Titre : |
Références géodésiques pour les futures missions altimétriques : Application à la mission Jason |
Type de document : |
Thèse/HDR |
Auteurs : |
Laurent Morel, Auteur ; Pascal Willis , Directeur de thèse |
Editeur : |
Paris : Institut Géographique National - IGN (1940-2007) |
Année de publication : |
2001 |
Importance : |
325 p. |
Format : |
21 x 30 cm |
Note générale : |
Bibliographie
Thèse de doctorat en dynamique des systèmes gravitationnels |
Langues : |
Français (fre) |
Descripteur : |
[Vedettes matières IGN] Systèmes de référence et réseaux [Termes IGN] altimétrie satellitaire par radar [Termes IGN] géodésie spatiale [Termes IGN] Jason [Termes IGN] marégraphie [Termes IGN] niveau de la mer [Termes IGN] orbitographie [Termes IGN] station DORIS [Termes IGN] système de référence géodésique
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Index. décimale : |
THESE Thèses et HDR |
Résumé : |
(Auteur) [introduction] [...] Dans un contexte de réchauffement climatique, parmi les nombreuses recherches scientifiques, l'étude des variations séculaires du niveau des mers peut permettre une meilleure compréhension des interactions entre l'océan et l'atmosphère. Elle peut apporter des prévisions climatiques plus précises pour le siècle prochain à condition que les océanographes puissent estimer avec certitude des variations millimétriques du niveau moyen des mers sur plusieurs décennies.
A l'heure actuelle, l'altimétrie spatiale est une technique de pointe qui permet d'atteindre cet objectif. Avec des satellites comme celui de la mission franco-américaine TOPEX/Poséidon, on mesure très régulièrement des hauteurs de mer pour toutes les surfaces océaniques de la planète. Grâce à une détermination presque centimétrique de la position du satellite et une distance radar observée très précisément, les océanographes peuvent calculer le niveau des mers avec la précision souhaitée. De plus, au bout d'un cycle de 10 jours, le satellite repasse au-dessus des mêmes points. Ces observations en continu depuis fin 1992 permettent donc aux océanographes de suivre l'évolution du niveau moyen des mers et d'estimer ses variations avec des précisions inférieures au mm/an.
De telles performances peuvent surprendre le grand public si l'on tente d'imaginer ce qu'elles représentent réellement mais elles sont le fruit d'une recherche approfondie dans les nombreux domaines qui interviennent en altimétrie spatiale. Elles reposent entre autre sur la définition précise de la surface de référence à laquelle se rapportent les variations du niveau moyen des mers. Ce qui signifie que nous devons être capables de définir le niveau zéro de la mer et surtout de le conserver dans le temps.
On peut utiliser pour cela une surface de référence terrestre mathématique (ellipsoïde) ou une surface physique (géoïde) qu'il faudra surveiller. Mais dans les deux cas, on doit connaître le positionnement précis de cette surface par rapport à une origine bien définie compte tenu que les mesures de géodésie spatiale contiennent implicitement la définition de cette origine. D'autre part, si les océanographes peuvent annoncer des précisions relatives de l'ordre du mm/an pour les variations du niveau des mers (1 mm / 6400 km ~ 1.6.10""10), cela signifie que les techniques de géodésie spatiale sur lesquelles ils s'appuient en partie sont capables de mesurer des très grandes distances à ce degré d'exactitude (autrement dit, de réaliser l'unité de longueur S.I).
Cette thèse tente de répondre à ces interrogations sur la réalisation du mètre et l'origine du repère terrestre apportée par la géodésie spatiale. Autrement dit, sur le système de référence final dans lequel les résultats océanographiques seront exprimés. Elle s'inscrit dans le domaine de la métrologie, appliquée à l'observation des océans par des satellites artificiels.
