Trois systèmes pour niveler la mer Des mesures in situ à leur
Transcription
Trois systèmes pour niveler la mer Des mesures in situ à leur
8˚E 9˚E 10˚E 11˚E Positionnement de bouées GPS pour la calibration altimétrique Gorgone Capraia Grasse (LASER/DORIS/GPS) Bastia Pianosa Elbe Giglio Montecristo Ajaccio (LASER/DORIS/GPS) Phare (Collocation GPS /Ajaccio) M1 M2, M4 M5 M3 Cap de Sénétosa LASER permanent, DORIS permanent (projet), GPS permanent LASER Mobile, Localisation DORIS, GPS permanent Marégraphe permanent Marégraphe (projet) TOPEX/Poséidon, Jason ERS, ENVISAT L’altimètre utilise un radar, capteur illuminant une surface par un signal radio situé dans les hyperfréquences. Il travaille de jour comme de nuit et mesure le temps entre l’aller et le retour de l’onde pour déterminer la distance entre la partie sub-satellite où se trouve l’antenne et la surface de la mer. La hauteur de mer déduite de la mesure altimétrique connaît des erreurs orbitographiques, géophysiques et instrumentales. La quantification de toutes ces erreurs nous donne une valeur finale de 2 cm pour la précision n de mesure de hauteur de mer. tio Mesure Altimètrique Station Laser Rattachements Geodesiques DORIS Repère de référence géoïde Marégraphe Hauteur mer Zéro marégraphe Hauteur GPS Hauteur Doris Hauteur SLR Ellipsoide Nouvelle Ca li Altimètre Site de Sénétosa Contrôle GPS Le concept innovant dans la calibration est l’utilisation de l’altimétrie par GPS qui a l’avantage de se trouver sous la trace du satellite à l’endroit où se fait la mesure altimétrique. La mesure GPS est entachée d’un certain nombre d’erreurs liées aux modélisations physiques, au matériel, à l’environnement du point stationné, etc. En conclusion, la mesure GPS est influencée par de nombreux facteurs mais on peut limiter leur impact en utilisant des récepteurs bi-fréquences reliés à des antennes du même type et en travaillant dans des conditions favorables. Co ôl ntr e Le graphe ci-contre couvre près de trois ans de mesures altimétriques. La redondance des mesures marégraphiques nous permet de contrôler le fonctionnement des trois marégraphes par comparaison mutuelle. Après étude, il apparaît que la valeur de calibration ne présente pas de véritable dépendance par rapport aux paramètres liés au site, à part peut-être pour les hauteurs de vagues ou la situation géographique du passage qui influeraient sur les valeurs. En revanche, l'analyse de l’erreur standard a permis de mettre en évidence une dépendance de la valeur de calibration à ce paramètre. Ainsi, l’erreur standard peut être utilisée pour réaliser un processus d’élimination automatique des mesures altimétriques aberrantes. M2 M1/M5 M3 Marégraphe 200 À Sénétosa se trouvent des marégraphes à capteur de pression qui mesurent la hauteur de la colonne d’eau située au-dessus d’eux. Le site est soumis à des erreurs de type marégraphique (bruit du marégraphe, calibration du marégraphe) et géodésique (rattachement GPS, nivellement, positionnement du point laser). Au final, les erreurs liées au site sont proches de 2,7 cm. 100 ALT-A +6.7 ±5.2 mm ALT-B +5.5 ±6.4 mm 0 -100 Cycles éliminés -200 200 40 Erreur standard (mm) Mesure Laser ent é le 25 par ju Emil ie Br in 2001 onne r Calibration altimétrique de TOPEX/Poséidon Cali br at io ue siq as cl L’orbite du satellite est calculée à partir de mesures effectuées par les instruments de poursuite embarqués (système DORIS, réflecteurs laser, récepteur GPS) qui minimisent les erreurs d’orbite. On connaît la distance ellipsoïde-satellite altimétrique et la distance satellitesurface de l’océan résultant de la mesure altimétrique radar. Par différence, on en déduit la hauteur du niveau de la mer par rapport un ellipsoïde de référence. La calibration classique