1

Groupe de Recherche de Géodésie Spatiale Bureau des Longitudes Centre National d’Etudes Spatiales Observatoire de Paris Institut Géographique National Institut National des Sciences de l’Univers Observatoire de la Côte d’Azur Service Hydrographique et Océanographique de la Marine Observatoire Midi-Pyrénées Université de Polynésie Française

Rapport d’Activité 2003 - 2006

Avril 2007

Présenté par

Nicole CAPITAINE

Présidente du Conseil Scientifique

Michel KASSER

Directeur Exécutif

2

Réalisation technique : Christine Julienne (GEMINI, OCA)

3

SOMMAIRE

Rédacteurs

Avant-propos

A - DONNÉES ADMINISTRATIVES

M. Kasser, N. Capitaine

B - EXPÉRIENCES ET TRAVAUX

1. TÉLÉMÉTRIE LASER 1.1. Station laser ultra-mobile (FTLRS)

1.2. Stations laser fixes

1.3. T2000 et projets

1.4 Analyse des données laser-Lune

F. Pierron

F. Pierron, E. Samain, G. Barruol

P. Exertier

G. Francou

2. MÉCANIQUE ORBITALE ET CHAMP DE GRAVITE DE LA TERRE 2.1. Méthodes de mécanique orbitale

2.2. Champ de gravité de la Terre (CHAMP, GRACE, GOCE)

2.3. Gravimétrie et Bureau Gravimétrique International

F. Deleflie, J.-C. Marty

R. Biancale

J.P. Barriot/R. Biancale

3. SYSTÈMES DE RÉFÉRENCE 3.1. Systèmes de référence et IERS

3.1.1. Système céleste

3.1.2. Rotation de la Terre

3.1.3. Repère international de référence terrestre (ITRF)

3.1.4. Centre de combinaison

3.1.5. Systèmes de référence et rotation de la Terre : théorie

3.2. Apport des mesures géodésiques

3.2.1. DORIS

3.2.2. Laser

3.2.3. GPS/Galileo

3.2.4. VLBI

3.2.5. Marégraphie

3.2.6 Gravimétrie

J. Souchay

D. Gambis

Z. Altamimi

D. Gambis

N. Capitaine

P. Willis

P. Exertier

F. Perosanz

A.M. Gontier

G. Woppelmann

M.-F. Lalancette

4. OCÉANS, HYDROLOGIE GLOBALE 4.1. Altimétrie spatiale

4.1.1. variations du niveau des océans

4.1.2. Etalonnages

4.1.3. Hydrologie spatiale

4.2. Phénomènes côtiers

4.3. Glaces

A. Cazenave

P. Bonnefond

A. Cazenave, J.-F. Cretaux

B. Simon

F. Rémy

5. GEODESIE PLANETAIRE

4

5.1. Champ de Gravité Martien

5.2. Missions planétaires

5.5 Relativité

J.-C. Marty

J.-P. Barriot

S. Pireaux

6. PHYSIQUE FONDAMENTALE 6.1. Test du principe d’équivalence

6.2. Transfert de temps par lien laser

G. Métris

E. Samain

C – AUTRES ACTIVITES GRGS

1. . Ecole d’été du GRGS 2. Réunions ouvertse du conseil scientifique

3. Thèses préparées au sein du GRGS pendant la période 2003-2006

ANNEXE : liste et coordonnées du personnel GRGS

5

Le Groupe de Recherches en Géodésie Spatiale (GRGS), fondé en 1971, fonctionne actuellement selon un protocole signé en 2004 entre les neuf organismes suivants : Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), Institut Géographique National (IGN), Observatoire de Paris (OP), Observatoire de la Côte d'Azur (OCA), Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM), Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Université de Polynésie Française (UPF), Bureau des Longitudes (BdL) et Institut National des Sciences de l’Univers (INSU/CNRS).

Le but du GRGS est de fédérer les activités de géodésie spatiale en France et développer les coopérations internationales dans ce domaine. Selon la charte d’organisation du GRGS, le Directeur Exécutif dispose d'un Bureau Exécutif chargé de préciser la mise en œuvre matérielle des décisions du Comité Directeur (constitué par les Directeurs ou Présidents des organismes qui compsoent le GRGS) et d’un Conseil Scientifique. Ce dernier est chargé de coordonner l'ensemble des activités scientifiques du GRGS. Le fonctionnement du GRGS comprend une réunion annuelle des conseils et la présentation des activités lors de réunions, telles que celle de la section 1 du CNFGG. La partie A de ce rapport donne la composition de ces conseils et fournit des éléments d’information sur le personnel et le budget 2005 du GRGS. La liste complète du personnel est donnée en Annexe

Les activités du GRGS, résumées dans la partie B de ce rapport, résultent de coopérations entre les équipes suivantes : équipe de Géodésie spatiale du CNES, Laboratoire de recherches en géodésie (LAREG) de l’IGN, Département SYRTE (UMR8630) de l’Observatoire de Paris, Département GEMINI (UMR 6203) de l’OCA, Laboratoires « Géodésie-géophysique » et « Océanographie » du SHOM, Départements LEGOS (UMR 5566) et DTP (UMR 5562) de l’OMP et Observatoire Géodésique de Tahiti de l’UPF. Le présent rapport d’activités est présenté par thèmes scientifiques impliquant plusieurs équipes du GRGS et comporte des contributions à la géodésie spatiale au niveau des observations, du traitement de données, de la modélisation et de la théorie.

La partie C du rapport présente les autres activités telles que écoles d’été, réunions ouvertes du Conseil Scientifique et thèses préparées au sein du GRGS.

Suivant le cycle établi depuis plusieurs années, le rapport 2006 expose les travaux effectués pendant la période 2003-2006 dans les divers domaines d'activités du GRGS, tandis que les rapports établis de 2003 à 2005 se limitaient aux faits nouveaux, marquants de l’année, ne citant que les nouvelles publications. Un effort de synthèse a été demandé aux équipes de façon à pouvoir mettre en ligne ce document sur le site web du GRGS. Ce rapport d’activités doit servr de base à l’ examen par le Groupe d'évaluation scientifique prévu à l’automne 2007.

Les travaux et les expériences en cours décrites dans le présent rapport seront examinés par le Conseil Scientifique du GRGS lors de sa réunion annuelle en 2007. Ce Conseil discutera également de la prospective et des avancées scientifiques pouvant concerner directement ou indirectement le GRGS.

L’équipe de direction N. Capitaine, M. Kasser

AVANT-PROPOS

6

7

TABLE DES MATIERES Pages

AVANT PROPOS

A - DONNEES ADMINISTRATIVES

B - EXPERIENCES ET TRAVAUX

1 - TELEMETRIE LASER

1.1. Station laser ultra mobile (FTLRS)

1.2. Stations laser fixes

1.3. T2000 et projets

1.4. Analyse des données laser-Lune

19

23

29

2 - MECANIQUE ORBITALE ET CHAMP DE GRAVITE DE LA TERRE

2.1. Méthodes de mécanique orbitale

2.2. Champ de gravité de la Terre (CHAMP, GRACE, GOCE)

2.3. Gravimétrie et Bureau Gravimétrique International (BGI)

35

39

45

3 - SYSTEMES DE REFERENCE 3.1. Systèmes de Référence et IERS

3.1.1. Système céleste

3.1.2. Rotation de la Terre

3.1.3. Repère international de référence de référence terrestre (ITRF)

3.1.4. Centre de combinaison

3.1.5 Systèmes de référence et rotation de la Terre : théorie

3.2. Apport des mesures géodésiques

3.2.1. DORIS

3.2.2. Laser

3.2.3. GPS/Galileo

3.2.4. VLBI

3.2.5. Marégraphie

3.2.6. Gravimétrie

51

51

52

53

54

55

59

67

69

73

75

79

4 – OCEANS, HYDROLOGIE GLOBALE

4.1. Altimétrie spatiale

4.1.1. Variation du niveau des océans

4.1.2. Etalonnages

4.1.3. Hydrologie spatiale

4.2. Phénomènes côtiers

4.3. Glaces

83

87

91

97

101

8

5 –GEODESIE PLANETAIRE

5.1. Champ de gravité Martien

5.2. Missions planétaires

5.3 Relativité

107

111

6 - PHYSIQUE FONDAMENTALE

6.1. Test du principe d’équivalence

6.2. Transfert de temps par lien laser

115

117

C – AUTRES ACTIVITES GRGS

1. . Ecole d’été du GRGS 2. Réunions ouvertse du conseil scientifique

3. Thèses préparées au sein du GRGS pendant la période 2003-2006

ANNEXE

Liste et coordonnées du personnel GRGS

123

9

10

A - DONNEES ADMINISTRATIVES

11

12

1. Organismes membres Bureau des Longitudes : BdL

Centre National d’Etudes Spatiales : CNES

Observatoire de Paris : OP

Institut Géographique National : IGN

Institut National des Sciences de l’Univers : INSU

Observatoire de la Côte d’Azur : OCA

Service Hydrographique et Océanographique de la Marine : SHOM

Observatoire Midi-Pyrénées : OMP

Université de Polynésie Française UPF

2. Comité Directeur

2.1. Membres des organismes F. Barlier : Président, BdL

Y. D’Escatha : Président Directeur Général, CNES

D. Egret : Président, OP

M. Washenheim : Directeur Général, IGN

D. Le Quéau : Directeur, INSU

J. Colin : Directeur, OCA

G. Bessero : Directeur, SHOM

B. Dupré : Directeur, OMP

L. Peltzer : Présidente de l'Université de Polynésie Française

2.2. Membres de droit M. Kasser : Directeur Exécutif, GRGS

N. Capitaine : Président du Conseil, GRGS

ORGANISMES MEMBRES, COMITE

DIRECTEUR et STRUCTURE A la dsate du rapport

13

3. Bureau Exécutif Directeur Exécutif M. KASSER

Président du Conseil du GRGS N. CAPITAINE

GRGS/BdL N. CAPITAINE

GRGS/CNES R. BIANCALE

GRGS/OP D. GAMBIS

GRGS/IGN O. JAMET

GRGS/OCA P. EXERTIER

GRGS/SHOM M.F. LALANCETTE

GRGS/OMP J.F. CRETAUX

GRGS/UPF J.P. BARRIOT

4. Conseil Président N. CAPITAINE

4.1. Membres BdL : N. CAPITAINE*

CNES S. HOSFORD

R. BIANCALE

J.F. CRETAUX*

OP : D. GAMBIS*

A.M. GONTIER

IGN : O. JAMET*

Z. ALTAMIMI

INSU : B. GOFFE

OCA : P. EXERTIER*

E. SAMAIN

SHOM : M.F. LALANCETTE *

L. PINEAU-GUILLOU

OMP : Y. DU PENHOAT

A. BRIAIS

4.2. Membres de droit Directeur Exécutif M. KASSER*

4.3. Membres extérieurs : P. CHARLOT (Observatoire de Bordeaux)

* membres du Bureau Exécutif

14

5. Groupe d’Evaluation Scientifique

Le GES est constitué de personnalités scientifiques choisies par le Comité Directeur et des représentants des sections du CNRS concernées par les activités du GRGS.

5.1. Personnalités scientifiques extérieures F. Mignard (OCA)

C. Sotin (Univ. de Bretagne Sud, Nantes)

V. Dehant (Observatoire Royal de Belgique, Bruxelles)

G. Beutler (Institut d'Astronomie, Univ. de Berne)

5.2. Représentants d’instances nationales d’évaluation Représentants des Sections 17, 18 et 19 du CNRS en cours de désignation par ces sections pour l’évaluation quadriennale prévue en 2007.

6. Budget et personnel 6.1. Budget

Le CNES met annuellement en place, pour le GRGS, des crédits dans le cadre d’une convention passée avec l’INSU.

Les crédits se décomposent comme suit (HT) pour 2005:

2005

- Matériel :

- Vacations :

- Missions :

117 500 k•

17 500 k•¤

82 100 k•¤

Total : 217 100 k•

6.2. Personnel Le personnel mis à disposition du GRGS, à temps complet ou partiel, s’élevait, fin 2005, à 91 personnes. Le tableau ci-après détaille la répartition par organisme et qualification.

Organisme

Qualification

CNES

OMP

OP/SYRTE

IGN

OCA

SHOM

UPF

Total

Chercheurs 8 6 10 7 5 8 2 46

Ingénieurs, Tech. 2 5 3 2 14 0 2 28

Administratifs 1 1 1 1 0 4

Thésards 2 4 1 3 2 1 13

Total 13 15 15 13 22 9 4 91

Les personnels des équipes GRGS ont été redéfinis à l'occasion du nouveau protocole d'accord sur le GRGS signé par les divers partenaires le 26-01-2004 et la liste est mise à jour annuellement par le Bureau exécutif.

15

B - EXPERIENCES ET TRAVAUX

16

17

1. TELEMETRIE LASER

1.1. Station laser ultra-mobile (FTLRS)

1.2. station laser fixes

1.3. T2000 et projets

1.4. Analyse des données Laser-Lune

18

19

Introduction La Station Laser Ultra Mobile (ou FTLRS pour French Transportable Laser Ranging Station) est la plus petite station de télémétrie laser opérationnelle au monde (300 kg).

Développée par l’OCA en 1994/96 en collaboration avec le CNES, l’IGN et l’INSU, cette station est destinée à l’installation rapide pour des campagnes limitées dans le temps en des sites appropriés pour des observations géodésiques, pour répondre à des besoins de mesures sur des sites isolés. Elle a plus particulièrement été développée pour participer aux expériences de validation des orbites et d’étalonnage des altimètres embarqués (CAL/VAL) sur des satellites océanographiques tels que TOPEX/POSEIDON, JASON-1, ERS et ENVISAT et à des expériences de co-localisations géodésiques, i.e. avec d’autres stations laser ou d’autres techniques (GPS, DORIS, GLONASS, VLBI, PRARE, gravimétrie absolue). Cette station permet donc de répondre aux besoins spécifiques de projets scientifiques. Les programmes de recherches associés à cet instrument ont donc essentiellement rapport avec l’orbitographie et le positionnement de très haute précision.

Cette station prototype a été utilisée lors de différentes campagnes dont trois de 6 mois en Corse (1996, 2002 et 2005) une en Crête en 2003 dans le cadre d’un projet Européen Gavdos et à Brest pendant deux mois en 2004 en soutien d’un projet du GDR G2.

Campagne en Crête (avril-septembre 2003) : Cette campagne destinée à compléter par des mesures laser un site d’étalonnage multitechnique Jason/Topex sur une petite île au sud de la Crête s’est déroulée d’Avril à Septembre 2003.

Le contrat Européen obtenu par une demande commune à de nombreux organismes dont le laboratoire d’accueil à l’université technologique de Crête à Chania, a permis de financer complètement cette campagne (missions et déplacement des observateurs et ingénieurs, maintenance,

préparation de la station).

Environ une dizaine de personnes de l’OCA ont été impliqués dans cette opération qui voyait la station mobile sortir de France pour la première fois avec toutes les difficultés logistiques que l’on connaît.

L’opération s’est déroulée nominalement, les résultats ont été traités et exploités par notre équipe scientifique de Grasse et d’autres groupes similaires étrangers ( Nasa au GSFC) Le positionnement se situe au niveau de quelques millimètres et plusieurs passages de Jason1 observés lors du survol du site de Gavdos ont permis d’améliorer l’orbite de façon significative

1.1. STATION LASER ULTRA MOBILE (FTLRS)

Fig 1 : Laser Mobile en opération en

������������

�������������� ��� ���� ���������������������

Figure 2 : Passage du satellite Jason1 au voisinage de la Crête et de la station Laser Ultra MobileLaser Mobile à Chania

20

et donc de contribuer à fixer le biais des altimètres radar..

San Fernando (Juin 2004) : Dans le cadre d’une collaboration de longue date avec l’observatoire de San-Fernando en Espagne ( Andalousie prés de Cadiz ), nous avons monté cette opération avec nos collègues à l’occasion de la tenue d’un important colloque/Workshop rassemblant toute la communauté « laser » au mois de juin 2004.

Cette campagne d’un mois avait donc un but double :

Colocalisation Tout d’abord une colocalisation de notre station avec le système permanent en place dans l’observatoire depuis de longues années afin d’inter-comparer les résultats en télémétrant simultanément les mêmes cibles. Cette méthode est le procédé le plus puissant pour fixer d’éventuels biais de mesure.

Observations :

- 204 passages (4077 points normaux) en 21 jour d’observations

- Budget opérations laser ~ 12 Keuros ( CNRS/GRGS)

« 14 th International Laser Ranging Workshop » Plusieurs exposés furent présentés au cours du colloque tant sur les résultats de la précédente campagne en Crête que sur les développements technologiques en cours pour améliorer les performances et l’exactitude de la station..

Ensuite il était prévu dans l’organisation du « 14 th International Laser Ranging Workhop » rassemblant environ 200 spécialistes mondiaux de cette technique laser, de présenter à cette communauté notre station mobile tout à fait originale, aux performances aujourd’hui reconnue et à la technologie éprouvée.

De nombreux collègues ont pu voir la station en réelle opération durant cette semaine et en particulier le troisième jour du colloque ou une soirée était prévue pour effectuer la visite de l’observatoire et des deux stations en colocalisation

avec cet instrument.

Brest (Septembre/Octobre 2004) : Participation au projet géophysique surcharges océaniques dans le cadre du GDR G2

Ce projet concerne la mise en place de récepteurs GPS, de gravimètres relatifs et absolu, d’inclinomètres et de la station laser ultra mobile sur une région "test", pour l’étude des surcharges océaniques. L’étude du même phénomène, en utilisant différents moyens d’observation, installés sur la même zone et pendant une période commune est très intéressante scientifiquement. Pour cela, la région qui s’étend de la pointe Bretagne jusqu’au Nord du Cotentin a été sélectionnée : les marées océaniques y sont plus fortes qu’ailleurs

Figure 4. Ftlrs-Soirée Workshop-juin 2004

Figure 3. La station Mobile à San Fernando

21

en Europe, et la complexité de l’hydrodynamisme local en fait une région riche pour l’étude des surcharges.

En dépit d’une météorologie vraiment capricieuse et d’un ciel souvent nuageux , les équipes d’observation sur place réussirent grâce à un effort soutenu 24h/24 à effectuer plus de 200 passages avec une forte priorité sur Jason1, Starlette, Stella et Lageos.

Installé dans l’enceinte de l’EPSHOM à Brest, ou l’accueil et la collaborations ont été excellents, la station a très bien fonctionné durant ces deux mois sans incidents techniques majeurs. Grâce à une connexion réseau efficace et fiable les données ont été transmises quotidiennement à l’ILRS comme dans toutes les campagnes et à titre de démonstration, quelques passages on été réalisés entièrement à distance depuis Grasse.

- 203 passages (3090 points normaux) en 45 jours d’observations

- Budget opérations laser ~ 14 Keuros ( GDR, BQR OCA)

- Personnels impliqués : 9

Ajaccio projet Calval Jason1 (mai- octobre 2005) : En 2005, la station Laser Ultra Mobile a effectué une campagne sur le site d’Ajaccio pour la troisième fois (1996, 2002 pour les occupations précédentes). Ce déplacement s’insère dans le cadre scientifique de l’étalonnage de l’altimètre Jason1 avec l’utilisation sur site d’une instrumentation en place depuis quelques années déjà ( GPS, marégraphes..)

Les opérations ont débuté en mai 2005 pour s’achever le 26 octobre avec donc une présence permanente d’un équipe de deux personnes sur place pour assurer 24h/24 et 7 jours/7 les

observations sur les neufs satellites sélectionnés pour ce projet.

Pour définir les priorités de « tracking », deux groupes sont considérés : les satellites purement géodésiques ( Lageos1&2, starlette et Stella) et les satellites océanographiques ( Jason1 et Topex, Envisat et Ers2 et Gfo1 spécifiquement pour améliorer la couverture lors de la période cycloniques sur la Floride). Le premier groupe est utilisé dans les traitements scientifiques pour effectuer le positionnement de la station dans le système de référence avec une très grande précision ( quelques millimètres) et le deuxième pour soutenir les projets associés comme la calibration de l’altimètre Jason1. De plus la station a permis lors des incidents sur l’émetteur Jason du 21 septembre 2005 de confirmer avec quelques autres partenaires de l’ILRS, l’attitude du satellite en absence complète de lien radio permettant ainsi un diagnostique et un retour à la normal quelques jours plus tard.

Le bilan en terme d’observations sur 5 mois et demi est le meilleur obtenu pour une telle campagne avec 1719 passages observés et plus de 30 000 points normaux envoyés à l’ILRS.

Le traitement scientifique des données (P. Bonnefond, P.Berio, P.Exertier) a permis d’obtenir une solution de positionnement très homogène avec 2002 et indiquant un biais de la station en diminution ( < quelques mm en moyenne).

Fig 6 : La station Laser ultra Mobile-Ajaccio

Figure 5. Ftlrs à Brest octobre 2004

22

Fig 7 :Répartition sur le ciel des données Jason1

Sur les 17 passages ( tous les 10 jours) de survol sur le point de calibration au cap de Senetosa durant cette période, 10 ont été bien observés avec en particulier des mesures laser sur Jason simultanées avec l’altimètre à l’aplomb de ce point et donc une amélioration locale de l’orbite très significative.

En ce qui concerne les problèmes techniques, deux semaines seulement sur le total ont été perdues suite à une panne laser en raison des très fortes chaleur de début Août.

Au niveau opérations, on peut ici souligner la performance et le professionnalisme de nos collègues ayant participé aux opérations sur place par équipe de deux avec une astreinte permanente et très lourde durant ces missions.

Construction du laboratoire au Calern Les années 2005-2006 ont vu le démarrage effectif et la réalisation sur le plateau de Calern de la construction/rénovation des bâtiments laser dans le cadre de l’opération T2000. Cette grosse opération, programmée et étudiée depuis plusieurs années vise à conserver à l’observatoire deux systèmes de télémétrie Laser :

- la station MEO (ancien Laser Lune) rénovée, adaptée et modifiée pour pouvoir assurer la poursuite des satellites de 800 km aux cibles interplanétaires

- la station Laser Ultra Mobile installée hors périodes mission dans un laboratoire dédié.

Ce laboratoire construit en lieu et place de l’ancienne station de télémétrie avec la remorque CNES et le télescope de 1 mètre permettra à la fois d ‘effectuer des développements technologiques et des évolutions sur la station en position basse et d’observer sur le ciel en position haute avec une capacité de repositionnement meilleure que le millimètre.

Le site de Calern offrira donc, excepté lors des missions à l’extérieur de la station mobile une capacité unique d’effectuer des colocations et opérations laser avec deux instruments proches (30 mètres) et très complémentaires

en terme de cibles tout en permettant de la R&D technologique sur ces systèmes.

Fig 8 :Travaux T2000 à Calern - Hiver 2005/2006

23

En ce qui concerne la station Ultra Mobile et son nouveau laboratoire, les travaux étaient quasiment achevés fin 2006 et la mise en place de l’instrument avec ses nouvelles fonctionnalités a débuté en 2007, des observations sont attendues avant l’été.

L’appel à collaborations internationales et les futures missions En septembre 2005, le Groupe de Recherche de Géodésie Spatiale émet un appel international à collaboration pour l’implication de la station Laser Ultra Mobile dans des projets scientifiques.

Cette proposition a pour but de monter des opérations conjointes avec un organisme étranger pour des projets scientifiques communs nécessitant du « tracking » laser sur un site spécifique. La participation des partenaires se répartirais alors de la façon suivante.

- Pour le GRGS et l’OCA : mise à disposition de l’instrument et des agents de l’équipe de télémétrie Laser de Grasse pour la préparation, le montage et les observations et suivis technologiques de l’instrument sur place.

- Pour l’organisme d’accueil : le financement proprement dit de la campagne avec la prise en charge des transports (station et personnels), les frais de mission sur place, les frais de maintenance (laser) et les dépenses liées aux opérations…

Cette répartition en terme de charges est sensiblement à parité en incluant les coûts salariaux des ingénieurs impliqués et devrait permettre de monter des dossiers de financements auprès des agences spécialisées.

Dans ce cadre, nous avons, en 2006, répondu à un appel à collaboration émis par la communauté scientifique Australienne et avons été retenu pour participer à un projet commun avec eux. Dans ce contexte, notre apport consistera en une campagne "Station Mobile" de 5 mois en Tasmanie sur un site d’étalonnage prés de Hobart à une période pas encore complètement finalisée mais probablement novembre 2007/avril 2008

Le financement global de l’opération sera assuré en très grande partie par le ministère Australien et en particulier toute la logistique et les frais de missions de l’équipe Grassoise qui assurera avec deux permanents sur place les opérations de notre station mobile. Un budget de soutien pour préparation technologique de la station correspondant à moins de 10% de l’opération complète sera assurée par le CNES/GRGS.

Fig 9 :Configurations possibles de la station mobile

A gauche : labo, développement R&D, à droite : observations sur le ciel

24

Participants au projet

Observatoire de la Côte d'Azur F. Pierron, P. Bonnefond, E. Cuot, P. Exertier, J.L. Hatat, G. Helmer, M. Laplanche, J.F. Mangin, J. Nicolas, J. Paris, M. Pierron, E. Samain, H. Viot,G. Vigouroux , D. Feraudy, M. Furia.

Institut Géographique National : F. Duquenne, M. Kasser, H.Fagard, P. Vergez, C. Thom, D. Coulot

Centre National d’Etudes Spatiales : R. Biancale , Y. Ménard, G. Balmino

Références bibliographiques J. Nicolas, P. Exertier, P. Bonnefond, P. Willis, J.-P. Berthias, O. Laurain and F. Barlier, Vers une

orbitographie centimétrique des satellites océanographiques, in: Rapport Quadriennal 1999–2002 du CNFGG (2003) 71-79.

P. Exertier et al., Calibration of Jason-1 by laser ranging ; FTLRS campaignin Corsica, Marine Geodesy, (2004) .

P.Berio, P. Exertier, F. Pierron, J. Weick, D. Coulot, O. Laurain, P. Bonnefond, FTLRS laser staff . FTLRS Support to the Gavdos Project: Tracking and Positioning .Proceedings of the 14th International Workshop on Laser Ranging, San Fernando , June 7-11 2004

M. Pierron, D. Feraudy, M. Furia, F. Pierron, FTLRS laser staff. Laboratory Tests and Calibration on Chronometry for the French Transportable Laser Ranging Station. Proceedings of the 14th International Workshop on Laser Ranging, San Fernando , June 7-11 2004

M. Pierron, D. Feraudy, M. Furia, F. Pierron and slr staff ; Laboratory tests and calibration on chronometry for the French Transportable Laser ranging ;14 th international workshop on laser ranging - june-2004.

F Pierron & all - FTLRS Ajaccio campaigns: operations and positioning analysis over 2002 and 2005 campaigns�15 th international workshop on laser ranging –october 2005.

M Pierron and FTLRS staff : ����������� ����� �������� ������������ ������������������� � ����� �����15 th international workshop on laser ranging –october 2005.

25

Introduction La station laser Lune a été construite au cours des années 1975-1980 avec un programme prioritaire d’observations sur la Lune. Depuis 1997 la station a été adaptée pour observer des satellites géodésiques lointains et des satellites du réseau GPS équipés de réflecteurs. Depuis 2003, une activité de recherche et développement associée à un programme « opération » élargi prenant en compte la télémétrie sur satellite en plus de la télémétrie Lune, a été entreprise. Dans ce cadre, la station laser Lune est devenue la station MéO pour « Métrologie Optique ».

Ce projet « Station MéO » s’inscrit dans le programme de recherche et développement Télémétrie 2000. Le programme d’observation sur la Lune et sur les satellites lointains est resté nominal.

L’année 2005 a vu le démarrage effectif sur le plateau de Calern de la construction/rénovation des bâtiments laser dans le cadre de l’opération T2000.

Cette grosse opération, programmée et étudiée depuis plusieurs années vise à conserver à l’observatoire uniquement deux systèmes de télémétrie Laser :

- la station MEO (ancien Laser Lune) rénovée, adaptée et modifiée pour pouvoir assurer la poursuite des satellites de 800 km aux cibles interplanétaires

- la station Laser Ultra Mobile installée hors périodes mission dans un laboratoire dédié.

la station Laser Satellite à Calern de 1976 à 2005 et après.. La station Laser satellite GRGS/CNES opérationnelle depuis quasiment 30 ans sur le plateau de Calern a été probablement l’une des plus productives dans le réseau international mondial laser tout en s’adaptant au fil des années au meilleur niveau de technologie en cours de façon à offrir à la communauté scientifique des données de très grande qualité.

Avec un laser à Rubis au début et une précision de quelques centimètres, cet instrument a évolué dés les années 90 vers un laser Yag à 10 hertz accompagné de systèmes chronométriques au meilleur niveau et pilotés par une informatique performante.

L’exploitation très intensive de cet ensemble durant plusieurs décades a permis de rentabiliser un investissement coûteux s’acheminant en 2005 vers des travaux de rénovation trop importants à entreprendre dans le nouveau contexte de l’exploitation simultanée de la station mobile en campagnes et du télescope de

1.2. STATIONS LASER FIXES

Fig 1 :Travaux T2000 à Calern - Automne 2005

Fig 2 :Station satellites de Grasse avant 2005

Grasse SLR 7835

30 années d’exploitation intensive

35000 passages de satellites observés

1 000 000 de points normaux

26

1,50m initialement conçu pour télémétrer la lune.

Cette station a donc été arrêtée définitivement en juillet 2005 avec un démontage en septembre et stockage du télescope dans la remorque en attente d’un nouveau destin…

Dans l'idée de garder une vocation "Géodésie spatiale" à cet ensemble financé par le Cnes/Grgs nous avons prospecté au sein de l'ILRS pour céder ce télescope à très bas coût et sommes aujourd’hui sur le point d’aboutir à un accord de prêt longue durée à la " National Research Foundation" d’Afrique du Sud dans le cadre de création d’un nouvel observatoire géodésique regroupant toutes les techniques ( Vlbi, GPS, SLR, LLR,...) A L’observatoire de Calern, un laboratoire d’accueil pour la station mobile est en cours de construction en lieu et place de l’ancienne embase de ce télescope, il permettra à la fois d ‘effectuer des développements technologiques et des évolutions sur la station en position basse et d’observer sur le ciel en position haute avec une capacité de repositionnement meilleure que le millimètre.

La station MeO La station laser Lune a été construite au cours des années 1975-1980 avec un programme prioritaire d’observations sur la Lune.. ce qui a été mis en œuvre avec grand succès durant toutes ces années.

En 1997, la station a été adaptée pour observer des satellites géodésiques lointains et depuis 2003, dans un cadre alliant opérations et R&D la station laser Lune est devenue la station

MéO pour « Métrologie Optique » et s’inscrit dans le projet T2000 de rénovation de l’activité laser au plateau de Calern.

Cette opération très importante avec le démarrage effectif des travaux de bâtiments a nécessité l’arrêt de toutes les opérations laser à l’Observatoire à partir de juillet 2005 et devrait en ce qui concerne la station MEO se prolonger jusqu’à fin 2007 au plus tôt.

Ce projet MéO se décline dans les thèmes suivant :

- Opérations dans le cadre des services internationaux ( ILRS)

- Développements instrumentaux

- Recherche & Développement

Opérations

Télémétrie laser Lune Les objectifs scientifiques de la télémétrie par laser sur la Lune couvrent les domaines de la sélénophysique, de la physique fondamentale et des systèmes de référence. L’exploitation continue sur le long terme est essentielle pour décorréler les phénomènes impliquant une variation lente du mouvement lunaire et améliorer des

Fig 3 :Démontage télescope sept 2005

Fig 4 :Répartition des données Laser Lune depuis le début Démontage télescope

septembre 2005

27

paramètres impliqués dans les phénomènes séculaires : variation de G, accélération séculaire, paramètres orbitaux de la Lune.

Les observations ont été régulières au cours des années 2003-2005 chaque fois que la météo l’a permis en dehors de la nouvelle Lune et de la pleine Lune. Il s'agit d'observations de service qui ont un sens sur le long terme. Le bilan des observations depuis fin 2003 jusqu’à 2004 est résumé dans le graphique qui suit (figure 1).

Les observations validées sont disponibles sur le web pour toute la communauté internationale. Les réflecteurs étant des cibles laser de l’ILRS, on retrouve également les mesures sur les bases de données de ce réseau.

Télémétrie laser satellite haute altitude Les observations ont porté sur les satellites : Lageos 1 & 2, GPS 35 et 36, et Etalon 1&2 et ceux de la constellation Glonass. Mis à part Lageos, ces satellites sont à des altitudes de l'ordre de 20000 km. Une particularité très intéressante des observations par la station MéO pour ces satellites est la possibilité d'effectuer des observations de jour, sur des arcs qui en leur absence feraient défaut. La figure çi jointe est un exemple de bilan généré par l’ILRS des observations des cibles lointaines de l’année 2003 pour l’ensemble du réseau international.

Développements instrumentaux dans le cadre du projet T2000

Télescope - Coupole Nouvelle motorisation permettant de poursuivre une très grande gamme d’objets depuis des satellites artificiels à 800 km d’altitude jusqu’aux sondes interplanétaires pour les projets futurs.

La future motorisation est basée sur un accouplement direct des moteurs et des codeurs sur les deux axes du télescope, elle sera intégré en 2007 puis testé et ajusté jusqu’en 2008.

Ces développements concernant le télescope sont assurés pat la DT de l’INSU et comprennent :

• La recherche des solutions technologiques

• La modélisation et la validation des solutions

• Les définitions des moteurs, codeurs et freins

• Les définitions, les conceptions et les fabrications des pièces d’interfaces : télescope – moteurs – codeurs

Fig 6 :Le pojet de rénovation du telescope MEO

Mesure de la station MEO de Grasse

Fig 5 :Répartition des données sur les satellites élevés

28

• La définition des travaux de génie civil entre les structures en béton et la mécanique

• La définition et la réalisation du module contrôle commande des axes

• La définition et la réalisation de l’armoire électrique

• L’écriture des algorithmes de la table de correction

• Le développement du logiciel cadencé de pointage du télescope

• La gestion des sécurités

• Le réglage des asservissements

• L’intégration la mise au point sur site et la recette

Les développements concernant la coupole télescope sont assurés en interne avec le soutien d’un mécanicien embauché en CDD (soutien CNES dans le cadre de T2000) gration sur site

Laboratoires focaux - Coudé Les laboratoires focaux sont des salles et des tables qui permettent de manipuler le flux optique en provenance ou à destination du télescope. Le projet prévoit la création de 3 nouveaux laboratoires et des optiques permettant de transporter le flux lumineux depuis le télescope vers des laboratoires focaux et inversement.

Les trois laboratoires focaux envisagés sont :

Laboratoire Nasmyth, constitué de 2 tables optiques portées par le télescope.. Ce laboratoire est dédié aux expériences grand champ et notamment à la vidéo

Laboratoire interne, délimité par le mur porteur de la coupole. La vocation de ce laboratoire de 63 m² est de donner un fort potentiel instrumental pour mener des expériences de recherche et développement.

Laboratoire externe qui est au-delà du mur porteur de la coupole. Il est constitué d’une table optique de 2,4 x 1,4 m² et des instruments de mesure dédiés à la télémétrie par laser.

Bâtiments �������� �� �� ��� ��� ��������� ����� �� �� �����

�!���� ������������ ��� �����"� �� �������

#���� �����"��������"��������

��� �����"����gros œuvre débutés en octobre 2005 �� �! !������!���������� �����#! !�$%%&'������ ���!��� ��������������#�� !����� �� �

�� !������(���� ��! ���������)��� �� ���"�

�!�������� �� ��� ��� �� ��"���������������

�������� ���

La rénovation de la coupole et du bâtiment complet devrait s’achever avant l’été 2008..

Le site de Calern offrira alors une capacité unique d’effectuer à la fois de la R&D technologique sur ces systèmes, des opérations laser avec des instruments très complémentaires en terme de cibles et des colocations entre ces deux stations toutes proches .

Recherche et développement - Thèse en cours sur une nouvelle génération de liens optiques (financement CNES/Alcatel) - Concept et mise au point de l’instrument Spatial T2L2, segments sol et opérations dés 2008 - Télémétrie interplanétaire TIPO, LATOR…

Fig 7 :Constructions à Calern dans le cadre T2000

29

La station MOBLAS 8 à l’OGT –Tahiti 2003/2006:

La station Moblas 8 à Tahiti La station de poursuite des satellites par tir laser MOBLAS8 de la NASA est installée depuis 1997 sur le campus de l'Université de Polynésie française. Elle est le fruit d'une convention liant l'Université de Polynésie française (fournissant terrain, locaux, électricité et deux techniciens), le CNES (supports financiers d'un troisième technicien) et la NASA (fournissant la station laser et un support technique).

Durant la période 2003 – 2006, malgré une diminution de l'aide de la NASA, des problèmes techniques liés au vieillissement inéluctable de l'installation, plusieurs changements de directions et des rotations successives de personnels techniques qui ont dû être formés successivement aux tâches de tracking, l'Observatoire Géodésique de Tahiti a su maintenir une activité raisonnable de suivi de satellites et ce, grâce à la bonne volonté des techniciens en place et du soutien des organismes de tutelles.

Directions 2003 – 2006 2001- 2004: K. Maamaatuahiautapu, MdC UPF.

2004 – 2006: G. Barruol, CR CNRS.

depuis sept 2006: J. P. Barriot, Pr, UPF.

Poursuite 2003 – 2006 De par la présence de 3 techniciens opérationnels et d'un ingénieur Honeywell en soutien technique, et de par l'absence de panne importante, l'année 2003 a été une très bonne année (15 000 points normaux). Fin 2003, la NASA a retiré l'ingénieur Honeywell du site de l'OGT qui a donc perdu un important soutien technique et une personne pour les rotations de tracking.

La station a donc ensuite été gérée par 2 à 3 techniciens, ce qui est nettement insuffisant.

Le nombre de points normaux se stabilise autour de 10000 en 2004, 10400 en 2005 et 8000 en 2006.

Point normaux des années

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

année

Fig 9 : Nombre de points normaux observés à Tahiti

Fig 8 : MOBLAS 8 à l’UPF

30

Personnel 2003 – 2006: Au début de l'année 2003, la seule personne sur place apte à effectuer la poursuite était Yannick Vota (technicien CDD CNES en 2003 puis recruté en tant que technicien UPF-Education Nationale)

Durant l'année 2003, la station MOBLAS8 a vu l'arrivée de nouvelles personnes :

Kenneth Tribble : ingénieur de HTSI (Honeywell) en remplacement de George Davisson,

Pierre Granès : ingénieur d'études mis à disposition par l'Observatoire côte d'Azur,

Bastien Jouanneau : technicien UPF-Education Nationale,

Marc Teheipuarii : technicien, CDD-UPF, en CDD sur support CNES.

Fin 2003, la NASA a malheureusement retiré l'ingénieur de Honeywell qui avait un rôle important pour garantir le bon fonctionnement de la station et pour la formation des techniciens.

En 2004, nous avons donc bénéficié de la présence stable de 3 techniciens opérationnels, qui ont réussi à maintenir une activité de poursuite satisfaisante malgré quelques pannes dont une qui a immobilisé la station durant un mois en octobre 2004:

Bastien Jouanneau (technicien CDI UPF-Education Nationale),

Yannick Vota (technicien CDI UPF-Education Nationale),

Marc Teheipuarii (technicien, CDD sur support CNES, a terminé son contrat au 31/12/04).

En 2005, Marc Teheipuarii ayant terminé son contrat nous avons dû recruter un nouveau technicien. Après quelques problèmes administratifs et un premier technicien recruté qui a quitté l'équipe pour un CDI, ce n'est donc que début juin 2005 qu'un nouveau technicien (Anthony Utahia) a été recruté puis formé à l'OGT. Il devrait y rester jusqu'à fin mai 2007, puis être remplacé par un autre CDD.

En 2006, Bastien Jouanneau a terminé son contrat de 4 ans en Polynésie française et a rejoint la métropole. Il a été remplacé par M. Laurent Mercier (arrivé le 13 mars 2007), précédemment à l’Observatoire volcanologique de la Soufrière.

L’année 2007 est donc de nouveau marquée par une rotation importante du personnel technique. Il faut en effet savoir que les techniciens sur statut ITARF de métropole sont soumis

Point normaux de 2003 à 2006

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

janv

-03

mar

s-03

mai

-03

juil-

03

sept

-03

nov-

03

janv

-04

mar

s-04

mai

-04

juil-

04

sept

-04

nov-

04

janv

-05

mar

s-05

mai

-05

juil-

05

sept

-05

nov-

05

janv

-06

mar

s-06

mai

-06

juil-

06

sept

-06

nov-

06

mois

nb d

e po

int n

orm

aux

Fig 10 : Nombre de points normaux obtenus mensuellement durant la période janv. 2003 – nov. 2006

31

à la règle du séjour maximum de quatre ans à Tahiti. Comme déjà indiqué, le CDD de deux ans de M. Anthony Utahia se terminant, il faudra lui trouver un remplaçant, car du fait des règles légales, nous ne pouvons le réembaucher. M. Yannick Vota est le seul technicien ITARF permanent, car il relève du Centre des Intérêts Moraux et Matériels de Tahiti, ce qui le soustrait à la règle des quatre ans.

Cette rotation fréquente de l’équipe technique nuit très fortement à la qualité et la quantité de données acquises par la station laser. Il faut savoir que lorsqu’un nouveau membre arrive dans l’équipe, quatre à six mois de formation sont nécessaires pour assimiler parfaitement les opérations de poursuite et produire des données de qualité (les opérateurs sont considérés comme entraînés lorsqu'ils sont capables d’obtenir une précision en distance inférieure au centimètre sur des satellites à 18 000 km). Ceci est en particulier inacceptable pour des personnes sur contrats CDD dont la durée maximale en Polynésie française est de deux ans et cela d’autant plus que la législation locale du travail en Polynésie française (qui n’est pas celle de métropole) précise bien (Délibération n° 91-002 AT du 16 janvier 1991) qu’un contrat de CDD « …ne peut avoir ni pour objet, ni pour effet, de pourvoir durablement un emploi lié à l’activité normale et permanente de l’entreprise ».

Etat technique 2003 – 2006: - En 2003, aucune amélioration n'a été apportée au système. Un problème majeur a toutefois causé l'arrêt de la poursuite sur plus d'un mois à cause de l'horloge (Time Code Generator).

- En 2004 ont été recensées 14 pannes mineure ayant impliqué un arrêt de la MOBLAS pour des durées de 1 à 5 jours. Nous avons eu 1 panne majeure liée à la fusion de la tête d'alimentation du laser impliquant un arrêt de 1 mois avant réparation.

- En 2005, nous avons du faire face à douze pannes mineures ayant entraîné des arrêts inférieurs à une semaine et trois pannes majeures: i) une panne électronique du MPACS, système de gestion du déplacement du télescope qui a immobilisé l'instrument en début d'année 2005, ii) une panne au niveau de la génération du laser qui a immobilisé la station pendant 1 mois durant la période sèche de l'année où les meilleures conditions sont réunies pour effectuer le tracking, iii) une troisième panne importante qui a eu lieu en fin d'année, due à une panne de l'ordinateur de contrôle.

- En 2006, le nombre de points normaux s’est stabilisé autour de 8000, et ce malgré la suppression du satellite (TOPEX) de la liste de poursuite et deux pannes importantes qui ont immobilisé la station laser durant plus de deux mois. Fin 2006, un ingénieur de la société Honeywell est venu réaligner la cavité de la table laser (pour obtenir bonne stabilité et puissance) et aussi pour former les techniciens. Un ingénieur du CNES a aussi évalué l’état de la station DORIS et de ses aériens. Cette balise devrait être remplacée d’ici mi-2007 par une station-maître. Le radar d’évitement des avions a connu des défaillances début 2007, et doit être remplacé.

La balise GPS permanente du CNES, installée dans le port de Papeete (PAPE) au niveau du marégraphe est opérationnelle depuis juillet 2003. Le récepteur GPS ayant montré des signes de faiblesse a été remplacé à la mi-2006.

Participants au projet

Observatoire de la Côte d’Azur E. Cuot, R. Dalla, P. Exertier, M. Furia , JF. Mangin, JL. Oneto, J. Paris, E. Markt, G. Martinot Lagarde, E. Samain, JM. Torre, H. Viot, J. Depeyre, D. Feraudy, F. Pierron, M. Laplanche, M. Pierron, G. Helmer, G. Vigouroux, P. Vrancken, J. Weick, P. Berio, P.Exertier

32

Observatoire Géodésique de Tahiti G. Barruol, JP Barriot, Y. Vota, B. Jouanneau, K. Maamaatuahiautapu, A. Utahia

Centre National d’études spatiales

R. Biancale, G. Balmino,Y. Ménard

Division technique Insu J. Eysseric, G. Bucholtz, N. Geyskens, C. Berthod

Références bibliographiques J. Nicolas, P. Exertier, P. Bonnefond, P. Willis, J.-P. Berthias, O. Laurain and F. Barlier, Vers une

orbitographie centimétrique des satellites océanographiques, in: Rapport Quadriennal 1999–2002 du CNFGG (2003) 71-79.

J. Nicolas, P. Bonnefond, O. Laurain, P. Exertier and F. Barlier, Triple laser ranging collocation experiment at the Grasse observatory, France, Phys. and Chem. of the Earth, (2002) in press.

Etienne Samain, Gwenaelle Aridon, Robert Dalla, Pierre Exertier, Jean-François Mangin, Grégoire Martinot Lagarde, Jean-Louis Oneto, Jocelyn Paris, Francis Pierron, Jean-Marie Torre, MeO - The future of the French Lunar Laser Ranging Station, in Proc. 14th International Workshop on Laser Ranging, San Fernando (Spain), juin 2004.

D. Coulot., P. Berio, R. Biancale, S. Loyer, L. Soudarin, A.M. Gontier, Direct combination of space-geodetic techniques at the measurement level: a new solution for EOP determination, Res., J. Geophys. submitted, 2005.

Coulot, D., P. Berio, R. Biancale, J.-M. Lemoine, S. Loyer, L. Soudarin, A.-M. Gontier, P. Exertier, Z. Altamimi, N. Capitaine, and D. Gambis, Combination of Space Geodesy Techniques for monitoring the kinematics of the Earth,Proceedings SF2A Scientific Highlights, meeting held in Paris, France, June 14-18, Eds.: F. Combes, D. Barret, T. Contini, F. Meynadier and L. Pagani, EdP-Sciences, pp. 19-22, 2004.

Coulot, D., P. Berio, R. Biancale, J.-M. Lemoine, S. Loyer, L. Soudarin, A.-M. Gontier, P. Exertier, Z. Altamimi, N. Capitaine, and D. Gambis, Combination of Space Geodesy Techniques for monitoring the kinematics of the Earth,Proceedings des Journées Systèmes de Référence Spatio-Temporels, Eds.: N. Capitaine, Obs. de Paris, pp. 134-135, 2004.

Slava G. Turyshev, Michael Shao and Kenneth L. Nordtvedt Jr., The Laser Astrometric Test Of Relativity Mission, 2004

Pierron, F, E. Samain, J.-M. Torre and the Grasse laser group, Grasse laser stations in evolutions to future, technological developments in progress, 15th International Laser Ranging Workshop, and Internat. Laser Ranging Serv. (ILRS) General Assembly, Canberra, Australia, October 15-20.

Samain, E., Ph. Guillemot, D. Albanese, Ph. Berio, F. Deleflie, F. Para, J. Paris, I. Petitbon, J.-M. Torre, P. Vrancken and J. Weick, T2L2 - Time Transfer by Laser Link, 15th International Laser Ranging Workshop, and Internat. Laser Ranging Serv. (ILRS) General Assembly, Canberra, Australia, October 15-20, 2006 .

33

Introduction La télémétrie ou le transfert de temps par lien laser sont aujourd’hui basés sur la mesure du temps de vol d’impulsions laser courtes entre une station laser au sol et une cible spatiale (modulation d’amplitude incohérente à très faible cadence). En tant que lien métrologique exact entre stations au sol et cibles spatiales, la Télémétrie Laser est très fortement associée à l’exploration de l’Environnement de la Terre, avec les composantes Espace et Temps encore plus que par le passé. L’émergence des nouvelles technologies dans le domaine des lasers, des photo-détecteurs et des systèmes de filtrage, nous permet d’envisager des solutions nouvelles. En 2003 et avant, la situation de la géodésie spatiale, de la télémétrie laser et de la métrologie du temps à l’OCA était la suivante, avec schématiquement 4 instruments de métrologie principaux :

� la station laser Lune

� la station laser satellite mobile (FTLRS)

� la station laser satellite fixe

� la station horaire

La volonté de rénover profondément la télémétrie par laser et de maintenir les opérations d’observation nous ont conduit à :

� orienter la station laser Lune vers des activités de Recherche et de Développement en métrologie optique et d’élargir la politique scientifique de la station : création du projet « Station MeO »,

� associer étroitement le temps fréquence avec les liens optiques,

� arrêter les opérations autour de la station laser satellites fixe, et installer un laboratoire d’accueil (maintenance et opérations) de la station mobile FTLRS.

Aussi, le projet Télémétrie 2000 s’inscrit dans un programme de rénovation profonde de la télémétrie par laser en France et d’observation sur satellites et Lune. A terme (fin 2007 – 2008) il y aura deux stations laser complémentaires : la station MeO et la station FTLRS, qui seront capables de couvrir les programmes scientifiques actuels et futurs, depuis l’observation des satellites proches, en campagnes, jusqu’aux futures cibles interplanétaires en passant par la Lune au plateau de Calern. Le budget total de cette opération se monte à environ 1,1 MEuros actuellement. Les demandes de financement, entre 2003 et 2006, ont été faites vers la Région PACA, le CNES, l’INSU et l’OCA, avec succès ; elles comprennent l’opération de rénovation du bâtiment laser du plateau de Calern, les équipements des laboratoires et la rénovation opto-mécanique du Télescope MeO. Les moyens actuels sont les suivants :

� Bâtiment dédié à la télémétrie laser : 550 m2

� Laboratoire temps fréquence :

� 2 horloges atomique HP 5071A

� Maser à hydrogène

� Télescope Alt Az 1.54 m

1.3. T2000 et projets

34

� Laboratoire focal

� métrologie optique – laser à mode bloqué de puissance

� métrologie électronique et chronométrie

� Station mobile FTLRS

� Laboratoire (ex salle-pilier du télescope laser satellite de 1M) maintenance

� Atelier mécanique de l’OCA à Calern, et participation des Services Techniques

Objectifs

Géodésie spatiale Grâce à une évolution générale des systèmes de poursuite mondiaux, la modélisation d’orbite a atteint un niveau de précision très important en particulier pour les satellites océanographiques. D’autre part, le champ de gravité de la terre, à grandes et moyennes longueurs d’ondes spatiales, est très sensiblement amélioré tous les 2 ou 3 ans grâce aux données de poursuite des satellites géodésiques laser de hautes et moyennes altitudes. Enfin, les coordonnées et vitesses tridimensionnelles des observatoires laser constituant le réseau mondial sont suivies en permanence et servent à la modélisation des mouvements tectoniques du globe. On peut ainsi résumer les contributions de la télémétrie laser :

� surveillance du niveau moyen des mers

� positionnement géocentrique absolu

� mouvement du pôle et rotation de la Terre

� étude du mouvement des plaques tectoniques

� surveillance des mouvements verticaux de l’écorce terrestre

� étude du mouvement du géocentre

� détermination du champ de gravité et ses variations temporelles à long terme (Terre solide et hydro-sphère)

� établissement de modèles de marées océaniques globaux

� tests relativistes.

Mécanique céleste, système Terre-Lune Les objectifs scientifiques de la télémétrie par laser sur la Lune couvrent :

� la sélénophysique

� la physique fondamentale

� les systèmes de référence

Ce sont les trois domaines où s’effectuent les publications les plus nombreuses, avec l’étude de la structure interne de la Lune et la dissipation d’énergie de mieux en mieux abordée avec la longue série disponible. Pour la théorie de la gravitation, les améliorations sur les tests du principe d’équivalence sont très sensibles. Enfin, les mesures sur les paramètres fondamentaux du système céleste ont une qualité comparable à celle du VLBI, mais sont totalement indépendantes. Ces résultats ont été discutés à l’UAI, dans le cadre des réunions sur les constantes fondamentales. L’exploitation continue sur une longue durée présente un certain nombre d’avantages sur le plan de l’exploitation scientifique :

� la décorrélation de phénomènes impliquant une variable lente du mouvement lunaire

� l’amélioration des paramètres impliqués dans les phénomènes séculaires (variation de G, accélération séculaire, paramètres orbitaux de la Lune)

� les petites améliorations de l’instrument sans changements fondamentaux

35

� l’amélioration statistique résultant de l’accumulation des données (c’est clairement le facteur le moins intéressant des trois en raison de sa lenteur).

Pour le Système solaire, les objectifs de la télémétrie sont :

� la physique fondamentale : mesure du paramètre • de la relativité générale, effet Lense-Thirring

� l’orbitographie planétaire

� les mesure des atmosphères planétaire et solaire

� la navigation spatiale

Une coopération avec les projets Américain Lator et Chinois ASTROD I est en cours. Les distances mises en jeu rendent impossible la télémétrie par laser conventionnelle 2 voies qui présente un bilan de liaison variant à la puissance 4 de la distance. La télémétrie envisagée est basée sur des liens une voie mais les distances mises en jeu nécessitent une qualité de la station sol en terme optique et en terme de suivi très importante. La station MeO est vue comme une station de référence dans ce projet.

Situation dans le contexte national/international Aujourd’hui, la situation actuelle de la géodésie spatiale, de la télémétrie laser et de la métrologie du temps à l’OCA est la suivante, avec schématiquement 4 instruments de métrologie principaux :

� la station laser Lune :

o télémétrie laser Lune

o télémétrie laser satellite haute altitude (LAGEOS GPS,…)

o expériences externes (optique adaptative, observations jovienne, …)

� la station laser satellite mobile (FTLRS), principalement pour des campagnes :

o télémétrie laser satellites

o étalonnage satellite altimétrie

� La station horaire :

o participation au TAF

o distribution locale du temps

o transfert de temps Two-Way & GPS

� Le projet spatial de transfert de temps T2L2 accepté par le CNES en 2005 pour voler sur le satellite Jason-2 en 2008. La station MeO et la station mobile FTLRS seront les deux stations de référence du projet.

Besoins

Télescope MeO Le projet englobe également une composante recherche sur les liens optiques nouvelles générations avec une thèse de doctorat financée par le CNES et Alcatel qui a commencé début 2005. L’instrument à la base du projet Station MeO est la station de télémétrie Laser Lune de l’OCA. Le projet se décompose en 3 thèmes :

� Motorisation du télescope – Coupole : elle a été conçue pour le suivi de la Lune et des objets stellaires. Elle est basée sur des moteurs couples et sur une mécanique du type roue-vis sans fin. Elle n’est pas adaptée en terme de vitesse et d’accélération de pointé pour le suivi d’objets rapides. Elle n’est pas adaptée non plus au pointé en aveugle pour les futurs projets de télémétrie interplanétaire (exactitude) ; il faut donc :

36

o augmenter de la vitesse d’entraînement du télescope : suivi de satellites basse altitude, augmentation de la couverture près du zénith

o améliorer de l’exactitude du pointé du télescope : télémétrie Laser Lune, télémétrie interplanétaire, optique adaptative

o augmenter la vitesse de rotation de la coupole en adéquation avec la vitesse de rotation du télescope

La future motorisation est basée sur un accouplement direct des moteurs et des codeurs sur les deux axes du télescope. Les différentes entités constituant cette motorisation sont :

o 2 moteurs Etel en direct sur les axes amenant le télescope à 6°/s pour une accélération max. de 0.5°/s², sous un couple perturbateur de 600 Nm.

o 2 codeurs en direct sur les axes permettant de maîtriser le pointé du télescope avec une exactitude de 1 arc sec

o 2 freins : leur fonction est double : frein de repos (position au garage) et de secours.

o contacteurs de fin de course

o armoires électriques de contrôle comprenant les amplis moteurs pour les deux axes du télescope et pour la rotation de la coupole, les contrôles d’axe, les alimentations et la gestion des sécurités.

o onduleur triphasé de sécurité

o groupe frigorifique permettant d’asservir la température des moteurs sur la température extérieure et d’évacuer la puissance des armoires

� Laboratoires focaux – Coudé : Les laboratoires focaux sont des salles ou des tables qui permettent de manipuler le flux optique en provenance ou à destination du télescope. La station a été conçue à l’origine pour la télémétrie laser sur la Lune dans un mode opérationnel et n’offre que peu de souplesse pour la manipulation du flux optique. Le projet prévoit la création de 3 nouveaux laboratoires et des optiques permettant de transporter le flux lumineux depuis le télescope vers des laboratoires focaux et inversement. Il faut donc :

o concilier les activités opérationnelles de télémétrie laser et les activités expérimentales liées à la recherche et au développement ; permettre la réalisation d’expériences en donnant accès à plusieurs tables optiques réparties dans un grand laboratoire.

� Télémétrie opérationnelle : l’instrumentation associée à la télémétrie laser doit être remaniée et intégrée dans le laboratoire externe « Télémétrie Opérationnelle ». Cette instrumentation est répartie sur une table optique unique et dans trois baies électroniques. La table intègre le laser, le dispositif de photo détection, un module de filtrage optique, un module de commutation laser et un système de vidéo intensifiée. Deux baies électroniques sont dédiées au pilotage du laser et la troisième (baie de mesure) est dédiée à l’instrumentation électronique associée à la télémétrie laser. Il faut réorganiser et moderniser l’ensemble de la chaîne de mesure

� Logiciels : les instruments sont pilotés par des ordinateurs de type « PC industriel » de façon autonome : PC Télescope, PC Télémétrie OP, PC T2L2, PC R&D. L’interface homme machine est implanté dans le PC de contrôle qui pilote l’ensemble de la station pour toutes les applications. Les logiciels sont écrits en visual C++ pour windows. Il faut adapter l’instrument au contexte « R&D » et aux nouvelles exigences de la télémétrie par laser ; mettre en œuvre une programmation orientée objet basée sur des liaisons instrumentales du type Ethernet.

37

� Bâtiment : le projet de bâtiment a initialement été confié à un bureau d’étude (ETCO) qui a défini le cahier des charges de chaque réalisation et le chiffrage de l ‘ensemble de l’ouvrage. Au cours de la réalisation du chantier ce bureau d’étude a été abandonné pour être remplacé par une maîtrise d’œuvre interne à l’OCA. Le chantier prévoit de réorganiser les locaux, créer des laboratoires d’instrumentation ainsi que la rénovation du bâtiment laser.

Station mobile FTLRS L’instrument à la base du projet est la station mobile FTLRS, qu’il faut pouvoir maintenir et développer dans un laboratoire dédié. Le projet se décompose en :

� arrêt de l ‘ex station fixe et démantèlement du pilier du télescope de 1M

� construction d’un nouveau laboratoire d’accueil pour de la recherche et développement autour de la FTLRS

� mise en place et motorisation d’une table élévatrice pour le laser et le petit télescope afin de :

o accéder au toit pour l’observation (contrôles sur ciel)

o permettre de travailler sur le banc laser

Travaux réalisés Le thème « Motorisation Télescope » a fait l’objet d’une demande de Soutien à la Division Technique de l’INSU/SDU « Motorisation du télescope Laser Lune » et d’une demande financière sur 2 ans de 99 k•. Le soutien de la division technique a été obtenu pour une activité de 3 hommes/an sur 2 ans et 70 k• ont été obtenu sur deux ans. Les travaux ont démarré avec la DT-INSU en décembre 2004 et devaient s’achever en 2007. Des changements de priorité (CSA) ont retardé sensiblement les travaux engagés par la DT. La quantité de travail actuellement réalisé par la DT depuis décembre 2004 est de 1.8 ETP. Il est prévu d’achever une première moitié de l’opération (motorisation de l’azimut) au début 2007 et d’achever l’ensemble début 2008.

