Réflectométrie GNSS. Laurent LESTARQUIT CNES / GRGS. Journée GNSS et science 29/01/2015 -

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1 Réflectométrie GNSS Laurent LESTARQUIT CNES / GRGS Journée GNSS et science 29/01/2015-1

2 Sommaire Généralités Principe : Signaux d opportunité Altitude du récepteur : du niveau du sol à l espace Possibilités de la réflectométrie GNSS : Pour l altimétrie Diverses techniques possibles Altitude du récepteur : du niveau du sol à l espace Rugosité de surface Humidité des sols Biomasse Glaces de mer Neige Acteurs du GNSS-R En France, en Europe, dans le monde 2

3 GNSS-R : principes Utilisation de signaux d opportunité éclairant la terre Signaux GNSS : couverture mondiale et stabilité du signal garantie 4 constellations GNSS : 120 satellites dispo à terme. Détermination de paramètre géophysique de la surface de réflexion : Altitude Rugosité Humidité des sol Hauteur de neige Par mesures sur les signaux directs et réfléchis Pseudo-distance Phase de porteuse SNR DDM (Delay-Doppler maps) Polarisation du signal : Signal direct : RHCP Signal réfléchi : LHCP (+ un peu de RHCP) 3

4 Altimétrie par GNSS-R Nombreuses techniques possibles 4

5 Altimétrie par mesure de code Mesure de delta pseudo-distance entre voies directes et réfléchie Traitement distinct des voies D et R : architecture récepteur classique possible Traitement combiné : récepteur de réflectométrie GNSS dédié nécessaire Précision faible : qques dizaines de cm mais, améliorations attendues avec les nouveaux signaux rapides (GPS L5, Galileo CBOC, Alt-Boc, E5a, E5b) Satellites opérationnel en L5/E5a avec codes à 10Mchip/s : 7 satellites GPS ~4 satellites Galileo 5

6 Altimétrie par mesure de code Expérimentation marquante : mission SIR-C (navette spatiale NASA) Signaux collectés en 1994, traitement GNSS-R fait en 2002 (T. Lowe, JPL) Précision de mesure obtenue : 6 cm, mais antenne énorme (38 db de gain) et utilisation du code Y (10 Mchip/s) en L2 Procédé équivalent au Retracking : The measurements are obtained by tracking the peak of the direct signal with the software receiver s delay-locked loop, and fitting the reflected signal to a model waveform. 6

7 Altimétrie par phase de porteuse Mesure de haute précision (1-2 cm), mais ambiguë Question sur domaine de fonctionnement (limite sur la hauteur d antenne et la rugosité de surface?) Possibilité d envisager des traitement innovants, multifréquence Domaine actif de recherche Expérimentation marquante : au GFZ (Semmling, 2014) depuis un ballon (altitude 500m, Lac de Constance) Précision ~2 cm mais mesures ambiguës Initiative en cours au laboratoire GET / CNES / GRGS Récepteur multifréquence Traitement du signal (SW) développé Q1+Q (stage) Techniques de levé d ambiguïté inspirées du PPP et des traitements du CA IGS Recherche d un financement de thèse pour Q

8 X-corrélation : le projet PARIS (ESA) X-corrélation entre signal direct et réfléchis Intérêt : possibilité d utiliser les signaux cryptés (plus grande BP RF) Nécessite antennes directives à formation de faisceau pour sélectionner les satellites avec 20 à 30 db de gain Antennes de 90 cm à 2,50 m de diamètre pour une mission spatiale) Projet marquant : PARIS (Passive Interferometry and Reflectometry System): - Projet ESA (Manuel Martin-Neira) Expérimentation de validation du concept conduites au sol PARIS IOD : en fin de phase A fin faisceaux, 20 db de gain. - précision attendue : 15 cm Mission opérationnelle : - 20 faisceaux, 30 db de gain - précision attendue : 5 cm 8

