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
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la C
ourg
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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
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Jason-1, succ
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[email protected]