Reconstruction du Total Electron Content ionosphérique à partir de mesures GNSS issues de smartphones

Abstract

Une application bien connue des systèmes de navigation par satellite est l’étude de l’ionosphère à l’aide des perturbations causées par la traversée de celle-ci sur le signal GNSS. En effet, l’ionosphère, qui est la couche de l’atmosphère située entre 60 et 1000 km d’altitude, est un milieu de concentration en électrons suffisante pour affecter la propagation des ondes électromagnétiques. Un moyen de déterminer le contenu électronique total de l’ionosphère (TEC) est de former la combinaison de mesures GNSS dite geometry free. L’obtention du TEC absolu par cette méthode nécessite d’une part le calcul des délais hardware, pour les codes, et le calcul des ambiguïtés, pour les phases. Ces différents paramètres sont estimés ici à l’aide d’une carte ionosphérique globale (carte IONEX) produite par l’IGS (International GNSS Service). À l’aide de mesures issues de récepteurs géodésiques, il est possible de déterminer le TEC avec une précision de 2 à 3 TECU (TEC Units) (Warnant & Pottiaux, 2000). Le TEC est ici reconstruit à partir de mesures smartphones et comparé au TEC issu de mesures géodésiques. Les deux puces smartphones testées sont la puce Broadcom la plus récente (BCM47765) et la puce Qualcomm du smartphone Google PIXEL 4 XL (Snapdragon 855). Les écarts obtenus entre les résultats des données smartphone et ceux du récepteur géodésique sont inférieurs à 2 TECU pour la puce Broadcom et inférieurs à 2.6 TECU pour la puce Qualcomm, avec la combinaison geometry free sur les phases. Cela démontre qu’il est possible d’obtenir une reconstruction du TEC exacte et précise à partir de mesures smartphones. La collecte de données à l’aide du réseau dense et peu coûteux formé par les smartphones pourrait permettre l’alimentation des modèles ionosphériques et la détection de certains phénomènes impactant l’ionosphère, comme par exemple la formation des tsunami.

A well-known application of satellite navigation systems is the study of the ionosphere using the disturbances appearing when the GNSS signal propagates in this medium. The ionosphere, which is the layer of the atmosphere located at an altitude between 60 and 1000 km, is able to affect the propagation of electromagnetic waves due to the presence of free electrons. One way to determine the total electron content of the ionosphere (TEC) is to use the combination of GNSS measurements called the geometric free combination. Obtaining the absolute TEC by this method requires the calculation of hardware delays, for pseudo-ranges measurements, and the calculation of ambiguities, for carrier phase measurements. These parameters are estimated here using a global ionospheric map (IONEX map) produced by the IGS (International GNSS Service). When using geodetic measurements, it is possible to determine the TEC with a precision ranging from 2 to 3 TECU (TEC Units) (Warnant & Pottiaux, 2000). The TEC is computed here with smartphone measurements and compared to the TEC computed from geodetic measurements. The two smartphone chips tested are the most recent Broadcom chip (BCM47765) and the Qualcomm chip from the Google PIXEL 4 XL smartphone (Snapdragon 855). The differences obtained between the results using smartphone data and those using geodetic data are smaller than 2 TECU for the Broadcom chip and smaller than 2.6 TECU for the Qualcomm chip, when using the geometric free combination with carriers. This shows that it is possible to compute the TEC using smartphone measurements with a good level of precision and accuracy. Collecting data with the dense and inexpensive network formed by smartphones could allow the supply of ionospheric models and the detection of phenomena impacting the ionosphere, such as the formation of tsunami.