diminuer la corr lation entre les param tres On peut donc contraindre les param tres suivants Sigma a priori du ZTD contraindre en relatif le ZTD Le d lai z nithal est estim par intervalles d une minute Le fait d app
3. ann e du cycle IT Nombre de pages 94 dont 24 annexes Syst me h te Word 2003 MODIFICATIONS EDITION REVISION DATE PAGES MODIFIEES 11 09 2009 Version finale rendue a l cole Page 2 sur 94 Remerciements Je tiens remercier tout particuli rement mon maitre de stage Alain Harmel pour son alde ses explications et ses conseils qui m ont permis de mener a bien ce travail Je remercie aussi les personnes qui m ont aid et qui ont contribu au bon d roulement du stage Thierry Person pour m avoir propos ce travail Fran oise Duquenne pour m avoir accept dans les locaux du SGN Eric Doerflinger et Karen Boniface pour m avoir accueilli Geoscience Montpellier pour leur sympathie et pour m avoir expliqu les applications du GPS dans le domaine de la m t orologie et encore Samuel Branchu Romain Fages Je garde un tr s bon souvenir de l accueil au SGN et de l ambiance du travail Merci tous pour leur gentillesse Nous remercions galement la SNCM Soci t Nationale Maritime Corse M diterran e et plus particuli rement Monsieur Jacques VINCENT d avoir mis gracieusement notre disposition les moyens humains et mat riels pour r aliser les mesures GPS sur le Navire Paglia Orba de la compagnie Page 3 sur 94 R sum Mots cl s GPS sur navire D lai Total Z nithal Positionnement Ponctuel Pr cis Positionnement cin matique Ce stage se d roule l Institut G
4. de 30s a t calcul e Les r sultats ont t filtr s par la m thode des 3 sigmas La comparaison du barycentre du nuage de points par rapport la solution officielle du RGP nous donne une id e de l exactitude de la solution Le tableau suivant r sume l ensemble des r sultats MARS PRIE AJAC AJA2 Nombre d poques initial 14400 14400 14400 14400 Nombre d poques final 14028 14109 14164 14253 sanan RaP oT ome oo Earl RGP 0009 00 0016 Dispersion de points m Tableau 5 Comparaison des coordonn es avec la solution RGP On remarque que le pourcentage de rejet est faible On a un biais en planim trie de l ordre de 1 cm par rapport la solution du RGP et 1 5cm en altim trie La dispersion du nuage de points 1sigma et de l ordre de 1 cm Concernant la s rie temporelle la dispersion des points est de l ordre de 1 5cm sur la composante EST et NORD et 4 5cm sur la composante VERTICALE On peut donc conclure que les r sultats sont pr cis pour tel type Page 41 sur 94 de positionnement PPP en mode cin matique La comparaison avec la solution RGP repr sente une validation externe de la solution Le graphe suivant nous donne la forme du nuage de point pour la station AJA2 Les graphes des stations MARS AJAC et PRIE sont en annexe 4 Cha ne de calcul coordonn es des stations aja2 dN m 0 10 0 05 0 00 0 05 0 10 dE m Figure 8 Y Dispersion du nuage
5. dpi Effet de la mar e terrestre et de la surcharge oc anique sur la distance g om trique d y Effet du wind up dion Le d lai ionosph rique trop Le d lai troposph rique 6 L effet relativiste dm Le multi trajet de code m Le multi trajet de phase b Le biais lectronique du r cepteur b Le biais lectronique du satellite Bruit de mesure de code E Bruit de mesure de phase Page 77 sur 94 Annexe 2 Mod lisation du retard troposph rique D lai troposph rique Le d lai troposph rique AL s crit comme la diff rence entre la distance g om trique L pond r e de l indice de r fraction parcourue par le signal le long de sa trajectoire et la distance G parcourue en ligne droite s il se propageait dans le vide Atmosph re Figure 35 Y G om trie de l allongement troposph rique du signal GPS En consid rant la distance g om trique S parcourue le long de la trajectoire du signal le d lai troposph rique s crit AL L G L S S G AL AL Le premier terme exprime le retard de propagation du signal en raison de la variation de l indice de r fraction dans la troposphere Le second terme correspond l effet de courbure Il est n gligeable puisqu il repr sente 0 1 du delai total En introduisant la r fractivit le d lai s crit AL n Dds 10 Nas Page 78 sur 94 Indice de r fraction Il est possible de s parer l indice
6. sent es les observations GPS s crivent sous la forme suivante Pe p t 6t c dp d Puy On Oro Onuy tE L p t Sor etd Pry d P td FAN O O Ogre Une fois les erreurs qui restent mod lis es ou limin es les equations d observation deviennent sous la forme Py p c t M ZTD e L p c t 2 N MZTD Ee Le ZTD lui m me peut tre crit sous forme d un mod le a priori une correction et des gradients Comme suit Al t A z Al zp A f Gj Al t E cos AI A O E sin Ay A Modele a priori ZTD Gradients horizontaux Ou Al t A z d lai z nithal total l instant t entre le satellite i et la station k Il d pend du temps du z nith de l azimut du satellite Al 24 la valeur du mod le a priori Al F z la correction estimer par rapport au mod le a priori et sa fonction de projection Al t Al t les deux param tres NORD et EST estimer pour le gradient Page 83 sur 94 zi A Z nith et azimut du satellite i observ par la station k Dans le traitement on estime les coordonn es XYZ le biais de l horloge r cepteur la valeur de la correction Al les deux composantes du gradient NORD A et EST AI et les ambig it s N Page 84 sur 94 Annexe 3 Logiciel Bernese Pr sentation g n rale L interface utilisateur est d velopp e en C en utilisant la biblioth que Qt Depuis cette Interface on fait ap
7. trajectoire d un GPS embarqu sur un mobile en utilisant le positionnement ponctuel pr cis en mode cin matique Ce logiciel est utilis pour les missions a riennes du SAA Prise de vue a rienne et cas du lidar afin de trouver une solution approch e pour le sommet de prise de vue L interface de ce programme permet de choisir le fichier traiter le type de mobile les options de traitement le pas d chantillonnage Le programme fait appel a un certain nombre de panneaux et scripts de Bernese ainsi que des scripts sp cifiques d velopp s par Alain Harmel SGN L enchainement des calculs est g r par un script perl kin_ppp pl Ce programme g re l ensemble des t ches appel es de la mise a jour des dossiers jusqu la mise en r f rence des r sultats Pour traiter la campagne VAPIMED on va utiliser ce noyau de calcul en l adaptant au cas du bateau parce qu il permet aussi d estimer le d lai z nithal total L id e est donc de modifier ce script les PCFs appel s et les param tres des panneaux du Bernese afin d avoir une meilleure estimation du d lai z nithal total Cela revient supprimer toutes les options qui se ram nent au cas de l avion ainsi que le module qui permet de faire une densification de la trajectoire ll faut aussi modifier la structure des dossiers de Bernese Par la suite il faut d velopper une interface qui permette de lancer le noyau de calcul modifi pour traiter plusieurs sessions e
8. tres d j utilis s pour le traitement de la campagne VAPPIMED La distance entre les stations MARS PRIE et le port de Marseille est respectivement de l ordre de 3 km et 4km La distance entre les stations AJAC AJA2 et le port d Ajaccio est respectivement de l ordre de 2 km et 7km Vue la faible distance entre les stations et les ports on esp re donc avoir des courbes de ZTD qui ont la m me forme sur les fen tres de temps de 14h correspondant au stationnement du bateau au port de Marseille et d Ajaccio La figure suivante montre le r sultat de la comparaison 2 70 2 65 2 60 ES EE 2 55 em S 2 45 2 40 2 35 2 30 2 25 2 20 date jour Figure 6 Comparaison du ZTD avec les stations proches du RGP On remarque que les courbes des ZIDs des stations ont la m me forme que celle issue des donn es du bateau sur la p riode correspondant au stationnement de ce dernier Page 38 sur 94 aux ports Par contre il y a un biais qui se voit surtout sur la station de PRIE et l gerement sur les autres stations Ce biais est due la forte d nivel e entre la station de PRIE et le port Ces courbes peuvent tre recal es en estimant ce biais L cart peut tre calcul en supposant qu il est d la partie hydrostatique du ZTD donc la variation de pression entre deux altitudes diff rentes On peut utiliser la formule de Saastamoinen 1972 pour calculer la partie hydrostatique Al 0 0022768 x P so
9. 136 jours d observation Pour faire varier les param tres de traitement automatiquement est donc n cessaire de faire un script d o la n cessit de d velopper une interface pour lancer le traitement analyser les r sultats et g n rer un rapport de calcul d taill e Proposer une approche pour d terminer une surface proche de la surface du geoide Avant de presenter la strategie de traitement j expliquerai tout d abord le principe du positionnement en mode PPP et ensuite comment on mod lise le retard troposph rique dans les mesures GPS Page 17 sur 94 Il LE POSITIONNEMENT PONCTUEL PRECIS PPP 1 Principe de positionnement Le Positionnement Ponctuel Pr cis est une technique de positionnement non diff rentiel Elle consiste calculer une position GPS statique ou cin matique pour une station donn e en utilisant les observations de phase et de code pour les deux fr quences ainsi que les orbites pr cises les corrections d horloge satellite et les param tres de rotation de p le On estime les param tres propres la station les coordonn es les corrections de l horloge du r cepteur et les param tres de troposphere L avantage du PPP est de diminuer de mani re significative le temps de calcul puisqu une seule station est trait e Le temps de calcul augmente lin airement avec le nombre de stations du PPP et non de mani re g om trique comme pour un traitement diff rentiel en r seau Cepend
10. 5 mm sur H alors qu un mm sur H engendre 0 15 mm sur le ZTD Exemple du cours S Nahmani PPMD 13 mars 2009 Page 33 sur 94 Pour les tests test1 test2 test3 on a fait varier la valeur de la contrainte relative pour la valeur du ZTD Cette contrainte se traduit par la diff rence tol r e des ZTDs entre deux poques cons cutives Le graphe suivant montre la variation de la courbe du d lai z nithal total en fonction du temps et de la contrainte relative sur le ZTD 2 70 2 65 2 60 2 55 Li jus 2 50 1 M 2453 Da 2403 E ye 2 35 7 AA 2 30 2 25 A forte contrainte contrainte ad quate ZTD m faible contrainte 2 20 257 258 259 260 261 262 263 264 265 date jour Figure 3 Y Variation du ZTD en fonction de la contrainte relative On remarque que la courbe rouge est tres bruit e La courbe verte est tres liss e et pr sente des sauts entre les jours La courbe bleue repr sente un lissage assez coh rent par rapport la courbe rouge Pour la courbe bleue on tol re une variation de 1mm du ZTD entre deux poques cons cutives Ce choix est justifi par le fait que le GPS est install sur une plate forme mobile Le bateau se d place environ une vitesse de 10 m s Or les ZTDs sont estim s par intervalle de 1min Pendant ce temps le bateau a parcouru environ 600m Pour le reste des tests on va utiliser cette valeur de contrainte Concernant les tests test3 test4 on a utilis un gradie
11. GPSTOOLS Le noyau de calcul permet de lancer les diff rentes t ches d crites dans les PCFs depuis la v rification du fichier rinex jusqu la mise en forme du r sultat de traitement Les programmes appel s sont e POLUPD Conversion des fichiers de param tres de rotation du p le du format IERS vers le format Bernese e PRETAB Transformation les orbites pr cises format sp1 ou sp3 vers un format tabulaire TAB conversion des orbites IGS du r f rentiel Terre fix e vers le r f rentiel inertiel J2000 et extraction des horloges satellites e ORBGEN Cr ation d orbite standard STD partir des orbites tabulaires ou directement a partir des fichiers d orbites pr cises e RNXSMT Genere un fichier RINEX SMT partir de fichier RINEX d observation Ce fichier contient les mesures de code liss es par la phase et un marquage des mesures hors normes et des sauts de cycle Il utilise les observations sur les deux fr quences e SMTBV3 ll lance le programme RXOVB3 Il permet de convertir les fichiers rinex observations et les observations liss SMT au format Bernese e AH SPP Calcul d une trajectoire approch e e CODSPP calcul de Poffset de l horloge du r cepteur e GPSEST Estimation des differents param tres trajectoire ZTDs d calage d horloge r cepteur ambig it s e AH CLK Combinaison et manipulation de l horloge du fichier rinex Introduction des param tres d horloge r cept
12. Page 85 sur 94 e Le r pertoire des programmes du menu BERN50 MENU e Le r pertoire des sources executables Fortran BERN50 PGM Le r pertoire GPSDATA est r serv aux donn es et traitements des diff rentes campagnes Quant au GPSUSER il est principalement destin aux scripts fichiers PCF de Putilisateur et aux options des programmes utilis s en mode interactif et automatis GPSTOOLS C est un r pertoire personnalis qui contient l ensemble des outils SGN et qui sont appel s au cours du traitement Les programmes de traitement Les programmes de la partie traitements sont au nombre d une centaine crits en Fortran Ces unit s de programmes sont divis es en plusieurs niveaux e Transfert Cette partie g n re des fichiers au format Berne a partir des fichiers Rinex en entr e observation navigation m t orologie e Orbite Cette partie permet de g n rer des fichiers d orbites et des fichiers d horloge au format Berne a partir d orbites de lIGS Elle permet galement de comparer et de cr er des fichiers d orbites partir des coordonn es de stations e Pr traitement Estimation des erreurs d horloge du r cepteur et d termination d une position approch en utilisant le code analyse des observations de codes non diff renci es Formation des simples doubles et triples diff rences de phase Nettoyage des observations hors norme d tection et correction du saut de cycle e
13. Traitements Estimation des param tres coordonn es param tre de rotation du p le EOP orbites troposphere ionosph re ambiguit s e Simulation Simulation d observation GPS et GLONASS Simuler le rinex d un point fixe cr e des rinex virtuels e Services la partie services permet d diter et de parcourir les fichiers au format Berne de comparer des jeux de coordonn es d extraire des informations des fichiers de sortie Page 86 sur 94 Ces programmes ne n cessitent aucune interaction durant leur ex cution Leurs options la liste des fichiers d observations et des fichiers auxiliaires au traitement sont mises a la disposition des programmes par l interm diaire de fichiers appel s Special Input Files XXXX INP Les panneaux Le syst me de menu g re la pr paration de ces fichiers d entr e Special Input Files et lance les programmes de traitement Il y a 5 panneaux commun tous les r pertoires de panneaux et des panneaux sp cifiques aux programmes appel s e MENU INP g re le menu primaire du logiciel taille polices des caract res etc e MENU CMP INP liste des campagnes e MENU EXT INP chemins et extensions pour tous les fichiers Bernese e MENU PGM INP fait la correspondance panneau dit programme ex cut e MENU VAR INP g re les variables utilis es dans le syst me de menu e Un fichier INP par programme sp cifique qui permet de saisir tout ce qui doit tre pr cis