Depuis les premières mesures terrestres, les besoins des scientifiques rattrapent sans cesse la qualité des références mises en place par les géodésiens. Si l'on s'intéresse plus particulièrement au cas de la réalisation du mètre, tout le monde utilise aujourd'hui cette unité du système international (S.I) mais avec des besoins de précision différents. Autrefois, les règles que l'on utilisait ou la chaîne d'arpenteur employée par le géomètre étaient étalonnées par rapport au mètre étalon (ou mètres prototypes), réalisant la définition métrique de l'époque : le millionième du quart d'un méridien terrestre. Mais il a fallu changer cette définition car les besoins en précision devinrent plus importants que la précision des étalons. Aujourd'hui, cette définition est liée au temps (le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant 1/299792458ème de seconde). Il existe toujours des utilisateurs qui se servent des réalisations de la nouvelle définition du mètre en employant des instruments étalonnés en laboratoire (distancemètre, ruban, règle d'écolier,...) mais il y a aussi les nouveaux utilisateurs de la géodésie spatiale qui réalisent eux-mêmes la définition du mètre. En effet, il n'est pas possible d'étalonner un système fondé sur des satellites comme on étalonne un distancemètre en laboratoire. Pourtant, la géodésie spatiale fournit des distances métriques calculées à partir des mesures d'horloge et de la vitesse de la lumière dans le vide. Ces observations sont donc autant de réalisations de la définition du mètre qui dépendent des horloges (trajet d'une onde entre satellite et récepteur) et des modèles physiques pour la propagation du signal dans l'atmosphère et les positions relatives des objets. L'IERS (International Earth Rotation Service) qui utilise toutes les techniques de géodésie spatiale a justement pour objectif de produire des réalisations du système de référence cohérentes. Malgré tout, l'information de système de référence implicitement contenue dans la mesure et celle des modèles utilisés pour décrire cette mesure peuvent être incompatibles et rendre donc beaucoup plus floue la définition du système de référence final.
Même si des standards se mettent progressivement en place, depuis le début, chaque groupe utilise ses propres modèles et exprime ainsi ses résultats dans sa propre réalisation de système de référence. De plus, les modèles évoluent sans cesse et les centres opérationnels intègrent au fur à mesure les nouvelles réalisations, modifiant ainsi leur propre réalisation de système de référence. Mais s'il apparaît clairement que chacun exprime ses propres résultats dans sa propre réalisation, on peut souvent ne pas s'apercevoir de ces différences tant que l'on continue à travailler en interne. Par contre, peut-on utiliser des résultats qui sont dans des systèmes de référence différents ? Cette question se pose tout spécialement pour l'étude des variations du niveau des mers car elle utilise les résultats de diverses missions altimétriques, sur des dizaines d'années au cours desquelles les modèles se sont succédés au fur à mesure des améliorations techniques. Il faut donc tenter de préciser dans quel système de référence seront exprimés les résultats. Si sa définition vient de certaines modélisations présentes dans le calcul, des stratégies d'estimation employées, de l'information contenue dans les mesures ou d'une combinaison des trois. Au niveau de précision requis en océanographie, il est au moins indispensable de caractériser et de quantifier les écarts entre les réalisations de systèmes de référence dans lesquels seront donnés les résultats (position du satellite et niveau des mers), et éventuellement de les corriger pour éviter d'avoir à refaire les calculs complexes d'orbitographie.
Cette thèse reprend ces deux objectifs mais dans un cadre plus restreint concernant uniquement les différents modèles de réalisation des systèmes de références géodésiques dont on suppose qu'ils contribuent fortement à la réalisation du système de référence final. Toutes les autres modélisations et en particulier le champ de gravité participent probablement à cette réalisation mais pourraient faire l'objet à notre sens d'un autre sujet de thèse. De la même manière, le problème reste trop vaste si l'on considère toutes les techniques de géodésie spatiale, nous nous sommes donc focalisés sur la technique DORIS et le satellite TOPEX/Poséidon qui est de toute première importance pour l'océanographie spatiale.