consiste à comparer la hauteur de mer obtenue grâce à l’altimètre radar du satellite à la hauteur de mer donnée par un marégraphe se trouvant à proximité de la zone où a été faite la mesure altimétrique. Le zéro de référence de ce marégraphe est rattaché par nivellement à des points géodésiques connus dans un système mondial. Orbite GPS a br Prés Chaque système étudié (GPS, marégraphe, altimètre) est soumis à des erreurs de différents types qui se mélangent au final dans la détermination du biais de l’altimètre. La liste exhaustive de ces erreurs et leur quantification nous permet de mieux connaître nos instruments et leurs conditions optimales d’utilisation. D'autre part l'utilisation conjointe de ces trois systèmes permet d'isoler les systématismes de chaque instrument. n Chaîne de calibration altimétrique Satellite Altimètrique l'Ec ole Pr Nat iona ojet de le S upér Fin d'E t ieur e de udes T op s Ar ts e ograph ie t In l'Ob dust de Réal serv r ies d isé ato e St Dép ire de à rasb arte la C ourg ôte men d t ' C A ERG Gras zur A se Trois systèmes pour niveler la mer Biais moyen (mm) 7˚E Une meilleure connaissance de l’évolution temporelle du niveau moyen des mers Italie (estimée à 1–2 mm/an) devrait permettre de France 44˚N comprendre les changements climatiques terrestres et de prévoir les conséquences qui en découlent. Pour ceci, il est nécessaire de relier les mesures des missions altimétriques 43˚N (notamment TOPEX/Poséidon et Jason-1) avec une précision inférieure à 10 mm sur les Corse systématismes des radars altimètres et 41˚ 40'N surveiller la dérive des instruments avec une km 42˚N 0 5 10 précision meilleure que le mm/an. Ainsi, dès 41˚ 35'N 1998, un site ayant double vocation a été créé en Corse en vue de calibrer le satellite Sardaigne 41˚N altimétrique Jason-1 : il est composé d’une 41˚ 30'N part d’un site géodésique (situé à Aspretto, 8˚ 45'E 8˚ 50'E km près d'Ajaccio) destiné à déterminer 0 50 100 précisément l’orbite du satellite et d’autre part d’un site marégraphique (au Cap de Sénétosa) où sont réalisées les mesures in situ nécessaires à la calibration. En effet, Sénétosa est situé sous la trace montante numéro 85 de TOPEX/Poséidon, prédécesseur de Jason-1 et trois marégraphes y sont en place depuis 1998. Deux campagnes de mesures, en 1998 et 1999, ont eu pour but d’installer le site et de déterminer la pente du géoïde marin du cap jusqu’à 20 km au large des côtes, car elle est importante dans cette région (environ 6 cm/km) et prise en compte dans la calibration. Les progrès réalisés dans la précision du positionnement par GPS ont permis de tester son utilisation pour la calibration altimétrique en complément des marégraphes. En effet, un nouveau système intervenant dans la chaîne de calibration altimétrique va permettre de minimiser les erreurs systématiques et de contrôler les différents instruments de mesures. 220 240 260 280 300 320 30 20 10 0 200 Cycles éliminés 220 240 260 Numéro du cycle 280 300 320 Biais de l'altimètre avant et après Le tableau ci-contre montre un gain sur la valeur du biais moyen et sur l'écarttype correspondant grâce au processus d'élimination développé durant ce stage. ALT-A + ALT-B Erreur standard Sans élimination Avec élimination +7,7 mm ± 5,2 mm σ = 45,2 mm pour 75 valeurs +10,6 mm ± 0,6 mm σ = 5,7 mm pour 90 valeurs +5,8 mm ± 5,0 mm σ = 42,9 mm pour 72 valeurs +8,5 mm ± 0,3 mm σ = 2,9 mm pour 86 valeurs Des mesures in situ à leur exploitation 41° 29’ 01" N Mesure altimétrique 41° 28’ 59" N 7 16 m Bouée Latitude 41° 28’ 57" N 47 m PCA 41° 28’ 55" N 41° 28’ 53" N 41° 28’ 51" N Trace du satellite 41° 28’ 49" N 8° 44’ 18" E 8° 44’ 20" E 8° 44’ 22" E 8° 44’ 24" E 8° 44’ 26" E 8° 44’ 28" E 8° 44’ 30" E Longitude Mesures GPS brutes Mesures GPS filtrées (300 s) Des sessions GPS ont été effectuées à plusieurs reprises au-dessus des marégraphes. Les comparaisons entre données GPS et marégraphiques ont pour but de contrôler les mesures des deux types d’instruments et détecter des défaillances instrumentales éventuelles. Le graphe ci-contre nous présente les hauteurs de mers mesurées par les deux instruments lors de sessions effectuées avant et après un passage de calibration. On distingue une pente dans les signaux GPS et marégraphique qui est due à la marée (faible en Méditerranée). Ce graphe nous conforte dans l'idée que les deux instruments enregistrent bien les mêmes phénomènes avant et après le moment de calibration et que par conséquent ils sont restés cohérents au cours du passage. On retrouve également sur ce graphe les fluctuations de la mesure GPS dans le signal brut et filtré. A la vue des comparaisons de leurs hauteurs de mer (sur plus d'un an de sessions), on trouve une très bonne cohérence entre ces deux systèmes qui ne présentent pas de systématismes importants, ni du point de vue de leur positionnement, ni du point de vue de leur mesure (les résultats diffèrent de 3 mm). ap Organigramme de la chaîne de calibration altimétrique Altimétrie CD ROM ou ftp Récupération auto des données sur Internet Formatage Marégraphie GPS Transformation en hauteur de mer par rapport au capteur de pression (CNES) Traitement GPS avec GeoGenius (CNES) Transformation en hauteur de mer par rapport à l’ellipsoïde GRS-80 (CERGA) r I Module Elimination /M m o C Hauteur de mer Avec bouée aux marégraphes Hauteur de mer avec bouée au point de calibration ABICE Calibration / marégraphe n o is S P G r g é r a 47.40 r a p Calibration /GPS Comparaisons Les données GPS sont filtrées à l’aide d’un programme utilisant un filtre de Vondràk, qui va conserver la même moyenne que le signal brut. Mais la calibration altimétrique par GPS utilisant seulement 3 secondes de mesures GPS, il est important de rechercher la période optimale qui minimisera l’écart-type des mesures tout en restant proche de l’état de la mer. Après étude, il apparaît que la période de lissage de 300 secondes est adéquate et elle sera utilisée dans toute cette étude. Site de Sénétosa Biais moyen (mm) 200 47.00 PCA : 05:23:54.92 46.90 05:17:00 05:18:00 05:19:00 05:20:00 05:21:00 05:22:00 05:23:00 05:24:00 100 0 Sea height (m) from NASA orbit Dans la technique de calibration par GPS, le biais de l’altimètre est calculé de deux manières différentes : • Par moyennisation des valeurs de calibration obtenues au 1/10ème de seconde (par différence entre mesure altimétrique et GPS) • Par interpolation linéaire de la mesure altimétrique au temps du PCA (Point of Closest Aproach, point sur la trace passant au plus près de la bouée GPS) que l’on compare à la mesure GPS filtrée correspondante. Le deuxième mode de calibration a l’avantage d’être proche de la physique de la mesure. -100 270 TOPEX/Poseidon ALT - Cycle : 312 - Pass : 85 0.1s resolution data : Hauteur altimétrique non corrigée du géoïde 290 300 Numéro du cycle 310 Tableau présentant les résultats des calibration par GPS et par marégraphe pour les cycles communs (sans les cycles 295 et 312). interpolated GPS data : 47.800 Geoid height (m) 47.600 47.400 47.2 47.4 47.6 47.8 (1) 48.0 47.200 5:23:51.34 5:23:52.07 5:23:52.79 5:23:53.52 5:23:54.24 UTC time (hh:mm:ss) - Date : 2001-03-07 5:23:54.97 GPS: -41.6/43.5 mm 41.55 Bouée Calibration Value at PCA: -44.3 mm 41.45 8.65 8.70 47.800 47.750 PCA point : Hauteur altimétrique corrigée du géoïde Applied correction Center of mass Dry Wet tropo radiometer Iono dual-frequency SSB BM4 loading, solid and pole Tides 12:40:00 12:45:00 12:50:00 12:55:00 Temps (TUC) 47.40 Après Passage de calibration 47.35 47.30 47.25 