14. UE A E Y a 2 45 N 2 40 2 35 2 30 2 25 test3 5 sans gradients test4 3 avec gradients 2 20 257 258 259 260 261 262 263 264 265 date jour Figure 4 Y Variation du ZTD en fonction de l angle de coupure et l utilisation des gradients horizontaux Graphiquement on remarque de faibles differences entre les deux courbes et aux niveaux des indicateurs statistiques ca n am liore pas beaucoup la solution En zoomant sur une partie du graphe on remarque qu il y a des p riodes ou les deux solutions sont diff rentes d environ 2cm Mais sur l ensemble des huit jours on a un biais de l ordre de 0 4mm et un Emg de 3mm Ces valeurs sont faibles mais on a des variations locales sur un intervalle d une heure On ne peut pas dire que l utilisation des gradients am liore la solution dans ce cas Suivant les recommandations dans la documentation officielle du logiciel Bernese V5 0 l utilisation des gradients am liore la solution gt Dans la suite du traitement on utilisera un gradient avec un angle de 3 Le dernier test consiste a voir comment le filtrage des r sultats affecte la solution Dans la comparaison suivante on a serr les param tres de detection de saut de cycle et des observations hors norme Page 35 sur 94 2 70 2 65 2 60 2 55 2 50 2 45 2 40 2 35 2 30 Biais 17mm Emq 5mm ZTD m 2 25 pen test4 Moyenne d tection Biais 0 5mm Emq 4mm tests Forte d tectio
15. dans ce fichier la ligne suivante STATION NAME FLG FROM TO MARKER TYPE kkkkkkkkkkkkkkkk kkk YYYY MM DD HH MM SS YYYY MM DD HH MM SS kkkkkkkkkkkkkkkkkkkk ZZZZ 999995999 001 2008 09 01 00 00 00 AIRBORNE Cette option est importante car sans elle on appliquera une correction de marr e terrestre et de surcharge oc anique qui est calcul e partir du premier point et qui sera la m me le long du trajet Or si le bateau a parcouru une grande distance cette valeur sera fausse Donc le fait d utiliser cette option emp che d appliquer ces corrections dans le logiciel Bernese Donc le r sultat obtenu l issue de Bernese contient les surcharges et les marr es terrestres Une fois les coordonn es d termin s la correction sera calcul e point par point et appliqu par la suite Les mod les de mar e terrestre et de surcharge oc anique utilis s sont Tide2000 et fes2004 Page 37 sur 94 3 Validation de la m thode de calcul a Comparaison avec des donn es issues des stations Le bateau passe environ 14h stationn au port L id e est donc de calculer le d lai z nithal troposph rique l aide des donn es des stations du r seau GPS permanent RGP les plus proches MARS PRIE AJAC et AJA2 une station n appartenant pas au RGP et de le comparer avec celui calcul en utilisant les donn es du GPS install au bord du bateau Le calcul se fera de la m me fa on en utilisant le noyau de calcul PPP et avec les m mes param
16. de point d une solution PPP Le graphe suivant nous donne la forme des s ries temporelles date jour Figure 9 Y S rie temporelle de la solution PPP Page 42 sur 94 On remarque qu il y a un signal p riodique r siduel et un saut au d but de chaque journ e Le saut peut tre expliqu par la non fixation des ambig it s des valeurs enti res et que le calcul d une journ e l autre se fait de mani re ind pendante Le signal p riodique r siduel vient du fait que le mod le de mar e et de surcharge utilis e est un mod le global Il peut avoir des ph nom nes physiques locaux qui ne sont pas pris en compte Les graphes suivants montrent les effets de mar e sur les coordonn es aja2 a mas b 16 date jour date jour Figure 10 Y Effet des mar es terrestres sur les s ries temporelles aja2 aja2 0 05 0 05 0 00 0 00 dN m dN m 0 05 0 05 0 10 7 0 10 0 05 0 00 0 05 0 10 0 10 0 05 0 00 0 05 0 10 dE m dE m Figure 11 D placement d une station sous l effet des mar es terrestres Page 43 sur 94 Les figures 10 et 11 montrent l effet des mar es sur une station La figure 10a repr sente la s rie temporelle de la station AJA2 avant application de la mar e et la figure 10b apr s avoir appliqu les mar es On remarque que l amplitude du signal a diminu mais qu il reste encore u
17. diff rence de r sultats entre la chaine de calcul et des differents outils de calcul en ligne qui utilisent la Page 45 sur 94 m me m thode de positionnement PPP cin matique Pour cela on va faire une comparaison avec deux sites e CSRS PPP by natural Resources canada NRCan Ce site nous permet de choisir le type de traitement statique ou cin matique et le systeme de r f rence Tous les autres param tres sont d finis par d faut II utilise les produits de lIGS pour faire les traitements les orbites pr cises les horloges des satellites estim es toutes les 5mn La m thode utilis e pour estimer les diff rents param tres est le filtrage de Kalman e GAPS GPS analysis and Positionning Software by Rodrigo Leonardo University of New Brunswick ce site donne plus de possibilit s pour modifier les param tres coordonn es a priori type de positionnement angle de coupure La m thode utilis e pour estimer les diff rents param tres est le filtrage de Kalman Concernant la comparaison on a compar le d lai z nithal issu des trois m thodes de calcul et les carts des s ries temporelles des deux sites par rapport la solution PPP du SGN Une semaine de donn es issues du GPS embarqu sur le bateau a t trait e par les trois noyaux de calculs i D lai z nithal total PPP SGN PPP_NRCan PPP gaps ZTD m 257 258 259 260 261 262 263 264 265 date jour Figure 13 Compa
18. en entr e option de traitement fichier de sortie Page 87 sur 94 Annexe 4 Cha ne de calcul Diagramme fonctionnel des diff rents modules ERP PRETAB ORBGEN STD gt Fichiers g n raux R sultats divers Figure 37 Y Digramme fonctionnel des modules Bernes pour la d termination de l orbite et les param tres de rotation de la terre Mise en forme des r sultats Application des mar es terrestre Application des surcharges oc aniques Mise en r f rence dans l ETRS89 Page 88 sur 94 yyO RNXSMT SMT Calcul Principal CZH CZO SMTBV3 nr PZO bidon crd CZH fe al i CZO E BERG gt copspp pzo san kin_pppO KIN kin_ppp1 KIN E kin_ppp TRP GPSEST Pa test CLK zo CZO AH_CLK EN e BM PZO gt Fichiers g n raux san pote GPSEST kin_pppf TRP Po test CLK E Page 89 sur 94 Coordonn es des stations ajac dN m 0 0 10 0 05 0 00 0 05 0 10 dE m Figure 38 Y Dispersion du nuage de points de la station AJAC calcul s en PPP 17 18 13 14 15 16 date jour Figure 39 Y S rie temporelle de la station AJAC Page 90 sur 94 prie dN m 0 10 0 05 0 00 0 05 0 10 dE m Figure 40 Y Dispersion du nuage de points de la station PRIE calcul s en PPP date jour Figure 41 Y S rie temporelle de la station PRIE Page 91 sur 94 mars dN m 0 05 0 00 0 0
19. l altitude via une interpolation bilin aire en utilisant la grille EGMO8 Par la suite on calculera une ondulation moyenne qui sera appliqu e pour transformer la hauteur au dessus de l ellipsoide en altitude Ce qui donne Nr 28 68m Emq 0 22m max N min N 1 5m m e Calcul de la surface en utilisant l ensemble des points d j liss Le calcul se fait en utilisant Surfer Remarque On a n glig la variation de masse du bateau en fonction de la consommation Si le bateau consomme toute la quantit de carburant on aura une variation de la hauteur de 5cm Ce qui nous donne une variation de 5mm par heure Ces variations sont n gligeables vue la pr cision souhait e c R sultats Le graphe suivant montre la forme du g oide tel qu on l a approxim avec la m thode d crite ci dessus 43 4 50 43 2 43 42 8 42 6 42 4 42 2 42 41 8 5 55 6 65 7 75 8 85 9 Figure 32 Y Surface approximative de la surface du g oide Page 65 sur 94 La comparaison de cette surface avec le mod le du g o de montre que les deux surfaces sont plus ou moins similaires La surface du modele est plus liss e et d crit des grandes longueurs d ondes Par contre la surface issue du bateau est moins liss e et d crit plus de relief Le graphe suivant montre la surface approximative a et un extrait du modele de g o de EGMO8 b Figure 33 Y Comparaison avec le mod le de g oide EGM08 Par la suite on
20. les applications diff rentielles et n gligeable pour des lignes de bases ne d passant pas les 500km Par contre pour du positionnement en absolu l erreur peut tre de l ordre du dm en coordonn es et horloge r cepteur Vu le biais introduit par cette erreur les centres de calculs IGS appliquent le Phase Wind up aux horloges et orbites Il est aussi pris en compte dans le Bernese DCB et TGD Le DCB est le d calage d mission ou de r ception entre fr quences des signaux GPS Ce d lai existe aussi bien pour les satellites que pour le r cepteur Pour des raisons de coh rence les orbites et les horloges pr cises et radiodiffus es se r f rent a la combinaison ionospheric free Donc l utilisateur mono fr quence doit utiliser les valeurs de DCB des satellites Diff rents types de codes impliquent diff rentes sortes de DCB Il y a deux sortes de DCB P1 P2 et C1 P1 Page 73 sur 94 e P1 P2 est le biais entre les mesures des codes P1 et P2 Il est typiquement de l ordre de quelques nanosecondes e C1 P1 est le d calage d mission des signaux C A et P1 du satellite et du r cepteur Une partie de ce DCB d pend du satellite et une partie constante est due au r cepteur C1 P1 peut tre calcul en moyennant les diff rences entre codes C A et P1 Certains r cepteurs n ont pas la possibilit de mesurer P1 Pour ces r cepteurs il faut appliquer le biais qui existe entre le code C A et le code P1 qui d pend des satell
21. termination d une surface proche du g o de montre des r sultats satisfaisants Il faut am liorer cette m thode de traitement en faisant un meilleur lissage et filtrage des r sultats L analyse des r sultats montre que sur les trajets principaux on a des faibles carts Il faut donc multiplier les observations GPS sur le bateau et faire plusieurs fois les m mes trajets On pourra int grer ces mesures avec d autres donn es provenant par exemple des donn es d altim trie radar afin d am liorer le mod le labor Enfin de point de vue personnel ce stage a t enrichissant ll m a permis pendant 5 mois de travailler sur un cas concret d application de la g od sie spatiale dans un domaine scientifique la m t orologie Comment on utilise les mesures GPS pour am liorer les pr dictions des mod les m t orologiques tels que la pr diction des pr cipitations J ai eu l occasion de mettre en uvre ce que j ai appris et d approfondir mes connaissances en g od sie spatiale en traitant la campagne GPS en PPP en mode cin matique L utilisation d un logiciel scientifique de traitement de donn es GPS m a permis d acqu rir de nouvelles connaissances en g od sie et sur la manipulation des donn es GPS afin d avoir une position la plus pr cise possible en tenant compte des diff rents postes d erreurs qui affectent les mesures GPS Enfin le nombre de sessions important traiter m a pouss d velopper des scripts en perl et une inte
22. the results with various centers of calculation in PPP and the solution made by RGP allow to validate the whole of results and to evaluate the precision Page 5 sur 94 Table des mati res REMERCIEMENTS 2 2 e ont ee ait 3 RES CNE e id 4 ABSTRACTA e a a ln ee 5 TABELE DES MAHERE Sa e id 6 LISTE DES PABBA cote ee cee ao ciedad 8 LISTE DES UE N RU Su esate ba ed dans seca Ae AENA 9 EISTE DESANNEXES nn ll ein don mo 11 GLOSSATRE ETSIGLES UTILES cerien dde 12 INTRODUCTION cd ir SER 14 LPRESENTATIONDUPROIE tee ieee Dn ees 15 1 Service de Geodesic et Nivellement SGN id an 15 2 COMERTE LE poet VAPIME D SR A 16 A E EA TE a a E ADE 17 II LE POSITIONNEMENT PONCTUEL PRECIS PPP oooccccnnccccnnniccnnnnnoccnnonacccnonanoccnnnnocononacncnonanicanonoss 18 Is Prineipe de POSO MO iii 18 2 MINIMA OS GES POSTES A US A es 19 M MODELISATION DE LA TROPOSPHERE DANS LES MESURES GPS 21 ds ALEKO TELLE ETO i AREEN EE E EE ENEA EE RAINE EEE 21 21 o A A a tion cie 22 IV PRESENTATION DES LOGICIELS DE TRAITEMENT ccccccccceccecceccecceccsceccescescescescesceecs 23 1 Pr sentation du Bernese cccsccecoscoccsccecosccncsccscoscsscsccecescascscescancsccecscascsccecescascscesceses 23 DAM Ail aga AA A Nee te dd AI 24 V ME TH ODOLELOGIE DE TRAITEMENT usa itersaaceeetvelsmdacsantaedvoabedensanias 25 LCR de CAN CIN O E EA A E E 25 De C HOIK GES Para Meestria 31 3 Validation de la m thode de calcul 38e ns EA EDADE DE
23. troposph rique de l indice de r fraction des mod les de troposphere des fonctions de projection et des gradients horizontaux se trouve dans l annexe 2 Mod lisation du retard troposph rique Page 22 sur 94 IV PRESENTATION DES LOGICIELS DE TRAITEMENT 1 Pr sentation du Bernese Le logiciel Bernese GPS Software 5 0 est un logiciel scientifique de traitement des donn es GPS GLONASS Ce logiciel a t d velopp a l universit de Berne en Suisse ll est utilis dans les traitements des r seaux permanents pour du positionnement pr cis la d termination d orbites l estimation des param tres de rotation du p le le calcul de mod les ionospheriques et troposph riques la calibration d antennes Le logiciel Bernese est utilisable sur diff rentes plateformes Windows UNIX LINUX Le traitement peut tre fait de deux fa ons soit en mode interactif soit en mode automatique Ce qui nous int resse est le deuxi me mode Ce mode est accessible via le BPE Le Bernese Processing Engine BPE permet d automatiser les proc dures de calcul la strat gie de calcul tant pr d finie par l utilisateur de la transformation des fichiers RINEX jusqu au r sultat final le BPE lance les diff rentes t ches les unes apr s les autres ainsi que les diff rents programmes du Berne utilis s en faisant appel des panneaux pr param tr s La liste des scripts lanc s est donn e par un fichier PCF Process Control Fi
