Brevet FR3155910A1 — publié le 20250530

Le domaine technique de l’invention est celui des systèmes et procédés de mesure du taux de pluie. L’invention concerne aussi une station de surveillance hydrologique équipé d’un tel système de mesure du taux de pluie. SYSTEME ET PROCEDE DE MESURE DU TAUX DE PLUIE A PARTIR DE L’ANALYSE DE SIGNAUX GNSS ET STATION HYDROLOGIQUE EQUIPE D’UN TEL SYSTEME Domaine technique de l’invention Le domaine technique de l’invention est celui des systèmes et procédés de mesure du taux de pluie. L’invention concerne aussi une station de surveillance hydrologique équipé d’un tel système de mesure du taux de pluie. Arrière-plan technologique Le système visé par l’invention est désigné dans tout le texte comme le système RainGNSS. Ce système vise à utiliser la constellation spatiale GNSS pour améliorer localement les mesures de taux de pluie à l’échelle des territoires, et ainsi compléter les réseaux de données existantes mais trop peu nombreux pour prévoir les événements extrêmes de type inondations. Les objectifs du système sont multiples : améliorer la connaissance et la prévision des phénomènes de crues d’une part, participer à une mesure par satellite plus précise de la hauteur des cours d’eaux et des réservoirs hydrologiques d’autre part, densifier un système de surveillance météorologique de la vapeur d’eau et des précipitations, critique dans la surveillance des évènements extrêmes. En effet, parmi les impacts du changement climatique, il est établi que les territoires auront à gérer dans le futur de plus nombreux évènements de pluie, plus intenses, tout en faisant face dans le même temps à une pénurie d’eau, avec des conséquences économiques fortes sur l’agriculture notamment. Devant ce constat, le système RainGNSS vient compléter l’offre de service en hydrologie fourni par la micro-station proposée par déposant dans la demande WO2023174922 par la mesure au même lieu d’informations météorologiques de précipitations et d’humidité dans l’atmosphère (vapeur d’eau et pluie). La combinaison de l'utilisation d’une puce GNSS bas coût et d’un traitement algorithmique associé sont l'objet principal de cette invention. Distribué au-dessus des cours d’eau, le réseau de micro-stations du déposant décrites dans le document de brevet susmentionné fournit une mesure continue et haute fréquence de différents paramètres hydrologiques (hauteur, vitesse, turbidité) avec une excellente précision. Ce système répond donc au manque de données et au besoin grandissant de surveillance des cours d’eau pour un large panel d’applications dans le contexte de changement climatique actuel. Afin de mieux prévoir les inondations et notamment les crues dites « flash », il est crucial de disposer d’une mesure simultanée des observations de précipitation en complément du niveau des cours d’eau. Le but est de prévoir l’arrivée et l’amplitude de l’onde de crue en utilisant les prévisions météorologiques de précipitation. Cette historicité n’est pas atteignable sans équipement in-situ colocalisé aux stations de mesures hauteur d’eau et de débit (les micro-stations du déposant), et les observations fournies par la météo ou les radars à pluie sont généralement fournies à une résolution spatiale insuffisante lorsque nous nous intéressons aux petits bassins hydrologiques comme l’ont démontré les crues récentes sur la Vésubie et la Roya en Octobre 2020. L’intégration d’un capteur GNSS à la micro-station et le développement d’algorithmes déterminant le taux de précipitation à partir des mesures fournies par ce capteur font l’objet de cette invention qui est une avancée importante pour la prévention des inondations. D’autre part, l’application des mesures spatiales à la surveillance de la hauteur des lacs et des rivières est un domaine en pleine expansion, notamment avec l’arrivée prochaine des données de la mission SWOT. L’intégration d’une mesure coïncidente de la hauteur de l’eau et de l’humidité dans l’atmosphère, dont un taux de pluie, au sein d’un réseau de mesures in-situ permettra une validation plus précise de ces données et donc l’amélioration de leur précision. L’impact des perturbations sur le signal GNSS et l’estimation de la vapeur d’eau à partir de données des récepteurs GNSS conçus pour cet usage est un domaine bien maîtrisé. Ce produit de vapeur est déjà utilisé pour la validation des données satellitaires. Or, les fortes pluies perturbent elle-aussi le signal GNSS, démontrant la possibilité d’en extraire un taux de pluie. Le principe du système RainGNSS est d’utiliser un récepteur bi-fréquence et multi-constellation à bord d’une micro-station hydrologique et de positionner l’antenne de réception adaptée au-dessus de la station avec une vision claire sur le ciel à 360°. Le principe consiste à réaliser le positionnement précis de l’antenne à l’aide d’un traitement PPP ( Precise Point Positionning ) en utilisant le logiciel open source RTKLIB. Ce logiciel de positionnement GNSS permet de calculer le positionnement précis ( En effet, la troposphère est la partie inférieure de l'atmosphère (environ au-dessous de 12 km). Les signaux radioélectriques transmis par les satellites GNSS sont atténués et retardés par la réfractivité de l'atmosphère neutre jusqu'à 60 km en raison du principe de Fermat, et ce retard doit