I-3 Les différents systèmes de géodésie spatiale
ObjectifI-3-a Introduction
I-3-b Le Système Transit
I-3-c Le Système Argos
I-3-d Le Système Doris
I-3-e Positionnement par Laser
I-3-f Interférométrie à très longue base VLBIExercice
A la fin de cette unité, l'apprenant sera capable de décrire les différents types de mesures utilisés en géodésie spatiale ainsi que les différentes techniques associées sauf le système GPS qui sera étudié dans le chapitre suivant.
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I-3-a Introduction
La géodésie spatiale
constitue un apport considérable dans le domaine des Sciences de la Terre.
Ces nouvelles techniques de mesure et de localisation sont entrées dans les
programmes des Sciences de la vie et de la Terre en Première Siècle et en
Terminale Siècle. Le GPS n'est pas la seule technique de positionnement
employée et de nombreux documents utilisés dans les manuels font appel à
d'autres techniques. Voici des informations sur ces techniques et quelques
applications pédagogiques.
I-3-b Le Système Transit
Le premier système de
positionnement développé par L’U.S. Navy, TRANSIT, utilisait le principe de
l’effet Doppler. C’est un système descendant, les satellites sont émetteurs
et les récepteurs sont passifs ce qui permet de réduire leur taille et d’un
point de vue militaire, de les rendre plus “furtifs”.
Ce système a été mis en service en 1958 et est resté uniquement à usage
militaire jusqu’en 1967, date à laquelle la communauté scientifique et en
particulier les géodésiens l’ont adopté pour leurs travaux.
Il n’a plus été maintenu à partir de 1985 et le dernier satellite a cessé
d’émettre en 1988.
Ce système a été largement utilisé en géodésie spatiale et les meilleurs
résultats obtenus l’ont été en point isolé avec une exactitude absolue de
l’ordre de 80 centimètres.
I-3-c Le Système Argos
Argos est devenu le système
de référence pour l'étude et la protection de l'environnement à l'échelle
mondiale.
Le système satellitaire Argos est né d'une coopération entre :le Centre
National d'Etudes Spatiales (CNES), l'Agence américaine d'étude de
l'atmosphère et de l'océan (NOAA), l'Agence spatiale américaine (NASA). De
nouveaux partenaires renforceront cette coopération internationale et
fourniront des satellites supplémentaires dès l'an 2001 :l'Agence spatiale
japonaise (NASDA), l'Organisation européenne des satellites météorologiques
(EUMETSAT).
Non prévu pour des applications géodésiques, il donne une exactitude absolue
de l’ordre de quelques centaines de mètres en longitude et en latitude et de
0,5 m/s pour la vitesse. Contrairement à TRANSIT, il est ascendant, ce sont
les récepteurs qui émettent vers les satellites. Ceux-ci renvoient ensuite
les observations collectées vers trois centres de collectes qui sont Wallops
Island en Virgine (Etat Unis), Gilmore Creek en Alaska et Lanion en France.
Ces données sont ensuite
envoyées à Toulouse pour traitements, puis les informations sur les
coordonnées et la vitesse de l’objet à positionner sont ensuite distribués
aux utilisateurs.
Fonctionnement :
1 - Les balises Argos émettent automatiquement des messages qui sont reçus
par des satellites en orbite terrestre basse.
2 - Les satellites transfèrent les messages vers des stations terrestres.
3 - Les stations terrestres transmettent automatiquement les messages vers
les centres de traitement Argos.
Les centres de traitement déterminent la position des émetteurs, traitent
les données fournies par les capteurs.
4 - Les centres de traitement distribuent les résultats aux utilisateurs.
I-3-d Le Système Doris
Le système DORIS
(Détermination d’orbite et Radio positionnement Intégrés par Satellite) a
été conçu et développé par Le CNES, le GRGS et l’IGN. Son but est d’apporter
une réponse aux besoins en matière d’orbitographie précise et de
positionnement de précision. Comme Argos, DORIS est un système ascendant.