24. 5 0 10 0 10 dE m Figure 42 Y Dispersion du nuage de points de la station MARS calcul s en PPP date jour Figure 43 Y S rie temporelle de la station MARS Page 92 sur 94 Comparaison des ZTDs calcul s l aide du noyau de calcul avec la solution RGP Delai Zenithal total mars 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 date jour Figure 44 Y Comparaison du ZTD issu du noyau de calcul avec la solution journali re du RGP_EGVAP pour la station de MARS Delai Zenithal total ajac 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 date jour Figure 45 Y Comparaison du ZTD issu du noyau de calcul avec la solution journali re du RGP_EGVAP pour la station d AJAC Page 93 sur 94 Annexe 5 Resultats comparaison du d lai z nithal total 270 215 date jour 290 295 300 305 310 315 320 325 date jour 325 330 335 340 345 350 355 360 date jour 360 365 370 3 5 380 385 390 395 date jour Figure 46 Comparaison des ZTD entre deux traitements 30s et 5s On remarque que sur l ensemble de la p riode de 136 jours les graphes se superposent mis a part les jours 320 et 365 Par contre on remarque que les pics qui sont apparus avec le traitement a 30s ont disparu avec un traitement a 5s Le biais entre les deux s ries est de l ordre de 0 2 mm et un Ema de l ordre de 6mm Ces carts sont faibles On ne peut pas dire que le traitement a 5s soi
25. DADE ED Sueuodeddoavecaeevenldes 38 A Automatisation des calculs cccccceccscscecceccsccccecceccscesceccecescccecescescescecescescescecescscesescascesees 49 MERE A LU Eee nee nena a NL eae OTR ee RUM Oar e a o oie ee a NS 53 L irtenen AA uals anion A A tan Monson O talk 53 2 Comparaison entre traitements 30 S et 55 58 3 o eede ME ii dd ici 62 CONCEUSTON susan od ca un le da et a D M lee 68 BIBLIOGRAPHIE vesan a a a te ae ie 69 ANI NS e ei e e a eta e o a e c e el er DN 71 ANNEXE L POSTES D ERREUR GPS erenn e a de e 2 ANNEXE 2 MODELISATION DU RETARD TROPOSPHERIQUE cccoocccnnnninonnnnniconnnnnocononicicinanionons 78 Page 6 sur 94 ANNEXES LEOGICIELBERNESE O 85 ANNEXE 4C HAINE DE CALCULE E 88 ANNE O RES ULE a SU el io 94 Page 7 sur 94 Liste des tableaux Tabla OSOS CES E Sd aaa 20 Tableau 2 Y Structure g n rale des dossiers du r pertoire GPSUSER oonnononicinnncconiniccnoncncnnnnn ronca canana rana na rana naranans 26 Tableau 3 e Tests des DOT MOTO dial 33 Tableau 4 Comparaison des ZTDs bateau avec ZTD issu des donn es des stations proches 40 Tableau 5 Y Comparaison des coordonn es avec la solution RGP nine 41 Tableau 6 Y Comparaison ZTDs avec la solution RGP nine DER REED DER REED sense esse esse 45 Tableau 7 Y Comparaison entre la solution SGN NRCan et GAPS cccccccccccssccccescsccesssesesscessssscssssscsessscessssesssseessees 49 Page 8 sur 94 Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4 Figu
26. K w K ro a Le d lai total est donn par la formule suivante 10 d Naot N oh tro e ESSEN FROOME Ce mod le est appel un mod le diff rentiel Il permet de mod liser le delai troposph rique dans la couche situ entre le plus faible et le plus grand site e NIELL Elle tient en compte des variations temporelles et g ographiques du d lai tropospherique Page 80 sur 94 Fonctions de projection Ces fonctions permettent de projeter le d lai total au z nith Dans la suite on se contente de pr senter les fonctions de projection pr sentes dans la version 5 du logiciel Bernese e COSZ c est la m thode la plus simple de ramener le d lai troposph rique au z nith da cos z e Marini et Murray la fonction d l vation est une suite de fraction de 1 cos z m z cos z cos z C os COS Z Une amelioration de cette fonction est introduite par Herring 1 m z ite cos z b cos z cos z c e DRY _NIELL et WET_NIELL les deux fonctions ont la m me formulation 1 1 x m z cos z x cos z x COS Z C Cependant les coefficients a b et c de DRY_NIELL dependent de la latitude l altitude et le jour par contre pour la fonction WET NIELL ces coefficients d pendent uniquement de la latitude Ces coefficients ne sont pas les m mes Page 81 sur 94 Gradients horizontaux L utilisation d un angle de coupure tr
27. N MiTITUT ECOLE NATIONALE SOA FHIS LE DES SCIENCES HATIOMAL GEOGRAPHIQUES Rapport de Stage de Fin d Etude Cycle des Ing nieurs de ENSG 3 ann e IT3 Traitement et Analyse des d lais troposph riques issus des donn es d un r cepteur GPS bifr quence embarqu sur un navire a ho j Paglia Orba Armement SNCM Longueur 165 80 m Largeur 29m Tirant d eau 6 63 m Tonnage 29718t Mohamed Ali EL YAHMADI Le 28 Septembre 2009 soutenance du rapport v Non confidentiel Confidentiel IGN 1 Confidentiel Industrie jusqu au ECOLE NATIONALE DES SCIENCES GEOGRAPHIQUES 6 et 8 avenue Blaise Pascal Cit Descartes Champs sur Marne 77455 MARNE LA VALLEE CEDEX 2 T l phone 01 64 15 31 00 T l copie 01 64 15 31 07 Jury Pr sident du jury Michel KASSER directeur de l ENSG Commanditaire IGN SGN Laboratoire G osciences Montpellier Encadrement de projet Alain Harmel SGN IGN ma tre de stage Serge Botton ENSG DPTS professeur r f rent Jacques Belin ENSG DPTS professeur r f rent Responsable du cycle Ing nieur Serge BOTTON direction des tudes DPTS ENSG Tuteur de troisi me ann e Michel LANSMAN direction des tudes DFI ENSG Tuteur stage pluridisciplinaire Michel LANSMAN direction des tudes DFI ENSG ENSG Stage Pluridisciplinaire du 13 avril au 11 septembre 2009 Situation du document Rapport du stage pr sent en fin de 3
28. a calcul l cart en chaque n ud de la grille et on l a rapport sur les graphes suivants a 42 415 5 Figure 34 Y Ecart par rapport au mod le de g oide Le biais moyen entre les deux surfaces est de l ordre de 0 036 m et un cart moyen quadratique de 0 124m L cart entre le min et le max est de l ordre de 1 15m Les bosses colori es en rouge sont dues au manque de points en dehors de la zone convexe On Page 66 sur 94 remarque que sur le long des trajets principaux l cart est faible Le tableau suivant r sume les biais entre les directions principales et le mod le du g oide Biais m Emq m max min m Nb de point Distance km Densit de pt droitet 0 0396 0 0511 4388 341 855 13points km 0 0531 0 0493 100 770 4points km droites 0 1314 0 0798 279 185 2points km 0 0183 0 0789 1203 273 887 4points km On remarque bien que les carts sur les directions filtr es et liss es sont relativement faibles par rapport l ensemble des carts Par contre sur la direction N 3 les carts sont plus forts Cela est d au nombre de points de cette droite et la longueur de ce trajet La densit de points est tr s faible En faisant un lissage avec ces points on d forme un peu le mod le En conclusion on peut dire que cette approche a montr des r sultats assez satisfaisants Si le bateau avait effectu plus de trajets sur le m me chemin on aurait obtenu un meilleur lissage Si on avait u
29. a mer tait bien agit e et on avait de la houle Avec les r sultats de pluviom trie on pourrait confirmer ces r sultats Le graphe suivant montre un exemple d tude qui met en vidence le fait que quand il y a de fortes pentes dans les ZTD la pluie est tr s probable les jours suivants a 26 Raingauge Raingauge E 2 55 GPS E 25 E S a 245 N y a 5 mu 2 3 15 09 f os 10 31 10 23 11 15 09 08 10 31 10 2007 2007 Figure 20 ZTD et pr cipitation Extrait de l article de K Boniface et al High resolution GPS zenith delay assimilation Page 56 sur 94 La valeur du ZTD peut tre d compos e en partie hydrostatique et partie humide A partir de cette derni re on peut extraire la quantit de vapeur d eau On dispose des valeurs de pression pour le bateau On peut donc utiliser la formule de Saastamoinen 1972 pour calculer la composante hydrostatique Al 0 0022768x P hPa Le graphe suivant repr sente le d lai Hydrostatique z nithal ZHD m 19 20 21 22 23 24 25 date jour Figure 21 Y Composante hydrostatique du ZTD On remarque que le ZHD varie peu Sa variation est de l ordre de 8cm A partir du moment ou on a le d lai total et le d lai hydrostatique on peut d terminer le d lai humide de la fa on suivante Al AIS A donc Al Al Al M f pe Me Wh A MM IN f ha W 21 22 23 24 25 19 20 date jour Figure 22 Y Composan
30. a solution GAPS Il y a aussi des carts sur certaines p riodes Mais la solution SGN colle a au moins l un des deux solutions Page 47 sur 94 265 Dans ce test on va comparer les s ries temporelles de diff rentes solutions NRCan GAPS et SGN deux deux On a donc calcul les carts entre les diff rentes composantes et les a rapport sur le graphe suivant SGN NRCan SGN GAPS NRCan GAPS E LU o 257 258 259 260 261 262 263 264 265 E z o 257 258 259 260 261 262 263 264 265 o 264 265 257 258 259 260 261 262 263 date jour Figure 15 Y Ecart des s ries temporelles issues du noyau de calcul et ceux d autres centres de calcul en PPP On remarque bien que la solution livr e par les sites de calculs pr sente plusieurs anomalies La solution NRCan n est pas du tout bonne trois jours sur huit Et la solution GAPS pr sente des grands carts au d but de chaque journ e On remarque que la solution GAPS est plus proche que la solution NRCan de la solution SGN Page 48 sur 94 Le tableau suivant r sume les biais de chaque composante ainsi que les carts types pour les deux solutions NRCan et GAPS par rapport a la solution SGN SGN NRCan SGN GAPS NRCan GAPS Biais Emq Biais Emq Biais Emgq dE m 0 014 0 009 0 003 Tableau 7 Y Comparaison entre la solution SGN NRCan et GAPS La comparaison avec ces sites de calcul montre la coh rence des r sultats Elle
31. a solution PPP toute les 1mn Donc on a chantillonn la solution PPP Les graphes des stations MARS et AJAC sont en annexe 4 Cha ne de calcul Comparaison des ZTDs calcul s l aide du noyau de calcul avec la solution RGP Page 44 sur 94 PPP_SGN RGP EGVAP 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 date jour Figure 12 Comparaison du ZTD issu du noyau de calcul avec la solution journali re du RGP_EGVAP pour la station de PRIE On remarque que la solution du RGP est plus liss e que les r sultats du noyau de calcul Les deux courbes ont la m me forme et leur cart n exc de pas le cm Le tableau suivant r sume les biais et les carts types entre les deux calculs pour les trois stations MARS PRIE AJAC __Emq mm 13 8 16 Tableau 6 Comparaison ZTDs avec la solution RGP Les carts sont faibles ce qui montre que le traitement PPP et aussi pr cis que le traitement fait au RGP Cette comparaison permet de faire une validation externe des r sultats Les coordonn es et les ZTDs issus du noyau de calcul sont pr cis par rapport la solution RGP Ce qui permet de valider le traitement effectu et les param tres choisis pour traiter la campagne c Comparaison avec d autres centres de calcul Plusieurs centres de calcul sur internet proposent des services de calcul GPS en ligne en mode PPP cin matique Le but de cette comparaison est de voir la
32. aill l outil de calcul d velopp par Alain Harmel au sein du SGN pour faire du PPP en mode cin matique Samuel NAHMANI Olivier BOCK GPS et troposphere Publi le 13 Mars2009 Ce document d crit l effet de la troposphere sur les mesures GPS et comment on mod lise le retard troposph rique CPAN Comprehensive Perl Archive Network lt http www cpan org gt Ce site permet de t l charger des modules perl pour compl ter les modules install s par d faut Perl version 5 10 0 documentation lt http perldoc perl org gt Ce site pr sente une documentation complete pour apprendre a programmer avec Perl Il d crit l ensemble des fonctions existantes et propose des exemples de script lt http gmt soest hawal edu gt Ce site d crit la Standard lt http gmt soest hawal edu gt Ce site d crit les diff rents outils de GMT permettant de manipuler les donn es et les repr senter lt http www imagemagick org gt Ce site d crit les diff rentes fonctionnalit s de la biblioth que Image magick et il pr sente des exemples de code Page 70 sur 94 ANNEXES Page 71 sur 94 Annexe 1 Postes d erreur GPS Les observations GPS sont entach es d un certain nombre d erreurs Pour faire du Positionnement Ponctuel Pr cis il faut liminer ces erreurs Ce paragraphe pr sente l ensemble des postes d erreur qui affectent les mesures GPS Erreur d orbite et d horloge du satellite Pour le positionn
33. aitement issu du logiciel RTNet Real Time NETwork processing engine pour la totalit de la campagne Les r sultats sont tr s proches D un point de vue statistique les carts RTNet IGN donnent un RMS de 13 8mm un biais de 3mm et un coefficient de corr lation de 96 sur la totalit de la campagne 1 Traitement 30s Le traitement de la campagne nous a permis de d terminer la trajectoire du bateau la hauteur au dessus de l ellipso de et le d lai z nithal total a Figure 17 Y Trajet du bateau Page 53 sur 94 Ce graphe montre le trajet suivi par le bateau ainsi que la variation de la hauteur au dessus de l ellipsoide le long du chemin suivi Suivant le code couleur on remarque un creux entre la Corse et la France continentale Cette variation est visible lorsqu on trace la hauteur au dessus de l ellipsoide en fonction du temps Le graphe suivant repr sente la hauteur au dessus de l ellipsoide le long du trajet du bateau Chargement wA D chargement h m Mer agit e Port AJAC Port MARS Mer calme 19 20 21 22 23 24 25 date jour Figure 18 Y Hauteur au dessus de l ellipsoide le long du trajet du bateau A partir du graphe ci dessus on peut avoir une id e sur la forme du g o de le long du trajet Les bandes blanches correspondent aux intervalles de temps durant lesquelles le bateau se d place Comme le mobile est en mouvement sur la surface de la mer la variation de la hauteur au dessus de
34. aitements plus courts comme en cin matique il faut appliquer la correction totale Effet de surcharge oc anique La charge oc anique est le d placement de la cro te terrestre d la mar e oc anique La grandeur de ce d placement est de l ordre de O 7cm au bord des oc ans et est tr s faible loin des c tes Les ondes principales de mar es sont M2 S2 N2 K2 K1 O1 P1 Q1 Mf Mm et Ssa L onde M2 a la plus importante contribution l effet de charge oc anique son amplitude peut atteindre jusqu 5cm en composante radiale et 1cm en composante horizontale pour les stations c ti res Equations d observations ll y a deux observables principales en GPS la pseudo distance et la phase Compte tenu des erreurs pr c demment d crites les quations d observations s crivent de la fa on suivante P p t t c dp d Pige Oion Otrop rel L p 7 t t JC E dP d pide diu AN o dion ri rel dm C b b e trop Om c b b E Avec r Le r cepteur k Le satellite i Les mesures sur les fr quences L1 ou L2 respectivement Page 76 sur 94 De Distance g om trique entre le r cepteur et le satellite dp L erreur orbitale ot L erreur d horloge r cepteur t L erreur d horloge satellite La longueur d inde de Li N ambiguit de la phase Li et le satellite k c la vitesse de la lumi re