14:53:00 14:58:00 15:03:00 15:08:00 15:13:00 5:23:54.34 5:23:54.90 5:23:55.45 UTC time (hh:mm:ss) from 2001-03-07 GPS Moyenne GPS PCA M3 Ap po Les cycles ayant bénéficié d'une calibration par GPS et par marégraphe simultanément sont pour l'instant au nombre de 8 et sont présentés sur le graphe ci-contre. En traçant la courbe de leur biais moyen avec les différents modes d'étalonnage, on obtient des résultats très cohérents et très encourageants. L’analyse des comparaisons GPS/marégraphes et marégraphe/altimètre nous ont montré qu’au cycle 312, les mesures du marégraphe (M3) sont biaisées de près de 10 cm. On va donc retirer ce cycle de notre étude pour avoir des résultats plus homogènes. De plus, si on retire le cycle 295 où les deux mesures altimétriques sont trop éloignées pour justifier l’interpolation linéaire, on obtient les résultats présentés dans le tableau ci-contre. Les valeurs de biais moyen trouvées avec GPS et marégraphe diffèrent seulement de 3,8 mm ce qui prouve un bon accord entre les deux instruments de mesure qui ne révèlent pas de systématismes, comme nous l'avons déjà vu. De plus, l'écart-type sur le biais moyen est plus faible avec le GPS qu'avec le marégraphe. Enfin, on remarque une bonne cohérence entre les méthodes de calibration GPS par moyennisation ou par interpolation au PCA, même si la dispersion de cette dernière est logiquement plus élevée (on ne prend en compte que deux mesures). rt du GP S po ur la ca lib GPS moyen GPS au PCA (2) Marégraphe M3(3) Biais moyen (mm) 17,6 18,0 13,8 Ecart-type (mm) 26,1 50,4 33,2 tio n Mots clés : étalonnage, altimétrie satellitaire, GPS, marégraphe. Nombre de valeurs Erreur standard (mm) 6 10,7 6 20,6 6 13,6 GPS 41.40 5:23:53.79 47.15 12:35:00 41.50 47.850 5:23:53.23 47.20 (2): Calibration effectuée par interpolation linéaire entre les deux mesures altimétriques les plus proches du PCA (3): Calibration classique obtenue par différence entre données altimétriques et marégraphiques Hauteur GPS filtrée interpolée 47.700 47.25 Dans le cadre de la m i s s i o n altimétrique du satellite Jason-1 (lancement prévu en septembre 2001), le CERGA et le CNES ont développé un site de calibration en Corse. Un ensemble d’instruments y est utilisé dans le but de valider la méthode d’étalonnage classique (marégraphes/altimètre). L’amélioration de la précision de positionnement du système GPS permet aujourd’hui de tester son utilisation pour la calibration. Ainsi, des séries temporelles du niveau de la mer sont actuellement obtenues en plaçant une bouée GPS sous la trace du satellite TOPEX/Poséidon à chaque survol du site de Sénétosa (Corse), soit tous les 10 jours. L’objectif de mon étude a été tout d’abord de dresser un bilan d’erreur pour mieux comprendre l’influence de certains paramètres sur le biais final de l’altimètre (état de la mer, position de la mesure altimétrique…). Puis, après avoir participé aux campagnes de mesures GPS et géodésiques, j’ai automatisé le traitement des données marégraphiques, altimétriques et GPS en complétant les outils informatiques existants. Les résultats obtenus montrent une très grande cohérence (quelques mm) avec la calibration classique utilisant les marégraphes. De plus, la fiabilité et la grande précision obtenue permettent d’envisager l’utilisation du GPS pour des opérations plus « ésotériques » (nivellement GPS des marégraphes). (1): Calibration effectuée par moyennisation des différences des mesures GPS interpolées au temps de la mesure altimétrique et mesures altimétriques 5:23:55.69 Temps du PCA 47.900 280 1s resolution data : 48.200 48.000 47.30 ra 05:25:00 Temps (TUC) Altimetric height at GPS locations (m) Hauteur / GRS80 (m) 47.10 Données GPS brutes Données GPS filtrées (300 s) Marégraphe (M3) 