Le thème « Laboratoires focaux – coudé » a débuté en juin 2003 ; les travaux effectués à ce jour concernent la définition de l’architecture globale des laboratoires, la mesure de stabilité par interférométrie du génie civil, l’écriture du cahier des charges associé aux locaux. Ainsi que :

� la réalisation du laboratoire externe pour la télémétrie opérationnelle

� la définition de l’architecture optique du coudé, et la réalisation des optiques (Sagem)

� la conception mécanique du coudé et sa réalisation mécanique

� la conception mécanique table Nasmyth et sa réalisation.

La conception et la réalisation mécanique des derniers modules du coudé a démarré en mars 2005. Une première intégration du coudé est prévue en 2007.

Le thème « Télémétrie laser opérationnelle » a démarré en janvier 2004 ; les travaux effectués à ce jour sont : la définition de l’architecture optique, la rénovation et adaptation en laboratoire « Télémétrie opérationnelle », l’intégration de la table optique (génie civil + mécanique d’interface), la définition du laser dont :

� construction et intégration du laser en mode cavité laser « nanoseconde »

� construction et intégration du laser en cavité à mode bloqué « Picoseconde »

� définition et réalisation des modules de pilotage du laser

� définition de la baie de mesure, et intégration du PC de mesure

� conception du module de commutation laser

� définition des cristaux liquides du module de commutation

38

� expérience de tenue au flux laser des cristaux liquide et mesures des paramètres

� définition et intégration du module de numérisation du flux optique

� conception et construction du module de photo détection de retour faible bruit

� définition des cartes d’interface des modules de datation

L’étude sur le module de commutation laser a fait l’objet d’une demande de R&T CNES qui a été financée à hauteur de 30 k• en octobre 2004 pour une durée de 10 mois avec une maîtrise d’œuvre OCA.

Le laser en version picoseconde est opérationnel à ce jour sur la table optique définitive. L’ensemble de la chaîne de mesure sera intégré courant 2007 après intégration du coudé et de la mise au point du système de commutation laser et de toute la chaîne de photo détection.

L’écriture des Logiciels a débutée en juin 2004 ; les travaux effectués à ce jour sont : la définition de l’architecture globale autour des PC Contrôle, Télescope, et Télémétrie opérationnelle, la mise au point des protocoles de dialogue et des techniques de communication, l’écriture :

� du logiciel de pilotage Télescope (en cours) : MeO

� du logiciel de pilotage Télémétrie Op (en cours) : OpLR

� du logiciel de l’IHM (en cours) : Aquarius

Une première version du logiciel MeO doit être intégrée mi 2007. Les trois logiciels MeO, OpLR et Aquarius seront opérationnels à la fin 2007.

Le chantier « Bâtiment Laser » a démarré en septembre 2005 et a été achevé en septembre 2006. Il a permis :

� la réalisation du laboratoire focal de la station

� la rénovation du génie civil de la coupole

� le réaménagement de l’ensemble des bureaux avec la construction de 200 m2 de surfaces nouvelles

� la rénovation intérieure des 550 m2 de bâtiment

Budget

Demandes de financement

Budget

total

actualisé

Finance-

ment

acquis 2007 2008 2009 >2010

INSU/SDU AA 140 70 70 0

CREDITS LABO 20 20

Autres CNRS

MINISTERE

REGION PACA 445 145 150 150

CNES convention INSU 495 390 50 55

CNES R&T 30 30

CNES CDD 180 120 30 30

Contrat 5

TOTAL 1310 775 300 235

39

Participants au projet

OCA (équipe R&D M) E. Samain

G. Martinot-Lagarde JF. Mangin (retraite en 2006)

J. Paris JM. Torre

D. Albanese R. Dalla

F. Pierron

G. Helmer (retraite en 2006) D. Feraudy

M. Pierron E. Cuot

M. Furia G. Vigouroux (retraite en 2006)

P. Exertier

IGN M. Laplanche

CDD : Ch. Rougier, A. Drean (conception mécanique)

Support DT-INSU : pour aspects mécanique et motorisation

Références bibliographiques Altamimi, Z., D. Coulot, P. Berio and P. Exertier (2006) How can combination help to achieve

consistency at the 0.1ppb level ?, GGOS Workshop 2006, 8-9 October 2006, Munich, Germany, Position Paper, accepté

Bonnefond, P., P. Berio, P. Exertier, O. Laurain, F. Pierron, Y. Ménard, F. Boldo, F. Lyard, G. Jan, E . Jeansou and L. Roblou (2006) Corsica : an experiment for long-term altimeter calibration and sea level monitoring, SWT Topex/Poseidon-Jason, soumis avril 2006

Biancale, R., D. Gambis, J.-M. Lemoine, J.-C. Marty, S. Loyer, L. Soudarin, T. Carlucci, N. Capitaine, Ph. Berio, D. Coulot, P. Exertier, P. Charlot and Z. Altamimi (2005) Global Combination from Earth Geodetic Techniques, Journées 2005 Systèmes de Référence Spatio-Temporels, « Earth dynamics and Reference systems : five yrs after IAU 2000 Resolutions, Warsaw, Poland, 19-21 Sept. 2005, Ed. N. Captiane et al., pp.

Coulot, D., Ph. Berio, D. Féraudy, O. Laurain, and P. Exertier (2007) Different way of considering biases for Satellite Laser Ranging dar-ta processing : consequences on Terrestrial Reference Frame scale factors, Geophys. Res. Letter, submitted March 2007

Coulot, D., P. Berio, R. Biancale, J.-M. Lemoine, S. Loyer, L. Soudarin, A.-M. Gontier, P. Exertier, Z. Altamimi, N. Capitaine, and D. Gambis (2004) Combination of Space Geodesy Techniques for monitoring the kinematics of the Earth, Proceedinds des Journées Systèmes de Référence Spatio-Temporels, Eds.: N. Capitaine, Obs. de Paris, pp. 134-135

Altamimi, N. Capitaine, P. Exertier and D. Gambis (2004) Combination of Space Geodesy Techniques for Monitoring the Kinematics Of The Earth, 14th International Laser Ranging Workshop and International Laser Ranging Service (ILRS) General Assembly, June 7 - 11, 2004, San Fernando, Cadiz, Spain, Boletin ROA 5/2005 Edited by J. Garate, J.M. Davila, C. Noll and M. Pearlman,pp. 51-54

Coulot, D., R. Biancale, P. Berio, A.-M. Gontier, S. Loyer, L. Soudarin, J.-M. Lemoine, Z. Berio, P., P. Exertier, F. Pierron, J. Weick, D. Coulot, O. Laurain, P. Bonnefond, and FTLRS laser staff (2004) FTLRS support to the GAVDOS project : tracking and positionning, 14th International Laser Ranging Workshop and International Laser Ranging Service (ILRS) General Assembly, June 7 - 11, 2004, San Fernando, Cadiz, Spain, Boletin ROA 5/2005 Edited by J. GArate, J.M. Davila, C. Noll and M. Pearlman, pp. 75-81

Deleflie F., F. Barlier, P. Exertier, Le système GALILEO, une technique d'avenir pour la géodésie spatiale de très haute exactitude (2004) Actes du colloque "Dynamique des populations

40

(naturelles et artificielles) en Astronomie - Le rôle des mathématiciens et physiciens dans les défis du domaine spatial", Presses Universitaires de Namur, Ed. Anne Lemaître, pp. 32-40

Deleflie, F., G. Métris, P. Exertier, An Analytical Solution of the Lagrange Planetary Equations Valid Also for Very Low Eccentricities: Influence of a Central Potential, Celestial Mechanics and Dynamical Astron. 94(1) (2005) 81-102

Deleflie, F., P. Exertier, Modelling and Characterizing the Earth Gravity Field: from Basic Principles to Actual Purposes, Lecture Notes in Physics 682 (2006) 67-87

Deleflie F., P. Exertier, G. Métris, P. Berio, O. Laurain, J.-M. Lemoine, and R. Biancale, Why the 18.6 year tide cannot explain the change of sign observed in J2dot, Adv. in Geosciences 1 (2003) 103-108

Exertier, P., P. Bonnefond, F. Deleflie, F. Barlier, M. Kasser, Y. Ménard, Contributions of Laser Ranging to Earth Sciences, Acad. des Sci., Série Géosciences (2006) 338, 958-967.

Exertier, P., J. Nicolas, P. Berio, D. Coulot, P. Bonnefond, and O. Laurain, The Role of Laser Ranging for Calibrating Jason-1 : the Corsica Tracking Campaign, Marine Geodesy 27(1-2) (2004) 333-340

Exertier P., D. Coulot, P. Berio, O. Laurain and D. Féraudy (2005) Analysis of 12 years (1993-2004) of Satellite Laser Ranging data, Geophys. Res. Abstracts, Vol. 7, 09161 2005, EGU05

Exertier, P., F. Deleflie, Dynamique Spatiale : des applications multidisciplinaires (2004) Actes du colloque "Dynamique des populations (naturelles et artificielles) en Astronomie - Le rôle des mathématiciens et physiciens dans les défis du domaine spatial", Presses Universitaires de Namur, Ed. Anne Lemaître, pp. 24-28

Gourine, B., S. Kahlouche, P. Exertier, Philippe Berio and David Coulot (2006) Positioning of the French Transportable Laser Ranging System (FTLRS) in Corsica (0676), XXIII International FIG Congress, TS63 Geodetic Infrastructure and Theory, 8-13 October 2006, Munich, Germany, Paper : http://www.fig.net/pub/fig2006/papers/ts63/ts63_02_gourine_etal_0676.pdf

Melachroinos S.A., F. Perosanz, F . Deleflie, R. Biancale, O. Laurain, P. Exertier, GIOVE-A and GPS 35/36 orbit determination and analysis of dynamical properties based on SLR-only tracking data, Proceedings of the 15th International Laser Ranging Workshop, October 15-20, 2006, Canberra, Australia, 2007

Nicolas, J., D. Coulot, O. Laurain, P. Bério, P. Bonnefond, and P. Exertier (2003) “Satellite Laser Ranging positioning time series”, Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, Proceedings of the workshop : The state of GPS vertical positioning precision: Separation of earth processes by space geodesy, Ed. T. van Dam, Vol. 23, in press

Nicolas, J., P. Bonnefond, P. Exertier, O. Laurain, and F. Pierron (2003) Presentation of the 2002 Corsica FTLRS campaign for the Jason-1 CAL/VAL Experiment, Proceed. of the 13th Intern. Workshop on Laser Ranging, Washington, USA, October, 7-11, 2002, NASA/CP—2003-212248, pp. 129-135, Ed. R. Noomen, S. Klosko, C. Noll, and M. Pearlman

41

Introduction Le centre d'analyse ILRS "POLAC" (Paris Observatory Lunar Analysis Center) réside au SYRTE à l'Observatoire de Paris. Il travaille en collaboration avec les deux centres de produits de l'IERS basés également au SYRTE (EOP-PC et ICRS-PC) et avec l'équipe de télémétrie Laser-Lune de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA/GEMINI).

Les observations LLR (Lunar Laser Ranging) Les observations Laser-Lune (points normaux LLR) sont des mesures des temps de lumière aller-retour entre une station terrestre et un réflecteur lunaire. Plus de 17000 points normaux ont été réalisés entre 1969 et 2006 par 3 stations différentes: McDonald, 1969-2006 (Fort Davis, Texas), Observatoire de la Côte d'Azur, 1984-2005 (Calern, France), Haleakala, 1987-1990 (Maui, Hawaii). Entre 1969 et 1973, 5 réflecteurs ont été déposés sur le sol lunaire (Apollo 11, 14 et 15 et Lunakhod 1 et 2). Excepté Lunakhod 1, perdu après l'alunissage, les 4 autres réflecteurs restent opérationnels. Le nombre des observations de la station McDonald (MLRS2) a diminué depuis 2003. La station LLR de l'OCA a interrompu temporairement ses activités en septembre 2005 pour rénovation. Des observations nouvelles provenant de "APOLLO" (Apache Point Observatory, New Mexico) ne sont pas encore disponibles sur le site web de l'ILRS.

Activités De 2003 à 2006 plusieurs analyses ont été effectuées sur les données LLR. Les valeurs des résidus entre "observations" et "calculs" dépendent du nombre et de la nature des paramètres sélectionnés pour les ajustements. Les r.m.s. des "post-fit residuals" sur la distance station-réflecteur entre 1995 et 2006 est de 4.2 cm pour McDonald et de 3.8 cm pour l'OCA.

L'ajustement des paramètres de l'orbite lunaire sur la période [1969-2006] a permis d'améliorer la solution analytique du mouvement de la Lune élaborée à l'Observatoire de Paris (SYRTE) et conséquemment la précision des éphémérides lunaires. En particulier, la partie du terme quadratique de la longitude moyenne dépendant de l'effet de marée (moitié de l'accélération séculaire due aux termes de marée) a été évalué à -12.94"/siècle2.

Les paramètres de la rotation de la Lune ajustés sont les amplitudes des 3 termes principaux de la libration libre et leurs arguments respectifs. La théorie de la libration de la Lune développée au SYRTE a été comparée à plusieurs éphémérides numériques du JPL (DE245, DE403, DE405) qui utilisent des modèles gravitationnels et de marées différents. La forme analytique de la théorie a permis de démontrer que l'on pouvait passer aisément d'un modèle à l'autre en ajoutant à la théorie de courtes séries de Fourier et en tenant compte des différences des systèmes de référence. L'ajustement des paramètres de la libration libre aux observations LLR a été effectué avec une solution analytique de la libration de la Lune complétée par des séries numériques.

L'ajustement des coordonnées des réflecteurs lunaires aux observations LLR dans le système sélénodésique rapporté aux axes des principaux moments d'inertie a permis la correction des valeurs initiales de ces coordonnées (convention IERS 1992) de plusieurs dizaines de mètres.

1.4. ANALYSE DES DONNEES

LASER-LUNE

42

L'erreur estimée par moindres carrés est centimétrique mais l'exactitude de ces coordonnées dépend essentiellement du modèle de la libration physique utilisé.

Les analyses LLR permettent de déterminer l'orientation du système dynamique de référence par rapport à d'autres repères, en particulier l'ICRF "International Celestial Reference Frame". L'obliquité ε de l'écliptique dynamique moyen (époque J2000) sur l'équateur de l'ICRF, et l'angle φ séparant l'origine des ascension droites sur l'équateur de l'ICRF et l'équinoxe dynamique J2000, ont été évalués. La correction ∆p de la constante de la précession UAI 1976 a également été estimée. Ces valeurs confirment celles obtenues par la technique VLBI.

Le faible nombre de stations LLR ne permet pas d'améliorer significativement les coordonnées terrestres des stations. Une étude a été faite pour chercher comment les résidus LLR peuvent être améliorés en utilisant les séries temporelles des positions des stations fournies par le Satellite Laer Ranging (SLR) qui a un réseau de stations plus dense. Dans le cas de la station de l'OCA, où les observations du satellite Lageos et les observations LLR ont été réalisées sur le même site, avec le même instrument et la même technique laser, l'implémentation des séries SLR dans les analyses LLR sur la période commune [1998-2004] a réduit de 2 mm/an les dérivées des résidus LLR pendant ces 7 années. Des résultats plus significatifs sont attendus avec de nouvelles séries SLR.

Conclusion Sur les 35 dernières années la précision des mesures LLR de la distance station-réflecteur est passée de 25-30 cm dans les années 1970 à 2-3 cm dans les années 1990. Au début des années 2000 l'équipe LLR de l'OCA a estimé avoir une précision interne de l'instrument de l'ordre de 30-60 picosecondes sur le trajet aller-retour entre transmetteur et réflecteur (soit 5-10 mm sur la distance simple). La précision des observations reste donc meilleure que celle des modèles (3-5 cm). L'amélioration de la modélisation de certains effets est souhaitable comme les corrections troposphériques et l'orientation des réflecteurs en corrélation avec la libration de la Lune. La précision sub-centimétrique des observations actuelles et la grande qualité annoncée par les premiers résultats de la station "Apache Point Observatory" justifient la continuation du Lunar Laser Ranging.

Participants au projet Sébastien Bouquillon ; Jean Chapront ; Gérard Francou

Contact : polac.contact@obspm.fr

Références Chapront J., Francou G., 2006, "Lunar Laser Ranging: measurements, analysis and contribution

to the reference systems", International Celestial Reference System and Frame Report for 2001-2004, IERS Technical Note No. 34, J. Souchay, M. Feissel-Vernier (Eds.).

Bouquillon S., Chapront J., Francou G., "Contribution of Satellite Laser Ranging Results to Lunar Laser Ranging Analysis", Proc. Journées 2005 Systèmes de référence spatio-temporels, A. Brzezinski, N. Capitaine and B. Kolaczek (eds.).

Chapront J., Francou G., "The lunar libration: Comparisons between various models - A model fitted to LLR observations”, Proc. Journées 2004 Systèmes de référence spatio-temporels, N. Capitaine (ed).

Chapront J., Francou G., 2003, "The lunar theory ELP revisited. Introduction of new planetary perturbations", Astronomy and Astrophysics, Vol. 404, p. 735.

Bouquillon S., Kinoshita H., Souchay J., 2003, "Extension of Cassini's laws", Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, Vol. 86, p. 29.

43

Shelus P., Chapront J., 2003, "Recent contributions to LLR analysis", Presentation to 13th International Workshop on Laser Ranging (Washington DC), R. Noomen, S. Klosko, C. Noll, M. Pearlman (eds.).

44

2 - MECANIQUE ORBITALE ET CHAMP DE GRAVITE DE LA TERRE

2.1. Méthodes de mécanique orbitale

2.2. Champ de gravité de la Terre (CHAMP, GRACE, GOCE)

2.3. Gravimétrie et Bureau Gravimétrique International

45

46

Introduction Durant la période 2003-2006, le développement des méthodes de dynamique orbitale s’est poursuivi, avec une mise en œuvre dans les logiciels d’analyse de perturbations orbitales du GRGS, pour des applications spécifiques ayant pour buts :

- L’analyse de l’environnement gravitationnel dans lequel sont placées les sondes vues comme senseurs de force,

- L’analyse de l’environnement non gravitationnel,

- La physique fondamentale,

- L’analyse de mission de projets spatiaux, y compris sur le très long terme, et y compris les vols en formation.

Les outils logiciels du GRGS qui ont été développés durant cette période sont :

- GINS, au sein du GRGS-Toulouse, et en collaboration avec d’autres équipes,

- ODYSSEY, LAGRAN, CANEL, CODIOR, VOLFOR au sein du GRGS Grasse.

Les outils logiciels développés au GRGS sur la période 2003-2006

GINS : Géodésie par Intégrations Numériques Simultanées

Le logiciel GINS a reçu des améliorations dans de nombreux domaines :

� GPS : - précision accrue des orbites GPS (comparaisons aux orbites IGS à mieux que 10 centimètres r.m.s 3d),

- Possibilité d’ajuster les ambiguïtés entières de phase,

- Ajustement de réseaux locaux de récepteurs GPS,

- Ajustement des coordonnées d’un récepteur en mode PPP (orbites et horloges des GPS figées).

� Introduction et finalisation des fonctions de mesure GRACE et Laser Lune

� Ajout de la correction troposphérique calculée à partir des données de l’ECMWF

� Mise en conformité par rapport aux standards IERS 2003 (NRO, marées polaires…)

� En géodésie planétaire, le logiciel est opérationnel pour le calcul des champs de gravité planétaires statiques et variables. Les satellites Mars Odyssey et Mars Express ont été rajoutés en collaboration avec l’équipe de l’Observatoire Royal de Belgique.

Ces modifications et améliorations sont détaillées lors des Journées Gins organisées tous les ans au mois de juin à Toulouse et regroupent les développeurs et les utilisateurs de GINS.

LAGRAN : Intégration numérique des équations du mouvement Les développements concernent :

2.1. METHODES DE MECANIQUE

ORBITALE

47

� L’évaluation de quantités liées à la détection du chaos (variations maximales, exposants de Lyapunov), dans les équations osculatrices du mouvement intégrées sur de très grandes périodes de temps (dizaines voire centaines d’années). Le but suivi est l’analyse de la stabilité des orbites de débris spatiaux placés sur des orbites parking,

� La préparation de la mise en place des équations du mouvement sous l’action d’un champ de gravité développé en ondelettes.

CANEL : Détermination d’Eléments Moyens Observés Le logiciel permet de générer des EMO également pour les orbites à très faibles excentricités.

CODIOR : Intégration numérique des équations moyennes du mouvement Les développements de CODIOR concernent :

� La prise en compte des très faibles excentricités,

� La modélisation des résonances (au 1er ordre),

� Un mode de fonctionnement « loop » qui permet de prendre en compte plusieurs dizaines de milliers de conditions initiales,

� Une réflexion, à finaliser en 2007, sur l’initialisation à partir d’éléments osculateurs,

� La livraison au CNES d’une nouvelle version en mode « extrapolation », ainsi qu’une adaptation pour fonctionner sous Linux (dans un but de parallélisation du code),

� La réalisation d’une IHM.

VOLFOR : Analyse Analytique des Vols en Formation Le nouveau logiciel VOLFOR , à travers différents modules, a pour but la mise en œuvre des théories analytiques du mouvement relatif : le travail a été effectué pour le mouvement képlerien, et l’implémentation de l’ensemble du champ de gravité est en cours.

ODYSSEY: Integration numérique du mouvement dans le système solaire Ce nouveau logiciel a été mis en chantier au GRGS-Grasse, (Gilles Métris, Philippe Berio), pour participer à la ré-analyse des données de poursuite des missions Pionner 10 et 11.

Problèmes de mécanique céleste abordés

Problèmes « amont »

Potentiel de gravitation d’une couche mince ellipsoïdale Un grand nombre de phénomènes à l'origine de variations spatio-temporelles du potentiel gravitationnel d'un corps se produisent au voisinage de la surface de ce corps ; leur effet est en général traité en approximation sphérique par l'assimilation du volume où se produisent ces variations à une simple couche distribuée sur une sphère approximant le corps. Considérant l'accroissement de la précision des systèmes satellitaires, il est devenu nécessaire de reprendre ce problème et d'en formuler une solution analytique plus exacte.

Coefficients de Hansen généralisés Les coefficients de Hansen sont les coefficients du développement en série de Fourier par

rapport à l’anomalie moyenne de fonctions de la forme )1exp()( kfar n

− où r est le rayon

vecteur, a le demi-grand axe de l’orbite et f l’anomalie vraie, n et k sont des entiers. Ils sont très utiles dans de nombreux problèmes. Cependant une de leur limitation réside dans le fait que, sous leur forme classique, ils ne sont adaptés qu’au développement de puissances entières n du

48

rayon vecteur. Il se trouve que dans certains problèmes de calcul d’effets de perturbations d’origine non gravitationnelle, le développement de puissances non entières (plus précisément de puissances demi-entières) est requis. Nous avons à cet effet généralisé l’expression et le calcul des coefficients de Hansen à des valeurs non entières de la puissance.

Potentiel mutuel de masses très proches La loi en 1/r2 pour exprimer la force de gravité est valide pour des masses ponctuelles ou à symétries sphériques. Le potentiel mutuel entre deux corps non sphériques éloignés (c’est-à-dire dont les centres sont séparés d’une distance supérieure à la taille typique des corps) a été développé il y a presque 30 ans par N Borderies et G. Balmino. Tous ces développements sont inadaptés (et présentent même des singularités) dans le cas de deux masses dont les centres sont quasi confondus. Une telle configuration est rencontrée par exemple dans les expériences de tests du principe d’équivalence dans lesquelles on utilise comme masses d’épreuve deux cylindres emboîtés dont les centres sont quasiment confondus. Nous avons reformulé le développement du potentiel mutuel correspondant en introduisant ce que nous appelons les moments mutuels des deux masses. Nous obtenons ainsi une expression non singulière et rapidement convergente du potentiel mutuel.

Singularités dans les équations du mouvement

Singularités en excentricité Nous avons proposé une alternative à la théorie de Kaula, en éliminant toutes les singularités en excentricité. La nouvelle solution analytique est formulée en éléments non singuliers en excentricité. Cette solution analytique, comme celle de Kaula, comporte deux itérations : la première, dite à longues périodes, est intégrable, et sa solution est incorporée ensuite dans la deuxième pour la formulation de corrections. Notre alternative propose la prise en compte dans la solution à longues périodes de tous les termes zonaux du champ de gravité (alors que celle de Kaula ne prend en compte que les zonaux pairs).

Figure 1 : différences pour un satellite de type STELLA, entre : (i) l'excentricité calculée par la méthode de Kaula et une intégration numérique (courbe du haut) et (ii) l'excentricité calculée par la méthode décrite ici et la même intégration numérique (courbe du bas).

Les résultats que cette théorie sont de deux ordres. D'un point de vue qualitatif, elle permet de retrouver les comportements classiques -libration ou circulation- du périgée d'une orbite (la théorie de Kaula ne prévoit que la circulation). D'un point de vue quantitatif, la pertinence des théories est évaluée en comparant différentes intégrations analytiques avec une même intégration numérique. Les tests montrent que notre approche permet de construire des orbites

49

mieux corrélées avec l'intégration numérique que l'approche de Kaula dès lors que l'excentricité de départ est plus petite que quelques centièmes.

Singularités en inclinaison La reformulation des «équations du mouvement dans un jeu de variables « universelles » a été menée, en vue de leur moyennisation pour une analyse dynamique à long terme de la ceinture géostationnaire (collaboration Université de Namur).

Mécanique céleste des vols en formation La mécanique céleste des vols en formation est en plein développement, que ce soit pour étudier l’évolution au cours du temps d’une configuration initiale donnée, ou pour analyser la sensibilité d’une fonction de mesure à certains paramètres géodynamiques. Autour de la Terre, les vols en formation concernent des projets spatiaux comme Galileo, ou les configurations « super-GRACE ». Il s’agit aussi de définir des méthodes permettant à terme d’assurer le positionnement relatif d’un satellite par rapport à toute une constellation (dans l’environnement terrestre et dans le système solaire).

Théorie analytique des vols en formation C’est le thème du sujet de thèse de J. Fontdecaba(OCA/GEMINI, 2005-2008). Il s’agit :

� d’étudier l’évolution d’une configuration de constellation donnée,

� de développer une nouvelle théorie analytique du mouvement relatif, fondée en partie sur le formalisme des équations de Hill, et à la relier à des fonctions de mesure du type satellite-satellite,

� d’envisager quelques grandes applications en analyse de mission (type GRACE ou super-GRACE).

En ce qui concerne la stabilité des formations, il s’agit de faire une étude générale des vols en formations de façon à pouvoir comprendre les mouvements naturels (sans propulsion) des formations et les conditions nécessaires pour minimiser le coût (en termes de différence de vitesses) du maintien d’une configuration donnée. La clé pour avancer dans cette direction consiste à utiliser plusieurs représentations du mouvement relatif. Bien qu’il ait été historiquement représenté grâce à une position et une vitesse relatives au repère local orbital (dites aussi repère de Hill), il y a d’autres représentations qui sont aussi très intéressantes. En particulier, l’utilisation de différences d’éléments képlériens permet une extrapolation très rapide des orbites relatives.

Pour décrire la sensibilité des vols en formation aux paramètres du champ de gravité, nous avons introduit les perturbations dues au champ de gravité dans les équations du mouvement relatif. L’extrapolation du mouvement doit être faite en utilisant les différences d’éléments képlériens, la projection postérieure et antérieure du mouvement étant faite dans le repère de Hill en coordonnées cartésiennes. L’obtention analytique de la perturbation sur les positions et les vitesses relatives devrait permettre de comprendre pourquoi , dans le cadre de la mission GRACE par exemple, il est nécessaire d’utiliser les mesures de vitesse et de position de façon mélangée.

Paramètres optimaux pour deux satellites co-orbitants La cartographie du champ de gravité moyen terrestre, et de ses variations temporelles, à partir de mesures de distance et vitesse relative entre les deux satellites de la mission GRACE, passe par la détermination des orbites de ces deux satellites. Alors que la connaissance de leurs positions au niveau centimétrique est assurée grâce au suivi par les satellites du GPS, les mesures inter-satellites ont une précision telle que certaines composantes du vecteur défini par ces deux objets sont infiniment mieux déterminées ; c'est dans cette très grande précision (de

50

niveau micrométrique) que réside la capacité de la mission à suivre les variations spatio-temporelles petites indécelables par d'autres systèmes.

Le paramétrage usuel en éléments orbitaux ou rectangulaires classiques, séparément pour chaque satellite, est inadéquat pour une bonne séparabilité des inconnues orbitales. Ces douze paramètres doivent donc être remplacés par douze autres variables plus appropriées aux caractéristiques géométriques et métrologiques du problème, variables qui sont ajustées à l'instant initial de chaque arc traité. Ainsi, les mesures inter-satellites sont plus sensibles à certaines combinaisons des vecteurs d'état des deux objets qu'aux paramètres usuels.

La transformation choisie introduit le vecteur position du point milieu des deux satellites (de fait les coordonnées sphériques de ce point et leur dérivée temporelle), et le vecteur inter-satellites lui-même (ses composantes, et dérivées, dans le repère d'intégration de l'orbite, ou dans un repère mobile – repère orbital local du point milieu). La transformation a été explicitée, ainsi que son inverse, et les matrices jacobiennes (directe et inverse) ont été calculées analytiquement.

Détection du chaos Les études de détection du chaos, telle qu’il peut être mis en évidence dans nombre de systèmes gravitationnels célestes, ont été poursuivies. En particulier, de manière numérique, il est maintenant possible de propager simultanément plusieurs orbites aux conditions initiales très proches, ce qui facilite grandement le calcul des exposants de Liapunov.

Figure 2: détection de chaos potentiel dans les orbites MEO, par la méthode de variation maximale

des éléments (ici sur le demi –grand axe)..

Applications : analyse de l’environnement gravitationnel

Les grandes longueurs d’onde du champ de gravité terrestre C’est une application de CODIOR qui permet la détermination des coefficients zonaux de (très) bas degrés, et de leurs variations temporelles (y compris variations séculaires et à très longue période, dont 18.6 ans). Une nouvelle réduction des données sur plus de quinze ans a été réalisée. Voir aussi toute la partie spécifique aux nouvelles missions d’étude des champs de gravité terrestre et martien

Le champ de gravité de la Terre et des planètes Voir toute la partie spécifique aux nouvelles missions d’étude des champs de gravité terrestre et martien.

51

Une étude fondée sur la projection de la théorie de Kaula sur une ligne de visée Terre-Mars a également été menée au printemps 2005, dans le stage Master 2 de Jordi Fontdecaba. Cette étude a été appliquée à l’observation des variations temporelles des premiers coefficients zonaux du champ martien.

Applications : analyse de l’environnement non gravitationnel

Effet d’orages géomagnétiques L'effet des orages magnétiques d'oct. et nov. 2003 a été mis en évidence sur le mouvement moyen des satellites Starlette, Stella, AJISAI. Il a donné lieu à une publication où les données de télémétrie laser sont associées à des données DORIS. Les résultats obtenus confirment la grande potentialité de la théorie du mouvement moyen à rendre compte des perturbations non gravitationnelles.

Figure 2 : Effet sur le demi-grand axe moyen de Starlette des orages magnétiques d'oct-nov 2003.

Pressions de radiation En collaboration avec l’Université de Namur, une étude est en cours sur la caractérisation dynamique des orbites à très fort rapport surface/masse (de l’ordre de 50m2/kg).

Applications en physique

L’angle de Hannay et le problème des trois corps En 1984, Berry a montré que l’utilisation systématique de la méthode de l’invariant adiabatique en mécanique quantique conduisait à négliger un effet séculaire nommé depuis « phase de Berry ». En 1985, Hannay a montré que le même type de phénomène existait en mécanique classique : c’est l’angle de Hannay. En 1996, Berry et Morgan ont calculé l’angle de Hannay dû à la perturbation d’un troisième corps ; lorsque l’on évalue analytiquement la variation séculaire du mouvement d’un satellite de la Terre sous la perturbation d’un corps extérieur (la Lune par exemple), on peut le décomposer artificiellement de la manière suivante : un effet indépendant du mouvement de la Lune et un effet lié au mouvement de la Lune. Ce second effet est l’angle de Hannay. Nous avons montré que : (i) Cet angle de Hannay, effectivement négligé dans la méthode de l’invariant adiabatique, est parfaitement pris en compte dans les méthodes par transformation utilisées classiquement en mécanique orbitale et (ii) le calcul de Berry et Morgan était entaché de très sérieuses erreurs.

Effets non gravitationnels sur le mouvement de LAGEOS-1 Le suivi très précis du mouvement de Lageos sur presque 30 ans permet de mettre en évidence des perturbations très faibles (de l’ordre de quelques 10-12 ms-2). L’hypothèse d’une dissymétrie

52

des propriétés optiques entre les deux hémisphères du satellite est aujourd’hui nécessaire pour expliquer certaines propriétés du mouvement observé sur le long terme. Or, la raison de cette dissymétrie n’est pas identifiée. Depuis quelques années, la répartition non symétrique des 4 rétro-réflecteurs en Germanium (plus de 400 autres sont en silicium) était invoquée comme une cause possible mais cela n’avait jamais été testé précisément. Nous avons démontré à l’aide de simulations numériques que ce phénomène pouvait difficilement expliquer plus de 10% de l’effet recherché.

Applications : analyse de mission

Résonances dans la constellation Galileo La théorie du mouvement moyen (à travers CODIOR) a permis la publication d’un article sur la stabilité sur 15-20 ans de la constellation Galileo. Il a justifié le changement de demi-grand axe des orbites Galileo, passant de 29 993km (en résonance 5/3 avec la rotation terrestre, perturbations importantes car proportionnelles à J5,5), à 29 600 km (en résonance 17/10 avec la rotation terrestre, perturbations négligeables sur 20 ans car proportionnelles à J17,17).

La définition des orbites parking Deux facteurs principaux sont à prendre en compte : d’une part l’activité solaire, dont dépend la durée de vie des satellites dont une partie au moins de l’orbite traverse des couches denses de l’atmosphère, et d’autre part l’influence gravitationnelle de la Lune et du Soleil qui a tendance a faire augmenter, ou non, l’excentricité des orbites. Dans tous les cas, il s’agit d’étudier la stabilité du mouvement, en propageant sur de très longues périodes de temps (plusieurs dizaines voire centaines d’années) les orbites osculatrices ou moyennes du mouvement. Une collaboration avec l’Université de Padoue est en cours sur ce domaine.

Participants au projet

GRGS-Grasse François Barlier, Philippe Berio, Florent Deleflie, Pierre Exertier, Jordi Fontdecaba, Olivier Laurain, Gilles Métris

Collaborations : David Coulot (LAREG), Massimiliano Guzzo (Univ. Padoue), Paul Legendre (CNES), Anne Lemaitre (FUNDP), Isabelle Panet (IPGP-LAREG), Stéphane Valk (FUNDP)

GRGS-Toulouse Georges Balmino, Richard Biancale, Sean Bruinsma, Jean-Michel Lemoine, Jean-Charles Marty, Felix Perosanz

Références bibliographiques Balmino G., Ellipsoidal corrections to spherical harmonics of surface phenomena gravitational effects ;

Techn. Univ. Graz, special pub. in honour of Prof. H. Moritz; 2003. Balmino G., Paramétrage mixte des orbites des deux satellites de la mission GRACE. Note technique

DSO/ED/GS/03-085, CNES, 2003. Breiter S., Métris G., Vokroulicky D., Generalized Hansen coefficients, Celestial Mechanics and

Dynamical Astronomy, 88, 153-161, 2004. Deleflie F., P. Exertier, 2004, Modelling and Characterizing the Earth Gravity Field: from Basic

Principles to Actual Purposes, Lecture Notes in Physics, 682, J. Souchay Ed., Springer, 67-87, 2006

Deleflie F., F. Barlier, P. Exertier, 2004, Le système Galileo, une technique d’avenir pour la géodésie spatiale de très haute exactitude, Revue XYZ, 100, pp49-58.

53

Deleflie F., P.Legendre, P. Exertier, F. Barlier, Long term stability of the Galileo constellation due to gravitational forces, Advances in Space Research, Vol. 36, Issue 3, Pages 319-592, 2005

Deleflie F., P. Exertier, Mission GRACE et données de télémétrie laser : Variations temporelles du champ de gravité, développements méthodologiques et enjeux, Journées Scientifiques de l’OCA, Nice, janvier 2005

Deleflie F., On the eccentricity growth of MEO Orbits, Comptes Rendus de la semaine 2005 de la SF2A, EDP Science, 2005

Deleflie F., S. Valk, M. Guzzo, A. Lemaître, Impact of the web of resonances on the long term evolution of Galileo-like satellites, CelMec, Rome, sept 2005

Valk S., A. Lemaître, F. Deleflie, Is the theory of mean orbital motion convenient to compute orbits of earth space debris?, CelMec, Rome, sept 2005

Deleflie F., G. Métris, P. Exertier, Long-Period Variations of the Eccentricity Vector Valid also for Near Circular Orbits around a Non-Spherical Body, Celest. Mech. 94, 1, 83-104, 2006

Deleflie F., G. Métris, P. Exertier, An Analytical Solution of the Lagrange Equations Valid also for Very Low Eccentricities: Influence of a Central Potential, Celest. Mech. 94, 1, 105-134, 2006

Deleflie F., G. Métris, A long orbital arc of the artificial satellite LAGEOS-1 to study spin orbit effects, in "The rotation of celestial bodies", Proceedings of the workshop organized in honour of Professor Jacques henrard at the occasion of his retirement, University of Namur, Ed. Anne Lemaitre, Presses Universitaires de Namur, 2007

Fontdecaba J., Analyse de la fonction de mesure Mars Express et Mars Global Surveyor pour la détermination des variations temporelles du champ de gravité martien, stage de Master 2

« Dynamique des Systèmes Gravitationnels de l’Observatoire de Paris, 2005 Spallicci A., A.Morbidelli et G. Métris, The three-body problem and the Hannay angle, Non

Linearity, 18(1), 45-54, 2005. Vokrouhlicky D. et Métris G., Lageos assymetric reflectivity and corner cube reflectors, soumis à

Journal of Geophysical Research, 109(B), 10401, 2004. Willis P., F. Deleflie, F. Barlier, Y.E. Bar-Sever, L.J. Romans, Effects of thermosphere total

density perturbations on a LEO orbit during severe geomagnetic conditions (oct - nov 2003) using DORIS and SLR data, Adv. Sp. R., 36(3), 522-533, 2005

54

Introduction La période 2003-2006 a été riche en activité en terme de modélisation du géoïde terrestre et les résultats à hauteur des espoirs placés dans les missions spatiales CHAMP et GRACE de cartographie du champ de gravité de la Terre (bien que des progrès sont encore possible). Les données du satellite CHAMP (CHAllenging Mini-satellite Payload for geophysical research and application) lancé en juillet 2000, notamment accélérométriques et GPS nous ont permis d’améliorer les modèles statiques de champ de gravité dénommé dorénavant EIGEN et produits en coopération avec le GeoForschungszentrum de Potsdam. En mars 2002, le couple de satellites GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) a été placé sur orbite et a apporté un nouveau type de données extrêmement pertinentes pour la modélisation du champ de gravité. Cependant l’ensemble des données : accélérométriques, GPS et surtout inter-satellites en bande K n’a été délivré qu’après une longue phase d’étalonnage/validation par les groupes PIs (CSR et GFZ) de près de 3 ans. L’Equipe de Géodésie Spatiale du CNES/GRGS produit depuis des modèles temporels à la périodicité décadaire de façon continue, quoique avec un différé de quelques mois dû au délai d’obtention des données. Ces modèles sont mis à disposition de la communauté scientifique à travers le site web du BGI et servent à de nombreuses études interprétatives à caractère hydrologique, glaciologique, océanographique, tectonique… De plus, cette Equipe participe en coopération avec le GFZ à l’amélioration des modèles haute résolution (au degré harmonique sphérique 360) par combinaison avec les données terrestres. Il est à noter que le dernier modèle EIGEN-GL0C4 produit en 2006 a été choisi pour le calcul opérationnel des orbites des satellites altimétriques Jason et ENVISAT, preuve de sa qualité dans un domaine de recherche international.

La troisième mission de la décennie : GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer mission), dédiée elle à la cartographie haute résolution du champ de gravité, a été retardée pour des raisons techniques. Son lancement est prévu dorénavant pour fin 2007, voire début 2008. Les équipes du consortium Européen GOCE-Gravité (EGGc) impliquées dans les traitements (dont le CNES/GRGS) ont cependant poursuivi leur activité de préparation et de simulation selon le calendrier établi par l’ESA.

Par ailleurs, une analyse longue période du coefficient C20 du champ de gravité a été effectuée en 2004 sur près de 19 ans de données laser des satellites Lageos, analyse qui a permis d’élaborer un modèle de corrections annuelle, semi-annuelle, à la période (et demi-période) de marée de 18,6 ans. Le modèle obtenu s’accorde remarquablement avec les résultats plus actuels des modèles décadaires GRACE-Lageos.

Enfin, les mesures d’accélérométrie spatiale délivrées par les missions CHAMP et GRACE ont également une application directe : elles sont utiles à la modélisation de la thermosphère à condition de bien les étalonner puis de les convertir proprement en mesures de densité. Les équipes du GRGS étant impliquées depuis 30 ans dans cette thématique, il semblait naturel d’analyser ces données en vue de produire une nouvelle version d’un modèle DTM de densité thermosphérique. Les travaux préparatoires sont menés en coopération avec l’Université du Colorado et l’Institut d’Astronomie de Prague.

2.2. CHAMP DE GRAVITÉ DE LA TERRE : CHAMP, GRACE, GOCE

55

CHAMP CHAMP est une mission DLR/GFZ dédiée à la mesure globale des champs de gravité et magnétique terrestres, en coopération (pour la charge utile scientifique) entre l’Allemagne, la France et les USA. Le satellite, lancé sur une orbite à 460 km d’altitude et 87° d’inclinaison, embarque le micro-accéléromètre STAR de l’ONERA de précision 3. 10-9 m/s2 (sur 2 axes dans la bande spectrale 10-1-10-4 Hz, celle de l’axe radial étant limité à 3. 10-8 m/s2) qui permet la séparation entre les forces gravitationnelles et les forces de surface s’exerçant sur le satellite (freinage atmosphérique, pression de radiation…). L'extraction des paramètres (étalonnage de l’accéleromètre, potentiel gravitationnel terrestre…) se fait par inversion des perturbations orbitales, déduites du suivi de la trajectoire par les satellites de la constellation GPS.

La défaillance d’une électrode radiale rendant la mesure de l’accélération selon cet axe incertaine a fait l’objet de plusieurs études correctrices. La dernière réalisée en 2003 a pu être validée avec succès sur la mission GRACE. Elle repose sur le report de l’accélération tangentielle en accélération radiale par l’effet de « ratio lift/drag », aux accélérations modélisées de pression de radiation près.

Le dernier modèle intégrant les données de CHAMP a été restitué en 2003. EIGEN-CHAMP03S produit en coopération entre le GFZ et le GRGS et incluant 3 ans de données a atteint une qualité de géoïde de l’ordre de 6 cm à 400 km de résolution. Cependant, à la même époque, le premier modèle calculé par le GFZ issu des seules données GRACE sur 39 jours (EIGEN-GRAC01S) a montré une qualité déjà dix fois meilleure.

Cela diminuait l'intérêt de la composante gravitationnelle de la mission CHAMP à compter de la mise à disposition des données GRACE. Les travaux se sont donc orientés à partir de 2004 vers le suivi de l’accéléromètre et de son étalonnage ainsi que vers l’étude de la densité de la thermosphère (au moyen de l’accélérométrie spatiale). Les exploitations systématiques sont conduites en sous-traitance à Noveltis, notamment les traitements opérationnels des mesures GPS et accélérométriques, la génération des orbites précises et des paramètres d’étalonnage de l’accéléromètre). Un traitement spécifique supplémentaire destiné à isoler la valeur de la densité atmosphérique (par soustraction des accélérations de pression de radiation aux accélérations étalonnées STAR, puis par division des coefficients aérodynamiques et autres facteurs de vitesse et de surface/masse) est réalisé périodiquement. Les valeurs de la densité toutes les 10 s qui sont alors incluse dans la base de données thermosphérique. Six ans de valeurs de densité réparties sur un demi-cycle solaire (de son maximum à son minimum) sont à ce jour archivées.

Les modèles de densité de la thermosphère terrestre ont une incertitude d'environ 15 à 20 %, en partie due à un manque de données pertinentes. L'accéléromètre STAR qui a d'ores et déjà enregistré le freinage atmosphérique avec une grande résolution spatio-temporelle sur quelque 100 km d'altitude, suite à la descente progressive du satellite en 6 ans, offre donc une réelle opportunité pour améliorer ces modèles. Le premier travail a consisté à étalonner les accélérations mesurées avant de les convertir en densité totale (constituée principalement d'oxygène à ces altitudes, mais aussi d'azote et d'hélium). Fondés sur ces nouvelles données, les travaux de modélisation de la thermosphère ont repris en 2005 en collaboration avec l'Institut d'Astronomie de Prague, l'Institut Pierre Simon Laplace et le Laboratoire de Planétologie de Grenoble. Les premières études ont consisté à valider et analyser les données et établir les corrélations entre la densité et les indices de flux solaire ou d'activité géomagnétique. L'objectif à terme est de réaliser un nouveau modèle de type DTM. Une coopération internationale (NCAR/Boulder, Institut d'Astronomie/Prague) a également été établie pour cet objectif.

GRACE GRACE, mission NASA-DLR, est une mission entièrement dédiée à la modélisation du champ de gravité et à la détection de ses variations grandes longueurs d’onde. Elle est réalisée par

56

deux satellites analogues à CHAMP (mais sans la charge utile magnétométrique), placés sur orbite polaire à 480 km d’altitude, qui co-orbitent à faible distance (150 à 300 km), celle-ci étant mesurée par lien micro-onde croisé avec une précision micrométrique (information qui s'ajoute au suivi par les satellites GPS). Cette mesure sur deux fréquences en bandes K et Ka, appelée KBR (K-Band Ranging), est toutefois relative, à un biais près. Chacun des satellites est équipé en outre d'un micro-accéléromètre (Super-STAR, de l'ONERA) de performance 10 fois supérieure à celle de STAR sur CHAMP.

Le traitement des données (GPS, accélérométriques - pour les deux satellites, auxquelles s’ajoutent les mesures inter-satellites) se fait par tranches décadaires. Etant donnée la précision extrême de la mesure inter-satellites (au micron), certains phénomènes restent encore mal compris et nécessitent une paramétrisation empirique. L'équipe de Géodésie Spatiale du CNES/GRGS a développé et expérimenté plusieurs approches (traitements de la distance, puis des observables dérivées : vitesse, et enfin accélération) pour la modélisation du champ et a démarré en 2005, avec l'aide de Noveltis, la phase opérationnelle de ce traitement. Pour cette phase, la mesure KBR dérivée (par un logiciel développé en interne) de la distance biaisée inter-satellites a été utilisée ainsi que les mesures laser des satellites LAGEOS et LAGEOS2 sur la même période afin de contraindre le degré 2 du géopotentiel. Un modèle statique nommé EIGEN-GL04S développé en harmoniques sphériques au degré 150 a été restitué sur exactement 2 ans de données (2003-2004). Ce modèle, tout comme les modèles dits décadaires (bien qu’en fait ils cumulent 30 jours de données, mais avec un poids moitié pour les décades encadrant la décade centrale) développés au degré 50 et calculés depuis le mois de juillet 2002, ont été restitués, présentés aux colloques internationaux et distribués dans un premier temps sur support CDROM, puis mis à disposition sur le site web du BGI (Bureau Gravimétrique International) à Toulouse comme sur celui de l’ICGEM (International Centre for Global gravity field Earth Models) à Potsdam au fur et à mesure de l'avancement des traitements.

Ce modèle S (pour "satellite"), tout comme la solution du EIGEN-GRACE04S du GFZ, a servi de base à un modèle plus haute résolut!ion, au degré harmonique sphérique 360 : EIGEN-CL04C. Ce modèle haute résolution réalisé en coopération avec le GFZ intègre en outre des données moyennes à haute résolution (1° x 1°) d'anomalies de gravité ou de surface moyenne océanique corrigée d'un modèle de circulation océanique (ECCO). Il sert de référence aux calculs opérationnels réalisés par le CNES des satellites altimétriques (Jason, ENVISAT) et fournit un modèle de géoïde, de qualité 2 cm à la résolution de 200 km et 13 cm à la résolution de 55 km (erreurs cumulées aux degrés 100 et 360 respectivement). Les comparaisons avec les données de gravité s'accordent à 4,1 mgal près sur les océans et 10,9 mgal près sur les continents à la résolution du modèle. Ce modèle résulte d'un cumul d'équations normales pleines et bloc-diagonales (pour les degrés 144 à 360) pour les données terrestres réparties en maillage complet. Une attention toute particulière a été portée sur le mélange des différents types d'équations (LAGEOS, GRACE, surfaces moyennes) avec un recouvrement suffisant en degré afin d'assurer une continuité lisse de la puissance spectrale par degré du modèle.

57

Figure 1 : historique

des différences spectrales cumulées des modèles de géoïde européens GRIM et EIGEN par rapport au modèle EIGEN-GL04S estimé par sa courbe d’erreur.

Comme le montre la figure 1, la précision des modèles de champ de gravité (tracée en terme de hauteur de géoïde) a gagné de 2 à 3 ordres de grandeur en quelques années grâce au missions dédiées CHAMP et surtout GRACE. La précision de géoïde comme modélisée par EIGEN-GL04S est dorénavant submillimétrique à la résolution de 400 km (degré 50) et centimétrique à celle de 200 km (degré 100). Au-delà, les données terrestres (anomalies de gravité, surface moyenne dérivée de l’altimétrie) apportent une contribution encore prépondérante et croissante (comme le montre le modèle EIGEN-GL04C), que les données de gradients de gravité de la prochaine mission GOCE devraient en partie supplanter.

Une innovation majeure apportée par la mission GRACE est sans conteste la réalisation de modèles temporels qui démontrent désormais que les grandes variations de masse deviennent décelables depuis l’espace, qu’elles soient liées au cycle hydrologique annuel, à la fonte des glaces polaires ou encore à des événements tectoniques majeurs. Ainsi, il devient possible à travers les modèles décadaires de géoïde, tels ceux restitués par l’Equipe de Géodésie Spatiale du CNES/GRGS, de mettre en évidence les fluctuations saisonnières des grands bassins hydrologiques. Les signaux annuels bruts apparaissant en déformation de géoïde peuvent atteindre jusqu’à 15 mm avec une précision du dixième, ce qui correspond par exemple, à des fluctuations annuelles d’eau dans le bassin de l’Amazone de l’ordre de 800 km3 en accord avec différents modèles hydrologiques. Exprimés en hauteur d’eau équivalente, les spectres d’amplitude montrent bien des variations moyennes autour du cm par degré harmonique sphérique jusqu’à la résolution de 600 km (voir figure 2). Ce graphique montre également qu’une stabilisation croissante vers le modèle moyen a été appliquée au-delà du degré 30 qui évite les artefacts liés à la perte de sensibilité des modèles sur 10 jours, voire 30 jours.

58

Figure 2 : spectre des modèles décadaire en hauteur d’eau équivalente

Une autre application concerne les phénomènes de déglaciation qui ont pu être mis en évidence à partir de 3 ans de mesures. Les modèles décadaires montrent nettement un enfoncement du géoïde de plus de 10 mm par an – soit une perte de masse – sur les bords ouest de l’Antarctique comme sud-est du Groenland ou sud de l’Alaska. Là, des études interprétatives conduites en coopération au laboratoire LEGOS de l’Observatoire Midi-Pyrénées ont conclu à des pertes de plus de 100 km3 de glace par an qui sont naturellement à rapprocher du réchauffement climatique.

Enfin, comme autre exemple d’application, cette fois à caractère géophysique, il est à mentionner l’affaissement du fond de la mer d’Andaman suite au séisme de Sumatra du 26 décembre 2004. En quelques tours d’orbite, GRACE a pu détecter cette rupture brutale qui a engendré un enfoncement de 8 mm du géoïde (voir figure 3) ainsi qu’une élévation en arc de cercle à l’est de Sumatra. Exprimé en mouvement de la lithosphère, cela correspond à un enfoncement de l’ordre de 20 cm aux échelles modélisées. Plus curieux est le phénomène de relaxation qui perdure et qui donne lieu à des études interprétatives sur la rhéologie de la zone, comme celles conduites au LAREG/IGN ou à l’EOST/Strasbourg.

59

Lageos Un retraitement de 18,9 ans (de 1985 à 2004) de LAGEOS et 11,5 ans de LAGEOS2 a été effectué. Ce retraitement a en particulier permis de calculer l’évolution temporelle du degré 2 du champ de gravité terrestre de façon homogène (voir figure 4), par périodes de 10 jours, qui montre les effets non ou mal modélisés de la variation d’aplatissement dynamique de la Terre, liés aux saisons mais aussi à la marée lunaire de 18,6 ans. Il a également permis d’obtenir une solution moyenne du réseau de stations laser et d’observer les mouvements périodiques du géocentre. La solution station présente une dérive en Z de l’ordre de 1.5 mm/an par rapport à l’ITRF2000, dérive d’ailleurs corroborée par d’autres études. Il est à mentionner qu’à cause d’un problème de résidus élevés obtenus sur un arc de 10 jours particulier, nous avons pu constater par une étude plus poussée que l’anomalie moyenne (et donc le demi-grand axe) de l’orbite a subi une petite impulsion inexpliquée le 5 avril 2002 à 3h19 TAI. Cette anomalie peut sans doute être interprétée comme un impact de micro-particule subi par le satellite LAGEOS qui a modifié sa vitesse de l’ordre de 3 10-5 m/s. Cette série est poursuivie par les traitements combinés GRACE-LAGEOS réalisés également à l’échelle décadaire.

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

����������������� �������������������������������� �������� ������������ ������

GOCE GOCE (Gravity field and Ocean Circulation Explorer) est la troisième mission de gravimétrie spatiale de la décennie et la première mission cadre sélectionnée à l’ESA dans le programme Earth Explorer. Le consortium EGGc (European GOCE Gravity consortium), dont l’équipe géodésie spatiale du CNES fait partie, est constitué de dix équipes européennes. Le consortium a été choisi par l’ESA après un Announcement of Opportunity (AO) pour les traitements de données de niveau 1b et 2. L’objectif final est la modélisation à haute résolution du champ de gravité terrestre statique avec une erreur de moins de 2 cm cumulée à degré 200. Le rôle du CNES dans ce projet est la modélisation du champ de gravité par la méthode classique numérique, dite « directe », en coopération avec le GeoForschungsZentrum de Potsdam.

Le projet a démarré en avril 2004 mais la signature des contrats entre les partenaires du EGGc et de l’ESA a eu lieu en octobre. Le début du projet a surtout été de caractère administratif : préparation des documents décrivant les interfaces, les produits, l’architecture, les tests, etc. A partir du milieu de l’année 2004 nous avons commencé à faire des simulations de restitution du champ de gravité avec les données de positions (« GPS »). Nous avons également comparé

60

notre logiciel GINS avec le logiciel allemand EPOS du GFZ. La comparaison des accélérations et des gradients de gravité d’un arc GOCE simulé nous a permis de corriger les différences, voire des erreurs, et à présent nous avons une excellente compatibilité. En décembre 2004 le consortium a passé avec succès le « Acceptance Review 0 », une première revue clé de l’ESA. Ce test concernait les interfaces entre les dix partenaires du consortium et le formatage correct des données et produits.

La comparaison entre GINS et EPOS a été rendue nécessaire une deuxième fois en 2005 à cause de l’implémentation des « IERS Conventions 2003 » et des « GOCE Standards ». La comparaison des positions, accélérations et des gradients de gravité d’un arc GOCE simulé nous a permis de corriger des petites erreurs et à présent nous avons de nouveau une excellente compatibilité. Les algorithmes utilisés dans GINS ont été évalués et testés en juin 2005, en particulier la module de filtrage des équations d’observations. Le « Critical Design Review » (CDR) est la revue ou l’ESA évalue si le degré de maturité d’un projet est suffisant pour atteindre les spécifications, et donc s’il faut continuer. Cette étape a été passée en juillet 2005.

En novembre 2005 le consortium a passé avec succès le « Acceptance Review 1 », la troisième revue clé (après l’AR-0 et le CDR) de l’ESA. Ce test concernait les interfaces entre les dix partenaires du consortium, formatage correct des données et produits, et la performance et précision des programmes. Le test, qui s’est déroulé en septembre et octobre 2005, a constitué à traiter 30 jours d’observations simulées (orbites, accélérations, gradients de gravité bruités) fournies par l’ESA. Le résultat a été positif : le champ de gravité produit par le CNES et le GFZ jusqu’au degré 150 avait une précision largement supérieure à la spécification pour ce test.

Le consortium a formellement passé avec succès le « Acceptance Review 2 » en novembre 2006, la dernière revue clé (après l’AR-0, le CDR et l’AR-1) de l’ESA. Les logiciels du consortium sont dorénavant figés. Le test concernait les interfaces entre les dix partenaires du consortium, formatage correct des données et produits, et la performance et précision des programmes. Le test, qui s’est déroulé de juin à septembre 2006, constituait à traiter 60 jours d’observations simulées (orbites, accélérations, gradients de gravité bruités) de l’ESA par le consortium. Le champ de gravité produit par le CNES et le GFZ, cette fois jusqu’au degré 200, a atteint la précision requise pour ce test.

Les résultats intermédiaires des simulations à haut degré (240) ont été présentés à l’AGU Fall Meeting 2005. Des simulations, hors cadre EGGc mais avec le GFZ, ont été faites aussi en 2006 et ont pour but l’évaluation des effets sur les performances de la mission en cas de délai de lancement. En particulier, la mission a été simulée à plusieurs altitudes (supérieures à l’altitude nominale) afin d’évaluer la perte de sensibilité au champ de gravité.

Le lancement de GOCE a été retardé plusieurs fois. La date officielle de lancement au moment de la rédaction est 17 décembre 2007. Afin d’aider les équipes en difficulté financière due au retard de lancement, l’ESA a décidé d’accorder un contrat pour la « Bridging Phase », l’ « Acceptance Review 3 » fait parti du contrat et se déroulera de juin à septembre 2007.

Participants au projet G. Balmino (GRGS/CNES, Toulouse)

R. Biancale (GRGS/CNES, Toulouse)

S. Bruinsma (GRGS/CNES, Toulouse)

J.-M. Lemoine (GRGS/CNES, Toulouse)

J.-C. Marty (GRGS/CNES, Toulouse)

F. Perosanz (GRGS/CNES, Toulouse)

M. Sarrailh (GRGS/CNES, Toulouse)

N. Vales (GRGS/CNES, Toulouse)

61

S. Melachroïnos (thésard)

Références bibliographiques Ch Reigber, P Schwintzer, K-H Neumayer, F Barthelmes, R König, Ch Förste, G Balmino, R

Biancale, J-M Lemoine, S Loyer, S Bruinsma, F Perosanz, T Fayard : The Champ-only Earth Gravity Field Model, EIGEN-2, Adv. Space Res., Vol. 31, N° 8, pp. 1883-1888, 2003.

Ch Reigber, G Balmino, P Schwintzer, R Biancale, A Bode, J-M Lemoine, R Koenig, S Loyer, H Neumayer, J-C Marty, F Barthelmes, F Perosanz, S Zhu : Global gravity field recovery using solely GPS tracking and accelerometer data from CHAMP, Space Science, 108, pp. 55-66, 2003.