35. ani la pr cision des r sultats d pend de la pr cision des orbites des horloges des satellites de la g om trie et de la possibilit d liminer les diff rents postes d erreur Le choix de ce mode de positionnement a divers cons quences e Le r f rentiel est defini par le r f rentiel des orbites Du fait que le PPP n est pas une technique diff rentielle le r f rentiel g od sique ne peut tre d fini au moyen de contraintes sur des stations de r f rences Il est impos donc par les donn es satellitaires orbites horloges e Les corrections d horloges des satellites ne sont pas estim es mais supposees connues Elles sont introduites dans les processus conjointement aux ph m rides et aux param tres d orientation de la terre EOP La coh rence des orbites des EOP et des corrections d horloge est indispensable pour obtenir une grande precision ll est donc imp ratif d utiliser des donn es provenant du m me centre de calcul M langer les orbites et les horloges provenant de diff rents centres d analyse d grade les r sultats du PPP e l est souhaitable que les mod les utilis s pour estimer les orbites et les corrections d horloge soient les m mes que ceux impl ment s dans le logiciel de traitement Cela ne pose pas de probleme si les produits de CODE ou de IGS sont utilis s avec le Bernese Page 18 sur 94 A la diff rence du positionnement relatif les effets qui seraient communs aux stations
36. aphes sous format PostScript Les fonctionnalit s de cette biblioth que sont appel es en ligne de commande via le script perl fe e S Image magick c est une suite d outils pour cr er diter et composer des images Elle permet de lire de convertir et d crire des images dans plusieurs formats gif jpeg tiff post script Cette biblioth que permet aussi de modifier l image couleurs appliquer des effets dessiner du texte Ces fonctionnalit s peuvent tre appel es en ligne de commande partir de script via le syst me Cette biblioth que m a permis de convertir les fichiers ps au format png Pour pouvoir utiliser l interface il faut installer Perl GMT Ghost View et Image magick Un manuel programmeur a t d velopp en HTML CSS et Javascript pour permettre l utilisateur de modifier le code et d ajouter d autres fonctionnalit s Le code source et le manuel programmeur se trouvent dans le CD Maintenant il ne reste plus qu a traiter la campagne VAPIMED Page 52 sur 94 VI RESULTATS Une fois les param tres fix s et la m thode valid e la campagne a t trait e en faisant un traitement a 30s et un autre a 5s pour voir l influence sur l estimation du ZTD et les coordonn es Les r sultats de traitement 30s ont t livr s au commanditaire du projet au laboratoire G oscience Montpellier Une comparaison a t faite par Karen Boniface dans sa th se de ces r sultats avec un tr
37. ations de code par la phase Le fait de s int resser aux param tres de d tection de fautes et limination des observations hors norme est important quand on fait du PPP en mode Page 31 sur 94 cin matique car la redondance des observations est assur e par le nombre de satellites observ s Si les param tres d limination sont tres serr s on risque d avoir des poques singuli res lors de la r solution des quations d observations par moindre carr s De plus quand il y a une observation fausse la solution sur l poque concern e sera mauvaise Parce qu on fait un traitement poque par poque il ny a pas autant d observations pour que la faute soit r partie sur l ensemble des observations et soit minimis e Pour cela il faut bien d tecter les fautes et en m me temps ne pas liminer beaucoup d observations Dans le panneau RNXSMT on va s int resser donc deux param tres qui sont o RMS of a clean arc for Melbourne Wuebbena pour la d tection de saut de cycle Quand un saut de cycle est d tect et n est pas corrig une nouvelle ambig it est introduite De cette fa on on corrige la faute mais on ajoute un nouveau param tre estimer et on perd de la redondance 1 o RMS of an arc in ionosphere free LC L3 P3 Le seuil d limination d observations hors norme Le fait d liminer un satellite limine deux observations une sur le code et une sur la phase De cette fa on on aura moins de redondance 2
38. auparavant Les options de calcul sont e g Mise a jour des fichiers g n raux BERN50 GPS GEN e 0 ORBITES ACQUISES disponibles dans ORB e s SAUVEGARDER REPERTOIRE SOL e e 530 s ECHANTILLONNAGE DE TRAITEMENT e m avion s MOBILE Exemple s g m avion e 30s En plus de ces options l utilisateur peut choisir de g n rer le rapport juste apr s le calcul ou bien ult rieurement Pour faciliter l utilisation de l interface un menu d aide a t programm d crivant les fonctionnalit s de l interface m thode d utilisation et les diff rentes options de traitement accessibles via la barre de menu Page 51 sur 94 Pour d velopper l interface j ai utilis le langage perl Ce programme fait appel a plusieurs biblioth ques gratuites e Tk C est une biblioth que graphique multi plateforme cr e l origine pour la cr ation d interface pour les scripts en langage Tcl et est de plus en plus utilis e avec divers langages dont Perl GMT C est une biblioth que open source qui contient un grand nombre de fonctionnalit permettant de manipuler les donn es g ographiques cart siennes filtrage des donn es tendance projection afin de g n rer des graphes sous format post script GMT supporte une trentaine de projections et de transformations Elle contient aussi des fichiers de donn es comme les fronti res politiques les rivieres Cette biblioth que m a permis de g n rer des gr
39. cul avec la solution journali re du RGP_EGVAP pour la A OS RAE 45 Comparaison du ZTD issu du noyau de calcul d autres centres de calcul en PPP nocione 46 Comparaison de la hauteur ellipsoidale issue du noyau de calcul d autres centres de calcul en PPP 47 Y Ecart des s ries temporelles issues du noyau de calcul et ceux d autres centres de calcul en PPP 48 Intertacodetratenati id dur dica 50 E A PE CO EE SCRE ere AS 53 Hauteur au dessus de l ellipsoide le long du trajet du bateau 54 Delantal Ri a ter ete era 56 AEDA CO OR e AEE ATADA MAT NS 56 Composante Marota goe da LID id 57 COMPOSANT e MU d EDU Z TD oea A E AU AA A 57 COUTO AO vapeur A CO E oe a 58 Comparaison du ZTD entre le traitement 30 S et SS cccccccccccccccccescsccesccsessscsessscesssscesssscesssecessssceeseeens 59 Ecart ou ZlD enreletrauementd DO FETA IS ira e A en 59 Ecart entre les s ries temporelles entre le traitement 30 Seta 55 60 Ambig it s estim es pour un traitement 30s a et un traitement 55 b 6l Y Variation de la hauteur au dessus de l ellipsoide le long du trajet du bateau 62 Y Lissage et filtrage de la s rie temporelle de la hauteur au dessus de l ellipsoide oooonninnnnnnnninm 63 Y Directions principales suivies par l DATCOU n a a aA E E 64 Y Lissage de la hauteur au dessus de l ellipsoide suivant une direction 64 Y Surface approximative de la surface du Q O1dC ecccecccccccccccccccc
40. d une ligne de base ne disparaissent pas dans le PPP ni ne sont minimis s e Les mouvements du site dus a des ph nom nes g ophysiques tels que les mouvements tectoniques les mar es terrestres et surcharge oc anique e les erreurs d observation telles que les effets de la troposphere de l ionosphere le multi trajet e les effets dus aux satellites les horloges l excentricit du centre de phase de l antenne le d lai diff rentiel de groupe TGD la relativit et la phase initiale de l antenne satellite et r c peteur Une description plus d taill e des diff rents postes d erreurs dans lannexe1 Postes d erreurs GPS Le PPP est un moyen efficace et rapide de calcul de bonnes coordonn es pour une station mais sans atteindre la qualit issue d un calcul de r seau a cause principalement de l impossibilit de r soudre les ambig it s de phase et de la non prise en compte des corr lations entre les stations et les corrections d horloges Par contre cette m thode permet de d tecter les stations a problemes puisque les fautes ne seront plus dissimul es dans le r seau et ne seront plus compens es Pour avoir une position pr cise il faut donc liminer les postes d erreurs 2 Eliminations des postes d erreurs Dans l quation d observation GPS on a une partie th orique de la mesure et une partie non th orique qui est le r sultat des postes d erreurs Trois m thodes peuvent tre utilis es pour trai
41. de calcul GPS int grant des mesures de profils de vapeur d eau en vis e multi angulaire pour l altim trie de haute pr cision Publi en Juillet 2008 Cette th se d crit l apport des mesures Lidar lors des traitements GPS En passant par lexpliquant de l influence de la troposphere et de sa mod lisation sur la d termination pr cise de la composante verticale par GPS par la suite comment la mesure la vapeur d eau par le Lidar enfin une tude le couplage entre Lidar GPS Rocken et al Precise positioning of ships and buoys en the open ocean Cet article pr sente les r sultats de traitement d une campagne GPS fait sur un bateau qui a navigu environ trois mois dans l oc an Indien Une comparaison est faite entre le traitement PPP et PPP RTK avec le logiciel RTNET Page 69 sur 94 Rolf Dach Urs Hugentobler Pierre Fridez Michael Meindl Bernese GPS software Version 5 0 Publi en Janvier 2007 Manuel d utilisation du logiciel Bernese V5 0 ll d crit les diff rents modules du logiciel les Strat gies d estimations les principes du GPS et les ph nom nes qui affectent le positionnement Samuel BRANCHU Traitement des observations GPS pour la trajectographie a rienne Publi en janvier 2007 Ce document Pr sente une comparaison entre diff rents logiciels pour voir les possibilit s de faire du PPP Samuel BRANCHU Manuel utilisateur de KIN_ PPP version 1 Publi en Novembre 2008 Ce document d crit de fa on d t
42. de correction SATELLIT 105 La correction est prise en compte par les centres de calcul d orbites et dans le logiciel Bernese On utilise un fichier de correction pour DCB et TGD chaque satellite P1C1 DCB Le TGD est corrig par le constructeur Utiliser un fichier de calibration Eviter les endroits r fl chissants choix de Multi trajet l angle de coupure antenne a plan absorbant saude ge LO D tection des sauts de cycle et marquage Saut de cycle avec des combinaisons lin aires d observations Utilisation d un mod le pour minimiser l erreur et estimer la partie r siduelle phase L3 conforme aux conventions de lIERS2000 Bruit du r cepteur n gligeable Utilisation d un mod le de surcharge Fes2004 Tableau 1 Y Postes d erreurs Effet de surcharge oc anique Page 20 sur 94 II MODELISATION DE LA TROPOSPHERE DANS LES MESURES GPS 1 Introduction La troposphere est la partie basse de l atmosph re Elle s tend du sol a environ 10km C est un milieu non dispersif pour les fr quences inf rieures 15 GHz Donc le d lai troposph rique est identique pour les mesures sur L1 et L2 et il ne peut pas tre limin par combinaison lin aire des fr quences Lorsque le signal GPS se propage dans cette couche de l atmosph re il y subit l effet de la variation de l indice de r fraction ce qui se traduit par deux ph nom nes le retard de propagation et la courbure de la trajectoire On divise en g n ra
43. de r fraction N en deux parties la partie due lair sec N et la partie due l air humide N N N N P Avec N k T Dirk Ma E T Ou P Pression partielle de la vapeur d eau P Pression partielle de l air sec k Constantes de r fractivit T Temp rature G n ralement on d compose la r fractivit en un terme hydrostatique et un terme humide N N N Avec N k R P k N x Bre Densit de lair p p p A Mod les de troposph re Il y a plusieurs mod les pour calculer le d lai troposph rique total Ces mod les incluent la partie hydrostatique et la partie humide Dans la suite on se contente de pr senter les mod les existant dans la version 5 du logiciel Bernese Page 79 sur 94 e SAASTAMOINEN Le mod le de Saastamoinen est bas sur des lois relatives aux gaz parfaits Le d lai troposph rique est donn par l equation suivante 1255 a a pt E 0 05 e B tan 3 COS Z DL Avec p Pression en hPa e Pression de la vapeur d eau en millibar T Temp rature en degr Kelvin e HOPFIELD c est un mod le empirique Les indices de r fractivit sec et humide sont d finis comme suit 4 h N h Nao 53 Pour h lt h 43km d 4 N W N A Pour h lt h 12km w h est l altitude de la station N et N sont respectivement les indices de r fractivit sec et humide la surface de la terre avec P Ny K 2 do E P P No
44. du mobile 3 Nettoyage des sous r pertoires de GPSDATA KIN RAW OBS et ORB 4 Ouverture du rapport Ce rapport d crira le d roulement du traitement et sera ferm a la fin du traitement Page 28 sur 94 Mise jour des fichiers g n raux Un script perl g re cette t che GPSTOOLS PERL maj_gen pl Il permet de se connecter au serveur ftp pour mettre a jours les fichiers de BERN50 GPS GEN e GEN PHAS_COD I05 D calage centre de phase ARP et variations selon l l vation des satellites e GEN PHAS_SGN I05 D calage centre de phase ARP et variations selon l l vation des satellites e GEN SATELLIT 105 Information sur les satellites e GEN SAT_year CRX man uvre des satellites el ORB P1C1 DCB d calage d mission ou de r ception entre fr quences des signaux GPS el GENGPSUTC d calage en seconde entre le temps GPS et le temps UTC Decompression des fichiers physique avec GPSTOOLS COMPR GZIP EXE et Hatanaka avec GPSTOOLS COMPRi crx2rnx exe e Mise jour de la table des r cepteurs e Mise jour de la table des antennes e Analyse de l en t te du fichier rinex e Type de r cepteur v rification s il est connu IGS e Type de l antenne v rification s il est connu IGS e Position approximative e D calage d antenne e R ecriture d un nouveau fichier rinex avec teqc avec la p riode d chantillonnage d j choisie Page 29 sur 94 e D termination de coordonn es ap
45. e conversion de coordonn es e Les travaux sp ciaux Ils assurent a la demande des t ches d assistance et conseil pour la r daction de Cahier de Clauses Techniques Particuli res des expertises sur des travaux r alis s ou en cours de r alisation des contr les de conformit des mesures et implantations diverses ou tous travaux ayant besoin de comp tences particuli res dans le domaine de la mesure topom trique de pr cision ou du d veloppement pour le traitement de donn es Page 15 sur 94 2 Contexte le projet VAPIMED Depuis quelques ann es l assimilation des d lais troposph riques dans les mod les m t orologiques a permis d am liorer sensiblement les pr visions de pr cipitation sur le continent L enjeu est maintenant de tester la faisabilit de la m thode en mer ou les donn es m t orologiques manquent cruellement Dans ce but a t r alis le projet VAPIMED VAPeur d eau Pluie intense en MEDit rran e Le projet s inscrit dans le cadre du programme LEFE de l INSU Ce programme vise a tudier les ph nom nes hydrologiques au dessus de la M diterran e Le but de ce projet est de faire des mesures exp rimentales de la vapeur d eau par GPS sur plateformes mobiles Ces travaux s inscrivent dans la phase pr paratoire d HyMeX Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment Afin d valuer la validit des mesures d humidit GPS sur plateformes mobiles un r cepteur GPS a t install dan
