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Qu’est ce que la réflectométrie GNSS ?
Le GNSS-R est une méthode de télédétection originale qui consiste à enregistrer les signaux électromagnétiques émis en continu par la soixantaine de satellites des systèmes de positionnement GNSS américain (GPS – Global Positioning System), russe (GLONASS – GLObalnaïa NAvigatsionnaïa Spoutnikovaïa Sistéma) ou autres (Galileo, QZSS, etc.), puis à analyser la corrélation (ou le décalage) entre les signaux arrivant directement sur une antenne réceptrice et ceux réfléchis sur la surface de la Terre, pour en déduire des paramètres physiques (rugosité, humidité du sol, etc.) et géométriques (e.g., hauteur de l’antenne réceptrice par rapport à la surface réfléchissante). Les ondes électromagnétiques interagissent avec la surface réfléchissante et contiennent donc des informations sur la nature et les propriétés de cette surface. Ainsi, le GNSS-R se propose d’analyser ces ondes GNSS réfléchies en les comparant aux ondes directes pour en déduire des informations sur les caractéristiques du milieu réfléchissant. On parle de système bi-statique passif ; le terme passif indiquant que le système mis en place n’émet aucun signal, mais se contente de recueillir les données, tandis que le terme bi-statique signifie que l’émetteur et le récepteur sont situés à deux endroits différents dans l’espace (Cardellach, 2001).
Les différentes applications
Cet outil de télédétection opportuniste s’appuie sur les constellations GNSS sans mettre en œuvre d’autres missions satellitaires. Si l’altimétrie est une des applications principales du GNSS-R (e.g., Martin-Neira et al., 2002; Semmling et al., 2012), il est également possible de déterminer la rugosité de la surface de la mer, ce qui permet de déduire différents paramètres directement corrélés comme la hauteur des vagues ou la vitesse du vent à la surface de la mer (e.g., Garrison et Katsberg, 1998). Une autre application de cette technique est la détection de tsunamis par GNSS-R (Stosius et al., 2010). Mais le potentiel de cet outil ne s’arrête pas au domaine maritime puisqu’il est possible de déduire de l’analyse du signal réfléchi des paramètres tels que l’humidité du sol (e.g., Katzberg et al., 2005; Larson et al., 2010) ou la biomasse (e.g., Ferrazzoli et al., 1995), en domaine continental. La mesure de la hauteur de neige dans le voisinage de l’antenne réceptrice est également envisageable (e.g., Jacobson, 2010; Gutmann et al., 2012), ainsi que de la topographie de la banquise (e.g., Fabra et al., 2012). Le système de réception peut être fixé au sol ou alors embarqué à bord d’avions, drones, dirigeables ou même à bord de satellites à basse altitude de type LEO (Low Earth Orbiter). Le tableau 1 résume les principales applications du GNSS-R en fonction des plateformes à gammes d’altitude différentes (in situ, aéroporté ou satellite). Les outils de mesures géophysiques classiques sont nombreux et performants (radar, diffusiomètre, etc.). La précision obtenue par ces systèmes d’observation s’améliore de plus en plus dans chaque domaine d’application (altimétrie, rugosité, humidité du sol, etc.). Cependant, les mesures sont généralement soit ponctuelles (e.g., sondes d’humidité), ce qui rend difficile la couverture d’une parcelle entière ; soit, au contraire, elles couvrent une large zone (e.g., mesures satellitaires), mais cela se fait au détriment de la résolution temporelle. La réflectométrie GNSS présente l’intérêt majeur d’apporter des mesures quasi-continues sur une zone dont la taille dépend principalement de la seule hauteur de l’antenne réceptrice au-dessus de la surface de réflexion. A cet égard, le GNSS-R est donc une alternative performante et un complément non négligeable aux techniques de mesure actuelles, en faisant le lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales.
