Deux stratégies sont couramment utilisées pour déterminer la position d’une station GPS mobile (bateau, avion, voiture...). On peut utiliser un traitement en différentiel qui repose sur les doubles différences (Chapitre 1) provenant des lignes de base en stations d’un réseau. Il existe trois logi-ciels scientifiques principaux qui permettent une telle utilisation : les logilogi-ciels GAMIT3, Bernese4 et Gipsy-Oasis II. Cette méthode montre très vite ses limites lorsqu’on se trouve en pleine mer et que les récepteurs sont trop éloignés (au delà de 50 km), (Bouillaguet, 2006). Une autre méthode de positionnement, le PPP (Precise Point Positionning system) permet de pallier cet inconvéninent. La performance de cette technique a été démontrée notamment par Kelecy et al. (1994) et plus récemment par Chadwell et Bock (2001) et Rocken et al. (2008).
5.3.1 Les sources d’erreurs alterrant la position et l’estimation du ZTD en mer L’estimation de la position verticale a un impact sur l’estimation du ZTD. Ainsi, un biais de 10 mm sur l’estimation de la hauteur peut engendrer une différence sur le ZTD de 2 mm ce qui équivaut à 0.4 kg.m−2 en IWV. On s’intéresse ici aux différents types d’erreurs pouvant affecter la précision du traitement GPS en mer.
– La vitesse et l’accélération du bateau sont deux paramètres qui peuvent influencer la qualité des mesures. En effet, un changement soudain de la vitesse du bateau peut entraîner une plus grande dispersion des mesures par conséquent dégrader la qualité du positionnement. Des sauts dans les hauteurs peuvent apparaître et donner lieu à des écarts types plus forts. Dans notre cas on considère une situation de pleine mer au delà de 15 km des côtes. La vitesse de croisière est alors atteinte et considérée comme approximativement constante.
– Guillon (2007) a montré l’existence d’une forte corrélation entre les variations d’écarts types et le PDOP (Position Dilution Of Precision). Le PDOP caractérise la configuration géométrique de la constellation des satellites. Plus le PDOP est grand, moins le résultat est précis. La précision du positionnement dépend donc de la distribution des satellites qui est elle-même fonction du choix de l’angle de coupure.
– Afin de déterminer avec précision la position, des corrections prenant en compte les effets de la marée doivent être appliquées. Pour réaliser ces corrections des modèles de marée sont utilisés pour corriger les valeurs de hauteur. La marée terrestre est de l’ordre de quelques décimètres verticalement et quelques centimètres en longitude et en latitude. Le déplacement d’une station dû aux effets de marée peut être exprimé par des harmoniques sphériques, pour plus de détails se reporter à Asgari (2005), chapitre 4.9.
3GPS analysis at MIT ((King et Bock, 2008), développé par le MIT. Il permet l’estimation des positions en traitement différentiel, la détermination des orbites des satellites, les paramètres troposphériques et d’orientation de la Terre
4GPS Bernese Software développé à l’Université de Berne (Hugentobler et al., 2004) permet le traitement en mode différentiel et en Positionnement Ponctuel Précis (PPP) afin de déterminer les orbites, paramètres de rotation des pôles et la calibration des antennes.
5.3 Traitements GPS spécifiques en mode cinématique 159
– Les effets de surcharge océanique doivent également être pris en compte. Ils correspondent au déplacement de la croûte terrestre sous l’effet de la marée océanique. Ce déplacement est de l’ordre de 0 à 5 cm au bord des océans et devient très faible loin des côtes.
– L’état de la mer induit trois types de mouvements au bateau. Le roulis provoque un mouvement d’inclinaison latérale du bateau, le tangage incline d’avant en arrière le bateau autour de sa position d’équilibre. Pour finir, le pilonement crée des mouvements en translation du bateau, correspondant au mouvement de haut en bas de la coque. L’ensemble de ces mouvements est provoqué par les variations d’amplitudes des vagues. Des techniques de filtrage sont utilisées pour prendre en compte ces mouvements et faciliter l’estimation des coordonnées.
Les erreurs de positionnement liées à l’état de la mer correspondent à des composantes hautes fréquences et peuvent être ainsi éliminées facilement. En revanche, les marées et les courants qui affectent l’estimation de la position s’appliquent à des phénomènes basses fréquences de même bande de fréquence que les changements de vapeur d’eau. Il faut donc parvenir à séparer la composante du positionnement de celle équivalente au délai troposphérique.
5.3.2 Les limitations du traitemement en différentiel
L’utilisation d’un GPS sur plateforme mobile (bateau, bouée, avion..) requiert un positionnement en mode cinématique. Contrairement au positionnement statique où le nombre de mesures recueillies sur une même station est bien supérieur au nombre d’inconnues à résoudre, trois nouvelles coordon-nées doivent être estimées à chaque époque d’observations en mode cinématique. Ainsi, une solution doit être calculée à chaque instant d’observations, d’où le terme solution instantanée. La section sui-vante détaille les spécificités de traitement pour une application en mer à une distance de plus de 50 km des côtes. Pour des précisions relatives à la formulation des traitements se reporter au chapitre 2, section 1.3.