46. e graphe 27 repr sente les intervalles sur lesquels on t fix es des ambig it s pour tous les satellites pendant une journ e de traitement 30s a et a 5s b Pour chaque satellite on a la valeur de l ambiguit et la dur e sur laquelle elle a t estim e Si on a beaucoup de petits intervalles cela signifie qu il y avait plus des sauts de cycles d tect s On remarque bien qu il y a beaucoup plus d intervalles dans le graphe b que dans le graphe a Donc avec un traitement de 5s on d tecte beaucoup plus de sauts de cycle et on a plus de valeurs d ambiguit s a estimer L analyse du fichier GPSEST F out montre que les pics correspondent aux poques ou il y a de nouvelles ambig it s estim es en 5s et n apparaissait pas dans le traitement a 30s On peut donc dire que les carts sont une cons quence de l estimation des ambig it s qui diff re d un traitement l autre 3 Surface de la mer a Objectif A l issue du traitement on dispose de la hauteur au dessus de lellipsoide de l antenne GPS le long du trajet avec une pr cision de l ordre de 5cm Etant donn que le GPS est install sur un bateau qui se d place sur la surface de la mer proche d une surface quipotentielle du champ de pesanteur l antenne d tectera toutes les variations du mod le du g oide Figure 28 Y Variation de la hauteur au dessus de l ellipsoide le long du trajet du bateau Page 62 sur 94 L objectif de cette tude
47. eccscsessccesssccsssscsessscsssscessscesssecesssceseeess 65 Page 9 sur 94 Figure 33 Y Comparaison avec le mod le de g o de EGMO8 ccccccccccccccsesssesscevsesevseeeusesensecessecensecesesessesensesensesenses 66 Figure 34 Ecart par rapport au mod le de REI A A A ci 66 Figure 35 Y G om trie de l allongement troposph rique du signal GPS 78 Figure 36 Y TILTING de la z nithal troposph rique avec un angle p idas 2 Figure 37 Y Digramme fonctionnel des modules Bernes pour la d termination de l orbite et les param tres de FORA Clot 88 Figure 38 Y Dispersion du nuage de points de la station AJAC calcul s en PPP ns 90 Figure 39 S rie temporelle dela stator AJA Ci A nine ee A Ne 90 Figure 40 Y Dispersion du nuage de points de la station PRIE calcul s en PPP nier 91 Figure 41 Serie temporelle de Ta station PRE A a 9 Figure 42 Y Dispersion du nuage de points de la station MARS calcul s en PPP occore 92 Figure 43 Serie temporelle de la station MARS a ci 92 Figure 44 Y Comparaison du ZTD issu du noyau de calcul avec la solution journali re du RGP_EGVAP pour la NAO de MARS A De den iia 93 Figure 45 Y Comparaison du ZTD issu du noyau de calcul avec la solution journali re du RGP_EGVAP pour la ESO ATA AAA o E A A A AO 93 Figure 46 Y Comparaison des ZTD entre deux traitements 3OS et 55 unes 94 Page 10 sur 94 Annexe I Annexe 2 Annexe 3 Annexe 4 Annexe 5 Liste des annexes POSTES CCU GIS ii 72 Mod
48. ehsanon QU retara OPOS PNC AAA AAA A A A AAN 78 EPT EDANESE AAA SAA ARAS A 85 Chaine de CM E EE E E E E TE 88 ROSS iia 94 Page 11 sur 94 BPE DCB DORIS EGVAP EPN GAPS GLONASS GMT GPS HyMeX IGN IGS INSU LEFE NRCan PCF Glossaire et sigles utiles Bernese Processing Engine Differential Code Bias D termination d Orbite et Radiopositionnement Int gr s par Satellite The EUMETNET GPS water vapour programme European Permanent Network GPS analysis and Positionning Software Global Navigation Satellite System Generic Mapping Tools Global Positioning System HYdrological cycle in the Mediterranean EXperiment Institut Geographique National International GNSS Service Institut National des Sciences de l Univers Les Enveloppes Fluides et l Environnement Natural Resources canada Process Control File Page 12 sur 94 PPP RGP RTNet SAA SGN TGD VAPIMED ZHD ZTD ZWD Positionnement Ponctuel Pr cis R seau gps permanent Real Time NE Twork processing engine Service des Activit s A riennes Service de G od sie et Nivellement D lai Diff rentiel de Groupe VAPeur d eau Pluie intense en MEDit rran e Zenith Hydrostatic Delay Zenith Total Delay Zenith Wet Delay Page 13 sur 94 INTRODUCTION En traversant la troposphere l onde electromagnetique GPS subit un retard d la r fraction L analyse des observations GPS permet de fournir un d la
49. ement GPS les coordonn es des satellites sont suppos es tre connues pr cis ment ce qui n est pas tout fait le cas Les orbites des satellites ainsi que les d calages des horloges embarqu es sont calcul es par la station de contr le principale transmis aux satellites par les stations de contr le et radiodiffus es dans le message de navigation Le message de navigation contient les elements k pl riens l instant de r f rence et leurs variations temporelles dues aux perturbations d orbites L erreur de l horloge du satellite est exprim e par un polyn me de second degre dont les coefficients sont diffus s dans le message de navigation Pour faire du positionnement ponctuel pr cis il faut utiliser des orbites et des horloges pr cises et provenant des m me centres de calcul pour qu il y ait une certaine coh rence entre les solutions Pour cela on utilise en PPP des orbites finales avec une pr cision de 2 5cm estim es tous les 15mn et des horloges avec une pr cision de 75ps estim es tout les 30s Effet relativiste Les satellites en orbite subissent le champ de gravit terrestre tant donn que la mesure de distance est bas e sur la mesure de temps et que le champ de potentiel gravitationnel modifie la fr quence d une horloge plac e dans ce champ les mesures doivent donc tre corrig es de cet effet Les principaux effets concernent e La conversion des temps propres des horloges bord en temps GPS e La co
50. est donc de d terminer une surface proche de la surface du g oide a partir des donn es GPS sur un bateau L ensemble des op rations effectu es sur les r sultats afin de trouver une surface proche de celle du g oide est le suivant e Correction de la surcharge atmosph rique L atmosphere appuie une charge sur la surface de l eau Si on veut trouver la hauteur de la surface de l eau on doit corriger la hauteur ellipsoidale de la variation due a la charge appliqu e par l atmosph re On dispose pour certains jours des donn es de pression On va les utiliser pour corriger la hauteur de la surface de l eau La correction est de 1cm HPa Quand la pression est sup rieure a la pression standard 1013 25HPa il faut donc ajouter la hauteur ellipso dale P Pstandard 1cm e Lissage des s ries temporelles de la hauteur au dessus de l ellipsoide avec une moyenne mobile pour enlever la houle et les vagues Par la suite on va chantillonner les valeurs On va prendre un point tout les 5mn Cela correspond a un point tous les 3km tant donn que le bateau se d place une vitesse de 10m s Enfin on extrait de la s rie temporelle les positions quand le bateau est en mouvement La figure suivante montre les r sultats du filtrage et lissage de la s rie temporelle de h E 76 0 lt 73 51 ___ R sultats bruts 7301 R sultats filtr s et liss s Figure 29 Y Lissage et filtrage de la s rie temporelle de la hauteur au dessu
51. eur estim es par le premier GPSEST dans les fichiers d observations e gzip exe d compression physique des fichiers rinex e rnx2crx exe decompression Hatanaka Page 27 sur 94 e tegc exe pre traitement des fichiers d observation e de200 exe correction des mar es terrestres e tr oc exe correction des surcharges oc aniques e kin_geo pl passage des coordonn es cart siennes aux coordonn es g ographiques e kingmt_e89 pl passage de l IGS poque d observation a l ETRS89 e clkrcv pl extraction des param tres d horloge des r cepteurs e bclk_bclkd pl calcul de la vitesse de variation des param tres d horloge c Description d taill e du traitement L ensemble des PCFs et les programmes annexes sont lanc s par le script VAPI_kin_ppp pl Le noyau de calcul est g r par l ensemble des instructions d crites dans ce script i Preparation 1 Definition des repertoires de resultats des programmes des donnees 2 Definition des options de traitements type du mobile echantillonnage taches suppl mentaires a faire Un PCF par type de mobile Dans notre cas on va utiliser KIN_PPA avec les options s g m avion e 30s ou bien s g m avion e 5s e g Mise a jour des fichiers g n raux BERNSO GPS GEN e s Sauvegarde de la solution GPSDATA KIN SOL e e 30s ou bien 5s P riode d chantillonnage Pour d terminer quel PCF est appel VAPI_RXST5 VAPI_RXST e m avion Type
52. g it s Le graphe suivant montre la fen tre principale de l interface ainsi que certaines fen tres secondaires Trajet du mobile wapi2b30 080 wapi2640 080 Figure 16 Y Interface de traitement Pour lancer les calculs il faut e Choisir le ou les fichiers rinex traiter e Le programme perl permettant de lancer les scripts de bernese via les PCFs VAPI_kin_ppp pl noyau de calcul modifi Page 50 sur 94 e Parla suite on choisit les options de calcul e Choisir si on veut g n rer un rapport en fin de chaque calcul Cette option va augmenter le temps de traitement Donc il y a aussi la possibilit de g n rer le rapport par la suite au moment de l affichage du rapport e On g n re un batch Ce batch contient le nom des programmes lancer ligne par ligne et les param tres d entr es Il est appel lorsqu on lance les calculs via le bouton calculer e Une fois le calcul termin on peut analyser les r sultats de fa on rapide en cliquant sur analyser Cette fonctionnalit permet d extraire les param tres importants des diff rents fichiers de rapport sommaire et de les regrouper dans une page indicateurs html e Le bouton dessiner nous permet de choisir quel r sultat on veut visualiser et sur quelle p riode via une nouvelle fen tre e Le bouton rapport permet d afficher le fichier de rapport d taill d un calcul ou bien de le g n rer et de l afficher s il n tait pas cr
53. ge 14 sur 94 PRESENTATION DU PROJET 1 Service de G od sie et Nivellement SGN Ce stage a t r alis au sein du Service de G od sie et Nivellement SGN a l Institut G ographique National Les activit s du service s articulent autour de six unit s e L quipe Produits D veloppements Mise au point et maintient de nouveaux processus de production en suivant l volution technologique ainsi que des nouveaux produits Les domaines d activit actuels sont processus de contr le et entretient des r seaux GNSS mise en place de service de calcul GPS en ligne modernisation de la base de donn es g ographique et Etudes instrumentales e Les r seaux mat rialis s de g od sie et de nivellement Elle assure l entretien de l ensemble des r seaux mat rialis s en France qui sont repr sent s par un ensemble de points bornes g od siques rep re de nivellement e Les r seaux de stations GPS permanents Maintien et diffusion des donn es collect es partir des stations du r seau GPS permanent de la France e R seaux et services internationaux repr sente un centre de donn es IGS centre d analyse EPN et maintient et collecte des donn es du r seau de balises du syst me DORIS e L information g od sique Les activit s de cette unite sont la gestion de la base de donn es g od sique publication des notices techniques mise en production de syst mes pr cis et d veloppement d outils d
54. here on utilise une combinaison lin aire de phase L1 et L2 appele L3 iono free e Troposphere l effet de troposphere est d crit dans le chapitre 2 et dans l annexe qui suit Effet de mar e terrestre La deformation de la croute terrestre induit un mouvement de la station Ces deformations sont dues a l effet des surcharges oceanique et atmosph rique aux mar es terrestres aux mouvements des p les Differentes mod lisations permettent d appr hender correctement ces ph nom nes et de r duire leur impact sur la position Page 75 sur 94 La mar e terrestre est la d formation lastique de la terre caus e par l attraction de la lune et du soleil elle d pend du temps et de la position Dans le positionnement relatif pour des distances de quelques dizaines de kilom tres cet effet est n gligeable mais pour le positionnement relatif longue ligne de base il est important d en tenir compte La mar e terrestre est de l ordre de quelques d cim tres verticalement et quelques centim tres en longitude et en latitude Le d placement d une station peut tre exprim par des harmoniques sph riques caract ris es par les nombres de Love et de Shida d pendant de la latitude et de la fr quence de mar e La mar e terrestre a une partie p riodique et une partie permanente Dans des traitements longue dur e y la mar e p riodique n affecte pas le r sultat seule la partie permanente est enlever mais pour des tr
55. i troposph rique total rapport au z nith qui peut tre d compos en partie hydrostatique li e la pression et une partie humide qui permet de d duire la quantit de vapeur d eau La connaissance de cette derni re permet de r aliser des pr dictions m t o fiables Une mission de collecte de donn es partir d un GPS sur un bateau a t effectu e pendant un p riode d environ 4 mois afin de faire des mesures de vapeur d eau Le but de ce travail qui s est d roul l Institut G ographique National au sein du Service de G od sie et Nivellement a t de d terminer le d lai troposph rique z nithal total et de le d composer en sa partie hydrostatique et humide partir des donn es GPS collect es Dans ce but les donn es ont t trait es en faisant du positionnement ponctuel pr cis en mode cin matique Des tests ont t faits sur le traitement d une semaine de donn es pour choisir les param tres ad quats Une interface a t d velopp e pour automatiser le traitement de la campagne et faciliter l analyse des r sultats Dans le but de valider les r sultats obtenus Ils ont t compar s differents centres de calcul et aux solutions journali res du RGP Une fois le traitement est r alis on dispose en chaque point du trajet du bateau de la hauteur au dessus de l ellipsoide Une m thode sera propos e pour d terminer une surface quipotentielle proche de la surface du g o de Pa
56. ites Le DCB est de l ordre de 2 ns 60 cm Les DCB sont uniques pour chaque satellite et leur changement est faible au cours du temps TGD D lai Diff rentiel de Groupe C est le d lai entre L1 et L2 ou plus pr cis ment P1 et P2 pour chaque satellite Les TGD sont estim s par le constructeur Variation du centre de phase de l antenne Le point par rapport lequel se fait la mesure est le centre de phase C est le point de r ception des signaux GPS Donc on doit conna tre pr cis ment la position de ce point Il est en g n ral diff rent du centre g om trique de l antenne et diff re selon la porteuse mesur e L1 ou L2 Ce point n occupe pas une position fixe Sa position varie en fonction de l incidence l vation azimut et de l intensit du signal mesur Cette variation peut tre assez grande et le biais introduit sur la composante verticale peut arriver jusqu a quelques centimetres PHAS COD I05 Bruit du r cepteur Il est valu a 1 de la longueur d onde du signal mesure Longueur d onde Bruit Code C A 0 1 0 3m Phase 02m 2mm Multi trajet Le trajet multiple est du a la reflexion du signal GPS sur une surface proche de l antenne et qui interfere avec le signal direct Le GPS va recevoir donc un signal via un autre trajet que celui direct L erreur en distance est inferieure a la longueur d onde mais elle peut affecter la r solution des ambiguites Pour liminer les
