64
Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Des observatoires aux satellitesLe système GPS

3 Octobre 2007

Page 2: 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

Page 3: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 4: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Ouvrage de référence sur GPS

Page 5: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Des réseaux à toutes les échelles

Page 6: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Développement de réseaux nationaux denses

TERIA

SAPOS

Page 7: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 8: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 9: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 10: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 11: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 12: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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)

Page 13: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 14: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Orbites et système de référence

Page 15: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 16: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 17: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

IGS: Orbites précises

Page 18: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Le système de référence ITRF2000

Page 19: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

ITRF2000: Coordonnées de stations

Page 20: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

IGS: Paramètres de rotation de la Terre

Page 21: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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)

Page 22: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 23: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Les vitesses des plaques vues par GPS

Page 24: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Exemples de séries temporelles

Page 25: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

La Méditerranée: une zone de déformation complexe

Sismicité 1967-2003 (USGS)

Page 26: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Détermination du pôle de rotation des plaques et comparaison vitesses GPS et

long terme

Mc Clusky et al., 2003

Calais et al., 2003

Page 27: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Vitesses GPS en Méditerranée orientale

Reilinger et al., JGR, 111, 2006

Mécanismes au foyer, catalogue Harward 1976-2005

Vitesses GPS (référentiel Eurasie)

Page 28: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Global seismic hazard map (Giardini et al., 1999) http://seismo.ethz.ch/gshap/

Accélération du sol possible lors de séismes

Page 29: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Vitesses GPS en Grèce

Hollenstein et al., 2007

Page 30: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Deformation co-sismiques (séisme d’Aigion, 15/06/95)

Briole et al., JGR, 2000Armijo et al., 1996

Page 31: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 32: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

EUREF : le réseau

Page 33: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

EUREF données et produits

Page 34: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Séries temporelles GPS stations FCLZ,

GRAS, MODA, SJDV

Page 35: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 36: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Rebond post-glaciaire en Antarctique

Plate kinematics and deformation status of the Antarctic Peninsula based on GPS(Dietrich, Global and Planetary Change, 42, 2004)

Page 37: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Mouvements tectoniques verticaux intersismiques

El-Fiky, Tectonophysics, 2006

Page 38: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Positionnement et niveau des mers

Bouée GPS pour le suivi du niveau des océans (CNRS-IPGP)

Marégraphe et station GPS de Marseille

Page 39: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 40: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Mesure et modélisation du séisme de Sumatra 2004

Kreemer et al., Earth Planets Space, 58, 2006

Vigny et al., Nature, 2005

Page 41: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 42: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

“Sismogramme GPS”

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

Page 43: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 44: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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°

Page 45: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Comparison de ZTD estimé par GPS et profils de radiosondages

Haase et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 42, 2003

Page 46: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Comparison of ZWD measured by

GPS, VLBI and WVR

Ichikawa et al., 2006

Page 47: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Fort événement pluvieux

Page 48: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Evolution de l’anomalie de vapeur d’eau intégrée

Page 49: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Comparison IWV et précipitations mesurées par radar à Nimes

Page 50: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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)

Page 51: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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)

Page 52: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Cartographie temps réel de l’ionosphère

par GPS

http://iono.jpl.nasa.gov/ http://rgp.ign.fr

Page 53: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 54: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Positionnement et surveillance des volcans

Piton de la Fournaise (Réunion) – Eruption du 15 Novembre 2002

Page 55: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Houlié et al., 2005

Page 56: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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/

Page 57: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 58: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Le format d’échange RINEX

Page 59: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 60: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Les chantiers GPS des équipes françaises

Page 61: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 62: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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

Page 63: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

Publications des laboratoires utilisateurs de GPS en France

Page 64: Des observatoires aux satellites Le système GPS 3 Octobre 2007

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)