J.A. Johannessen, G. Balmino, C. Le Provost, R. Rummel, R. Sabadini, H. Sunkel, C.C. Tscherning, P. Visser, P. Woodworth, C.W. hughes, P. Legrand, N. Sneeuw, F. Perosanz, M. Aguirre-Martinez, H. Rebhan and M.R. Drinkwater : The European gravity field and steady-state ocean circulation explorer satellite mission : its impact on geophysics, Surveys in Geophysics, Kluwer Ac. Pub., 24, pp. 339-386, 2003.

S Bruinsma, S Loyer, J-M Lemoine, F Perosanz, D Tamagnan : The impact of accelerometry on CHAMP orbit determination, Journal of Geodesy, 77, pp 86-93, 2003.

L Gourdeau, J-M Lemoine, M-H Rio, F Hernandez : Estimating mean dynamic topography in the tropical Pacific Ocean from gravity and altimetry satellites, Geophysical Research Letters, Vol. 30, No 20, pp 2062, 2003.

M Llubes, N Florsch, B Legresy, J-M Lemoine, S Loyer, D Crossley, F Rémy: Crustal thickness in Antarctica from CHAMP gravimetry, Earth and Planetary Science Letters, 212, pp 103-117, 2003.

C Hernandez : Evaluation de méthodes de différentiation des mesures GPS des satellites CHAMP et GRACE, rapport de stage Mastère ENSA, 2003.

B Lienhardt : Modélisation du champ de gravité terrestre à haute résolution, rapport de stage INSA, 2003.

J Couturier: Evaluation des modèles de champ de gravité de la Terre, rapport de stage INSA, 2003.

S Bruinsma, D Tamagnan, R Biancale, Atmospheric densities derived from CHAMP/STAR accelerometer observations, Planetary and Space Science, Vol. 52, Issue 4, pp 297-312, 2004

G. Bourda, Rotation Terrestre et variations du champ de gravité, étude et apport des missions CHAMP et GRACE, Thèse, Observatoire de Paris, 2004.

Forbes, J. M., G. Lu, S. Bruinsma, S. Nerem, and X. Zhang (2005), Thermosphere density variations due to the 15-24 April 2002 solar events from CHAMP/STAR accelerometer measurements, J. Geophys. Res., 110, A12S27, doi:10.1029/ 2004JA010856.

Reigber Ch., H. Jochmann, J. Wünsch., S. Petrovic, P. Schwintzer, F. Barthelmes, K.-H. Neumayer, R. König., Ch. Förste, G. Balmino, R. Biancale, J.-M. Lemoine, S. Loyer, F. Perosanz, Earth Gravity Field and Seasonal Variability from CHAMP, in: Reigber Ch., Lühr H., Schwintzer P., Wickert J. (eds.), Earth Observation with CHAMP - Results from Three Years in Orbit, Springer, Berlin, 25-30, 2005.

Reigber Ch., P. Schwintzer, R. Stubenvoll, R. Schmidt, F. Flechtner, U. Meyer, R. König, K.-H. Neumayer, Ch. Förste, F. Barthelmes, S.Y. Zhu, G. Balmino, R. Biancale, J.-M. Lemoine, H. Meixner, J.-C. Raimondo : A High Resoluton Global Gravity Field Model Combining CHAMP and GRACE Satellite Missions and Surface Data : EIGEN-CG01C, soumis au Journal of Geodesy, 2005.

Biancale R., J.-M. Lemoine, G. Balmino, S. Loyer, S. Bruinsma, F. Perosanz, J.-C. Marty, P. Gégout : 3 years of decadal geoid variations from GRACE and LAGEOS data, CD-ROM, CNES/GRGS product, 2005.

Abdennabi, H., Méthode alternative de détermination du champ de gravité de la terre à partir des données du satellite GRACE, rapport de stage CNES/ENSICA, 2005.

Loyer S., Rapport final des travaux CHAMP/GRACE/GOCE 2005, rapport Noveltis 331-BL-3405, 2005.

62

Biancale R. and A. Bode, Mean Annual and Seasonal Atmospheric Tide Models based on 3-hourly and 6-hourly ECMWF Surface Pressure Data, GFZ Scientific Technical Report STR05, 2005.

Souveton D., Modélisation de l'effet Yarkovsky-Schach sur le satellite LAGEOS, rapport de stage CNES/INSA-Toulouse, 2005.

Reigber Ch., P. Schwintzer, R. Stubenvoll, R. Schmidt, F. Flechtner, U. Meyer, R. König, H. Neumayer, C. Förste, F. Barthelmes, S.Y. Zhu, G. Balmino, R. Biancale, J.-M. Lemoine, H. Meixner, J.-C.. Raimondo: A High Resolution Global Gravity Field Model Combining CHAMP and GRACE Satellite Mission and Surface Data: EIGEN-CG01C; Scientific Technical Report STR06/07, GeoForschungsZentrum Potsdam, 2006.

Biancale R., J-M Lemoine, G Balmino, S Bruinsma, F Perosanz, J-C Marty, S Loyer, P Gégout: 4 years of geoid variations from GRACE and LAGEOS data at 10-day intervals, http://bgi.cnes.fr:8110/geoid-variations/README.html.

Ramillien G., A. Lombard, A. Cazenave, E. R. Ivins, M. Llubes, F. Remy, R. Biancale: Interannual variations of the mass balance of the Antarctica and Greenland ice sheets from GRACE, Global and Planetary Change, Elsevier, 53, 198-208, 2006.

Lemoine J.-M., S. Bruinsma, S. Loyer, R. Biancale, J.-C. Marty, F. Perosanz, G. Balmino: Static and temporal gravity field models inferred from GRACE data, submitted to Adv. Space Res, 2006.

Bourgogne S. : Modélisation des variations de gravité par la méthode de l’intégrale de l’énergie, rapport de stage CNES/ENSAE-Toulouse, 2006.

63

Introduction Le Bureau Gravimétrique International (BGI) est un service du Conseil des Services d'Astronomie et de Géophysique (CAGS) dépendant directement de l'ICSU (International Council of Scientific Unions) et de l'UNESCO. Il gère et développe une base de données gravimétriques comportant à ce jour plus de 12 millions de points, et traite plus de 200 demandes d’extraction par an, en constante augmentation.

Couverture des données gravimétriques terrestres et marines de la base du BGI.

Le BGI offre de plus toute une palette de services annexes, couvrant la valorisation des données et l’expertise au sens large en gravimétrie. Installé depuis sa création (1951) en France, hébergé par l’OMP/UMR5562 depuis 1981, il a été labellisé par l’INSU en 1997 et est rattaché à l’UGGI/AIG (Union Internationale de Géodésie et Géophysique – Association Internationale de Géodésie), et est un sous bureau de l’International Gravity Field Service.

Diagramme fonctionnel du BGI, Service de CAGS et de l’AIG, incluant son insertion dans l’UMR5562.

2.3. GRAVIMETRIE ET BUREAU

GRAVIMETRIQUE INTERNATIONAL (BGI)

64

Le BGI a aussi un rôle central dans l'élaboration des modèles de champ pour la géodésie et l'orbitographie des satellites ainsi que pour la géophysique. Le BGI fonctionne grâce au support des organismes français suivants (liés par une convention en cours de renégociation) : CNES, IGN, CNRS/INSU, BRGM, IRD, Marine Nationale/SHOM, ESGT (Ecole Nationale des Géomètres et Topographes). Il emploie actuellement le personnel suivant :

Nom Statut ETP Affectation au BGI

BARRIOT Jean-Pierre

Ing. CNES SI/GS, HDR, Directeur, 46 ans

50 % 1999-2006

BIANCALE Richard Ing. CNES SI/GS, HDR, Directeur par intérim

40 % 2006-2007

SARRAILH Michel Ing. CNES SI/GS, 56 ans 50 % 1975

FAYARD Thierry Ing. CNES SI/GS, Dr, 44 ans 100 % 2003

LANGELLIER Bernard

Ing. IGN, 59 ans 100 % 2000-2007

PECQUERIE Sophie Ing. Etudes, CNRS, 51 ans 80 % 2000

LESTIEU Nicole Technicien CNRS, 52 ans 20 % 1981

ABBASI Majid Thésard SFERE, 31 ans 100 % 2002-2006

La seule personne permanente du BGI ayant eu une qualification « recherche » est son Directeur, J.-P. Barriot, qui a quitté le BGI en septembre 2006 pour un poste de professeur des universités à l’université de Polynésie française. L’intérim du poste de Directeur BGI pour l’année universitaire 2006-2007 est assuré par Richard Biancale du CNES-Toulouse qui est chargé de réorganiser (techniquement et en personnel) le BGI et de préparer le nouveau mandat quadriennal. Un nouveau Directeur devrait être nommé lors de l’Assemblée Générale de l’UGGI à Pérouse en juillet 2007.

Le budget de fonctionnement du BGI de 2000 à 2005 a été le suivant :

BUDGET Euros

2000 2001 2002 2003 2004 2005

CNES/INSU 13700 13700 15500 4100 9000 9000

OMP/PPF* 4500 4500 4500 4500 3000 6200

CAGS 4500 4500 6328 0 6300 ? * PPF : Plan Pluri-Formation de l’Université Paul Sabatier

Ce budget a subi un fort stress en 2003, du fait de la crise qui a touché la recherche française, et qui a aussi affecté le CNES. Celui-ci assure en effet une grande partie de la dotation du BGI, à travers le financement CNES/INSU attribue par le Comité « Terre solide, océan, surfaces continentales, atmosphère » du CNES (TOSCA).

Bilan sur la période 2003-2006 Trois points majeurs ont été réalisés en 2002-2005 au niveau de la base de données :

- La mise en ligne Internet de la base bibliographique du BGI (12000 références) sous le logiciel Alexandrie, suivie au jour le jour par notre documentaliste (investissement de 13 000 euros),

- La mise en ligne Internet des schémas de stations gravimétriques, avec maintenant plus de 6000 images scannées, avec là aussi maintenance journalière,

65

- Une activité plus soutenue en matière de collecte de données (augmentation de 10 % en volume des données engrangées).

En outre, deux activités à caractère plus académique ont été mises en place ou renouvelées :

- Le Bulletin du BGI, publication de rang C qui s’essouflait, a été arrêté, et remplacé par le « Newton’s Bulletin », en collaboration avec l’ « International Geoid Service ». Celui-ci connaît un franc succès.

- Une école d’été sur les techniques gravimétriques a été organisée en Juin 2002 à Louvain-La Neuve en Belgique en collaboration avec l’Observatoire Royal de Belgique, et une autre a été organisée en Octobre 2005 aux Canaries sur les techniques d’acquisition en micro-gravimétrie. Le BGI à aussi participé à deux écoles « Geoid School » organisées par le Politecnico di Milano.

Sur le plan scientifique, sous le chapeau de l’UMR5562-DTP, le BGI s’est lancé dans quatre actions majeures :

- La participation à l’élaboration du nouveau géoïde européen EGG07, sous le leadership de l’Université de Hanovre, en tant que centre de validation des données,

- Le suivi des variations de niveau de la nappe phréatique superficielle autour de Toulouse de la Garonne par micro-gravimétrie, dans le cadre du programme ECOBAG avec développement instrumental (carte d’acquisition),

- Le projet « Mer Ligure » d’acquisition de données aérogravimétriques sur la marge Ligure et la mer Tyrrhénienne, afin de pouvoir suivre l’évolution du courant marin Ligure sur cette zone à partir des données altimétriques JASON2, en collaboration avec l’IGN/LAREG. Ce projet a été retenu par le groupe TOSCA du CNES en 2003.

- L’élaboration d’une chaîne de traitement des données de gravimétrie aéroportées.

Prospective sur la période 2006-2010 Cette prospective s’inscrit dans la continuité de ce qui vient d’être exposé, et s’inscrit aussi dans les souhaits d’évolution exprimés par plusieurs des « tutelles » du BGI :

- L’effort de collecte sera amplifié, surtout en ce qui concerne les zones insuffisamment couvertes, en particulier Amérique du Sud et Russie, zones sur lesquelles l’évolution politique actuelle permet d’espérer un accès plus facile aux données existantes,

- La cartothèque du BGI sera entièrement numérisée avec accès en ligne,

- L’effort de formation sera poursuivi, avec en particulier le projet d’une Ecole d’été sur la mesure des gradients gravimétriques, en collaboration avec l’Université de Luxembourg (2007), la remise à niveau des Tutoriaux en ligne, en collaboration avec l’ESGT du Mans, et avec aussi implication dans l’enseignement des techniques géophysiques à l’UPS (démarré en 2005),

- La validation au sol des mesures de gravimétrie spatiale GOCE sur des zones spécifiques et l’élaboration de modèles globaux du champ de gravité terrestre « toutes longueurs d’onde » sera entreprise, avec un chapeau GRGS et FROG (French Ressources Organization for GOCE), sous le leadership du Service CNES de Géodésie Spatiale (DCT/SI/GS).

Une grosse partie de l’effort portera aussi sur l’aspect « valorisation scientifique et interprétation», en synergie avec les laboratoires DTP, LEGOS et LMTG de l’OMP, mais aussi avec l’Agence de l’Eau Adour-Garonne.

Tous ces éléments seront bien sur réappréciés par le nouveau Directeur lorsqu’il prendra les rênes du BGI en juillet 2007

Références bibliographiques M. Abbasi and J.P. Barriot, Airplane induced accelerations in airborne gravimetry:

computation and accuracy estimation, Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 00168, 2005 SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-00168, Vienna, April 24-30th, 2005.

66

M. Abbasi, J.P. Barriot, J. Verdun and H. Duquenne, Airborne Lacoste-Romberge gravimetry; an alternative computation approach, Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 00167, 2005 SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-00167, Vienna, April 24-30th, 2005.

J. Chenal and J.P. Barriot, A simple anisotropic model of the covariance function of the terrestrial gravity field over coastal areas, Newton's Bulletin, Vol 2., Dec. 2004.

J.P. Barriot, A new derivation of the least-squares collocation formula, Abstracts Journal Series : Geodesy and Aerial Survey, n° 2, 2004.

J.P. Barriot, S.Pecquerie, Services d'Observation : du nouveau. Inf'OMP, N° 20, 1er trimestre 2004.

M. Abbasi,, J.P. Barriot, J. Verdun and H. Duquenne, Investigation of the Systematic Errors Contaminating Airborne Gravimetry Data Acquired by a Lacoste-Romberg Air/sea Gravimeter, Geophysical Research Abstracts CD, Vol. 6, 00099, 2004, ISSN 1029-7006, EGU General Assembly 2004, Nice, France, 25_30 April 2004.

J.P. Barriot, M. Sarrailh, Ajustement of Gravimetric Networks, Newton's Bulletin, n°1, Décembre 2003.

M. Sarrailh, J.P. Barriot. Gravity data validation and outlier detection using L1 norm. Bulletin d'Information du Bureau Gravimétrique International. 91: Dec 2002

J.P Barriot. A new derivation of the least-squares collocation formula. Bulletin d'Information du Bureau Gravimétrique International. 90: pp. 43-51, Jul 2002

67

3 - SYSTEMES DE REFERENCE

3.1. Systèmes de référence et IERS

Système céleste

Rotation de la Terre

Repère international de référence terrestre (ITRF)

Centre de combinaison

Systèmes de référence et rotation de la Terre : théorie

3.2. Apports des mesures géodésiques

DORIS

Laser

GPS / Galileo

VLBI

Marégraphie

Gravimétrie

68

69

Introduction Le présent rapport est relatif à la période 2003-2006. Dans les 3 premiers chapitres, il décrit brièvement les activités et les faits marquants concernant des principales composantes de l'IERS en France :

le service du système céleste ICRS à l'Observatoire de Paris (resp. J. Souchay en coopération avec l'USNO/USA),

le service de la rotation de la Terre à l'Observatoire de Paris (resp. D. Gambis),

le service du Système Terrestre ITRS au LAREG/IGN (resp. Z. Altamimi).

Le chapitre 4 décrit les développements du programme « Centre de Recherche sur les Combinaisons du GRGS » fédérant plusieurs équipes du GRGS.

Dans le chapitre 5 sont présentées succinctement les activités liées à la théorie de la rotation de la Terre au SYRTE (Nicole Capitaine).

Système Céleste ICRS La première génération de l’International Celestial Reference Frame (ICRF) remonte maintenant à plus de 10 ans. Au cours de cette décennie, un grand nombre de nouvelles observations de bonne qualité des radiosources extragalactiques on été effectuées dans le cadre de l’International VLBI Service (IVS), et notre compétence dans l'analyse de ces données s’est élargie et diversifiée. En 2003-2004 nous avons notamment participé à l’élaboration de l’ICRF-Ext.2, qui n’était qu’une extension de l’ICRF par, entre autre, l’ajout d’une cinquantaine de sources supplémentaires. On envisage maintenant une refonte de l’ICRF tirant avantage de tous ces progrès. Nous avons réalisé des études préparatoires à cette refonte dans deux directions principales. D’une part, en raffinant et en étendant les études antérieures sur la stabilité des radiosources, nous avons sélectionné 252 sources les mieux appropriées pour la maintenance des axes de l’ICRF. D’autre part, nous avons montré que, contrairement à la stratégie d’analyse qui avait été retenue pour la première génération de l’ICRF par crainte de la propagation d’erreurs systématiques, il n’est pas nécessaire d’isoler la détermination du repère céleste de celle du repère terrestre dans l’analyse. Si nos recommandations sont suivies, la prochaine génération de l’ICRF sera directement cohérente avec un repère de référence terrestre pouvant contribuer à la formation du repère terrestre international ITRF, assurant ainsi au mieux la cohérence des référentiels de l’IERS.

Depuis quelques années nous nous sommes investis de manière intensive dans la préparation de la mission astrométrique spatiale GAIA. Chaque année le nombre de quasars connus s’agrandit de manière exponentielle. Or, ce sont ces objets qui serviront de référence primaire dans l’espace, car ils sont quasi-inertiels. Leur identification astrométrique et photométrique est donc primordiale.

Ainsi, en relation avec GAIA, nous avons en particulier la charge de répertorier et de compiler tous les catalogues de quasars existants, que ce soit dans les longueurs d’onde optique ou radio. Cette entreprise ambitieuse devrait s’achever cette année sous la forme d’un catalogue unique de quasars meilleur, quantitativement et qualitativement, que tous les catalogues

3.1. SYSTEMES DE REFERENCE ET IERS

70

existants, avec des données homogènes et en nombre limité pour simplifier leur utilisation. Parallèlement, nous développons une base de données complète incluant toutes les informations exploitables dans la bibliographie.

Nous continuons de plus à travailler activement sur le lien entre le système céleste ICRS et les systèmes dynamiques. Ce lien est assuré :

d’une part, par les observations laser lune que nous traitons en permanence pour en déduire les positionnements des plans fondamentaux (équateur, écliptique) et des points fondamentaux (équinoxes)

d’autre part par les observations de pulsars réalisées à Nançay, qui permettent de représenter le positionnement orbital de la Terre par rapport à ces objets.

enfin, par le biais des rencontres proches entre quasars et objets du système solaire (astéroïdes, planètes etc.…). A ce titre une préparation à des demandes de temps avec les grands télescopes (CFHT, SUBARU) est en cours.

L'ensemble de ces activités est consultable dans les documents suivants:

� la note technique 34 de l’IERS: The International Celestial Reference System and Frame. ICRS Product Center Report for 2001-2004;

� le site web du service ICRS-PC: http://hpiers.obspm.fr/icrs-pc/;

� le site web du centre IVS Analysis: http://ivsopar.obspm.fr/.

Participants Alexandre Andrei Obs. de Rio / Invité SYRTE

Felicitas Arias BIPM/ Associée au SYRTE

Christophe Barache Obs. Paris/SYRTE

Sébastien Bouquillon Obs. Paris/SYRTE

Jean Chapront Obs. Paris/SYRTE

Martine Feissel-Vernier Obs. Paris/SYRTE

Gérard Francou Obs. Paris/SYRTE

Anne-Marie Gontier Obs. Paris/SYRTE

Sébastien Lambert Obs.Bruxelles / Associé au SYRTE

Jean Souchay Obs. Paris/SYRTE

Rotation de la Terre �Le Service de la rotation de la Terre de l'IERS à l'Observatoire a principalement pour tâche la collecte des données relatives aux paramètres définissant l’orientation de la Terre (Earth Orientation Parameters, EOP). Ces données sont archivées et analysées pour être combinées de manière optimale. C’est la solution de référence internationale (EOP IERS C04) mise à la disposition des utilisateurs par les moyens électroniques web/ftp. Il fonctionne sur deux rythmes distincts, opérationnel en temps quasi-réel et également annuel. Les traitements opérationnels ont notamment pour applications la navigation interplanétaire et l’orbitographie en temps réel des programmes GPS, JASON, ENVISAT. Les séries à long terme recouvrent la période de 1846 à maintenant pour les coordonnées du pôle, depuis 1900 pour UT1-UTC. Ces séries sont utilisées en particulier pour l’étude de phénomènes géophysiques liés aux variations atmosphériques, océaniques, aux interactions et couplages entre le noyau et le manteau de la Terre ainsi que pour la métrologie fine liée aux systèmes de référence. L’amélioration progressive dans les données et les modèles nous ont amenés à « remettre à plat » l’algorithme de calcul de notre solution combinée IERS C04 en tenant compte des résolutions adoptées à

71

l’UAI en 2000. Le sous-chapitre 2.4 concerne les discussions qui ont eu lieu au niveau international depuis plusieurs années dans le but de redéfinir l’échelle de temps légal UTC.

Depuis une dizaine d’années, grâce au développement des techniques d’observation mais aussi aux raffinements conceptuels sur les systèmes de référence géodynamiques et aux diverses modélisations, les problèmes d’exactitude sont devenus prépondérants. Ainsi on pense dans un proche avenir déterminer simultanément les paramètres liées à l’orientation de la Terre, les positions des stations d’observation et leur déplacement et les positions des sources extragalactiques qui définissent le système de référence international céleste ou ICRF. Ces méthodes sont déjà en développement dans nos équipes dans le cadre d’un projet fédératif au GRGS et sont l’objet du chapitre 4.

Recommandations des résolutions de l'UAI Un important travail a été mis en oeuvre pour mettre nos résultats en conformité avec les résolutions adoptées à l'UAI en 2000 qui recommandent le développement de nouvelles procédures concernant la transformation entre les systèmes de référence céleste et terrestre définissant notamment UT1 comme directement proportionnel à l'angle de rotation de la Terre, et l'adoption d'un nouveau modèle de précession-nutation et d'un nouveau pôle céleste de référence dit Pôle Céleste Intermédiaire (Celestial Intermediate Pole CIP).

Amélioration de l’algorithme de combinaison de la solution EOP combinée de référence (IERS C04) Sur la période 2003-2006, l’algorithme de combinaison conduisant à la série IERS de référence IERS C04 a été significativement amélioré. Les améliorations concernent en premier lieu la précision et le volume des données traitées pour la construction de cette solution.

Cohérence avec l’ITRF et l’ICRF L’une des principales tâches est de produire un ensemble d’EOP, cohérent avec l’International Celestial Reference Frame (ICRF) et l’International Terrestrial Reference Frame (ITRF). Les séries opérationnelles ne sont pas parfaitement alignées avec l’ITRF and ICRF. Elles se réfèrent parfois à d’autres systèmes de référence terrestre et céleste réalisés par les centres d’analyse. On peut montrer que l’incohérence des séries EOP par rapport à l’ ITRF et l’ICRF produit des effets systématiques entre les séries. A la fin des années 1980, les incohérences atteignaient 1 mas. Actuellement, elles sont de l’ordre de 200 •as pour les coordonnées du pole, 20 •s pour UT1 et d’environ 50 •as pour les offsets en nutation, ce qui est significatif au vu des précisions actuelles. Avant d’effectuer toute combinaison, il est nécessaire de translater toutes les séries dans le système cohérent avec l’ITRF et l’ICRF. Nous supposons que le pole céleste (dpsi, deps) fourni par la solution combinée de l’IVS donne la direction du pole instantané CIP dans l’ ICRF sans aucune erreur systématique et que le mouvement du pôle (x,y) associé à l’ ITRF 2005 donne la direction du CIP dans l’ ITRF. Initialement, nous faisons l’hypothèse que certaines séries sont cohérentes avec l’ITRF ou l'ICRF. Cependant les écarts entre ces séries et les séries opérationnelles ne sont pas parfaitement linéaires sur une longue période de temps. Par conséquent, notre modélisation consiste en droites brisées consécutives. Pour chaque série individuelle entrant dans la combinaison, nous estimons un biais et une pente. Ces erreurs systématiques sont par la suite retirées des séries opérationnelles qui deviennent « cohérentes » avec l’ITRF et l’ ICRF et prêtes à être combinées.

Amélioration de la précision de la solution L’algorithme amélioré ainsi que l’adoption du nouveau modèle de nutation(MHB 2000) conduit à une amélioration significative de la solution combinée IERS C04. Ceci peut être illustré par un meilleur accord de la solution combinée avec les séries individuelles, i.e. 4 us pour UT1 et 40-50 mas pour la nutation. La cohérence et la stabilité à long terme sont

72

également améliorées par la possibilité d’étendre le calcul de la solution sur 20 ans. Pour tenir compte de l’amélioration de la précision sur les différents paramètres EOP et de diminution du bruit à court terme, on tient compte d’un filtrage évolutif. Notamment le filtrage actuel pour les coordonnées du pôle et sur UT1 retire le bruit en dessous de 2 jours. Par contre, la valeur de l’excès de la durée du jour provenant des techniques satellitaires, GPS et télémétrie laser reste biaisée à cause de la propagation d’erreurs orbitales dues à une mauvaise modélisation.

Maintenance et développement du site web/ ftp Les améliorations avaient l’objectif de trendre le site web (http://hiers.obsom.fr/epo-pc/) plus convivial et de mettre à la disposition des utilisateurs les routines nécessaires à leurs analyses selon les nouvelles résolutions ainsi que des outils interactifs. Cela concerne le développement de programmes de combinaison des séries temporelles de paramètres d'orientation de la Terre (Earth orientation Parameters, EOP) pour former la série de référence internationale, l'implémentation du nouveau modèle de nutation, l'analyse à long terme des séries de EOP, l'estimation de leur cohérence par rapport aux systèmes de référence céleste et terrestre internationaux, la création et le développement d'outils interactifs sur la page WEB du service (PHP, programme Fortran et C interfacés) pour visualiser, analyser, sélectionner les données de la rotation de la Terre.

Du fait de son exposition directe sur le net, un accent a été mis tout particulièrement sur l'aspect sécurité du système. Concernant les statistiques, le site web est consulté en moyenne chaque mois par 8000 visiteurs différents pour un trafic de 15 Go. Les fichiers les plus téléchargés sont la C04 de l'année courante et de l'année précédente et de 1962 à aujourd'hui. Les outils interactifs remportent également un vif succès notamment celui qui permet de calculer la matrice d'orientation de la Terre et celui qui fournit le graphe de la C04. Le site ftp (� �*++��������� ���+���,��+) a plus de 500 connections mensuelles pour un trafic d'environ 10 G0: les produits les plus récupérés sont la C04 de l'année en cours, les bulletins B, C et D.

Les deux graphiques suivants montrent l’évolution des connections en fonction de l’heure UTC et du jour de la semaine.

�

�

73

Discussions internationales sur une possible redéfinition de l'échelle de temps UTC La rotation de la Terre a été pendant longtemps la base de l'échelle de temps légale, le Temps Universel UT1. Cependant à cause de ses irrégularités largement imprévisibles et du développement d'horloges atomiques beaucoup plus exactes, le Temps Universel Coordonné UTC, défini par le Temps Atomique International (TAI) dérivé d'une transition dans un atome de césium, a supplanté le temps défini astronomiquement. Pour diverses applications civiles, notamment liées à la navigation, un accord international signé en 1972 astreint les deux échelles de temps à rester proches l'une de l'autre (|UT1-UTC|< 0,9 s ). A cause de phénomènes liés aux marées luni-solaires entraînant un ralentissement séculaire et à des effets géophysiques, d'une part externes, liés aux déplacements de masses atmosphériques et océaniques, et d'autre part internes, comme le couplage entre le noyau et le manteau de la Terre, UT1 a de multiples variations pouvant entraîner la violation de cette tolérance conventionnelle. On est donc amené parfois à introduire une seconde intercalaire dans l'échelle UTC afin de la recaler sur UT1. L'IERS, International Earth Rotation and Reference Systems Service, à l'Observatoire de Paris, est responsable de la prédiction et de l'annonce de cette seconde intercalaire. Les secondes intercalaires, depuis 1972, sont été ajoutées le 31 décembre ou le 30 juin, à la fréquence d'environ une seconde tous les 2 ou 3 ans. Cependant depuis 1990, on est dans une période d'accélération relative de la rotation de la Terre, ce qui a diminué la fréquence dans l'introduction de secondes intercalaires. La dernière seconde intercalaire a été introduite le 31 décembre 2005, la prochaine aura probablement lieu en décembre 2009 d'après les prédictions actuelles faites à l'Observatoire de Paris. Depuis le 1er janvier 2006, l'écart TAI - UTC est de 33 secondes.

Récemment, plusieurs organisations dans le cadre des télécommunications et des systèmes de radionavigation GPS ont proposé la révision de la définition d'UTC visant à éviter les discontinuités de cette échelle de temps. Un groupe de travail a été établi dans le cadre de l'Union Internationale des Télécommunications (UIT). Il avait pour mission de consulter les diverses communautés affectées par une éventuelle modification de la définition de UTC et de faire les propositions appropriées. Il est clair que toute modification dans la définition actuelle de UTC, et notamment celle liée à la procédure d'introduction de secondes intercalaires, peut avoir des effets significatifs dans de multiples domaines liés à l'astronomie, aux sciences spatiales, aux systèmes de synchronisation de réseaux de communication, à la radionavigation ainsi qu'à de nombreuses applications civiles. En septembre 2006, le groupe de travail Working Party 7A de l’ITU, réuni à Genève, vu l’absence de consensus international a pris la décision de reporter la discussion à une date ultérieure.

Participants Daniel Gambis Responsable, Astronome

Christian Bizouard Astronome adjoint

Nicole Capitaine Astronome

Gérard Francou Astronome adjoint

Teddy Carlucci Assistant Ingénieur, développements statistiques et mathématiques

Mireille Bougeard Professeur d’Université, mathématicienne

Morad Saïl Technicien, exploitation opérationnelle

Pascale Baudoin Adjointe-administrative, secrétaire

Géraldine Bourda Doctorante (2002-2005)

Lucia Seoane Doctorante

74

Repère International de Référence Terrestre (ITRF) Le thème central des activités de recherche et de service scientifique liées à l'ITRF est l'amélioration de son exactitude en terme de définition du repère : origine, échelle, orientation et évolution temporelle. C’est sur l'ensemble de ces quatre éléments et en particulier sur leurs évolutions temporelles que se concentrent nos recherches aujourd’hui, non seulement en orientation, mais aussi en origine (mouvement du géocentre) et en échelle. Le but étant d'assurer la disponibilité d'un repère de référence terrestre précis, cohérent, homogène et stable à long terme; un étalon métrologique pour les applications en science de la Terre. Les éléments de définition de l’ITRF sont conditionnés par la qualité des solutions qui contribuent à son élaboration. La disponibilité de solutions sous forme de séries temporelles des positions des stations et des paramètres de rotation de la Terre est un atout majeur, permettant plus aisément l’évaluation de l’exactitude de ces éléments de définition et surtout leur évolution temporelle.

Pré-ITRF2005 Après la réalisation et la publication de l’ITRF2000, il s’est avéré nécessaire et stratégique d’intégrer les Paramètre Rotation de la Terre (EOP) dans le modèle de combinaison CATREF et ceci à fin de se préparer pour les réalisations ITRF suivantes et assurer ainsi la cohérence entre ITRF et EOP de l’IERS. La disponibilité des séries temporelles des positions des stations et des EOPs, nous a conduit à les considérer comme données d'entrées des solutions ITRF. Le modèle de combinaison CATREF est d’autre part très adapté au cumul et analyse de séries temporelles des positions des stations et des EOP. Le projet ITRF2005 a pris deux ans de retard (appelé alors ITRF2004), et ce retard est essentiellement dû au fait que les services internationaux, à l’exception de l’IGS, n’étaient pas suffisamment préparés pour produire des solutions sous forme de séries temporelles de bonne qualité.

L'ITRF2005 L'ITRF2005 a été achevé et publié en octobre 2006. Un site WEB dédié aux résultats de cette réalisation a été construit, voir: http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2005/. De plus, un article regroupant les analyses et résultats géodésique et géophysiques de l'ITRF2005 a été soumis au Journal of Geophysical Research (JGR). Les points marquants issus des résultats obtenus dans l'analyse de l'ITRF2005 sont les suivants:

Un champ de vitesses plus précis et plus dense que celui de la réalisation précédente (ITRF2000) dont l'exploitation a servi aux travaux de thèse de Juliette Legrand (thèse soutenue le 14 mars, 2007), voir plus loin;

La première étape du calcul de l'ITRF2005 consistait à analyser et à cumuler les séries temporelles des solutions individuelles des quatre techniques (VLBI, SLR, GPS, DORIS). Le modèle de combinaison et de cumul étant un modèle linéaire (tant pour les vitesses des stations que pour les paramètres du repère: origine, échelle et orientation), la partie non linéaire (ou déformation non séculaire) et en particulier les mouvements saisonniers des stations se trouve dans les séries temporelles des résidus de positions. L'exploitation de celles-ci a servi aux travaux de recherche et de thèse de Xavier Collilieux (voir plus loin) et ont fait l'objet d'un article soumis au JGR;

La combinaison finale de l'ITRF2005 a mis en évidence un biais d'échelle de 1 ppb (ou 6.3 mm) entre les solutions VLBI et SLR comme illustré sur la Figure 1. Cet aspect a suscité de très nombreuses discussions au sein de la communauté, non seulement sur le plan scientifique, mais aussi sur le plan politique. Nous attribuons ce désaccord d'échelle à la mauvaise répartition des stations SLR et VLBI et leur sites de co-location, à la dégradation du réseau SLR et sans doute à la stratégie des traitements adoptée par l'ILRS et en particulier les biais en distance qui ne sont pas estimés pour la plus part des stations SLR;

75

L'origine de l'ITRF2005 étant définie par la solution cumulée SLR, celle-ci présente une dérive sur la composante de translation selon l'axe Z de l'ordre de 1.8 mm/an par rapport à l'ITRF2000 dont l'origine est également données par la techniques SLR. Cette dérive a pour conséquence d'amplifier les vitesses horizontales (par rapport à l'ITRF2000) sur la composante Nord par 1.8 cos(φ) mm/an où φ est la latitude, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse par 1.8mm/an à l'équateur et zéro aux deux pôles. De même, cette dérive entraîne un changement de la vitesse verticale de 1.8 sin(φ) mm/an (c'est à dire zéro à l'équateur et, respectivement, +1.8 et –1.8 mm/an aux pôles nord et sud).

Fig 1 : Echelle temporelle VLBI et SLR par rapport à l'ITRF2005

La combinaison ITRF2005 a mis en évidence un biais sur la composante Y du pôle entre l'ITRF2000 (ou ITRF2005, du fait de leur alignement en orientation) et l'ancienne série EOP de l'IERS comme illustré par la Figure 2.

Fig. 2. Différences des coordonnées du pôle, LOD et UT1 entre ITRF2005 ancienne Série C04.

Travaux de thèses Deux thèses sont entreprises dans le projet de recherche ITRF et dont les travaux portent sur à la fois l'exploitation des résultats obtenus et l'amélioration de l'exactitude de l'ITRF. Une description détaillée du contenu et des objectifs des deux thèses a été largement développée dans la proposition de l'année passée. Nous mentionnons ici les avancées et les résultats obtenus, ainsi que les objectifs à atteindre pour la suite.

Thèse de Juliette Legrand Thèse soutenue le 14 mars, 2007. Le travail de la thèse a porté sur les points suivants:

• Estimation d'un modèle cinématique global de la croûte terrestre basé sur le champ de vitesses de l'ITRF2005, impliquant une quinzaine de plaques tectoniques;

76

• A fin d'opérer l’application explicite de la condition de non rotation globale (appelé condition NNR : No Net Rotation), un outil d'interpolation du champs de vitesses a été mis au point, fondé sur la méthode de colocation par moindres carrés;

• Interpolation du champ de vitesses ITRF2005, plaque par plaque sur une grille régulière;

• L'application de la condition NNR sur le champ de vitesses ITRF2005 a montré une rotation différentielle entre ce dernier et le modèle NNR ainsi obtenu. Le Tableau 1 donne les trois composantes du vecteur rotation du modèle NNR obtenu et l'ITRF2005 ainsi que les valeurs des modèles APKIM2005P (Drewes, 2006) et GSRM-2 (Kreemer et al. 2006);

• Ce travail servira à intégrer explicitement cette approche dans les réalisations futures de l’ITRF (qui doit remplir la condition NNR), afin d’améliorer l’exactitude de son évolution temporelle en rotation.

Tableau 1. Composante de la rotation différentielle entre l'ITRF2005 et les modèles NNR

Modèle ωωωωx

mas/an

ωωωωy

mas/an

ωωωωz

mas/an

Modèle Interpolé -0.039 0.031 -0.042

APKIM2005P -0.026 0.010 -0.015

GSRM-2 -0.037 0.041 -0.063

Thèse de Xavier Collilieux Evaluation qualitative et quantitative de l’impact des phénomènes de surcharge agissant sur la croûte terrestre sur la définition et réalisation de l’évolution temporelle d’un repère terrestre mono technique. Pour la première fois, l’ITRF2005 a été calculé à l’aide de séries temporelles de positions de stations et de paramètres de rotation de la Terre fournis par les quatre techniques de géodésie spatiale (VLBI, SLR, GPS et DORIS). Les résidus du cumul de ces séries temporelles fournissent la partie non linéaire du déplacement de chaque station à la surface de la Terre, les biais globaux les affectant ayant été modélisés lors de l’estimation des repères séculaires. Le contenu spectral des séries temporelles résiduelles de hauteurs des techniques GPS, VLBI et SLR a été étudié à l’aide du logiciel FAMOUS. Bien que les niveaux de bruit soient différents, le signal annuel est détecté par les trois techniques à des rapports signal de 3.5. Dans le cas du GPS, qui possède le réseau le plus dense, ce signal montre une corrélation spatiale régionale. Celle-ci est confirmée dans certaines régions à la fois par le SLR, et à la fois par le VLBI. Nous voulons comprendre si l’analyse de ces séries permet de mettre en évidence certaines caractéristiques qui seraient les signatures d’erreurs systématiques. Nous cherchons également à tirer des enseignements de leur analyse pour améliorer la méthodologie actuelle d’estimation des repères de référence séculaires. Le degré de similitude des séries temporelles de positions sur les sites de co-localisation a été étudié à cette fin. Nous avons développé une méthode de comparaison de séries temporelles de positions, non régulièrement échantillonnées, mais basées sur des échantillonnages journaliers et/ou hebdomadaires. Cette méthode repose sur une estimation par maximum de vraisemblance du coefficient de corrélation reliant les déplacements fournis par deux techniques co-localisées. Elle suppose que les déplacements soient modélisables par une marche aléatoire. Cette méthode a été appliquée à la comparaison des séries temporelles de hauteurs des stations situées sur les sites de co-localisation. Nous avons ainsi montré que les déplacements verticaux fournis par GPS et SLR s’accordent sur quelques sites de co-localisation. Un accord général de ces déplacements est par contre observé entre les techniques VLBI et GPS. La Figure 3 présente les lissages effectués sur

77

les séries temporelles de hauteurs VLBI et GPS du site d’Algonquin (Amérique du Nord) avec les paramètres estimés par maximum de vraisemblance. Ces travaux ont fail l'objet d'un article soumis au JGR.

Fig. 3 : Séries temporelles de hauteurs de la station Algonquin (Canada). VLBI en cyan et GPS en magenta. Les signaux lissés sont représentés en bleu (VLBI) et en rouge (GPS) avec les paramètres suivants : le coefficient de corrélation est de 0.91±0.06 pour des écart-types de 0.62±0.10 et 0.69±0.07 mm/•j pour le VLBI et le GPS respectivement.

Participants Zuheir Altamimi

Xavier Collilieux

Juliette Legrand

Bruno Garayt

Claude Boucher

���������������� ���� ����������������������������� �� ���������

�������������Habituellement, la rotation de la Terre et les systèmes de référence céleste et terrestre sont déterminés indépendamment. L'inconvénient de cette méthode est que leur cohérence (en anglais « consistency ») se dégrade avec le temps. Cela conduisait par le passé à un recalculer régulièrement la série de paramètres de rotation de la Terre. La nouvelle philosophie est de déterminer en même temps systèmes de référence et rotation de la Terre (dans un premier temps le système céleste ICRF n'est pas concerné).

Dans le cadre du GRGS avec la coopération de divers instituts français, nous développons un grand projet (dit "CRC": Combination research Center) fondé sur l'analyses des données spatiales par les logiciels "GINS/DYNAMO".

Dans le cadre des centres de recherches sur combinaison de l'IERS, le GRGS a proposé en 2000 d'étudier la combinaison des cinq techniques (SLR, LLR, VLBI, GPS et DORIS) au niveau du traitement des observations. Le but de ce projet est de traiter séparément les données des différentes techniques par le même logiciel "GINS" développé depuis 1962 au GRGS (Chassaing) pour déterminer des solutions globales et homogènes comprenant les paramètres de la rotation terrestre (mouvement du pôle, temps universel, corrections de nutation) ainsi que les coordonnées de stations du réseau d'observation et dans le futur les coordonnées des radiosources extragalactiques. Les équations normales issues des traitements sont ensuite traitées par le logiciel "DYNAMO" pour dériver une solution combinée référence terrestre et rotation de la terre. Les pondérations des diverses techniques dans la solution finale sont

78

obtenues par la méthode de variance-covariance d' Helmert. Cette étude est la suite du travail de thèse de Philippe Yaya soutenue en 2002 (directeurs de thèse : N. Capitaine et D. Gambis) et faite dans le cadre d'une collaboration entre le SYRTE/ Observatoire de Paris et le CNES (R. Biancale). Dans ce travail, 3 mois de données sur une période test avaient été analysées. Les résultats s'étaient avérés suffisamment prometteurs pour nous inciter à poursuivre le projet dans le cadre tout d’abord du travail de thèse de D. Coulot .

Travail de thèse de D. Coulot (2003-2005) Suite aux travaux de thèse de P. Yaya, une nouvelle expérience de combinaison des techniques de géodésie spatiale au niveau des observations a été menée à l’échelle du GRGS durant les travaux de thèse de D. Coulot. Cette expérience a donné des résultats très encourageants puisque la combinaison a permis d’obtenir (entre autres) une série temporelle de Temps Universel avec une qualité proche de celle directement obtenue avec la technique VLBI (un r.m.s. de 121 0.1 µs pour la combinaison à comparer avec le r.m.s. de 111 0.1 µs pour la série temporelle obtenue avec la seule technique VLBI). Par contre, elle a également montré ses limites dans la mesure où le modèle de combinaison utilisé ne permettait pas de définir rigoureusement le repère de référence terrestre combiné. En effet, au sein de ce repère, chaque technique réalise toujours son propre système de référence. Ainsi, le repère combiné n’est pas homogène et cette inhomogénéité nous a interdit l’utilisation des rattachements locaux entre techniques pour consolider la combinaison. Outre la thèse de D. Coulot, cette expérience a donné lieu à une publication soumise en 2005, acceptée en décembre 2006 et sous presse pour le Journal of Geophysical Research à l’heure où nous rédigeons ce rapport.

Poursuite du travail à l’Observatoire de Paris depuis 2004 En 2004, nous avons installé à l’Observatoire de Paris un serveur dédié aux traitements de combinaison et implanté les procédures mises au point au CERGA par D. Coulot, P. Bério et O. Lorrain. Par la suite nous avons réécrit la plupart de ces scripts afin d’acquérir et de maintenir la maîtrise des modules DYNAMO,. Depuis le début de l'année 2005, les traitements des données des diverses techniques sont répartis au sein de plusieurs équipes: GPS à Noveltis/Toulouse (S. Loyer), Doris à CLS/Toulouse (L. Soudarin), la télémétrie laser sur satellite à l'OCA/Grasse (P. Bério, O. Laurain) et laser-Lune au CNES/Toulouse et à l'Observatoire de Paris (J. Ch. Marty et G. Francou), le VLBI, à l'Observatoire de Bordeaux (G. Bourda P. Charlot). Pour les activités d'analyse VLBI, nous avons pu bénéficier d'un soutien financier de 10 mois pour G. Bourda.

Les matrices normales issues des divers traitements sont rendues disponibles entre 1 et 4 semaines après les dernières observations, selon les techniques. La technique DORIS dont les restitutions des résultats et données sont faites avec 4 semaines de retard ralentit quelque peu la chaîne. Suite aux discussions qui ont eu lieu à l'IDS workshop à Venise en mars 2006, cela devrait s'améliorer dans le futur.

A l'Observatoire de Paris (D. Gambis, T. Carlucci), on effectue les analyses finales concernant le traitement opérationnel du cumul des matrices ainsi que les inversions des matrices par le logiciel DYNAMO en collaboration avec le CNES/Toulouse (R. Biancale, J.M. Lemoine). De nombreux tests se poursuivent pour mettre au point une procédure optimale pour fournir une solution globale "Paramètres de la rotation de la Terre et Système de Référence" avec la meilleure exactitude possible. Les paramètres critiques à prendre en compte englobent les contraintes minimales sur les stations, les rattachements locaux entre stations de techniques différentes (fichier annexe de la solution ITRF dérivée par Z. Altamimi au LAREG/IGN), les contraintes de continuités sur les paramètres de la rotation de la Terre entre les matrices successives hebdomadaires.

79

�La validation des résultats est effectuée à l'Observatoire de Paris pour la rotation de la Terre. La figure ci-dessus représente les écarts sur la période 2005-2006 de cette solution à la série C04 utilisée comme référence. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus dans le cadre des combinaisons dans les services internationaux IGS et IVS pour le mouvement du pôle et le temps universel UT1. Pour le système terrestre, on peut estimer la stabilité des coordonnées des diverses stations par rapport à la référence ITRF2000. La comparaison avec la nouvelle réalisation ITRF2005 devrait montrer une meilleure cohérence.

Travaux d’Arnaud Pollet : Le principal défaut de l’expérience menée par le GRGS (et précédemment décrite) réside dans le fait que, au sein de la combinaison, chacune des techniques mises en jeu réalise son propre système de référence. Ainsi, le repère combiné obtenu n’est pas véritablement homogène. Pour pallier ce problème, la solution est de mettre au point un modèle permettant d’estimer simultanément positions de stations, paramètres de rotation de la Terre et degrés de liberté des repères de référence terrestres sous-jacents.

Ce modèle a été développé et testé dans le cadre des traitements de données SLR. Les résultats obtenus sont tout à fait satisfaisants puisque le modèle permet de garantir la stabilité du repère de référence à un niveau millimétrique sur toute la période de calcul. Ceci est primordial pour combiner de manière homogène des repères issus de différentes techniques spatiales. La Figure 3 donne les translations et facteurs d’échelle hebdomadaires directement estimés à partir des mesures laser entre les repères de référence « ressentis » par les observations et le repère estimé qui, chaque semaine, est réalisé dans l’ITRF2000. Les moyennes glissantes (courbes bleues) calculées sur 15 semaines permettent de mettre en évidence des signaux périodiques, de période principalement annuelle.

Dans ce contexte et directement à la suite de son stage de Master II, A. Pollet a débuté ses travaux de thèse (co-encadrés par N. Capitaine (SYRTE) et D. Coulot (LAREG)) en octobre 2006. Ses travaux de thèse (qui sont de nouveau l’occasion de collaborations étroites entre les laboratoires du GRGS impliqués dans ce projet de combinaison) portent donc sur les combinaisons de techniques de géodésie spatiale au niveau des observations et visent principalement à :

• améliorer la méthode mise en place lors de la récente expérience effectuée au sein du GRGS (application du nouveau modèle, recherche de pondérations optimales, etc.) ;

• étudier l’impact de l’utilisation de méthodes d’optimisation alternatives (estimation robuste, algorithmes génétiques, etc.) dans le cadre de tels calculs ;

• consolider de telles combinaisons par l’utilisation de tous les liens possibles entre les différentes techniques (rattachements locaux, délais zénithaux communs sur les sites de

80

co-localisation, satellites multi-techniques, paramètres de repères, signaux géodynamiques communs, etc.) ;

Les taches de service relatives à ces travaux de thèse consistent en un soutien aux calculs opérationnels de combinaisons effectués au laboratoire SYRTE de l’Observatoire de Paris.

• réaliser des études géodynamiques à partir des résultats obtenus tant pour les EOPs que pour les positions de stations terrestres ;

• envisager l’extension de telles combinaisons à d’autres produits (champ de gravité, repères de référence célestes) ou d’autres techniques (GALILEO).

• combinaisons de techniques de géodésie spatiale au niveau des observations et visent principalement à :

o améliorer la méthode mise en place lors de la récente expérience effectuée au sein du GRGS (application du nouveau modèle, recherche de pondérations optimales, etc.) ;

o étudier l’impact de l’utilisation de méthodes d’optimisation alternatives (estimation robuste, algorithmes génétiques, etc.) dans le cadre de tels calculs ;

o consolider de telles combinaisons par l’utilisation de tous les liens possibles entre les différentes techniques (rattachements locaux, délais zénithaux communs sur les sites de co-localisation, satellites multi-techniques, paramètres de repères, signaux géodynamiques communs, etc.) ;

o réaliser des études géodynamiques à partir des résultats obtenus tant pour les EOPs que pour les positions de stations terrestres ;

o envisager l’extension de telles combinaisons à d’autres produits (champ de gravité, repères de référence célestes) ou d’autres techniques (GALILEO).

Fig. 3. Translations et facteur d’échelle hebdomadaires (mm) directement estimés (à l’aide du « nouveau modèle ») entre le repère terrestre « ressenti » par les mesures laser et le repère terrestre effectivement estimé qui est réalisé chaque semaine dans l’ITRF2000. Les courbes bleues correspondent à des moyennes glissantes sur 15 semaines.

81

En conclusion, le projet de combinaison des techniques au niveau observationnel est très ambitieux et fédère plusieurs équipes du GRGS. Il devrait nous permettre de jouer un rôle international prépondérant.

Participants

Pour le traitements et analyses des données des techniques de géodésie spatiale : S. Loyer CLS/Toulouse (GPS)

L. Soudarin CLS/Toulouse (DORIS)

G. Bourda, P. Charlot Observatoire de Bordeaux (VLBI)

F. Deleflie, P. Bério, O. Laurain OCA/Grasse (SLR)

J. Ch. Marty CNES/Toulouse (LLR)

G. Francou Observatoire de Paris (LLR)

Combinaisons finales et analyse : D. Gambis et T. Carlucci Observatoire de Paris

R. Biancale et J.M. Lemoine CNES/Toulouse

D. Coulot, A. Pollet IGN/LAREG

Systèmes de reference et rotation de la Terre : théorie

Nouvelle terminologie en Astronomie Fondamentale Le groupe de travail de l’UAI « Nomenclature pour l’Astronomie Fondamentale » a préparé ses propositions finales de recommandation pour l’astronomie fondamentale (concernant également la géodésie spatiale), ainsi que des documents explicatifs et un projet de résolution de l’UAI à présenter à l’Assemblée Générale de l’UAI en 2006. Cette résolution sera présentée comme un supplément aux Résolutions UAI 2000 sur les systèmes de référence. Elle comprend une recommandation relative au système de référence « intermédiaire » défini par le Pôle Céleste intermédiaire (CIP) et l’Origine céleste intermédiaire (CIO), une recommandation sur l’orientation des axes du BCRS (Barycentric celestial reference system) et une re-définition rigoureuse du Temps dynamique barycentrique, TDB. Une large discussion a été organisée pendant les Journées « Systèmes de référence spatio-temporels » 2005 à Varsovie. Un rapport de ce WG est en cours de publication dans les TransactionsA 2006 de l’UAI. Voir à : http://syrte.obspm.fr/iauWGnfa

Développement d’un nouveau modèle de précession Une comparaison du modèle de précession, P03, développé par N. Capitaine, J. Chapront et P. Wallace (RAL, UK), à de nombreuses séries d’observations VLB,I a montré d’une part, son bon accord avec les observations récentes et d’autre part, sa limitation par les incertitude sur les constantes d’intégration. Une version, P04par, du modéle P03, a été paramétrée en fonction des vitesses de précession et de la variation séculaire du coefficient J2 du potentiel terrestre. Ces travaux ont servi de base au rapport final du groupe de travail de l’UAI intitulé « Precession and the ecliptic » auquel participent N. Capitaine et J. Chapront. Une proposition de résolution de l’UAI va être soumise à l’Assemblée Générale de l’UAI en 2006 pour recommander l’adoption par l’UAI du modèle P03.

82

Effets théoriques du second ordre sur la rotation de la Terre Les effets du second ordre dus aux marées tessérales et sectorielles, négligés jusqu’alors, ont pu être déterminés ainsi que le comportement des coefficients de déformabilité du manteau et du noyau pour une Terre anélastique à noyau liquide, incluant les océans. Ce travail, commencé à la suite de la thèse de S. Lambert effectuée au SYRTE, a été achevé par celui-ci, dans le cadre d’une collaboration avec P.M. Mathews, principal concepteur de IAU 2000A.

Equations du mouvement du pôle en coordonnées rectangulaires Dans le cadre d’un projet soutenu par le Programme européen Descartes-nutation, les équations de la rotation de la Terre ont été développées en fonction des coordonnées célestes X, Y du CIP. Une méthode de résolution a été proposée et son efficacité a été démontrée.

Participants N. Capitaine, Astronome

J. Souchay , Astronome

S. Lambert, post-doc à l’USNO, puis à l’Observatoire Royal de Belgique

M. Folgueira, post-doc, maître-assistant à l’Université de Madrid

������������� ������������Revues à comité de lecture Année 2003 Abarca del Rio R., Gambis D., Salstein D., P. Nelson P., Dai A., 2003, Solar Activity and Earth

rotation variability, J. of Geodynamics, Special issue, 36, 3, pp423-443. Altamimi, Z., P. Sillard and C. Boucher, The Impact of a No-Net-Rotation Condition on

ITRF2000, GRL, 30(2), 1064, doi:10.1029/2002GL016279, 2003. Capitaine, N., Chapront, J., Lambert, S., Wallace, P., 2003, "Expressions for the Celestial

Intermediate Pole and Celestial Ephemeris Origin consistent with the IAU 2000A precession-nutation model”, Astron.Astrophys, 400, 1145-1154.

Capitaine, N., Wallace, P., McCarthy, D.D., 2003, "Expressions to implement the IAU 2000 definition of UT1”, Astron.Astrophys 406, 1135-1149.

Capitaine, N., Wallace, Chapront, J., 2003, “Expressions for IAU 2000 precession quantities”, Astron.Astrophys 412, 567-586.

Feissel-Vernier, M., 2003 : Selecting stable extragalactic compact radio sources from the permanent astrogeodetic VLBI program. A&A 403, 105.

Abarca del Rio R., Gambis D., Salstein D., P. Nelson P., Dai A., 2003, "Solar Activity and Earth rotation variability", J. of Geodynamics, Special issue, 36, 3, pp423-443.

Soffel,M., Klioner, S., Petit, G., Bretagnon, P., Capitaine, N., et al., 2003, "Explanatory supplement for the IAU'2000 resolutions on relativity", Astronomical Journal 126, 2687-2706.

Année 2004 Altamimi, Z., P. Sillard, and C. Boucher, 2004, ITRF2000: From Theory to Implementation, in V

Hotine-Marussi Symposium on Mathematical Geodesy, International Association of Geodesy Volume 127, F. Sanso (Ed.), Springer-Verlag.

Arias F. et Bouquillon S., 2004 : “Representation of the International Celestial Reference Frame (ICRF) by different sets of selected radio sources”, Astron. & Astroph., 422, p. 1105-1108

Bourda, G., Capitaine, N., 2004 “Precession, nutation and space geodetic determinaton of the Earth’s gravity field., A&A 428, 691-702

Capitaine, N., Wallace, Chapront, J., 2004 “Comparison between high precision precession models for the ecliptic and the equator”, A&A , 421, 365-379.

83

Capitaine, N., Wallace, Chapront, J., 2004 “Improvement of the IAU 2000 precession model”, A&A, sous presse (A&A preprint doi:10.1051/004-6361:20041908).

de Viron O., Salstein D., Bizouard C., Fernandez L., 2004, “Low frequency excitation of length-of-day and polar motion by the atmosphere”, J. Geophys. Res. (Solid Earth), 109, Issue B3, CiteID B03408.

Fey, A.L., C. Ma, E.F. Arias, P. Charlot, M. Feissel-Vernier, A. -M. Gontier, C. S. Jacobs, J. Li, D. S. MacMillan, 2004. The International Celestial Reference Frame. Extension and Revision: Positions of 109 Additional Sources. AJ 127, 3587

Gambis D., 2004, Monitoring Earth Orientation at the IERS using space-geodetic observations., J. of Geodesy, 78, pp 295-303.

Gambis D., 2004, Earth Orientation Monitoring, State-of-the-art and prospects, Artificial Satellite, Journal of Planetary Geodesy.

Lambert, S., Capitaine, N., 2004, “Effects of zonal deformations and the Earth’s rotation rate variations on precession-nutation’’, A&A 428, 255-260.

Ray, J., D. Dong and Z. Altamimi, 2004, IGS reference frames: status and future improvements, GPS Solutions, Vol. 8, No. 4, DOI: 10.1007/s10291-004-0110-x, Springer-Verlag.

Souchay J., Folgueira M. et Bouquillon S., 2004: “Effect of the triaxiality on the rotation of celestial bodies: application to the Earth, Mars and Eros”, Earth, Moon and Planets, 93, Issue 2, p. 107-144.

Année 2005 Altamimi Z (2005), Definition and realisation of a Terrestrial Reference System. GGSP WP210

Technical Report. Altamimi Z, Boucher C, Willis P (2005). Terrestrial Reference Frame requirements within

GGOS, Journal of Geodynamics, 40 (2005) 363 - 374, doi:10.1016/J. jog.2005.06.002. Altamimi Z., Boucher C and D. Gambis, 2005, Long-term Stability of the Terrestrial Reference

Frame, Adv. Space Res 33(6) : 342-349, DOI: 10.1016/j.asr.2005.03.068 Altamimi Z, Collilieux X, Boucher C, 2005, Preliminary Analysis in view of the ITRF2005,

Proceedings IAG, The Dynamic Planet, IAG Symposia, Vol. 130. Feissel-Vernier, M., Ma, C., Gontier, A.-M., Barache, C., 2005 : Sidereal orientation of the Earth

and stability of the VLBI celestial reference frame. A&A 438, 1141-1148. Gambis D., 2005, "Earth Orientation Monitoring, State-of-the-art and prospectives",Artificial

Satellites - Journal of Planetary Geodesy (ISSN 0208-841X), Vol. 40, No. 1, p. 61 - 69. Gambis D., 2005, "Earth Orientation Monitoring, State-of-the-art and prospects",Artificial

Satellites - Journal of Planetary Geodesy (ISSN 0208-841X), Vol. 40, No. 1, p. 61 - 69. Ray, J. and Z. Altamimi 2005, Evaluation of co-location ties relating VLBI and GPS reference

frames, Journal of Geodesy, 79:189-195, DOI: 10.1007/s00190-005-0456-z. Ray, J., J. Kouba, and Z. Altamimi, 2005, Is there Utility in Rigorous Combinations of VLBI and

GPS Earth Orientation Parameters? Journal of Geodesy. Souchay,J.,Gontier,A-M., Barache,C.;2005 : Cross-identifications and astro-photometric

comparisons of the ICRF with recent catalogs of quasars A&A 453,743 Willis P., C. Boucher, H. Fagard et Z. Altamimi, 2005, Applications géodésiques du système

DORIS à l’Institut Géographique National, Geoscience.