57. l hPa Deux valeurs de ZHD seront calcul es Une valeur pour un point au niveau du sol avec les conditions de pression standard et une autre valeur au niveau de la station avec la pression d termin e au niveau de celle ci De ce fait il faut calculer la pression au sol pour les stations Pour cela on peut utiliser un modele standard d atmosphere Tin a T 0 Avec H Laltitude de la station P Pression l altitude H P La pression a l altitude z ro T La temperature l altitude z ro n Constante sans dimension a Gradient de temp rature Dans ce cas on a pris comme valeurs initiales P 1013 25hPa T 15 288 15k a 0 0065km n 5 2561 Hs 12 88m Hp 137 41lm H 5104m Hno 25 07m On trouve Al 2 307m Valeur de ZHD pour une valeur de pression au niveau du sol Page 39 sur 94 Ali mars 2 303m Ali ne 2 293m Ali yy 2 3m Ali pe 2 269m Enfin les biais sont calcul s par rapport la valeur de Al Une fois ces carts appliqu s on obtient les r sultats suivants 2 70 2 65 2 60 28 pisa 2 55 E 2 50 S 2 45 2 40 2 35 2 30 2 25 2 20 19 20 21 22 23 24 25 date jour Figure 7 Y Comparaison du ZTD ave les stations proches du RGP Avec ce recalage les courbes collent bien et ont le m me ordre de grandeur Le tableau suivant resume les carts entre les ZTDs issus des donn es du bateau et les ZTDs issu des donn es des stations proches
58. l ce retard en deux termes Un premier appel retard hydrostatique de l ordre de 2 3 m au z nith et tr s peu variable Il repr sente environ 90 du ZTD Il d pend de la densit totale de l air Il varie donc peu et peut tre mod lis enti rement partir des donn es m t orologiques de surface Le second terme repr sente le retard humide peut fluctuer de 5 cm 25cm au z nith et traditionnellement beaucoup plus variable dans le temps et repr sente les 10 qui reste Le caract re al atoire de ces fluctuations rend difficile la correction a priori du retard car il est tr s peu corr l avec les donn es m t orologiques de surface et d pend du profil de densit de vapeur d eau La composante z nithale du retard troposph rique ZTD est estim e au cours du traitement une fonction de rabattement appel fonction de projection d crivant sa d pendance en l vation La mod lisation de la troposph re au cours du traitement suit alors le formalisme de l equation suivante ALTO ALP mf ALP ye Ou AL Retard hydrostatique au z nith AL Retard humide au z nith mf Fonction de projection hydrostatique mf Fonction de projection humide Page 21 sur 94 2 Strat gie d estimation Actuellement dans le traitement GPS on estime le d lai troposph rique de la fa on suivante e On d termine les valeurs a priori du retard total l aide d un mod le e On estime une correctio
59. l ellipsoide est reli e directement la variation du g o de On peut voir qu il y a un creux de g oide entre la corse et Marseille et une l g re bosse a mi chemin La forme ne se reproduit pas de la m me fa on parce que le bateau ne suit pas toujours le m me trajet Par la suite on montrera une approche qui exploite ces donn es pour produire une surface proche de la surface du g oide On peut aussi tablir d autres interpr tations partir de ce graphe telles que Page 54 sur 94 26 e On peut voir l tat de la mer Quand il y a de la houle on remarque une forte variation de la hauteur au dessus de l ellipso de comme d sign sur le graphe Par contre quand la mer est calme il y a moins de bruit dans les mesures e Quand le bateau arrive au port il est d charg et quand il repart il est charge Ces actions de chargement et d chargement peuvent tre remarqu es sur le graphe quand on charge le bateau il va s enfoncer donc h va diminuer et l inverse On peut avoir un ordre de grandeur de ces variations en utilisant le principe d Archimede et en assimilant le bateau un parall l pipede on peut calculer la hauteur immerg a l aide de la formule suivante m ET Avec m 29718tonnes Masse du bateau L 164m Longueur du bateau l 27 3m Largeur du bateau p Masse volumique de l eau On retrouve la valeur du tirant d eau 6 63m Suivant les caract ristiques du bateau on peut cha
60. le Le fichier PCF d finit la liste des scripts qui seront lanc s En plus du nom des scripts il contient des informations sur e Le nom du r pertoire contenant les panneaux d options lus par les scripts e L ordre dans lequel les processus doivent tre lanc s Cet ordre est d fini en donnant le num ro d identification du script et le num ro d identification du script pr c dent dont il faut attendre la fin e Des variables qui peuvent ventuellement tre d finies cet endroit Les r pertoires d option OPT contiennent les panneaux d options pr pr par s ll y a deux types de panneaux des panneaux communs chaque r pertoire et des panneaux correspondant au programme appel par le script Page 23 sur 94 Le but du BPE est donc de pouvoir automatiser les calculs quand on a beaucoup de sessions et de configurations identiques De plus on peut coupler le BPE avec un environnement de d veloppement tel que Perl De ce fait on dispose de toutes les fonctionnalit s du langage de programmation et d un ensemble de t ches bien d finies par le BPE Donc on peut par exemple d velopper une interface permettant de traiter une campagne de mesure et d analyser les r sultats en combinant le langage de programmation et le BPE Une description plus d taill e du logiciel Bernese se trouve dans l annexe 3 Logiciel Bernese 2 Kin PPP C est un programme d velopp par Alain Harmel SGN permettant de calculer une
61. les coordonn es est tr s faible Pour la composante EST et NORD il n ya pas de biais et l cart type est de l ordre de 2mm ce qui tres faible Pour la composante verticale il y a un biais de 1mm Ce biais est n gligeable pour le PPP et un cart type de 1cm Cet cart type montre qu il y a des poques ou la solution est mauvaise On remarque aussi que les pics sont situ s la m me poque que pour les ZTDs Au niveau des param tres de traitement ce qui diff re sont les param tres du module RNXSMT Ces param tres sont e Sampling interval for Rinex data 5s ou 30s e Maximum gap in data to start a new arc longueur maximum de l intervalle pour lequel une nouvelle valeur d ambiguite est estim e La longueur est 6 fois la Page 60 sur 94 valeur de l chantillonnage Cela a pour cons quence de fixer beaucoup plus d ambiguit s dans le traitement a 5s Donc plus de param tre a estimer et moins de redondance e Maximum gap for cycle slip correction longueur maximum de l intervalle pour corriger un saut de cycle Avec une faible p riode d chantillonnage on va corriger moins de sauts de cycle avec la combinaison lin aire L4 et on gardera les sauts de cycles d tect s auparavant par la combinaison lin aire L6 Melbourne Wuebbena Ces remarques se voient dans le graphe suivant a amb b Figure 27 Y Ambig it s estim es pour un traitement 30s a et un traitement a 5s b Page 61 sur 94 L
62. liquer cette contrainte entre deux poques cons cutives limite la variation de la troposph re en fonction du temps 5 Sigma a priori du gradient contraindre en relative les gradients horizontaux du d lai troposph rique 6 Sigma a priori des composantes horizontales contraindre en absolu par rapport au fichier de coordonn es en entr e Sigma a priori de la composante verticale contraindre en absolu par rapport au fichier de coordonn es en entr e Pour fixer les param tres des panneaux une s rie de tests a t effectu e sur la premi re semaine d observation a partir des donn es du GPS install sur le bateau On a vari ces param tres et on a contr l la variation des indicateurs statistiques facteur unitaire de variance le nombre d poques singuli res et lallure de la courbe du d lai troposph rique L ensemble des tests se resume dans le tableau suivant TELE TETE ET CERTES CERTES NONE NONE NONE TILTING TILTING 0 005 m 0 00005 m 0 001 m 0 001 m 0 001 m OoOO o o ooo f ooo 0 001 m Tableau 3 Y Tests des param tres On remarque que dans ce tableau on n a pas test l effet de la variation de la contrainte absolue de la composante verticale sur le ZTD La raison de ce choix est que l influence d un biais sur H est moins importante que l influence d un biais sur le ZTD avec un angle de coupure assez bas Par exemple avec un angle de coupure de 5 1mm sur le ZTD engendre un biais de 6
63. montre aussi que la solution PPP est meilleure que la solution propos e par les sites de calcul En conclusion la comparaison des r sultats avec la solution journali res du RGP montre que la solution PPP SGN est pr cise et permets de valider les param tres choisis pour traiter la campagne Une fois qu on a valid les param tres de traitement et la m thode il faut d velopper une interface permettant de traiter l ensemble de la campagne de fa on automatique 4 Automatisation des calculs a Description Vu le nombre de jours traiter et les tests faire il fallait d velopper une interface permettant de faciliter le traitement de la campagne et l analyse les r sultats Cette interface permet de e Calculer la trajectoire d un mobile en faisant du positionnement ponctuel pr cis en mode cin matique e Lancer le calcul de plusieurs fichiers rinex e Analyser les r sultats de traitement e Avoir des sorties graphiques de diff rents r sultats trajectoire hauteur au dessus de l ellipsoide et du d lai z nithal sur plusieurs jours e G n rer des rapports de calcul Le rapport de calcul contient des informations sur la station la qualit de l estimation le syst me de r f rence En plus des graphes Page 49 sur 94 repr sentant le trajet du bateau la hauteur au dessus de Iellipsoide le d lai z nithal total l erreur d horloge r cepteur la trace des satellites au dessus de la station et les ambi
64. multi trajets on peut Page 74 sur 94 e Utiliser une antenne munie d un plan absorbant ou de type choke ring e Choix de l angle de coupure e viter les surfaces r fl chissantes e On peut d tecter les multi trajet en post traitement des r sidus fort sur une temps tres faible et se repetant p riodiquement Saut de cycle Un saut de cycle est le changement rapide d une mesure de phase en nombre entier Ce ph nom ne naffecte pas la partie fractionnaire de la phase La cause d un saut de cycle est la perte de r ception du signal d un satellite pendant un certain temps ou des problemes mat riels Il y a plusieurs m thodes pour la detection et la correction des sauts de cycle La detection se fait habituellement par les differentes combinaisons des mesures Travers e de l atmosph re troposph re et ionosphere L atmosphere est divis e en plusieurs couches avec des propri t s diff rentes En traversant l atmosph re les ondes mises par les satellites GPS sont affect es par un d lai de propagation qui se manifeste en un d lai ionosph rique et un d lai troposph rique e lonosphere c est la couche de latmosph re qui s tend de 50 a 1000km d altitude C est un milieu dispersif ionis par l action des radiations solaires Le retard ionosph rique depend de la fr quence de l onde et du contenu total en electron TEC L erreur sur la distance varie de 1 a 100m En traitement pour liminer l effet de ionosp
65. n 2 20 257 258 259 260 261 262 263 264 265 date jour Figure 5 Y Variation du ZTD en fonction des param tres de d tection de saut de cycle et observations hors norme On remarque que les deux pics marqu s par les fl ches noires ont disparus et que les deux courbes sont tr s proches Sur l ensemble des jours on a un biais moyen de 0 5mm et un Emq de 4mm entre les deux solutions On peut dire que le dernier test a am lior les r sultats Mais on remarque que l endroit marqu par la fl che verte il y a un changement de la forme de la courbe Les deux solutions sont diff rentes sur un intervalle d environ 2h On remarque un biais de l ordre de 17mm et Emq de 5mm Les fichiers de rapport de traitement montrent que le nombre d poques singuli res a augment Le fait de serrer les param tres de d tection des sauts va augmenter le nombre de param tres a estimer parce qu on va ajouter de nouvelles ambig it s Et pour la d tection des observations hors norme on va liminer des satellites du traitement Comme cons quence on aura juste le nombre n cessaire pour d terminer une solution qui ne sera pas bien d termin e du fait qu on a moins de redondance parce qu on a moins d observables et plus de param tres estimer ou bien moins d observations que de param tres estimer et le syst me est ind termin Il faut donc avoir un compromis entre d une part avoir suffisamment d observations et d autre part d tecter le maxim
66. n de la valeur a priori Deux mod lisations math matiques peuvent tre utilis es d terministe par moindres carr s et stochastique filtrage de Kalman Dans le Bernese on fait une estimation par moindres carr s Dans le logiciel Bernese il est recommand d utiliser un mod le a priori de Saastamoinen avec la fonction de projection dry niell et d estimer une correction ramen e au z nith en utilisant la fonction de projection wet_niell Ces deux composantes ne repr sentent pas la partie hydrostatique et la partie humide Dans notre cas le mod le a priori n est pas calcul partir de la pression en chaque poque On utilise la premi re position et un mod le standard de pression et de temp rature pour calculer une valeur constante sur toute la journ e Par la suite on utilise la fonction de projection dry_niell pour la ramener au z nith Enfin on estime une correction de cette valeur Le r sultat exploiter est donc le retard total qui est la somme de ces deux composantes Pour pouvoir d composer le d lai z nithal total en ses deux parties hydrostatique et humide il faut disposer de la pression Grace cette derni re on va pouvoir calculer la composante hydrostatique a l aide de la formule de Saastamoinen 1972 Puis elle est d duite du d lai z nithal total pour obtenir la partie humide Ce dernier est utilis pour calculer la quantit de vapeur d eau Une description plus d taill e du d lai