Difficultés d’utilisation liées au mode cinématique différentiel en mer
Différents travaux ont étudié la précision des mesures GPS en mer en utilisant un traitement en mode cinématique différentiel. Bouillaguet (2006) et Guillon (2007) ont recherché quels étaient les paramètres permettant une optimisation du traitement GPS en tenant compte des conditions parti-culières en mer. Ces études ont été réalisées afin de déterminer avec précision le niveau moyen des mers dans le cadre de la campagne GEODEVA (Mars 2006, LAREG/Institut de Physique de Globe de Paris). Cette mission repose sur la caractérisation crustale associée à la tectonique des plaques et à l’évolution de l’activité des fonds marins. Le traitement GPS cinématique utilise le module TRACK (module de traitement cinématique du logiciel GAMIT) (King et Bock, 2008). Les principales étapes du traitement sous TRACK consistent à résoudre les ambiguités entières et à calculer les positions GPS en cinématique. Les mesures sont effectuées sur trois sites distincts (bouées et bateau) ce qui permet d’analyser la qualité des résultats en fonction de la longueur de la ligne de base. les
obser-vations sont réalisées à la fois sur bouée et sur bateau. Afin d’évaluer la précison de l’estimation des hauteurs ellipsoïdales, l’altimétrie satellitaire est utilisée. Les résultats statistiques sur les résidus entre la hauteur ellipsoïdale GPS et TOPEX/Poséidon5montrent des écarts types moyens d’une dizaine de centimètres pour des lignes de bases inférieures à 1 km. Pour des lignes de bases comprises entre un et deux kilomètres les écarts types varient entre 3 et 8 cm. Pour les lignes de bases les plus im-portantes (91 km) l’écart type sur les résidus varie entre dix et trente centimètres. Il faut également tenir compte de l’état de la mer qui peut être responsable de telles variations. Dans la continuité de la campagne GEODEVA, la campagne GRAVILUCK réalisée près des Açores en 2006 dans le cadre du programme MoMAR6cherche à estimer le niveau moyen de la mer. Dans ce cas, les lignes de bases sont plus importantes allant de 300 à 500 km. Deux méthodes de traitement sont comparées en utili-sant TRACK et le logiciel Gipsy utilisé en PPP. Les conclusions insistent sur les limites du traitement cinématique lorsque la longueur de la ligne de base utilisée excède 300 km. De même l’état de la mer a du mal à être pris en compte. On ne s’intéresse par la suite qu’au traitement en mode PPP.
5.3.3 La méthode PPP
Le principe de la méthode PPP est énoncé au Chapitre1. Les principaux logiciels de recherche utilisés pour le traitement PPP sont les programmes Bernese et Gipsy-Oasis II.
Le traitement RTNet
Le logiciel RTNet est un logiciel commercial. Une des qualités principales du logiciel RTNet réside en sa capacité à délivrer des coordonnées et délais troposphériques par positionnement en PPP à la fois en post-traitement mais également en temps réel. On appelle par la suite PPP-RTK le traitement PPP en temps réel.
Ce logiciel a fait l’objet de différentes validations lors de campagne en mer dans l’océan Indien et à proximité des côtes du Japon. Nous proposons ici un bref rappel de ces expériences avant de détailler l’analyse des données de la campagne VAPIMED.
La campagne MISMO7a eu lieu en 2006 pendant 3 mois, au large de l’océan Indien afin d’étudier la convection tropicale dans l’océan et notamment les oscillations de Madden-Julian8 (Yoneyama et al., 2008). Tout au long de la campagne, les données GPS ont été collectées toutes les 5 secondes. Les données ont ensuite été post-traitées en mode PPP avec et sans option temps réel. Les horloges satellites sont réinterpolées toutes les 5 secondes pour correspondre aux époques d’échantillonage du récepteur satellite. Les délais zénithaux troposphériques sont estimés avec les positions du bateau, les
5TOPEX/Poseidon est un satellite d’océanographie développé par la NASA et le CNES. Deux altimètres radar permettent de mesurer avec une précision de quelques centimètres, par la technique d’altimétrie satellitale, la topographie océanique.
6Monitoring the Mid Atlantic Ridge
7The Mirai Indian Ocean cruise for the Study of the Madden-Julian oscillation (MJO).
8L’oscillation intra-saisonnière de Madden-Julian est un phénomène tropical correspondant à une onde qui se propage d’ouest en est depuis l’Afrique de l’Est jusqu’au Pacifique. Cette onde module fortement l’activité nuageuse et convective dans la zone proche-équatoriale.