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Des observatoires aux satellites 26 Septembre 2007.

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1 Des observatoires aux satellites 26 Septembre 2007

2 Des Observatoires aux Satellites Les satellites jouent un rôle croissant dans la connaissance de la Terre et la compréhension des phénomènes qui sy déroulent Ils sont de plus en plus utiles dans la compréhension des risques naturels et sont appelés à jouer un rôle croissant pour la prévention Ceci concerne notamment la mesure des déformations du sol et limagerie LObservation sol couplée à lobservation depuis les satellites est fondamentale Le cours aborde les sujets suivants: –Linstrumentation dObservatoire (sol et espace) –Mesure sol et espace des déformations du sol et des variations de pesanteur –Interférométrie radar et corrélation dimages optiques

3 Programme (provisoire) des prochains cours Mercredi 26/9 (14h-16h) - P. Briole – Introduction et cours GPS Mercredi 3/10 (14h-18h ou 16h-18h) - P. Briole – Suite du cours GPS Jeudi 4/10 (9h-11h) - P. Briole - Cours InSAR Mercredi 10/10 (16h-18h) - A. Socquet -TD InSAR Jeudi 11/10 (9h-11h) - A. Socquet - TD InSAR Mercredi 17/10 (16h-18h) - A. Socquet - TD InSAR Jeudi 18/10 (9h-11h) - A. Socquet - TD InSAR (à confirmer) Mercredi 24/10 (16h-18h) - A. Socquet, P. Briole, … - TP GPS Terrasse de lENS Jeudi 25/10 (9h-11h) - P. Briole, A. Socquet ? - TD GPS Mercredi 14/11 (16h-18h) - P. Briole - Cours modèles Jeudi 15/11 (9h-11h) - P. Briole - Cours modèles Mercredi 28/11 (16h-18h) - P. Briole - Cours Observatoires Volcanologiques Mercredi 5/12 (16h-18h) - P. Briole - Cours observation des panaches Jeudi 20/12 (9h-11h) - A. Socquet et/ou P. Briole - Examen final

4 Des observatoires aux satellites Le système GPS 26 Septembre 2007

5 La constellation GPS (segment spatial) 24-satellite 26000km par rapport au centre de la Terre 2 orbites/jour Six plans orbitaux: –Inclinaison 55° sur léquateur –4 satellites par orbite

6 Les récepteurs GPS

7 Principe de base du GPS Le satellite transmet lheure Le principe du positionnement est basé sur la mesure des différences de temps darrivée des signaux horaires de satellites

8 Calcul de la position (point isolé) La position absolue du récepteur est calculée en résolvant les équations: (x1 - X)² + (y1 - Y)² + (z1 - Z)² = c²(T1 – T -dTr)² (x2 - X)² + (y2 - Y)² + (z2 - Z)² = c²(T2 – T -dTr)² (x3 - X)² + (y3 - Y)² + (z3 - Z)² = c²(T3 – T -dTr)² (x4 - X)² + (y4 - Y)² + (z4 - Z)² = c²(T4 – T -dTr)² Etc.. Inconnues: X,Y,Z sont les coordonnées du point (inconnues) dTr est le décalage entre lhorloge récepteur et le temps absolu Données: (x,y,z) i coordonnées des satellites au temps T Mesures: T i : heure darrivée dans le récepteurs (en temps récepteur) des signaux partis des satellites au temps T

9 Capture du code par le récepteur Les récepteurs génèrent des signaux comparables à ceux attendus et cherchent un maximum de corrélation Le décalage de phase entre le signal reçu et le synthétique représente le temps de vol de londe (t i -T), t i =temps sur lhorloge récepteur, T=temps récepteur Replique du signal PRN générée par le récepteur Signal PRN reçu du satellite Corrélateur

10 Les signaux de phase Environ 2 tonnes Signaux de sortie: -Canal L1 (porteuse 1.5 GHz): -Code C/A (Coarse Acquisition) -Code P -Canal L2 (porteuse 1.2 GHz): - Code P (Precise) Signaux dentrée: Corrections envoyées par les stations de contrôle

11 Structure du signal transmis par les satellites Données des SV (position, temps, info systeme, etc.) mélangées au code PRN, puis modulées par la phase Codes PRN uniques pour chaque SV, un code C/A et un code P pour chaque L1 = Signal SPS (usage civil), 1.023MHz L2 = Signal PPS (usage spécial et militaire), 10.23MHz SPS Freq. porteuse (uniforme) Bruit pseudo-aléatoire 50Hz PPS Freq. porteuse. (uniforme)

12 GPS différentiel Reference station at a fixed, known location computes its location from SV signals and computes error correction factors Correction factors are transmitted to remote receivers at radio frequency Usable range <30 km from reference station Reference receiver must be surveyed and located beforehand Coast Guard maintains ref. stations along most US coastlines Typical accuracy 1-5m Reference station at known location Remote receiver Correction factors transmitted to remote receiver via radio frequency SV position data received by reference station SV position data received by remote receiver Remote receiver position modified by correction factors Correction factors computed from position errors

13 Ouvrage de référence sur GPS

14 Le segment de contrôle Corrections de temps et position envoyées en continu aux satellites depuis les stations de contrôle au sol –Corrections de position basées sur le calcul précis dorbites –Corrections de temps basées sur le temps universel UTC (Universal Coordinated Time) Corrections de temps et positions re-transmis des satellites vers les récepteurs –Erreur de temps après correction <100ns –Erreur de positions après correction: quelques mètres Station de contôle Utilisateur Corrections (x,y,z,t) i + Corrections SV i