67. n signal r siduel La figure 11a montre comment se d place une station pendant une journ e sous l effet des mar es La figure 11b montre la forme du nuage de points une fois les mar es sont enlev es En r sum ces graphes montrent que le r sultat d pend du mod le de mar e et la capacit de ce dernier bien d crire le ph nom ne Et plus g n ralement de la fa on utilis e pour liminer les diff rents postes d erreur En diff rentiel on ne verra pas ce ph nom ne r siduel par ce qu il sera minimis du fait que deux stations proches vont subir les m mes effets Dans le test pr c dent on a compar les coordonn es issues du PPP avec ceux de la solution RGP Dans ce test on va comparer les ZTDs des stations de MARS PRIE et AJAC calcul s en utilisant le PPP cin matique avec la solution journali re du RGP qui est conforme au programme de recherche europ en EGVAP La solution RGP est calcul e avec le logiciel Bernese en mode diff rentiel statique et en utilisant les param tres suivants e Coordonn es fix es e Mod le a priori Dry Niell e Fonction de projection des param tres troposph rique Wet_Niell e Angle d l vation minimum 10 La m thode de calcul est diff rente du PPP Donc ce test repr sente une validation externe des r sultats Le graphe suivant repr sente le r sultat des ZTDs sur une p riode de 26 jours issue de la station de PRIE La solution RGP est calcul toutes les 15mn et l
68. nt horizontal et on a diminu l angle de coupure a 3 Un angle de coupure assez bas permet de diminuer le facteur de corr lation qui existe entre les diff rents param tres ZTD hauteur ellipsoidale horloge r cepteur et d avoir plus de satellites et une g om trie meilleure Avec un angle de coupure bas on peut avoir des multi trajets mais dans le cas du bateau l antenne est environ 30 m au dessus de la surface de la mer Donc avec cet angle de coupure les ondes qui se r fl chissent sur la surface de la mer ne risquent pas d tre prises en compte dans les calculs Avec l utilisation d un tel angle de coupure l asym trie locale de la troposphere devient plus importante De ce fait on utilise les gradients horizontaux pour tenir compte de Page 34 sur 94 l h t rog n it de la r fractivit de l atmosph re L utilisation du gradient est justifi e par la pr sence du bateau pendant a peu pres 14h au port Il est sur la c te entre deux milieux diff rents Au niveau des quations on ajoute 4 inconnues sur une journ e d observations un gradient nord sud et un autre est ouest au d but et deux a la fin Le graphe suivant montre la variation de la courbe du d lai z nithal total en fonction du temps et de l utilisation du gradient avec un angle de coupure de 3 Dans la documentation de Bernese il est conseill d utiliser le mod le de TILTING pour le gradient 2 70 2 65 2 60 2 55 2 50 He
69. nversion pour les horloges de r cepteur au sol e La propagation des signaux entre les satellites et le sol e Le mod le dynamique de forces s appliquant sur les satellites GPS e L expression des positions dans un syst me g ocentrique tournant Page 72 sur 94 D calage du centre de phase du satellite Sur les satellites GPS le centre de phase centre d mission et le centre de masse sont d cal s Comme les ph m rides pr cises sont donn es par rapport au centre de masse et la mesure de distance est faite par rapport au centre de phase il faut donc rapporter tous les coordonn es par rapport au centre de phase Exemple D calages des centres de phase des antennes GPS utilis par lIGS dans le syst me de coordonn es li au satellite en m tres Block II IIA Phase Wind Up Les satellites GPS transmettent des ondes circulaires polaris es a droite La phase observ e d pend donc de l orientation des satellites et du r cepteur Donc la rotation du satellite ou des r cepteurs autour de l axe vertical va changer la mesure de phase d un cycle Ce ph nom ne s appelle Phase Wind Up Le r cepteur subit la rotation de la terre Par contre le satellite subit des rotations pour orienter ses panneaux solaires vers le soleil La variation de l orientation relative entre les antennes satellites et r cepteur a pour cons quence de changer la g om trie entre le satellite et le r cepteur Cet effet est tr s petit pour
70. ographique National au sein du Service de G od sie et Nivellement Il s inscrit dans le cadre du projet VAPIMED VAPeur d eau Pluie intense en MEDit rran e L objectif principal de ce stage est de determiner le d lai z nithal total a partir des donn es GPS collect es sur un bateau Un outil a deja t d velopp au sein du SGN permettant de faire du traitement ponctuel pr cis en mode cin matique Pour traiter les donn es de toute la campagne Il fallait donc param trer ce noyau de calcul l adapter au besoin et l automatiser La comparaison des r sultats avec divers centres de calcul et avec les stations du RGP a permis de valider la m thode de calcul et d valuer la pr cision des r sultats Page 4 sur 94 Abstract Keywords GPS on ship Zenith total delay Precise point positioning Kinematic positioning This training course takes place at the National Geographical Institute within the department of Service de G od sie et Nivellement It lies within the scope of the project VAPIMED VAPeur d eau Pluie intense en MEDit rran e The main aim of this training course is to determine the zenith total delay from data collected on a ship A tool was already developed in the SGN Data from GPS can be processed with this tool in precise point positioning mode and kinematic treatment To process all data of the campaign it is necessary to parameterize the tool adapt it to the need and automat it The comparison of
71. ont lances par un script perl VAPI_kin_ppp pl C est une version modifi e du noyau de calcul kin_ppp pl Les modifications concernent la suppression de toutes les options de calcul con ues pour le lidar le temps d chantillonnage et la transformation des coordonn es et la suppression du module de densification qui intervient a la fin de chaine de traitement pour g n rer une trajectoire plus dense en fonction de l chantillonnage initial Dans le cas du bateau ce module n est pas n cessaire Le script fait appelle aussi des programmes interm diaires tels que gzip exe rnx2crx exe teqc exe Ces interactions sont g r es par le script perl VAPI_kin_ppp pl L enchainement des modules Bernese est d crit par des PCFs Les premiers pas taient de comprendre comment marche la chaine de traitement actuelle et de la modifier en l adaptant la campagne VAPIMED T Panneaux SCRIPT OP PCF KIN_COP2 POLUPD INP POLUPD VAPI KIN PRETAB INP VAPI_KIN_COPO PRETAB ORBGEN INP ORBGEN VAPIRXST RNXSMT INP VAPI_RXST RNXSMT VAPRXSTE RNXSMT INP VAPI_RXST5 RNXSMT CODSPP INP CODSPP VAPI_PPP GPSEST INP MARIS RE GPSEST AH_CLK INP AH_CLK Tableau 2 Y Structure g n rale des dossiers du r pertoire GPSUSER Dans chaque dossier d option on ajoute 5 panneaux MENU INP MENU CMP INP MENU_EXT INP MENU PGM INP MENU_VAR INP Page 26 sur 94 En plus des scripts perl on fait appel a d autres scripts et ex cutables du dossier
72. pel aux diff rents fonctions du package Bernese ainsi que les panneaux Les programmes de traitement sont crits en Fortran Le logiciel peut s utiliser soit en mode interactif soit en mode automatis BPE Bernese Processing Engine Le BPE est d velopp en Perl Le logiciel tourne autour de trois principaux r pertoires BERN50 GPSDATA et GPSUSER e Le r pertoire des scripts Perl de lancement du programme de traitement en mode automatique BERN50 BPE e Le r pertoire des ex cutables BERN50 GPS EXE e Le r pertoire des fichiers g n raux contenant des informations sur les satellites les r cepteurs les antennes etc BERN50 GPS GEN e le r pertoire regroupant tous les sous dossiers contenant les fichiers INP dans lesquels sont inscrites les options des programmes utilis s pour le processus de calcul automatique par le BPE GPSUSER OPT e Le r pertoire contenant l ensemble des panneaux servant l introduction des param tres donn es constantes etc utilis s dans le traitement en mode interactif partir du menu GPSUSER PAN e Le r pertoire dans lequel sont regroup s tous les fichiers PCF con us pour les diff rents traitements automatiques avec le BPE GPSUSER PCP e Le r pertoire des scripts principaux d velopp s par les concepteurs du logiciel GPSUSER SCRIPT e Le r pertoire de la librairie de tous les sous programmes utilis s par les programmes Fortran BERN5O LIB
73. proch es partir de l en t te du fichier rinex G n rer le fichier BIDON CRD Le calcul est d fini par le PCF VAPI_KIN_COPO PCF Il permet de t l charger les orbites pr cises et g n re des fichiers de param tres de rotation de la terre et les orbites au format Bernese Le traitement est d fini par les PCFs VAPI _RXST PCF et VAPI _RXST5 PCF en fonction de l chantillonnage choisi 5s ou 30s Le but de ce traitement est de filtrer les r sultats en d tectant les sauts de cycle les fautes d observation et de lisser le code par la phase L ensemble des t ches est fix par le PCF VAPI_KIN_PPP PCF A l issue de cet enchainement de calcul on obtient une estimation de la trajectoire du mobile les ZTDs le d calage d horloge r cepteur et les ambiguit s e Extraction des indicateurs de traitement poques singuli res facteur unitaire de variance et carts type e Mise en forme des r sultats et finalisation des rapports e Passage des coordonn es cart siennes aux coordonn es g ographiques kin_geo pl e Correction des effets de marr s terrestre de200 exe e Corrections des effets de surcharge oc anique tr_oc exe e Mise en r f rence dans l ETRS89 kingmt_e89 pl Les diagrammes fonctionnels des diff rents modules d crivant l enchainement des traitements et l entr e sortie de chaque programme se trouvent dans l annexe 4 Chaine de calcul Diagramme fonctionnel des diff rents modules Page 30 s
74. raison du ZTD issu du noyau de calcul d autres centres de calcul en PPP Page 46 sur 94 On remarque que les trois courbes ont la m me allure et la m me tendance Les r sultats du site GAPS sont tres liss s par rapport au deux autres calculs Cela est d au fait qu ils appliquent une contrainte forte sur le d lai z nithal On remarque aussi qu au d but de chaque jour leurs solutions pr sentent des pics Ces pics s expliquent par Putilisation du filtrage du Kalman La solution au d part est mauvaise et converge par la suite peut tre qu ils n utilisent pas la m thode de r tro substitution Les r sultats du site NRCan collent mieux la solution SGN Par contre leur solution pr sente des anomalies sur les jours 257 260 et 264 Le graphe suivant montre la variation de la hauteur au dessus de lellipso de en fonction des jours h m PPP_SGN PPP_NRCan PPP gaps 257 258 259 260 261 262 263 264 date jour Figure 14 Comparaison de la hauteur ellipso dale issue du noyau de calcul d autres centres de calcul en PPP On remarque que les trois courbes voluent de la m me fa on La courbe verte repr sente les m mes anomalies que pour le d lai z nithal Le bateau est stationn au port Donc ce n est pas normal que la surface de la mer fasse des sauts de cette fa on Donc sur les jours 257 260 et 264 la solution NRCan est liminer On retrouve aussi les m mes anomalies au d but de chaque jour pour l
75. re 5 Figure Figure 7 Figure 8 Figure 9 Figure 10 Figure 11 Figure 12 station de Figure 13 Figure 14 Figure 15 Figure 16 Figure 17 Figure 18 Figure 19 Figure 20 Figure 21 Figure 22 Figure 23 Figure 24 Figure 25 Figure 26 Figure 27 Figure 28 Figure 29 Figure 30 Figure 51 Figure 32 Liste des figures Unsaloiorau GPS SUP DAA iaa 16 Diagramme fonctionnel du traitement en PPPuucccccccccccccccccccccccccccccsccsccesssccssssccsssscssssscssssscsessscsessscssssseeess 25 Variation du ZTD en fonction de la contrainte relative nier 34 Variation du ZTD en fonction de l angle de coupure et l utilisation des gradients horizontaux 35 Y Variation du ZTD en fonction des param tres de d tection de saut de cycle et observations hors norme A enter bans aaa PEE EAS et RO 36 Comparaison du ZTD avec les stations proches du RGP cccccccccccccecccsccsccsssscssusscssssscssssecssssscssssscessseeses 36 Comparaison du ZTD ave les stations proches du RGP oononnnnnicnnnicicnnocnninanccnnana cono na rana na rana nacana na cae cano 40 Dispersion du nuage de point d une solution PPP aiii titi iia it ici 42 Sere temporelle de la solution PRES de AA IN AA AA A A 42 Y Effet des mar es terrestres sur les s ries temporelles cccccccccccccccccescsccsecsccsssscsessscssssscesssscssssecesssseesseens 43 Y D placement d une station sous l effet des mar es terrestres 45 Comparaison du ZTD issu du noyau de cal
76. rface facilitant le traitement et l analyse des r sultats Page 68 sur 94 BIBLIOGRAPHIE Erik Doerflinger Les applications m t orologiques du syst me de positionnement satellitaire GPS Publi en ao t 2001 Cet article pr sentes les diff rents domaines d application du GPS dans le domaine de la m t orologie Francois L ecu Le logiciel Bernese de calcul GPS BERNESE version 5 0 Utilisation pratique et application dans le cadre du RGP Ce document pr sente un cas d utilisation pratique du logiciel Bernese pour traiter une compagne GPS pr sente les diff rents param tres des panneaux utilis s lenchai nement des traitements et leur automatisation Fran oise Duquenne Serge Botton et al Localisation et navigation par satellites Publi en 2005 Ce livre d crit de fa on d taill e le syst me GPS ainsi que les diff rentes m thodes de positionnement K Boniface et al High resolution GPS zenith delay assimilation Publi en Juillet 2009 Cet article d crit les apports de l assimilation des du d lai z nithal troposph rique dans les pr visions num rique de temps Jamel Asgari Etude de mod le pr dictif dans un r seau de stations GPS permanentes Publi en Novembre 2005 Cette these pr sente l ensemble des postes d erreur qui affecte les observations GPS en vue de les liminer ou bien de les estimer via un traitement en mode PPP Pierre Bosser Etude D veloppement et validation d une m thode
77. rger 544 passagers 120 voitures 2300 m lin aire de fret Un container charg p se environ 10 tonne et a une longueur de 12m Si on estime toute cette charge 2270 tonnes Le bateau est propuls par 4 moteurs de type WARTSILA Un moteur de ce type consomme 6tonne h de diesel Le ferry a 4 moteurs et fait la travers e en 10h environ Il a donc besoin de 240 tonnes de carburant En modifiant la masse de bateau on trouve une nouvelle hauteur immerg de l ordre de 7 19m Donc un ordre de grandeur de variation de la hauteur au dessus de l ellipsoide au chargement et d chargement de l ordre de 50 cm C est ce qu on remarque sur le graphe Page 55 sur 94 c D lai z nithal total Le d lai z nithal a t estim par poque d une minute Le graphe suivant nous montre la forme de la courbe du d lai z nithal total i N An M h Yi eel uh Fi pi Ve Aa A Ml 49 20 21 22 23 24 25 date jour Figure 19 Y D lai z nithal total La valeur du d lai z nithal total est importante pour les gens de la m t o car ces valeurs permettent d am liorer les mod les de pr diction surtout pour pr voir les pr cipitations G n ralement quand il y a des fortes pentes dans la courbe de d lai z nithal il est probable qu il va pleuvoir les jours qui suivent On repr sente sur le graphe les fortes pentes de d lai z nithal jour 20 et jour 24 On remarque sur le graphe de la figure 18 que sur les jours 21 22 et 25 l
