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Des observatoires aux satellites 26 Septembre 2007

Des observatoires aux satellites 26 Septembre 2007

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Page 1: Des observatoires aux satellites 26 Septembre 2007

Des observatoires aux satellites

26 Septembre 2007

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Des Observatoires aux Satellites

• Les satellites jouent un rôle croissant dans la connaissance de la Terre et la compréhension des phénomènes qui s’y 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 l’imagerie

• L’Observation sol couplée à l’observation depuis les satellites est fondamentale

• Le cours aborde les sujets suivants:– L’instrumentation d’Observatoire (sol et espace)– Mesure sol et espace des déformations du sol et des variations de

pesanteur– Interférométrie radar et corrélation d’images optiques

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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 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

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Des observatoires aux satellitesLe système GPS

26 Septembre 2007

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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

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Les récepteurs GPS

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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

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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

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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

Replique du signal PRN Replique du signal PRN générée par le récepteurgénérée par le récepteur

Signal PRN Signal PRN reçu du satellitereçu du satellite

CorrélateurCorrélateur

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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

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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. porteuseSPS Freq. porteuse(uniforme)(uniforme)

Bruit pseudo-aléatoireBruit pseudo-aléatoire(PRN)(PRN)

Données Données @ 50Hz@ 50Hz

PPS Freq. porteuse.PPS Freq. porteuse.(uniforme)(uniforme)

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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

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Ouvrage de référence sur GPS

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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

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

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IGS: Orbites précises

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Le système de référence ITRF2000

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IGS: Paramètres de rotation de la Terre

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Les vitesses des plaques vues par GPS

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Exemples de séries temporelles

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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 l’ensemble du volume

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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/

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EUREF : le réseau

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EUREF données et produits

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Séries temporelles GPS stations FCLZ,

GRAS, MODA, SJDV

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Vitesses à 64 sites d’Europe de l’Ouest (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).

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Les chantiers GPS des équipes françaises

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

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Golfe de Corinthe: objectifs• Connaître

– Les mouvements verticaux

– L’évolution temporelle (transitoires)

• Comprendre– Le passage d’une 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 d’évolution (intégrant les observations disponibles de structure, rhéologie et cinématique)

Inclinaison anormale 1 heure avant un micro-séisme 3/12/02, Bernard et al., 2004

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La Méditerranée: une zone de déformation complexe

Sismicité 1967-2003 (USGS)

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La frontière de plaques Afrique - Europe

Mc Clusky et al., 2003 Calais et al., 2003

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Vitesss GPS en Grèce et alentours

Mc. Clusky et al., 2000

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Sismicité et déformation sont distibués

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Mécanismes au foyer des séismes

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Diverses zones de déformation localisée

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Deformation due au séisme du 15/06/1995

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Réseaux GPS en Grèce

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Vitesses GPS en Grèce

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Vitesses en Grèce centrale

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Major earthquakes in the Gulf Corinth in the last 50 years

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Réseaux GPS dans le Golfe de Corinthe

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Mesures 1990-2001

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Extension du rift de Corinthe (1990-2001)

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Les mesures GPS montrent l’existence de rotations de blocs « rigides »

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Observations GPS permanentes

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Observations GPS permanentes

o

o

ooo

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Quelques autres applications de GPS en bref

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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)

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GPS en continu au début de l’éruption de Novembre 2002

Vendredi 15 Novembre 2002

36664.92

36664.94

36664.96

36664.98

36665

36665.02

36665.04

36665.06

36665.08

00:00:00 03:00:00 06:00:00 09:00:00 12:00:00 15:00:00 18:00:00 21:00:00 00:00:00

Heure

Met

res

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

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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

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Le format d’échange RINEX

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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

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La compression des données

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Le système de référence ITRF2000

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ITRF 2000: les stations de référence

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ITRF2000: Coordonnées de stations

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Les fichiers d’orbites