47.35 47.20 14:48:00 Calibration altimétrique de TOPEX/Poséidon 47.20 Avant Passage de calibration Temps (TUC) Apport personnel 47.30 47.40 a Chaîne de traitement Différence GPS s e h Hauteur / GRS80 (m) Sénétosa (Point de calibration) : 07/03/2001 Résumé Analyse des résultats Hauteur / GRS80 (m) Expérience de bouée GPS Pour avoir une vision complète de toutes les phases de la calibration, j’ai participé aux missions de terrain en Corse (mars et mai 2001), dont les objectifs étaient de niveler les marégraphes et points géodésiques de Sénétosa, ainsi que de réaliser des expériences de bouées GPS. De plus, j’ai réalisé le traitement des données GPS acquises durant ces missions expérimentales avec le logiciel GeoGenius, au CNES, à Toulouse. Mon travail a également comporté une phase de programmation destinée à automatiser et améliorer le processus de traitement des données marégraphiques, GPS et altimétriques pour leur intégration dans une chaîne de calcul de calibration performante. Les données altimétriques sont disponibles sur des cédéroms réservés aux scientifiques dans un délai de 3 mois, ou plus rapidement via un serveur Internet spécialisé. La calibration altimétrique, réalisée par un programme existant appelé ABICE (ABsolute In situ Calibration Experiment), a été améliorée par l’ajout d’un module d’élimination de points aberrants dans le signal altimétrique ou dans les corrections qui lui sont appliquées. J’ai également automatisé toute la chaîne de traitement des données GPS : formatage, filtrage, calculs des différences avec les marégraphes, corrections de mesures GPS des marées…Tous ces programmes m’ont permis de réaliser des statistiques pertinentes sur chaque étape du calcul pour ainsi obtenir des résultats et des graphiques prêts à être analysés. 5:23:56.00 GPS location : 5:23:56.56 Point of Closest Measurement Point of Closest Approach Along track distance PCM-PCA -> Ref: Gps Buoy Lat: 41.4835 Lon: 8.74112 Distance: 0.167 (Km) Time: 5:23:54.95 (UTC) -> Ref: Gps Buoy Lat: 41.4821 Lon: 8.74009 Distance: 0.047 (Km) Time: 5:23:54.92 (UTC) Along track distance PCM-Coast 0.173 (Km) 9.256 (Km) 8.75 8.80 la calibration e d e r d a c le s uées GPS dan o b s e d eants car la g t a r r o u p o p c a n l’ e r s ie è sont tr uis pour la ut d’étud s q b u e n r r e u t s o b if p o t u c s e e t j a a b o sult S fin d’études pide vers les a u final, les ré r A s . 1 lu p s mesures GP n o e le s c Ce stage de e a n r e J t g n e r e e it v e ll n c e o n t c ére ne du sa marégraphes présager d’u e grande coh s n e u e d de l’altimètre d é t v t e u n o e m r r m p e e p t ll e on té ar GPS comme le niv expériences étrique n’a é S s P im e G L lt . calibration p a 1 le n r n u io o t o s a p a r ns lib étrique J nt pour la yé pour la ca res applicatio a t t lo u p s ’a e m d ll e mission altim e s s n é e n d m li io è a t p yst iques et v qui sont exce . Ce trio de s s e in r ic a r t m a et marégraph e v o ïd n o s é de ination du g és au lieu nc des métho li o d s e e m is . is il s t t ou la déterm p a u m l m e I t sté ’à Sénétosa. imiser les sy durée dans le in r u m le e r d és dans un u é t o r e p c développé qu m e é r u t e q é p s t n n e r io o t u ra age rs mes es sont déjà durant ce st sites de calib d u s s t e e é r é qualité de leu t p s u p e ’a d lo d e t v e r é e n d s développ de calibratio les méthodes s e t e it s s s e ion des trace L’intérêt de e t m r c t m e u a s r ’a r g d e o t r r u in p l’ o s p à e n é .M leur utilisatio erranée, situ it géographique e d d é e M u v n n e e , é ia ularit /Poséidon. e à Capra X it E s P u O a T e v e u souci de mod d o t n -1 e r élaborer un ectifs d’ERS p s e r s r u e en cours pou s s e Jason-1, succ d’Envisat et [email protected]