Année 2006 Altamimi Z, Collilieux X, Boucher C , 2006, DORIS Contribution to ITRF2005, Journal of

Geodesy, doi: 10.1007/s00190-006-0065-5. Feissel-Vernier, M., Ma, C., Gontier, A.-M., Barache, C., 2006 : Analysis issues in the

maintenance of the ICRF axes. A&A 452, 1107-1112 Gambis D., 2006, DORIS and the Determination of the Earth's polar motion,

Publisher: Springer Berlin / Heidelberg ISSN: 0949-7714 (Paper) 1432-1394 (Online) DOI: 10.1007/s00190-006-0043-y

84

Gambis, D., Biancale, R.; Carlucci, T.; Lemoine, J.M.; Marty, J.C, Bourda G., Charlot, P.; Loyer, S.; Lalanne, L., Soudarin, L., 2006, Combination of Earth Orientation Parameters and terrestrial frame at the observation level , subm. to Springer Verlag series.

Souchay J., S. Lambert, C.Leponcin-Lafitte 2007, A comparative study of rigid earth, non rigid earth theories and observational data”. A & A, accepted

Souchay J., Leponcin-Lafitte C., Andrei A. 2006, Close-approaches between Jupiter and quasars with applications to the GAIA mission A&A, submitted (revision)

Autres publications Année 2003 Altamimi Z, Boucher C, 2003, Multi-technique combination of time series of station positions

and Earth orientation parameters, in Proceedings of the IERS Workshop on Combination Research and Global Geophysical Fluids, IERS Technical Note No. 30, Richter B, Schwegmann W, Dick W (eds.), Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, Germany, 102-106.

Capitaine, N., 2003, "Theoretical considerations on precession and nutation referred to the GCRS ", Actes des Journées Systèmes de référence référence spatio-temporels 2001, N. Capitaine (ed), Observatoire Royal de Belgique et Observatoire de Paris, p 252-256.

Capitaine, N., 2003, "Accurate formulation for the transformation between the terrestrial and celestial Reference Systems", Actes des Journées Systèmes de référence référence spatio-temporels 2002, N. Capitaine and M. Stavinschi (eds), Observatoire de Paris, p 66-72.

Capitaine, N., McCarthy, D.D, 2003, "Impact of IAU Resolutions on Earth Rotation Parameters”, in IERS Technical Note 30, IERS Workshop on Combination Research and Global Geophysical Fluids, B. Richter, W. Schwegmann, W. Dick, (eds), Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, p 66-73.

IERS Conventions 2003, Chapter 5, “Coordinate transformation from the terrestrial to the Celestial system”, IERS Technical Note .33

Feissel-Vernier, M., 2003 : Reference systems and frames: definition, maintenance, connections and influence. Proc. Journées SF2A 2003, Combes et al. eds., EDP Sciences, les Ulis, France, p. 67

Année 2004 Altamimi Z, Sillard P, Boucher C (2004) CATREF Software: Combination and Analysis of

Terrestrial Reference Frames. Publication LAREG SP08. Bizouard C., 2004, “Interactive Earth rotation Parameters through the web”, Proc. Journées

Systèmes de Référence Spatio-Temporels 2003, ed. A. Finkelstein and N. Capitaine, pp. 156-159. Bourda G., N. Capitaine, 2004, "Temporal variations of the gravity field and Earth precession-

Nutation", Proc. Journées Systèmes de Référence Spatio-Temporels 2003, ed. A. Finkelstein and N. Capitaine, pp. 203-204.

Capitaine, N., 2004, "Highlights of the scientific meetings of Division I” and : Microarsecond models for the celestial motions of the CIP and the CEO, Journées Systèmes de référence spatio-temporels 2003, A. Finkelstein and N. Capitaine (eds), 339-342.

Capitaine, N., Wallace, P., 2004, “The VLBI Contribution to Precession (Present and Future)”, International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2004 General Meeting Proceedings, ed. by N. R. Vandenberg and K. D. Baver, NASA/CP-2004-212255, 2004.

Chapront J. and Francou G., 2004, The lunar libration. Comparisons between various models - A model fitted to LLR observations, Journées 2004, Systèmes de références spatio-temporels, Eds. N. Capitaine, Observatoire de Paris (Paris, septembre 2004).

Dehant, V., de Viron, O., Feissel-Vernier, M., 2004 : Investigation of nutation beyond the IAU2000 model. IVS 3rd General Meeting, Ottawa, 9-12 fev. 2004. NASA/CP-2004-212255.

Feissel-Vernier, M. (ed.), 2004 : report of the 2004 IDS Plenary Meeting. http://lareg.ensg.ign.fr/IDS/events/prog_2004.html

Gambis D. and P. Sillard, 2005, Excitation of the Chandler Wobbler Amplitude by the El Nino Southern Oscillation process, soumis à Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie.

85

Lambert S., 2004, "Influence of the Earth's rotation rate and deformations on precession-nutation," Proc. Journées Systèmes de Référence Spatio-Temporels 2003, ed. A. Finkelstein and N. Capitaine, pp. 211-212.

Souchay, J., 2004, "Characteristics of EROS 433 rotation" in Proc. Journées 2003 « Systèmes de référence », St. Pétersburg, 18-20 septembre 20003, .ed. A. Finkelstein and N. Capitaine, pp. 263-268.

Année 2005 Altamimi Z (2005), Definition and realisation of a Terrestrial Reference System. GGSP WP210

Technical Report. Altamimi, Z., X. Collilieux, C. Boucher, 2006b, Accuracy assessment of the ITRF datum

definition, VI Hotine-Marussi Symposium of Theoretical and Computational Geodesy: Challenge and Role of Modern Geodesy, International Association of Geodesy, In press.

Altamimi Z, Collilieux X, Boucher C (2005), Preliminary Analysis in view of the ITRF2005, Proceedings IAG, The Dynamic Planet, IAG Symposia, Vol. 130.

Bizouard C., 2005 : Global consistency of IERS earth orientation with the ITRS and the ICRS: span 1988-2003. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Chapront, J., G. Francou, 2005 : Lunar laser ranging: measurements, analysis, and contribution to the reference systems. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Feissel-Vernier, M.; 2005 : Assessing astrometric quality : stability of the VLBI-derived extragalactic celestial frame. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Feissel-Vernier, M., Cognard, I., 2005 : Tying the dynamical and extragalactic reference frames via millisecond pulsars. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Feissel-Vernier, M., 2005 : Comments on the VLBI connection between celestial and terrestrial reference frames by means of sidereal time. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Gambis D. and P. Sillard, 2005, Excitation of the Chandler Wobbler Amplitude by the El Niño Southern Oscillation process, Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie.

Gambis, D., “Towards a redefinition of UTC?" Proc. SF2A 2005, eds. F. Combes et al. EDP Sciences 2005.

Gambis D., C. Bizouard,, M. Sail, 2005, Evolution of Earth orientation Monitoring at IERS, Proc. Journées Systèmes de Référence spatio-temporels, N. Capitaine and B. Kolaczek (eds.), Space Research Centre PAS, Warsaw, Poland, pp 59-61.

Gambis D. , R. Biancale, J.-M. Lemoine, J.-C. Marty, S. Loyer, L. Soudarin, T. Carlucci, N. Capitaine, Ph. Bério, D. Coulot, P. Exertier, P. Charlot and Z. Altamimi, 2005, Global combination from space geodetic techniques, Proc. Journées Systèmes de Référence spatio-temporels, N. Capitaine and B. Kolaczek (eds.), Space Research Centre PAS, Warsaw, Poland, pp 62-65.

Gontier, A.-M., E.F. Arias & C. Barache, 2005 : Maintenance of the ICRF using the most stables sources. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Gontier, A.-M., (OP), A.L. Fey, D.A. Boboltz (USNO), S. Bouquillon, C. Barache, 2005 : Dissemination of ICRS products and information on the ICRF radio sources. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Souchay, J., I. Cognard, 2005 : Pulsars: timing reduction at Nancay's radio-telescope and construction of an astrometric catalogue. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Souchay, J., A.-M. Gontier, C. Barache, 2005 : Astro-photometric properties of the ICRF with respect to catalogues of quasars. IERS Technical Note 34 (J. Souchay et M. Feissel-Vernier eds.).

Varga P. , D. Gambis, Ch. Bizouard, Z. Bus and M. Kiszely - Tidal influence through LOD variations on the temporal distribution of earthquake occurrences, Proc. Journées Systèmes de Référence 2005.

Souchay J., Feissel-Vernier, M. (eds.) 2005 : The International Celestial Reference System and Frame. ICRS Product Center report for 2001-2004 IERS Technical Note 34. BKG Frankfurt

86

Willis P, Boucher C, Fagard H, Altamimi Z, (2005), Applications géodésiques du système DORIS à l’Institut Géographique National, Geoscience, Vol. 337(7), pp. 653-662, Elsevier.

Année 2006 Altamimi, Z., X. Collilieux, C. Boucher, 2006, Accuracy assessment of the ITRF datum

definition, VI Hotine-Marussi Symposium of Theoretical and Computational Geodesy: Challenge and Role of Modern Geodesy, International Association of Geodesy, In press.

Coulot D., Ph. Berio, R. Biancale, S. Loyer, L. Soudarin, A.-M. Gontier. Towards a direct combination of space-geodetic techniques at the measurement level: methodology and main issues, JGR Solid Earth, in press, 2007

Gambis D. and C. Bizouard, 2006, Monitoring Earth Orientation at the IERS using astro-geodetic techniques: Present status and Future, Proceedings VLBI-2012 meeting, St Petersburg, Russia, September 2006.

Thèses G. Bourda, 2004, "Rotation terrestre et variations du champ de gravité", thèse de doctorat de

l’Observatoire de Paris. D. Coulot, 2005, Télémétrie laser sur satellites et combinaison de techniques géodésiques –

Contributions aux systèmes de référence terrestres et application, thèse de doctorat de l’Observatoire de Paris.

Rapport de stage M2 Pollet A, 2006, Cumul de mesures de télémétrie laser sur satellites. Contributions aux

systèmes de référence terrestres et aux paramètres d'orientation de la Terre, rapport de stage de M2, Observatoire de Paris, 2006

Direction d’ouvrages Gambis D., B. Kolaczek and D. Salstein (eds.), 2003, Earth Rotation and Episodic processes

Special issue Journal of Geodynamics Special Issue Journal of Geodynamics, 36,3.

Chapitres d’ouvrages Connaissance des Temps 2004 : chapitre sur les systèmes de référence et les changements de

coordonnées et la précession nutation (N. Capitaine) Connaissance des Temps 2005 : chapitres sur la rotation de la Terre (S. Lambert, Daniel

Gambis) et la transformation de coordonnées entre système céleste et terrestre (N. Capitaine)

87

Présentation Les activités de recherche géodésique et géodynamique à partir des données DORIS sont réparties dans plusieurs groupes du CNES et de l’IGN, chacun ayant ses objectifs et son environnement. Ces groupes participent à plusieurs programmes internationaux, l’International DORIS Service (IDS, http://ids.cls.fr), avec en particulier la coordination des analyses de 2002 à 2005, l’Ocean Surface Topography Science Team (OSTST) et l’European Improved Gravity model of the Earth by New Techniques (EIGEN). Les éléments forts de l’année 2003 à 2006 sont le quasi achèvement de la rénovation du réseau par l’IGN/SIMB, l’analyse détaillée des propriétés statistiques temporelles des positions de station, un rythme accru de publications scientifiques, et l’utilisation de DORIS au système de référnce géodésique international, ITRF2005 s’appuyant sur l’activité opérationnelle de plusieurs centres d’analyse. A l’initiative de l’un d’entre nous (P. Willis), le Journal of Geodesy a publié en 2006 un numéro spécial « DORIS » auquel les différents groupes liés au GRGS participent de façon importante (dix-sept articles publiés). Noter que cette idée a fait école, puisque l’IVS vient d’annoncer une publication semblable concernant le VLBI.

Centres d’analyse

CNES / GRGS : modèle de correction de fréquence DORIS pour Jason en relation avec l’Anomalie sud-Atlantique (SAA) L’étude de modélisation du comportement des Oscillateurs Ultra Stables (USO) DORIS de Jason-1 sous l’influence de la SAA, entamée en 2003, a été poursuivie en 2004 et 2005. Elle a permis d’achever le modèle de l’USO numéro 2, premier entré en fonction sur Jason-1 (qui se trouve être l’oscillateur redondant, donc portant le numéro 2), et de réaliser le modèle de l’oscillateur nominal (numéro 1) qui a été mis en service à partir du 25 juin 2004.

Pratiquement tous les cycles disponibles de Jason-1 ont été utilisés dans la construction des modèles des USOs 1 et 2. Tant que Topex/Poséidon (T/P) a été disponible, celui-ci a servi de référence, utilisant la particularité de co-orbitation des satellites T/P et Jason et le fait que l’USO de T/P semble non affecté par la SAA. Depuis l’arrêt définitif de DORIS sur T/P, le 1er novembre 2004, c’est l’utilisation de l’ensemble des autres satellites emportant DORIS (SPOT-2, -4 et -5 et ENVISAT) qui a permis la poursuite de l’élaboration des modèles.

Les principaux résultats obtenus cette année sont la détermination d’une nouvelle carte, plus précise, de la SAA (Figure 1) et la validation des modèles des USOs 1 et 2. L’utilisation des modèles permet d’obtenir :

• Une réduction importante des résidus de mesure DORIS, une réduction du nombre de mesures éliminées et une réduction faible des résidus Laser (Figure 2)

3.2 APPORT DES MESURES

GEODESIQUES : DORIS

88

• Une très nette amélioration des performances de Jason-1 en terme de positionnement des stations DORIS (Figure 3), dont la qualité devient maintenant presque comparable à celle de T/P.

Les modèles des USOs 1 et 2 sont maintenant intégrés dans la chaîne nominale de traitement des données DORIS au CNES.

Figure 1 : Modélisation de la SAA à l’altitude de Jason (unités adimensionnelles)

Figure 2 : résidus de mesure DORIS, nombre de mesures DORIS, résidus de mesure Laser

89

Figure 3 : Ecart à l’ITRF2000 à partir d’un mois de mesure (juin 2005)

LEGOS Le LEGOS est un des centres d’analyse du système de radio positionnement par satellite, DORIS, de l’IERS (International Earth Rotation Service) depuis 1994. A coté des systèmes de Géodésie Spatiale VLBI (Interférométrie à longue base), SLR (Satellite Laser Ranging) et GPS (Global Positioning System), le système DORIS participe depuis 1996 à l’élaboration du système international des références terrestres appelé ITRF (International Terrestrial Reference Frame). Dans une suite logique, en 2000, le LEGOS a fait une proposition de participation à l’IDS (International Doris Service crée à l’initiative du CNES et de l’IGN pour fédérer la communauté scientifique autour du système Doris) en tant que centre d’analyse. Ce dernier est opérationnel depuis juin 2002. La contribution à la production de produits géodésiques précis est remplie dans le cadre d’un marché industriel avec la société CLS, tandis que l’analyse et la valorisation scientifique par le biais d’articles et de participations à des colloques est assurée par le LEGOS. Pour l’essentiel il s’agit de l’analyse: des mouvements horizontaux et verticaux des stations calculées par traitement dynamique des orbites des satellites porteurs de l’instrument DORIS, des mouvements du centre de masse de la Terre, de la rotation terrestre (mouvement du pôle) et des performances avec les instruments DORIS de dernières générations : SPOT-5, ENVISAT, JASON.

Depuis décembre 2001, 3 satellites porteurs du système Doris ont été mis sur orbite : Jason, Envisat puis Spot-5. Ils embarquent tous une nouvelle génération de récepteurs Doris, plus performants que leurs prédécesseurs (Topex / Poseidon, Spot2-3-4) : fréquences décalables, 2 unités de traitements, meilleur rapport signal à bruit. Une étude de l’impact sur les produits géodésiques en « bout de chaîne » a été initiée fin 2002 et s’est poursuivie en 2003 et en 2004. Nous avons pu vérifier une nette amélioration des résultats (environ 30%) provenant d’une plus grande densité de mesures dans une configuration à 6 satellites (Spot-2, Spot-4 et Topex / Poseidon sont toujours en orbite) comme cela était espéré.

Depuis 2005 le travail a consisté au traitement en mode opérationnel des données Doris sur l’ensemble des satellites porteurs (7 au total), sous forme de séries hebdomadaires de positions des balises du réseau. Ce travail est opéré par CLS dans le cadre d’un contrat industriel CNES sous la supervision du Legos. En parallèle nous nous sommes attaché à analyser les résultats des traitements des données doris en terme de mouvements à la surface de la Terre, et la mise en valeur sous forme de publication du système doris dans le cadre de ces études qui impliquent également d’autres techniques de géodésie telles que le GPS ou le laser satellite (une publication a été soumise et acceptée en 2006). Nous avons en particulier montré que la technique DORIS était parfaitement adaptée à l’étude de la cinématique terrestre liée à la tectonique des plaques, et avons proposé dans ce cadre une solutions de rotation de plaques (sous forme de pole de rotation pour 10 plaques) que nous avons appelée LCALVEL, et qui est une version très améliorée de ce que nous avions déjà publié en 1998 sur le même sujet.

Nous avons également continué en 2006 les études de mouvements verticaux saisonniers de la croûte terrestre liés aux effets de charges, et avons comparés les séries doris à des séries GPS et des déformations vertticales que nous avons déduites des données de la mission GRACE. Ce travail a été réalisée en collaboration avec l’observatoire de Kitab en Ouzbekistan, qui heberge une balise doris, et sous forme d’une bourse d’etude de l’OTAN pour une jeune chercheuse ouzbek qui est venue pour une durée de 9 mois au Legos (octobre 2005-Juin é006) pour travailler sur le sujet. Ce travail est toujours en cours et une nouvelle demande de bourse a été déposée. De nombresues correlations ont été mises en evidence entre les séries temporelles des positions de stations DORIS mais aussi de recepteurs GPS permanents, et les deformations verticales saisonnieres de la croûte terrestres soient issues de GRACE soient issues de modèles climatiques. Une publication est en cours de rédaction sur le sujet.

90

2007 s’inscrit dans la continuation logique de ces travaux : traitement opérationnel des données DORIS et valorisations des produits géodésiques par le biais de présentations à des congrès, d’articles, et présence dans les instances nationales et internationales pour la géodésie (IDS,IAG,GRGS, etc …). Par ce biais nous avons également participé à une pré-évaluation de l’ITRF2005, dernière version en date du système de référence global terrestre calculé à partir de l’ensemble des techniques de géodésie spatiale existantes (GPS, Doris, SLR et VLBI). L’ITRF2005 a été officiellement livré aux utilisateurs le 5 octobre 2006.

IGN L’IGN/JPL est actuellement le seul centre d’analyse de l’IDS à fournir la totalité des produits IDS : deux séries hebdomadaires de coordonnées des stations (1993.0-2007.0), solutions cumulatives (positions/vitesses), géocentre, paramètres de la rotation terrestre. Les calculs sont faits en utilisant le champ GGM01C et les résultats sont disponibles dans un délai de 1 à 2 jours sur le Centre de données du CDDIS. Ces séries sont utilisées pour l’IDS et pour l’IERS (campagne pilote de combinaison pour laquelle nous fournissons depuis son début la seule solution DORIS). Les précisions obtenues sont de l’ordre de 10 mm pour les positions hebdomadaires de stations et désormais comprises entre 0,5 et 1 mas pour la position du pôle de la rotation terrestre.

De très nombreuses publications à comité de lecture ont été réalisées entre 2003 et 2006, à l’occasion du séjour de P. Willis au Jet Propulsion Laboratory (septembre 2001 à août 2006) A partir de ces résultats dont on ne peut résumer ici que les thèmes majeurs : localisation géodésique DORIS multi-satellite et ses implications sur la maintenance du système de référence terrestre, orbitographie Jason, comportement de l’oscillateur DORIS/Jason au-dessus de l’anomalie sud-atlantique, frottement atmosphérique durant les orages géomagnétiques, géophysique, correction troposphérique,…

Coordination des analyses de l’IDS La méthode d’analyse originale que nous avons développée, utilisant conjointement l’analyse temporelle en composantes principales (PCAT) et la variance d’Allan, permet de qualifier le signal tri-dimensionnel non linéaire des séries chronologiques de coordonnées de stations. L’appliquant aux séries de coordonnées de quelque 122 stations DORIS obtenues par trois centres d’analyse de 1993 à 2005, nous montrons que le spectre dominant est celui de bruit blanc au niveau de 10 à 45 mm pour un temps d’échantillonnage de sept jours. Dans le cas de DORIS, les stations à haute latitude se singularisent par un spectre de bruit de scintillation mais un niveau de bruit plus faible (10 mm). On constate globalement une meilleure stabilité des stations équipées d’antennes Starec que de celles équipées d’antennes Alcatel (resp. 10-35 mm et 20-45 mm pour la première composante principale), ce qui correspond aux attentes d’après les caractéristiques techniques des deux types d’antenne. Par ailleurs, pour les stations ayant une histoire observationnelle continue sur au moins trois ans, la stabilité mesurée est bien corrélée avec le facteur de qualité technique de la station établi par IGN/SIMB dans le cadre de la rénovation du réseau.

Nous avons étudié l’influence de la déformation verticale de la croûte due aux variations de pression atmosphérique sur la stabilité à long terme des coordonnées de station. La figure ci-dessous montre le niveau et le spectre du bruit dans le cas d’Hartebeesthoek (stations VLBI, SLR, DORIS, GPS) et de Krasnoyarsk (stations DORIS et GPS). On remarque que, même dans le cas de Krasnoyarsk où le niveau de bruit de la charge atmosphérique atteint celui de la mesure la plus stable GPS à court terme (une semaine), le signal de surcharge atmosphérique devient négligeable à long terme (un an). On remarque par ailleurs que les quatre techniques présentes à Hartebeesthoek ont des stabilités très proches à long terme : 3 à 6 mm.

91

Niveau de bruit des mesures DORIS (étoiles), GPS (losanges), SLR (triangles) et VLBI (cercles) et de l’effet de la surcharge atmosphérique (ligne continue) pour la composante verticale à Hartebeesthoek et Krasnoyarsk. Les graphes représentent la variance d’Allan en fonction du temps d’échantillonnage, en coordonnées logarithmiques.

Les études spectrales de la stabilité des coordonnées des stations DORIS ont été poursuivies et étendues à l’ensemble des techniques de géodésie globale : VLBI, Télémétrie Laser sur satellite (SLR), GPS et DORIS. A l’aide d’un critère statistique tenant compte de la variance et du spectre des séries de coordonnées, nous avons mis en évidence la diversité de stabilité des stations entre techniques et au sein de chaque réseau. Cette recherche est poursuivie avec l’objectif de caractériser la contribution de chacune des techniques à la maintenance à long terme des paramètres définissant un repère de référence terrestre multi-techniques.

Des premiers résultats de combinaison des solutions hebdomadaires non contraintes (fichiers SINEX) à l’aide du logiciel CATREF ont été obtenus. Il s’agit de la mise en référence ITRF2000 des jeux de coordonnées des différents centres. Cependant, on ne dispose encore que de deux solutions indépendantes, ce qui ne permet pas d’évaluation rigoureuse des pondérations à appliquer dans la combinaison par la méthode CATREF. Rappelons que la méthode PCAT permet de déterminer des facteurs de pondération par l’analyse temporelle tridimensionnelle du signal de chaque station, sans passer par des comparaisons entre solutions. Le projet d’ajouter la considération des orbites dans l’analyse a démarré par l’examen des pratiques existantes dans divers centres d’analyse. Dans ce nouveau programme, il ne s'agit pas tant de produire des orbites moyennes que d'une méthode pour renforcer la cohérence interne de la solution combinée, et aider à comprendre certaines différences entre les centres d'analyse.

Résultant de la collaboration, engagée en 2001 à notre initiative, avec les université de Berne et de Prague pour le développement de l’analyse du signal DORIS par le logiciel « Bernese », un nouveau centre d’analyse des données DORIS (GOPE) a commencé à fonctionner en Tchéquie.

Préparation de la contribution à l’ITRF2005 De nombreuses études ont été consacrées à la qualité des séries temporelles de solutions hebdomadaires DORIS (fichiers SINEX, séries de coordonnées de stations) disponibles pour la construction de l’ITRF2005, élaborées par quatre centres d’analyse de l’IDS : IGN-JPL, LEGOS-CLS, INASAN (centre russe utilisant les même procédures d’analyse que IGN-JPL) et Geosciences Australia-GSFC. On a étudié l’indépendance statistique des résultats par paires de centres d’analyse, en particulier dans le cas de procédures d’analyse communes, la stabilité des stations, l’intégrité des coordonnées ITRF2000. On a mis en place un fichier informatique (������������������� ����� ���������) recensant tous les incidents relatifs à la station : dates de début et fin d’activité, problèmes d’antenne, séismes proches,.rattachements entre stations successives dans le même site, etc. Les résultats de l’ensemble des études sont disponibles sur

92

http://lareg.ensg.ign.fr/IDS/ITRF2004 et ������� ���������������������.� Une synthèse été rédigée en novembre 2005 pour être utilisée dans le calcul de l’ITRF2005.

Participants Richard Biancale CNES/GRGS

Hugues Capdeville CLS

Jean-François Crétaux CNES/LEGOS

Hervé Fagard IGN/SIMB

Dilbar Fazilova Boursière OTAN

Martine Feissel-Vernier Obs. Paris/SYRTE et IGN/LAREG

Karine Le Bail Postdoc CNES, IGN/LAREG et OCA/GEMINI

Jean-Michel Lemoine CNES/GRGS

Laurent Soudarin CLS

Petr Stepanek Doctorant, Université de Prague (Tchéquie)

Jean-Jacques Valette CLS

Pascal Willis IGN et JPL

Wassila Zerhouni Ingénieur stagiaire, CNTS (Algérie)

Publications

Revues à comité de lecture

Publiés et sous presse Altamimi Z., C. Boucher, P. Willis (2005) Terrestrial Reference Frame Requirements within

IGGOS, J Geodyn 40(4-5), 363-374, DOI: 10.1016/j.jog.2005.06.002. Amalvict M., P. Willis, K. Shibuya (2007) Status of DORIS stations in Antarctica from precise

geodesy, IAG Symp., 130:94-102, 2007, ISBN : 978-3-540-49349-5. Bettinelli P, J.P. Avouac, M. Flouzat, F. Jouanne, L. Bollinger, P. Willis, G.R. Chitrakar (2006)

Plate motion of India and Interseismic strain in the Napel Himalaya from GPS and DORIS measurements, J. Geod., 80(8-11), 567-589, 2006, DOI : 10.1007/s00190-006-0030-3

Doornbos E., P. Willis (2007) Analysis of DORIS range-rate residuals for SPOT, TOPEX, Jason and ENVISAT, Acta Astron. , 60(8-9), 611-621DOI : 10.1016/j.actaastro.2006.07.012

Fagard, H. (2006) 20 years of evolution of for the DORIS permanent network, From its initial deployment to its renovation, J. Geod., 80(8-11), 429-456, DOI : 10.1007/s00190-006-0084-2

Feissel-Vernier, M., K. Le Bail, Ph. Berio, D. Coulot, G. Ramillien, J.-J. Valette (2006) Geocenter motion measured by DORIS and SLR and geophysical evidence, J. Geod., 80(8-11), 637-648, DOI: 10.1007/s00190-006-0079-z

Gerasimenko, M.D, A.G Kilomietc, M. Kasahara, J-F. Crétaux, L. Soudarin (2005) Establishment of a global three-dimensional kinematic reference frame using VLBI and DORIS data, Far Eastern Mathematical journal.

Haines, B.J., W.I.B. Bertiger, S. Desai, D. Kuang, T. Munson, L. Young, P. Willis (2003) Initial Orbit Determination Results for Jason-1: Towards a 1-cm Orbit, J. Inst. Navig., 50, 3, pp. 171-179

Haines B.J. , Y. Bar-Sever, W. Bertiger, S. Desai, P. Willis (2004) JASON-1 and the BlackJack receiver, New strategies for the 1-cm Precise Orbit determination, Marine Geod., 27, 1-2, pp. 299-318, doi :10.1080/01490410490465300

Le Bail, K., J.-J. Valette, W. Zerhouni, M. Feissel-Vernier (2005). Long-term consistency of multi-technique terrestrial reference frames, a spectral approach , Proc. symposium G4, Dynamic Planet 2005 (IAG/IAPSO/IABO Joint Assembly).

93

Le Bail, K., (2006) Estimating the noise in space-geodetic positioning. The case of DORIS, J. Geod., 80(8-11), 541-566, DOI: 10.1007/s00190-006-0088-y

Lemoine, J.-M., H Capdeville, R Biancale (2006) Corrective model for Jason-1 DORIS Doppler data in relation to the South Atlantic Anomaly, submitted to the J. Geod., 80(8-11), 507-524, DOI: 10.1007/s00190-006-0068-2

Morel L., P. Willis (2005) Terrestrial Reference Frame effects on Sea Level Rise determined by TOPEX/Poseidon, Adv Space Res, 36(3), 358-368, DOI: 10.1016/j.asr.2005.05.113.

Nocquet J.M., P. Willis, S. Garcia (2006) Plate kinematics of Africa and surrounding plates from a combination of DORIS and GPS solutions, J. Geod., in DORIS Special Issue, P. Willis (Ed.), 80(8-11), 591-607, DOI : 10.1007/s00190-006-0078-0

Noll C., L. Soudarin On the resources supporting the data, products, and information infrastructure for the International DORIS Service, J. Geod., 80(8-11), 419-427, DOI : 10.1007/s00190-006-0051-y

Pearlman M., Z. Altamimi, N. Beck, R. Forsberg, W. Gurtner, S. Kenyon, D. Behrend, F.G. Lemoine, C. Noll, E.C. Pavlis, Z. Malkin, A.W. Moore, F.H. Webb, R.E. Neilan, J.C. Ries, M. Rothacher, P. Willis (2006) Global Geodetic Observing System, Considerations for the geodetic network infrastructure, Geomatica, 60(2), 193-204, 2006

Pearlman M., C. Ma, A. Moore, N. Beck, P. Willis, R. Forsberg, E. Pavlis, Z. Altamimi, J.C. Ries, Kenyon (2007) GGOS working group on networks, communications and infrastructure: organization IAG Symp., 130 :711-718, 2007, ISBN : 978-3-540-49349-5.

Snajdrova K., J. Boehm, P. Willis, R. Haas, H. Schuh (2006) Multi-technique comparison of tropospheric zenith delays derived during the CONT02 campaign, J. Geod., 79(10-11), 613-623, DOI : 10.1007/s00190-005-0010-z.

Soudarin L, J-F Crétaux (2006)A model of present-day tectonic plate motions from 12 years of DORIS measurements, J. Geod., 80(8-11), 609-624, DOI: 10.1007/s00190-006-0090-4

Stepanek, P., U. Hugentobler, K. Le Bail. First Results of DORIS Data Analysis at GOPE, J. Geod.

Tavernier G., H. Fagard, M. Feissel-Vernier, F. Lemoine, C. Noll, J. Ries, L. Soudarin, P. Willis (2005) The International DORIS Service (IDS), Adv Space Res, 36(3), 333-341, DOI: 10.1016/j.asr.2005.03.102.

���������� - �'� . �� ������'� � �� �����,/ ������'� ��� ��� ����'� 0 �� ��� 1���'� ��� ��� ����'� 2 ������'�������� ��'�3� Ries, L. Soudarin, J.-J. Valette, P. Willis (2006) The International DORIS Service : genesis and early achievements. J. Geod., 80(8-11), 403-417, DOI: 10.1007/s00190-006-0082-4

Williams S.D.P, P. Willis (2006) DORIS network, error analysis of weekly station coordinates, J. Geod., 80(8-11), 525-539, DOI : 10.1007/s00190-006-0056-6.

Willis P. (2003) DORIS et la Géodesie Globale, Document de synthèse, Habilitation à Diriger des Recherches, Paris VI, 98 pages, soutenu le 25/11/2003.

Willis P. (2006) Preface, J. Geod., in DORIS Special Issue, P. Willis (Ed.), 80(8-11), 401, 2006, DOI: 10.1007/s00190-006-0077-1

Willis P. (2007) Analysis of a possible future degradation in the DORIS geodetic results related to changes in the satellite constellation, Adv. Space Res., DOI: 10.1016/j.asr.2006.11.018

Willis P., M. Heflin (2004) External validation of the GRACE GGM01C Gravity Field using GPS and DORIS positioning results, Geophys. Res. Lett., 31, 13, L13616, 2004, doi :10.1029/2004GL020038

Willis P., J.C. Ries (2005) Defining a DORIS core network for Jason-1 Precise Orbit Determination based on ITRF2000, Methods and realization, J. Geod., 79(6-7), 370-378, DOI : 10.1007/s00190-005-0475-9.

Willis P., B. Haines, Y. Bar-Sever, W. Bertiger, R. Muellerschoen, D. Kuang, S. Desai (2003) Topex/Jason combined GPS/DORIS orbit determination in the tandem phase, in Satellite Dynamics in the Era of Interdisciplinary Geodesy, P. Visser, P. Moore (Eds), Adv. Space Res., 31, 8, pp. 1941-1946, DOI: 10.1016/S0273-1177(03)00156-X.

Willis P., G. Tavernier, M. Feissel-Vernier, F. Lemoine, C. Noll, J. Ries, L. Soudarin (2004) The proposed International DORIS Service, Proc. Of IAG Symp. 128, pp. 207-213

94

Willis P., B. Haines, J.P. Berthias, P. Sengenes, J.L. Le Mouel (2004) Comportement de l’oscilateur DORIS/JASON au passage de l’anomalie Sud-Atlantique, C.R. Geosci., 336, 9, pp. 839-846, doi :10.1016/j.crte.2004/01.004

Willis P., Y Bar-Sever, G. Tavernier (2005) DORIS as a potential part of a Global Geodetic Observing System, J Geodyn, 40(4-5), 494-501, DOI : 10.1016/j.crte.2005.03.002.

Willis P., C. Boucher, H. Fagard, Z. Altamimi (2005) Geodetic applications of the DORIS system at French Institut Geographique National, Applications géodésiques du système DORIS à l’Institut Geographique National, CR Geoscience, 337(7), 653-662, DOI : 10.1016/j.crte.2005.03.002

Willis P., F. Deleflie, F. Barlier, Y.E. Bar-Sever, L.J. Romans (2005) Effects of thermosphere total density on LEO orbits during severe geomagnetic conditions (October-November 2003) using DORIS and SLR data, Adv Space Res, 36(3), 486-497, DOI: 10.1016/j.asr.2005.03.029.

Willis P., S. Desai, W. Bertiger, B. Haines, A. Auriol (2005) DORIS satellites antenna maps derived from long-term residuals time series, Adv Space Res, 36(3), 358-368, DOI: 10.1016/j.asr.2005.03.095.

Willis P., J.-P. Berthias, Y.E. Bar-Sever (2006) Systematic errors in Z-geocenter derived satellite from tracking data. A case study from SPOT4/DORIS data in 1998, J. Geod., 79(10-11), 567-572, DOI : 10.1007/s00190-005-0013-9.

Willis P., C. Jayles, Y. Bar-Sever (2006) DORIS: From Altimetric Missions Orbit Determination to Geodesy, CR Geoscience, Special Issue, Observing the Earth from Space,.DOI : 10.1016/j.crte.2005.11.013.

Willis P., F. Lemoine, L. Soudarin (2007), Looking for systematic errors in scale from terrestrial reference frames derived from DORIS data, IAG Symp., 130:143-151, 2007, ISBN : 978-3-540-49349-5.

Willis P., B.J. Haines, D. Kuang (2007) DORIS satellite phase center determination and consequences on the derived scale of the Terrestrial Reference Frame, Adv. Space Res., in press, DOI: 10.1016/j.asr.2007.01.007

Soumis

Autres publications�Exertier P., J. Nicolas, P. Bonnefond, P. Willis, J.P. Berthias, O. Laurain, and F. Barlier (2003)

Vers une orbitographie centimétrique des satellites océanographiques, Toward a centimetrical orbitography for oceanographical Satellites, Rapport Quadriennal Pour L’Union Géodésique et Géophysique Internationale, 1999-2003, pp. 71-79, 2003

Feissel-Vernier, M., K. Le Bail (2005) Spectral characteristics of the measurement of station motion with GPS, IGS Technical Report 2003-2004 (R. Neilan ed.).

Plag H.P., P. Willis, B. Richter, Z. Altamimi (2005) Identification, Quality control, Copyrigth and certification associated with GGOS products, Draft 1.0, 1rst GGOS meeting, Potsdam, Allemagne, 1-2 mars 2005, 12 p.

Willis P., J.C. Ries ($%%&) DORIS weekly solutions, Status report and open questions, IERS CPP Workshop,Potsdam, Germany, October 10-11, 2005, IERS Technical Note 34, BKG, Frankfurt-am-Main, Germany.

Willis P., P. Visser (2005) Satelllite dynamics, in Highlights in Space 2004, COSPAR Report to United Nations 2004, 172-176.

Willis P., C. Jayles, G. Tavernier (2004) Improved DORIS accuracy for Precise Orbit Determination and Geodesy, Amelioration de la precision DORIS en orbitographie et en geodesie, French National Report to COSPAR, 35th Scientific Assembly, Rapport au COSPAR 2004, 35eme Assemblee Scientifique, Paris, pp. 110-111, July 2004.

Communications et séminaires non publiés�Granier J.P., M. Feissel-Vernier, F. Lemoine, C. Noll, J. Ries, L. Soudarin, G. Tavernier, P. Willis

(2005) International DORIS Service supporting Reference Frame maintenance, EGU 2005, Vienne, Autriche, 24-29 avril 2005, EOS Trans (abstract), EGU05-A-05003

95

Le Bail, K., M. Feissel-Vernier, 2005. « Datum definition within and across techniques station weight factors reflecting their long-term stability », IERS Combination Pilot Project splinter meeting, Vienne, 27 avril 2005 (présentation orale).

Le Bail, K., M. Feissel-Vernier, 2005. « Network stability criteria derived from coupled EOF-Allan variance analysis », session G1, EGU 2nd General Assembly, Vienne, 28 avril 2005 (poster).

Le Bail, K., J.-J. Valette, W. Zerhouni, M. Feissel-Vernier, 2005. « Long-term consistency of multi-technique terrestrial reference frames, a spectral approach », session G4, Dynamic Planet 2005 (IAG/IAPSO/IABO Joint Assembly), Cairns, 22 août 2005 (présentation orale).

Le Bail, K., M. Feissel-Vernier, 2005. « Statistical stability of origin, scale and orientation of space-geodetic terrestrial reference frames », session “Weekly solutions”, IERS workshop on Combination, GFZ, Potsdam, 10-11 octobre 2005 (présentation orale).

Le Bail, K., 2005. Spectral characteristics of the measurement of station motion with GPS, Séminaire au JPL/NASA, Pasadena, 30 novembre 2005 (presentation orale)

Le Bail, K., M. Feissel-Vernier, Ph. Berio, D. Coulot, G. Ramillien, J.-J. Valette, 2005. Comments on the ability of satellite-geodetic techniques to measure geocenter motions, AGU Fall Meeting 2005, San Francisco, décembre 2005 (présentation orale invitée)

Soudarin, L. et al., 2005. Activités du centre d'analyse LEGOS/CLS, Journée GINS du 9 juin 2005.

Soudarin, L. et al., 2005. Horizontal and vertical motions from DORIS geodesy. Dynamic Planet 2005 (IAG/IAPSO/IABO Joint Assembly), Cairns, Australie.

Stepanek, P., U. Hugentobler, K. Le Bail, J. Kostelecky, 2005. An alternative DORIS Data Processing Technique, session G15, EGU 2nd General Assembly, Vienne, 25 avril 2005 (poster)

Willis P. (2005) Looking for systematic errors in scale from terrestrial reference frames derived from DORIS data, JPL/ARTS meeting, 27 octobre 2005

Willis P., R.E. Neilan, A.P. Moore (2005) IGS, de l’International GPS Service a l’International GNSS Service, Colloque de GPS à Galileo, quels recherche et développement ? Paris, 17 octobre 2005

Willis P., L. Soudarin, F. Lemoine (2005) Stability of the DORIS-derived terrestrial scale, EGU 2005, Vienne, Autriche, 24-29 avril 2005, EGU05-A-02866, EOS Trans (abstract)

���������

Feissel-Vernier, M.; Valette, J.-J., Altamimi, Z., Le Bail, K., Soudarin, L. (2005) Report of the 2003 IDS Campaign « Impact of GRACE gravity field models on IDS products ». http://lareg.ensg.ign.fr/IDS/events/2003_camp_report.pdf

Feissel-Vernier, M., Le Bail, K., Valette, J.-J. (2005) Analysis of IDS products in preparation for ITRF2004. http://lareg.ensg.ign.fr/IDS/ITRF2004

Feissel-Vernier, M., Le Bail, K., Valette, J.-J. (2005) Problem areas in DORIS TRF realizations. http://lareg.ensg.ign.fr/IDS/ITRF2004/Prepa_ITRF04.pdf

Willis P., J.-F. Crétaux (2004) DORIS data analysis strategies, Position Paper, IDS Plenary meeting, Paris, May 3-4, 2004, 15 p.

Willis P., L. Soudarin (2005) IDS recommendations for ITRF2004, IDS Central Bureau Report, http://ids.cls.fr/report/reports.html

96

Introduction Les travaux de thèse de J. Nicolas (soutenus en décembre 2000) ont permis d’amorcer les activités du département GEMINI (CERGA à l’époque) de l’OCA dans le cadre du traitement des données de télémétrie laser sur satellites pour l’élaboration de repères de référence terrestres. C’est dans ce contexte qu’ont été effectués les travaux de thèse de D. Coulot, travaux soutenus en juillet 2005. Suite à tous ces travaux, les calculs de séries temporelles de positions de stations et de Paramètres de Rotation de la Terre (PRT) s’effectuent de manière opérationnelle depuis le milieu de l’année 2005 à l’OCA. L’OCA/GEMINI doit d’ailleurs devenir un centre d’analyse de l’ILRS.�

Méthode développée Les travaux effectués à l’OCA, en étroite collaboration avec le LAREG, entre 2003 et 2006 ont donné lieu à des développements méthodologiques quant au traitement des données laser. Ces développements ont concerné l’estimation des erreurs orbitales résiduelles, la modélisation des positions de stations ainsi que l’estimation des biais en distance caractéristiques des stations laser.

Concernant les erreurs orbitales résiduelles, nous avons mis en place une approche semi dynamique consistant à estimer des erreurs empiriques cinématiques déduites de l’intégration des équations de la théorie de Hill. Cette méthode permet à la fois de quantifier la qualité des arcs d’orbite des deux satellites LAGEOS et d’estimer des erreurs résiduelles en même temps que les paramètres géodésiques d’intérêt (positions de stations et PRT).

Nous avons également mis en évidence un effet de moyenne par moindres carrés, source d’inexactitude pour l’estimation des séries temporelles de positions de stations. En effet, pour l’heure, tous les phénomènes géodynamiques influant sur les mouvements de la croûte terrestre ne sont pas pris en compte dans le modèle a priori des positions de stations. Nous avons démontré que le mode d’estimation actuel ne permet pas de restituer exactement les phénomènes non modélisés au travers de séries temporelles hebdomadaires ; il faut tenir compte d’une inexactitude que nous avons qualifiée d’«effet de moyenne par moindres carrés ». Afin de pallier ce problème, nous avons imaginé des modèles alternatifs tels que des séries périodiques ou des décompositions sur des bases d’ondelettes des signaux géodynamiques que l’on cherche à mettre en évidence par le biais des séries temporelles estimées.

Enfin, nous avons développé une méthode d’estimation rigoureuse des biais en distance des stations laser que nous avons qualifiée de « méthode de décorrélation temporelle ». Cette approche a été raffinée depuis sa conception en 2004. En effet, les bornes temporelles entre lesquelles le biais en distance, pour une station, un satellite et une longueur d’onde de laser donnés, est considéré constant sont maintenant déterminées en fonction de l’évolution de l’instrumentation mise en jeu. A titre d’illustration, un jeu de coordonnées est estimé avec 7 jours de mesure alors qu’un biais doit être estimé avec au minimum trois mois de mesures pour que la méthode soit efficace. Les résultats obtenus montrent un bon accord (de l’ordre du millimètre) entre les biais par satellite estimés pour une même station de poursuite laser,

3.2.2. APPORT DES MESURES

GEODESIQUES : Laser

97

preuve que les valeurs obtenues reflètent bien un biais instrumental (aux effets de signature des satellites près) et non pas une part absorbée des signaux géodynamiques portés par les composantes verticales des stations. En effet, estimer des biais en distance hebdomadaires en même temps que les positions de stations (méthode utilisée pour certaines stations par les centres d’analyse de l’ILRS) peut altérer les résultats. Preuve en est le signal annuel sans aucun sens physique mis en évidence dans la série de biais en distance hebdomadaires de la station 7110 sur la figure 1.

Fig. 1 : Série temporelle de biais en distance hebdomadaires estimés pour la station de Monument Peak (7110) et le satellite LAGEOS (mm). Ces biais en distance ont été calculés en même temps que les séries temporelles hebdomadaires de positions de stations. Le signal annuel qui apparaît dans cette série (et qui n’a aucun sens physique) est vraisemblablement lié à une diffusion des signaux géodynamiques portés par les positions de stations vers les biais en distance estimés��

Toutes ces considérations méthodologiques ont donné lieu au développement du logiciel MATLO (MAThématiques pour la Localisation et l’Orbitographie).

Séries temporelles

Séries temporelles GINS/DYNAMO

A titre de validation de la méthode mise en place pour calculer les séries temporelles de positions de stations et de PRT, 12 années de données (1993-2004) sur les deux satellites LAGEOS ont été traitées avec les logiciels GINS/DYNAMO. Les séries temporelles ainsi déterminées ont permis de mettre en évidence les termes annuels et semi annuels des mouvements du géocentre dans les paramètres de translation entre les repères terrestres hebdomadaires et l’ITRF2000. De plus, les séries temporelles de composantes verticales de certaines stations du réseau de poursuite laser (cf. Fig. 2) mettent en évidence des signaux résiduels annuels d’une amplitude de quelques mm. Ces effets pourraient être attribués aux charges hydrologiques.

�

�

98

Fig 2 : Exemple d’une série temporelle de composantes verticales pour la station laser 7110 (Monument Peak, Etats-Unis) calculée avec GINS/DYNAMO.

Séries temporelles GINS/MATLO Le logiciel MATLO a été finalisé durant l’année 2006. Cette finalisation a surtout consisté à achever la mise à niveau du logiciel vers les nouvelles conventions IERS 2003. Cette mise en conformité de MATLO avec les conventions IERS 2003 permet d’estimer des séries temporelles de positions de stations et de paramètres de rotation de la Terre tout à fait comparables aux solutions obtenues par les centres d’analyse de l’ILRS. En guise d’illustration, la figure 3 donne un exemple de séries temporelles de positions dans l’ITRF2000 pour la station de Monument Peak (7110). Les signaux annuels décelés dans ces séries sont vraisemblablement attribuables aux effets géodynamiques, effets non pris en compte dans la modélisation a priori des positions de stations. Dans ce contexte, la phase de test pour l’obtention du titre de centre d’analyse de l’ILRS par l’OCA/GEMINI (sur la base des logiciels GINS/MATLO) a été amorcée courant 2006.

�

Fig. 3 : Séries temporelles hebdomadaires de positions de stations (mm) dans l’ITRF2000 pour la station de Monument Peak (7110). Les séries temporelles hebdomadaires ont été calculées avec MATLO au format SINEX puis les fichiers SINEX ont été cumulés avec CATREF.

99

La figure 4 donne quant à elle les translations et les facteurs d’échelle (estimés avec CATREF) entre les solutions hebdomadaires obtenues avec MATLO et l’ITRF2000. Les signaux périodiques (de périodes principales annuelle et semi annuelle) détectés dans les séries pour les trois translations reflètent vraisemblablement les mouvements du géocentre. On peut de plus noter la bonne stabilité de la série temporelle des facteurs d’échelle, stabilité assurée par notre méthode d’estimation des biais en distance des stations de poursuite laser.

Fig. 4 : Séries temporelles hebdomadaires des trois translations (TX, TY et TZ) et du facteur d’échelle D (mm) estimés par CATREF entre les repères de référence terrestres déterminés par MATLO et l’ITRF2000.

Avenir des calculs Les calculs opérationnels en direction de l’ILRS doivent être effectués avec les logiciels GINS (pour le calcul des orbites) et MATLO (pour la détermination des séries temporelles) dans le courant de l’année 2007. Les recherches attenantes au traitement des données laser continuent d’être effectuées au LAREG et à l’OCA/GEMINI.

Participants au projet Les participants du projet sont :

D. Coulot (IGN/LAREG)

Ph. Berio, O. Laurain, D. Féraudy, P. Bonnefond, P. Exertier et F. Deleflie (OCA/GEMINI).

Références bibliographiques 4 �� 2 ���� '� $%%5'� �!�!� ! ���� ����� ��� � ���� �� � � ��� �������� ��� ����� ��� �!��!� ��� 6�2 �� ���� ���� ��"� 7 )� �� ��� �!�!������ ���� ��� � � ������� ���''� �)�� ��� ��� ��� � ����#� ����� ��������8�����

P. Exertier, J. Nicolas, Ph. Berio, D. Coulot, P. Bonnefond & O. Laurain, The role of laser ranging for calibrating Jason-1: the Corsica tracking campaign, Marine Geodesy, Special issue on Jason-1 calibration/validation, Part 2, Vol. 27, n° 1-2, 2004.

D. Coulot & Ph. Berio, Effet de moyenne par moindres carrés, application à l’analyse des séries temporelles laser, Bulletin d’Information Scientifique & Technique de l’IGN n° 75, Activité recherche 2003, pp. 129-142, IGN (Eds), IGN-SR-03-083-G-ART-DC, 2004.

�

100

Introduction Au cours de ces années 2003 à 2006, l’activité autour du traitement des données GPS pour la géodésie est sensiblement montée en puissance au GRGS. Les objectifs de l’équipe étaient d’améliorer la qualité des traitements jusqu'à se situer au niveau des meilleurs centres d’analyses de l’IGS, de mettre en place des capacités de traitement systématiques (quotidien) des données d’un réseau global de stations, de promouvoir le logiciel GINS de post-traitement des données au travers d’une part de son exploitation dans des campagnes scientifiques et d’autre part, de sa portabilité sur des ordinateurs personnels hors du CNES.

Dans les paragraphes suivants, nous présentons la synthèse des évolutions du logiciel GINS pour le traitement des données GPS puis les principaux résultats de sa mise en œuvre dans le cadre de différents projets scientifiques.

Evolutions de GINS pour les traitements GPS Les évolutions les plus significatives ont concerné :

- le modèle dynamique de trajectoire et en particulier la modélisation de la pression de radiation (Dobler, 2006)

- la résolution des ambiguïtés de phase pour des réseaux globaux (Loyer 2006a)

- le prétraitement des observables et en particulier les problèmes de pondération et le traitement sur 3 jours (continuité des mesures de phase à midi et minuit)

- le raffinement de l’équation d’observation comme par exemple les corrections de « phase wind-up » ou la prise en compte des corrections de positions des centres de phases absolus des antennes réceptrices

- l’unification des fonctions de mesure zero-différence et double-différence

- l’adaptation à la restitution de coordonnées d’un réseau régional de récepteurs à haute fréquence (1 heure)

- l’adaptation au mode de traitement PPP (Precise Point Positionning) pour la détermination de coordonnées de stations (indépendantes et/ou isolées)

Ainsi le logiciel GINS a vu ses performances et ses capacités sensiblement améliorées au cours de ces 4 dernières années (Loyer 2006b). Enfin, la première documentation des traitements GPS dans le logiciel GINS est parue en 2006 (Loyer 2006c).

Les traitements GPS pour le projet des CRC Dans le cadre de sa contribution à l’expérience pilote CRC de l’IERS, le GRGS exploite les données GPS d’un réseau global de récepteurs géodésiques et contribue à la détermination des systèmes de référence. Depuis le 1er janvier 2004, nous produisons en routine les orbites précises des satellites de la constellation GPS à partir des données enregistrées par 70 stations du réseau IGS (cf. figure 1).

3.2.3 APPORT DES MESURES GEODESIQUES : GPS/Galileo

101

Figure 1: Réseau de 70 station GPS utilisé pour les CRC

A partir de ces données nous avons aussi généré les équations normales hebdomadaires associées contenant les dérivées partielles des coordonnées de station et des paramètres du pôle. Ces équations GPS ont été envoyées régulièrement au centre de combinaison (Observatoire de Paris). Le délai de production s'établit à moins de 4 semaines en moyenne. Les différentes étapes (prétraitements, fabrication des équations normales avec GINS, cumuls hebdomadaires, vérification des résultats) sont aujourd'hui automatisées même si des étapes manuelles de vérification et de suppression de certaines données subsistent.

La figure 2 compare nos solutions d’orbites de la constellation avec celle de l’IGS. L’écart d’orbites est de l'ordre de 10 cm (RMS 3D) (outils de comparaison internes).

Figure 2 : Ecarts journaliers globaux entre les orbites de la constellation GPS calculées avec GINS et les solutions de l'IGS projetés le long des trois directions tangentielles, normales et radiales (de haut en bas). Les écarts systématiques sont de l'ordre du cm ou moins (colonne de gauche) et les écarts rms sont inférieurs à 4 cm en radial et à 10 cm dans les autres directions (colonne de droite en échelle logarithmique; les dates sont exprimées en jours juliens 1950)

102

La figure 3 évalue la qualité des coordonnées des stations ajustées. Les RMS des écarts constatés par rapport à la solutions à priori ITRF2000 sont respectivement de 1 cm en hauteur , 7,5 mm (Est-Ouest) et 6,5 mm (Nord-Sud).

Figure 3 : Ecarts des séries temporelles des coordonnées de station obtenues par rapport aux coordonnées ITRF 2000 pour l'ensemble des stations du réseau GPS utilisées (les écarts exprimés en mètres sont projetés en repère local selon les directions verticale ,est-ouest et nord-sud de haut en bas, les dates sont exprimées en semaine GPS).

Les paramètres du pôle Xp et Yp. ajustés s’accordent à un niveau de 0.25 mas RMS avec la référence EOPC04 de l'IERS (figure 4)

Figure 4: Ecarts types entre les paramètres du pôle Xp et Yp obtenus par rapport à la solution EOPC04 de l'IERS (en millisecondes d'arc).

103

L’ensemble de ces résultats montre que depuis la qualité des produits n’a cessé de s’améliorer et surtout que cette qualité est aujourd'hui maintenue semaine après semaine.

Mesure des déformations de charge par GPS Le champ des applications des GNSS aux études des déformations locales horizontales et verticales est considérable. Au cours de ces 4 dernières années, le logiciel GINS a été adapté et exploité pour ce type d’application :

- les données de la campagne Bretagne (Durand et al 2004) ont été l’occasion de mettre en évidence des déplacements de charge océaniques sub-diurnes (figure 5) et de valider les performances de GINS par comparaison aux outils standard internationaux (Melachroinos et al. 2005, 2006a, 2006b, Nicolas et al. 2006)

Figure 5 : Comparaison des solutions horaires des déplacements verticaux de la station Le Diben calculés avec GINS et issus du modèle de charge océanique (modèle de marée FES2004).

- l’observation des déformations verticales saisonnières de stations GPS de l’IGS se trouvant dans des bassins hydrologiques a montré une forte corrélation avec les déformations théoriques issues de modèles ainsi qu’avec les produits de champ de gravité variables issus de la mission GRACE (figure 6) (Fazilova et al. 2006a, 2006b)

104

Figure 6 : Comparaison des solutions GPS et GRACE des déplacements verticaux dus à la charge hydrologique pour le site de Brazilia..

Participants au projet S. Loyer Noveltis

Stavros Melachroinos Thésard GRGS

F. Perosanz CNES/GRGS

Delphine Dobler Stagiaire CNES

Dibar Fazilova Post-Doc GRGS

Jean-Charles Marty CNES/GRGS

Richard Biancale CNES/GRGS

T. Lalanne Noveltis

Guillaume Ramillien CNRS/GRGS

Jean François Cretaux CNES/GRGS

Références bibliographiques D. Dobler, Amélioration des modèles de pression de radiation solaire au sein du logiciel Gins

de calcul d’orbite pour les satellites des constellations GPS et Galileo, Rapport de stage CNES/ENSICA, Toulouse, septembre 2006.

S. Durand, J. Nicolas, L. Morel, M. Llubes, F. Masson, 2004, Résultats GPS de la campagne d’étude de la charge océanique en Bretagne-Cotentin sur la période de mars à juin 2004, GDR-G2.

D. Fazilova; Ramillien, G.; Perosanz, F.; Cretaux, J.F.; Melachroinos, S., Time-variable vertical deformations determined from GRACE and in-situ GPS data, EGU General assembly 2005, Vienne, Autriche, 02-07 avril 2006

D. Fazilova., Perosanz., F.; Ramillien , G.; Cretaux, J.F.; Melachroinos , S.; Soudarin, L. Time variable vertical displacements compared from GRACE gravity models, GPS, DORIS and hydrological models. . in International GNSS Service workshop. 2006. Darmstadt, Germany.

105

S. Loyer, F. Perosanz, S. Bruinsma, F. Mercier, " High and Low POD using GPS at CNES/GRGS", 10 Years IGS - Workshop and Symposium, 1-5 mars 2004, Berne, Suisse

S. Loyer , Projet CHAMP/GRACE/GPS 2006 mai 2006, Noveltis NOV-3451-NT-3865 S. Loyer, T. Lalanne, Projet CHAMP/GRACE/GPS – Bilan des travaux 2003-2004-2005-2006,

rapport Noveltis. S. Melachroinos, R. Biancale, F. Perosanz, S. Loyer, J.M. Lemoine, GINS un logiciel de traitement

GPS, résultats et analyse synthétique des stratégies de calcul de la campagne Bretagne, Colloque 2005 GDR G2, 16 novembre 2005, Montpellier.

S. Melachroinos., Biancale, R., Perosanz, F. Ocean loading effects in a high time resolution GPS analysis. Implications and artefacts with GINS software. . in International Global Navigation Satellite Service Workshop. 2006. Darmstadt ESA European operation space center, Germany.

S. Melachroinos S. A., Biancale R., Llubes, M. Perosanz, F , Lemoine, J , Loyer, S. Diurnal, semi-diurnal, third, forth and sixth diurnal ocean tide loading signals in Brittany, France: modelled and unmodelled displacements by GPS. in American Geosciences Union 2006. San Francisco, USA.

J. Nicolas, S. A. Melachroinos, L. Morel, M. Vergnolle, M.-N. Bouin, S. Durand, F. Masson, GPS analysis software effects on geodynamical application: Case study on ocean loading in Brittany, NW France. in American Geosciences Union. 2006. San Francisco, USA.

F. Perosanz, Galileo et les GNSS: interoperabilite et futures applications, Bulletin de la societe geographique de Liege, 47, 2006, 7-17

106

Introduction De 2003 à 2006 les activités du groupe d’analyse VLBI astro-géodésique se sont poursuivies dans deux directions : la modélisation et l’analyse des données VLBI. Dans le domaine de la modélisation différents tests ont été réalisés pour étudier les conséquences sur l’analyse de l’introduction des résolutions de l’UAI 2000 sur les systèmes de références. Dans le domaine de l’analyse nous avons étudié l’impact sur la mesure de la rotation de la Terre de la prise en compte de la stabilité des systèmes de références (sources et stations). Nous nous sommes plus particulièrement intéressé à la détermination de la stabilité des stations VLBI, ainsi qu’à l’influence des réseaux sur la qualité des résultats de l’analyse.

