Abstract :
[en] Over the last decade came major breakthroughs in satellite navigation and positioning, due to the development of precise positioning techniques based on Global Positioning System (GPS) signals. Modern processing methods, such as the Real-Time Kinematics (RTK), allow the GPS user to determine its position in real-time with an accuracy of a few centimeters. The success of these algorithms relies on the cancellation and/or the mitigation of the various errors affecting signal propagation. Among these errors is the delay due to the ionospheric refraction. More particularly, the presence of irregularities in the ionospheric plasma is responsible for positioning errors reaching several (deci)meters. As a result, there is a growing demand from GPS user communities (such as land surveyors or civil engineers) to be informed, if possible in advance, of the occurrence of irregularities that might impact on their positioning solution. Based on a ten years GPS dataset collected over Belgium, this thesis aims at assessing, understanding and modeling the occurrence of ionospheric irregularities as well as estimating their effects in terms of positioning accuracy. Firstly, we carry out a climatological study of irregularities to identify and characterize the most recurrent features. We can distinguish two main irregularity types: those due to space weather events (such as Coronal Mass Ejections – CMEs – or solar flares) and the others, constituting the bulk of irregularities observed at a single station and referred to as “quiet-time” irregularities, as they occur during quiet geomagnetic conditions. These latter are then divided into two groups: the first is made up of Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbances (MSTIDs) which occur during autumn/winter daytime. In the second group are the summer nighttime irregularities, which are rapid fluctuations of the Total Electron Content (TEC) probably associated with spread-F phenomenon. Next, we develop a model of quiet-time irregularity occurrence, based on a statistical analysis of the aforementioned dataset. Computations rely on several mathematical modeling tools, such as the Principal Component Analysis (PCA), the Generalized Least-Squares (GLS) algorithm and the AutoRegressive and Moving Average (ARMA) method. The resulting climatological model is made up of two components reproducing daily profile as well as secular variations of the ionospheric variability for a typical GPS station in Belgium. The last part of this work deals with the impact of irregularities on relative positioning. This technique allows the measurement of the vector (called baseline) joining the receiver (user station) to a reference station whose position is accurately known. More precisely, we assess the effect of baseline length and orientation during the occurrence of MSTIDs and geomagnetic storms through the processing of the Belgian Dense Network, made up of 66 dual-frequency GPS stations. Finally, the relationship between positioning error and the presence of ionospheric irregularities detected at a single station is investigated, filling the gap between the scientific and the GPS-user communities.
[fr] Ces dernières années, des avancées capitales ont été réalisées dans le domaine de la navigation par satellites, en particulier grâce au développement de méthodes de positionnement de haute précision basées sur les signaux issus du Global Positioning System (GPS). Ces méthodes modernes, telles que le Real-Time Kinematics (RTK), permettent à l’utilisateur de déterminer sa position instantanément, et ce avec une précision centimétrique. Le succès de ces algorithmes est basé sur l’annulation et/ou l’atténuation des différentes erreurs qui affectent la propagation des signaux GPS, parmi lesquelles figure le délai induit par la réfraction ionosphérique. Plus particulièrement, la présence d’irrégularités dans le plasma ionosphérique est responsable d’erreurs de position pouvant atteindre plusieurs (déci)mètres. Il existe donc une réelle demande émanant des utilisateurs de GPS – comme les géomètres ou les ingénieurs civils – désireux d’être informés de l’occurrence de ces irrégularités affectant la précision de leur mesure de position. Appuyant ses résultats sur une banque de données GPS couvrant dix années de mesure, cette thèse a pour mission d’évaluer, comprendre et modéliser l’occurrence des irrégularités ionosphériques ainsi que d’estimer leurs effets en termes de précision du positionnement. Tout d’abord, la réalisation d’une étude climatologique de ces irrégularités a permis l’identification et la caractérisation des motifs les plus récurrents de la série temporelle. Nous avons ainsi pu distinguer deux principaux types d’irrégularités. Les premières sont générées par les évènements de la météo spatiale (space weather ), tels les éjections de masse coronale ou les éruptions solaires. Le second type, qui représente la majorité des irrégularités détectées, a reçu le qualificatif de “quiet-time”, étant donné le contexte géomagnétique calme dans lequel elles sont observées. Cette dernière catégorie a ensuite été divisée en deux groupes, dont le premier comprend les perturbations itinérantes de moyenne échelle (Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbances, ou MSTIDs), apparaissant généralement durant les mois d’automne et d’hiver en journée. Dans le second groupe, on retrouve les irrégularités nocturnes estivales, qui correspondent à des variations rapides du contenu électronique total (Total Electron Content, ou TEC), ces dernières étant probablement associées à une phénomène de spread-F. Dans un deuxième temps, nous avons mis sur pied un modèle d’occurrence des irrégularités “quiet-time”, basé sur une analyse statistique de la banque de données sus-mentionnée. Cette modélisation s’appuie sur une multitude d’outils mathématiques, tels que l’analyse en composantes principales (ACP), les moindres carrés généralisés ou encore la méthode auto-régressive à moyenne mobile (AutoRegressive and Moving Average, ou ARMA). Le modèle climatologique résultant se divise en deux composantes reproduisant aussi bien le profil journalier que les variations séculaires de la variabilité ionosphérique observée à partir d’une station GPS en Belgique. La dernière partie de notre travail concerne l’effet de ces irrégularités sur le positionnement relatif. Cette technique consiste en la mesure du vecteur (appelé ligne de base) joignant le récepteur de l’utilisateur à un autre récepteur (appelé station de référence) dont la position est connue avec une grande précision. Nous avons évalué plus spécifiquement l’influence de la longueur ainsi que de l’orientation de la ligne de base sur l’amplitude de l’erreur de position durant l’occurrence d’une MSTID ou encore d’une tempête géomagnétique de grande envergure. Ces calculs ont été effectués sur l’ensemble des 160 lignes de base qu’offre le réseau dense belge de stations permanentes GPS, constitué de 66 stations GPS bi-fréquence. Enfin, nous avons étudié la relation entre l’erreur de position et la présence d’irrégularités ionosphériques détectées à une station, ce qui nous a dès lors permis de faire le lien entre, d’une part, la communauté scientifique et de l’autre celle des utilisateurs de GPS.
