Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Programme (provisoire) des prochains cours Mercredi 26/9 (14h-16h) - P. Briole – Introduction et cours GPS Mercredi 3/10 (16h-18h) - P. Briole – Suite du cours GPS Jeudi 4/10 (9h-11h) - P. Briole - Cours InSAR Mercredi 10/10 (16h-18h ou 16h18h) - 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 l’ENS 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

GPS: Des applications très variées Systèmes de référence et orbites Rotation de la Terre Géophysique interne Tectonique des plaques et séismes Volcans Glaciers Géophysique externe Météorologie et climat Ionosphère

Ouvrage de référence sur GPS

Des réseaux à toutes les échelles

Développement de réseaux nationaux denses SAPOS TERIA

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

Principe de base du GPS Le satellite transmet l’heure Le principe du positionnement est basé sur la mesure des différences de temps d’arrivée des signaux horaires de satellites

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 l’horloge récepteur et le temps absolu Données: (x,y,z)i coordonnées des satellites au temps T Mesures: Ti : heure d’arrivée dans le récepteurs (en temps récepteur) des signaux partis des satellites au temps T

Capture du code par le récepteur Signal PRN reçu du satellite Réplique du signal PRN générée par le récepteur Corrélateur 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 l’onde (ti-T), ti=temps sur l’horloge récepteur, T=temps récepteur

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 d’entrée: Corrections envoyées par les stations de contrôle

Structure du signal transmis par les satellites SPS Freq. porteuse (uniforme) Bruit pseudo-aléatoire (PRN) Données @ 50Hz PPS Freq. porteuse. (uniforme) Données des SV (position, temps, info système, 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

GPS différentiel SV position data received by reference station Correction factors computed from position errors SV position data received by remote receiver Remote receiver position modified by correction factors Reference station at known location Correction factors transmitted to remote receiver via radio frequency Remote receiver 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

Orbites et système de référence

Le segment de contrôle SVi Corrections (x,y,z,t)i (x,y,z,t)i + Corrections Station de contôle Utilisateur 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 d’orbites 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

Réseau IGS (International GPS Service): http://igscb.jpl.nasa.gov

IGS: Orbites précises

Le système de référence ITRF2000

ITRF2000: Coordonnées de stations

IGS: Paramètres de rotation de la Terre

IERS : Rotation de la Terre Evolution de la précision de détermination des mouvements du pole (De Viron, 2006) Ecart des solutions GPS à la solution C04 (IERS)

Rotation de la Terre Lambert et al., GRL, 2006 Les boucles, bien visibles fin 2005, sont interprétées comme des forçages liées à des événements météorologiques IERS – Solution C04

Les vitesses des plaques vues par GPS

Exemples de séries temporelles

La Méditerranée: une zone de déformation complexe Sismicité 1967-2003 (USGS)

Détermination du pôle de rotation des plaques et comparaison vitesses GPS et long terme Calais et al., 2003 Mc Clusky et al., 2003

Vitesses GPS en Méditerranée orientale Mécanismes au foyer, catalogue Harward 1976-2005 Vitesses GPS (référentiel Eurasie) Reilinger et al., JGR, 111, 2006

Accélération du sol possible lors de séismes Global seismic hazard map (Giardini et al., 1999) http://seismo.ethz.ch/gshap/

Vitesses GPS en Grèce Hollenstein et al., 2007

Deformation co-sismiques (séisme d’Aigion, 15/06/95) Briole et al., JGR, 2000 Armijo et al., 1996

Tectonique de l’Europe de l’Ouest Tesauro et al., 2006 Nocquet et al., 2003 Déformation entre l’Espagne et l’Europe centrale inférieure à 0.6 mm/an Déformation est plus fort à travers les Alpes Plusieurs dizaines d’années seront nécessaires pour connaître précisément les taux de déformation dans les Alpes et les Pyrénées

EUREF : le réseau

EUREF données et produits

Séries temporelles GPS stations FCLZ, GRAS, MODA, SJDV

Déformations post-glaciaire en Amérique du Nord Deformation of the North American Plate Interior from a Decade of Continuous GPS Measurements E. Calais et al., JGR, 111, 2006

Rebond post-glaciaire en Antarctique Plate kinematics and deformation status of the Antarctic Peninsula based on GPS (Dietrich, Global and Planetary Change, 42, 2004)

Mouvements tectoniques verticaux intersismiques El-Fiky, Tectonophysics, 2006

Positionnement et niveau des mers Marégraphe et station GPS de Marseille Bouée GPS pour le suivi du niveau des océans (CNRS-IPGP)

Sismologie GPS Séisme de Denali, Bock, 2004 Séisme de San Siméon du 22/12/2003, Wang et al., BSSA, 2007 GPS mesure directement des déplacements et ne sature pas Mais il est bien moins sensible qu’un sismomètre ou qu’un accéléromètre

Mesure et modélisation du séisme de Sumatra 2004 Vigny et al., Nature, 2005 Kreemer et al., Earth Planets Space, 58, 2006

