Modelisation of the ionospheric scintillation in the equatorial area application to GNSS signal inversion in L band to characterize the turbulence
Modélisation de la scintillation ionosphérique en zone équatoriale : application à l'inversion des signaux GNSS pour la caractérisation de la turbulence
Résumé
The ionosphere is an ionized medium, into which the spatio-temporal electronic density variations disrupt the electromagnetic waves propagation. The turbulent ionospheric plasma is in particular linked to rapid amplitude and phase fluctuations of the radio electric signals: this is the ionospheric scintillation phenomenon. Especially around the equatorial latitudes, systems needing great accuracy, availability and measurement integrity are particularly sensitive to its effects. This is the case of the positioning systems using the GNSS technology. The aim of this thesis is to exploit insightly the ionospheric scintillation effects on the signal in order to propose a turbulent ionosphere's characteristics sounding through GNSS measurements inversion. At first, the specificities of the ionosphere's plasma dynamics accounting for the scintillation effects are reminded. Then, from a spectral description of the electronic density's turbulent fluctuations, an analytic and a numeric model of the transionospheric propagation are introduced. They are completed by considering the GNSS receiver. This step finalizes the direct problem's modelization. A new GNSS data inversion algorithm is then come up with. Its intensive application to the SAGAIE database (collected in equatorial Africa) shows the invers approach's capacity to return various parameters describing the ionospheric turbulences.
L'ionosphère est un milieu ionisé dont les variations spatiales et temporelles de densité électronique perturbent la propagation des ondes électromagnétiques. En particulier, la nature turbulente du plasma ionosphérique conduit à des fluctuations rapides de l'amplitude et de la phase des signaux radioélectriques : c'est le phénomène de scintillation ionosphérique dont les effets sont particulièrement sensibles aux latitudes équatoriales sur les systèmes ayant un besoin accru de précision, de disponibilité et d'intégrité de la mesure, tel que les systèmes de localisation GNSS. L'objectif de cette thèse est justement d'exploiter de façon opportune les effets de la scintillation ionosphérique sur le signal pour proposer un sondage des caractéristiques de l'ionosphère turbulente par inversion des mesures GNSS. Dans un premier temps, les spécificités de la dynamique du plasma ionosphérique équatorial responsable des effets de scintillation sont rappelées. Ensuite, à partir d'une description spectrale des fluctuations turbulentes de densité électronique, une modélisation analytique puis numérique de la propagation transionosphérique sont proposées. Celles-ci sont complétées par la prise en compte du récepteur GNSS, finalisant la modélisation du problème direct. À ce stade, un algorithme d'inversion original des données GNSS est proposé. Son application intensive à la base de données SAGAIE collectée en Afrique équatoriale démontre alors la capacité de l'approche inverse à restituer divers paramètres descriptifs de la turbulence ionosphérique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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