La réflectométrie GNSS ou GNSS-R

Introduction

Introduit il y a une vingtaine d’années, le concept de réflectométrie GNSS, ou GNSS-R, fait aujourd’hui l’objet de nombreux développements prometteurs pour des applications en sciences de l’univers : voir Annexe A, page 202. Ce nouvel outil de télédétection, basé sur l’analyse des signaux GNSS réfléchis à la surface de la Terre, permet le suivi de niveaux d’eau ainsi que la détermination de différentes propriétés des surfaces océaniques et terrestres. Cette technique offre de nombreux avantages, à commencer par la pérennité et la continuité des mesures satellites de type GNSS ainsi qu’une couverture dense et continue partout dans le monde. Elle est vouée à s’améliorer avec l’arrivée de nouvelles constellations GNSS (Galileo, COMPASS-Beidou, etc.) et l’augmentation du nombre de satellites opérationnels. Les applications envisagées sont variées : suivi environnemental, prévisions météorologiques, recherches en climatologie, etc. Les enjeux scientifiques sont donc très importants. Le concept de réflectométrie GNSS se base sur l’analyse de la différence de trajets entre les signaux directs émis par les satellites des systèmes GNSS et ceux réfléchis sur la surface terrestre, ce qui permet de déduire un certain nombre de paramètres. Le système mis en place est dit passif et opportuniste – il se contente « d’écouter », sans émission de signal, et profite des satellites déjà en fonctionnement (Mayo, 2014). Les systèmes GNSS-R ont un caractère multistatique : un seul récepteur permet de collecter les informations correspondant à l’émission de signaux par plusieurs satellites. Différentes configurations sont envisageables, le récepteur pouvant être fixé sur un mât ou sur un point haut du sol ou être installé sur une plateforme mobile (avion, ballon, dirigeable), voire embarqué à bord d’un satellite en orbite basse. La zone couverte par les réflexions est d’autant plus vaste que le récepteur est haut, mais le signal est alors plus faible, ce qui impose des antennes de gain important (Mayo, 2014). Ce chapitre a pour but de présenter le principe de la réflectométrie GNSS et détaille les principales applications de cette technique de télédétection opportuniste. Il résume de manière non exhaustive les principales techniques et applications du GNSS-R dans ses deux configurations possibles : système d’acquisition à double antenne, ou à antenne unique. Dans ce manuscrit de thèse, je m’attarderai principalement sur le système à antenne unique et la méthode « SNR » qui a fait l’objet principal de mes recherches, notamment dans les chapitres 5 page 109 et 6 page 153. Pour plus d’informations, l’article de Cardellach et al. (2011) est une très bonne synthèse sur la technique GNSS-R et ses applications, ainsi que le tutoriel réalisé par Zavorotny et al. (2014).

Réflectomètre à double antenne

Géométrie du système multistatique

Le système d’acquisition GNSS-R est constitué de deux antennes GNSS de qualité géodésique montées dos à dos sur un axe horizontal fixé au-dessus de la surface réfléchissante. L’antenne du dessus (A), orientée vers le zénith, capte le signal directement émis par le satellite (configuration classique pour le positionnement), tandis que l’antenne du dessous (B), orientée vers le nadir, capte le signal qui a été réfléchi sur la surface. Comme on peut le voir schématiquement sur la figure 3.1, chaque satellite GNSS émet des signaux qui sont reçus à la fois directement par l’antenne A, mais également par l’antenne B après réflexion sur la surface. 42 Manuscrit de thèse

RÉFLECTOMÈTRE À DOUBLE ANTENNE

FIGURE 3.1 – Géométrie d’un réflectomètre GNSS à double antenne. Les signaux réfléchis étant principalement polarisés LHCP (voir section 2.4.3 page 32), l’antenne du bas est généralement également polarisée LHCP, pour optimiser la puissance du signal réfléchi reçu. L’antenne du haut est une antenne GNSS classiquement polarisée RHCP pour capter les signaux directs.

Observables

Forme d’onde : délai et doppler La détection d’un signal GNSS par un récepteur nécessite la mesure de corrélation entre le signal reçu et une réplique connue du code PRN (voir section 1.2.2 page 9). L’amplitude de cette corrélation au cours du temps est alors une forme d’onde théoriquement triangulaire (pic de corrélation) puisque les modulations du code C/A et P sont des trains d’impulsions rectangulaires (voir section 1.2.2 page 9 et figure 3.2). La lecture du pic de corrélation ainsi déterminé est à la base de la détection des satellites en vue, et est à l’origine de la mesure de pseudo-distances (voir section 1.2.2 page 9) dans le cas de l’emploi classique du GNSS pour le positionnement. Nicolas ROUSSEL 3.2 – Décomposition de la fonction de corrélation du signal direct. Source : Helm (2008) (adapté) Si l’on considère une réflexion spéculaire du signal GNSS, l’onde réfléchie parcourt un trajet supplémentaire par rapport à l’onde directe, son pic de corrélation avec la réplique du code sera en retard par rapport au pic de corrélation de l’onde directe. Ce retard, que l’on appelle le délai, est directement lié à la hauteur de l’antenne par rapport à la surface de réflexion : voir figure 3.3 (a). La position du satellite (et éventuellement du récepteur dans le cas d’un LEO (Low Earth Orbiter) par exemple), n’étant pas constante, la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps, ce qui se caractérise par un effet Doppler. La corrélation avec une réplique connue du code permet également de déterminer le déphasage fréquentiel du signal reçu (direct ou réfléchi) dû à cet effet Doppler : voir figure 3.3 (b). L’analyse du délai de l’onde réfléchie par rapport à l’onde directe, s’appelle la réflectométrie GNSS par mesure sur le code. Elle revient en fait à mesurer la différence des pseudodistances entre les voies directes et réfléchies.

Carte de délai-doppler : DDM

Lorsqu’une onde GNSS se réfléchit sur la surface terrestre, le processus de réflexion n’est pas uniquement spéculaire, mais une composante diffuse apparaît également. Elle est fonction de la rugosité de la surface et de l’angle d’incidence (voir section 2.3 page 25). Cette composante diffuse provient d’une large zone autour du point spéculaire que l’on appelle la zone de scintillement, qui peut être modélisée comme une concaténation de petites facettes engendrant une multitude de réflexions spéculaires autour du point de réflexion spéculaire nominal (voir section 2.3.3 page 26). Le signal provenant de chacun de ces points de réflexion a une trajectoire sensiblement différente de celle du trajet de la réflexion nominale principale,   et sera reçu au niveau de l’antenne avec un retard (ou délai) par rapport à cette réflexion spéculaire nominale. Si l’on considère le temps de trajet τ(x, y) du rayon se réfléchissant sur le point de coordonnées (x, y) de la surface de réflexion, et τspec le temps de trajet du rayon de réflexion spéculaire nominale, on a : ∆τ(x, y) = τ(x, y)−τspec (3.1) Avec ∆τ(x, y) le retard (délai) entre la réception du rayon réfléchi au point de coordonnées (x, y) et du rayon réfléchi au point de réflexion spéculaire nominal. Ce retard peut également être exprimé en terme de distance en multipliant l’équation 3.1 par c la vitesse de la lumière :