Les balises au sol transmettent leurs données aux récepteurs, installés sur
des satellites, qui effectuent le comptage Doppler. Ensuite ils
retransmettent les données, via des centres de collecte, au CNES à Toulouse
afin que soit réalisé les calculs d’orbites ou de coordonnées de points au
sol. Le secteur spatial est composé par des récepteurs embarqués sur
différents satellites, aujourd’hui les satellites d’observations de la Terre
SPOT2, SPOT3 et SPOT4 et sur le satellite océanographique TOPEX/POSEIDON.
L’altitude des satellites porteurs doit être comprise entre 700 et 1500 km.
Au-delà le signal émis par les balises sol est trop faible.
Cinquante deux balises d’orbitographie
réparties d’une façon homogène autour du globe servent à calculer des
orbites des satellites avec une précision de l’ordre de 10 centimètres. Pour
cela ces balises disposent d’horloges ultra stables et émettent sur deux
fréquences 2036.25 MHz et 401.25 MHz. Ces balises sont reliées à une
stations météo qui enregistre automatiquement la pression, l’humidité et la
température sèche. Ces données sont transmises au satellite et sont
utilisées dans les calculs.
Il existe aussi des balises de localisation, qui sont utilisées pour des
applications géophysiques. Contrairement au GPS, la conception de DORIS
comme un système ascendant réduit le nombre d’utilisateurs potentiels. Il
faut, pour chaque balise, programmer les récepteurs qui ne captent qu’une
émission a la fois. Ce séquencement est prévu à l’avance par le secteur de
contrôle, qui programmes les récepteurs depuis le sol. Une balise maîtresse
est chargée, par le centre de contrôle, de transmettre les informations
utiles au fonctionnement du récepteur à bord du satellite.
Le centre contrôle DORIS, installé à Toulouse est chargé de maintenir le bon
fonctionnement de l’ensemble du système. Pour cela il assure le recueil des
mesures effectuées par les satellites, la maintenance des récepteurs
embarqués, la programmation des enregistrements des balises sol en
fournissant au travers de la balise maîtresse les informations dont ils ont
besoins.
Intérêt du système DORIS
Depuis le lancement du satellite SPOT 4 en mars 1998, le traitement à bord des mesures DORIS par le logiciel DIODE permet la détermination instantanée de sa position dans l'espace. Pour la première fois, un système de navigation autonome atteint la précision de quelques mètres
Localisation de stations au sol
De nombreuses activités humaines nécessitent l'établissement de points
géodésiques de référence regroupés en réseaux. A l'échelle locale, il peut
s'agir de la délimitation d'une concession pétrolière, à l'échelle nationale
du tracé d'une route, à l'échelle intercontinentale de l'observation de
l'évolution du niveau moyen des mers.
DORIS, véritable géomètre de l'espace, répond à ce besoin en fournissant les
coordonnées absolues de points fixes avec une précision meilleure que 20 cm
en 48 heures et jusqu'au centimètre après quelques semaines d'observation.
En observation permanente, il est aussi possible de mesurer, en trois
dimensions, des déplacements de quelques mm/an.DORIS est une des quatre
techniques de géodésie spatiale sélectionnée par le Service International de
Rotation Terrestre pour réaliser le Système de Référence Terrestre
International (ITRS).
LES APPLICATIONS DU POSITIONNEMENT
La géodésie de grande précision
Coordonnées absolues 3D dans le Système de Référence Terrestre International, réseaux géodésiques globaux ou régionaux, référence d'altitudes pour la hauteur de l'océan et ses variations, mouvements du géocentre
La géotechnique
Glissement de terrain, points d'appui pour le positionnement et la navigation en mode différentiel.
La géodésie opérationnelle
Rattachement de points fixes isolés, points d'appui de réseaux locaux, pointage d'antenne, calage d'images aériennes ou spatiales.
La géophysique
Mesures de déformations, tectonique régionale, surveillance sismique
I-3-e Positionnement par Laser
La géodésie consiste à
localiser très exactement des points à la surface de la Terre et à
déterminer avec précision la surface d'altitude zéro, le géoïde. La géodésie
spatiale utilise des repères extérieurs à la Terre : satellites artificiels,
ou encore les quasars.
