Trajectoire GPS cinématique d un ballon stratosphérique. F. Mercier CNES DCT/SB/OR

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "Trajectoire GPS cinématique d un ballon stratosphérique. F. Mercier CNES DCT/SB/OR"

Andrée Bourget
il y a 7 ans
Total affichages :

1 Trajectoire GPS cinématique d un ballon stratosphérique F. Mercier CNES DCT/SB/OR G Nov. 2015

2 Contexte Expérimentation : horloge atomique embarquée sous ballon Relativistic Geodesy using Balloons, D. Massonnet, IAF 2014 Besoin : avoir précisément le potentiel gravitationnel le long de la trajectoire - trajectoire précise (mieux que 5 cm) - problème d estimation du potentiel (non traité ici) Vol de démonstration : - embarquement d un récepteur GPS sur un vol (31/08 01/ ) récepteur Septentrio, qualité géodésique - tests préparatoires au sol (effet de la rotation nacelle sur l accrochage de la phase) - calcul de la trajectoire cinématique qualité des mesures, visibilités, code, phase, cadence 1 s nécessite une méthode à grande ligne de base méthodes type PPP modélisation spécifique (propagation atmosphérique à km altitude) blocage des ambiguités (solution GRG) - analyse de la sensibilité de la trajectoire aux différentes hypothèses 2 G Nov. 2015

3 Sommaire Caractéristiques du vol Qualité des mesures Prétraitement des mesures Propagation atmosphérique Trajectoires 3 G Nov. 2015

4 Caractéristiques du vol montée zone utile 4 G Nov. 2015

5 Mesures Code C1C montée zone utile Phases L1C et L2W Bonne qualité des mesures : >8 satellites en visibilité en permanence très bonne couverture de la zone utile (plutôt satellites, toutes élévations, passages utilisés de 5 mn minimum) 5 G Nov. 2015

6 Mesures Code C1C montée zone utile Phases L1C et L2W Chutes de visibilités sur la phase lorsque le ballon monte ou descend 6 G Nov. 2015

7 Prétraitement des mesures de phase Objectif : définir les passages sans saut de phase lorsqu il y a un saut de phase (L1 ou L2), définition d un nouveau passage Difficultés : couplage avec la trajectoire cinématique - si seulement quatre visibilités, impossible de détecter les sauts - variation de la position de plusieurs cycles sur une seconde (λ1=19 cm) effet de l allongement troposphérique, ionosphérique caractéristiques de l horloge du récepteur Approche utilisée : - prétraitement global sur différentes combinaisons (trajectoire inconnue mais lisse) - validation par méthode locale (trajectoire quelconque, avec grand nombre de visibilités) 7 G Nov. 2015

8 Prétraitement global Selon les cas, certaines combinaisons sont plus efficaces - il faut au moins deux combinaisons pour remonter aux sauts L1 et L2 séparément - widelane toujours intéressante (sensibilité faible à la géométrie et à la iono) - combinaisons -4,3 ou -3,4 selon importance des erreurs iono ou géométrie - forte iono et grosse géométrie : détection impossible 8 G Nov. 2015

9 Sauts sur L1 ou L2 L1 10 cy zone utile L2 Différence finie ordre 2 : filtre les effets basse fréquence (géométrie, iono) saut de 1 cycle : variation de +-1 cycle certaines zones où la contribution géométrique est importante 9 G Nov. 2015

10 Combinaisons L2-L1 et 4*L2-3*L1 L2-L1 2 cy zone utile 4*L2-3*L1 Différence finie ordre 2 : saut de 1 cycle : variation de +-1 cycle minimisation des effets géométriques sur ces deux combinaisons (effets géométriques dans les phases de variation d altitude) effet amplifié du bruit iono sur 4*L2-3*L1 10 G Nov. 2015

11 Prétraitement cinématique : méthode locale correction relative date t (x,y,z,h) dérivées partielles mesure date t (x,y,z,h) résidus de phase sur trajectoire approchée Peut être appliqué sur n importe quelle combinaison des mesures de phase précision requise pour la trajectoire de référence : quelques mètres comme la iono est faible on utilise directement L1 et L2 vecteur X calculé avec la combinaison iono-free (seuil élimination 0.01 m) calcul des résidus avec X et les mesures de phase, L1 ou L2 11 G Nov. 2015

12 Résidus prétraitement cinématique 1 cy 1 cy nb total nb total -4 nb eliminations sur iono-free Pas de saut de phase observé, redondance suffisante (9 à 12 satellites) 12 G Nov. 2015

13 Corrections de propagation atmosphérique Construction d un modèle fonction de rabattement et z(h), de 15 à 30 km représentation de la partie hydrostatique au dessus de 5 degrés d élévation Atmosphère ISO Nécessaire car altitude élevée, et fortes variations d altitude 13 G Nov. 2015

14 Propagation atmosphérique (atmosphère ISO) ~20 km ~30 km Non négligeable, même au-delà de 30 km 14 G Nov. 2015

15 Trajectoire cinématique de référence quelques anomalies dans les mesures 15 G Nov. 2015

Trajectoire cinématique initiale de référence Solution constellation de Berne (COD, avec horloges à 5 s, interpolées à la seconde) Mesure de phase uniquement Ambiguités rélles Moindres carrés, 30000