Passage de l’onde de Lowe produite par le séisme de Sumatra (26/12/04) Font d‘onde (forme théorique) Vitesse approx. 4 – 4.5 km/s Variations de la composante N-S du vecteur KITZ-WETT Direction de propagation (approx.) Kitzingen Wettzell Particle motion Söhne et al., conférence EUREF, 2005

“Sismogramme GPS” Séisme de Aysen, Chili (M=6.2), 21 Avril 2006, C. Vigny, ENS

Transitoires sismiques Les GPS a permis de découvrir l’existence des séismes lents Il est possible de mesurer le mouvement au cours des séismes Transitoires de déformation mesurés par GPS aux Cascades (USA) (Miller et al., 2002) Larson et al., 2004

Residuals de délais zénithaux (3 Octobre 2007, 09:00TU) Isotherme 0° Anomalie de délais zénithaux (m) Source : Meteo France (http://www.previmeteo.com/) Source: IGN-RGP (http://rgp.ign.fr)

Comparison de ZTD estimé par GPS et profils de radiosondages Haase et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 42, 2003

Comparison of ZWD measured by GPS, VLBI and WVR Ichikawa et al., 2006

Fort événement pluvieux

Evolution de l’anomalie de vapeur d’eau intégrée

Comparison IWV et précipitations mesurées par radar à Nimes

Contribution du GPS à la prévision météorologique Ecarts ZTD – Radiosondages (Haase et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 42, 2003) Haase et al., 2004, projet MAGIC

Evolution des glaciers polaires et tempérés Suivi par GPS de l’évolution d’un glacier en Antartique (Australian National University – OMP Toulouse) Suivi des glaciers dans le massif du Mont Blanc (Glaciologie Grenoble)

Cartographie temps réel de l’ionosphère par GPS http://rgp.ign.fr http://iono.jpl.nasa.gov/

Positionnement et suivi de l’ionosphère Avec des réseaux GPS denses, il est possible de cartographier le contenu électronique de l'ionosphère Les ondes sismiques et les tsunami produisent des ondes de gravité détectables par GPS Anomalies de contenu électronique de la ionosphère associées au séisme de Denali (Alaska) du 3 Novembre 2002, enregistrées aux stations GPS permanentes de l'ouest des USA (Garcia et al., 2005) Exemple de données brutes

Positionnement et surveillance des volcans Piton de la Fournaise (Réunion) – Eruption du 15 Novembre 2002

Tomographie du panache du volcan Miyake-jima (Japon) à partir de mesures GPS Houlié et al., 2005

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

GPS pratique Mise en station d’une 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

Le format d’échange RINEX

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 1329342.594 9 1026373.75847 22277008.160 22277007.7894 22277011.0384 1834950.661 8 1421633.15844 23147469.430 23147468.7524 23147473.8164 -4462688.313 9 -3463595.68947 21899335.057 21899335.1354 21899337.9724 -15603.429 9 -15161.92448 20574236.462 20574235.8834 20574238.9314 -951334.515 9 -724492.49748 20512892.749 20512891.9204 20512895.3934 -3193747.671 8 -2474176.16345 24422357.704 24422356.5654 24422358.2034 04 10 22 7 45 30.0000000 0 8G28G29G27G17G26G08G10G21 -0.000000043 -4509905.222 9 -3499976.24647 22505568.425 22505567.8104 22505569.9704 -3850993.390 9 -2989385.17448 21659780.155 21659780.1964 21659782.7444 1399582.904 9 1081106.42247 22290374.057 22290373.9654 22290377.4424 1920959.550 8 1488653.02644 23163836.488 23163835.7384 23163840.7564 -4543282.735 9 -3526396.54447 21883998.361 21883998.5334 21884001.3694 24401.826 9 16010.99448 20581849.148 20581848.6434 20581851.7154 -933594.407 9 -710669.07348 20516268.608 20516267.8134 20516271.2774 -3241309.533 8 -2511237.32545 24413306.501 24413305.7304 24413307.4824 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

Les chantiers GPS des équipes françaises

Parc GPS INSU (http://gpscope.fr)

Bilan d’utilisation Parc mobile (création 1990) Campagnes 35 récepteurs (+3 par an en moyenne) Utilisation 250j/an hors maintenance Campagnes 3 à 8 semaines, 2 à 12 unités/prêt 217 campagnes répertoriées fin 2006 Partenariats techniques et échanges de matériel IGN, CNES, CEA, IRD, IRSN, EDF Stations INSU fixes hors RENAG 70 stations permanentes Principales applications Tectonique, volcans, géomorphologie Météorologie Glaciologie, océanographie Mouvements verticaux, surcharges

Publications des laboratoires utilisateurs de GPS en France

Evolutions et demandes actuelles Technique Nouvelles constellations: Glonass, Galileo Miniaturisation des équipements, coûts et consommation en baisse, capacité mémoire en hausse Algorithmes encore en développement Scientifique Nouvelles applications en glaciologie, hydrologie, surcharges, océanographie, instruments embarqués GPS haute fréquence Expérimentale Demande de temps réel et télémétrie Couplage de capteurs Accéléromètres, capteurs météo, balises ARGOS) Opérationnelle Interventions (post-sismique)