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Des observatoires aux satellites. 26 Septembre 2007. 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
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Des observatoires aux satellites 26 Septembre 2007
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
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
Des observatoires aux satellitesLe système GPS 26 Septembre 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
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 • 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 générée par le récepteur 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 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. porteuse (uniforme) Bruit pseudo-aléatoire (PRN) Données @ 50Hz PPS Freq. porteuse. (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 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
Corrections (x,y,z,t)i + Corrections (x,y,z,t)i Le segment de contrôle SVi Utilisateur Station de contôle • 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
Déformations « silencieuses » mesurées par GPS Ces déformations peuvent se produite sur des failles ou concerner l’ensemble du volume Transitoires de déformation mesurés par GPS aux Cascades (USA) (Miller et al., 2002)
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/
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).
Résultats des campagnes GPS dans le Golfe de Corinthe (Grèce)
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
La Méditerranée: une zone de déformation complexe Sismicité 1967-2003 (USGS)
La frontière de plaques Afrique - Europe Mc Clusky et al., 2003 Calais et al., 2003
Vitesss GPS en Grèce et alentours Mc. Clusky et al., 2000
Les mesures GPS montrent l’existence de rotations de blocs « rigides »
o o o o o Observations GPS permanentes
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)
Tomographie du panache du volcan Miyake-jima (Japon) à partir de mesures GPS