Les résolutions de l’UAI 2000: implémentation en VLBI Depuis sa conception le logiciel d’analyse GLORIA utilise la nouvelle transformation qui permet de passer du repère terrestre au repère céleste, se référant à l’origine non-tournante. En 2003, nous avons mis à jour cette nouvelle transformation pour se conformer aux résolutions de l’UAI 2000 sur les systèmes de références. En vue d’aider à l’implémentation de ces résolutions dans les logiciels d’analyse existant, nous avons analysé les trois façons suivantes de programmer la transformation classique.

• Calcul du temps sidéral de Greenwich (GST) en utilisant sa relation avec l’angle de rotation de la Terre (la plus correcte).

• Calcul de GST en utilisant la relation entre le temps sidéral moyen de Greenwich (GMST) et UT1, modifié pour tenir compte de la correction de précession et l’équation des équinoxes complète.

• Procédure particulière, destinée à étudier l’impact du biais entre repères à J2000. Elle comprend les paramètres usuels de précession, la routine UAI2000.f des IERS Conventions 2003 et le calcul de GST en utilisant la deuxième méthode.

Nous avons vérifié le niveau d’accord entre ces trois méthodes en utilisant les observations VLBI de 1999 du programme NEOS. Les différences mises en évidences sont inférieures à 0,5�as sur le mouvement du pôle et 0,1•s sur UT1. Pour les paramètres de nutation les différences sont inférieures à 0,5�as entre la première et la deuxième méthode, mais elles peuvent atteindre 3,5�as entre la première et la troisième. Ces perturbations d’ordre théorique reste cependant tout à fait négligeables, à l’heure actuelle, devant l’incertitude d’environ 50�as sur la détermination des EOP.

Sensibilité des EOP à la sélection des sources stables Dans le cadre de l’élaboration de la deuxième génération de l’International Celestial Reference Frame (ICRF) nous avons réalisé des études préparatoires basées sur l’analyse statistique des séries temporelles de coordonnées de radiosources. A partir d’une première sélection et après raffinements des critères de stabilités on est passé d’une liste de 199 à 247 objets, plus appropriés pour la maintenance des axes de l’ICRF. Dans une collaboration avec l’Observatoire

3.2.4 APPORTS DES MESURES

GEODESIQUES : VLBI

107

Royal de Belgique (V. Dehant et O. de Viron) et le GSFC (C. Ma) nous avons étudié la sensibilité des EOP à la sélection des sources dans l’analyse VLBI. Nous avons montré que les résultats VLBI basé sur les sources stables sont plus consistent que ceux obtenus de façon conventionnelle. L’impact de cette sélection sur la vitesse de précession et d’obliquité ainsi que sur le terme principal de nutation (18,6 ans) n’est pas négligeable. Des différences de l’ordre de 40-50�as/an sur la vitesse de précession et de quelques dizaines de �as/an sur la vitesse de l’obliquité ont été mises en évidence, d’un niveau comparable aux incertitudes sur les modèles géophysique. De même, pour la composante prograde du terme de 18,6 ans l’impact de la sélection des sources est de 150�as. Les mesures de mouvement du pôle et de temps universel sont quant à elles plus stable à court et moyen terme lorsque les sources détectées comme instables sont exclues du repère.

Le système terrestre dans les analyses VLBI

Conséquences du statut de l’ITRS dans les analyses L’analyse globale des observations VLBI pour produire un repère céleste inclus un certain nombre de choix possible concernant notamment la définition des repères de références céleste et terrestre et leur relation temporelle. On utilise généralement deux approches :

• l’approche CRF (celestial reference frame) qui consiste a estimé les positions des stations indépendamment pour chaque session d’observation.

• l’approche TRF (terrestrial reference frame) où l’on estime globalement la plupart des positions et des vitesses de stations.

La première approche, utilisée lors de l’élaboration de l’ICRF et ses extensions, a été choisie pour libérer le repère céleste des éventuelles erreurs systématiques liées à la déficience du réseau terrestre. Nous avons étudié cette possible contamination en utilisant quatre analyses, deux approches TRF et deux approches CRF, obtenues à partir des observations VLBI de 1980 à 2003. Dans deux de ces analyses (une CRF et une TRF) nous avons considéré les coordonnées de sources comme globale sauf pour le lot de source détectées comme instables dans notre analyse des séries temporelles. La condition de non-rotation sur le repère céleste a par ailleurs été réalisée sur les sources stables. Dans les deux autres analyses, toutes les sources sont considérées comme globales et la condition de non rotation est réalisée sur les 212 sources de définition (sélection conventionnelle des sources).

Pour tester les conséquences de l’estimation d’un repère terrestre global sur l’orientation du repère céleste, nous avons calculé l’orientation relative (trois angles et un biais en déclinaison du plan principal) des approches TRF-CRF pour le même traitement du repère céleste. Dans le cas de la sélection conventionnelle des sources, les résultats montrent que l’incohérence sur la définition des axes entre l’approche TRF et CRF est inférieure à 7�as, ce qui est bien en dessous de la précision sur la définition des axes de l’ICRF (20�as). Dans le cas de la sélection des sources stables, l’effet est même inférieur à 3�as.

Pour déterminer l’impact de l’approche TRF sur la précision des positions des sources, nous avons comparé nos quatre repères avec deux repères indépendant (stratégie d’analyse suivant une approche TRF et une sélection conventionnelle des sources) soumis au centre de produit ICRS de l’IERS. Pour chaque paire de catalogue, on a calculé les variances résiduelles (∆α cos δ et ∆δ) et appliqué la méthode du tricorne pour déterminer la précision individuelle de chaque repère. Les résultats montrent que la précision sur les positions de sources est de 30�as stable à 2�as environ. On peut aussi conclure que l’impact du repère terrestre sur la précision de la position des sources est inférieur à 3�as et ce quelque soit la sélection de source.

108

Stabilité des positions de station VLBI On recherche généralement dans les séries temporelles de coordonnées de station une dérive linéaire tri-dimensionelle, dont les composantes horizontales sont associées à la tectonique des plaque et le mouvement vertical au soulèvement ou la subsidence. Le mouvement non-linéaire résiduel peut quand à lui être interprété comme un bruit provenant d’un phénomène géophysique local, de l’instrumentation ou de la stratégie d’analyse et des modèles. Nous avons appliqué une méthode basé sur l’utilisation combinée de l’analyse en composante principale dans le domaine du temps et de la variance d’Allan (développée par K. Le Bail 2006) aux observations des coordonnées de station de l’IVS fournies par C. Ma, permettant de qualifier le signal tri-dimensionnel non linéaire des séries.

Nous avons généralement trouvé un spectre de bruit blanc pour les 37 stations de l’IVS de 1990 à 2004. On a noté que le signal non-linéaire est surtout présent dans la direction verticale et qu’un certain nombre d’amplitudes saisonnières sont significatives au niveau de 1-sigma et quelques-unes au niveau de 3-sigmas. On peut conclure de cette étude que la stabilité à un an, pour les stations étudiées, est meilleure que 2mm sur les axes horizontaux et 5mm pour la verticale. L’amplitude de la composante annuelle est inférieure à 1mm dans les directions Nord et Est, et 5mm pour la verticale.

Influence du réseau sur la qualité des EOP Cette étude compare les deux réseaux des sessions parallèles de 24 heures du lundi (R1) et du jeudi (R4) qui sont conduites toutes les semaines par l’IVS depuis 2002. Nous avons investigué la possible influence de la géométrie des réseaux, ainsi que la cohérence entre les paramètres d’orientation de la Terre et le repère terrestre réalisé séparément à partir des sessions R1 et R4.

Les stations utilisées par les sessions R1 et R4 ne sont pas les mêmes ainsi que leur fréquences d’utilisation. La figure 1 représente les réseaux de stations les plus fréquemment utilisés entre 2002 et 2005 par les deux programmes.

Fig 1 : Réseaux des stations les plus fréquemment utilisés par le programme R1 (gauche) et R2 (droite) entre 2002 et 2005.

Une différence marquée existe entre ces deux réseaux, le réseau R1 à de longues lignes de bases orientées Est-Ouest (Amérique-Europe et Europe-Japon) et une aire très étendue grâce aux stations dans l’hémisphère sud. Le réseau R4 est plus petit, il couvre seulement a peu près 1/3 de la surface de la Terre, les stations de l’hémisphère sud excepté Fortaleza sont peu utilisées.

Nous avons réalisé deux analyses identiques dans les choix des stratégies adoptées pour dériver les séries de EOP. La première EOP1 a été dérivé à partir des sessions R1, EOP4 à partir des sessions R4, puis elles ont été comparé au Bulletin A de l’IERS. Il apparaît que la série EOP1 et EOP4 ont des résidus par rapport au Bulletin A avec des variances similaires mais qu’elles ont des biais et des pentes différentes. Les différences peuvent atteindre quelques centaines de

109

micro seconde de degré sur un an, ce qui est significatif comparé à l’incertitude formelle (typiquement 100 µas) sur l’estimation des EOP. Tout étant identique par ailleurs, il est clair que la géométrie du réseau, ainsi que les stations sont les paramètres clefs pour la précision des EOP déterminés par VLBI.

En étudiant les paramètres de la transformation de Helmert entre les repères terrestre individuels réalisés à partir des solutions R1, R4 et le repère de référence VTRF2005, nous pouvons conclure qu’un grand nombre de stations est clairement un avantage pour contraindre et estimer un repère terrestre, mais qu’un réseau non permanent dégrade significativement cette détermination. Finalement l’utilisation de réseaux avec des géométries et des stratégies d’observations différentes a des effets visibles sur la détermination opérationnelle de séries de EOP et que leurs conséquences doivent être examinés avec attention dans le futur.

Conclusions Nous avons conduit un certain nombre de tests et d’analyse pour évaluer des stratégies d’analyse alternatives qui peuvent être appliquées à la réalisation de la deuxième génération de l’ICRF (appelé ICRF2). Nous recommandons l’utilisation des sources stables, déterminées par l’analyse statistique des séries temporelles, pour la définition des axes du repère et l’utilisation des observations à partir de 1990. Nous avons aussi montré que l’analyse simultanée de la position des sources, du mouvement des stations et des paramètres d’orientation de la Terre, n’a pas d’impact négatif sur le repère céleste ou sur les paramètres de précession et de nutation ainsi dérivés. Nos analyses permettent de conclure que les observations VLBI accumulées depuis 1990 remplissent les conditions pour déterminer le repère de référence céleste le plus précis et simultanément d’assurer l’unification des repères terrestre et céleste (par une stratégie d’analyse globale) au niveau sub-millimétrique à la surface de la Terre.

Participants au projet C. Barache OP/SYRTE à partir de 2004

N. Essaïfi OP/SYRTE en 2003

M. Feissel-Vernier OP/SYRTE

A.-M. Gontier OP/SYRTE

S. Lambert Obs. Royal de Belgique / Associé au SYRTE

Références bibliographiques

Revues à comité de lecture V. Dehant et al., 2003, Remaining error sources in the nutation at the sub-milliarsecond level,

JGRB, 108,2275. M. Feissel-Vernier, 2003, Selecting stable extragalactic compact radio sources from the

permanent astrogeodetic VLBI program, AA, 403, 105. M. Feissel-Vernier et al., 2005, Sidereal orientation of the Earth and stability of the VLBI

celestial reference frame, Astron. Astrophys., 438, 1141. M. Feissel-Vernier et al., 2006, Analysis issues in the maintenance of the ICRF axes, Astron.

Astrophys., 452, 1107. M. Feissel-Vernier et al., 2006, Stability of VLBI, SLR, DORIS, and GPS positioning, Earth Plan.

Sp., in revision. K. Le Bail, 2006, Estimating the noise in space-geodetic positioning. The case of DORIS, J.

Geod., Special Issue on DORIS.�

110

Autres publications Feissel-Vernier et al., 2004, VLBI and the Earth's rotation: geophysical and geodetic challenges,

In: N. Vandenberg and K.D. Baver (Eds.), International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) 2006 General Meeting Proceedings, NASA/CP-2004-212255, 22.

M. Feissel-Vernier, 2006, Assessing astrometric quality: stability of the VLBI-derived extragalactic celestial frame, In: J. Souchay and M. Feissel-Vernier (Eds.), International Earth Rotation Service (IERS) Technical Note 34, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, 49.

Feissel-Vernier, M. 2006, Comments on the VLBI connection between celestial and terrestrial reference frames by means of sidereal time, In: J. Souchay and M. Feissel-Vernier (Eds.), International Earth Rotation Service (IERS) Technical Note 34, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, 123.

A.-M. Gontier & M. Feissel-Vernier, 2004, Paris Observatory Analysis Center--OPAR: Report on Activities, January - December 2003, in: International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2003 Annual Report, edited by N. R. Vandenberg and K. D. Baver, NASA/TP-2004-212254, 207.

A.-M. Gontier et al., 2005, Paris Observatory Analysis Center OPAR: Report on Activities, January - December 2004, in: International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2004 Annual Report, edited by D. Behrend and K. Baver, NASA/TP-2005-212772, 235.

A.-M. Gontier et al., 2006, Paris Observatory Analysis Center OPAR: Report on Activities, January - December 2005, in: International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2005 Annual Report, edited by D. Behrend and K. Baver, NASA/TP-2006-214136, 256.

A.-M. Gontier et al., 2006, The IVS team at the Paris Observatory: how are we doing? In: D. Barret et al. (Eds.), Proc. Semaine de l'Astrophysique Française - Journées SF2A 2006, 23.

A.-M. Gontier et al., 2007, Paris Observatory Analysis Center OPAR: Report on Activities, January - December 2006, in: International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2006 Annual Report, edited by D. Behrend and K. D. Baver, NASA/TP-2007-, sous presse.

Lambert, S.B., & Gontier, A.-M. 2006, A comparison of R1 and R4 IVS networks, In: D. Behrend and K.D. Baver (Eds.), International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) 2006 General Meeting Proceedings, NASA/CP-2006-214140, 264.

Lambert, S.B. 2006, Baseline and site repeatability in the IVS rapid network, In: D. Behrend and K.D. Baver (Eds.), International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) 2006 General Meeting Proceedings, NASA/CP-2006-214140, 296.

Séminaires, communications non publiées V. Dehant et al., 2003, Informations on the Earth system from nutations, UGGI Symp. G6,

Sapporo, juillet 2003. V. Dehant et al., 2003, Free and forced nutation analysis, Symp. G9, EGS Nice, 7-11 avril 2003. M. Feissel-Vernier, 2003, Measuring the Earth’s precession-nutation beyond the milliarcsecond

level: some perturbing effects, Postdam, 17 mars 2003. M. Feissel-Vernier, 2003, Stable radio sources selection for the maintenance of the ICRF axes,

IVS Analysis workshop, Paris, 4-5 avril 2003. A.-M. Gontier, 2003, Implementation of IAU 2000 resolutions in VLBI analysis software., IVS

Analysis workshop, Paris, 4-5 avril 2003. A.-M. Gontier, 2003, Tests of the ITRS GCRS transformation based on VLBI data. UAI XXV

General Assembly, commission 19, Sydney juillet 2003.

111

Introduction L’année 2006 a été particulièrement productive si l’on se réfère aux critères classiques d’évaluation de la recherche : six articles de rang international sont publiés, ou en cours de publication, et un autre soumis. Ce niveau de production traduit une certaine maturité, atteinte par les chercheurs de l’équipe dans le domaine, et par l’accumulation de mesures particulières de contrôles ‘in situ’, que seul le soutien du GRGS a permis d’acquérir. C’est aussi le résultat d’une masse critique suffisante, atteinte grâce au recrutement d’un ingénieur d’étude en CDD à travers le GRGS (B. Martin Miguez). Cette personne est en effet intervenue dans quatre des publications susmentionnées. Deux portent sur l’exploitation des opérations d’étalonnage démarrées grâce aux crédits GRGS avec des résultats méthodologiques sur la caractérisation des erreurs des marégraphes ; ils sont commentés dans la section 2. Les deux autres portent sur la valorisation scientifique des données de marégraphie ; ils sont résumés dans la section 4. La présence de cette personne a aussi permis d’envisager, puis d’organiser, un colloque dédié à la marégraphie (cf. section 3). Le rapport revient également sur les évolutions technologiques récentes, aussi importantes que le passage des marégraphes mécaniques aux marégraphes à ultrasons au début des années 1990. Elles concernent les marégraphes radar et les besoins en communication des mesures enregistrées en temps réel ou très peu différé.

Evolutions technologiques

De l’intérêt du test de van de Casteele Les expériences réalisées en laboratoire ne rendent pas compte des conditions de mesure et des réalités terrain, très variables d'un site marégraphique à l'autre. Or, l'installation du matériel et l'environnement dans lequel il va se trouver 'in fine' peuvent influencer notablement les caractéristiques déterminées en laboratoire, « notablement » lorsqu’on s’intéresse à des phénomènes aussi ténus que la calibration ou à la dérive des altimètres radar embarqués sur satellite ou à des variations climatiques du niveau marin (1-2 mm/an), il est donc indispensable de mener à bien sur le terrain des opérations régulières d'étalonnage au cours desquelles on compare les mesures faites par le marégraphe avec celles d'un dispositif étalon, supposé plus précis et/ou plus juste. C’est l’un des objectifs importants de cette proposition : étudier les performances des marégraphes dans le temps, en particulier les marégraphes français qui sont affichés dans les programmes internationaux et qui sont équipés de stations de géodésie spatiale. Les premiers résultats obtenus sont d’ordre méthodologique. Ils portent sur les marégraphes radar et montrent que le test de Van de Casteele, mis au point dans les années 1960 pour les marégraphes mécaniques, et relégué aux oubliettes avec les nouvelles technologies de marégraphie, se révèle une méthode efficace pour détecter les principaux défauts des installations et apprécier la qualité des observations (Martin Miguez et al. 2007). Les expériences d’étalonnage sont toutefois peu nombreuses encore, il convient de les poursuivre pour accumuler du matériel et permettre une recherche approfondie des causes à l’origine des erreurs détectées.

3.2.5 APPORT DES MESURES GEODESIQUES : Marégraphie

112

Du marégraphe ultrason vers le radar La technologie radar gagne du terrain dans le domaine de la mesure du niveau de la mer. La France à travers le SHOM est pionnière dans l’application de cette technologie à son réseau de marégraphes RONIM (Figure 1, section 3.1). L’expérience acquise à ce jour montre des atouts opérationnels intéressants, de même qu’une précision centimétrique dans la mesure de hauteur d’eau en accord avec les spécifications du programme mondial GLOSS1, à condition que leur installation soit appropriée (Martin Miguez et al. 2007). De plus, l’exploitation des étalonnages ‘in situ’ que nous avons menés depuis 2000 sur quelques marégraphes acoustiques montrent qu’ils présentent souvent des erreurs systématiques qui, soit ne gênaient pas l’hydrographie, soit étaient passées inaperçues, mais que les étalonnages permettant un test de van de Casteele ont décelées. En conséquence, une recommandation importante pour la communauté des chercheurs est qu’il est indispensable de prendre en main cette question à un niveau de précision que les besoins de l’hydrographie ne requiert pas, en déployant une politique rigoureuse de contrôles systématiques ‘in situ’ des marégraphes, politique qui justifie la création et la reconnaissance par l’INSU d’une infrastructure d’observatoire de type SONEL (section 3.4), appuyée sur la fédération des réseaux de stations existantes (RONIM, ROSAME) et en émergence (densifications régionales). Par ailleurs, la question de l’évaluation détaillée de la qualité des observations des quelques quinze ans de mesures acoustiques est posée.

Fig 1 : Evolution du réseau RONIM vers des marégraphes radar au 30 mars 2007.

1 GLOSS : Global Sea-Level Observing System, http://www.gloss-sealevel.org/

113

Le temps réel Le tsunami du 26 décembre 2004 a eu un fort impact sur les développements techniques en cours. En effet le besoin soudain de mesures à très hautes fréquences, avec un échantillonnage des mesures de 1 minute et une transmission au centre d’alerte avant 15 minutes, alors que le standard des réseaux marégraphiques était au mieux d’un échantillonnage de 15 minutes et une transmission dans l’heure, a obligé à revoir complètement les cahiers des charges et la politique d’installation de marégraphes, aussi bien dans les réseaux RONIM que ROSAME. Le SHOM et le LEGOS se sont fortement impliqués à étudier cette question et à répondre aux engagements des pouvoirs publics dans la mesure des moyens qui leur ont été attribués. C’est ainsi que les prévisions d’installation à Kerguelen et à Dumont d’Urville ont été affectées. Mais grâce à une forte implication de l’institut polaire IPEV la nouvelle station de Kerguelen est devenue la première station française opérationnelle du réseau d’alerte aux tsunamis dans l’océan indien. Les stations de Kerguelen et de Dumont d’Urville ont ainsi bénéficié des améliorations technologiques nécessaires à la mise en place du réseau de surveillance des tsunamis dans l’océan indien. Ces deux stations enregistrent maintenant les données à haute fréquence (2 minutes). Outre l’étude de solutions techniques et matérielles pour communiquer les observations en temps réel, des actions sont menées par le LEGOS et par le SHOM pour la gestion et le traitement de ces flux des données.

Réseaux de marégraphes

Le réseau RONIM La carte de la figure 1 donne une idée de l’état du réseau de marégraphes RONIM. Cette carte souligne le type de capteur opérationnel, acoustique ou radar. A cette figure il faut ajouter les stations outre métropole, à savoir : Nouméa, Fort-de-France, Pointe-à-Pitre, et Iles Royales (Guyanne), soit 26 marégraphes opérationnels. A terme les capteurs radar remplaceront les acoustiques, et des nouvelles centrales d’acquisition équiperont les stations. Ce fut le cas des stations de Concarneau et de Dunkerque en 2006. Soulignons par ailleurs l’installation du marégraphe des îles du Salut (Cayenne, Guyanne) en 2006, comblant ainsi une lacune et un engagement de la France au programme mondial GLOSS. Il s’agit de la station GLOSS n° 202. En 2007 est d’ores et déjà prévu l’installations de la station de La Réunion (GLOSS n°17) et une participation du SHOM à l’installation de Mayotte (GLOSS n°96).

Le réseau ROSAME Rappelons que le réseau ROSAME fonctionne depuis 1993 ; qu’il est labellisé comme service d’observation INSU depuis 1997 et comme ORE depuis 2002. ROSAME est constitué de quatre stations marégraphiques côtières localisées dans les Terres Australes et Antarctiques Françaises. Trois de ces stations sont situées dans la partie Indienne de l’océan Austral, à Kerguelen, Crozet et Saint-Paul ; la quatrième station est située sur le continent Antarctique à Dumont d’Urville. (Plus de détails: :http://www.legos.obs-mip.fr/fr/observations/rosame/ ).

Fig2 :Chronogramme des données disponibles

114

Une grande part de l’activité ROSAME est naturellement consacrée à la maintenance et au développement du réseau. Les travaux sur la période 2002-2006 ont été effectués lors de cinq missions en mer d’un mois dans les TAAF à bord du Marion Dufresne et d’une mission en Terre Adélie à bord de l’Astrolabe. Outre les développements mentionnés dans la section 2.4 liés au temps-réel, deux grands chantiers prioritaires étaient la rénovation complète et la sécurisation des stations. Ainsi grâce au développement d’une nouvelle génération de station, à l’édification de nouvelles structures d’accueil des stations côtières et à la mise sur le secteur des stations de Kerguelen et Dumont d’Urville les trois quarts du réseau est rénové et sécurisé, avec le soutien indispensable de l’IPEV et des Volontaires à l’Aide Technique (VAT) présents sur place. Il était aussi fondamental d’améliorer autant que possible la qualité des données. Des capteurs de conductivité équipent donc désormais les stations (donnant une information sur la salinité), des campagnes de surveillance géodésique des sites ont été initiées, et des étalonnages mensuels à l’échelle de marée sont effectués à Kerguelen. Une nouvelle station d’acquisition équipée de deux capteurs de niveau de la mer de technologie différente a également été développée. Sa vocation est de détecter et d’évaluer des erreurs systématiques ou des dérives à long terme dans les capteurs (Martin Miguez et al., soumis). Enfin en aval de tous ces développements sur le terrain, la mise au point d’une chaîne de traitement automatique des données est maintenant opérationnelle. Elle a demandé trois ans de travail. Le suivi temps réel sur le web est ainsi possible (cf. adresse web ci-dessus). Les données sont archivées au LEGOS et sont accessibles sur son site FTP.

Le rattachement géodésique Le contrôle géodésique de la référence des observations des marégraphes est un deuxième volet important dans la construction de séries temporelles de qualité pour la recherche. Peu de marégraphes français sont malheureusement complétés par des stations GPS ou DORIS permanentes : 9 sur 30 (RONIM+ROSAME), dont 5 GLOSS sur les 15 stations sous responsabilité française. Il convient également de signaler les difficultés rencontrées aujourd’hui lorsqu’une station GPS permanente tombe en panne, exemple de Brest (Tiphaneau et Wöppelmann, 2006), qui n’a pas acquis de mesures pendant 7 mois. Il s’agit pourtant d’une station dite IGS, et Brest est l’un des marégraphes les plus importants au monde en raison de sa série temporelle plusieurs fois centenaire (Wöppelmann et al. 2006). S’il n’y a pas de conséquences pour la topographie, l’interruption d’une série temporelle GPS pour la recherche de mouvements verticaux ténus est critique. La diminution notable des coûts d’une station GPS permanente ne justifie plus cette situation (interruption longue de séries de mesures, complément GPS sur marégraphes d’intérêt). Ici aussi, une infrastructure de type SONEL contribuerait à améliorer la situation. Une alternative « pauvre » et aux résultats incertains dans les études des mouvements verticaux des marégraphes est de faire des mesures ponctuelles en campagne de quelques jours ou en mode semi-permanent pendant 1-2 mois, répétées régulièrement. Le marégraphe de Cayenne a ainsi été observé en 2006 pendant quelques jours et quelques sites ont été visités en vue d’observations semi-permanentes (Tiphaneau, 2006a, 2006b). Mentionnons que des travaux sont en cours pour étudier la stabilité locale du site marégraphique de Kerguelen, et des opérations de calibration à l’aide de bouées GPS sont prévues aussi, à Kerguelen et à Dumont d’Urville.

Le système d’observation SONEL Du 18 au 19 avril 2006 s’est tenu à La Rochelle un colloque sur le niveau marin, organisé par le laboratoire CLDG. Intitulé "SONEL, vers une infrastructure d’observatoire du niveau des eaux littorales en France ?". L’objectif était de dresser un bilan du service d’observation proposé par SONEL depuis janvier 2003, date de la première diffusion sur Internet (www.sonel.org) des valeurs horaires mesurées par les marégraphes, et d’explorer l’avenir de cette infrastructure. Seize présentations orales ont alimenté les quatre thèmes affichés dans ce colloque, à savoir : 1/

115

Surcotes et niveaux extrêmes ; 2/ Synergie avec l’altimétrie radar embarquée sur satellite ; 3/ Sauvetage et valorisation d’observations historiques ; 4/ Evolutions technologiques. Quarante six personnes ont participé au colloque ; à noter la présence de quelques participants venant d’organismes étrangers: espagnol, anglais et norvégien. Les phénomènes traités dépassent en effet les frontières des pays. SONEL se veut une infrastructure à l’échelle nationale, point d’entrée aux données françaises aisément identifiable par les programmes internationaux et services analogues à l’échelle mondiale ou européenne. A ce titre il convient de souligner la présence de la directrice du service européen du niveau de la mer (ESEAS), Mme Bente L. Bye, qui a participé à la table ronde animée par Serge Allain (SHOM), aux côtés de Claude Boucher (chargé de mission à la direction de la technologie du Ministère de la Recherche), Nicolas Florsch (chargé de mission de la direction de la recherche du même ministère), Pascal Lebreton (CETMEF), Denis Paradis (Météo-France), Fabien Lefèvre (société CLS) et Paolo Pirazzoli (directeur de recherches au CNRS).

Un premier constat de ce colloque est clairement le besoin d’un forum dans lequel les divers acteurs et utilisateurs des données du niveau de la mer puissent se retrouver. Un colloque annuel, ou bien tous les deux ans, pourrait satisfaire en partie ce besoin d’acquérir et d’échanger des connaissances, des expériences, et des savoir-faire. Un deuxième constat est que le principe de participation volontaire ou de « best effort » qui a sous-tendu le développement de SONEL jusqu’à ce jour a des limites très concrètes que nous avons atteintes ; la garantie d’une continuité du service en fait partie. Il devient important de trouver un cadre légitime à l’échelle nationale qui permette de poursuivre les développements et d’assurer un service d’observation à l’échelle des ambitions affichées. Il s’agit en particulier de fédérer les réseaux existants de marégraphie (RONIM, ROSAME) et de veiller à l’intégration des réseaux émergeants à l’échelle territoriale dans un système unique. Il suppose également le contrôle de la qualité des observations et des performances des instruments ; leur taxinomie au regard des applications et des spécifications des programmes internationaux. Il vise le développement raisonné et rationnel des efforts dans le domaine de l’observation ‘in situ’ du niveau marin à la côte ; l’échange de savoir-faire et de résultats ; le sauvetage d’observations historiques ; la valorisation scientifique des observations acquises par des organismes qui n’en ont pas toujours la vocation. Aujourd’hui, la coordination de la marégraphie par le SHOM semble acquise et naturelle à l’ensemble de la communauté de par son savoir-faire et expérience séculaires dans le domaine (Allain 2005). Par ailleurs, la reconnaissance de SONEL par la communauté recherche est en cours au travers d’une demande de labellisation déposée auprès de l’INSU (Wöppelmann 2006).

Valorisation scientifique Outre les articles de rang international mentionnés dans les sections précédentes, et qui portaient surtout sur des questions techniques, nous soulignons ici quelques résultats marquants qui ont également été publiés dans des revues de rang international.

Evolution de l’onde M2 à Brest sur plus de 150 ans Le travail long d’enquête, de sauvetage, de contrôle qualité, et d’analyse des mesures anciennes du niveau de la mer à Brest découvertes récemment dans les archives historiques a permis de compléter l’étude menée en 1972 par Cartwright qui concluait à une atténuation significative et régulière de l’amplitude de l’onde de marée semi-diurne M2 de 1% par siècle (Pouvreau et al. 2006). La figure 3 confirme la tendance à la diminution observée par Cartwright en 1972, mais seulement entre 1885 et 1960. Depuis 1960, nos résultats indiquent que la tendance s’est inversée. Par ailleurs, une augmentation est également visible entre 1846 et 1885 remettant en cause l’idée d’une atténuation régulière et séculaire de l’amplitude de M2 depuis 1711. L’allure de la courbe de la figure 3 suggère plutôt un phénomène cyclique à longue période qu’une tendance séculaire à l’atténuation. Il est toutefois difficile de réellement conclure à un

116

phénomène périodique, même si la tentation est grande d’en estimer la période. Elle serait alors de l’ordre de 141 ± 5 ans, avec une amplitude de 0,011 ± 0,001 m, résultat obtenu en effectuant un ajustement non linéaire de l’amplitude, de la période et de la phase d’une fonction sinusoïdale en appliquant l’algorithme de Levenberg-Marquardt. Le développement harmonique du potentiel générateur de la marée ne montre aucune composante qui puisse expliquer ce phénomène. L'hypothèse d'un effet non linéaire a été étudiée mais s'est révélée infructueuse. Aucune combinaison valide du point de vue la théorie astronomique de la marée ne peut expliquer une modulation de M2 à cette période.

Fig3 : Evolution de l’amplitude de l’onde de marée M2 à Brest (les barres d’erreur correspondent à ± un écart-type (d’après Pouvreau et al. 2006).

Le niveau marin à Kerguelen depuis 1949 Afin de permettre de détecter l’évolution à long terme (> 10 ans) du niveau de la mer, et une éventuelle accélération de la tendance, il est nécessaire de pouvoir éliminer la variabilités saisonnières et inter-annuelles contenues dans les signaux observés. Il est nécessaire de surveiller la stabilité de la croûte terrestre dans les zones où les marégraphes sont installés, et de mesurer leurs éventuels mouvements verticaux, d'où la nécessité de mettre en place un suivi géodésique à long terme des références locales par GPS et DORIS. Ce programme a été engagé dans le réseau ROSAME avec l'aide de l'IGN, du SHOM et du CNES.

Fig4 : Variation relative du niveau de la mer à Port-aux-Français (Kerguelen) depuis 1949. Le niveau de la mer est exprimé en cm au dessus du zéro hydrographique. Les croix notées SHMx ou IGN correspondent aux mesures ponctuelles effectuées par le SHOM ou l’IGN. La courbe correspond aux moyennes annuelles du marégraphe côtier de Kerguelen (Extrait de Testut et al. 2006).

117

De plus grâce à l’installation par le SHOM d’une échelle de marée et avec l’aide des VAT sur place les premiers contrôles in situ d’étalonnage du capteur de pression ont commencé à Kerguelen avec des résultats très encourageants quant à leur précision. Grâce à ce travail sur le terrain les données récentes de Kerguelen (1993-2005) ont pu être rattachées aux données historiques du SHOM et nous ont permis de déterminer l’évolution du niveau de la mer sur le dernier demi-siècle précèdent (Figure 4) : la hausse observée du niveau marin est de l’ordre de 1.1±0.7 mm/an (Testut et al. 2006). Ce résultat se situe dans la partie basse des estimations de l’IPCC et il est en accord avec les autres observations de l’océan austral sur une période à peu près équivalente: Port Arthur (Tasmanie) et Port Stanley (îles Falkland).

Corrections GPS versus GIA : une solution au ‘Sea level Enigma’ ? La question de la correction des mouvements verticaux du sol dans les séries temporelles de marégraphie n’a trouvé qu’une solution partielle à ce jour : dans le meilleur des cas, les analyses incluent les corrections d’un modèle d’un seul des nombreux processus qui peuvent affecter la stabilité du sol sur lequel reposent les marégraphes, à savoir le rebond post-glaciaire, ou ajustement glacio-isostatique (GIA). Une approche alternative est la mesure de ceux-ci par géodésie spatiale. A cette fin, Wöppelmann et al (2005) ont mis en place un centre d’analyse de mesures GPS global dédié, centre que le GRGS a soutenu en 2006 dans l’expérience ‘TIGA’ de M-N. Bouin. Les résultats récents obtenus par Wöppelmann et al. (2007) montrent que la dispersion des tendances individuelles des marégraphes est clairement réduite, aussi bien à l’échelle globale qu’à l’échelle des groupements régionaux de effectués par Douglas (2001) sur des considérations d’ordre océanographiques. La figure 4 illustre ce commentaire dans deux régions, en Europe du Nord et en Amérique du Nord-Ouest.

Fig5 : Séries temporelles de valeurs moyennes annuelles du niveau marin issues: i) de marégraphes (panneaux de gauche); ii) de marégraphes corrigés du GIA (au centre); et iii) de marégraphes corrigés avec des résultats GPS (à droite);en Europe du Nord (panneaux du haut) et en Amérique du Nord-Ouest (panneaux inférieurs). Chaque série est représentée avec un décalage constant et arbitraire (unités en mm). D’après Wöppelmann et al. (2007).

118

Cette réduction de la dispersion des tendances est également toujours au moins aussi importante que celle apportée par la correction de Peltier (2004) avec les modèles ICE-5Gv1.2 et VM4. A titre d’exercice de comparaison, Wöppelmann et al. (2007) ont également calculé la tendance globale du niveau des mers suivant les règles de Douglas (2001) ; ce dernier obtenait 1.84±0.35 mm/an après correction de l’effet GIA (Peltier, 2001). Le calcul donne 1.31±0.30 mm/an, une valeur qui est très cohérente avec les contributions climatiques obtenues par Mitrovica et al. (2006) et par Antonov et al. (2005) sur les 50-100 dernières années: 1.4 mm/an (1 mm/an de la fonte des réservoirs de glace continentaux et 0.4 mm/an de la dilatation thermique des océans).

Conclusions Fruit du dynamisme de quelques chercheurs, soutenus par le SHOM et l’IGN, en particulier à travers le GRGS, il n’est en revanche pas celui d’une détermination scientifique objective reflétant une attitude nationale. Une demande de labellisation du service d’observation SONEL a été déposée auprès de l’INSU fin 2006 pour remédier à cette situation. Elle donnera peut-être enfin les moyens de tenir un rôle à la mesure du potentiel de la France dans les programmes d’observation du niveau marin liés aux changements climatiques.

Des premiers résultats intéressants d’ordre méthologique ont été obtenus sur les technologies modernes de marégraphie. Ils devraient se poursuivre et être alimentés par des études détaillés, notamment visant à identifier des causes des erreurs systématiques, et par l’accumulation de mesures de contrôles ‘in situ’. Une question importante est aujourd’hui soulevée par la qualité des quelques 15 ans d’observations obtenues par les marégraphes acoustiques. Le site de Brest apportera probablement des éléments de réponse grâce à la co-localisation d’un marégraphe radar et d’un marégraphe acoustique.

Le colloque SONEL qui s’est tenu en avril 2006 a montré, s’il était encore nécessaire, que livrer les observations aux chercheurs est probablement le contrôle qualité le plus exigeant auquel on puisse les soumettre. Il a souligné le patrimoine inestimable d’observations historiques qui existe en France et pour lequel une opération de sauvetage devrait être entreprise, complétée par des installations de nouveau matériel. Cela concerne en particulier Saint Malo, Toulon, Cherbourg, Fort Enet et Fort Boyard.

Participants au projet Guy WOPPELMANN, Coordinateur rédaction du chapitre (Université La Rochelle)

Bernard SIMON, Responsable expérience ‘Niveau des mers et marégraphie’ (SHOM)

Marie-Noëlle BOUIN, Responsable expérience ‘TIGA’ (IGN)

Hervé FAGARD, Ingénieur (IGN)

Laurent TESTUT, Physicien adjoint (LEGOS)

Philippe TECHINE, Ingénieur (LEGOS)

Belén MARTIN MIGUEZ, Ingénieur sur contrat CDD du GRGS/SHOM

Lucia PINEAU-GUILLOU, Ingénieur (GRGS/SHOM)

Ronan CREACH remplaçant Ronan LE ROY, Ingénieur (GRGS/SHOM)

Michel LE GOFF, Ingénieur (GRGS/SHOM)

François LUCAS, Technicien (GRGS/SHOM)

Nicolas POUVREAU, Doctorant (Université La Rochelle)

Pascal TIPHANEAU, Technicien (Université La Rochelle)

119

Références bibliographiques S. Allain, 2005, Du rôle du SHOM dans la coordination nationale des systèmes d'observation

du niveau de la mer, Document N° 478 SHOM/EG/NP, 21 décembre 2005. H. Fagard, 2006, Twenty years of evolution for the DORIS permanent network: from its initial

deployment to its renovation, J. Geodesy, 80, 429-456. B. Martin Miguez, R. Le Roy, G. Wöppelmann, 2007, The use of radar gauges to measure

variations in sea level along the French coast, Journal of Coastal Research, Accepted March 29, 2007.

B. Martin Miguez, L. Testut, G. Wöppelmann, submitted, The van de Casteele test revisited: an efficient approach to tide gauge error characterization, Journal of Atmospheric and Oceanic Technologies, Submitted September 2006.

N. Pouvreau, B. Simon, G. Wöppelmann, 2006, Evolution of the tidal semi-diurnal constituent M2 at Brest from 1846 to 2005, C.R. Geoscience, 338, 802-808.

L. Testut, G. Wöppelmann, B. Simon, P. Téchiné, 2006, The sea level at Port-aux-Français, Kerguelen Island, from 1948 to the present, Ocean Dynamics, 56 (5-6), 464-472.

P. Tiphaneau et B. Martin Miguez, 2006a, Contrôle des deux marégraphes SBE26 dans l’anse Calvo, Marseille, 16-17 janvier 2006, Rapport CLDG No. 001/06, 11 pp.

P. Tiphaneau, 2006a, Reconnaissance géodésique au marégraphe de Concarneau, le 11 septembre 2006, Rapport CLDG No. 007/06, 11 pp.

P. Tiphaneau, 2006b, Reconnaissance géodésique au marégraphe du Crouesty, le 12 septembre 2006, Rapport CLDG No. 008/06, 7 pp.

P. Tiphaneau et B. Martin Miguez, 2006b, Fin de l’expérience avec deux marégraphes SBE26 dans l’anse Calvo, Marseille, 16-17 mars 2006, Rapport CLDG No. 003/06, 11 pp.

P. Tiphaneau et G. Wöppelmann, 2006, Installation d’un récepteur GPS provisoire de dépannage au marégraphe de Brest (Station BRST, RGP/EUREF/IGS), 25-26 juillet 2006, Rapport CLDG No. 005/06, 9 pp.

G. Wöppelmann, 2006, Demande de labellisation INSU pour SONEL - Système d’Observation du Niveau des Eaux Littorales, Dossier étendu soumis à l’INSU en décembre 2006, 10 pp.

G. Wöppelmann, B. Martin Miguez, M. Marcos, 2005, Installation de deux marégraphes SBE26 dans l’Anse Calvo, Marseille, le 24 octobre 2005, Rapport CLDG No. 001/05, 15 pp.

G. Wöppelmann, M-N. Bouin, Z. Altamimi, 2005. Learning from TIGA global GPS analysis at ULR consortium. Paper presented at the ESEAS Workshop on Observing and Understanding Sea Level Variations, Malta, 1-5 November 2004, Rapport CLDG No. 006/06, 10 pp.

G. Wöppelmann, N. Pouvreau, B. Simon, 2006, Brest sea level record: a time series construction back to the early eighteenth century, Ocean Dynamics, 56 (5-6), 487-497.

G. Wöppelmann, B. Martin Miguez, M-N. Bouin, Z. Altamimi, 2007, Geocentric sea-level trend estimates from GPS analyses at relevant tide gauges world-wide, Global and Planetary Change, doi: 10.1016/j.gloplacha.2007.02.002.

120

Stabilité des références :

Gravimétrie absolue L’acquisition des données de la pesanteur absolue s’est poursuivie à la station de Brest-EPSHOM proche du marégraphe et du GPS (figure 1). Cette station est désormais un point de référence pour les études de surcharges océaniques. En 2004, une collaboration entre plusieurs laboratoires français a permis une étude multi-capteur de la surcharge dans la zone nord cotentin-bretagne. Pour la première fois la station laser portable FTLRS était mise en oeuvre pendant deux mois à Brest (Llubes et al., submitted). Le point brestois contribue de plus au projet dur réseau ECGN (European Combined Geodetic Network) pour les données marégraphiques de géodésie spatiale (point RGP) et de gravimétrie absolue

Fig 1 : enregistrement de gravimétrie absolue sur la station de Brest Aubette

Gravimétrie relative: Le gravimètre relatif SCINTREX CG3-M du SHOM a été mis en acquisition pratiquement en continu de 2003 à 2006. La longueur de l’acquisition permet de réaliser une modélisation précise des variations gravimétriques aux périodes de la marée terrestre et océanique. Ce modèle permettant d’affiner les mesures de gravimétrie absolue (figure 2).

-4

-2

0

2

4

6

8SCINTREX:grav:Gravity(resid) (mGal)

01-07-03 01-01-04 01-07-04 01-01-05 01-07-05 01-01-06

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

SCINTREX:param:Tcorr (#)

Gravimétrie marine Les études sur la caractérisation de la pesanteur aux moyennes à faibles longueurs d’onde spatiales se poursuivent et des méthodes de combinaison de données satellitaires et marines ont été mises au point. En effet, si depuis les années 60 des mesures gravimétriques sont réalisées sur les océans, la connaissance du champ de pesanteur océanique s’est améliorée depuis l’avènement des satellites altimétriques. Les modèles globaux de surface moyenne océanique ou de ces grandeurs dérivées (pesanteur, topographie..) ont été beaucoup exploités et ont permis une accélération de la recherche géophysique sur les océans. Néanmoins, ils ne répondent pas à tous les besoins et restent limités à l’interprétation des moyennes et grandes longueurs d’onde. L’objectif est donc d’améliorer localement les modèles issus de l’altimétrie

3.2.6. APPORT DES MESURES GEODESIQUES : Gravimétrie

121

satellitaire. Soit par l’apport de mesures gravimétriques marines soit par la connaissance bathymétrique fine (sondeur multi-faisceaux). Ces deux méthodes ont été mises en œuvre et évaluées par l’équipe du SHOM en collaboration avec les sociétés CLS et ECTIA. Un exemple d’apport de la bathymétrie est montré figure 3. La méthode LAROSA mis au point au SHOM permet dans certaine zone d’améliorer fortement les modèles de pesanteur (Lequentrec-Lalancette et al., 2004 et 2006).

Fig 3 : Estimation neuronale de l’anomalie à l’air libre en mer sur un profil test (en bleu : données marines, en rouge : estimation neuronal ; en noir ; modèle KMS02).

Gradiométrie marine En gradiométrie, des études de simulation et de caractérisation du signal gradiométrique ont été réalisées par le SHOM et la société Noveltis. Des résultats important concernant les fonctions de covariances et leur ajustement aux différents types de données ont porté sur les modèles de Markov et de Forsberg utilisé dans les méthodes de collocation (figure 4 ; Moreaux et al., 2004, 2005). Des méthodes de traitement de données marines ont aussi été étudiées (Pajot et al., 2006).

Figure 4 : ajustement des fonctions de covariances calculées à partir de l’anomalie à l’air libre(Tz) et le gradient vertical (Tzz).

Gravimétrie terrestre (IGN) Le Service de Géodésie et Nivellement de l’Institut Géographique National a depuis l’année 2000 entrepris des mesures de gravité sur le réseau géodésique RBF. En 2005, en collaboration avec l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) et l’Institut de Recherche et pour le Développement (IRD), l’IGN a acquis un gravimètre absolu A10. Entre 2000 et 2006 l’IGN a déterminé 810 points du réseau RBF en relatif et 140 en absolu. D’ici 2008, tous les points du RBF seront observés en relatif, et environ 200 en absolu (figure 5). Le but de ces observations

122

est d’une part d’améliorer la gravimétrie dense ancienne pour calculer un quasi-géoïde plus précis que QGF98, mais aussi de réaliser un réseau géodésique combiné précis. En effet les points RBF sont déterminés précisément en tridimensionnel par GPS, sont rattaché par nivellement de précision au réseau de référence altimétrique IGN69, et on peut attendre une précision de la gravimétrie d’environ 10 µgals. Ce réseau est très bien matérialisé et protégé par des servitudes. Chaque point est visité par l’IGN tous les deux ans et en cas de dégradation le site est restauré dans un court délai. Ce réseau pourrait vu sa qualité et sa précision devenir le réseau gravimétrique national de 1er et 2ème ordre.

Aussi bien les composantes gravimétriques que géodésiques (hauteur ellipsoïdale et altitude) de ce réseau combiné seront utilisées pour l’évaluation des modèles de champ issus de la mission GOCE.

En 2006 une intercomparaison entre les gravimétres absolus A10 (IGN, IPGP, IRD) et FG5 EOST) a été faite à Strasbourg (figure 6), montrant des écarts inférieurs à 10 microgals.

Figure 5 : Points gravimétriques absolus et relatifs réalisés par l’IGN entre 2000 et 2006

Figure 6 : Inter comparaison FG5 et A10 sur le site de Strasbourg en 2006

123

Références bibliographiques Beilin, J.(2005), Apport de la gravimétrie absolue à la composante gravimétrique du Réseau

géodésique Français, Rapport de Master, IPGP,IGN. Duquenne, F., Duquenne, H. & Gattacecca, T. (2004), A new gravity network collocated with

GPS network in France, Poster présenté à GGSM2004. Duquenne, F., Duquenne, H. & Gattacecca, T. (2005), Détermination de la pesanteur sur le

Réseau Géodésique Français, Présenté aux Journées de gravimétrie spatiale. LeQuentrec-Lalancette MF, D. Rouxel , O. Sarzeaud, Neural Network to recover high

frequency signal gravity signal with bathymetric data, Gravity and Space Missions Meeting, sept 2004, Porto.

Lequentrec-Lalancette M.F., Rouxel & O. Sarzeau., 2006 : Satellite altimetry and marine gravity: toward a consistent knowledge of the gravity field, ESA Symposium 15 Years of Progress in Radar Altimetry, Venice, 12-18 mars, 2006.

Llubes M, and the loading team, 2006, A multitechnique monitoring of ocean loading in North of France » submitted to C. R.A.S.

Moreaux, G; M.-F. Lequentrec-Lalancette, D. Rouxel, F. Ponchaut, 2004, On the Parameterization of Planar Models, Geoid Gravity and Space Missions Meeting, sept 2004, Porto.

Moreaux, G; Lequentrec-Lalancette MF, Rouxel D., 2005, Marine geoid from gravity and gradiometry, ECGS/GOCINA Workshop, April 13-15, Luxembourg.

Pajot, G., Mikhailov, V., LeQuentrec-Lalancette, M.F. & Diament, M., 2006, Gravity gradiometry: enhanced methods for enhanced data, EGU 2006,Vienna, Austria.

124

4 – OCEANS, HYDROLOGIE GLOBALE

4.1. Altimétrie spatiale

4.1.1. variations du niveau des océans

4.1.2. Etalonnages

4.1.3. Hydrologie spatiale

4.2. Phénomènes côtiers

4.3. Glaces

125

126

Introduction L'étude des variations actuelles du niveau moyen de la mer en réponse au changement climatique constitue une des priorités de l'équipe GOHS qui est P.I. projet NASA/CNES ‘Ocean Surface Topography - OST’ pour l’étude du niveau de la mer . L'équipe est impliquée dans cette thématique à plusieurs niveaux :

1. Mesure par altimétrie spatiale des variations actuelles du niveau de la mer à l’échelle globale et régionale ;

2. Reconstruction des variations passées (1950-2000) du niveau de la mer 2-D par combinaison des données marégraphiques, altimétriques et stériques

3. Etude des causes de l’évolution du niveau global et régional de la mer (contributions stériques, fonte des glaces et échanges de masse d’eaux continentales) à partir de différentes sources de données in situ et spatiales

La mesure du niveau de la mer par altimétrie spatiale nécessite une expertise pointue de la technique altimétrique car le signal ‘niveau de la mer’ est du même ordre de grandeur que les erreurs du système altimétrique. Cette expertise inclut des aspects de ‘physique de la mesure’, d’orbitographie précise et de géodésie, de physique des corrections environnementales et géophysiques. De plus, l’analyse des différentes contributions climatiques et anthropiques à la hausse du niveau de la mer à l’aide d’observations indépendantes (in situ et spatiales) permet de contraindre le domaine possible des variations observées par altimétrie spatiale et donc d’offrir une validation externe des résultats altimétriques. Ceci implique d’estimer les contributions stériques (dues au réchauffement de l’océan) à partir de données globales de température et salinité de l’océan et les contributions eustatiques (apport d’eau à l’océan) dues à la fonte des glaces continentales et aux variations des stocks d’eaux continentales, à partir de différentes sources de données, et tout principalement à partir de l’exploitation des données de la mission de gravimétrie spatiale GRACE.

Travaux réalisés en 2006

Analyses altimétriques � Retraitement complet de la mission Topex pour l’objectif ‘niveau de la mer’, suite à

l’implantation de corrections améliorées (ex. baromètre inverse calculé avec MOG2D, nouvelle correction de biais électromagnétique de CLS, nouvelle correction de dérive du TMR, etc. ).

� Calcul de produits élaborés à partir des données Topex/Poseidon retraitées et Jason-1

� Suivi du niveau moyen de la mer (évolution temporelle) avec Topex/Poseidon et Jason-1; Mise à jour régulière des grilles de dérives globales et régionales du niveau de la mer.

� Développement d’un site web hébergé par le LEGOS permettant l’accès en ligne des produits niveau de la mer

4.1.1. ALTIMETRIE SPATIALE : Variation du niveau des océans

127

Il a été décidé de développer un site web donnant accès aux produits ‘niveau de la mer’ à des utilisateurs extérieurs. Les produits disponibles sont le niveau moyen, avec et sans correction de baromètre inverse, Topex seul, Jason seul, et Topex + Jason.

� Développement d’une méthode de reconstruction du niveau de la mer dans le passé (période 1950-2003) –basée sur les EOF- combinant altimétrie Topex, données marégraphiques et hauteurs de mer stériques.

Cette méthode permet de reconstruire des grilles 2-D de niveau de la mer sur la période historique en combinant l’information spatiale offerte par l’altimétrie (grilles globales mais de courte durée) (via l’utilisation des covariances spatiales issues de l’analyse en EOF des grilles altimétriques) et l’information temporelle des données marégraphiques in situ (séries longues mais de distribution limitée et hétérogène). Une telle approche a déjà été développée par J. Church (CSIRO) pour reconstruire des grilles globales de niveau de la mer sur 1950-2000 avec 9 années de données Topex. Au cours de l’année 2006, nous avons développé un code da calcul pour mettre en œuvre cette méthode. Le premier objectif a été de tester l’hypothèse de stationnarité des covariances spatiales (hypothèse necessaire pour la reconstruction dans le passé). Pour cela une simulation a été menée sur des données de hauteur stériques disponibles sous forme de grille globales pour 1950-2003. Les résultats ont montré que la période de temps couverte par les covariances spatiales est un facteur critique pour la qualité de la reconstruction. Grâce aux conclusions des tests de la simulation, nous avons reconstruit le niveau de la mer en 2-Dpour la période historique (1950-2003) en utilisant les covariances spatiales de l’expansion thermique sur 1955-2003 au lieu des covariances spatiales de l’altimétrie sur 1993-2003. Un article a été soumis à Global and Planetary Change.

Analyse des contributions climatiques au niveau de la mer Aux échelles de temps 1-100 ans, les deux principaux phénomènes à l’origine de la hausse du niveau moyen global de la mer sont l’expansion thermique (due aux variations de températures de l’océan) et l’apport d’eau à l’océan dues aux échanges avec les réservoirs continentaux et à la fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires.

Expansion thermique ; Variabilité régionale du niveau de la mer. Collaboration avec MERCATOR La disponibilité récente de plusieurs jeux de données globales de températures de subsurface de l’océan pour les 50 dernières années avait permis à Alix Lombard au cours de sa thèse de quantifier la contribution de l’expansion thermique sur la période 1950-2003 et comparer les valeurs basées sur les différents jeux de données de température. Les résultats avaient montré qu’en terme de moyenne globale, l’expansion thermique contribue pour 0.4 mm/an pour cette période, soit pour 25% de la hausse observée par les marégraphes et pour 1.5 mm/an pour 1993-2003 (Lombard et al., 2005a, Lombard et al., 2006). Ces études ont aussi montré que le réchauffement non uniforme de l’océan et donc la distribution non uniforme de l’expansion thermique est responsable de la variabilité régionale des vitesses de variations observées par altimétrie. Le calcul de la distribution géographique des vitesses de variation du niveau de la mer d’origine thermique pour 1993-2003 a confirmé la très forte corrélation avec la variabilité régionale des vitesses observées par Topex/Poseidon. L’analyse des vitesses de variations du niveau de la mer d’origine stérique (expansion thermique calculée à partir des données de Ishii et al., 2006) pour 1950-2003, par périodes de 10 ans successives, présentent des structures oscillantes au cours du temps. Des analyses en EOF (Empirical Orthogonal Functions) des grilles annuelles d’expansion thermique sur la période 1950-2003 montrent que les variations stériques du niveau du niveau de la mer sont dominées par les oscillations interannuelles/décennales associées aux principales perturbations climatiques du système couplé océan-atmosphère (phénomènes ENSO, PDO, NAO) : l’expansion thermique des océans

128

varie spatio-temporellement en réponse à ces fluctuations climatiques (thèse de Alix Lombard, 2006).

Dans le cadre d’une collaboration avec MERCATOR-Ocean, Alix Lombard (actuellement en post-doc CNES dans l’équipe) a analysé les sorties du modèle global MERCATOR à haute résolution pour tenter d’expliquer l’origine des stuctures géographiques observées. Dans une première phase, l’analyse a porté sur les sorties du modèle océanique global MERCATOR-Océan ORCA2 sans assimilation, disponible pour la période 1993-2001, de résolution spatiale 2°, basé sur le code océanique OPA8.2, couplé au modèle de glace de mer de l’université de Louvain, forcé par les flux atmosphériques de surface issus des réanalyses ECMWF ERA-40. L’analyse des sorties de hauteur de mer (SSH), température et salinité du modèle montre des résultats intéressants. En particulier, on retrouve bien une distribution régionale de l’expansion thermique des 700 premiers mètres de l’océan semblable à celle déduite des bases de température in situ de l’océan sur la même période 1993-2001. De plus, le signal stérique explique la quasi-totalité de la variabilité régionale des vitesses de variation du niveau de la mer déduite des sorties de hauteur de mer du modèle ORCA2. Depuis fin 2006, des nouvelles simulations ORCA025 menées avec le modèle global ¼° « eddy permitting » ont été mises à disposition par MERCATOR-Océan. Ce modèle sans assimilation, basé sur le code NEMO (OPA9), inclut les dernières améliorations apportées par la communauté scientifique. Les simulations concernent la période 1993-2001 avec forçage ERA40. L’analyse toute récente de ces simulations ORCA025 et leur comparaison avec les simulations ORCA2 montre l’apport important de la méso-échelle dans la distribution régionale des vitesses de variation du niveau de la mer. Par ailleurs, la corrélation avec les structures spatiales du niveau de la mer altimétrique sont frappantes (Fig.1). Un article est en préparation (Lombard et al., 2007)

129

Fig.1 : Variabilité régionale des vitesses de variation du niveau de la mer (1993-2001). En haut : observé par Topex/Poseidon. En bas : calcuclé par le modèle MERCATOR ORCA ¼° sans assimilation.

Determination de l’effet des glaces polaires et des eaux continentales sur le niveau de la mer à partir des données GRACE L'équipe a développé les outils de calcul nécessaires pour exploiter les géoïdes globaux mensuels issus de GRACE fournies par le projet. Le code de calcul basé sur les méthodes inverses (moindres carrés généralisés) calcule en routine, à partir des géoïdes GRACE, les contributions (en terme de hauteur d’eau équivalente) des différents réservoirs (atmosphère, eaux continentales, neige, redistribution de masse d’eau dans l’océan). Plusieurs types de géoides GRACE (GFZ, GRGS, CSR) sont inversés pour la période 2002-2006. Les travaux 2006 relatifs au niveau de la mer ont porté sur 2 aspects:

1. Contribution des glaces polaires

L’analyse des géoides GRACE sur le Groenland et l’Antarctique a permis de montrer qu’en moyenne le Groenland perd de la masse (environ 100 gigatonnes par an), correspondant à 0.3 mm/an de hausse du niveau de la mer. Sur l’Antarctique, les observations de GRACE montre que dans la partie Est, la glace s’accumule alors que dans l’Ouest, il y a un déficit net de glace. Au total l’Antarctique est à peu près en équilibre et contribue pour seulement 0.1 mm/an à la hausse du niveau de la mer. Un article a été publié à Global and Planetary Change (Ramillien et al., 2006) (voir aussi l’article de synthèse publié dans Science, Cazenave, 2006) Ces analyses ont mis en relief une difficulté majeure : l’impossibilité de séparer avec GRACE le signal de masse de glace et l’effet du rebond post-glaciaire. Cet effet a été corrigé à l’aide des modèles de rebond disponibles mais pas toujours bien documentés (ceci motive le séjour de G. Ramillien à l’Université de Canberra pour 3 mois en 2007 pour travailler avec K. Lambeck sur cette question.