être pris en compte dans le positionnement GNSS. L'effet troposphérique est théoriquement divisé en deux parties : sèche et humide, et les retards totaux sur le trajet troposphérique sont donc divisés en conséquence. Alors que la composante sèche (atteignant jusqu'à 2,3 m au zénith) peut être suffisamment modélisée à l'aide de la pression atmosphérique, la composante humide (atteignant jusqu'à 50 cm au zénith) dépend d'une grande variabilité spatio-temporelle de la température et de l'humidité. C'est pourquoi elle est souvent modélisée dans la procédure d'estimation comme un paramètre inconnu supplémentaire variable dans le temps. Pour éviter un système trop paramétré, un paramètre (ZTD, le retard total au zénith projeté dans les directions de la ligne de visée à l'aide d'une fonction de mise en correspondance) est estimé pour une seule station et un intervalle de temps donné (ou à l'aide d'un processus stochastique). Ainsi une fois la ZTD calculée, la composante sèche est retirée à l’aide de modèle bien connus dans la littérature. La partie humide résultante combine les effets de 2 composantes, la vapeur d’eau et les précipitations. Le principe de RainGNSS est d’estimer la partie précipitante via un algorithme physique ou empirique (statistique, machine learning…) prenant en entrée la ZTD sans la composante sèche et en colocalisant les données de pluies via des mesures et des modèles. Une fois ce modèle de restitution créé, les précipitations peuvent être alors estimées en utilisant seulement les estimations de ZTD sortant du logiciel RTKLIB ayant tourné sur les mesures GNSS de la micro-station, après en avoir retiré la composante sèche issu de modèles. Ce principe d’estimation du taux de pluie par l’analyse des signaux GNSS est avantageusement intégré à une nouvelle micro-station hydrologique proposé par le déposant. La micro-station hydrologique décrite dans le document de brevet WO2023174922 est un instrument dédié à mesurer la hauteur de la surface de l'eau et la vitesse de surface des systèmes hydrologiques par télédétection. Entièrement autonome, le LiDAR à 850 nm est combiné à une caméra nadir et un chipset mobile 3G / 4G, le tout étant autonome en énergie à partir d’un couple batterie/panneau solaire. Embarquant un LiDAR spécifique, les mesures de hauteurs sont réalisées par l’intégration d’un ensemble d’impulsions garantissant une précision centimétrique. La combinaison LiDAR et caméra permet un post-traitement intelligent des mesures afin de fournir des informations fiables pour la surveillance des systèmes hydrologiques et l’alerte lors des épisodes d’inondations ou de sécheresses. Du fait de sa taille et son poids, la micro-station se fond dans l’environnement dans lequel elle joue son rôle de sentinelle. Seul le panneau solaire reste visible après installation. Cette micro-station nécessite simplement d’être positionnée au-dessus des contextes hydrologiques, fixée à l’aide d’une simple attache (simple vis ou même aimant si la structure recevant la micro-station est métallique). Le panneau solaire est également fixé suivant le même système simple. 30 minutes suffisent pour l’installation et la mise en opération. Sans contact avec l’eau, la micro-station nécessite une maintenance réduite. Sa durabilité et sa stabilité de mesure sont donc supérieures à celles des capteurs immergés. Embarquant pour le moment une connectivité 3G/4G, la micro-station envoie automatiquement ses données en temps réel et à intervalles réguliers. Lorsque le niveau de l’eau dépasse un seuil défini par l’utilisateur, la micro-station augmente de manière automatique sa fréquence d’acquisition pour une éventuelle alerte en temps réel. La micro-station transmet également l’ensemble de ses paramètres vitaux par télémétrie, permettant ainsi sa supervision et sa mise à jour à distance. La nouvelle version de la micro-station permettant d’embarquent le système RainGNSS, objet de ce brevet apporte plusieurs nouveautés par rapport à la précédente version. Tout d’abord, une toute nouvelle carte mère a été développée afin d’améliorer la robustesse de la station à un niveau industriel. Ensuite, une caméra grand angle et infrarouge est utilisée en lieu et place de la caméra précédente. Un projecteur infrarouge à LED positionné autour de la caméra permet d’obtenir une vision nocturne de la scène surveillée. Un accéléromètre a été ajouté afin de pouvoir contrôler en temps réel l’assiette de la micro-station. Une antenne GSM externe a été ajoutée afin d’optimiser la réception. Une préparation à la réception de la future puce Kinéis afin d’assurer la connectivité par IoT spatial dans les zones blanches ou en cas de défaut de la connectivité GSM a été ajoutée. Cette préparation permet d’embarquer la puce Kinéis, dès que le service sera opérationnel en 2024. Un capteur de température a été ajouté pour mesurer la température de surface de l’eau. Enfin un récepteur GNSS bi-fréquence et tri-constellation et une antenne GNSS ont été ajoutés afin de pouvoir positionner précisément la micro-station dans l’espace, de suivre son positionnement et enfin de permettre le développement du système RainGNSS pour la mesure de précipitation. Le tableau ci-dessous liste les caractéristiques techniques principales de la nouvelle version de la microstation.