Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007.
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Des observatoires aux satellitesLe 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
TERIA
SAPOS
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
• 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
Réplique du signal PRN générée par le récepteur
Signal PRN reçu du satellite
Corrélateur
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
• 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
SPS Freq. porteuseSPS Freq. porteuse(uniforme)(uniforme)
Bruit pseudo-aléatoireBruit pseudo-aléatoire(PRN)(PRN)
Données Données @ 50Hz@ 50Hz
PPS Freq. porteuse.PPS Freq. porteuse.(uniforme)(uniforme)
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 Reference station at known locationat known location
Remote receiverRemote receiver
Correction factors Correction factors transmitted to remote transmitted to remote receiver via radio receiver via radio frequencyfrequency
SV position SV position data received data received by reference by reference stationstation
SV position SV position data received data received by remote by remote receiverreceiver
Remote receiver Remote receiver position modified position modified by correction by correction factorsfactors
Correction Correction factors factors computed from computed from position errorsposition errors
Orbites et système de référence
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 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
Station de contôleStation de contôle UtilisateurUtilisateur
CorrectionsCorrections
(x,y,z,t)(x,y,z,t)ii(x,y,z,t)(x,y,z,t)ii
+ Corrections+ Corrections
SVSVii
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
IERS – Solution C04
Les boucles, bien visibles fin 2005, sont interprétées comme des forçages liées à des événements météorologiques
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
Mc Clusky et al., 2003
Calais et al., 2003
Vitesses GPS en Méditerranée orientale
Reilinger et al., JGR, 111, 2006
Mécanismes au foyer, catalogue Harward 1976-2005
Vitesses GPS (référentiel Eurasie)
Global seismic hazard map (Giardini et al., 1999) http://seismo.ethz.ch/gshap/
Accélération du sol possible lors de séismes
Vitesses GPS en Grèce
Hollenstein et al., 2007
Deformation co-sismiques (séisme d’Aigion, 15/06/95)
Briole et al., JGR, 2000Armijo et al., 1996
Tectonique de l’Europe de l’Ouest
Nocquet et al., 2003
Tesauro et al., 2006
- 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
Bouée GPS pour le suivi du niveau des océans (CNRS-IPGP)
Marégraphe et station GPS de Marseille
Sismologie GPS
Séisme de Denali, Bock, 2004
GPS mesure directement des déplacements et ne sature pasMais il est bien moins sensible qu’un sismomètre ou qu’un accéléromètre
Séisme de San Siméon du 22/12/2003, Wang et al., BSSA, 2007
Mesure et modélisation du séisme de Sumatra 2004
Kreemer et al., Earth Planets Space, 58, 2006
Vigny et al., Nature, 2005
Font d‘onde (forme théorique)Vitesse approx. 4 – 4.5 km/s
Direction de propagation (approx.)
Particle motion
Kitzingen
Wettzell
Passage de l’onde de Lowe produite par le séisme de Sumatra (26/12/04)
Variations de la composante N-S du vecteur KITZ-WETT
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)
Source: IGN-RGP (http://rgp.ign.fr) Source : Meteo France (http://www.previmeteo.com/)
Anomalie de délais zénithaux (m) Isotherme 0°
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
Haase et al., 2004, projet MAGIC
Contribution du GPS à la prévision
météorologique
Ecarts ZTD – Radiosondages (Haase et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 42, 2003)
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://iono.jpl.nasa.gov/ http://rgp.ign.fr
Positionnement et suivi de l’ionosphère
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)
-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
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• 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
Les chantiers GPS des équipes françaises
Parc GPS INSU (http://gpscope.fr)
Bilan d’utilisation
• Parc mobile (création 1990)– 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)