78. s On remarque que les graphes se superposent il n y a pas de diff rence visuelle entre les deux r sultats En zoomant sur une p riode on voit bien que la courbe des ZTD a 30s est plus liss e que le traitement 5s Cette derni re oscille autour la courbe 30s Dans le graphe suivant on a calcul l cart terme terme entre les ZTDs Biais 0 3 mm Emq 4mm b3 3 et a ia i yh i mao ESO SET mb Pa a i er Y ha a di h ty ih ie ii did A fi e m ot i it E509 aa re af Y feast it Wee QUE 4 it t 5 as 4 RS 18113 teo y oe y f date jour Figure 25 Y Ecart du ZTD entre le traitement a 30 s et 5s On remarque que l ensemble des carts est entre 5mm Le biais moyen entre les deux r sultats est de l ordre de 0 3 mm et l cart type est de l ordre de 4mm Ces valeurs sont tr s faibles Par contre on remarque l existence de certains pics sur la courbe des carts Ces pics apparaissent sur des poques particuli res On va voir si ces pics se reproduisent sur les s ries temporelles des coordonn es Page 59 sur 94 Le graphe suivant repr sente l cart entre les coordonn es g ographiques converti en m des deux traitements chantillonn toutes les minutes dE m Biais 0 mm dN m dh m date jour Figure 26 Y Ecart entre les s ries temporelles entre le traitement 30 s et 5s On remarque que l cart entre
79. s bas permet d am liorer les r sultats du traitement GPS et de d corr ler les diff rents param tres Avec un angle de coupure assez bas les h t rog n it s locales de la r fractivit de atmosphere s amplifient Pour rem dier a ce probleme on utilise des gradients horizontaux lors de l estimation du d lai troposph rique pour tenir compte des asym tries locales Dans le logiciel Bernese on a le choix entre deux modalisations de gradients TILTING et LINEAR L utilisation du second mod le n est pas recommand e Le graphe suivant repr sente le mod le de TILTING AF A ye Figure 36 Y TILTING de la z nithal troposph rique avec un angle Le d lai troposph rique total et ramen au z nith via une fonction de projection Le probl me ici est que le z nith g om trique et le z nith qui correspond au minimum du ZTD ne sont pas confondus Cet cart est repr sent par un angle sur le graphe Cet angle est d crit par deux param tres de gradient dans la direction NORD et EST Mise en quation L obtention d une position pr cise d pend de la capacit des mod les de d crire les ph nom nes physique la possibilit d liminer les erreurs et les minimiser Page 82 sur 94 Pour liminer l erreur ionosph rique la combinaison iono free est utilis e Elle consiste en k fe k fr k P 2 DA MIS 2 P J f 7 FP re k fy k pk 4 E 2 ae P Compte tenu des erreurs d j pr
80. s de l ellipso de Jour Page 63 sur 94 e Faire des coupes On remarque que le bateau suit plusieurs fois le m me chemin On va determiner l ensemble des points appartenant ces directions Pour cela on va les projeter sur ces droites et s ils sont une certaines distances on suppose qu ils appartiennent a cette droite 432 43 428 o 426 2 424 42 Trajectoire du bateau 41 6 gt ES fa Directions principales Y Longitude Figure 30 Y Directions principales suivies par le bateau On va les extraire du reste des donn es puis les lisser h m disatance km Figure 31 Y Lissage de la hauteur au dessus de ellipso de suivant une direction De cette fa on on obtient quatre directions dont on a liss la hauteur au dessus de Pellipsoide Par la suite on va extraire l ensemble des points appartenant ces directions et lisser le reste des points Page 64 sur 94 e Le probl me qui se pose ici est qu on ne dispose pas de la hauteur de l antenne On va donc utiliser un mod le de g o de sur lequel on va plaquer la surface Le second probl me est qu on n a pas de points de mesures en dehors de la zone convexe qui englobe l ensemble des trajets On va donc utiliser des points du g oide pour calculer la surface Pour cela on va chercher un cart moyen entre la hauteur au dessus de lellipso de et l altitude au dessus du g o de On va donc calculer en chaque point du trajet
81. s le cadre du projet VAPIMED du 13 09 08 jour 257 au 25 01 2009 025 sur le ferry Paglia Orba r alisant la ligne Marseille Ajaccio Paglia Orba Armement SNCM Longueur 165 80 m Largeur 29m Tirant d eau 6 63 m Tonnage 29718t Figure 1 Y Installation du GPS sur le bateau Extrait du rapport de C Champollion G oscience Montpellier Page 16 sur 94 3 Objectifs Au sein du SGN un outil a t d velopp par Alain Harmel pour le calcul de la trajectographie pour le SAA en mode PPP cin matique ll permet entre autres de d terminer le d lai z nithal total L objectif est donc d utiliser cet outil et de l adapter pour traiter la campagne Dans ce but II fallait e Modifier l outil le noyau de calcul prend en compte plusieurs options de calcul qui sont principalement d di es la prise de vue a rienne et permet aussi de densifier la trajectoire ll faut donc modifier ce code et ne conserver que les modules propres au bateau e Choisir les param tres des panneaux de Bernese qui permettent d avoir une meilleure estimation du d lai z nithal troposph rique tels que les contraintes entre chaque poque angle de coupure utilisation des gradients horizontaux e Analyser et valider les r sultats il faut comparer ces r sultats aux ZTDs des stations du RGP les plus proches et diff rents sites de calcul en ligne en mode PPP cin matique e Automatiser les traitements la campagne contient environ
82. t meilleur qu un traitement a 30s parce que les pics ont disparus On a quand m me une variation complete de la forme du graphe sur deux jours Il nous faut une comparaison avec un r sultat externe pour d cider de la qualit du traitement Mais on peut dire que les deux traitements donnent des r sultats semblables Page 94 sur 94
83. t stations a la fois analyser les r sultats visualiser des graphiques des r sultats et g n rer un rapport d taill de calcul par session Page 24 sur 94 V METHODOLOGIE DE TRAITEMENT 1 Chaine de calcul Le mode de positionnement utilis est du PPP en mode cin matique Les caract ristiques principales du traitement sont e La cin matique Il s agit de d terminer la trajectoire d un r cepteur embarqu sur un mobile c est dire une position par poque d observation e Le positionnement ponctuel pr cis ll s agit de d terminer la position la plus pr cise sans utiliser les donn es d une station observant simultan ment au sol ou d un r seau permanant Manipulation des RNXSMT Manipulation des orbites et param tres fichiers rinex de rotation de la terre SMTBV3 POLUPD Solution approch e JE Trajectoire et d calage d horloge r cepteur PRETAB ODSPP ORBGEN GPSEST1 AH_CLK GPSEST2 Module Bernese V5 0 Modules SGN Figure 2 Y Diagramme fonctionnel du traitement en PPP Estimation de la trajectoire a d calage d horloge r cepteur ZTD ambig it s Page 25 sur 94 Le diagramme pr c dent montre comment s emboitent les diff rents modules de Bernese et les modules d velopp s au SGN pour faire du positionnement ponctuel pr cis Du point de vue fonctionnel ces modules sont organis s sous forme de PCFs et ser
84. te humide du ZTD Page 57 sur 94 On remarque que la partie humide du d lai z nithal varie beaucoup par rapport a la composante hydrostatique Sa variation est de l ordre de 20cm A partir de ces valeurs on peut d terminer quantit de la vapeur d eau qui est proportionnel a ZWD Le facteur de proportionnalit est fonction de la temp rature moyenne du profil vertical Ce facteur est estim a une valeur de 6 5 La quantit de vapeur d eau est d duite du ZWD via une formule approximative o A 6 5 Ce qui int resse les gens de la m t o est donc cette valeur de la quantit de vapeur d eau qui est utilis e dans les mod les num riques de pr diction de pr cipitation De plus la forme de la courbe du d lai z nithal total dans la plupart des cas si la courbe des ZTDs pr sente de forte pente la pluie est tr s probable les jours suivants 19 20 21 22 23 24 25 date jour Figure 23 Y Quantit de vapeur d eau 2 Comparaison entre traitements 30 s et 5s Le but de ce test est de voir l influence de la variation de l poque de traitement sur les coordonn es et les ZTDs a Comparaison des ZTDs Le graphe suivant montre la variation de la valeur du Z1D en fonction du temps pour deux traitements diff rents Page 58 sur 94 2 70 2 65 2 60 2 55 2 50 2 45 2 40 2 35 2 30 2 25 2 20 ZTD m 19 20 21 22 23 24 25 date jour Figure 24 Y Comparaison du ZTD entre le traitement 30 s et a 5
85. ter cette partie r siduelle e Estimation On estime les valeurs de ces termes en m me temps que les inconnues principales Cette m thode poss de deux inconv nients Le premier est que le nombre de param tres que l on peut estimer est limit par la quantit d observations dont on dispose Le second est qu en augmentant le nombre de param tres estim s on affaiblit la d termination des inconnues principales et on limite donc ainsi la pr cision obtenue sur ces inconnues principales e Mod liser l int r t de cette technique pour diminuer l cart entre mod le et observation d pend essentiellement de la capacit du mod le utilis d crire le Page 19 sur 94 comportement du terme secondaire Plus la valeur du terme r siduel sera importante moins la m thode sera efficace e Eliminer par combinaison lin aires de mesures Cette m thode donne d excellents r sultats Mais elle a deux inconv nients o Le bruit associ a la combinaison de mesures est plus important que le bruit initial sur chaque mesure o Les diff rentes mesures obtenues par combinaison peuvent tre corr l es entre elles m me si les mesures brutes sont ind pendantes Le tableau suivant r capitule l ensemble des postes d erreur et la m thode de traitement en PPP Poste d erreur Traitement Utilisation des produits IGS orbites pr cise Orbite et Horloge satellite 2 5cm toutes les 15mn et horloges 30s 75ps RMS On utilise un fichier
86. tilis les mesures de l altim trie radar on aurait pu am liorer ce mod le Enfin l am lioration de la pr cision de cette m thode peut nous permettre de faire un pont entre le mar graphe de Marseille et la Corse Cette tude peut donc servir comme premi re bauche pour permettre de rattacher le syst me d altitude de la Corse celui de la France m tropolitaine Page 67 sur 94 CONCLUSION Dans le cadre de ce projet la campagne a t trait e en utilisant le noyau de calcul du SGN modifi via l interface d velopp e Les r sultats ont montr que le traitement des donn es GPS en mode PPP en cin matique est pr cis et exact en le comparant a la solution journali re du RGP une exactitude de 1cm et une pr cision de 2cm en planim trie et 5cm en altim trie De plus la comparaison des ZTDs calcul s en mode PPP cin matique avec la solution EGVAP a montr que les r sultats sont similaires et aussi pr cis Donc c est possible d utiliser les ZTDs issus du noyau du calcul pour extraire la partie humide du d lai z nithal On peut donc int grer ces donn es dans les mod les de m t o pour am liorer les pr visions de pr cipitation en mer puisqu on dispose d un outil assez pr cis pour le calcul des ZIDs partir des donn es GPS collect es en mer La pr cision atteinte en PPP en mode cin matique est tr s bonne ll faut chercher l am liorer en fixant les ambig it s a des valeurs enti res Le test fait sur la d
87. um de saut de cycles et d observations hors norme Les pics qui ont disparu ne sont pas pr dominant dans le choix des param tres parce que ces pics peuvent tre limin s par la suite du traitement en faisant du traitement du signal Ce qui est plus important c est de ne pas avoir d poques singuli res et que la forme des courbes ne soit pas modifi e Page 36 sur 94 gt Enfin les traitements des donn es du bateau se feront avec les param tres du test4 Les param tres finaux du traitement sont e Mod le a priori Dry Niell e Fonction de projection des param tres troposph riques Wet _Niell e Angle d l vation minimum 3 e Utiliser une contrainte relative pour l estimation du ZTD de valeur 1mm e Utilisation des gradients horizontaux avec le mod le de TILTING avec une contrainte relative de 1mm e Coordonn es en entr e contraintes en absolue a 5cm en planim trie et a 20 cm en altim trie Remarque e Dans le Bernese il y a beaucoup d autres param tres a g rer mais on a tudi les param tres qui sont cens s affecter directement la valeur du d lai troposph rique z nithal e faut que la station soit marqu e par AIRBORNE dans le fichier RGP1DOME STA Ce fichier se trouve dans le r pertoire STA de GPSDATA Il d crit les stations du RGP nom num ro DOMS date de fonctionnement type de r cepteur type d antenne Dans notre cas la station sur le bateau est inconnue donc on ajoute
88. ur 94 2 Choix des parametres Le but de ce stage est de d terminer le d lai z nithal total partir des mesures GPS Il faut donc bien param trer les panneaux du Bernese pour avoir la meilleure estimation possible du ZTD Les param tres qui seront tudi s sont accessible via les panneaux RNXSMT INP CODSPP INP et GPSEST INP lls se r sument en e Seuil de filtrage des donn es ces param tres sont situ s dans le panneau RNXSMT INP Pour filtrer et lisser les donn es les deux fr quences d observation du code P1 P2 et de phase L1 L2 Les observations issues de chaque satellite sont trait es en 4 tapes o D tection des sauts de cycles avec la combinaison lin aire L6 Melbourne Wuebbena Cette combinaison permet d liminer l effet de l ionosph re la g om trie les horloges et la troposph re La formule de la combinaison est la suivante kss Gi EUR PP dis a hth o D termination de la taille du saut de cycle avec la combinaison lin aire L4 Geometry free Les sauts de cycles ne sont pas r par s mais une nouvelle ambig it est introduite La formule de la combinaison est la suivante L L L o Suppression des observations hors norme qui n taient pas d tect es lors de la premi re tape On utilise ici la combinaison lin aire L3 lonosphere free La formule de la combinaison est la suivante 1 E L F FR fiL P PB f P P 7 a MAP o Lissage des observ

Traitement et Analyse des délais troposphériques issus des

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