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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 (PRN)Données @ 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): http://igscb.jpl.nasa.gov

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 1967-2003 (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 1990-2001

43 Extension du rift de Corinthe (1990-2001)

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 - 04 12:51 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 4201590.2181 173112.4926 4779557.4917 APPROX POSITION XYZ 0.0000 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N 1 1 WAVELENGTH FACT L1/2 7 L1 L2 C1 P1 P2 D1 D2 # / TYPES OF OBSERV 30.0000 INTERVAL LEAP SECONDS 2004 10 22 7 45 0.000000 GPS TIME OF FIRST OBS 2004 10 22 7 50 0.000000 GPS TIME OF LAST OBS END OF HEADER 04 10 22 7 45 0.0000000 0 8G28G29G27G17G26G08G10G21 - 0.000000042 -4431112.154 9 -3438579.05147 22520562.193 22520561.7194 22520563.9774 0.000 0.000 -3787576.865 9 -2939969.68748 21671848.014 21671848.0224 21671850.5634 0.000 0.000 1329342.594 9 1026373.75847 22277008.160 22277007.7894 22277011.0384 0.000 0.000 1834950.661 8 1421633.15844 23147469.430 23147468.7524 23147473.8164 0.000 0.000 -4462688.313 9 -3463595.68947 21899335.057 21899335.1354 21899337.9724 0.000 0.000 -15603.429 9 -15161.92448 20574236.462 20574235.8834 20574238.9314 0.000 0.000 -951334.515 9 -724492.49748 20512892.749 20512891.9204 20512895.3934 0.000 0.000 -3193747.671 8 -2474176.16345 24422357.704 24422356.5654 24422358.2034 0.000 0.000 04 10 22 7 45 30.0000000 0 8G28G29G27G17G26G08G10G21 - 0.000000043 -4509905.222 9 -3499976.24647 22505568.425 22505567.8104 22505569.9704 0.000 0.000 -3850993.390 9 -2989385.17448 21659780.155 21659780.1964 21659782.7444 0.000 0.000 1399582.904 9 1081106.42247 22290374.057 22290373.9654 22290377.4424 0.000 0.000 1920959.550 8 1488653.02644 23163836.488 23163835.7384 23163840.7564 0.000 0.000 -4543282.735 9 -3526396.54447 21883998.361 21883998.5334 21884001.3694 0.000 0.000 24401.826 9 16010.99448 20581849.148 20581848.6434 20581851.7154 0.000 0.000 -933594.407 9 -710669.07348 20516268.608 20516267.8134 20516271.2774 0.000 0.000 -3241309.533 8 -2511237.32545 24413306.501 24413305.7304 24413307.4824 0.000 0.000 2 OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE ASHTORIN 28 - OCT - 04 12:51 PGM / RUN BY / DATE COMMENT ???? MARKER NAME MARKER NUMBER OBSERVER / AGENCY ASHTECH UZ-12 ZB00 0A13 REC # / TYPE / VERS ANT # / TYPE 4201601.2100 173102.2300 4779578.9900 APPROX POSITION XYZ 0.0000 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N 1 1 WAVELENGTH FACT L1/2 7 L1 L2 C1 P1 P2 D1 D2 # / TYPES OF OBSERV 30.0000 INTERVAL LEAP SECONDS 2004 10 22 7 45 0.000000 GPS TIME OF FIRST OBS 2004 10 22 7 50 0.000000 GPS TIME OF LAST OBS END OF HEADER 04 10 22 7 45 0.0000000 0 7G08G27G26G28G10G29G21 - 0.000000001 -487379.555 1 -381411.40041 20574241.741 20574240.5864 20574236.7574 -1325.913 -1033.179 14108058.547 1 10986456.81841 22277013.579 22277013.2894 22277010.0524 -2337.619 -1821.521 -1477525.175 1 -1042649.64241 21899335.650 21899336.5054 21899333.0254 2690.120 2096.197 12318529.271 1 9620321.53841 22520563.804 22520563.7224 22520559.8454 2632.181 2051.050 13459489.099 1 10489389.11741 20512894.361 20512893.7094 20512890.4164 -581.763 -453.322 -1353350.987 1 -1011132.29441 21671849.455 21671849.8544 21671846.0824 2117.468 1649.975 12657580.171 1 9878499.05841 24422360.996 24422360.8714 24422356.2784 1594.153 1242.197 04 10 22 7 45 30.0000000 0 7G08G27G26G28G10G29G21 0.000000000 -447372.954 1 -350237.43641 20581854.721 20581853.5004 20581849.9454 -1340.978 -1044.918 14178300.195 1 11041190.50141 22290380.322 22290380.0574 22290376.7084 -2344.829 -1827.139 -1558118.289 1 -1105449.47041 21883999.393 21884000.0774 21883996.7004 2682.602 2090.339 12239737.512 1 9558925.37341 22505570.246 22505570.2194 22505566.3554 2620.945 2042.295 13477230.407 1 10503213.47741 20516270.348 20516269.6744 20516266.5684 -600.776 -468.137 -1416766.202 1 -1060546.73841 21659781.990 21659782.3724 21659778.6874 2110.446 1644.503 12610019.584 1 9841438.79841 24413310.257 24413310.1154 24413305.7734 1576.931 1228.777

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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