Shipborne Global Navigation Satellite Systems for Offshore Atmospheric Water Vapor Monitoring - Equipe Propagation and Multi-scale Interaction Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Shipborne Global Navigation Satellite Systems for Offshore Atmospheric Water Vapor Monitoring

Système Mondial de Navigation par Satellite Embarqué sur Porteur Marin pour l’Observation de la Vapeur d’Eau Atmosphérique en Mer

Résumé

The Global Navigation Satellite System (GNSS) is mostly known as a positioning tool. However, it has also established itself in the field of meteorology and climate studies. Indeed, in order to get more precise positioning, the delay caused by the passing of the signal through the troposphere between the satellites and the receiver has to be precisely determined. GNSS turns out to be an accurate tool for measuring atmospheric precipitable water vapor. To compensate for the lack of offshore measurement for water vapor monitoring, several studies applied this process to shipborne GNSS antennas. Indeed, ships are constantly sailing the oceans from one part of the world to another, carrying GNSS antennas useful for navigation. The data measurement is then already set, waiting to be processed. Although more and more studies are showing the contribution of this measurement technique to offshore water vapor monitoring, the assessment of the shipborne GNSS data processing strategy is not set yet. This thesis proposes an automation of shipborne GNSS data processing. The work is based on three main axes. First, we study the water vapor retrieval from GNSS antennas. It relies on the general knowledge of GNSS data processing technique, and the highlight of the precipitable water vapor retrieval from the GNSS solution. Moreover, a state of the art analyzing the main studies that have been published about shipborne GNSS water vapor monitoring is set up. The implemented processing strategies and their statistical results of comparison to usual water vapor measuring techniques are carefully investigated. This permits us to underline the need to assess the impact of the GNSS processingstrategy on the quality of the r etrieved water vapor. Second, we establish a processing strategy suitable for water vapor retrieval from shipborne GNSS antenna measurements. The aim is to release a better-performing processing strategy for water vapor retrieval specifically from shipborne GNSS antennas. A bunch of processing scenarii are applied to a real dataset in the first instance, and then to a home-made simulated dataset. The real dataset comes from the ENSTA Bretagne survey vessel used for teaching the hydrography and robotic fields students. The different processing strategies are assessed by comparing the GNSS solutions to external data and to the initial simulated signal for the survey vessel and the simulation respectively. Third, we estimate and assess the troposphere water vapor from five research vessels of the French Oceanographic Fleet (FOF), operated by IFREMER (France). The optimum processing strategy highlighted before was applied to the GNSS acquired by the FOF during their research campaigns between 2015 and 2022, in an automated process suitable for the considered binary dataset. This thesis brings novelty to the field of research through the recommendation of a GNSS processing strategy suitable for offshore water vapor retrieval; as well as the development of an algorithm for the automated water vapor retrieval from longterm binary GNSS datasets from several ships. The offshore water vapor retrieval all around the globe shows the suitability of the precipitable water vapor from shipborne GNSS for the global climate study. This processing algorithm could be adapted to routine measurement of water vapor established on a ship, to use this data for weather forecasting.
Dans le but d’améliorer la précision du calcul de la position d’une antenne du Système Mondial de Navigation par Satellite GNSS - communément connu sous le nom de GPS, il est nécessaire de déterminer le retard dû à la propagation de l’onde dans l’atmosphère. Ce retard a lieu lorsque le signal GNSS traverse la troposphère, entre son émission par le satellite et sa réception par l’antenne. Ce retard, estimé en parallèle de la position dans l’analyse GNSS, est dû à la présence de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Il est directement lié à la vapeur d’eau précipitable nécessaire à la prévision météorologique, et à l’étude climatique. En tant que technologie permettant une mesure précise de la vapeur d’eau précipitable contenue dans l’atmosphère, le GNSS s’est peu à peu imposé comme outil de mesure atmosphérique, au service de l’étude du