9 PARIS (ESA) 9

10 La méthode IPT (Interference Pattern Technique) Intérêt = simplicité (faisable avec récepteur GNSS du commerce) Mesure des périodes de variation du C/No selon mouvement satellite Proposé par K. Larson (U. Colorado) IPT : expérimentation au phare de Cordouans. Précision de l ordre de qques dizaines de cm valide la possibilité d utilisation directe de la phase de porteuse pour faire des mesures sur océan agité Larson et al., GPS Sol.,

11 Hauteur du récepteur : du sol à l espace Position du récepteur : A proximité du sol (mat, bord de falaise, point haut) Signal réfléchi : altimétrie cotière, marégraphie. Signal direct : Mouvement vertical cote Aéroportée (ballon, avion). Position centimétrique du porteur par PPP ou RTK sur satellite (en orbite basse) Plus le récepteur est haut, plus la zone couverte est importante, mais plus le signal est faible. Pour les missions satellites : nécessité d antenne de gain pouvant être important selon l application visée. Jusqu à db de gain : taille d antenne ~1 à 2,5m 11

12 Application : circulation mesoscale 12

13 Rugosité / vents de surface - Principe : plus la surface est rugueuse, plus la tache sur un diagramme DDM est étalée. - Usage de DDM (grosse capacité de calcul requise) - proposé en 1998 par J. Garrison (U. Perdue) pour la «diffusiométrie» (hauteur de vague et vent de surface) - Ajustement par rapport à un modèle - «Accuracy equivalent to Ku band scaterrometer» (J. Garrison) 13

14 Rugosité / vents de surface bien adapté aux récepteurs aéroporté ou en orbite Expérimentation marquantes : Satellites UK DMC et Techdemosat du SSTL Gain antenne modeste (12 db) suffit. Projet CYGNSS (mesure du vent de surface dans les cyclones tropicaux), «NASA venture mission» avec coopération SSTL-U. Michigan Constellation de 8 satellites Lancement prévu 2016 Expérimentation GEROS-ISS On board the ISS Scheduled for 2018 Egalement mission de Radio-Occultation 14

15 Humidité des sols / Biomasse Signaux GNSS sensibles à humidité des sols (profondeur qques cm) et/ou à la quantité de biomasse Comparaison des SNR et/ou déphasages entre signaux directs et réfléchis Utilisation des polarisations droite et gauche Méthode adaptée aux Rx fixé sur un mat. Méthode IPT possible Expérimentations aéroportées récentes Instrument GLORI du CESBIO sur avion SAFIRE 15

16 Neige Hauteur de neige : par méthode IPT (mesure de SNR) Larson & al, 2009 (U. Colorado) Thèse de Karen Boniface (Grenoble) Structure neige sèche Pénétration jusqu à m de profondeur sur les calottes glaciaires (E. Cardellach 2012) 16

17 Glaces de mer Mesure des propriétés di-électrique des glaces de mer Utilisation polarisations droites et gauches Mesure altimétrique par la phase de porteuse (Semmling, GFZ, 2012) 17

18 Acteurs en GNSS-R En France : Télécom bretagne, Université cote d Opale, CNES avec GET (Géoscience Environnement Toulouse) & CESBIO. En Europe : ESA, ICE/IEEC/CSIC (Barcelonne), SSTL (Surrey), U. Chalmers (Suède), UFPF (U. Polytechnique de Lausanne), GFZ, Deimos Portugal (projet FP7) Reste du monde : JPL, U. Colorado, U. Michigan, U. Perdue, Brésil 18

19 Conférences principales Space reflecto : en France tous les 2 ans. en 2016 à Toulouse (AC) GNSS+R : Tous les 2 ans mai 2015 au GFZ (Potsdam) IGARSS : conférence annuelle, plusieurs sessions GNSS-R IGARSS2015 : juillet, Milan. 19

20 Merci pour votre attention 20