Le signal satellite
Chaque satellite GNSS émet en continu une micro-onde de type L (gamme de fréquence de 1 à 2 GHz, longueur d’onde de 15 à 30 cm) dont la fréquence fondamentale est modulée. Cette modulation de phase permet au satellite d’envoyer :
– un message de navigation qui comporte en particulier les éphémérides du satellites (les paramètres képlériens de l’orbite et leurs dérivées premières par rapport au temps), des coefficients de modèle ionosphériques global simplifié, l’état de santé du satellite et l’écart entre le temps GNSS et l’UTC ;
– un code pseudo-aléatoire PRN (Pseudo Random Noise) propre à chaque satellite qui permet de l’identifier : c’est le système CDMA (Code Division Multiple Access), utilisé par toutes les constellations sauf le cas particulier du système GLONASS qui fonctionne en FDMA (Frequency Division Multiple Access), voir section 1.4, page 15 pour plus de détails. Il est important de préciser que les ondes électromagnétiques GNSS sont de type RHCP (Right Hand Circularly Polarized), ce qui veut dire que leur polarisation dans le plan perpendiculaire à leur propagation est circulaire droite (Stienne, 2013). Ceci signifie que l’extrémité du vecteur E! du champ électrique décrit un cercle dans ce plan perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde. On parle de circulation droite si le cercle est décrit au cours du temps dans le sens des aiguilles d’une montre, et de polarisation circulaire gauche si le cercle est décrit dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Dans la pratique, le positionnement par GNSS peut se faire de deux manières différentes : soit par mesure de code (sous-section 1.2.2, page 9) soit par mesure de phase (sous-section 1.2.3, page 11). Ces deux méthodes nécessitent de connaître précisément la position de chaque satellite. Celle-ci est déterminée par le segment de contrôle (éphémérides et almanachs) mais également a posteriori par le segment utilisateur, comme l’IGS par exemple. Pour ce faire, cet organisme combine différentes techniques géodésiques comme la télémétrie laser sur satellite SLR (Satellite Laser Ranging) ou le système DORIS (Détermination d’Orbite et Rédiopositionnement Intégré par Satellite), ou inverse les mesures acquises par des récepteurs de positions connues.
Réflexion spéculaire : première surface de Fresnel
Une réflexion spéculaire est généralement décrite en optique géométrique, la propagation électromagnétique étant modélisée comme un simple rayon. Un rayon arrivant sur une surface parfaitement plane avec un certain angle d’incidence, engendre un autre rayon avec un azimuth opposé et un même angle d’incidence dans le plan défini par le rayon incident et la normale à la surface au point d’incidence. En utilisant ce modèle simple, le point spéculaire est l’intersection des deux rayons (incident et réfléchi) sur la surface. Il est également possible de modéliser la réflexion spéculaire avec un modèle plus réaliste en utilisant une optique ondulatoire. En suivant les principes de Huygens Fresnel, chaque point du front d’onde incident agit comme une source potentielle d’une onde sphérique secondaire. Le signal réfléchi sera alors la somme de toutes ces ondes sphériques secondaires et la majeure partie de l’énergie proviendra de points sources localisés sur une surface entourant le point spéculaire : l’ensemble de ces sources définissent la zone spéculaire 2-D ou surface de Fresnel.
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Table des matières
Introduction
1 Le système GNSS : notions fondamentales
1.1 Introduction
1.2 Principe du positionnement GNSS
1.3 GPS
1.4 GLONASS
1.5 Galileo
1.6 COMPASS-BeiDou
1.7 Perspectives
2 Réflexion des signaux GNSS
2.1 Introduction
2.2 Le multi-trajet
2.3 Réflexion spéculaire et diffuse
2.4 Caractéristiques du signal GNSS après réflexion
3 La réflectométrie GNSS ou GNSS-R
3.1 Introduction
3.2 Contexte historique
3.3 Réflectomètre à double antenne
3.4 Réflectomètre à antenne unique
3.5 Plateformes et contraintes
3.6 Perspectives
4 Modélisation et simulations de la trajectoire des ondes GNSS directes et réfléchies à la surface de la Terre
4.1 Introduction
4.2 Principe de fonctionnement du simulateur
4.3 Résumé des principaux résultats
4.4 Conclusion
4.5 Article publié : GMD 2014 – Simulations of direct and reflected wave trajectories for ground-based GNSS-R experiments
5 Application de la réflectométrie pour l’altimétrie et l’état de mer : utilisation d’une seule antenne
5.1 Introduction
5.2 Etat de l’art
5.3 Méthodologie
5.4 L’expérience du phare de Cordouan
5.5 Résumé des principaux résultats
5.6 Conclusions et perspectives
5.7 Article publié : RSE 2015 – Sea level monitoring and sea state estimate using a single geodetic receiver
6 Application de la réflectométrie pour la mesure des variations de l’humidité du sol : utilisation d’une seule antenne
6.1 Introduction
6.2 Etat de l’art
6.3 Méthodologie
6.4 L’expérience de Lamasquère
6.5 Résumé des principaux résultats
6.6 Discussion sur l’inversion du signe de la corrélation entre les petits et grands angles d’élévation
6.7 Conclusions et perspectives
6.8 Article sous presse : IEEE JSTARS – Detection of soil moisture variations
Conclusion et perspectives
Bibliographie
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