climat et de la prévision météorologique à terre. Afin de pallier le manque d’observation de la vapeur d’eau atmosphérique en mer, différentes études ont eu l’idée d’appliquer ce processus à des antennes GNSS embarquées sur porteur marin. En effet, les océans sont sans cesse sillonnés de bateaux équipés d’antennes GNSS de tout type utiles à la navigation. La donnée est donc déjà présente, et ne demande qu’à être valorisée. Cependant, si de plus en plus d’études sont publiées afin de montrer l’apport de cette technologie à l’étude de l’atmosphère hauturière, l’influence de la configuration de l’analyse de la donnée GNSS en positionnement ponctuel précis cinématique n’est pas abordée. Les travaux de recherche menés durant cette thèse ont pour objectif de proposer une automatisation de l’analyse de données GNSS d’antennes embarquées sur porteur marin. Ils sont menés en trois étapes principales. La première partie repose sur l’étude du processus d’extraction de la vapeur d’eau par analyse de données GNSS. Elle se compose, d’une part, de la compréhension du processus d’analyse de données GNSS, et de la mise en exergue de la possibilité d’extraire de la solution GNSS l’information de vapeur d’eau précipitable. D’autre part, l’élaboration d’un état de l’art complet des études publiées jusqu’à présent, portant sur l’extraction de vapeur d’eau précipitable à partir de données d’antennes GNSS embarquées sur bateau. Les stratégies d’analyse adoptées dans ces études, ainsi que les différences obtenues par comparaison avec des données provenant de techniques usuelles de mesure de vapeur d’eau atmosphérique, sont étudiées en détail. Cela permet de souligner la nécessité d’évaluer l’impact du choix de la stratégie d’analyse GNSS sur la qualité de la vapeur d’eau extraite. La deuxième partie consiste en l’établissement d’une stratégie d’analyse, afin de révéler une configuration adaptée au positionnement ponctuel précis cinématique d’une antenne embarquée sur bateau. Ces travaux se basent sur une multitude d’analysesde données GNSS faisant intervenir différentes combinaisons de configuration d’analyse. Les données GNSS permettant d’effectuer ces tests proviennent de la vedette hydrographique de l’ENSTA Bretagne à Brest, ainsi que de signaux provenant d’une antenne GNSS embarquée en mer, simulés par un algorithme développé pour l’occasion. L’évaluation des différentes configurations d’analyse GNSS est effectuée en comparant les estimations à partir des données réelles à des données de référence provenant de différents capteurs localisés dans le port de Brest. L’évaluation des estimations provenant des signaux simulés est effectuée, quant à elle, par comparaison aux séries temporelles issues des simulations initiales. La troisième partie repose sur l’estimation et l’analyse de la troposphère au-dessus des routes de cinq navires de recherche de la Flotte Océanographique Française (FOF) opérée par l’IFREMER. La configuration optimale retenue en deuxième étape a ensuite servi à analyser les données de la FOF acquises lors des campagnes océanographiques effectuées entre 2015 et 2022, dans un processus d’analyse automatisée adaptée aux jeux de données binaires variés considérés. La vapeur d’eau précipitable ainsi extraite est évaluée par comparaison à d’autres sources de données. La recommandation d’une modélisation de l’analyse GNSS adaptée à l’observation de la vapeur d’eau atmosphérique en mer; ainsi que le développement d’un algorithme pour la récupération automatisée de la vapeur d’eau à partir d’un jeu de donnée GNSS binaire, sur le long terme et impliquant plusieurs navires, constituent l’originalité de cette thèse. La récupération de la vapeur d’eau lors d’une multitude de campagnes océanographiques autour du globe permet de montrer en conditions réelles la bonne adéquation de l’extraction de vapeur d’eau précipitable par GNSS embarqué sur bateau à l’étude climatique. Une adaptation de cet algorithme de calcul à des données provenant d’une routine de mesure mise en place sur un bateau pourrait permettre d’utiliser cette donnée à des fins de prévision météorologique.

Mots clés

Domaines

Electronique
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Thesis_Aurélie_Panetier_VF.pdf (15.44 Mo) Télécharger le fichier
Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04639124 , version 1 (08-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04639124 , version 1

Citer

Aurélie Panetier. Shipborne Global Navigation Satellite Systems for Offshore Atmospheric Water Vapor Monitoring. Electronics. ENSTA Bretagne - École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04639124⟩
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