Des observatoires aux satellites Le système GPS

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1 Des observatoires aux satellites Le système GPS
3 Octobre 2007

2 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

3 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

4 Ouvrage de référence sur GPS

5 Des réseaux à toutes les échelles

6 Développement de réseaux nationaux denses
SAPOS TERIA

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 Orbites et système de référence

15 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

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

17 IGS: Orbites précises

18 Le système de référence ITRF2000

19 ITRF2000: Coordonnées de stations

20 IGS: Paramètres de rotation de la Terre

21 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)

22 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

23 Les vitesses des plaques vues par GPS

24 Exemples de séries temporelles

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

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

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

28 Accélération du sol possible lors de séismes
Global seismic hazard map (Giardini et al., 1999)

29 Vitesses GPS en Grèce Hollenstein et al., 2007

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

31 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

32 EUREF : le réseau

33 EUREF données et produits

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

35 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

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

37 Mouvements tectoniques verticaux intersismiques
El-Fiky, Tectonophysics, 2006

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

39 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

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

41 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

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

43 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

44 Residuals de délais zénithaux (3 Octobre 2007, 09:00TU)
Isotherme 0° Anomalie de délais zénithaux (m) Source : Meteo France ( Source: IGN-RGP (

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

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

47 Fort événement pluvieux

48 Evolution de l’anomalie de vapeur d’eau intégrée

49 Comparison IWV et précipitations mesurées par radar à Nimes

50 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

51 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)

52 Cartographie temps réel de l’ionosphère par GPS

53 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

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

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

56 Sites web relatifs au GPS géodynamique
Séries temporelles calculées par JPL Séries temporelles disponibles à UNAVCO: IGS EUREF SOPAC

57 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

58 Le format d’échange RINEX

59 Exemple de fichier RINEX
OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE ASHTORIN OCT :51 PGM / RUN BY / DATE COMMENT AUX MARKER NAME MARKER NUMBER F_P OBSERVER / AGENCY ASHTECH Z-XII CD D REC # / TYPE / VERS ANT # / TYPE APPROX POSITION XYZ ANTENNA: DELTA H/E/N WAVELENGTH FACT L1/2 7 L1 L2 C1 P1 P2 D1 D # / 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 OCT :51 PGM / RUN BY / DATE COMMENT ???? MARKER NAME MARKER NUMBER OBSERVER / AGENCY ASHTECH UZ ZB A REC # / TYPE / VERS ANT # / TYPE APPROX POSITION XYZ ANTENNA: DELTA H/E/N WAVELENGTH FACT L1/2 7 L1 L2 C1 P1 P2 D1 D # / TYPES OF OBSERV INTERVAL LEAP SECONDS GPS TIME OF FIRST OBS GPS TIME OF LAST OBS END OF HEADER G08G27G26G28G10G29G G08G27G26G28G10G29G

60 Les chantiers GPS des équipes françaises

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

62 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

63 Publications des laboratoires utilisateurs de GPS en France

64 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)