Design and analysis of a mobile gravimetry system
Étude et développement d'un système de gravimétrie mobile
Résumé
Actual measurement techniques of the gravity field, from space to surface observations, cover a wide range of spatial resolutions of the Earth gravity field. Those data are not only used to determine high resolution geoid models, but also help to understand mass transfers inside the Earth.
Nevertheless, spatial and spectral extends of gravity measurements are not homogeneous on Earth's surface and for some isolated areas, measurements are missing. Furthermore, the intermediary spatial resolutions (10/100 km) are still badly covered by the terrestrial and space gravimetry. The mobile gravimetry from a terrestrial vehicle, a boat or a plane, appears to be the complementary technique to compensate for the lack of current gravimetry techniques.
The primary objective of this work is the development of an autonomous mobile gravimetry system. The « Limo-G » (LIght MOving Gravimetry) system is an absolute vector gravimeter, consisted of three accelerometers and a GPS system with four antennas. It can be loaded on every kind of vehicles, is reliable, ergonomic and quite cheap.
Metrologic surveys have been done in laboratory and on field to design and to test a calibration method of the instrument. Then, an original treatment method combining accelerometers and GPS data has been developed and tested from synthetic data based on real data acquired from an experimental survey at sea. The results of those simulations indicate that the Limo-G system reaches the milligal accuracy. The appropriate changes needed of the system to improve the accuracy of the gravity estimations have been underlined and validated using synthetic data.
Nevertheless, spatial and spectral extends of gravity measurements are not homogeneous on Earth's surface and for some isolated areas, measurements are missing. Furthermore, the intermediary spatial resolutions (10/100 km) are still badly covered by the terrestrial and space gravimetry. The mobile gravimetry from a terrestrial vehicle, a boat or a plane, appears to be the complementary technique to compensate for the lack of current gravimetry techniques.
The primary objective of this work is the development of an autonomous mobile gravimetry system. The « Limo-G » (LIght MOving Gravimetry) system is an absolute vector gravimeter, consisted of three accelerometers and a GPS system with four antennas. It can be loaded on every kind of vehicles, is reliable, ergonomic and quite cheap.
Metrologic surveys have been done in laboratory and on field to design and to test a calibration method of the instrument. Then, an original treatment method combining accelerometers and GPS data has been developed and tested from synthetic data based on real data acquired from an experimental survey at sea. The results of those simulations indicate that the Limo-G system reaches the milligal accuracy. The appropriate changes needed of the system to improve the accuracy of the gravity estimations have been underlined and validated using synthetic data.
Les techniques actuelles de mesure de pesanteur terrestre, depuis les observations spatiales jusqu'aux mesures ponctuelles en surface, couvrent un large spectre de longueurs d'onde du champ de gravité de la Terre. Ces données acquises permettent non seulement la réalisation de modèles étendus de géoïde, mais aussi une meilleure compréhension des transferts de masse affectant la Terre.
Cependant, les couvertures spatiale et spectrale des mesures gravimétriques ne sont pas homogène à la surface de la Terre et certaines régions difficiles d'accès sont quasiment vierges de toute mesure. De plus, la gamme des longueurs d'onde intermédiaires (10/100 km) est mal couverte par la gravimétrie terrestre ou spatiale. La gravimétrie mobile depuis un véhicule terrestre, un bateau ou un avion apparaît donc comme la technique complémentaire capable de pallier les insuffisances des techniques gravimétriques actuelles.
C'est dans l'objectif de développer un système de gravimétrie mobile autonome que ce travail a été entrepris. Le système «Limo-G» (LIght MOving Gravimetry system) est un gravimètre vectoriel absolu, composé de trois accéléromètres et d'un système GPS à quatre antennes, embarquable dans toutes sortes de véhicule, fiable, ergonomique et peu onéreux.
Un travail métrologique effectué au laboratoire et sur le terrain a permis de concevoir et de tester une méthode d'étalonnage de l'instrument. Puis, une méthode originale de traitement conjoint des données accélérométriques et des données GPS a été développée et testée à partir de simulations issues de données réelles acquises lors d'un levé expérimental en mer. Les résultats de ces simulations indiquent que les performances du système Limo-G permettent de mesurer la pesanteur au milligal. Les améliorations nécessaires pour accroître la précision ont aussi été mises en évidence et validées par simulation.
Cependant, les couvertures spatiale et spectrale des mesures gravimétriques ne sont pas homogène à la surface de la Terre et certaines régions difficiles d'accès sont quasiment vierges de toute mesure. De plus, la gamme des longueurs d'onde intermédiaires (10/100 km) est mal couverte par la gravimétrie terrestre ou spatiale. La gravimétrie mobile depuis un véhicule terrestre, un bateau ou un avion apparaît donc comme la technique complémentaire capable de pallier les insuffisances des techniques gravimétriques actuelles.
C'est dans l'objectif de développer un système de gravimétrie mobile autonome que ce travail a été entrepris. Le système «Limo-G» (LIght MOving Gravimetry system) est un gravimètre vectoriel absolu, composé de trois accéléromètres et d'un système GPS à quatre antennes, embarquable dans toutes sortes de véhicule, fiable, ergonomique et peu onéreux.
Un travail métrologique effectué au laboratoire et sur le terrain a permis de concevoir et de tester une méthode d'étalonnage de l'instrument. Puis, une méthode originale de traitement conjoint des données accélérométriques et des données GPS a été développée et testée à partir de simulations issues de données réelles acquises lors d'un levé expérimental en mer. Les résultats de ces simulations indiquent que les performances du système Limo-G permettent de mesurer la pesanteur au milligal. Les améliorations nécessaires pour accroître la précision ont aussi été mises en évidence et validées par simulation.
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