Principe du positionnement par laser
Cette technique encore appelée " télémétrie laser sur satellite " ou SLR,
"Satellite Laser Ranging", s'est développée dès 1965. Elle consiste en la
mesure ultra précise du temps aller retour d'une impulsion de lumière verte
visible qui atteint le satellite où elle est réfléchie dans des prismes de
réflecteurs et renvoyée jusqu'à un capteur placé au sol. La station comporte
:
- un laser à impulsions courtes : 100 picosecondes, et à haute cadence : 10
hertz,
- un téléscope de poursuite des satellites pour recevoir la lumière
réfléchie par le satellite,
- un chronomètre de très haute précision et une horloge ultraprécise,
- le satellite qui constitue juste une cible passive renvoyant le signal.
Connaissant le temps de trajet aller retour de la lumière entre la source et
le satellite, ainsi que la vitesse de la lumière, on calcule directement la
distance
Application à la tectonique
des plaques : ce système permet donc, selon le positionnement des stations,
de suivre le déplacement des plaques lithosphériques avec une précision de
l'ordre du centimètre.
Mais elle présente deux inconvénients : elle ne fonctionne pas lorsque le
ciel est nuageux et de plus, la densité des stations reste faible et surtout
très peu homogène. Elles sont essentiellement en Amérique du nord et en
Europe
I-3-f
Interférométrie à très longue base VLBI
Principe : cette
technique n'utilise pas les satellites. Un quasar lointain émet un signal
électromagnétique d'une longueur d'onde centimétrique qui est reçu sur Terre
par deux antennes astronomiques A et B. Ces ondes sont des signaux
aléatoires. Un même signal ne sera pas reçu au même moment par l'antenne A
et par l'antenne B compte tenu de la différence de distance à parcourir.
Cette distance d est égale au décalage du temps t2-t1 de réception du signal
par les deux antennes mutiplié par c, la vitesse de la lumière.
Connaissant d=(t2-t1)*c, on peut évaluer la distance D entre les deux
antennes.
Dans le triangle rectangle
D = d / cos a
L'angle a est un paramètre du quasar.
La première preuve par mesures directes de la dérive des continents :
En 1986, après cinq ans de mesures mensuelles par VLBI de la distance entre
Westford près de Boston aux Etats-Unis et Onsala en Norvège, les géodésiens
ont estimé la vitesse de l'ouverture de l'Atlantique à 2 cm par an.
La distance entre Westford et Wettzell en Allemagne a été mesurée toutes les
semaines entre 1984 et 1993 par VLBI.
On peut évaluer la
vitesse de l'écartement entre les deux lieux dû à l'ouverture de
l'Atlantique. On constate que la précision s'améliore très nettement après
1988.Grâce aux progrès technologiques : de centimétrique, elle devient
millimétrique
Les barres indiquent les
incertitudes de la mesure déduites de l'écart type de chaque estimation.
en rouge : les données du modèle NUVEL -1
en pointillés : données selon le modèle modifié
en noir : les données géodésiques
Exercice
1) Vrai ou Faux
Le système Transit a été largement utilisé en géodésie spatiale et les meilleurs résultats obtenus l’ont été en point isolé avec une exactitude absolue de l’ordre de 80 centimètres.
Vrai
Faux
Le système Argos est prévu pour des applications géodésiques
Vrai
Faux
Connaissant le temps de trajet aller retour de la lumière entre la source et le satellite, ainsi que la vitesse de la lumière, on calcule directement la distance par la technologie de laser.
Vrai
Faux
La technique de VLBI utilise des satelittes afin de gangenr de la précision.
Vrai
Faux
DORIS est un système ascendant.
Vrai
Faux
2) Choisissez les bonnes réponses
Les applications du positionnement par DORIS sont:
A-
La géodésie
opérationnelle
B- La géodésie de
grande précision
C- la géotechniqe
D- La topography
E- La géophysique