15 Réseau IGS (International GPS Service):

16 IGS: Orbites précises

17 Le système de référence ITRF2000

18 IGS: Paramètres de rotation de la Terre

19 Les vitesses des plaques vues par GPS

20 Exemples de séries temporelles

21 Déformations « silencieuses » mesurées par GPS Transitoires de déformation mesurés par GPS aux Cascades (USA) (Miller et al., 2002) Ces déformations peuvent se produite sur des failles ou concerner lensemble du volume

22 Sites web relatifs au GPS géodynamique Séries temporelles calculées par JPL –http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.htmlhttp://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html Séries temporelles disponibles à UNAVCO: –http://sps.unavco.org/crustal_motion/dxdt/http://sps.unavco.org/crustal_motion/dxdt/ IGS –http://igscb.jpl.nasa.gov/http://igscb.jpl.nasa.gov/ EUREF –http://www.epncb.oma.be/http://www.epncb.oma.be/ SOPAC –http://sopac.ucsd.edu/http://sopac.ucsd.edu/

23 EUREF : le réseau

24 EUREF données et produits

25 Séries temporelles GPS stations FCLZ, GRAS, MODA, SJDV

26 Vitesses à 64 sites dEurope de lOuest (Nocquet et al., 2003) Accuracy <1mm/year Central Europe (rigid at <0.4 mm/yr) = reference frame. Almost no motion west of the Rhine Graben and on the Iberian peninsula: <0.6mm/yr across the Rhine graben and the Pyrenees. Current strain pattern in the western Alps combines E-W extension and right-lateral shear. Counter-clockwise rotation of the Adriatic micro-plate (appears to control the strain pattern along its boundaries in the Friuli area, the Alps, and the Apennines).

27 Les chantiers GPS des équipes françaises

28 Résultats des campagnes GPS dans le Golfe de Corinthe (Grèce)

29 Golfe de Corinthe: objectifs Connaître –Les mouvements verticaux –Lévolution temporelle (transitoires) Comprendre –Le passage dune déformation localisée (Aigion) à une déformation diffuse (Patras) –Le processus de propagation Est-Ouest du rift de Corinthe Modéliser –Rôle de la sub-surface –Modèle 3D réaliste dévolution (intégrant les observations disponibles de structure, rhéologie et cinématique) Inclinaison anormale 1 heure avant un micro-séisme 3/12/02, Bernard et al., 2004

30 La Méditerranée: une zone de déformation complexe Sismicité (USGS)

31 La frontière de plaques Afrique - Europe Mc Clusky et al., 2003 Calais et al., 2003

32 Vitesss GPS en Grèce et alentours Mc. Clusky et al., 2000

33 Sismicité et déformation sont distibués

34 Mécanismes au foyer des séismes

35 Diverses zones de déformation localisée

36 Deformation due au séisme du 15/06/1995

37 Réseaux GPS en Grèce

38 Vitesses GPS en Grèce

39 Vitesses en Grèce centrale

40 Major earthquakes in the Gulf Corinth in the last 50 years

41 Réseaux GPS dans le Golfe de Corinthe

42 Mesures

43 Extension du rift de Corinthe ( )

44 Les mesures GPS montrent lexistence de rotations de blocs « rigides »

45 Observations GPS permanentes

46 o o o o o

47 Quelques autres applications de GPS en bref

48 Mesure de volume de coulées de lave à partir de stéréo-photogrammétrie et validation par GPS cinématique Volume de coulées de lave et GPS cinématique au Piton de la Fournaise (France)

49 GPS en continu au début de léruption de Novembre 2002

50 Tomographie du panache du volcan Miyake- jima (Japon) à partir de mesures GPS

51 GPS pratique Mise en station dune antenne GPS Utilisation du récepteur Vidage des données et conversion au format RINEX Récupération des autres données nécessaires aux calculs (orbites, données de stations permanentes) Choix du logiciel de calcul Calcul Ajustement de réseau Comparaison de coordonnées à plusieurs époques

52 Le format déchange RINEX

53 Exemple de fichier RINEX 2 OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE ASHTORIN 28 - OCT :51 PGM / RUN BY / DATE COMMENT AUX8 MARKER NAME MARKER NUMBER F_P OBSERVER / AGENCY 001 ASHTECH Z-XII3 CD00 1D02 REC # / TYPE / VERS 782 ANT # / TYPE APPROX POSITION XYZ ANTENNA: DELTA H/E/N 1 1 WAVELENGTH FACT L1/2 7 L1 L2 C1 P1 P2 D1 D2 # / TYPES OF OBSERV INTERVAL LEAP SECONDS GPS TIME OF FIRST OBS GPS TIME OF LAST OBS END OF HEADER G28G29G27G17G26G08G10G G28G29G27G17G26G08G10G OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE ASHTORIN 28 - OCT :51 PGM / RUN BY / DATE COMMENT ???? MARKER NAME MARKER NUMBER OBSERVER / AGENCY ASHTECH UZ-12 ZB00 0A13 REC # / TYPE / VERS ANT # / TYPE APPROX POSITION XYZ ANTENNA: DELTA H/E/N 1 1 WAVELENGTH FACT L1/2 7 L1 L2 C1 P1 P2 D1 D2 # / TYPES OF OBSERV INTERVAL LEAP SECONDS GPS TIME OF FIRST OBS GPS TIME OF LAST OBS END OF HEADER G08G27G26G28G10G29G G08G27G26G28G10G29G

54 La compression des données

55 Le système de référence ITRF2000

56 ITRF 2000: les stations de référence

57 ITRF2000: Coordonnées de stations

58 Les fichiers dorbites


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