2. Contribution des eaux continentales

L’analyse des solutions inverses GRACE basées sur les géoides GFZ a permis d’estimer les variations interannuelles des stocks d’eau continentales sur le niveau de la mer pour 2003-2006. L’étude a montré que sur cette période, certains bassins hydrographiques ont perdu de l’eau alors qu’un gain d’eau est observé dans d’autres bassins. En moyene les terres émergées ont perdu de l’eau (environ 60 km3/an), ce qui correspond à une petite contribution à la hausse du niveau de la mer, de 0.2 mm/an sur cette période. Une article a été soumis à Global and Planetary change et est en cours de révision (Ramillien et al., 2007).

Détermination de l’expansion thermique par analyse combinée des données GRACE sur l’océan et des données d’altimétrie Jason-1. L’altimétrie spatiale mesure le niveau de la mer total, somme des contributions d’expansion thermique de la mer et de variation de masse de l’océan. GRACE sur l’océan ne mesure que l’effet des variations de masse d’eau. La différence entre les deux informations permet donc d’obtenir une estimation de l’expansion thermique totalement indépendante des données de température in situ.

Une première étude menée lors du séjour de D. Garcia de l’université d’Alicante a porté sur la composante saisonnière du signal stérique. Elle a montré un excellent accord entre l’expansion thermique ‘Topex/Poseidon moins GRACE’ et celle déduite des données de température in situ. Un article a été publi dans PAGEOH (Garcia et al., 2006).

Une seconde étude s’est attachée plus spécifiquement au signal interannuel avec des résultats particulièrement intéressants. En effet, l’analyse récente des données de température in situ (avec une contribution très forte des données du réseau ARGO) a fait état un refroidissement inattendu de l’océan depuis début 2003. Comme le niveau de la mer continue de monter sur

130

cette période, ceci conduit à invoquer une contribution énorme de l’ordre de 6 mm/an des glaces continentales (non observée, ni pour les glaciers de montagne ni pour les calottes polaires). Nous avons déterminé l’expansion thermique de l’océan sur la période 2002-2006 en combinant les données altimétriques Jason-1 et GRACE. Le résultat (après retrait des termes saisonniers) indique une tendance nettement positive de l’expansion thermique pour les années récentes, avec une pente identique à celle de la période 1993-2003, et en total désaccord avec les données récentes de température de l’océan (Fig.2). Ce résultat a été publié dans Earth and Planetary Science Letters (Lombard et al., 2007). Très récemment (fin février 2007), la communauté a été informée de problèmes instrumentaux sur les bouées ARGO produisant un ‘refroidissement artificiel’ de l’océan pour les années récentes…

Fig.2 : Evolution du niveau de la mer depuis 1993. En bleu : niveau myen de la mer mesuré par altimétrie Topex/Poseidon et Jason-1. Courbe intermédiare en rouge et noire : contribution ‘ masse d’eau de l’océan déterminée par GRACE à partir des géoides du GFZ ‘en rouge) et du GRGS (en noir). La pente de cette courbe est quasi identique à la contribution des glaces continentales calculées indépendamment. Courbes du bas : en vert : expansion thermique basée sur les données de température de l’océan de Ishii et al., 2006. La courbe en rouge et noire attenante –à partir de fin 2002 est l’expansion thermique estimée à partir de la combinaison Jason/GRACE (rouge : géoides GFZ ; noir : géoides GRGS). Sa pente est positive alors que la courbe verte issue des données hydrographiques ARGO à partir de cette même date a une pente négative. Les problère récents découverts sur certains capteurs ARGO peut expliquer partiellement le désaccord. Mais des investigations sont en cours.

Participants au projet

Chercheurs de l’équipe impliqués dans ces travaux Alix Lombard (post-Doc CNES) (expansion thermique ; analyses MERCATOR)

Anny Cazenave (responsable de l’équipe) (synthèse)

K. DoMinh (analyses altimétriques) M. Berge-NGuyen (reconstruction)

J.F. Crétaux (reconstruction)

G. Ramillien (analyses GRACE sur calottes polaires et eaux continentales)

W. Lllovel (stagiaire sur le niveau de la mer)

131

Chercheurs hors équipe associés Chercheurs du GIP MERCATOR –dont Gilles Garic, Vincent Toumazou (15%)

Stéphanie Guinehut, CLS (10%)

Pierre Yves Le Traon, IFREMER (10%)

Sydney Levitus (NOAA, 10%)

Steve Nerem & Eric Leuliette, Université du Colorado, USA (15%)

M. Ishii, Froniers Research Institute, Japon (15%)

John Church, CISRO, Australie (10%)

C.K. Schum, Univ. OHIO, USA (15%)

H.P. Plag, Nevada, USA (10%)

References bibliographiques (articles publiés par l’équipe en 2006 sur ce projet) Lombard, A. Cazenave , C. Cabanes, S. Guinehut and P.Y. Le Traon, Perspectives on present-

day sea level change, Ocean Dynamics, doi:10.10007/s10236-005-0046-x, 2006. Ramillien, Lombard A., Cazenave A., E. Ivins, M. Llubes , F. Remy and R. Biancale,

Interannual variations of ice sheets mass balance from GRACE and sea level, Global and Planetary Change, 53, 198-208, 2006.

P.C.D. Milly, Cazenave A., Famiglietti J., Gornitz V., Laval K., Lettenmaier D., Sahagian D., Wahr J. and Wilson C., Terrestrial water storage contributions to sea level rise and variability, Proceedings of the WCRP workshop ‘Understanding sea level rise and variability, UNESCO, Paris, 2006.

D. Roemmich , J. Willis, J. Gilson, D. Stammer, A. Koehl, T. Yemenis, D. P. Chambers, F. Landerer, J. Marotzke, T. Suzuki, J. Church, A. Cazenave and P. Y Letraon , Global Ocean Warming and Sea Level Rise Proceedings of the WCRP workshop ‘Understanding sea level rise and variability, UNESCO, Paris, 2006.

S. Nerem, Leuliette E. and Cazenave A., Present-day sea level change, C.R. Geosciences, 338, issue 14-15, 1077-1083, 2006.

A. Cazenave., Lombard A., Dominh K., Llovel W., Bouhours S., Ramillien G. and Nerem R.S., Recent advances in measuring and understanding sea level change during the satellite altimetry era, OST publication, in press, 2006.

Cazenave, How fast are the ice sheets melting?, Science, 314, 1250-1252, 2006. D. Garcia, A. Lombard, G. Ramillien and A. Cazenave, Steric sea level variations inferred from

combined Topex/Poseidon altimetry and GRACE gravimetry, PAGEOPH, in press, 2007. R.S. Nerem, A. Cazenave, D.P. Chambers, L.L. Fu, E.W. Leuliette and G.T. Mitchum, Comment

on ‘Estimating future sea level change from past records’ by Nils-Axel Morner, Global and Planetary Change, 55, 358-360, 2007.

A. Lombard, Garcia D., Cazenave A. and Ramillien G., Fletchner, R. Biancale and M. Ishii, Estimation od steric sea level variations from combined GRACE and satellite altimetry data, Earth Planet. Sci. Lett., 254, 194-202, 2007.

G. Ramillien, Bouhours S., Lombard A., Cazenave A., Flechtner F. and Schmidt R., Land water contributions from GRACE to sea level rise over 2002-2006, Global and Planetary Change, in revision, 2007.

M. Berge-Nguyen, Cazenave A., Lombard A. and Cretaux J.F., Reconstruction of past decades sea level using tide gauge, altimetry and in situ hydrographic data, submitted to Global and Planetary Change, 2007.

N. Bindoff, Willebrand J., Artale V. , Cazenave A., Gregory J. , Gulev S., Hanawa K., Le Quéré C., Levitus S., Nojiri Y., Shum C.K., Talley L., Unnikrishnan A., Ocean Climate change and Sea Level, 4th assessment report, IPCC, in press, 2007.

132

S. Rahmstorf, Cazenave A., Church J.A., Hansen J., Keeling R., Parker D. and Somerville R., Recent climate observations compared to projections, Sciencexpress, 10.1126/science.1136843, 2007.

A. Cazenave, Sea level rise : do we understand what we measure?, proceedings du workshop ’15 years of satellite altimetry’, 2007.

133

Introduction Les activités d’étalonnages de ces quatre dernières années ont été marquées par un effort important des différentes équipes impliquées dans les activités de Calibration/Validation afin d’harmoniser les séries temporelles de TOPEX/Poseidon et Jason-1 notamment dans le cadre de la diffusion des données en utilisant de nouveaux modèles (retracking, corrections troposphériques, utilisation des champs GRACE pour l’orbitographie, …). L’ensemble des retraitements des données de Jason-1 devrait être terminé d’ici juin permettant ainsi d’évaluer de façon homogène et continue le biais de l’altimètre. Il en va de même des données de TOPEX/Poseidon pour lequel nous disposons actuellement d’une année complète se terminant sur la phase commune avec Jason-1 (janvier à août 2002). La dernière réunion de travail de l’Ocean Surface Topography Science Team (OSTST) s’est déroulée du 12 au 15 mars dernier à Hobart en Tasmanie et a permis d’effectuer un bilan positif des améliorations relatives aux nouveaux jeux de données mais il est nécessaire d’attendre l’ensemble des données pour établir les budgets d’erreur complets et donner une valeur des nouveaux biais des altimètres correspondant à ces données. Il est aussi à noter les deux faits marquants de ces dernières années : d’une part la fin de la mission TOPEX/Poseidon (octobre 2005) et d’autre part l’entrée de la mission Jason-1 dans sa phase étendue (depuis décembre 2006). De nombreuses discussions durant la dernière réunion de l’OSTST ont porté sur les risques de rupture des séries temporelles entre Jason-1 et Jason-2 (en cas de panne sur Jason-1) mais aussi entre Jason-2 et Jason-3 car l’ensemble des décisions concernant ce dernier ne sont pas encore prises.

Dans ce rapport, je présenterai donc une vue synoptique de nos activités notamment au travers des campagnes spécifiques au site d’étalonnage de Corse mais aussi de celles qui ont été réalisées dans le cadre de nos collaborations (Ibiza en 2003 et Gavdos en 2004)

Campagne Corse FTLRS 2005

Déroulement Cette campagne s’inscrit dans le cadre du suivi du site géodésique de la base aéronavale d’Aspretto et de l’étalonnage des satellites altimétriques (Jason-1 notamment). En 2002, une campagne équivalente avait eu lieu pendant la phase de validation de Jason-1 (les 6 premiers mois suivants le lancement. Il s’agissait donc d’une campagne permettant d’évaluer la répétabilité de ce type d’opération et d’assurer un « point de contrôle » des séries temporelles des biais altimétriques.

Positionnement La campagne de 2002 avait permis l’obtention des coordonnées du point géodésique de référence pour la station qui ont été publiées et comparées à celles du GPS permanent situé à quelques mètres [Exertier et al., 2004]. La méthode décrite dans cet article a été utilisée, mais notre choix s’est porté sur le champ EIGEN-3S pour la détermination des orbites des satellites Starlette et Stella afin d’en améliorer la précision. Dans le cas de Lageos 1&2 le champ de

4.1.2. ALTIMETRIE SPATIALE :

Étalonnages

134

gravité GRIM5-C1 a été conservé. Dans un soucis d’homogénéité, nous avons réitéré les calculs effectués pour la campagne 2002. Le tableau suivant montre la très grande stabilité des écarts en coordonnées géographiques par rapport aux coordonnées publiées. En coordonnées cartésiennes, la position moyenne déterminée à partir des campagnes 2002 et 2005 s’écarte respectivement suivant X, Y et Z de 0, 0 et +2mm. Par ailleurs, le biais moyen de la station laser tous satellites confondus et pour les 2 campagnes est de -5 mm donc très proche de celui publié dans l’article cité précédemment (-7 mm). En revanche, le biais montre une évolution significative de +10 mm entre 2002 et 2005.

Table 1. Différences de coordonnées entre les solutions 2002/2005 et celle publiée. Biais en 2002 et 2005

δδδδϕϕϕϕ (mm) δδδδλλλλ (mm) δδδδh (mm) Biais (mm)

2002 +0.5 ±0.7 2.7 ±0.7 -1.2 ±0.8 -10.0

2005 +4.1 ±0.4 -2.9 ±0.4 +4.0 ±0.4 0.0

Orbitographie pour l’altimétrie Afin de valider les nouvelles coordonnées, nous avons analysé les résidus laser sur le satellite Jason-1 pour 2 types d’orbites considérées actuellement comme les plus précises : les nouvelles orbites du CNES intégrant les mesures laser, DORIS et GPS ainsi que les orbites Reduced-Dynamic du JPL (release 06b) basées sur les mesures GPS. Ces deux orbites utilisent un champ de gravité issu des mesures de GRACE (GGM02C). Pour réaliser cette analyse nous avons conservé le biais de -7 mm publié. Le tableau suivant montre que la moyenne des résidus est très cohérente entre 2002 et 2005. La moyenne totale des résidus toutes orbites confondues est de +2.6 mm ce qui donne un biais pour Jason-1 de -4.4 mm donc très proche de la valeur moyenne trouvée pour les deux campagnes (-5.0 mm).

Table 2. Moyenne des résidus sur Jason-1 (en mm)

2002 2005 Moyenne

CNES +1.9 +3.3 +2.4

JPL +1.7 +3.9 +2.7

Site de Corse : vers un étalonnage multi-sites et multi-satellites

Campagne Capraia La campagne de mesure réalisée en 2004 avait pour objectif de déterminer d’une part le gradient du géoïde entre la Corse (Macinaggio) et l’île de Capraia et des cartes détaillées du géoïde marin sous les traces des satellites altimétriques (Figure 1). Ceci permet de relier les mesures effectuées en mer à celles qui sont enregistrées par le marégraphe de Capraia (voir celui de Macinaggio, notamment pour la partie sud-ouest). L’ensemble des mesures représente environ 350 Km parcourus en 54 heures. Pendant l’ensemble de la mission, les stations GPS de référence (Macinaggio et Capraia) ont acquis les données afin de mieux contraindre le calcul cinématique du Catamaran-GPS mais aussi de permettre le positionnement de ces deux stations dans le réseau européen.

135

Fig 1 : Ensemble des hauteurs de mer collectées par la campagne Catamaran GPS de septembre 2004.

Campagne Catamaran à Ajaccio La campagne de mesures s’est déroulée sur 2 jours en octobre 2005 et a permis de couvrir une zone de 20 km de long sur 5 km de large sous la trace N° 130 d’EnviSat. La technique utilisée est identique à celle utilisée en 2004 autour de Capraia et en 1999 à Sénétosa [Bonnefond et al., 2003a]. Nous avons aussi réalisé deux séries de mesures avec une bouée GPS à proximité du marégraphe afin de comparer les deux types de mesures sur de grandes périodes de temps (respectivement 4h30 et 20h).

La surface réalisée à partir de ces mesures nous permet dorénavant de relier les mesures altimétriques d’EnviSat à celles du marégraphe du SHOM et de déterminer l’étalonnage de l’altimètre RA2 à un niveau de précision équivalent à ce qui est fait pour TOPEX/Poseidon et Jason-1 à Sénétosa.

Résultats préliminaires Les différentes expériences réalisées ces dernières années permettent aujourd’hui d’effectuer en Corse un étalonnage multi satellites (TOPEX/Poseidon, Jason-1, EnviSat et GFO) sur différents sites dédiés (Figure 2).

La méthode classique utilisée sur le site de Sénétosa [Bonnefond et al., 2003b] a été appliquée sur les nouveaux sites de Capraia et Ajaccio pour les satellites TOPEX/Poseidon, Jason-1 et EnviSat. Les valeurs préliminaires des biais des altimètres embarqués sont donnés ci-dessous, en attendant les séries temporelles complètes.

TOPEX/Poseidon

Fig 2 : Situation des sites d’étalonnage en Corse

136

SSALT (Poseidon-1 altimeter): -26 ±12 mm

ALT-A (cycle 1 to 235): -8 ±9 mm

ALT-B (from cycle 236): -22 ±3 mm

Jason-1

Poseidon-2: +84 ±4 mm

EnviSat

RA-2 +437 ±10 mm

Activités dans le cadre de nos collaborations

Ibiza : site espagnol, projet CICYT (ESP2001-4534-PE) Une campagne d'étalonnage de Jason-1 a été réalisée en juin 2003 dans la région de l'île d'Ibiza (bassin méditerranéen ouest). L'objectif principal a été de déterminer avec un catamaran GPS [Bonnefond et al., 2003b], le gradient du géoïde marin le long des traces du satellite (voir Figure ci-contre). Ce gradient est utilisé, comme pour le site Corse, pour corriger les données altimétriques afin de pouvoir les comparer aux mesures des marégraphes d’Ibiza et de San Antonio. Les travaux relatifs à cette collaboration ont été publiés dans J.J Martinez-Benjamin et al. (2004).

Fig 3 : Situation du site d’étalonnage d’Ibiza

Gavdos : site grec, projet européen (EVR1-CT-2001-40019)

������

������

Fig 4 : Situation du site d’étalonnage de Gavdos

L’objectif premier de ce projet est l'établissement d’un service de surveillance du niveau de la mer et d'étalonnage altimétrique sur l'île de Gavdos, au sud de la Crète. Le projet GAVDOS permet de déterminer les biais et dérives des altimètres pour différentes missions (T/P, Jason-1, GFO, EnviSat, …). Il permet également d’étudier le niveau moyen de la mer et la tectonique dans cette région de déformation active.

����

�����������

���������������

137

Dans le cadre de ce projet, la station laser FTLRS a été installée de mars à octobre 2003. Cette campagne intensive de mesure a contribué à l’amélioration locale d’orbite mais aussi au rattachement géodésique absolu de ce site d’étalonnage [Pavlis et al., 2004].

Conclusion L’ensemble des campagnes réalisées depuis le lancement de Jason-1 a permis d’étendre la capacité d’étalonnage du site de Corse. En parallèle, les logiciels et les standards (basés sur les conventions IERS 2003) ont été actualisés afin de répondre aux évolutions des jeux de données des missions TOPEX/Poseidon et Jason-1. Le retraitement de l’ensemble des données de ces missions est en cours (fin prévue en juin 2004 pour Jason-1) et nous serons alors à même de fournir une actualisation des biais des altimètres. Enfin, nous commençons en partenariat avec le CNES l’établissement du plan de Calibration/Validation du satellite Jason-2 dont le lancement est prévu en juin 2008.

Participants au projet

Collaboration nationale Michel Blumberger (CNES)

François Boldo (IGN)

Pascal Bonnefond, Olivier Laurain (OCA/GEMINI)

Gwénaële Jan, Eric Jeansou et Laurent Roblou (NOVELTIS)

Florent Lyard (LEGOS)

Yves Ménard (CNES/LEGOS)

Collaboration internationale

Étalonnage altimétrique Bruce Haines (JPL)

Capraia Alessandro Bonazzi, Alessandro Capra, Giovanni Coppini, Francesco Mancini, (Università Bologna)

Paolo Cipollini (SOC, Southampton)

Giuseppe Manzella (ENEA/Clim, La Spezia), Gian Pietro Gasparini (CNR/IOF, La Spezia)

Stefano Vignudelli (CNR/ISTI, Pisa)

Gavdos

E.C. Pavlis (University of Maryland Baltimore County & NASA Goddard, Etats Unis)

S. Mertikas (Technical University of Crete, Grèce)

Ibiza

J. J. Benjamin (Université de Catalogne, Espagne)

138

Références bibliographiques et publications P. Bonnefond, P. Exertier, O. Laurain, Y. Menard, A. Orsoni, E. Jeansou, B. Haines, D.

Kubitschek, and G. Born, 2003a, Leveling Sea Surface using a GPS catamaran, Special Issue on Jason-1 Calibration/Validation, Part 1, Marine Geodesy, Vol. 26, No. 3-4, pages 319-334.

P. Bonnefond, P. Exertier, O. Laurain, Y. Menard, A. Orsoni, G. Jan, and E. Jeansou, 2003b, Absolute Calibration of Jason-1 and TOPEX/Poseidon Altimeters in Corsica, Special Issue on Jason-1 Calibration/Validation, Part 1, Marine Geodesy, Vol. 26, No. 3-4, 261-284.

P. Bonnefond, B. Haines, G. Born, P. Exertier, S. Gill, G. Jan, E. Jeansou, D. Kubitschek, O. Laurain, Y. Ménard and A. Orsoni, 2003c, Calibrating the Jason-1 Measurement System: Initial Results from the Corsica and Harvest Verification Experiments, Advance in Space Research, Special issue of COSPAR meeting, 2135-2140.

P. Exertier, J. Nicolas, P. Berio, D. Coulot, P. Bonnefond, and O. Laurain, 2004, The Role of Laser Ranging for Calibrating Jason-1: The Corsica Tracking Campaign, Mar. Geod., Special Issue on Jason-1 Calibration/Validation, Part 2, Vol. 27, No. 1-2.

L. Carrère and F. Lyard, 2003, Modelling the barotropic response of the global ocean to atmospheric wind and pressure forcing- comparisons with observations, GRL, 30(6), p 1275.

G. Jan, Y. Menard, M. Faillot, F. Lyard, E. Jeansou, and P. Bonnefond, 2004, Offshore Absolute Calibration of Space Borne Radar Altimeters, Marine Geodesy, Special Issue on Jason-1 Calibration/Validation, Part 3, Vol. 27, No. 3-4, 615-629.

J.J Martinez-Benjamin, M. Martinez-Garcia, S. Gonzales Lopez, A.Nunez Andres, F. Buill Pozuelo, M. Espino Infantes, J. Lopez-Marco, J.Martin Davila, J. Garate Pasquin, C. Garcia Silva, P. Bonnefond, O. Laurain, A.M. Baron Isanta, M.A. Ortiz Castellon, J. Talaya Lopez, B. Perez Gomez, E. Alvarez Fanjul, G. Rodriguez Velasco, D. Gomis, M. Marcos, Y. Menard, G. Jan, E. Jeansou, F. Lyard, and L. Roblou, 2004, Ibiza Absolute Calibration Experiment: Survey and Preliminary Results, Marine Geodesy, Special Issue on Jason-1 Calibration/Validation, Part 3, Vol. 27, No. 3-4, 657-681.

E. C. Pavlis, S. P. Mertikas and the GAVDOS Team, 2004, The GAVDOS Mean Sea Level and Altimeter Calibration Facility: Results for Jason-1, 3rd Jason special issue, Marine Geodesy, Vol. 27, No 3-4, pp. 631-655.

139

Introduction Les activités de l’équipe en hydrologie spatiale ont pour objectif la détermination, à partir de l'observation spatiale (altimétrie radar et imagerie micro-onde passive), de paramètres hydrologiques globaux/régionaux, d’analyser leurs variations dans l’espace et dans le temps en terme de réponse au changement climatique actuel et/ou d’activité humaine, d’intégrer ces paramètres dans la modélisation hydrodynamique/hydrologique des grands bassins fluviaux, et enfin de mettre à la disposition d’utilisateurs non spécialistes de l’altimétrie satellitaire des produits dérivés (comme par exemple des séries temporelles de hauteur d’eau ou de neige).

- La composante « lac » de l’activité s’inscrit dans le cadre de multiples collaborations internationales avec des laboratoires ou instituts partenaires intéressés par les apports nouveaux liés à l’observation spatiale (Chili, Asie centrale, Caucase, Russie). L’étude de l’évolution des niveaux des grands lacs et des réservoirs à la surface de la Terre est d’une grande importance dans le contexte des études sur les changements climatiques puisqu’ils influent directement sur les bilans hydrologiques des bassins lacustres. Or peu de lacs sont actuellement instrumentés et l’enjeu pour l’altimétrie est de devenir un outil incontournable dans le suivi de niveau des lacs. Plusieurs initiatives sont d’ailleurs actuellement à l’étude pour la mise en place de centre de données à l’échelle globale des grands lacs, pour lesquels l’altimétrie satellitaire aurait un rôle central à jouer.

Concernant les grands bassins fluviaux, la plupart sont très peu voire pas du tout effectivement instrumentés, à l’exception notable du Mississipi. Dans ce contexte, les atouts de l’altimétrie spatiale sur les Grands Bassins hydrologique sont essentiellement le grand nombre de sites possibles de mesure de la hauteur d’eau, le nivellement direct de ces séries et la disponibilité totale et gratuite des données. Les implications sont de premier ordre pour l’étude des bassins non jaugés, des zones d’inondations, pour la détermination des pentes de fleuves (paramètre essentiel à une modélisation hydrodynamique) et pour le nivellement des séries in situ le cas échéant. Cependant, la capacité de l’altimétrie satellitaire à fournir des hauteurs d’eaux « utiles » est encore l’objet de discussions et d’études, en particulier quant à la précision des hauteurs ainsi fournies. L’équipe GOHS, en étroite collaboration scientifiques avec des modélisateurs, des hydrologues mais aussi avec des partenaires locaux ayant accès aux mesures in situ travaille depuis le niveau très amont de l’amélioration des données par analyse des données SDR (Sensor Data Records, les « formes d’onde »), leur validation interne (analyses statistiques, inter comparaisons entre missions et en trackers) et externe (comparaison relative avec des données in situ et comparaison absolue avec des mesures GPS sous les traces), le développement de méthodologies spécifiques pour produire des séries temporelles, jusqu'au niveau aval de leur intégration dans la modélisation hydrodynamique et hydrologique des grands fleuves. Les travaux ayant eu pour résultat la production de paramètres hydrologiques réalistes (pente des fleuves, profondeur du lit, coefficient de rugosité) constituent une validation a posteriori incontestable des séries altimétriques utilisées.

La composante « neige » de l’activité est une partie de la composante européenne de contribution à l’année internationale polaire (IPY : International Polar Year): Climate of the Arctic and its Role for Europe (CARE) une proposition paneuropéenne et multidisciplinaire qui coordonne la recherche pour l’exploration des régions polaires, proposant d’approfondir notre

4.1.3. ALTIMETRIE SPATIALE :

Hydrologie spatiale

140

compréhension des interactions polaires et de leur rôle sur le climat du globe pour améliorer nos capacités à détecter les changements et à faire connaître et comprendre ces changements aux preneurs de décisions (ICSU, IPY planning group).

Travaux réalisés en 2006 Des résultats ont été obtenus et publiés (cf liste ci-dessous) sur l’ensemble des axes poursuivi par l’équipe : cal/val des données altimétriques (trackers/missions) sur les lacs, produits hydrologiques dérivés des hauteurs altimétriques (courbes de tarage, profondeur des biefs, pentes du fond et des lignes d’eaux hautes et basses eaux, régionalisation des débits), de bilan hydrologique sur les mers intérieures (Caspienne et Aral), mise à disposition de plusieurs centaines de séries temporelles dans la base de données hydroweb

Volet Grands bassins fluviaux L’Amazone avec en particulier le sous bassin du Rio Négro, le Mékong et le bassin d’inondation de la rivière Diamantina en Australie, sont à l’heure actuelle les trois grands bassins qui ont pu être abordé en détail. Les travaux réalisés sur l’Amazone ont porté sur la modélisation hydrodynamique du fleuve à partir de séries altimétriques de hauteur d’eau T/P et ENVISAT et de données in-situ de cote et de débits. Pour le rio Négro, nous avons combiné plusieurs approches, intégrant une modélisation hydrodynamique du bassin, des données altimétriques et des données SAR (Synthetic Aperture Radar). Cela a permis un suivi saisonnier des variations de stocks d’eau de surface sur le Rio Negro. Pour le Mékong nous avons développé une méthode de combinaison des données altimétriques avec des images SPOT pour déterminer les variations de volumes interannuelles dans le bassin d’inondation du fleuve en corrélation avec les phénomènes de mousson. Pour la Diamantina, nous avons cette fois développé une méthode axée préférentiellement sur les données de réflectance MODIS (sur le satellite américain Terra) qui permettent un suivi à moyenne résolution spatiale (500 mètres) et haute résolution temporelle (journalier) de l’eau de surface sur des étendues de plusieurs milliers de kilomètres. Associée à l’altimétrie cela a permis de quantifier les flux volumétriques lors d’épisodes de crues, comme il y en a dans cette région du monde environ tous les 3-4 ans.

Par ailleurs l’équipe est fortement engagée dans une tâche de production globale de séries altimétriques de hauteurs d’eau. Un site web a été construit a cette fin (http://www.legos.obs-mip.fr/fr/soa/hydrologie/hydroweb/). Environ 250 séries de hauteurs (essentiellement à partir des données GDR de la mission TP) sur des fleuves et une centaine sur des lacs (combinant les données de l’ensemble des missions TP, ENVISAT et GFO) y sont proposés. Une quarantaine de séries sur les rivières a pu être comparée à des séries in-situ. Même si cette comparaison ne saurait être absolue (les cotes in-situ ne constituant pas une vérité absolue de la mesure de la hauteur d’eau telle qu’échantillonnée par un altimètre), ces comparaison montrent que l’accord rms entre ces deux types de mesure varie d’une trentaine de cm à mieux qu’une dizaine de cm, selon la taille du plan d’eau et le contexte géographique.

Volet Lacs Les Lacs et Mers intérieures constituent un champ d'application de l'altimétrie en zone continentale a plusieurs tiroirs : Cal/val des mesures par campagnes GPS sur le terrain, bilan hydrologique (bilan de masse) et climatologique (couplage avec des études sur les glaciers dans le contexte du réchauffement global), impact des activités humaines. Cette activité s’articule autour de plusieurs grands chantiers, dans lequel l’équipe est fortement impliquée.

Un projet sur l’étude de la mer d’Aral et l’utilisation de l’altimétrie pour la détermination du bilan hydrologique. Ce travail qui a débuté en 2002 a permis de déceler un apport d’eau souterrain dans la mer d’Aral qui n’était pas connu, et d’autre part de quantifier l’impact de

141

l’irrigation et de la construction de digue entre les deux mers d’Aral actuelles sur le bilan hydrologique final. Ce travail a montré dans un cas concret l’utilisation qui pouvait être faite de l’altimétrie en zone continentale, et nous sommes fréquemment sollicité désormais par les scientifiques qui continuent de plancher sur la mer d’Aral et les bassins fluviaux environnants.

Un projet sur le lac Issykkul situé en Asie Centrale en collaboration avec des instituts de recherche du Kirghizstan et de l’Ouzbékistan. Initialement prévu pour étudier l’impact des changements climatiques sur des grands lacs de montagnes, ce projet a peu à peu pris une autre direction : étant donné les moyens d’infrastructure mis à note disposition par les partenaires ce site est aussi devenu un site de calibration inter satellite et inter-tracker de première importance. 2 campagnes GPS ont été réalisées sous la quasi-totalité des traces altimétriques. En effet l’ensemble des satellites altimétriques existant ont des traces sur ce lac et les résultats obtenus sont de grande précision, de plus le lac est suivi par des mesures in situ depuis environ un siècle. Nous pensons donc à l’issue de cette étude de proposer ce lac comme site de calibration absolue pour les missions altimétriques actuelles et futures (Jason-2, Cryosat, Altika). Ce travail fait l’objet d’une publication. Les partenaires locaux sont enthousiastes et prêt à mettre à notre disposition l’ensemble de leurs infrastructures (stations météo, marégraphes, bateau).

Une collaboration enfin sur les grands lacs de la Cordillère des Andes s’est initiée il y a 2 ans avec l’université de Concepcion au Chili. Nous étudions trois grandes zones : les lacs de Patagonie (Argentino, Viedma, Général de Carrera) dont l’évolution du niveau dépend fortement du bilan de masse des glaciers environnants, et des régimes de précipitations sur le cone sud. Les lacs du centre du Chili (Ranco, llanquihue, Todos Los Santos, Nahuelhuapi, Rinihue) qui sont surtout soumis aux régimes de pluis venus de l’ocean pacifique, et enfin les lacs et les salars de l’Altiplano chilien, Bolivien et Peruvien (Titicaca, Poopo, Uyuni). Pour ces études nous mettons en œuvre plusieurs techniques et bases de données (altimétrie, MODIS, grilles de climatologie globale type ECMWF, NCEP, bases de données locales). Ce travail a déjà permis l’établissement de séries temporelles précises de variations de niveaux des lacs et leur validations dans certains cas (Titicaca) avec des données in-situ. Nous avons également commencé en 2006 la cartographie des inondations sur les zones arides de l’Altiplano et en particulier sur les Salars boliviens et chilien. Ce travail revêt une importance particulière pour les autorités hydrographiques locales, car ces informations sont inaccessibles par des moyens traditionnels.

Volet Neige Cette thématique consiste à développer et valider des méthodes d’estimation de l’épaisseur de la neige et de son équivalent en eau sur l’ensemble des régions boréales à partir des capteurs micro-ondes passifs.

La variabilité spatio-temporelle du manteau neigeux des régions boréales joue un rôle important sur le climat par les rétroactions sur la circulation atmosphérique, par son rôle dans l’apport d’eau douce à l’océan Arctique et par son influence sur la fonte du pergélisol. Les séries temporelles des paramètres caractéristiques du manteau neigeux (étendue, épaisseur, équivalent en eau, dates d’apparition et de disparition de la neige) sont analysées à partir de l’ensemble des données satellites des radiomètres micro-ondes depuis 1979.

Les algorithmes développés à partir des données micro-ondes passives bien que disponibles de manière continue depuis 1979 ne permettent toujours pas de déterminer les épaisseurs des champs de neige globaux de manière satisfaisante, et la qualité des résultats obtenus est toujours très insuffisante. Une nouvelle méthode a été mise au point et les estimations des mesures radiométriques micro-ondes ont été comparées avec un ensemble de données in situ obtenues dans les grandes plaines américaines. Cette méthode a été adaptée aux régions boréales en général et au bassin de l’Ob en particulier où faute d’un réseau de mesures in situ nous avons utilisé les mesures du débit de l’Ob à son embouchure pour comparer les variations

142

interannuelles du maximum de débit en juin à la fonte des neiges aux estimations du contenu en eau du manteau neigeux par radiométrie micro-onde sur le bassin de l’Ob. Les résultats obtenus montrent une forte corrélation entre le contenu en eau du manteau neigeux de l’Ob en février et le débit du fleuve 4 mois plus tard en juin. Une estimation de la prévision des crues dues à la débâcle de la neige pourrait ainsi être envisagée.

L’utilisation des champs de température du sol à l’interface avec le manteau neigeux obtenus grâce au modèle ISBA de Météo France va permettre de généraliser les résultats obtenus sur le bassin de l’Ob à l’ensemble des régions boréales.

Nous avons également utilisés les mesures du satellite GRACE pour comparer les variations spatio-temporelles du réservoir de neige de GRACE à celle de différents modèles hydrologiques globaux et à celles obtenues à partir des mesures micro-ondes passives. La comparaison entre les 2 méthodes satellitaires est plus proche que celle des modèles et permet d’envisager dans l’avenir l’amélioration de ces modèles à partir de l’assimilation des données satellites.

Volet Base de Données (hauteurs d’eau altimétriques) La base de donnée « HYDROWEB » est en perpétuelle mise à jour. Actuellement, les séries proposées pour les fleuves correspondent au traitement des données T/P (GDR) de la 1ère phase orbitale. Les valeurs sont proposées sous la forme d’altitude par rapport au géoide OSU95 de la moyenne des points sélectionnés dans une « station virtuelle » définie comme une bande de latitude, l’écart type autour de cette moyenne, pour chaque date de passage. Pour les lacs, les séries sont des compositions multi-satellites. L’échantillonnage temporel s’en trouve amélioré (il peut être quasi quotidien pour les grands objets). Par contre, la gravité locale oblige souvent à déterminer une surface moyenne pour dé corréler variations temporelles et variations spatiales (traces échantillonnant différents transects de la surface moyenne du lac avec des biais spécifiques à chaque tracker de chaque mission). Les travaux conduits sur la calibration relative des missions et des trackers, une fois complètement validés, permettront, pour chaque lac étudié, d’appliquer ces biais de façon systématique lors de l’intégration complète des séries mono missions en séries multi missions sans biais. Les séries sont visibles et téléchargeables à : http://www.legos.obs-mip.fr/soa/hydrologie/hydroweb/

Une demande de labellisation INSU a été faite en 2006 pour le site HYDROWEB.

Participants au projet Anny Cazenave, Jean-Francois Crétaux, Stephane Calmant, Nelly Mognard, Muriel Bergé-Nguyen, Marie-Claude Gennero, Alexei Kouraev, Sylviane Daillet.

Publications de l’équipe en 2006 sur cette thématique Boone, A., N. M. Mognard, B. Decharme, H. Douville, M. Grippa, and K. Kerrigan, The impact

of simulated soil temperatures on the estimation of snow depth over Siberia from SSM/I compared to a multi-model climatology, Remote Sensing of the Environment, 101, 482–494, 2006.

Calmant S. and Seyler F., Continental waters surface from satellite altimetry, C R Geoscience, doi: 10.1016/J.crte.2006.05.012, 2006

Crétaux J-F, M. Leblanc, S. Tweed, S. Calmant, and G. Ramillien, conbination of radar and laser altimetry, MODIS and GPS for the monitoring of flood events : application to the Diamantina river, submitted to Remote Sensing of Environment, 2007

Crétaux J-F, S. Calmant, V. Romanovski, F. Lyard, M. Bergé-Nguyen, A. Cazenave, and F. Hernandez, GPS calibration of altimetry technique over the Issykkul lake: a first step before becoming a permanent calibration site for remote sensing, and global climate impact on inland water resources, submitted to Geophysical Research Letter, 2007

143

Crétaux J-F and C. Birkett, lake studies from satellite altimetry, C R Geoscience, doi: 10.1016/J.crte.2006.08.002, 2006

Enjolras V., Vincent P., Sourys J.C., Rodriguez E. and Cazenave A., Performances study of interferometric radar altimeters :from the instrument to the global mission definition, Sensors, in press, 2006

Frappart F., K. Dominh, J. Lhermitte J., G. Ramilllien, A. Cazenave, T. LeToan and N. Mognard-Campbell, Water volume change in the lower MEKONG basin from satellite altimetry and other remote sensing data, Geophys. J. Int., in press, 2006c

Frappart F., S. Calmant, M. Cauhopé, F. Seyler, A. Cazenave, Preliminary results of ENVISAT RA-2-derived water levels validation over the Amazon basin, Remote sensing of Environment, 100, 252-264, 2006b

Frappart F. , G. Ramillien, S. Biancamaria, N. Mognard-Campbell and A. Cazenave, Evolution of high-latitude snow mass derived from the GRACE gravimetry mission (2002-2004), Geophys. Res. Lett, 33, L02501, doi:10.1029/2005GL024778, 2006a.

Leon J.G., S. Calmant, F. Seyler, M.P. Bonnet, M. Cauhopé, F. Frappart, Rating curves and average water depth at the Upper Negro river from satellite altimetry and modelled discharges, Jounal of Hydrology, 2006

Leon, J-G, F. Seyler, M.-P. Bonnet, S. Calmant et M. Cauhopé, Preliminary estimations of outflow estimates in the Rio Negro basin by a Muskingum-Cunge flow routing model approach, soumis à Journal of Hydrology, 2006.

Leon J-G, F. Seyler , S. Calmant, M.-P. Bonnet, M. Cauhopé, Hydrological parameters estimation for ungauged basins based on satellite altimeter data and discharge modelling, asimulation for the Caqueta River (Amazonian Basin, Colombia), Hydrol. and Earth System Sc., 2006

144

Introduction. L’intérêt du SHOM pour les phénomènes côtiers se manifeste essentiellement dans le domaine de la marégraphie, la modélisation hydrodynamique et l’harmonisation des références verticales pour l’hydrographie et les altitudes terrestres.

Les travaux relatifs à la marégraphie sont traités séparément (Guy Woppelmann).

Modèles de marée Depuis plusieurs années, le SHOM utilise la modélisation numérique à l’aide du système TELEMAC développé par le LNHE pour réaliser des cartes de courants pour la navigation. Les résultats de ces modèles en terme de hauteurs de marée n’ont pas réellement été exploités immédiatement, car la précision requise pour les besoins de l’hydrographie dans le domaine côtier est hors de portée des seuls modèles hydrodynamiques : un ajustement des résultats avec les données issues de la marégraphie est en effet requise pour se conformer aux normes internationales de précision des sondages hydrographiques.

La méthode mise au point a consisté à :

- exploiter des simulations, portant sur une année, de la marée sur les façades de la Manche et de l’Atlantique des côtes de France,

- faire les analyses harmoniques des hauteurs calculées en chaque point du modèle afin d’obtenir les constantes harmoniques de la liste standard du SHOM (143 composantes)

- Ajuster les résultats aux données issues des observations, en ajustant en fonction de leur qualité (fonction essentiellement de leur durée)

Les conditions limites aux frontières ouvertes sont fournies par le modèle FES du LEGOS à l’ouest et interpolées à partir de données in situ au sud de la Mer du Nord.

Les résultats sont disponibles sous forme de grilles de points régulièrement répartis servant d’entrée à des logiciels de calculs utilisés notamment pour la réduction des sondages hydrographiques.

Aux points d’observations, la précision est celle des annuaires de marée pour les ports principaux. Ailleurs, elle est meilleure que ce que pourrait fournir un modèle numérique seul, sachant que, quels que soient les moyens de calcul mis en oeuvre, la précision est limitée en dernier ressort par la connaissance de la bathymétrie.

Le Golfe du Morbihan a fait l’objet d’une étude particulière, notamment dans le cadre du projet SHOM-IGN LITTO-3D

4.2. PHENOMENES COTIERS

145

La figure précédente illustre un résultat intéressant issu du modèle Golfe du Morbihan. Il s’agit du niveau moyen rapporté au nivellement IGN69, montrant que, dans cette zone où les effets hydrodynamiques non linéaires sont importants, la surface moyenne est très éloignée d’un ellipsoïde.

Références verticales, projet BATHYELLI, études préliminaires Les références utilisées en hydrographique sont les suivantes :

- zéro hydrographique, normalement situé à proximité des plus basses mers

- niveau des plus basses mers,

- niveau moyen,

- géoïde (référence des modèles hydrodynamiques),

- ITRS,

- WGS84,

- nivellement terrestre.

Toutes ces notions ont été précisées, en particulier le niveau moyen et le niveau des plus basses mers.

L’objet du projet BATHYELLI est de situer ces surfaces les unes par rapport aux autres. Il répond à un besoin clairement exprimé par la communauté hydrographique : rapporter le zéro des cartes marines (zéro hydrographique) à une référence géodésique, ainsi qu’à un besoin implicite des communautés océanographiques et géodésiques.

Les objectifs de ce projet sont :

- de permettre l’utilisation du GPS cinématique pour la réalisation des sondages hydrographiques, afin de déterminer directement la cote du fond par rapport à un

146

système de référence cohérent recommandé par la communauté internationale (ellipsoïde GRS80),

- de disposer d’un modèle du zéro hydrographique par rapport à l’ellipsoïde GRS80 sur les côtes métropolitaines (hors estuaires), de manière à pouvoir rapporter les sondages au zéro hydrographique pour les besoins de la cartographie,

- de permettre le passage d’une référence verticale à une autre (ellipsoïde GRS80, niveau d’équilibre2, zéro hydrographique, niveau des plus basses mers, géoïde, IGN69), en particulier des références marines aux références terrestres.

-

Le problème majeur est la dégradation de la Surface Moyenne Océanique (SMO) altimétrique près des côtes, liée aux limitations techniques de l’altimétrie.

Figure 2 : Visualisation de la Surface Moyenne Océanique CLS01

Une amélioration de cette SMO près de la côte est envisagée en tirant parti des mesures par GPS cinématique. Une étude de faisabilité a été réalisée aux abords de Roscoff.

2 Le niveau d’équilibre est défini comme le niveau moyen calculé sur une période à préciser. Ca sera par exemple la même période que celle du calcul de la SMO

147

Figure 3 : Zone expérimentale aux abords de Roscoff (tracés théoriques suivi lors du levé en rouge,

traces altimétriques en vert)

Figure 4 : SMO mesurée en GPS RTK au large de Roscoff

Etat d’avancement du projet (début 2007) - les systèmes GPS ont été évalués en côtier, l’apport de la centrale d’attitude est en cours

d’évaluation ;

- la SMH (Surface Moyenne Hydrographique) ou SMO adapté aux besoins de l’hydrographie a été calculée et est disponible (pas de correction de baromètre inverse, pas de rattachement à la côte à un géoïde) ;

- la campagne de mesures GPS a débuté (3 sites réa.lisés sur 20) ;

- un guide technique pour la réalisation des levés BATHYELLI est disponible, il aborde en particulier l’aspect « calibration du site » (positionnement géodésique d’un site connu (douille de MCN par exemple) pour détecter un éventuel biais dans le positionnement de la station fixe) et l’aspect « calibration GPS » (détermination de la hauteur de l’antenne GPS).

148

La campagne GPS (20 sites) devrait se terminer fin 2007.

Figure 5 : SMH avec seuil sur l’erreur inférieur à 10 cm

Figure 6 : Premiers résultats (non validés) de mesure du niveau moyen par GPS cinématique au large de Bayonne

(Ne pas intégrer cette figure à un document, car résultats non validés)

149

Participants au projet (personnel SHOM) : Yann Dupont, Marie Françoise Lalancette, Lucia Pineau,, Bernard Simon.

Références bibliographiques L. Pineau, 1999, Amélioration du modèle de prédiction de marée en Manche, Rapport

technique SHOM N° 282 EPSHOM/CH/GG/ET/NP du 28.05.99 S. Desmare, 2003, Méthodologie pour la réalisation du zéro hydrographique dans un système

de référence terrestre mondial R. Leroy, B. Simon 2003, Réalisation et validation d’un modèle de marée en Manche et dans le

Golfe de Gascogne O. Gueguen 2004, Exploitation par GPS d’un modèle numérique du Zéro hydrographique en

France pour la réduction des sondages hydrographiques, Rapport de projet IGN L. Pineau 2006, Modélisation de la marée dans le Golfe du Morbihan, Revue hydrographique

Internationale 2006. B. Simon 2006, Les niveaux de référence en hydrographie, Revue hydrographique

internationale 2006.

150

L’équipe Glace et Neige du GRGS s’intéresse à toutes les composantes de la cryosphère : les calottes polaires, les glaciers continentaux, les glaces de mer et la neige continentale avec toutefois un attrait particulier pour l’Antarctique.

Ces éléments sont à la fois acteurs et témoins des variations climatiques, d’où l’intérêt de les étudier. En ce qui concerne les calottes polaires, elles renferment aussi la mémoire climatique de la terre. Ces calottes, notamment l'Antarctique, réagissent à la fois très vite face aux variations du climat, et très lentement. Dans ce contexte, il est difficile d'évaluer leur équilibre, ainsi que leur contribution potentielle aux variations du niveau de la mer.

Nous développons au laboratoire des modèles et des techniques d’observations permettant de comprendre les processus qui régissent ces différentes composantes. Il faut souligner que l'arrivée de Fabien Blarel dans l'équipe début 2005, nous permet aujourd’hui traiter les données altimétriques sur de plus grandes échelles spatio-temporelles.

L'Antarctique L’exploitation de données altimétriques d’ERS et d’Envisat sur les calottes polaires fait l’objet de deux des thèses de l’équipe, du post-doc d’Alexei Kouraev et du quotidien de trois des permanents. Parmi les principaux résultats, il faut citer l’exploitation de la série temporelle des observations d’ERS2. Au contraire des autres équipes, qui traitent les données altimétriques uniquement aux points de croisement, Benoît Legrésy a mis au point une méthodologie permettant la prise en compte de l’ensemble des données le long des traces. Il corrige des effets dus à la mauvaise répétitivité des traces et de ceux dus à la modification de l’état du manteau neigeux. Cette méthodologie, en cours de publication, conduit à une précision et une résolution spatiale extrêmement bonnes qui permettent, entre autres, de voir des signatures spatio-temporelles de processus très fin (Legrésy et Rémy, soumis).

L’altimètre d’Envisat a la particularité d’être bi-fréquence (bande ku, nominale, doublée de la bande S de fréquence plus basse). Cette double information permet d’espérer avoir des informations sur le manteau neigeux. Pascal Lacroix a notamment mis très nettement en évidence que les deux bandes pouvaient avoir des sensibilités très différentes et détecter des signaux très différents (Lacroix et al., sous-presse).

En dehors de l’altimétrie, l’équipe utilise aussi les données de gravimétrie ou de radar interféromètre ainsi que des données in situ. Notamment Guilhem Autret développe une méthodologie particulière, en collaboration avec le laboratoire d’astrophysique de l’observatoire afin d’exploiter les longues séries temporelles de stations météorologiques automatiques.

- L'utilisation des isochrones obtenus à basse fréquence en Antarctique, nous a permis de démontrer l'utilisation de telles informations pour l'amélioration de la datation et des conditions limites de l'écoulement de glace (Parrenin et al., 2006)

- Les premières études en gravimétrie, menées en collaboration avec l'équipe GOHS du GRGS: à partir des données issues de Grace on a montré que l'on pouvait estimer la distribution temporelle des taux d'accumulation en Antarctique (Llubes et al., soumis) ainsi que les tendances (à court terme) des variations de masse (Ramillien et al., 2006).

4.3. GLACES

151

- L'étude de la répartition des réseaux sous-glaciaires en Antarctique, nous a permis de déduire la carte du flux géothermique en Antarctique, qui était jusqu'à lors très peu connu et sert pourtant dans l'estimation de la température de glace et donc des vitesses d'écoulement (Llubes et al., 2006)

- Enfin, un article de synthèse nous a permis de faire le point sur les problèmes d'équilibre de l'Antarctique et de montrer que la mauvaise connaissance des taux d'accumulation de neige était la pire inconnue dans le bilan de masse de la calotte (Remy et Frezzotti, 2006) appuyant ainsi l'intérêt de la gravimétrie pour le sujet.

Glaciers de montagne et petites calottes glaciaires Glaciers de montagne et petites calottes des régions polaires contribuerait actuellement à près du 1/3 de l’élévation du niveau marin. Mais leur échantillonnage reste encore très fragmentaire. Nos études visent donc à déterminer leur évolution à l’échelle régionale à partir de l’outil satellitaire.

- En utilisant les glaciers alpins comme site test, nous avons démontré l’intérêt de topographies multidates, déduites des satellites SPOT, pour estimer les variations d’épaisseur glaciaire. Toutefois, au préalable, ces topographies doivent être ajustées et d’éventuels biais corrigés. Nos comparaisons mettent ainsi en évidence des biais dans la topographie mondiale SRTM acquise par la navette spatiale américaine en février 2000 (Berthier et al., 2006). Ces travaux invitent à reconsidérer plusieurs études précédentes concernant la fonte des glaciers de montagne.

- Des topographies différentielles ont été construites pour les glaciers de l’ouest himalayen, région où les données de terrain sont absentes et où l’évolution des glaciers reste méconnue. Près de 1000 km2 de glaciers ont ainsi été cartographiés depuis l’espace. Nous observons, entre 2000 et 2004, des pertes d’épaisseur de 0.7 à 0.85 m/a en moyenne (Berthier et al., sous presse). Dans les années à venir, nous voulons étendre cette étude à d’autres régions de la chaîne himalayenne (qui compte 33000 km2 de glaciers) afin de contraindre sa contribution à l’élévation du niveau marin.

- On a enfin montré que l'on pouvait mesurer le soulèvement des plates-formes de glace par corrélation d’images SPOT5. Ainsi, on décrit le soulèvement de la glace en Islande au dessus du lac sous-glaciaire du - �9� �: �� ��� ����� ��������� �����!��� ����������� ��'�� � �� �

������� ��������7��� � ���������������� ��;�7�����������,����������<1�� ������ ����'�$%%&=��

- On étudie l'evolution des glaciers arctiques (Svalbard, Novaya Zemlya, Terre François-Joseph) en combinant les capteurs microondes actifs (SAR, altimétrie radar) et passifs (radiométrie) avec les images en domaine optique (SPOT, Landsat) [Strozzi et al., soumis)

Manteau neigeux, les glaces de mer et l'hydrologie des régions boréales Cette partie est traitée en collaboration étroite avec l'équipe GOHS, dirigée par Anny Cazenave (voir 4.1).

- Nous nous sommes intéressés à la synergie entre les capteurs actifs et passifs pour la caractérisation des glaces de mer, de rivières et de lacs ainsi que sur la couverture neigeuse sur la glace des lacs (lac Baikal).

- A partir de données historiques et satellites, nous avons pu reconstituer les influences dynamiques et climatiques sur le régime des glaces du lac Baikal (Kouraev et al., sous-presse)

- Nous montrons que les inondations, consécutives à la fonte des neiges sur les grandes plaines boréales étaient caractérisables par l'altimétrie bi-fréquence telle que fournies par le satellite Topex (Papa et al., 2006)

152

- Pour améliorer l’estimation du contenu en eau de la neige à partir des mesures satellitaires micro-ondes passives nous avons utilisé les sorties du modèle ISBA de Météo France pour déterminer les variations spatio-temporelles de la température du sol à l’interface avec la couche de neige et ainsi amélioré le calcul du contenu en eau de la neige sur le bassin de l’Ob qui est un des plus grands bassins arctiques de Sibérie (Boone et al., 2006).

Nous avons également utilisé les mesures de GRACE pour étudier les variations spatio-temporelles des masses de neige sur les grands bassina arctiques et comparés les estimations de GRACE aux anomalies des modèles hydrologiques globaux et des estimations des instruments micro-ondes passifs (Frappart et al., 2006)

En collaboration avec l’équipe de Thuy LeToan du CESBIO nous avons continué les études sur l’influence de l’évolution globale des dates de la fonte de la neige dans les régions boréales et sur les téléconnections avec les indices atmosphériques du climat (Vicente-Serrano, 2006).

Participants au projet Permanents : E. Berthier, F. Blarel, B. Legrésy, M. Llubes, N. Mognard, F. Rémy,

Thésards : G. Autret (2006-), P. Lacroix (2004-), C. Maraldi (2005-), S. Parouty (2006-)

Contractuel et post-doc : A. Kouraev (jusqu’en septembre 2006, M de Conf depuis)

Références bibliographiques

Articles publiés en 2006 ou sous-presse Berthier E., Björnsson H., Pálsson F., Llubes M., Feigl K. and Rémy F., 2006, The level of the

Grímsvötn subglacial lake, Vatnajökull, Iceland, monitored with SPOT5 images. Earth and Planetary Science Letters. 243, 293-302.

Berthier E., Y. Arnaud, C. Vincent and F. Rémy, 2006, Biases of SRTM in high-mountain areas. Implications for the monitoring of the glacier volume changes. Geophys. Res. Let., 33, L08502,doi:10.1029/2006GL025862

Berthier E., Arnaud Y., Rajesh K., Sarfaraz A., Wagnon P., & Chevallier P., Remote sensing estimates of glacier mass balances in the Himachal Pradesh (Western Himalaya, India). sous-presse à Remote Sensing of Environnement.

Boone, A., N. M. Mognard, B. Decharme, H. Douville, M. Grippa, and K. Kerrigan, The impact of simulated soil temperatures on the estimation of snow depth over Siberia from SSM/I compared to a multi-model climatology, Remote Sensing of the Environment, 101, 482–494, 2006.

Frappart, F., G. Ramillien, S. Biancamaria, N.M. Mognard, A. Cazenave, Evolution of high-latitude snow mass derived from the GRACE gravimetry mission (2002-2004), Geophysical Research Letters, VOL. 33, L02501, doi:10.1029/2005GL024778, 2006.

Kouraev A.V., S.V. Semovski, M.N.Shimaraev, N.M. Mognard, B. Legresy, F. Remy. "Ice regime of lake Baikal from historical and satellite data: Influence of thermal and dynamic factors". 2007, Limnology and Oceanography, sous presse

Kouraev A.V., S.V. Semovski, M.N.Shimaraev, N.M. Mognard, B. Legresy, F. Remy. "Observations of lake Baikal ice from satellite altimetry and radiometry". Remote Sensing of Environment, 2007, sous presse

Lacroix, P, B. Legrésy, R. Coleman, M. Dechambre and F. Rémy, Surface and sub-surface properties of snow on the Amery Ice-Shelf using Envisat’s dual-frequency altimeter, sous-presse à RSE.

Llubes M., C. Lanseau and F. Rémy, 2006, Relation between basal condition, subglacial hydrological networks and geothermal flux in Antarctica, Earth and Planetary Science Let., 241, 655-662.

153

Papa F., C. Prigent, Legresy B. and F. Rémy, 2006, Inundated wetlands dynamics over Boreal regions from remote sensing : the use of Topex-Poseidon dual-frequency radar altimeter observations, International Journal of Remote Sensing, 27 (21), 4847-4866.

Parrenin F, R. Hindmarsh and F. Rémy, Analytical solutions for the effect of topography, accumulation rate and lateral flow divergence on isochrone layer geometry, J. of Glaciol., 177, 2006.

Ramillien G., Lombard A., Cazenave A., Ivins E. R., M. Llubes, F. Rémy and Biancale R., 2006, Interannual variations of the Antarctica and Greenland ice sheets mass balance from Grace, Global and planetary changes, 53, 198-208.

Rémy F. and M. Frezzotti, 2006, Mass-balance of the Antarctica ice sheet, C.R. Geoscience 338, 1084-1097.

Rémy F. , B. Legrésy and J. Benveniste, 2006, On the Azimuthally Anisotropy Effects of Polarization for altimetric measurements, IEEE on geoscience and remote sensing, 44 (11), 3289-3296.

Articles de rang A dans des revues internationales soumis ou en préparation Crapeau M., Paillou P., M. Dobrijrvic and F. Rémy, A two-layer model for continental radar

altimetry : appliation to terrestrial and planetary cases, soumis à Earth(?) Planetary and Science Letter.

Delisle, G., Coren,F., Sterzai, P. and F. Remy, An update on the ice dynamics of the Frontier Moutain meteorite concentration site as revealed by satellite aperture radar interferometry, submitted to Meteoritics and Planetary Science

Lacroix P. , M. Dechambre, B. Legrésy and F. Rémy, Effects of snow surface micro-roughness on the altimetric signals over ice caps, Soumis à RSE

Legresy B. and F. Remy, Along track repeat satellite radar altimetry over land surfaces, applications in Antarctica, soumis à Remote sensing of environment

Llubes, M. , Lemoine J-M, and F. Remy, seasonnal snow variability above the Antarctica ice sheet from Grace, soumis à EPSL

Strozzi T, A.V. Kouraev, A. Wiesmann, U. Wegmüller, A. Sharov, C. Werner. Estimation of Arctic glacier motion with satellite L-band SAR data. Remote Sensing of Environment, submitted

Vicente-Serrano, S. M., M. Grippa, T. Le Toan, and N.M. Mognard, The role of atmospheric circulation with respect to the interannual variability in the date of snow cover disappearance over northern latitudes between 1988 and 2003, J. Geophys. Res., in press, 2006.

154

5 – GEODESIE PLANETAIRE

5.1. Champ de gravité Martien

5.2. Missions planétaires

5.3. Relativité

155

156

Introduction Les données de suivi orbital des récentes missions martiennes : Mars Global Surveyor (MGS) et Mars Odyssey (MODY de la NASA comme la mission Mars Express (MEX) de l’ESA sont utilisées pour modéliser le champ de gravité de la planète Mars, ses variations zonales à très grande longueur d’onde comme le facteur d’élasticité (le nombre de Love k2) de déformation de marée solide. L’Equipe de Géodésie Spatiale du CNES/GRGS (G. Balmino, J.-C. Marty, N. Valès) est impliquée dans cette activité en coopération avec l’Observatoire Royal de Belgique, ORB (J. Duron, thésard, P. Rosenblatt).

L’objectif principal 2003-2006 a été de calculer le nombre de Love k2 "moyen" et les variations temporelles à très grande longueur d'onde d‘un nouveau modèle de champ de gravité de Mars (zonaux de bas degrés - de fait les coefficients "composites" de degrés 2 et 3) dues aux transferts saisonniers de masse (sublimation/condensation du CO2) entre les calottes polaires et l'atmosphère. Le but est de quantifier les transferts de masse (à travers les variations de C20 et C30) et de caractériser la nature, solide ou liquide, du noyau (par la valeur de k2). Des travaux importants ont déjà été effectués, et publiés, par les équipes américaines du JPL et du GSFC ; cependant la contribution du GRGS, qui s'appuie sur des développements et des outils indépendants, reste très attendue.