16 Trajectoire cinématique initiale de référence Solution constellation de Berne (COD, avec horloges à 5 s, interpolées à la seconde) Mesure de phase uniquement Ambiguités rélles Moindres carrés, époques, une vingtaine de passages Allongement troposphérique modèle ISO, correction 1.08 (à partir des données de P,T en vol) Elévation > 5 degrés ~30 km ~20 km Résidus corrects, mais pas extraordinaires Très bons résidus à 30 km altitude Bruit plus fort dans la phase de transition d altitude 16 G Nov. 2015

Signatures systématiques de résidus ~30 km 200 s ~20 km 500 s 17 G2 16-18 Nov.

17 Signatures systématiques de résidus ~30 km 200 s ~20 km 500 s 17 G Nov Comportement du récepteur? Environnement? Mouvements de la nacelle? Solution constellation? A investiguer

18 Anomalie C2W Blocage widelane correct (solution GRG) anomalies observées pendant la montée investigation, résidus code-phase : erreurs biais C2W 18 G Nov. 2015

19 Blocage widelane Calcul widelane haute cadence (moyennes à 600 s) Anomalie C2W 19 G Nov. 2015

20 Comparaison des trajectoires Sensibilité au modèle d atmosphère Effet de la solution constellation Effet du blocage des ambiguités Passage de la limitation en site de 5 à 10 degrés 20 G Nov. 2015

21 Autre trajectoires Solutions avec ambiguités flottantes ou bloquées méthode bootstrap, sans ajustement de la correction atmosphérique constellation GRG, avec extension des horloges à 5 s 21 G Nov. 2015

22 Trajectoires flottantes, modèle atmosphère, constellation Solutions GRG 1.00 et 1.08, en flottant, écarts x,y,z GRG COD Grosse sensibilité à la modélisation atmosphérique ~30 km ~20 km GRG COD Faible sensibilité à la solution constellation 22 G Nov. 2015

23 Effets du blocage des ambiguités GRG 1.00 flot-ent GRG 1.08 flot-ent blocage non indispensable pour des grandes durées (8 heures ici) 23 G Nov. 2015

24 Sensibilité à l élévation minimale Solution GRG 1.08, avec limitation en élévation 10 degrés (au lieu de 5) entier vertical flottant flottant entier vertical Observation de l effet du bruit de mesure dans les zones avec mesures site < 10 degrés Solution entière plus robuste à la limitation en élévation, mais biais vertical (~2 cm) 24 G Nov. 2015

25 Conclusion Faisabilité validée : trajectoire suffisamment précise (~5 cm) possible avec GPS bi-fréquence sur ballon, 1 cm difficile à garantir Points particuliers : observation d anomalies de C2W pendant la phase de montée mesures de phase de très bonne qualité (quasiment aucun saut de phase au plafond) quelques pertes de phase dans les périodes de variation d altitude signatures de phase résiduelles inexpliquées (variations rapides de quelques centimètres) disposer d un modèle précis pour l allongement atmosphérique solutions flottantes : - importance de la contribution des mesures à site bas (5-10 degrés) - résultats similaires GRG ou COD (extension à 5 s des horloges GRG à 30 s) solution entière performante : - très bon blocage des ambiguités sur la portion d altitude km (8 heures) - bonne cohérence entre solutions flottante et entière (élévation > 5 degrés) - solution bloquée plus stable (élévation > 10 degrés), biais vertical (2 cm) 25 G Nov. 2015

26 Conclusion Faisabilité validée : trajectoire suffisamment précise (~5 cm) possible avec GPS bi-fréquence sur ballon, 1 cm difficile à garantir Points particuliers : observation d anomalies de C2W pendant la phase de montée mesures de phase de très bonne qualité (quasiment aucun saut de phase au plafond) quelques pertes de phase dans les périodes de variation d altitude signatures de phase résiduelles inexpliquées (variations rapides de quelques centimètres) disposer d un modèle précis pour l allongement atmosphérique solutions flottantes : - importance de la contribution des mesures à site bas (entre 5 et 10 degrés) - résultats similaires GRG ou COD (extension à 5 s des horloges GRG à 30 s) solution entière performante : - blocage immédiat des ambiguités sur la portion d altitude km (8 heures) - bonne cohérence entre solutions flottante et entière (élévation > 5 degrés) - solution bloquée plus stable (élévation > 10 degrés), biais vertical (2 cm) 26 G Nov. 2015

Documents pareils

GEOLOCALISATION ET NAVIGATION A L AIDE DES SIGNAUX GNSS

GEOLOCALISATION ET NAVIGATION A L AIDE DES SIGNAUX GNSS Thierry.Chapuis@cnes.fr 08/04/2014 1 EVOLUTION DU SYSTÈME GNSS 1995-2005 2005-2014 2014 GPS GNSS-1 GNSS-2 GLONASS Pas de garantie de service Dégradation