Les travaux utilisent les observations de trajectographie des missions MGS et MODY collectées par les stations du réseau DSN (Deep Space Network) de NASA-JPL. Les données de radio-science de la mission MEX sont aussi traitées (par l'équipe de l'ORB) et pourraient à terme servir à mieux déterminer les variations temporelles du champ.

Toutes les données Doppler (1 voie, deux et trois voies) et de distance (deux voies) de MGS durant les différentes phases de la mission (GCO, "mapping"), i.e. couvrant la période février 1999 - juillet 2006, ont été traitées. Pour MODY, toutes les données Doppler (deux et trois voies) et de distance (deux voies) durant la phase "mapping" de la mission, i.e. couvrant la période d’avril 2002 - septembre 2006, ont été traitées.

La table 1 regroupe pour chacun des 2 satellites, le nombre de mesures ainsi que le nombre d’arcs utilisés.

Détermination du champ statique La figure 1 représente les anomalies de gravité restituées sur Tharsis et Hellas Planitia, par notre solution et comparée aux modèles MGM 1041C (du GSFC) et JGM 95 J01 (du JPL) : les écarts quadratiques moyens entre ces cartes varient de 40 à 55 mgal, alors que l'erreur cumulée, estimée par notre modèle, est de 80 mgal, démontrant ainsi un très bon accord entre les trois solutions.

Détermination du champ variable Ces traitements ont conduit à la détermination des variations temporelles de C20 et C30 (tous les 10 jours), et de k2.

Une remarque importante est qu’un des facteurs les plus limitants en terme de restitution des variations temporelles de C20 et C30, ainsi que pour k2, sont les désaturations des roues à inertie

5.1. CHAMP DE GRAVITE MARTIEN

157

de la sonde. Ainsi, concernant le traitement des données MGS, nous avons choisi de découper la période totale en deux sous périodes, notées P1 (février 1999 – mi 2002) et P2 (mi 2002 – juillet 2006) qui se distinguent essentiellement par la fréquence et la durée des désaturations des roues à inertie. Dans un premier temps ce sont des solutions pour chaque sonde qui ont été estimées, puis des solutions combinées. On a noté que les solutions obtenues pour C20 montrent une variance a posteriori de l’ordre de grandeur de l’amplitude des variations attendues (via le modèle du centre NASA Ames) et estimées. Les variations de C20 sont moins bien déterminées (plus grande dispersion, barres d'erreur plus grandes) que celles de C30 (cf. figure2). Les figures 3 et 4 montrent les variations temporelles de C30 en fonction de l’anomalie moyenne de Mars obtenues au GRGS et par d’autres centres (GSFC, JPL) respectivement. Ces solutions sont systématiquement comparées à celles prédites par un modèle global de circulation atmosphérique (NASA-Ames GCM) et à celles estimées via les mesures de l’instrument HEND (High Energy Neutrons Detector) embarqué sur MODY. Ces figures ont été obtenues après ajustement a posteriori de termes périodiques fournissant ainsi des amplitudes de termes annuels et semi-annuels. Ces termes sont du même ordre de grandeur que ceux publiées par nos collègues américains (table 2), mais des écarts subsistent.

Enfin, les valeurs du nombre de Love k2 (table 3) que nous avons trouvées dans différentes solutions : de 0.137 ± 0.003 à 0.155 ± 0.011 confirment l’ensemble des résultats publiés et la conclusion inhérente : Mars a un noyau liquide de rayon voisin de 1700 km.

De nouveaux traitements début 2007, avec un nouveau modèle d’orientation de Mars et une paramétrisation quelque peu différente (e.g. pour les paramètres empiriques multiplicateurs du modèle de frottement atmosphérique) et une autre stratégie d'élimination des mauvaises mesures, ont conduit à des résultats plus stables, en terme de recouvrement d’orbite. Une nouvelle solution globale sera donc calculée en 2007.

Table 1. Récapitulatif du nombre de mesures ainsi que du nombre d’arcs utilisés pour MGS et MODY

� � - � � � 4 > �

4 �������?������ $�@5A�@&&� B ��

4 �������$������ A�@%@�?@C� A�&CD�E5E�

4 �������A������ ���?A&�5C&� ���@?D�D&%�

4 � �����$������ �����AA�@A%� �����@C�&D%�

��� �����#���� ����������@$D� ����������A%@�

158

Fig.1. Anomalies de gravité restituées par les trois modèles MGGM 05A (GRGS), MGM 1041C (du GSFC) et JGM 95 J01 (du JPL)

Fig 2 Variations du C30 déduites de MGS et MODY – en rouge un ajustement annuel et semi-annuel

159

Fig.3. Variations temporelles de l’harmonique zonal composite ("lumped") C30 obtenues par le GRGS

Fig. 4. Variations temporelles de l’harmonique zonal composite ("lumped") C30 obtenues par le JPL (Konopliv, 2006) et le GSFC (Lemoine, 2006).

160

Table 2. Synthèse des résultats obtenus en 2006 : variations temporelles de C30

� F � ��� ������������� F � ��� ������ �,���������

� - G� � 4 > �8$� 09109.0 −× � 10108.1 −× �

� - G� � 4 > �8?� 09103.1 −× � 10104.3 −× �

. H�4 � 10107.1 −× � 10100.3 −× �

- �2 �<��� ����'�$%%&=� 09100.3 −× � 10101.5 −× �

38��<0 �������'�$%%&=� 09108.2 −× � 10107.2 −× �

2 �� ����F F �F � ��� 09109.1 −× � 10100.2 −× �

Table 3. Synthèse des résultats obtenus en 2006 : nombre de Love k2

�

� / ���������I$�

� - �8$� 011.0155.0 ± �

� � 4 > � 003.0137.0 ± �

� - G� � 4 > � 002.0145.0 ± �

38��<0 �������'�$%%&=� 009.0152.0 ± �

38��<>����'�$%%A=� 017.0153.0 ± �

Participants au projet G. Balmino (GRGS/Toulouse)

J.P. Barriot "

J.C. Marty "

V. Dehant (ORB/Belgique)

J. Duron "

V. Dehant "

Références bibliographiques G. Balmino, J. Duron, J.C. Marty et O. Karatekin, Mars long wavelength gravity field time

variations : a new solution from MGS tracking data ; Dynamic Planet 2005, IAG-IAPSO-IABO Joint Scientific Assembly, Cairns, Australie, Août 2005; accepté pour publication dans les "proceedings".

P. Rosenblatt, Marty J.C., Perosanz F., Barriot J.P., Van Hoolst T., Dehant V., Numerical Simulations of a Mars Geodesy Network Experiment: Effect of Orbiter Angular Momentum Desaturation on Mars' Rotation Estimation, Planetary and Space Science, Vol. 52, 11, 965-975, Sept. 2004.

M. Pätzold, Neubauer F.M., Carone L., Hagermann A., Stanzel C., Häusler B., Remus S., Selle J., Hagl D., Hinson D.P., Simpson R.A., Tyler G.L., Asmar S.W., Axford W.I., Hagfors T., Barriot J.-P., Cerisier J.-C., Imamura T., Oyama K.-I., Janle P., Kirchengast G., Dehant V., MaRS: Mars Express Orbiter Radio Science, ESA Special Publication SP-1240, 141-164, 2004.

161

M. Beuthe, Barriot J.P., Paetzold M., Rosenblatt P., Local Gravity Fields From Mars Express Residual Doppler Data, Eos Trans. AGU, 85(47), Fall Meet. Suppl., Abstract G43A-0801, AGU Fall Meeting, San Francisco, Dec. 13-17, 2004.

T.P. Andert, Paetzold M., Lainey V., Rosenblatt P., Dehant V., Barriot J.P., Mass and Internal Structure of Phobos from Close Flybys by Mars-Express, Eos Trans. AGU, 85(47), Fall Meet. Suppl., Abstract G43A-0802, AGU Fall Meeting, San Francisco, Dec. 13-17, 2004.

P. Rosenblatt, Paetzold M., Dehant V., Barriot J.P., Duron J., Marty J.C., Balmino G., Improvement of the Determination of the Seasonal Variations of Mars Gravity Field Using Both MGS and Mars Express Tracking Data, Eos Trans. AGU, 85(47), Fall Meet. Suppl., Abstract G43A-0800, AGU Fall Meeting, San Francisco, Dec. 13-17, 2004.

J. Duron, Rosenblatt P., Karatekin O., Dehant V., van Hoolst T. and Barriot J.P., Estimation of Martian Zonal Gravity Coefficients Variations by Combining Different Simulated Geodetic Data, Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 02168, 2004, ISSN 1029-7006, EGU General Assembly 2004, Nice, France, 25-30 April 2004.

P. Rosenblatt, Dehant V., Paetzold M., Karatekin O., Barriot J.P., van Hoolst T., Numerical Simulations of the Estimation of Mars' Gravity Field Variations from the Mars' RadioScience Experiment Onboard Mars Express Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 04160, 2004, ISSN 1029-7006, EGU General Assembly 2004, Nice, France, 25-30 April 2004.

O. Verhoeven, A. Rivoldini, P. Vacher, A. Mocquet, G. Choblet, M. Menvielle, V. Dehant, T. Van Hoolst, J. Sleewaegen, J.P Barriot and P. Lognonné, Interior Structure of Terrestrial Planets. I. Modeling Mars' Mantle and its Electromagnetic, Geodetic and Seismic Properties J. Geoph. Res., Vol 110, E04009, 2005.

O. Karatekin, J. Duron, P. Rosenblatt, T. Van Hoolst, V. Dehant and J.P. Barriot, Mars’ Time Variable Gravity and its Determination: Simulated Geodesy Experiments, J. Geoph. Res., Vol. 110, E06001, 2005.

162

Cinématique – Expérience NEIGE Le programme du CNES dédié à l’exploration de la planète Mars a été stoppé en 2003. Cela a mis fin également aux travaux réalisés au GRGS dans le cadre de l’expérience NEIGE (NEtlander Ionosphere and Geodesy Experiment) de modélisation de la rotation de Mars. Cependant l’ensemble des résultats obtenus ont été publiés et les acquis (que ce soit sur les aspects instrumentaux ou sur les aspects de simulation) permettront, espérons le, une reprise rapide de ces activités, peut-être dans le cadre du programme Aurora de l’ESA ou d’un projet Scout de la NASA, à l’horizon 2011 .

Astéroïdes – Mission NEAR Nous avons effectué des simulations de répartition de régolithe à la surface d’Eros afin de montrer que les endroits où ces hauteurs étaient maximales correspondaient aux anomalies gravitationnelles négatives mises en évidence sur la carte des anomalies de Bouguer de cet astéroïde.

Le régolithe est la roche de faible densité (poreuse) recouvrant la surface des corps rocheux privés d’atmosphère du Système Solaire. Il se présente sous la forme de blocs éjectés à la suite d’impacts de météorites, et dont les dimensions s’échelonnent sur 5 ordres de grandeur jusqu’à une centaine de mètres, le tout plongé dans une couche de poussières altérées par le rayonnement solaire. Sa présence a ainsi été mise en évidence sur Eros par la sonde NEAR (Near Earth Asteroid Rendez-vous) lancée en 1996 par la NASA et qui fut la première, en février 2000, à se mettre en orbite autour d’un astéroïde.

Eros est un astéroïde de classe S (rocheux) de la famille des NEA (Near Earth Asteroid) dont l’orbite se situe actuellement entre celle de la Terre et le début de la ceinture principale d’astéroïdes. Son taux de cratérisation permet de supposer qu’il est issu de la fragmentation d’un corps plus grand de la ceinture principale voici 2 milliards d’années, et qu’il ne l’a quittée que depuis quelques dizaines de millions d’années. Il a la forme d’une cacahuète de dimension 30 × 15 × 15 km en rotation relativement rapide (5h 16mn) autour de son axe d’inertie principal.

Figure 7 : (a) Forme réelle d'Eros. (b) Simplifications du modèle : sont représentés l'ellipsoïde (forme), la barre� ��������� ���������������� �����������!����������� ����������"�!������

5.2. MISSIONS PLANETAIRES

(a) (b)

163

Les expériences embarquées sur NEAR ayant permis de déterminer avec précision à la fois son champ de gravité et son modèle de forme (fig. 1a), leur étude conjointe a montré que sa densité est quasi uniforme (2,67 g/cm3) si on excepte certains endroits présentant de légères anomalies de gravité.

Ces anomalies s’obtiennent en retranchant le champ gravitationnel mesuré à celui généré par le modèle de forme de densité 2,67 g/cm3 sur une surface englobant l’astéroïde ; on les représente sur la carte dite de Bouguer. Les anomalies négatives (centrées aux points de coordonnées 0o et 180o sur la fig. 2a), traduisant un défaut de masse, sont localisées aux extrémités de l’astéroïde (fig 2b). Les analyses de photos de la surface ayant révélé une abondance d’étendues lisses (vraisemblablement dues à des dépôts de poussières) à ces endroits, nous avons fait l’hypothèse que des dépôts de régolithe formés par réaccrétion d’éjectas produits par des impacts sur Eros pourraient expliquer ces défauts de masse et avons cherché à modéliser ces dépôts par suivi de trajectoires d’éjectas.

Pour simuler ces trajectoires, nous avons choisi d’utiliser un modèle simplifié d’astéroïde afin de limiter les temps de calcul, ce qui nous a permis d’obtenir une meilleure statistique. Le fait d’assimiler la forme d’Eros à un ellipsoïde de demi-axes 17 × 8 × 6 km a simplifié les tests de réimpact. De même, considérer que son champ gravitationnel était identique à celui généré par un segment massique de longueur 25 km porté par l’axe de plus grand allongement (fig 1b) a fourni une expression analytique pour son potentiel alors qu’il nécessite normalement un calcul par harmoniques ellipsoïdales. Ayant négligé (en le démontrant) l’effet des autres forces mineures (pression de radiation, attraction perturbatrice du Soleil), les particules étudiées n’étaient donc soumises qu’à l’attraction de notre segment massif en rotation.

Figure 8 : (a) Carte d'anomalies gravimétriques de Bouguer sur une sphère de 16 km de rayon. (b) Modèle de forme (distances radiales de la surface depuis le centre de masse). (c) Hauteurs de régolithe déposé pour 700 impactants de 60 m de diamètre (positions d’impact aléatoires).

Nous avons ensuite intégré les équations du mouvement à l’aide d’un algorithme de Runge-Kutta d’ordre 4, avec adaptation du pas par fonctions associées de Dormand et Price,

(a) (b) (c)

164

paramétré pour des précisions finales de 1 m en position et 10-3 m/s en vitesse. Une fois qu’une particule est lancée, notre programme calcule sa trajectoire jusqu’à ce qu’elle réimpacte l’ellipsoïde (fig 1b), échappe définitivement à l’attraction d’Eros ou bien dépasse une durée limite de suivi.

La quantité d’éjectas projetés ainsi que les conditions de projection dépendent des flux de météores impactants ainsi que des lois de cratérisation. Pour estimer le nombre et la taille des impactants d’Eros durant la son existence au sein de la ceinture principale d’astéroïdes, nous avons utilisé les études faites sur les cratères de deux autres astéroïdes de la ceinture (Gaspra et Ida) car les résultats pour Eros ne sont pas encore disponibles. Nous avons obtenu le nombre total d’impactants sur 2×109 ans pour des diamètres compris entre 666 m (taille du plus petit corps capable de fragmenter Eros) et 6 m, et choisi 5,3 km/s comme vitesse de collision. Des résultats d’expériences d’impacts en laboratoire et d’études dimensionnelles du phénomène de cratérisation nous ont permis de définir un angle d’éjection des particules (45o), ainsi que les volumes d’éjectas émis par tranche de vitesse en fonction de la taille de l’impactant.

Nous avons effectué des simulations à partir de quelques impactants en calculant pour chacun 10000 trajectoires de volumes d’éjectas (répartition régulière en vitesse et azimut). Elles mettent en évidence des dépôts plus importants au niveau des extrémités de l’ellipsoïde et, pour chaque extrémité, du côté des bords d’attaque (fig 2c). Nos résultats concordent donc avec les observations de régolite en surface, mais n’expliquent qu’en partie les anomalies négatives de la carte de Bouguer : ces dernières sont en effet symétriques par rapport au méridien qui passe par leur centre. Nous pensons néanmoins qu’elles ont bien dues à des dépôts de régolite dont la répartition pourrait peut-être s’expliquer en prenant des hypothèses plus précises pour la forme et le champ d’Eros. Il pourrait aussi s’agir de phénomènes de transport limités survenant après la réaccrétion, dus aux effets conjugués de séismes et du gradient de gravité local.

En 2004, un stage de DEA a été consacré (Mlle C. Blitz) à la modélisation de la signature gravitationnelle du régolite de l’astéroïde Eros. Les résultats semblent montrer que la densité de celui-ci est très faible (2.2g/cm3), en fort contraste avec la densité chondritique normale de 3.3g/cm3 et de la densité globale de Eros (2.67g /cm3) . Ces résultats ont été présentés lors du congrès COSPAR à Paris en Juillet 2004.

Activités Rosetta RSI (RadioSciences Rosetta) et CONSERT (Radiotomographie) L’essentiel de l’activité a été tourné vers des études algorithmiques dans le cadre de CONSERT. La thèse de M. Benna, terminée en 2002 au sein du GRGS, a permis de mettre en évidence que l’un des problèmes majeurs à résoudre était celui de l’identification des rais radio reliant le lander Philae posé sur la surface de comète à l’orbiteur Rosetta, dans le cadre de l’optique géométrique (voir figure). Nous n’avons pas encore trouvé d’algorithme satisfaisant concernant cette identification en 3 dimensions.

165

Rais radio reliant le lander à l’orbiteur à travers la comète. L’un des problèmes majeurs de l’inversion radiotomographique est de déterminer (identifier) quel est le chemin suivi par les rais, en fonction de la position relative lander/orbiteur.

Une des solutions que nous sommes en train d’explorer est de séparer la résolution des équations eikonales de propagation en deux sous-régions distinctes : l’une relative à l’intérieur de la comète, qui serait discrétisée selon un maillage ad’hoc, fraction de la longueur d’onde, l’autre relatif à l’extérieur (in vacuo) où la discrétisation se ferait en domaine fréquentiel (harmoniques sphériques), ce qui permettrait une description correcte du champ électromagnétique jusqu’à l’orbiteur sans introduire un nombre ingérable de variables (celui d’un maillage de l’espace). Des équations de couplage sont bien sûr introduites au niveau de la surface de la comète, pour assurer la continuité du champ.

Mercure (BEPI-COLOMBO) En 2004, suite à l’appel d’offre ESA pour la proposition de charge utile Bepi-Colombo, la proposition conjointe HeRS (Hermean RadioSciences) a été déposée par l’Observatoire Royal de Belgique (V.Dehant), l’Université de Cologne (M. Paetzold) et le GRGS (J.-P. Barriot), en concurrence avec une proposition italo-américaine (MORE, Pis L. Iess et S. Asmar). C’est cette dernière proposition qui a été retenue, car elle proposait l’emport d’un transpondeur additionnel en bande K payé par l’Agence Spatiale Italienne, pour un coût complet (instruments et logiciel) de 15 M•, et couvrait des tests de la Relativité Généralisée, en plus des aspects « champ de gravité » et « rotation » de façon similaire à HeRS.

Une tentative de fusion des deux équipes a été tentée mi 2004 mais a échoué face à l’intransigeance du PI italien sur l’accès aux données et à la ventilation des traitements dans l’équipe. Un point très grave pour le GRGS est que l’équipe italienne se propose de développer depuis zéro un logiciel d’orbitographie concurrent de GINS (A. Milani, de l’Université de Pise), avec le support du JPL. Le traitement des données radiosciences Bepi-Colombo serait effectué conjointement par ce logiciel et le logiciel DPODP du JPL , à l’exclusion du logiciel GINS.

Après la sélection de MORE, l’ESA a fait pression pour que V. Dehant de l’ORB et J.-P. Barriot du GRGS soient incorporés à MORE, ce qui a été accepté par les PIs de cette équipe, mais les problèmes de fond demeurent.

Participants au projet J.P. Barriot (GRGS/Toulouse)

J.C. Marty "

F. Perosanz "

V. Dehant (ORB/Belgique)

J. Duron "

P. Rosenblatt "

T. Van Hoolst "

M. Yseboodt "

Références bibliographiques J. Vienne, Barriot J.P., Rosenblatt P., Yseboodt M., Duron J., Dehant V. , Numerical simulations

of the NetLander Ionosphere and Geodesy Experiment (NEIGE): Landing site positions determination from Doppler tracking between an orbiter and landers, Proc. of the International Workshop on Planetary Probe, Atmospheric Entry and Descent Trajectory Analysis and Science, Lisbon, October 6-9, 2003.

166

V. Dehant , Barriot J.-P., Van Hoolst T., Defraigne P., Yseboodt M., Roosbeek F., Netlander Inonosphere and Geodesy Experiment (NEIGE). Comparison between the nutations of the planet Mars and the nutations of the Earth, Proc. J̀ournées des Systèmes de Référence Spatio-temporels 2001', Observatoire Royal de Belgique, sept. 2001, ed. Capitaine N., pp. 159-160, 2003.

M. Yseboodt, J.P. Barriot, V. Dehant, A simplified analytical formulation of the NEIGE orbiter/lander geodesy observable, Proc. J̀ournées des Systèmes de Référence Spatio-temporels 2001', Observatoire Royal de Belgique, sept. 2001, ed. Capitaine N., p157-158, 2003.

J. Duron, P. Rosenblatt, M. Yseboodt, O. Karatekin, V. Dehant, T. Van Hoolst, and J.-P. Barriot, Joint estimation of Martian 20 and rotation variations from simultaneous geodetic measurements: Numerical simulations of a Network Science Experiment, Geophys. Res. Lett., 30(18), 1971, doi:10.1029/2003GL018353, 2003.

M. Yseboodt, J.-P. Barriot, and V. Dehant, Analytical modeling of the Doppler tracking between a lander and a Mars orbiter in terms of rotational dynamics, J. Geophys. Res., 108(E7), 5076, doi:10.1029/2003JE002045, 2003.

J.P. Barriot, Dehant, V, Duron, J., Monitoring Mars LOD Variations from a High Altitude Circular Equatorial Orbit: Theory and Simulation, Poster, Eos Trans. AGU, 84(46), Fall Meet. Suppl., Abstract G41B-0032, 2003

J. Duron, Karatekin, O, Rosenblatt, P, Dehant, V, Barriot, J-P, Simulation Of The Effect Of Higher Order Zonal Gravity Field Coefficients Of Mars On Jointly-Estimated Time-Varying J2, J3 And Rotation, Poster, Eos Trans. AGU, 84(46), Fall Meet. Suppl., Abstract G42C-06, 2003

M. Yseboodt, Barriot, J-P, Dehant, V, Rosenblatt, P Mars Rotational Parameters from Lander-Orbiter and Lander-Earth Radio-Links, Poster, Eos Trans. AGU, 84(46), Fall Meet. Suppl., Abstract G41B-0038, 2003

J. Vienne, J-P. Barriot, V. Dehant, M. Yseboodt, J. Duron, P. Rosenblatt, and T. Van Hoolst, The Netlander Ionosphere and Geodesy Experiment (NEIGE): numerical simulations of Mars orientation determination. Poster, Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 05790, 2003, European Geophysical Society 2003

M. Yseboodt, J.P. Barriot, V. Dehant, P. Rosenblatt, J. Duron and T. Van Hoolst, Analytical modelling of a Martianlander-Earth radio-link and effect of the Martian rotation, Poster, Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 08580, 2003

P. Rosenblatt, J. Vienne, J. Duron, J.P. Barriot, V. Dehant, J.C. Marty, F. Perosanz, M. Yseboodt, S. Willems and T. Van Hoolst, numerical simulations of the NEIGE experiment: effect of angular momentum desaturation and landing sites position determination on Mars rotation estimates. Poster, Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 06668, 2003

J. Duron, P. Rosenblatt, M. Yseboodt, J.M. Lemoine, J. Vienne, V.Dehant, J.P. Barriot and T. van Hoolst, simultaneous estimation of the Martianrotation parameters and J2 seasonal variations in the framework of the NEIGE experiment, Poster, Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 05909, 2003

Barriot. J.P., Benna M.. Radiotomography with an additional functional assumption: the CONSERT case. Proc. Appl. Math. Mech.. 2(1): 507-508, 3 Mars 2003

M. Benna, Barriot J.P. , W. Kofman, Barbin Y. , Generation of 3-D Synthetic Data for the Modeling of the CONSERT Experiment (The radiotomography of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko), IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 52., No 3, March 2004.

J. Vienne, Barriot J.P., Rosenblatt P., Yseboodt M., Duron J., and Dehant V., Numerical Simulations of the NetLander Ionosphere and Geodesy Experiment (NEIGE): Landing Site Positions Determination from Doppler Tracking between an Orbiter and Landers in: Proc. International Workshop on Planetary Probe Atmospheric Entry and Descent Trajectory Analysis and Science, Lisbon, Portugal, 351-355, ESA SP-544, 2004.

J.P. Barriot , Il NEIGE autour de Mars, Magazine scientifique de l'Université Paul Sabatier, n°1, Juin 2004.

J.P. Barriot, Dehant V., Paetzold M., Using a Ka-Band Radiometer to Correct the Tropospheric Path Delays in the Frame of the Bepi Colombo RadioSciences Experiment 2nd CNES Workshop on Earth-Space Propagation, Electromagnetism and Signal & Image Processing CCT Joint Workshop, CD Proceedings, 13-15 October 2004.

167

V. Dehant, Barriot J.P., Paetzold M. and the HeRS team, HeRS: A Hermean RadioSciences Experiment, to Study the Deep Interior and Lithosphere of Mars, 40th Vernadsky-Brown MicroSymposium, Moscow, CD Proceedings, October 11-13 2004.

S. Pireaux , Barriot J.P., Rosenblatt P., SCRMI: a Semi-Classical Relativistic Motion Integrator, to Model the Orbits of Space Probes around the Earth and Other Planets, Proceedings : 55th International Astronautical Congress, 4th-8th October 2004, Vancouver, Canada.

168

Introduction

Pour une approche moderne de la géodésie spatiale Bien que la nécessité de prendre en compte les phénomènes gravitationnels relativistes semble s'imposer parmi la communauté scientifique et que la Relativité Générale ait été majoritairement admise comme modèle, les méthodes actuellement utilisées pour décrire la trajectoire d'une particule massive ou non sont profondément ancrées dans la tradition Newtonienne.

Prenons l'exemple d'un logiciel d'orbitographie. GINS, développé au sein du GRGS-CNES, est couramment utilisé pour estimer les coefficients du champ de gravité terrestre (GRIM6, EIGENS 1-2) à partir des perturbations d'orbites, ou pour déterminer précisément des orbites de satellites autour de la Terre (CHAMP, GRACE, JASON...) et autour de Mars (MGS...). Il est fondé sur le formalisme habituellement utilisé en géodésie spatiale: description classique du mouvement Newtonien plus corrections relativistes. Le nombre et le type de corrections nécessaires dépendent de la précision des mesures, c'est-à-dire de la précision et de la stabilité des horloges. Les corrections relativistes sur les forces déjà prises en compte dans GINS sont: l'effet de Schwarzschild (de l'ordre de ~10-8 m/s² pour un satellite terrestre de type LAGEOS 1, en orbite à une altitude d'environ 5900 km), dû aux termes monopolaires et multipolaires de masse du corps attracteur; l'effet de Lens-Thirring (~10-12 m/s²), dû à la rotation du corps attracteur; la précession géodésique (~10-11 m/s²), fonction du système de coordonnées choisi et due au mouvement non-inertiel du corps attracteur dans le système solaire. Des corrections sont également appliquées aux mesures-mêmes: une correction de datation, laquelle résulte de la transformation entre le Temps Universel (UT) et le Temps Atomique International (TAI), ou le temps de référence des éphémérides planétaires; ainsi qu'une correction pour le retard temporel relativiste, dû à la déflexion gravitationnelle de la lumière. Finalement, une correction sur la fréquence des horloges prenant en compte leur présence en un point particulier du champ gravitationnel est considérée, conduisant à un effet doppler relativiste. Tout ceci pourrait être formulé comme une conséquence naturelle de la distinction entre le temps propre et les temps de coordonnées dans le cadre d'une théorie relativiste de la gravitation.

L'approche usuelle de la géodésie brièvement décrite ci-dessus rencontre plusieurs problèmes majeurs.

Premièrement, elle ignore le principe fondamental enseigné par Albert Einstein, à savoir que l'espace et le temps sont intimement liés.

Deuxièmement, un réexamen complet de toutes les corrections s'avère nécessaire à chaque changement des conventions (adoption d'une nouvelle métrique, nouveaux standards de temps) ou lorsque la précision des mesures augmente. Pour illustrer ce dernier point, il est nécessaire de rappeler que la situation s'est considérablement améliorée depuis la naissance de la Relativité Générale en 1915, grâce à l'apport de nouvelles technologies. Ainsi, comparativement à une répétabilité de ~10-9 en la fréquence pour des horloges atomiques au Césium des années 50, la limite de 10-12 était atteinte en 1960, tandis qu'actuellement elle se situe à ~10-14 et ~10-15 respectivement pour des horloges de type « thermal beam » ou « fontaine ». La répétabilité devrait atteindre ~10-16 dans cinq ans. De ce fait, de plus en plus de nouvelles corrections relativistes seront à prendre en compte, corrections dont l'ordre de grandeur doit

5.3. RELATIVITE

169

chaque fois être estimé à partir d'un développement Post-(Post-...)Newtonien de la théorie relativiste considérée, en l'occurrence, de la Relativité Générale communément adoptée. Considérer toujours des corrections plutôt que d'utiliser nativement la Relativité Générale commence alors à s'avérer très lourd.

Troisièmement, avec l'approche usuelle, on prend le risque d'oublier une correction, voir même de la comptabiliser plusieurs fois (par exemple, la fréquence de référence fournie par les satellites GPS est déjà corrigée pour les principaux effets relativistes).

Il semble donc indéniable qu'un remaniement complet de la méthode de calcul d'orbites ou de trajectoires de rayons lumineux s'impose, même si l'approche usuelle présente l'avantage de se baser sur les développements ultérieurs et de fournir une intuition physique des différentes contributions relativistes.

Pour un approche relativiste native cohérente des missions spatiales Les effets relativistes sont un ingrédient nécessaire de l'astrophysique observationnelle moderne. Effectivement, les missions spatiales d'astronomie/astrophysique actuelles et futures nécessitent une précision accrue en métrologie/astrométrie, pour laquelle les effets gravitationnels relativistes seront de plus en plus incontournables. En témoignent les recommandations 2000 de l'Union Astronomique Internationale (UAI) qui visent, entre autres, à spécifier et à clarifier la nomenclature en matière de systèmes de référence relativistes, de transformations des temps et coordonnées spatiales, d'équations post-Newtoniennes du mouvement. Une l'analyse relativiste native cohérente des missions spatiales (mouvement des satellites et de trajectoire des faisceaux lasers échangés inter-satellites ou satellites-sol, transfert de temps-fréquences, systèmes de référence espace-temps), doit donc être envisagée.

Approche relativiste native de la géodésie spatiale Le Paragraphe 1.1 de l’introduction a conduit aux travaux suivants, dont le contenu est décrit dans les Paragraphes 2.1-3: « SCRMI: a Semi-Classical Relativistic Motion Integrator, to model the orbits of space probes around the Earth and other planets » [Pireaux et al 2006a], « Non-gravitational forces and the relativistic equation of motion » [Pireaux et al 2007a] et « Integrating the motion of satellites in a consistent relativistic framework. The SCRMI prototype software » [Pireaux et al 2005].

Méthodologie : étude des bases d’un logiciel d’orbitographie relativiste natif Nous nous sommes attachés à poser les bases d'un logiciel d'orbitographie relativiste natif [Pireaux et al 2006a], c'est-à-dire directement basé sur la théorie relativiste de la gravitation. Le logiciel devant être conçu comme un intégrateur numérique soit de l'équation exacte des géodesiques (trajectoires suivies par une particule libre, qu'elle soit massive ou non), soit de l'équation exacte relativiste générique du mouvement (incluant la contribution de forces non-gravitationnelles pour une particule non libre), calculée pour une métrique particulière. Considérons le cas où le corps central est la Terre. Dans un premier temps, GINS est utilisé pour tester/calibrer le prototype Relativistic Motion Integrator (RMI) intégrant le mouvement géodésique d'une particule test libre. Des modèles d'orbite sont calculés à l'aide de GINS en activant seulement certaines contributions gravitationnelles: choix de l'ordre du développement du potentiel gravitationnel terrestre; termes relativistes de Schwarzschild, de Lens-Thirring, de précession géodésique, sélectionnés alternativement; ajout des contributions Newtoniennes perturbatrices du Soleil, de la Lune et des planètes. Ces orbites issues de GINS sont utilisées pour vérifier l'intégration correcte dans RMI des effets relativistes correspondants, en implémentant successivement une métrique de Schwarzschild simple (pour valider l'effet de Schwarzschild) ou avec un développement du potentiel terrestre en harmoniques (pour valider le modèle de potentiel), une métrique de Kerr (pour la précession

170

de Lens-Thirring), ou la métrique GCRS (Geocentric Coordinate Reference System), centrée sur la Terre, recommandée par les conventions 2000 de l'UAI. Dans un second temps, il faudrait quantifier le gain en précision permis par l'approche relativiste native.

Le logiciel (SC)RMI relatif aux orbites autour de la Terre peut alors aisément être transposé en un logiciel générique planétaire (Mars, Mercure -mission BepiColombo-) en sélectionnant le modèle de potentiel planétaire approprié.

Dans le cadre du déplacement d'une sonde dans le système solaire, la métrique BCRS recommandée par les conventions IAU 2000, centrée sur le barycentre du système solaire est plus appropriée. Elle devra être intégrée à RMI.

La paramétrisation (paramètres post-Newtoniens) de certaines théories alternatives peut être intégrée via la métrique dans l'approche relativiste native RMI.

Intégration symplectique En vue d'améliorer la stabilité numérique de l'intégrateur (initialement un Runge-Kutta d'ordre 8), nous avons proposé [Pireaux et al 2005, Pireaux et al 2007a] le développement d'un intégrateur symplectique, qui conserverait la norme du quadrivecteur de vitesse propre du satellite, c'est-à-dire en fait l'élément de longueur invariant sur la géodésique. Nous avons cité l'intégrateur de Hammer [Hammer et al 1955] d'ordre 6 sous sa forme de Butcher [Butcher 1996 Butcher form], mais nous n'avons pu trouver d'intégrateur d'ordre supérieur dans la littérature. Signalons que les intégrateurs « multi-steps » couramment utilisés tels la méthode de Cowel [Kovalevsky 1963] ne sont pas symplectiques, car la méthode « one-step » sous-jascente n'est pas symplectique [Tang 1993].

Forces non-gravitationnelles Dans le contexte de l'orbite d'un satellite, il est nécessaire d'intégrer de façon cohérente, c'est-à-dire relativiste, les perturbations dues aux forces non-gravitationnelles (frottement atmosphérique, pression de radiation, pression atmosphérique) et de poussée du système de propulsion. Nous avons montré comment celles-ci s'intègrent dans l'équation exacte relativiste du mouvement par l'ajout d'un membre de droite à l'équation géodésique [Pireaux et al 2007a, Pireaux et al 2005]. Pour des forces non-gravitationnelles (de l'ordre d'au plus ~ 10-9 m/s² de pression de radiation solaire pour LAGEOS 1, satellite haut et d'au plus ~ 10-7 m/s² de frottement atmosphérique pour CHAMP, satellite bas) ce terme peut être remplacé par son approximation classique. D'où, dans ce cas, la terminologie SCRMI pour Semi-Classical Relativistic Motion Integrator.

Approche relativiste native de la mission LISA Le Paragraphe 1.2 de l’introduction a conduit à l’étude relativiste native de la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna, 2017) est une constellation quasi équilatérale de trois stations dont le centre de masse suit une orbite terrestre à 20° derrière la Terre, et vise à la détection d’ondes gravitationnelles. Cette détection est basée sur la mesure ultra-précise de l'allongement des bras de l'interféromètre (soit une sensibilité de ~ ∆L/L=10-21/Hz1/2 à 1 mHz).

Liens laser Les signaux laser des interféromètres de la mission LISA doivent franchir une inter-distance d'environ 5 millions de km qui séparent chacune des trois stations. La propagation des signaux lumineux entre ces satellites i et j, doit être modélisée pour considérer le retard temporel des signaux se propageant dans un champ gravitationnel, soit tij, et le décalage Doppler cinématique et gravitationnel comme le redshift gravitationnel, soit zij. De plus les stations sont en rotation autour du centre de masse de LISA, lequel est lui-même en rotation autour du Soleil, ce qui introduit d'autres effets comme l'aberration et l'effet Sagnac. Nous avons quantifié

171

ces différents effets dans le cadre du champ gravitationnel du Soleil supposé sphérique, sans rotation ni planètes.

L'article « Relativistic analysis of the LISA long range optical links » [Chauvineau et al 2005a] et les références [Chauvineau et al 2005b], [Pireaux et al 2006b] décrivent une approche gravitationnelle relativiste native qui inclut implicitement les différents effets cités ci-dessus. Avant ce travail, les effets gravitationnels relativistes n'étaient pas pris en compte dans le lien laser LISA.

Calcul du temps de transfert inter-stations Nous avons fourni les expressions analytiques du temps de transfert à l'ordre 0, 1/2 et 1 (relativement au petit paramètre ε=GM/c² avec v/c~ε1/2 où v est la vitesse d'une station, G, la constante de Newton, M, la masse du Soleil et c, la vitesse de la lumière dans le vide) en termes des vitesses et positions des stations au temps d'émission; soit les contributions respectivement du temps de parcours classique en fonction de la configuration instantanée de LISA (phénomène de « respiration » du triangle LISA); le Doppler classique et les termes Sagnac dû à la non symétrie des temps de parcours ij et ji; le Doppler relativiste, le retard relativiste de Shapiro et le changement de la vitesse du récepteur pendant le temps de vol du photon.

Calcul du décalage en fréquence inter-stations Nous avons également fourni les expressions analytiques du décalage en fréquence inter-station à l'ordre 1/2, 1 et 3/2 en ε, induit par la seule géométrie de la mission, en termes des vitesses et positions des stations au temps d'émission. C'est-à-dire respectivement, à l'ordre 1/2, le Doppler classique; à l'ordre 1, le Doppler relativiste, le changement de vitesse du récepteur pendant le temps de vol du photon, le redshift gravitationnel d'Einstein; et à l'ordre 3/2, des termes mixtes.

Simulation des liens laser Enfin, nous avons simulé les liens lasers LISA sur base d'une orbitographie keplérienne des stations et des expressions analytiques obtenues pour les temps de transfert et les décalages en fréquence. Ceci nous a confirmé les contributions au temps de transfert estimées analytiquement: ordre 0, ~ 17 s, avec une amplitude de respiration de l'ordre de 48000 km; ordre 1/2, ~ 3 10-3 s, correspondant à environ 960 km; et ordre 1, ~ 10-7 s, correspondant à moins de 30 m.

Par contre, les ordres de grandeur numériques pour le décalage en fréquence nous ont montré qu'une estimation analytique naïve des ordres 1/2 et 1 surestimait ces contributions (effets de suppression liés à la géométrie de la mission LISA et au mouvement de chute libre). Ainsi, pour les décalages en fréquence, l'ordre 1/2, ~ 10-8; l'ordre 1, ~ 10-13; et l'ordre 3/2, ~ 10-14.

Echelles de temps Chacune des trois stations de LISA a, à son bord, une horloge qui, si elle n'est pas contrainte, bat son temps propre correspondant à sa trajectoire dans le champ gravitationnel des corps du

système solaire. Ces trois temps propres, 1,2,3k

=τ , sont trois échelles de temps différentes qui ne

sont pas directement compatibles. Un temps de coordonnée, tel le temps correspondant au repère BCRS, t, nommé TCB (Temps de Coordonnée Barycentrique), fournit donc un langage commun approprié. De plus, t est l'échelle de temps selon laquelle est calculé le temps de transfert des photons tij utilisé dans la méthode dite Time Delay Interferometry (TDI) cruciale pour éliminer/réduire le bruit de fréquence laser dans la mission LISA. Par contre, c'est sur son echelle de temps propre respective que chacune des stations archive les évènements qui lui sont propres (émission et réception d'un photon localement, données εij d'interférométrie entre le signal laser reçu d'une autre station i et le laser local j).

172

Nous avons fourni les estimations analytiques et numériques relativistes en fonction de t de la

transformation t−=1,2,3k

τ , pour une orbitographie classique (képlerienne) des stations. Nous

avons montré que la différence t−=1,2,3k

τ atteint environ 0.5 secondes au bout d'un an. Cette transformation comprend une composante linéaire dont la pente est d'environ 1.5 10-8 et des contributions périodiques dont l'amplitude maximale est d'environ 0.0014 s. L'article « Time scales in LISA» [Pireaux 2007c] explicite ces résultats ainsi que leur implication dans la méthode TDI. Si des transformations similaires sont utilisées pour la synchronisation des horloges GPS, cette étude manquait encore dans le contexte de la mission LISA.

Orbitographie Nous nous sommes attaché à une modélisation réaliste des éphémérides de LISA autour d'un Soleil sphérique, sans rotation ni planètes. Ce travail a conduit à « Relativistic versus Newtonian orbitography: Model for the LISA mission in the FULLY spherical symmetric case » [Pireaux et al 2007a] et « Relativistic versus Newtonian orbitography: Model for the LISA mission in the ECCENTRIC spherical symmetric case » [Pireaux et al 2007b].

Orbitographie numérique relativiste versus classique Nous avons transposé la méthode RMI décrite au Paragraphe 2.1 à la mission LISA, afin de modéliser d'une manière relativiste native l'orbitographie de LISA dans le repère BCRS de l'IAU, dans le champ gravitationnel d'un Soleil sphérique, sans rotation ni planètes. Nous avons ensuite comparé les éphémérides (archivage journalier des positions et vitesses de chaque station pendant un an) numériques relativistes obtenues avec RMI à celles obtenue à partir de la théorie newtonienne, pour des conditions initiales identiques en termes de position et de vitesses. Nous avons montré que la différence (relativiste - classique) en termes de trajectoire atteint un maximum d'environ 8-9 km radialement au cours d'une année (Fig. 1). Au bout d'une année, la différence peut atteindre jusqu'à environ 54-59 km tangentiellement et jusqu'à environ 680 m radialement (Fig. 1) selon la station considérée.

Confrontation de la méthode RMI avec un développement analytique Nous avons également fourni un développement analytique au premier ordre (en ε et en l'excentricité, e) de la différence entre une modélisation relativiste et classique des mouvements d'une masse d'épreuve autour d'un corps central de masse M, ainsi que deux intégrales premières du problème.

Le développement analytique (relativiste - classique) pour les éléments orbitaux correspondants à LISA a confirmé les résultats numériques obtenus au paragraphe précédent et a donc validé l'approche RMI. La différence entre l'approche numérique RMI appliquée à LISA, basée sur les équations relativistes exactes du mouvement pour la métrique BCRS (qui contient jusqu'à des termes du second ordre en ε selon les conventions de l'IAU 2000) pour un Soleil sphérique sans rotation, et le développement analytique correspondant sont d'ordre e² ε. Ainsi, nous avons montré que, pour LISA dont l'orbite classique barycentrique de référence a une excentricité faible, eLISA=0.0096, la différence entre l'approche numérique et analytique atteint jusqu'à environ 85 m en distance tangentielle à la trajectoire sur un an (Fig. 2).

D'où, alors qu'un développement analytique atteint rapidement ses limites en termes de complexité et de précision (malgré la faible excentricité du cas LISA), la force de l'approche RMI est qu'elle fonctionne également dans le cas ou la symétrie sphérique est brisée (avec un Soleil non sphérique, en rotation, avec des planètes). Effectivement, un spin et un moment quadrupolaire solaire ou des planètes ponctuelles peuvent être introduites aisément dans la métrique, afin d'être pris en compte de manière cohérente dans les éphémérides numériques produites avec RMI.

173

Correction correspondante au temps de transfert des photons Enfin, dans la référence [Pireaux et al 2007b], nous avons étudié les déformations du triangle formé par la constellation LISA, à l'aide des modèles numériques relativistes (RMI) et classiques (képlerien) d'éphémérides. La différence (relativiste - classique) d'inter-distance entre station atteint environ 3 km sur une année (Fig. 3). Ainsi, nous avons démontré que les éphémérides relativistes de LISA sont significatives pour le calcul du temps de transfert des photons entre deux stations. Plus spécifiquement, parce que, à l'ordre 0, ce temps de transfert n'est autre que l'inter-distance entre les stations divisé par la vitesse de la lumière. Ce travail sur l'orbitographie relativiste de LISA apporte donc la correction correspondante (3 km/c ~10-5 s) à la simulation évoquée dans le Paragraphe 3.1.3, où l'orbitographie utilisée pour les stations était classique.

Bilan et perspectives Nos travaux sur une approche relativiste native les liens lasers ou de l'orbitographie ((SC)RMI – (Semi Classical) Relativistic Motion Integrator -) peuvent être transposés à d'autres missions spatiales (par exemple, GALILEO/GPS, T2L2, LATOR...). Dans le cadre de (SC)RMI, le point crucial est d'utiliser une métrique (géocentrique, planéto-centrique ou barycentrique selon le corps gravitationnel central considéré) dont l'ordre du développement en 1/c² est suffisant, de manière à inclure tous les effets classiques et relativistes significatifs pour la précision de la mission spatiale étudiée. Par exemple, la métrique BCRS recommandée par les résolutions IAU2000 modélise de manière cohérente, pour LISA, l'action du Soleil à un niveau relativiste et celles des planètes à un niveau classique. Dans (SC)RMI, il y a un module pour les paramètres de la mission spatiale considérée (nombre de satellites par plan, nombre de plans, conditions initiales -vitesses et positions-, ...), un autre pour les paramètres du corps gravitationnel central (spin, développement multipolaire...), un pour les éphémérides planétaires, un pour la métrique appropriée, un pour les forces non-gravitationnelles... tandis que le corps de l'intégrateur et le code correspondant aux équations gravitationnelles relativiste est universel.

A noter que pour LISA, tous nos travaux considèrent le soleil comme sphérique et sans rotation ni planète. De plus, la simulation pour les liens lasers et les échelles de temps n'a encore été abordée qu'avec des éphémérides classiques de LISA. Enfin, dans l'orbitographie de LISA, la trajectoire actuellement considérée est géodésique. Notre étude doit donc continuer pour perfectionner ces différents points et poursuivre le développement/validation du prototype (SC)RMI, notamment sur le plan des forces non-gravitationnelles.

Participants au projet Approche relativiste native de la géodésie spatiale : S. Pireaux (2003-2004 DTP, OMP; GEMINI et 2006-2007 ARTEMIS, OCA, FRANCE), J-P. Barriot (jusqu’en 2006 CNES, OMP, France et depuis 2006 LTO, OGT, TAHITI), P. Rosenblatt (ORB, BELGIQUE) et M. Benna (JPL, USA).

Approche relativiste native de la mission LISA : S. Pireaux (2005 GEMINI et 2006-2007 ARTEMIS, OCA, FRANCE), B. Chauvineau, T. Regimbau et J-Y. Vinet (ARTEMIS, OCA, FRANCE).

Références bibliographiques [Butcher 1996] J.C. Butcher, 1996, A history of Runge-Kutta methods, Applied Numerical

mathematics, 20, 247-260. [Chauvineau et al 2005a] B. Chauvineau, S. Pireaux, T. Regimbau et J-Y. Vinet, Relativistic

analysis of the LISA long range optical links, 2005, Physical Review D, 72, 122003.

174

[Chauvineau et al 2005b] B. Chauvineau, S. Pireaux, T. Regimbau et J-Y. Vinet, Relativistic effects in the LISA mission, 2005, Poster presentation at the Albert Einstein Century Conference, Paris, 18-22nd July 2005.

[Hammer et al 1955] P.C. Hammer et J.W. Hollingsworth, 1955, Trapezoidal methods of approximating solutions of differential equations, MTAC, 9, 92-96.

[Kovalevsky 1963] J. Kovalevsky, 1963, Mécanique Céleste, Armand Colin, 206-215. [Pireaux 2007c] S. Pireaux, Time scales in LISA, Classical and Quantum Gravity, accepté mars

2007. [Pireaux et al 2006a] S. Pireaux, J-P. Barriot, P. Rosenblatt, SCRMI: a Semi-Classical Relativistic

Motion Integrator, to model the orbits of space probes around the Earth and other planets, 2006, Acta Astronautica, 59, 517-523.

[Pireaux et al 2007a] S. Pireaux et J-P. Barriot, Non-gravitational forces and the relativistic equation of motion, en préparation pour Celestial Mechanics.

[Pireaux et al 2005] S. Pireaux, J-P. Barriot, P. Rosenblatt et M. Benna, Integrating the motion of satellites in a consistent relativistic framework: the SCRMI prototype software, 2005, NASA/CP-2005-212789.

[Pireaux et al 2007b] S. Pireaux et B.Chauvineau, Relativistic versus Newtonian orbitography: Model for the LISA mission in the fully spherical symmetric case, Classical and Quantum Gravity, soumis janvier 2007.

[Pireaux et al 2007c] S. Pireaux et B.Chauvineau, Relativistic versus Newtonian orbitography: Model for the LISA mission in the eccentric spherical symmetric case, Classical and Quantum Gravity, soumis janvier 2007.

[Pireaux et al 2006b] S. Pireaux, B. Chauvineau, T. Regimbau et J-Y. Vinet, Relativistic approach of the LISA mission, 2006, AIP Conference Proceedings, LISA 6th Symposium, 19-23th June 2006, Goddard Space Flight Center, USA.

[Tang 1993] Y.-F. Tang, The symplecticity of multi-step methods, Computers and Mathematics with Applications, 25, 83-90, 1993.

Fig. 1 : Différence entre l'intégration numérique relativiste et classique pour les éphémérides des stations de LISA avec une orbite classique excentrique de référence. Différence (relativiste - classique) en position barycentrique: distance radiale δr.

175

Fig. 2 : Résidus entre l’approche numérique (relativistes - classique) des éphémérides de position et celle correspondant à un développement analytique au premier ordre en ε et e pour la mission LISA, dans le cas d'une orbite excentrique classique de référence (eLISA): distance tangentielle δl.

Fig. 3 : Différence entre une modélisation numérique relativiste et classique de la longueur des bras interférométrique de LISA pour une orbite excentrique classique de référence (eLISA): différence entre les positions relative des stations L12, L23, L31 où Lij=rj-ri.

176

6 - PHYSIQUE FONDAMENTALE /

ETUDE DE L’UNIVERS

6.1. Test du principe d’équivalence

6.2. Transfert de temps par lien laser

177

178

Introduction Le test de l’universalité de la chute libre est une des plus anciennes expériences de dynamique. D’un point de vue expérimental, le test consiste à vérifier si deux masses, soumises à un même champ de gravitation, avec les mêmes conditions initiales et environnementales, vont avoir des lois de mouvement identiques en l’absence de toute autre action extérieure. Du point de vue de l’écriture des équations de la dynamique, la question revient à savoir si la masse grave et la masse inerte sont identiques (ou du moins proportionnelles) pour tous les corps indépendamment de leur composition. En formulation newtonienne cela n’a rien d’évident a priori : la masse grave quantifie la force gravitationnelle de même que la charge électrique quantifie la force électrostatique tandis que la masse inertielle quantifie la résistance d’un corps à une modification de son mouvement par une force, quelle que soit l’origine de cette force.

Galilée fut le premier à effectuer et décrire de façon précise des expériences d’universalité de la chute libre au moyen de boules descendant des plans inclinés3. Un peu plus tard, Newton qui faisait parfaitement la distinction des rôles différents de la masse grave et de la masse inertielle dans ses équations s’étonnait de leur identité ; il a réalisé de nombreuses expériences en mesurant la période d’oscillation d’un pendule de longueur fixée avec à son extrémité des masses de compositions différentes et conclu à l’universalité de la chute libre pour tous ces matériaux avec une précision de l’ordre de un pour mille. Depuis lors, les expériences se sont succédées avec un gain d’environ dix ordres de grandeur en moins de quatre siècles.

Durant ce temps, le paysage théorique a profondément évolué. Dans un premier temps, Einstein a introduit son Principe d’Equivalence4. Le principe d’équivalence d’Einstein contient le principe d’équivalence faible (WEP) qui correspond à l’universalité de la chute libre de corps de compositions différentes. Plus récemment de nouvelles théories ont tenté de répondre, d’une part à la question de l’unification de la gravitation avec les autres interactions, et d’autre part à des problèmes issus de la cosmologie tels que par exemple la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Dans la plupart des cas, ces théories prévoient, en plus de la composante classique de la relativité générale, l’existence d’une composante de la gravitation qui ne respecte pas le principe d’équivalence. Dans ce contexte, le test de l’universalité de la chute libre à un niveau bien meilleur que celui des résultats actuels est fondamental.

Malgré les progrès instrumentaux incessants, Il semble très difficile d’obtenir rapidement (à l’échelle de quelques années) un progrès de plusieurs ordres de grandeur en s’appuyant soit sur des expériences au sol avec des masses de laboratoires, soit sur l’observation du mouvement des corps célestes du type laser lune. Pour franchir un tel pas les solutions proposées sont des expériences dans l’espace. C’est dans ce contexte que nous avons proposé la mission MICROSCOPE qui a été sélectionnée par le CNES et qui est actuellement en développement.

3 Il n’a en revanche probablement pas réalisé d’expérience concluante du haut de la Tour de Pise : il était conscient des limites expérimentales dues en particulier au freinage aérodynamique. 4 Il existe plusieurs formulations du Principe d’Equivalence : le Principe d’Equivalence faible (WEP), le Principe d’Equivalence d’Einstein (EEP) et le principe d’Equivalence fort (SEP).

6.1 TEST DU PRINCIPE

D'EQUIVALENCE

179

Statut actuel du test du principe d’équivalence On peut distinguer trois types d’expériences pour tester le principe d’équivalence :

• les tests dans des laboratoires au sol,

• la télémétrie laser sur la Lune,

• les expériences dans l’espace.

Tests en laboratoire Les expériences aux sols consistent à comparer (directement ou indirectement) la chute libre de masses d’épreuve de compositions différentes dans le champ de gravitation de la Terre ou du Soleil. Il existe deux types de techniques : les tests directs dans des tours de chute libre et les expériences utilisant des balances de torsion. Cette deuxième méthode est la plus performante ; c’est la mise en œuvre avec les technologies modernes de l’expérience d’Eötvös. La source gravitationnelle utilisée peut être soit le Soleil (ce qui limite le gradient de gravité au prix d’une source 1000 fois plus faible comparée à la Terre) ou la Terre (il faut alors faire tourner la balance de torsion pour observer une fréquence bien caractéristique). C’est cette deuxième option qui a donné les meilleurs résultats avec une absence de violation de principe d’équivalence au niveau de 1.5 10-13. Les principales limitations de ces expériences sont les gradients de gravité locaux et les perturbations sismiques.

Télémétrie laser sur la Lune C’est en quelque sorte une expérience de chute libre en utilisant des corps naturels : la mesure de la distance Terre-Lune permet de comparer les chutes libres de la Terre et de la Lune dans le champ de gravité du Soleil. Bien entendu cela requiert une très bonne modélisation des mouvements relatifs incluant les rotations autour du centre de masse. Cette technique permet de borner la violation de l’universalité de la chute libre pour le couple Terre-Lune au niveau de 10-13.

Dans cette expérience, l’universalité de la chute libre pourrait être violée non seulement en raison des compositions différentes de la Terre et de la Lune, mais aussi en raison de l’effet Nordtvedt. Cet effet modélise une possible dépendance du rapport masse grave sur masse inerte, proportionnel à l’énergie de gravitation interne aux masses en chute libre. Cette énergie est bien trop faible dans le cas de masses de laboratoire pour pouvoir tester l’effet Nordtvedt. Elle est en revanche 15 à 20 ordres de grandeur plus importante dans le cas de la Lune et de la Terre. L’effet Nordtvedt est une façon possible de violer le Principe d’Equivalence fort (SEP en anglais). L’analyse des données laser Lune permet ainsi de borner la somme des effets de composition et de l’effet Nordtvedt.

Les limitations principales de la contribution de la télémétrie laser sur la Lune au test du principe d’équivalence sont d’une part la répartition non uniforme des mesures dans le temps (essentiellement en raison des phases de la Lune) qui ne permet pas une décorrélation complète de la constante GM du système Terre-Lune, et d’autre part la précision des mesures corrigées (des effets atmosphériques, de la géométrie des réflecteurs, des mouvements de stations…) associée à de longues séries d’observations.

Les expériences dans l’espace Une expérience idéalisée de test du principe d’équivalence dans l’espace consiste à comparer la chute libre des différentes masses d’épreuve. En pratique, ces masses doivent être placées dans une enceinte (le satellite) pour les protéger des effets non gravitationnels qui sinon perturberaient fortement l’expérience. De plus il s’avère plus efficace de mesurer des forces asservies pour annuler le mouvement relatif des masses que de mesurer directement le

180

mouvement relatif. Ces principes sont à la base des expériences spatiales proposées jusqu’à présent.

On répertorie trois familles d’expériences :

• STEP dont l’idée a été proposée il y a une vingtaine d’année par l’Université de Standford. C’est une expérience très ambitieuse, incluant des détecteurs de position SQUID qui fonctionnent à quelques degrés K. Cette proposition a été soumise à plusieurs reprises à la NASA et à l’ESA avec des objectifs de 10-17 puis 10-18 mais n’a pas été sélectionnée.

• GG (Galileo Galilei) est une expérience conçue par une équipe Italienne. Elle a été soumise à l’ESA avec un objectif de 10-16 puis 10-17 et n’a pas été sélectionnée.

• MICROSCOPE est une mission française impliquant le GRGS, moins ambitieuse (donc bien moins onéreuse) qui a été sélectionnée par le CNES avec un objectif de 10-15.

La mission MICROSCOPE Le projet MICROSCOPE a été co-proposé par l’ONERA et l’OCA dans la filière Myriade (micro satellites) en 1999 et a été retenu pour une étude de phase A. Cette étude a conduit en 2004, après un audit par le CNES de tous ses projets, à la sélection de MICROSCOPE pour la phase B et les phases suivantes. Actuellement la charge utile vient de passer en phase C tandis que le satellite attend des études complémentaires sur le système de propulsion (sous maîtrise d’œuvre de l’ESA) pour terminer la phase B.

La mission spatiale MICROSCOPE a pour objectif le test de l’universalité de la chute libre (ou principe d’équivalence faible) à mieux que 10-15 (plus de 100 fois mieux que les expériences au sol) à l’aide d’accéléromètres spatiaux. Elle est développée dans une coopération CNES, ESA, ONERA, GRGS/OCA/GEMINI dans le cadre de la filière Myriade (microsatellites) du CNES pour un lancement en 2011.

Fig 1 : Schémas d'un accéléromètre

Le principe de l'expérience est le suivant : on cherche à détecter une différence d'accélération entre deux masses d'épreuve de même centre et de compositions différentes (signe d'une violation de l'équivalence entre masse grave et masse inerte pour des matériaux différents). Un tel couple de masses d'épreuve concentriques constitue un accéléromètre différentiel (Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Chaque masse, `̀suspendue'' électrostatiquement, est asservie pour rester immobile par rapport au reste du satellite, la mesure du déplacement étant assurée par des détecteurs capacitifs. La force électrostatique exercée compense (et permet donc de mesurer) les autres accélérations de la masse par rapport au satellite.

181

A part des perturbations (thermiques, magnétiques, gravité du satellite) qu'il faut contrôler, les sources d'accélération sont :

• les forces non-gravitationnelles exercées sur le satellite mais pas sur les masses qui sont à l'intérieur,

• le gradient de gravité et le gradient d'inertie entre le centre du satellite et le centre de chaque masse,

• des rapports masse grave sur masse inerte différents pour le satellite et chaque masse d'épreuve.

Le fait d'observer la différence d'accélération entre deux masses d'épreuve cylindriques de même centre permet d'annuler les deux première sources (mode commun) et d'observer la différence de `̀chute libre'' des deux masses soumises au champ de gravité de la Terre. De plus, une batterie de propulseurs électriques (par émission d'ions) asservis sur l'accélération mesurée en mode commun permet d'asservir le mouvement du satellite sur le mouvement moyen des masses ; c'est ce que l'on appelle la traînée compensée. Ceci a le gros avantage de diminuer l'accélération agissant sur chaque masse prise individuellement et donc de permettre une meilleure précision sur la mesure de la différence d'accélération. La compensation de traînée est à la fois une originalité de la mission MICROSCOPE et une raison pour laquelle le satellite et la charge utile (deux accéléromètres différentiels) doivent être considérés comme un système unique.

Malgré toutes ces précautions on ne peut garantir l'absence totale de signal perturbateur au niveau de 8 10-15 ms-2 (on veut tester l'universalité de la chute libre au niveau de 10-15 dans un champ d'environ 8 ms-2 à l'altitude considérée). Heureusement le signal recherché est proportionnel à l'accélération de gravité en repère satellite ; il s'agit d'un signal périodique dont la fréquence est la somme de la fréquence orbitale et de la fréquence de rotation du satellite. Cet aspect fréquentiel est fondamental.

MICROSCOPE embarque deux accéléromètres différentiels : un accéléromètre pour le test proprement dit avec deux masses de compositions différentes (platine et titane) et un accéléromètre de référence avec deux masses de compositions identiques.

Le lancement de MICROSCOPE est actuellement prévu pour 2011 sur une orbite quasi-circulaire, héliosynchrone à environ 790 km d’altitude.

Implication du GRGS dans MICROSCOPE Il existe une convergence de plus en plus grande entre la géodésie spatiale et les expériences de physique fondamentale dans l’espace. Cela commence par l’utilisation des satellites géodésiques, avec une dynamique modélisée et observée avec une précision inégalée, pour des tests de la gravitation ; on peut citer en particulier l’observation récente de l’effet Lense-Thirring avec les satellites LAGEOS. Cela se poursuit par l’utilisation d’une instrumentation en grande partie commune incluant les techniques de positionnement et les accéléromètres. Mais surtout, un point commun essentiel est l’utilisation intensive de la dynamique spatiale, domaine dans lequel les géodésiens ont beaucoup de compétences et d’expérience à apporter. L’implication directe de membres du GRGS dans cette mission de physique fondamentale est une concrétisation supplémentaire de ces convergences.

La mesure théorique d’un accéléromètre différentiel a pour expression :

��Γapp,d ≈ 1

2⋅ δ ⋅

��g (0) + T[ ]− In[ ]( )O1O2( )+

��P

• O1 et O2 sont les centres de chacune des masses d’épreuve et O est le milieu de O1O2,

• ��

��g (0) est le vecteur accélération de gravité en O,

182

• δ est le paramètre d’Eötvös de violation du principe d’équivalence,

• T[ ] est le tenseur gradient de gravité en O,

• In[ ] est la matrice gradient d’inertie,

• O1O2 est l’excentrement entre les centres des masses,

• ��

��P représente les accélérations perturbatrices

L’objectif est donc de déterminer le paramètreδ avec une précision de 10-15 c’est-à-dire d’identifier le signal ��δ ⋅

��g (0) avec une précision de 8 10-15

ms-2, sachant qu’il s’agit d’un signal quasi monochromatique à une fréquence fep. Il faut donc non seulement que la qualité des mesures le permette, mais il faut aussi limiter ou corriger toutes les perturbations à un niveau bien inférieur à 8 10-15

ms-2. En pratique on peut distinguer les trois problèmes suivants :

• Faire l’inventaire de toutes les perturbations (thermique, magnétique, gravité du satellite…) et concevoir l’environnement de l’expérience de façon à ce qu’elles soient négligeables,

• Limiter l’amplitude du terme T[ ]− In[ ]( )O1O2 et corriger la partie résiduelle,

• Analyser le signal corrigé pour déterminer le paramètreδ . Sachant qu’il est très difficile d’obtenir un centrage des masses tel que O1O2 soit inférieur à 20 µm (noter que de ce point de vue, MICROSCOPE a des contraintes opposées à celles de GOCE qui doit avoir un bras de gradiomètre suffisamment grand), et que le gradient de gravité vaut de l’ordre de 10-6 s-2, l’amplitude du signal perturbateur est de l’ordre de 2 10-12

ms-2 soit 3 ordres de grandeur plus grand que le signal cherché ! Heureusement, cette perturbation est principalement à la fréquence 2 fep et donc peu corrélée au signal PE à la fréquence fep. Plus précisément, la contribution du gradient de gravité à fep est amortie par un facteur e (e étant l’excentricité de l’orbite) par rapport à sa contribution à 2 fep (Fig 2Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Il est donc important de choisir une orbite avec une excentricité la plus faible possible. Sachant que dans ce signal de gradient de gravité le paramètre inconnu est l’excentrement O1O2 des masses d’épreuve, la stratégie adoptée est la suivante :

• Calculer T[ ] connaissant la position du satellite par rapport à la Terre,

• Utiliser la contribution à 2 fep de la mesure pour estimer O1O2,

• Corriger la contribution à fep du terme T[ ]O1O2.

En pratique tous ces calculs sont faits simultanément ; de plus nous n’avons exposé ici, pour des raisons de simplicité, une modélisation ne prenant pas en compte les imperfections instrumentales. La nécessité de calculer T[ ] induit à son tour des spécifications sur la connaissance de position et d’attitude du satellite ainsi que sur la datation.

183

Fig 2 : Spectres de l'accélération et du gradient de gravité

Des considérations similaires sur le terme I[ ]O1O2 conduisent à des spécifications sur le contrôle d’attitude et surtout sur sa stabilité. Le contrôle d’attitude est asservi sur des mesures de pointage par les senseurs stellaires et d’accélération angulaire par les senseurs inertiels (accéléromètres). Ces différents types de mesures sont ensuite hybridés pour obtenir un contrôle optimal de l’attitude au sens de MICROSCOPE.

En ce qui concerne l’analyse des données, la principale difficulté est liée au fait que le bruit de mesure est très coloré. Par conséquent les mesures échantillonnées sont corrélées entre elles et toute inversion qui ne tiendrait pas compte de cette caractéristique est vouée à l’échec. Malheureusement la matrice de corrélation n’est pas suffisamment bien connue a priori pour pouvoir appliquer des méthodes de filtrage optimal. Nous avons mis en œuvre deux solutions pour pallier ce problème :

• La première méthode consiste à appliquer d’une part aux observations et d’autre part à la matrice modèle un filtre ne conservant qu’une bande étroite contenant la partie utile du signal (Fig 3.) : le bruit peut alors être considéré comme blanc sur la bande résiduelle (mais il ne l’est toujours pas sur l’ensemble du spectre).

• La seconde méthode consiste à projeter d’une part les observations et d’autre part la matrice modèle dans l’espace de Fourier et à faire l’inversion dans l’espace des fréquences ; l’avantage est que la transformée de Fourier a la propriété de décorréler les observations (cela n’est rigoureusement vrai que sur une durée infinie).

Tous ces travaux préparatoires se concrétisent par le développement de logiciels de simulation et d’analyse des données. Nous sommes en particuliers chargés de fournir les logiciels qui permettront le passage des données de niveau 1 (données étalonnées mais non corrigées) au niveau 2 (données étalonnées et corrigées). Cette transformation consiste à corriger les mesures d’accélération différentielles de tous les effets identifiés, autres que le terme de violation de l’universalité de la chute libre ; la principale correction porte sur le signal de gradient de gravité.

184

Fig 3: Réponse de différents filtres numériques

Participants au projet. P. Berio (OCA/GEMINI)

O. Laurain (OCA/GEMINI)

G. Métris (OCA/GEMINI)

Références bibliographiques. G. Métris et P. Berio, 2004, Errors due to the gravity gradient in the MICROSCOPE mission,

Testing the Equivalence Principle in Space and on Ground, Pescara, September 20 – 23 2004. G. Métris et P. Berio, 2004, Some aspects of the error analysis for MICROSCOPE, Journées

scientifiques du GREX 2004, Nice, 27-29 octobre 2004. P. Touboul, G. Métris et al, 2005, La mission MICROSCOPE : de la théorie à l’expérience

spatiale, conférence CNES : Physique fondamentale, défi scientifique et technologique, Toulouse, 26 sptembre 2005.

CNES-ONERA-CNRS, 2005, La gravitation à l’épreuve de l’espace, CD-ROM; P. Berio, G. Métris, 2003, Trous de mesure, Note technique MICROSCOPE MIC-OCA-0019. P. Berio, G. Métris, 2004, Utilisation de l'algorithme du gradient conjugué dans le domaine

fréquentiel, Note technique MICROSCOPE MIC-OCA-0018. G. Métris, P. Berio, 2005, Besoins pour l’orbite de MICROSCOPE. Note technique

MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6000-OCA, OCA/GEMINI. G. Métris, P. Berio, 2005, Besoin de datation et de synchronisation. Note technique

MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6001, OCA/GEMINI.

185

G. Métris, 2005, Forme des masse d’épreuve et gravité. Note technique MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6002-OCA, OCA/GEMINI.

G. Métris, 2005, Expression du vecteur accélération de gravité et du vecteur gradient de gravité en repère instrument. Note technique MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6003-OCA, OCA/GEMINI.

G. Métris, P Bério,, 2005, Moindres carrés dans le domaine fréquentiel, Note technique MICROSCOPE MIC-OCA-0006.

P. Bério, 2005, Impact d'une mesure manquante à chaque orbite, Note technique MICROSCOPE MIC-OCA-0001.

P. Bério, 2005, Choix de la fréquence de spin - Réjection de tone error de fréquence fspin et 2 fep, Note technique MIC-OCA-0002.

P. Bério , G. Métris, 2005, Obtention des accélérations différentielles calibrées, Note technique MICROSCOPE MIC-OCA-0005.

P. Berio, G. Métris, 2005, Impact d’un signal perturbateur sur l’estimation du paramètre PE. Note technique MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6004-OCA, OCA/GEMINI.

G. Métris, P. Berio, 2006, Besoins en pointage de l’instrument. Note technique MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6005-OCA, OCA/GEMINI.

G. Métris, P. Berio, 2006, Choix du modèle d’orbite pour le guidage de l’attitude. Note technique MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6006-OCA, OCA/GEMINI.

G. Métris, P. Berio, 2006, Analyse de la mesure accélérométrique pour MICROSCOPE. Note technique MICROSCOPE MIC-NT-SY-0-6007-OCA, OCA/GEMINI.

G. Méris, 2006, Les outils de simulation pour la validation des performances de la mission MICROSCOPE. Note technique MICROSCOPE MIC-NT- SY-0-6008-OCA, OCA/GEMINI.

G. Métris, 2006, Accélération angulaire des masses d'épreuve due au gradient de gravité, Note technique MICROSCOPE MIC-OCA-0003.

186

Introduction L’expérience de Transfert de Temps par Lien Laser (T2L2), en développement à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA) et au CNES, doit permettre de synchroniser des horloges spatiales et terrestres. L'expérience T2L2 est basée sur la propagation d’impulsions lumineuses très brèves entre des horloges au sol et une horloge placée en orbite autour de la terre. T2L2 a été acceptée par le CNES courant 2005 pour voler sur le satellite d’altimétrie Jason2 en 2008.

Plan de développement de l’instrument spatial T2L2 a été proposée en 2003 pour être embarquée sur un Micro-satellite de la filière CNES Myriade en association avec le transfert de temps Micro-onde développé pour ACES. L’année 2003 a été consacrée à l’étude de la maquette optique du segment spatial avec l’industriel SESO et à la définition d’une expérience de transfert de temps au sol.

L’année 2004 a été employée à la mise au point d’un banc de mesure pour la caractérisation de cette maquette et à la réalisation du transfert de temps T2L2 au sol ayant pour objectif la mesure des caractéristiques de stabilité de l’expérience globale. Elle mettait en œuvre, autour de la station de télémétrie laser MéO, un prototype du segment spatial construit à partir de la maquette optique ainsi qu’un prototype de l’instrumentation sol T2L2. L’architecture de l’expérience a permis, entre autre, l’inter-comparaison du transfert T2L2 avec la mesure de phase directe entre les horloges sol-espace. Ce projet a été conclu par la revue finale de la phase B complémentaire qui s’est tenue à l’OCA au courant de l’été 2004.

Une étude PASO mission a été engagée en 2005 pour étudier les porteurs potentiels du projet T2L2. A l’issue de ce bilan, T2L2 a été proposé sur le satellite d’altimétrie Jason2. L’étude précise de l’instrument spatial T2L2 sur Jason a débuté avec Alcatel Space en mai 2005. T2L2 a définitivement été accepté par le CNES en juillet 2005 et la phase B industriel a démarré en septembre avec les industriels EREMS et SESO pour un objectif de livraison de l’instrument au dernier trimestre 2006. Après fabrication d’une maquette des fonctions métrologiques (janvier 2006) et en parallèle de la réalisation d’un modèle d’ingénierie (août 2006), nous avons démarré le design et la réalisation du modèle de vol en mars 2006. L’instrument de vol a finalement été livré au CNES en janvier 2007. Nous réalisons actuellement, au CNES, une campagne d’étalonnage et de caractérisation métrologique de l’instrument qui doit se dérouler sur une période de 2 mois. A l’issue, l’instrument sera livré à Alcatel pour intégration jusqu’en juin 2007 sur le satellite Jason2.

Dans le cadre du projet l’OCA étudie et réalise :

� Les spécifications métrologiques de l’instrument spatial,

� Les spécifications métrologiques du segment sol,

� Le principe et l’architecture générale optique et électronique de l’instrument spatial métrologique,

1.1. Transfert de Temps par Lien Laser

T2L2

187

� L’architecture et les synoptiques des fonctions électroniques de datation et de détection,

� Les schémas électroniques de l’ensemble des fonctions de métrologie,

� La mise au point de la chaîne métrologique à partir des analyses et mesures des maquettes et MI,

� Les protocoles de pilotage de l’instrument métrologie,

� L’étude des bruits et des bilans de liaison,

� La définition des essais de performances,

� La réalisation des bancs de tests,

� La campagne d’étalonnage et de caractérisation de l’instrument de vol.

Design de l’instrument spatial

Architecture générale L’instrument spatial T2L2 est constituée d’un système de détection optique et d’une électronique de datation (figures 1 et 2). L’optique comprend deux détecteurs assurant la fonction détection et une cible laser assurant la fonction réflexion. La cible laser initialement envisagée pour T2L2 est abandonnée et remplacée par la cible laser de Jason 2. La cible initiale mono-coin de cube reste potentiellement intéressante pour un futur projet T2L2 ou une mission exigeant un point de référence unique le meilleur possible. L’horloge de T2L2 est l’oscillateur à quartz DORIS qui présente une très bonne stabilité court terme et une stabilité long terme relativement intermédiaire aux regards des performances générales de l’instrument T2L2. Cette architecture permettra de réaliser des transferts de temps en vue commune avec un niveau de performance optimal (1 ps sur 1000 s) et en vue non commune dans un régime légèrement dégradé.

Figure 1 : Architecture de l’instrument spatial T2L2

Optique de détection L’optique de détection est constituée d’un canal linéaire et d’un canal non linéaire. Le premier est basé sur une photodiode à avalanche en mode gain. Le second sur une photodiode à avalanche opérant en mode Geiger.

Le canal de détection linéaire a 4 rôles. Il doit permettre de :

� Fixer un seuil de détection en dessous duquel l’instrument T2L2 ne sera pas déclenché,

� Mesurer l’énergie des impulsions reçues,

� Mesurer le flux solaire,

188

� Pré-sensibiliser la détection non linéaire.

Le canal de détection non linéaire permet de :

� Transformer l’impulsion lumineuse en un créneau électrique synchrone qui représente l’événement à dater.

Le canal de détection non linéaire est divisé en un boîtier optique de couplage relié par fibre optique au détecteur Geiger localisé dans le sous-ensemble électronique (SSE) à l’intérieur du satellite. Le canal de détection linéaire est constitué d’un seul boîtier enfermant l’optique et le détecteur. Le boîtier optique du canal non linéaire et le boîtier du canal linéaire sont accolés au LRA comme le montre la figure 2. Un harnais de 2 mètres environ relie ces boîtiers au sous-ensemble électronique.

Figure 2 : A droite le sous-ensemble électronique placé à l’intérieur de la charge utile ; à gauche le sous-ensemble optique disposé à côté de la cible Laser, à l’extérieur du satellite.

Datation L’objectif du système de datation est de dater les événements lumineux par rapport à un signal sinusoïdal à 10 MHz de l’oscillateur DORIS. L’événement à dater est matérialisé par le front du signal électrique issu de la détection des impulsions.

Le dispositif est constitué d’un compteur logique associé à un vernier. Le compteur logique fournit une information temporelle de basse résolution avec une dynamique importante. Le vernier permet d’accéder à la résolution ultime du système mais avec une dynamique faible. Le vernier fournit une information comprise entre 0 et 20 ns avec une résolution d’une picoseconde et le compteur entre 0 et 5 ans avec une résolution de 10 ns. Le résultat de la mesure est un nombre calculé à partir des informations fournies par le compteur et le vernier. Ce nombre est appelé « date ». Un intervalle de temps entre deux événements est la différence entre les deux dates correspondant aux événements. La réduction des données brutes en dates est effectuée à posteriori au sol.

Réalisation de l’instrument spatial La métrologie de l’instrument spatial s’appuie sur des prototypes mis au point par l’OCA durant les années qui ont précédé le démarrage du projet sur Jason2. Avant la réalisation du modèle de vol nous avons défini des prototypes électroniques des cartes de détection et de datation. Ces prototypes ont permis de valider les nouveautés mises en œuvre, de mesurer certains paramètres (temps de propagation, tenue aux radiations, puissance électrique) et de

189

mesurer les performances de l’instrument. Le design des cartes prototypes a démarré en septembre 2005 et les tests en janvier 2006. La réalisation du modèle d’ingénierie électrique (EREMS) a débuté en mars 2006 et une campagne de tests et de mise au point sur ce modèle d’ingénierie a été menée en août sur une période de 1 mois. Cette campagne a permis d’entériner les derniers ajustements pour le modèle de vol. La réalisation du modèle de vol électronique a débuté en parallèle avec en particulier la mise au point des cartes de gestion et d’alimentation de l’instrument et les études liées à la spatialisation. Compte tenu du planning serré, les modules de détection optique (SESO) ont été réalisés en un seul exemplaire (MQV).

Bancs de test de mesure de performances de l’instrument spatial On discerne 3 types de mesures : les mesures de performances, l’étalonnage et les tests en intégration sur satellite. Les mesures du type étalonnage permettent d’établir des tables et des lois qui sont essentielles pour la réduction des données ; les mesures du type performances permettent de caractériser l’instrument et les tests en intégration permettent de mesurer les performances dans l’environnent réel sur satellite avec notamment l’utilisation de l’oscillateur DORIS et les alimentations PROTEUS. Ces mesures sont menées avec des bancs de tests réalisés par l’OCA. Le banc principal est une table optique qui fournit des impulsions avec des caractéristiques similaires à celles des stations laser réelles. A cette fin une source laser Vanadate haute cadence est mise en œuvre avec des éléments optiques adaptés pour conduire le flux vers les deux détecteurs permettant en simultané de changer la géométrie de l’incidence (c’est-à-dire incluant un dispositif mécanique qui permet de tourner les boîtiers optiques de T2L2 suivant deux axes).

Le banc optique est constitué de :

� Cavité laser avec électronique de pilotage (connexion RS232) et alimentation, groupe frigorifique,

� Doubleur de la fréquence optique,

� Synchronisation externe de la cavité laser,

� Modulateur éléctro-optique, électronique de pilotage (générateur de délai), amplificateur,

� Optiques : miroirs, lentilles, dichroïque, coupleurs fibre, fibres optiques, etc.,

� Centrale d’acquisition pour mesures de température, tensions.

L’ensemble est complété par 5 baies 19 pouces pour :

� Chronométrie,

� Contrôle,

� Synthèse de fréquence et photo détection de référence,

� Laser,

� Energie.

Le banc est piloté par le logiciel BT2Studio (Banc de Test T2L2). Il permet le contrôle des tous les instruments du banc et permet d’automatiser des mesures spécifiques :

� Mesure différentielle entre T2L2J2 et la chronométrie de référence,

� Comparaison des systèmes de mesure d’énergie,

� Mesure interne au banc de test,

190

� Mesure de chronométrie électrique du dateur T2L2J2 seul en mode synchrone ou asynchrone,

� Mesure de chronométrie différentielle optique entre le dateur T2L2J2 et la chronométrie de référence en variant la position en attitude du boîtier optique,

� Mesure de chronométrie différentielle entre le dateur T2L2J2 et la chronométrie de référence en variant l’énergie laser.

Figure 3 : Banc de test métrologique. A gauche de la table le laser Vanadate. Les mesures sont

réalisées en salle blanche au CNES.

Un banc spécifique doit également permettre de réaliser des mesures d’étalonnage avec une recopie du rétro-réflecteur laser. Il est constitué d’une optique parabolique de 500 mm et d’un laser Nd :YAG.

Les résultats préliminaires des mesures sont conformes aux spécifications avec schématiquement :

� Une sensibilité de détection de 0.1 fJ,

� Une précision datation de 2 ps et une linéarité meilleure que 1 ps rms,

� Une dynamique de détection de 80dB,

� Une sensibilité thermique en datation de 0.4 ps/°C.

Revues La revue de définition préliminaire (RDP) T2L2 s’est tenue au CNES en décembre 2005, la RCD s’est tenue en mai 2006 et la revue de qualification (RQ) en mars 2007. A son issue, le comité directeur a accepté la qualification de l’instrument.

Transfert de temps sol sol Une expérience de transfert de temps grandeur réelle au sol a été réalisée à l’OCA durant la période juin–juillet 2004. L’objectif de cette expérience est de mesurer les caractéristiques de stabilité de l’expérience globale T2L2 en mettant en oeuvre, une station de télémétrie laser

191

(MéO) et le premier prototype du segment spatial : horloge, datation, photo-détection et maquette optique SESO. L’instrumentation spatiale est disposée à proximité de l’instrument sol et la maquette optique est centrée sur l’axe optique du télescope. Cette architecture permet, entre autre, l’inter-comparaison du transfert T2L2 avec la mesure de phase directe entre les horloges sol-espace. L’expérience a permis de mesurer une stabilité de 1 ps sur 1000 s d’intégration, conformément aux spécifications attendues.

Groupe de travail T2L2 Un groupe de travail a été mis en place pour gérer l’ensemble des opérations d’exploitation depuis la réduction des données jusqu’à la mise en œuvre des expériences de transfert de temps en passant par l’organisation des observations. Ce groupe de travail comporte 7 thèmes :

� Analyses,

� Réseau de station laser,

� Validation du transfert T2L2,

� Transfert micro-onde & Echelles de Temps,

� Physique fondamentale,

� VLBI,

� DORIS.

Participants au projet (OCA) E. Samain : Principal Investigateur

D. Albanese : Optique – Instrumentation

P. Berio : Analyse données

F. Deleflie : Mission

F. Para : Instrumentation

J. Paris : Logiciel

J.M. Torre : Station Laser MeO - ILRS

F. Pierron : resp. Station Ultra Mobile FTLRS

P. Vrancken : Laser Instrumentation

J. Weick : Bilan - Calculs

192

C – AUTRES ACTIVITES GRGS

193

194

1. Ecoles d’été du GRGS

Introduction

Deux Ecoles d'été ont été organisées par le GRGS au cours de la période 2003-2006.

Le but des ces écoles est de former des étudiants, post-docs, jeunes chercheurs (ou chercheurs confirmés) et ITA à des aspects essentiels de la géodésie spatiale, dans un environnement propice aux cours, aux travaux pratiques et aux discussions. Ces écoles sont destinées à faciliter de futurs échanges entre « élèves » et « enseignants », ainsi qu’entre futurs chercheurs ou ITA dans cette discipline au niveau national et européen. On peut se féliciter de la très grande qualité des enseignements et de la logistique au cours de ces deux écoles. L'agrément du lieu et l'ambiance particulièrement sympathique sont également pour beaucoup dans leur succès.

Ces écoles ont pu être organisées grâce à un fort soutien du CNES et un financement spécifique associé et grâce à l’IGN/ESGT pour la mise à disposition des locaux et de la logistique du Centre de Forcalquier (Responsable : Ph. Nicolon). Le contenu des programmes scientifiques a été, dans chacun des cas, préparé par un Comité scientifique sous la responsabilité de G. Métris. Il faut noter l’énorme effort fait par tous les enseignants pour préparer cet ensemble de cours et de travaux pratiques pendant la période d'été et également l’attitude très positive des "élèves" qui ont contribué par leur nombreuses questions à rendre les cours plus complets et plus vivants. La mise à disposition sous forme électronique de l’ensemble des cours sur le site du GRGS (Responsable : Ch. Julienne) offre un ensemble extrêmement intéressant pour de nombreux chercheurs, ITA, étudiants et post-docs dans ce domaine afin de perfectionner ou mette à jour leurs connaissances sur les thèmes traités dans ces deux écoles.

Ecole d’été GRGS 2004

Pour sa seconde école prévue en 2004, le GRGS a choisi d’approfondir le lien entre la géodésie spatiale et la physique moderne en apportant quelques éléments de réponse aux deux questions suivantes :

1. en quoi la géodésie spatiale a besoin aujourd’hui de comprendre et d’utiliser la physique post-newtonienne ainsi que les développements récents en matière de concepts instrumentaux ou de technologie,

2. en quoi la communauté de la géodésie spatiale peut contribuer de façon efficace aux nouvelles expériences de physique fondamentale dans l’espace.

L’école « Géodésie Spatiale, Physique de la mesure et Physique Fondamentale » s’est déroulée du 30 août au 4 septembre 2004 à Forcalquier dans les locaux et avec le soutien matériel de l’ENSG.

De manière parallèle et complémentaire, une école destinée à présenter les fondements techniques et les applications de la station laser ultra mobile se déroulait dans ces mêmes locaux.

195

L’école « Géodésie Spatiale, Physique de la mesure et Physique Fondamentale ».

Site web : http://www.obs-azur.fr/gemini/ecoles/grgs

Motivations La précision atteinte aussi bien par les observations de géodésie spatiale que par les modèles pose de manière de plus en plus pressante la question du modèle Newtonien avec corrections relativistes pour le calcul du mouvement de satellite en orbite autour de la Terre. Des questions similaires se posent pour les systèmes de référence ou les mesures utilisées. Inversement, le mouvement du satellite étant sensible à des effets « non newtoniens », il peut permettre leur mise en évidence et leur mesure. Le géodésien moderne est donc amené à s’intéresser de plus en plus précisément à certaines questions de la physique fondamentale et devrait trouver avantage à coopérer avec les spécialistes de ce domaine. L’un des objectifs de cette école était de faire le point sur ces questions.

Parallèlement, des projets d’expériences exploitant les avantages de l’espace pour tenter de répondre à des questions de physique fondamentale, se concrétisent : l’horloge atomique PHARAO est très avancée, la mission MICROSCOPE pour le test du principe d’équivalence est planifiée pour 2008, le projet LISA pour la détection des ondes gravitationnelles au moyen de liens laser entre plusieurs satellites progresse. L’expérience des géodésiens qui ont été parmi les premiers à exploiter les avantages de l’espace peut être très positive dans certains de ces projets. Deux sessions de l’école étaient dédiées à l’exposé de questions posées par la physique fondamentale et à la description de missions spatiales.

Le point commun le plus frappant entre les expériences de géodésie spatiale et les expériences de physique fondamentale dans l’espace est certainement l’utilisation de technologies similaires ; des accéléromètres spatiaux, des liens laser, des horloges précises, des systèmes de compensation des forces non gravitationnelles sont utilisés aussi bien dans les missions modernes de géodésie spatiales (CHAMP, GRACE, GOCE) que dans les expériences de physique fondamentale citées plus haut. Une session était consacrée à mieux comprendre les techniques utilisées dans les deux domaines.

Comité scientifique et comité d’organisation : Comité scientifique : G. Balmino, N. Capitaine, G. Métris, F. Mignard, E. Samain, P. Teyssandier, P. Touboul.

Comité d’organisation : G. Métris, N. Capitaine, P. Exertier, M. Kasser.

Contenu L’école était organisée sous forme d’exposés de 1 à 5 heures, découpés en session d’environ 2h. Les exposés sont accessibles sur le site http://www.obs-azur.fr/gemini/ecoles/grgs. Chaque participant disposait d’un support écrit dès le début de chaque cours.

Le déroulement parallèle de l’école sur la station laser ultra mobile a permis d’assister à explication technique sur cette station et de la voire en action.

Relativité et Géodésie spatiale :

1. Gravitation relativiste : introduction mathématique aux théories relativistes,

relativité générale et théories tenseur-scalaires (Bertrand Chauvineau, 6h)

2. Introduction à la mécanique céleste relativiste -

Géodésie et tests des théories relativistes de la gravitation (Sophie Pireaux, 4h)

196

3. Propagation de la lumière dans un espace-temps courbe (Christophe Leponcin-Lafitte, 4h)

4. Systèmes de référence accélérés en rotation (Pierre Teyssandier, 1h30)

5. Géodésie spatiale (Pierre Exertier, 1h30)

Instruments de la physique spatiale : 1. Les horloges atomiques (Noël Dimarcq, 1h)

2. Accéléromètres spatiaux (Pierre Touboul, 1h)

3. Lasers stabilisés (Catherine Nari Man, 1h)

4. Station laser ultra mobile (Francis Pierron, 1h)

Les projets actuels et futurs : 1. La mission MICROSCOPE pour le test du principe d'équivalence (Pierre Touboul, 1h)

2. Gravity Probe B - Gyromètres supraconducteurs et gyromètres à atomes froids (Pierre Touboul, 1h)

3. Les horloges atomiques et l'espace : projet PHARAO / ACES (Noël Dimarcq, 1h)

4. La mission LISA pour l'observation des ondes gravitationnelles (Alain Brillet, 1h)

5. Télémétrie laser : Télémétrie laser 2 voies - Transfert de temps par lien laser T2L2 -

Télémétrie laser interplanétaire (Etienne Samain, 2h)

6. Missions actuelles de géodésie - Technologies d'avenir (Alain Brillet, 1h)

Participation L’école a accueilli un peu plus de 30 participants avec une forte composante GRGS mais aussi un nombre non négligeable de chercheurs liés aux expériences de physique fondamentale (MICROSCOPE, LISA, PHARAO…) et également quelques collègues étrangers (algériens et belges). L’interaction entre les géodésiens et les physiciens a bien eu lieu, durant les cours et en dehors. Notons également la présence de 6 étudiants doctorants ou post-doctorants.

L’école « Station Laser Ultra Mobile »

Site web : http://www.obs-azur.fr/gemini/ecoles/grgs_laser_ultra_mobile/

Cadre Parallèlement à L’école « Géodésie Spatiale, Physique de la mesure et Physique Fondamentale » une autre école s'adressant de façon très large aux acteurs de projets effectifs ou potentiels de la station Laser Ultra Mobile tant pour le montage scientifique et prospectif des campagnes que pour les développements technologiques et son utilisation se déroulait dans ces mêmes locaux du 1er au 3 septembre 2004.

Les cours ont également abordé l'organisation concrète des opérations, l'installation et l’exploitation de l’instrumentation et bien sûr la valorisation scientifique des campagnes dans la communauté Internationale et l'avenir de cet instrument. La tenue simultanée des deux écoles et dans des locaux voisins, a offert aux participants une belle opportunité d'échanges et de contacts sur ces thématiques où problématiques scientifiques, technologie de pointe et contraintes opérationnelles sont si complémentaires.

Programme

Organisateurs : M. Kasser, F. Pierron, J.Nicolas, P. Exertier

197

Mercredi 1er septembre, Après-Midi : -15h-17h démonstration

Jeudi 2 septembre : • Introduction et généralité sur la télémétrie Laser

1.Introduction technique laser, panorama, précisions (Francis Pierron)

2.principe du traitement scientifique des données laser (Joëlle Nicolas)

3.Besoin, historique et conception globale d’une station « Ultra Mobile » (Michel Kasser)

• Développement et choix technologiques sur la station

1.Mécanique et optique (Etienne Samain)

2.Laser (Francis Pierron)

3.Electronique (Maurice Furia)

4.Logiciels de contrôle, pilotage à distance (Monique Pierron)

5.Détection/Chronométrie, exactitude (Francis Pierron)

• Installation et mise en station

1. Logistique préparatoire, transport, installation, mesures topo (Maurice Furia, P. Vergez)

2. Montage et réglage en station (Francis Pierron)

Vendredi 3 septembre :

• mise en œuvre observationelle

1.Gestion système opérationnel, procédures automatiques (Francis Pierron)

2.Logiciels d’observation, IHM et fonctionnalités (Monique Pierron)

• Réseaux et ILRS

1.Systémes de référence et SLR (David Coulot)

2.Calcul d’orbite et télémétrie laser (Philippe Bério)

3.Altimétrie satellitaire et positionnement (P.Bonnefond, Pierre Exertier)*

• Prospective scientifique et technologique (Francis Pierron)

Les exposés sont accessibles sur le site

http://www.obs-azur.fr/gemini/ecoles/grgs_laser_ultra_mobile/

Un CDROM est à la disposition sur demande des personnes intéressées.

Participants et intervenants L’école a accueilli un peu plus de 15 participants avec une forte composante GRGS mais aussi un nombre non négligeable de collègues assistant à l’autre école et intéressés par certains points particuliers.

Une dizaines d’intervenants ont présenté des cours très bien préparés tant sur le plan pédagogique que sur les contenus permettant d’avoir aujourd’hui une compilation de tout premier plan sur cette station ultra Mobile.

Installation, observations, pratique La station dans sa configuration opérationnelle avait été mise en place en deux jours la semaine précédente sur une dalle permanente de l’école IGN .

198

Une cible d’étalonnage avait été installée à environ 1100 mètres et rattachée avec très grande précision dans le cadre de travaux pratiques de terrain avec un groupe d’élèves quelques jours auparavant.

La proximité de la station en marche permanente a donné l’opportunité à tous les participants des deux écoles de découvrir l’instrumentation et la technologie liée à la télémétrie laser et d’assister à des observations le mercredi soir sur Topex/Poséïdon sous un ciel d’une limpidité exceptionnelle.

Ecole d’été GRGS 2006 La troisième école d’été du GRGS « Méthodes et logiciels pour la géodésie spatiale » s’est déroulée du 4 au 8 septembre 2006 à Forcalquier dans les locaux et avec le soutien matériel de l’ENSG.

Motivations Comme la plupart des sciences, la géodésie spatiale s’appuie sur deux piliers fondamentaux :

• Les observations,

• La théorie et la modélisation qui permettent d’interpréter et de relier entre elles les observations.

Pour faire le passage entre ces deux domaines il est indispensable de développer des techniques d’analyse qui permettent à la fois d’exploiter de manière optimale les observations et de tirer des conclusions fiables sur la validité des models. Ce constat n’est pas récent et les géodésiens ont toujours suivi attentivement les développements de nouvelles méthodes concernant par exemple l’intégration numérique ou l’inversion de systèmes linéaires de grandes dimensions.

Cependant, avec la complexification des models, l’émergence des combinaisons multi techniques et la prise en compte de plus en plus précise des caractéristiques des instruments, des nouvelles possibilités mais aussi de nouveaux besoins sont apparus. Des techniques d’analyse pour les prendre en compte ont soit été développées directement dans notre communauté, soit reprises d’autres domaines scientifiques. Contrairement aux outils « classiques » tels que l’intégration numérique ou l’inversion de systèmes linéaires, ces nouvelles techniques ne sont pas toujours intégrées dans les enseignements de géodésie.

Le but de cette école était de faire le point sur quelques-unes de ces méthodes en les illustrant, autant que possible, par des cas pratiques avec des logiciels auxquels les participants avaient accès après l’école.

199

Comité scientifique et comité d’organisation : Comité scientifique : P. Berio, R. Biancale, N. Capitaine, D. Coulot, D. Gambis, M. Kasser, J.M. Lemoine, J.C. Marty, G. Métris.

Comité d’organisation : G. Métris, N. Capitaine, M. Kasser.

Organisation pratique : P. Baudoin, Ch. Julienne, Ph. Nicolon.

Contenu L’école comprenait d’une part des exposés à dominante théorique mais contenant de nombreux exemples d’applications et d’autre part des exposés s’appuyant sur des démonstrations de logiciels avec leur prise en main par les participants :

Théorie de l’estimation : 1. Probabilités : notions essentielles pour le traitement du signal (Jérôme Verdun)

2. Estimation par moindres carrés (Jérôme Verdun, David Coulot)

3. Introduction au filtrage de Kalman (Jérôme Verdun)

Analyse fréquentielle généralisée : 1. Quelques méthodes d’analyse des données et de caractérisation spectrale (Karin Le Bail)

2. Caractérisation spectrale et décomposition des signaux (Sébastien Lambert)

3. Analyse en fréquence (François Mignard)

4. Ondelettes (Isabelle Pannet et Jean-Yves Richard)

5. Filtrage numérique (Philippe Berio)

Outils dédiés à la géodésie spatiale: 1. CATREF (Zuher Altamimi)

2. Traitement de données GPS avec GINS (Richard Biancale, Sylvain Loyer, Felix Perosanz, Stravos Melachroinos).

Les exposés sont accessibles sur le site http://www.obsazur.fr/heberges/grgs/ecoles/grgs_06.

Chaque participant disposait d’un support écrit dès le début de chaque cours.

Participation L’école GRGS 2006 a accueilli environ 35 participants avec une forte composante GRGS mais aussi un nombre non négligeable de chercheurs étrangers. Notons également la présence de nombreux étudiants doctorants ou post-doctorants qui ont pu avoir des fructueux échanges entre eux ou avec des collègues plus expérimentés.

200

2. REUNIONS OUVERTES DU CONSEIL SCIENTIFIQUE

Selon la charte d’organisation du Groupe de Recherche de Géodésie spatiale, adoptée par les neuf organismes membres ayant signé le protocole d’accord sur le GRGS en janvier 2004, le Directeur Exécutif du GRGS dispose d'un Bureau Exécutif et d’un Conseil Scientifique. Le Bureau exécutif est chargé de préciser la mise en œuvre matérielle des décisions du Comité Directeur, tandis que le Conseil Scientifique est chargé de coordonner l'ensemble des activités scientifiques du GRGS. La Charte précise que le Conseil Scientifique du GRGS doit procéder à l'examen scientifique des travaux, des expériences en cours et des nouvelles propositions de recherche ; il peut en outre organiser des réunions scientifiques permettant d'approfondir le contenu de certaines expériences en cours ou projetées ou de discuter de la prospective et des avancées scientifiques pouvant concerner directement ou indirectement le GRGS.

Réunion du 26 novembre 2004

Suivant les missions ainsi prévues pour le Conseil Scientifique du GRGS, une réunion ouverte de ce Conseil a été organisée le 26 novembre 2004 à l’Observatoire de Paris. Le but de cette réunion était de favoriser une réflexion et une discussion sur les coopérations scientifiques inter équipes au sein du GRGS (bilan et perspectives). Cette réunion était ouverte à l’ensemble du personnel du GRGS avec un but d’information et de d’encouragement aux coopérations scientifiques inter équipes, raison fondamentale de l’existence du GRGS. Après une introduction de présentation du GRGS, de ses missions, de ses équipes et de ses conseils, la réunion a été consacrée à trois thèmes d’actualité concernant les coopérations scientifiques entre équipes du GRGS. Chacun des thèmes considérés a été introduit par de courts exposés introductifs sur l’état de la thématique scientifique et de la coopération au sein du GRGS et a ensuite fait l’objet d’une large discussion. L’ordre du jour a été le suivant : - 1er thème : Champ de pesanteur Rotation de la Terre Exposés introductifs par : G. Bourda (GRGS/SYRTE), J.-M. Lemoine (GRGS/CNES), Y. Ménard (GRGS/LEGOS) Ce thème consiste à utiliser la mesure par géodésie spatiale du champ de gravité de la Terre et de ses variations comme outil pour compléter la modélisation de la rotation de la Terre. Il existe pour ce thème des expertises complémentaires au sein du GRGS : (i) l’équipe du SYRTE (Observatoire de Paris) sur la détermination des paramètres de rotation de la Terre et l’interprétation géophysique de ces paramètres, (ii) l’équipe du CNES sur l'orbitographie des satellites artificiels et leur utilisation pour la détermination du champ de gravité terrestre et de ses variations, (iii) l’équipe du LEGOS pour l’interprétation de l’altimétrie spatiale en terme de variations de masses et d’hydrologie globale. En conclusion de la discussion, il a été prévu de créer un groupe de travail au sein du GRGS, pour développer les efforts des différentes équipes dans chacune des composantes de ce thème de la façon la plus coordonnée possible afin de mener à des résultats scientifiques nouveaux.

201

- 2ème thème : Centre de Recherche GRGS sur les combinaisons de techniques pour l’IERS

Exposés introductifs par: D. Coulot (GRGS/GEMINI et LAREG), T. Carlucci (GRGS/SYRTE) Le GRGS s’est proposé et a été retenu comme l’un des centres de recherches IERS sur les combinaisons de techniques, afin de fournir une solution pour les paramètres de rotation de la Terre et les coordonnées des stations, par la combinaison du traitement des observations obtenues par les cinq techniques sur lesquelles se base l’IERS (SLR, LLR, VLBI, GPS et DORIS). Le traitement des observations obtenues par chacune des techniques est effectué à partir du même logiciel "GINS" du GRGS et la solution « combinée » est calculée par le logiciel "DYNAMO". Ce Centre de combinaisons résulte d’une coopération entre plusieurs équipes du GRGS de compétences complémentaires, avec la participation des sociétés CLS (pour DORIS) et Noveltis (pour GPS). Ce centre, qui a actuellement une avance notable au niveau international grâce aux efforts conjugués des différentes équipes, doit devenir en 2005 un service opérationnel de l’IERS. En conclusion de la discussion, il est prévu de favoriser les réunions inter équipes pour une coordination optimale des différentes composantes et le passage effectif de la combinaison opérationnelle de l’équipe GEMINI à celle du SYRTE.

- 3ème thème : Galileo Exposés introductifs par: Z. Alatmimi (GRGS/LAREG), F. Perosanz (GRGS/CNES)

Le GRGS étant un groupement d’équipes appartenant à différents organismes, n’a pas vocation à s’engager officiellement, en tant que tel, dans une réponse officielle à un appel d’offre européen. Ainsi, deux équipes du GRGS (CNES et IGN/LAREG) sont partie prenante dans deux propositions concurrentes en réponse à l’appel d’offre européen 2004 pour le traitement des données du système Galileo. Suivant le résultat de la sélection européenne, le GRGS devra s’organiser pour que ses équipes soient insérées au mieux dans ce projet. Des compétences diverses existent au sein du GRGS pour le système de référence terrestre, les échelles de temps, l’orbitographie théorique et pratique. En conclusion de la discussion, il est souligné que le GRGS doit œuvrer pour faire en sorte de jouer un rôle efficace et reconnu dans ce projet qui offre des perspectives opérationnelles et scientifiques très ambitieuses. Le logiciel GINS du GRGS devrait être un outil fondamental à sa participation.

Réunion du 10 avril 2006

202

3. THESES PREPAREES AU SEIN DU GRGS PENDANT

LA PERIODE 2003-2006

1) Thèses

M. Abbasi Lieu: OMP/DTP "Etude du traitement de données gravimétriques acquises lors de levés aériens", Thèse soutenue le 10 Juillet 2006 Directeur de thèse: J.P. Barriot (GS/CNES ; début 10/01/03 - fin 10/07/06) G. Bourda Lieu: SYRTE/OP "Rotation terrestre et variations du champ de gravité" Thèse soutenue le 20 décembre 2004 Directeurs de thèse: N. Capitaine (SYRTE/OP), R. Biancale (GS/CNES) D. Coulot (oct-2001 - juil-2005, ingenieur IGN) Lieu: GEMINI(OCA) "Télémétrie laser sur satellites et combinaison de techniques géodésiques ; contributions aux systèmes de référence terrestres et applications" Directeurs de thèse: P.Exertier (GEMINI/OCA)-M.Kasser (ENSG,IGN), S. Lambert (oct 2000-oct 2003, bourse MEN) Lieu: SYRTE/OP "Analyse et modélisation de haute précision pour l'orientation de la Terre" Thèse soutenue le 23 octobre 2003

Directeur de thèse: N. Capitaine, Ch. Bizouard

I. Panet (octobre 2002 - décembre 2005, ingénieur IGN) Lieu: Institut de Physique du Globe de Paris "Les ondelettes sphériques en gravimétrie spatiale. Applications en Polynésie française et à l'étude du séisme de Sumatra-Andaman" Directeurs de thèse: Michel Diament (IPGP), Olivier Jamet (LAREG) Cette thèse a reçu le Prix de géophysique du CNFGG en mars 2007.

203

2) Habilitations à diriger des recherches

Z. Alatamimi (LAREG/IGN) Mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches, Spécialité : Géodésie Spatiale, Univ. Paris VI, soutenue a l'IGN, le 27/11/06. R. Biancale (GS/CNES) Mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches, Spécialité : Géodésie Spatiale, Univ. Paris VI, soutenue à OCA/GRASSE le 12/05/06. 3) Etudiants en these GRGS en 2006: L. Andres (oct.2003 - 2007, Ingenieur Geodesie-Ville de Nice) GEMINI/OCA "Role du GPS pour la Geodesie du littoral Méditerranéen" Directeurs de these: P.Exertier (GEMINI/OCA)-M.Kasser (ENSG/IGN) X. Collileux (depuis oct.2003; ingenieur IGN)), LAREG/IGN Directeur de these: Z. Alatamimi (LAREG/IGN) J. Fontdecaba (oct.2005-oct.2008, bourse MEN) GEMINI/OCA "Mécanique céleste du vol en formation ; applications a l'observation du champ de gravite" Directeurs de these: P.Exertier-G.Métris (GEMINI/OCA) J. Legrand (oct 2004- 14 mars 2007) LAREG/IGN "Champ de vitesse de l'ITRF, propriétés cinématiques de la croûte terrestre et condition de non rotation globale" Directeur de these: Z. Alatamimi (LAREG/IGN)

S. Melachroïnos, DTP/GRGS "Positionnement multi-technique de réseaux géodésiques" Directeurs de thèse: R Biancale, M Bougeard (SYRTE/OP) A. Pollet (depuis oct 2006) LAREG/IGN et SYRTE/OP "Combinaison de techniques de géodésie spatiale. Contributions aux réalisations des systèmes de référence et à la détermination de la rotation de la Terre." Directeurs de thèse: N. Capitaine (SYRTE/OP), D. Coulot (LAREG/IGN)

204

L. Seoane (depuis oct 2006) SYRTE/OP "Influence des distributions de masses sur la rotation de la Terre et applications géodésiques" Directeurs de thèse: D. Gambis (SYRTE/OP), Ch. Bizouard (SYRTE/OP)

B. de Saint-Jean (depuis oct. 2004) "Etude et développement d'un système de gravimétrie mobile" Directeurs de thèse: Jean-Pierre Barriot (BGI) et Jérôme Verdun (LAREG/IGN) P.Vrancken (janv.2005-janv2008, bourse alcatel/CNES) GEMINI/OCA "Metrologie par lien optique laser" Directeurs de thèse: E.Samain-P.Exertier (GEMINI/OCA) W. Zerhouni (depuis oct 2006) SYRTE/OP "Systemes de reference et modelisations astrometriques" Directeur de thèse: N. Capitaine (SYRTE/GRGS)

205

C – ANNEXE

206

Directeur exécutif : Michel Kasser (IGN, Tel : 01 64 15 31 00)

1. Equipe GRGS, Centre National d'Etudes Spatiales 18, Avenue Edouard Belin, 31400 Toulouse Cedex

Personnel permanent

Balmino, Georges balmino@dtp.obs-mip.fr 05 61 33 28 89

Biancale, Richard richard.biancale@cnes.fr 05 61 33 29 78

Bruinsma, Sean sean.bruinsma@cnes.fr 05 61 33 28 41

Fayard, Thierry * thierry.fayard@cnes.fr 05 61 33 29 39

Lemoine, Jean-Michel jean-michel.lemoine@cnes.fr 05 61 33 29 73

Lestieu, Nicole nicole.lestieu@cnes.fr 05 61 33 29 80

Marty, Jean-Charles jean-charles.marty@cnes.fr 05 61 33 28 96

Perosanz, Felix felix.perosanz@cnes.fr 05 61 33 28 96

Sarrailh, Michel * michel.sarrailh@cnes.fr 05 61 33 28 93

Valès, Nicole nicole.vales@cnes.fr 05 61 33 28 92 * affectés à temps partiel au BGI (c.f. équipe OMP)

Doctorants Melachroinos, Stavros stavros@pontos.cst.cnes.fr 05 61 33 28 44

Abbasi, Madjid madjid.abbasi@obs-mip.fr 05 61 33 28 44 * également au SYRTE (GRGS/Observatoire de Paris)

2. Equipe GRGS, Institut Géographique National, LAREG 6-8 Avenue Blaise Pascal, Cité Descartes, Champs-sur-Marne, 77455 Marne-la-Vallée Cedex 2

Personnel permanent

Altamimi, Zuheir altamimi@ensg.ign.fr 01 64 15 32 55

Bouin, Marie-Noelle bouin@ensg.ign.fr 01 64 15 32 61

Duquenne, Henri henri.duquenne@ensg.ign.fr 01 64 15 32 54

David Coulot david.coulot@ensg.ign.fr 01 64 15 32 63

Garayt, Bruno bruno.garayt@ensg.ign.fr 01 64 15 32 57

Guérin, Christiane christiane.guerin@ensg.ign.fr 01 64 15 32 52

Jamet, Olivier jamet@ensg.ign.fr 01 64 15 32 50

Langellier Bernard ** bernard.langellier@cnes.fr 05 61 33 28 90

Laplanche, Maurice * laplanche@obs-azur.fr 04 93 40 54 21

Isabelle Panet (Ing. PC) isabelle.panet@ensg.ign.fr 01 64 15 32 60 * mis à diposition de l équipe GEMINI (GRGS/OCA) ** mis à dipsosition du BGI (équipe GRGS/OMP)

LISTE ET COORDONNEES DU PERSONNEL GRGS

207

Personnel rattaché

Boucher, Claude (CGPC) boucher@ensg.ign.fr 01 43 98 83 27

Gaulué, Edouard (ENSG) edouard.gaulue@ensg.ign.fr 01 64 15 32 43

Karine Le Bail (CDD CNES) karine.le-bail@ensg.ign.fr 01 64 15 32 63

Patrick Sillard (INSEE) sillard@ensg.ign.fr 01 64 15 32 60

Jérôme Verdun (ENSG) jerome.verdun@ensg.ign.fr 01 64 15 31 09

Pascal Willis (IGN/DT) pascal.willis@ensg.ign.fr JPL (USA), puis IPGP

Guy Woppelmann (U. La Rochelle) guy.woppelmann@univ-lr.fr 05 46 45 86 13

Doctorants

Xavier Collileux (Ing. IGN) xavier collileux@ensg.ign.fr 01 64 15 32 60

Juliette Legrand (MEN) juliette.legrand@ensg.ign.fr 01 64 15 32 60

Arnaud Pollet Arnaud.pollet@ensg.ign.fr

Samuel Sabani

Bertrand de Saint-Jean (Bourse IGN)

bertrand.desaint-jean@ensg.ign.fr 01 64 15 32 58

3. Equipe GRGS, Observatoire de Paris, SYRTE, (UMR 8630) 61 avenue Observatoire, 75 014 Paris

Personnel permanent

Barache Christophe christophe.barache@obspm.fr 01 40 51 22 30

Baudoin, Pascale pascale.baudoin@obspm.fr 01 40 51 22 26

Becker, Olivier becker@danof.obspm.fr 01 40 51 22 11

Bizouard, Christian christian.bizouard@obspm.fr 01 40 51 23 35

Bougeard, Mireille mireille.bougeard@obspm.fr 01 40 51 20 15

Bouquillon, Sébastien sebastien.bouquillon@obspm.fr 01 40 51 20 03

Capitaine, Nicole nicole.capitaine@obspm.fr 01 40 51 22 31

Carlucci, Teddy teddy.carlucci@obspm.fr 01 40 51 22 28

Coll, Bartolomé bartolome.coll@obspm.fr 01 40 51 20 20

Francou, Gérard francou@danof.obspm.fr 01 40 51 20 30

Gambis, Daniel daniel.gambis@obspm.fr 01 40 51 22 29

Gontier, Anne-Marie anne-marie.gontier@obspm.fr 01 40 51 22 30

Souchay, Jean jean.souchay@obspm.fr 01 40 51 23 22

Teyssandier, Pierre pierre.teyssandier@obspm.fr 01 40 51 23 41

Doctorants et post-docs Le Poncin Laffitte Ch ; (MEN) christophe.leponcin-lafitte@obspm.fr 01 40 51 20 03 Melachroïnos, St (Bourse MEN)* stavros@pontos.cst.cnes.fr 05 61 33 28 44 Seoane, Lucia lucia.seoane@obspm.fr Zerhouni Wassila wassila.zerhouni@obspm.fr

* également au CNES/GRGS

208

4. Equipe GRGS, Observatoire de la Côte d’Azur, GEMINI (UMR 6203) Avenue Nicolas Copernic, 06130 Grasse

Personnel permanent

Bério, Philippe philippe.berio@obs-azur.fr 04 93 40 54 54

Bonnefond, Pascal pascal.bonnefond@obs-azur.fr 04 93 40 53 63

Deleflie, Florent florent.deleflie@obs-azur.fr 04 93 40 53 81

Exertier, Pierre pierre.exertier@obs-azur 04 93 40 53 86

Cuot, Etienne etienne.cuot@obs-azur.fr 04 93 40 53 77 (ou 5422)

Féraudy, Dominique dominique.feraudy@obs-azur.fr 04 93 40 53 47

Furia, Maurice maurice.furia@obs-azur 04 93 40 53 50 (ou 5427)

Julienne, Christine christine.julienne@obs-azur.fr 04 93 40 53 88

Laplanche, Maurice (IGN) maurice.laplanche@obs-azur 04 93 40 54 20

Laurain, Olivier olivier.laurain@obs-azur 04 93 40 53 45

Métris, Gilles gilles.metris@obs-azur.fr 04 93 40 53 56

Paris, Jocelyn jocelyn.paris@obs-azur 04 93 40 54 28

Pierron, Francis francis.pierron@obs-azur.fr 04 93 40 54 20

Pierron, Monique monique.pierron@obs-azur.fr 04 93 40 54 20

Quevan Emmanuel

Samain, Etienne etienne.samain@obs-azur.fr 04 93 40 54 29

Torre, Jean-Marie jean-marie.torre@obs-azur.fr 04 93 40 53 51 (ou 54 27)

Personnel non permanent

Dreant, Olivier (CDD) Olivier.dreant@obs-azur.fr

Pireaux, Sophie (post-doc) sophie.pireaux@obs-azur.fr 04 93 40 53 70

Weick, Jonathan (CDD, CNRS) jonathan.weick@obs-azur.fr 04 93 40 54 10

Doctorants

Fontdecaba, Jordi Jordi.fontdecaba@obs-azur.fr 04 93 40 53 70

Vrancken, Patrick (Bourse CNES/Alcatel)

patrick.wrancken@obs-azur.fr 04 93 40 54 10

209

5. Equipes GRGS, Service Hydrographique et Océanographique de la Marine BP 30316, 29603 Brest Cedex

Personnel permanent

(a) Laboratoire de géodésie – géophysique

Lalancette, Marie Françoise lalancette@shom.fr 02 98 22 15 87

Le Roy, Ronan rleroy@shom.fr

Pineau-Guillou, Lucia pineau-guillou@shom.fr

Rouxel, Didier didier.rouxel@shom.fr 02.98.37.78.09

Simon, Bernard bernard.simon@shom.fr

(b) Laboratoire d’océanographie

Kerleguer, Laurent laurent.kerleguer@shom.fr

Morel, Yves morel@shom.fr 05 61 43 35 25

Vrac, Stéphanie vrac@shom.fr

Doctorant

Pouvreau, Nicolas (Bourse MEN) nicolas.pouvreau@univ-lr.fr Un. La Rochelle

6. Equipes GRGS, Observatoire Midi-Pyrénées

(a) LEGOS (UMR 5566)

14, Av. Edouard Belin 31400, Toulouse

Personnel permanent

Menard, Yves yves.menard@cnes.fr 05 61 27 48 72

Barbe, Véronique veronique.barbe@cnes.fr 05 61 33 28 30;

Bergé-Nguyen, Muriel muriel.berge@cnes.fr 05 61 33 29 75

Calmant, Stéphane stephane.calmant@cnes.fr 05 61 33 29 37

Cazenave, Anny anny.cazenave@cnes.fr 05 61 25 32 05

Crétaux, Jean-François jean-francois.cretaux@cnes.fr 05 61 33 29 89

Dominh, Kien kien.dominh@cnes.fr 05 61 33 29 38

Gennero, Marie-Claude gennero@cnes.fr 05 61 33 29 35

Mena, Martine mena@notos.cst.cnes.fr 05 61 33 29 02

Ramillien, Guillaume ramillie@notos.cst.cnes.fr 05 61 33 29 30

Doctorants Lombard Alix (Bourse CNRS/CLS)

lombard@notos.cst.cnes.fr 05 61 33 29 25

Frappart Frédéric frappart@notos.cst.cnes.fr 05 61 33 29 30

210

(Bourse CNES/Alcatel)

(b) Dynamique Terrestre et Planétaire (DTP/UMR 5562)

14, Av. Edouard Belin 31400, Toulouse

Personnel permanent

Langellier, Bernard bernard.langellier@cnes.fr 05 61 33 28 90

Pecquerie, Sophie sophie.pecquerie@cnes.fr 05 61 33 28 96

Doctorants Duron Julien (ORB -détaché) j.duron@oma.be

Abbassi Mustapha (Bourse SFERE)

madjid.abbasi@obs-mip.fr 05 61 33 28 44

7. Equipe GRGS, Université de Polynésie Française, Observatoire Géodésique de Tahiti (OGT)

BP 6570 98702 FAA’A Tahiti, Polynésie Française

Personnel permanent

Barriot, Jean-Pierre jean-pierre.barriot@cnes.fr 00 698 803 884

Maamaatuaiahutapu Keitapu Keitapu.Maamaatuaiahutapu@upf.pf

Yannick Vota Yannick.Vota@upf.pf

Bastien Jouanneau jouanneau@upf.pf

8. Equipe rattachée au GRGS : Ecole Supérieure des Géomètres et Topographes, (CNAM)

1, boulevard Pythagore - Campus universitaire, 72000 Le Mans Tél. : 02 43 43 31 00 - Fax. : 02 43 43 31 02

Personnel permanent

Durand, Stéphane (ESGT) stephane.durand@esgt.cnam.fr 02 43 43 31 00

Morel, Laurent (ESGT) laurent.morel@esgt.cnam.fr 02 43 43 31 00

Joëlle Nicolas (ESGT) joelle.nicolas@esgt.cnam.fr 02 43 43 31 00