Dans une première partie, afin de mieux percevoir la problématique scientifique actuelle ainsi que les implications humaines et économiques, nous préciserons en détail le cadre scientifique dans lequel s'inscrit cette thèse : l'étude du niveau des mers. Au travers des deux techniques qui permettent de suivre ses variations, la marégraphie et l'altimétrie spatiale, nous nous interrogerons sur leur comparaison ce qui nous permettra d'appréhender d'une manière pratique la question des références géodésiques (réalisations de systèmes de références). Nous poursuivrons cette entrée en matière en nous attardant sur les raisons qui nous ont poussé à nous intéresser aux références géodésiques dans une seconde partie.
Le troisième chapitre est entièrement consacré à un état des lieux des références utilisées pour la mission franco-américaine TOPEX/Poséidon. Cette description montrera les nombreuses disparités qui existent encore pour les modèles et les stratégies de calcul utilisés par les centres opérationnels de calculs d'orbite. Ce chapitre servira de fondement aux suivants, en particulier par ses études préliminaires sur les références géodésiques de la mission TOPEX/Poséidon mais également d'un point de vue général.
Puis, dans les trois chapitres suivants, nous caractériserons quelles*peuvent-être les conséquences sur le résultat final lorsque l'on utilise différentes références géodésiques. Nous établirons des fonctions de transfert entre les différences des diverses réalisations de systèmes de référence géodésiques au départ et les systématismes qui peuvent se produire sur l'orbite de TOPEX/Poséidon et le niveau des mers. Autrement dit, nous estimerons des fonctions qui serviront à corriger les effets systématiques et qui permettront d'obtenir les ordres de grandeur des imprécisions induites par les références géodésiques sur les résultats comme l'orbite et le niveau des mers (sans avoir à refaire de calculs). Nous déterminerons ainsi le système de référence final dans lequel les océanographes expriment leurs résultats.
Dans une dernière partie, par souci d'exhaustivité, nous compléterons les précédentes études en recherchant quelles sont les conséquences sur l'orbite et le niveau des mers d'une coordonnée de station de poursuite DORIS imprécise ou erronée. |
Note de contenu : |
INTRODUCTION
1 LE NIVEAU DE LA MER
1.1 Introduction à l'étude du niveau de la mer
1.2 Le niveau des mers estimé par la marégraphie
1.3 Le niveau des mers et l'altimétrie
1.4 Les programmes internationaux
2 POURQUOI S'INTÉRESSER AUX RÉFÉRENCES GÉODÉSIQUES ?
2.1 Pour satisfaire aux besoins scientifiques
2.2 Parce que la qualité des techniques a évolué
2.3 A cause de nos méthodes de travail
3 RÉFÉRENCES GÉODÉSIQUES
3.1 La mesure altimétrique
3.2 Orbite
3.3 Les références géodésiques
3.4 Références géodésiques CNES et NASA
3.5 Qualité des références géodésiques
4 RÉFÉRENCES GÉODÉSIQUES ET ORBITE
4.1 Introduction
4.2 Approche théorique et définition des simulations
4.3 Facteur d'échelle
4.4 Translations
5 RÉFÉRENCES GÉODÉSIQUES ET NIVEAU DES MERS
5.1 Introduction
5.2 Facteur d'échelle
5.3 Translations
5.4 Généralisation à des arcs plus longs
5.5 Applications des fonctions de transfert
6 STRATÉGIE D'ESTIMATION
6.1 Introduction
6.2 Nouveaux résultats
6.3 Corrélation dans l'estimation d'orbite
7 ERREUR D'UNE COORDONNÉE D'UNE STATION
7.1 Introduction
7.2 Description de l'étude
7.3 Effet sur l'orbite
7.4 Effet sur le niveau des mers
7.5 Applications
CONCLUSION |
Numéro de notice : |
28963 |
Affiliation des auteurs : |
LAREG (1991-2011) |
Thématique : |
POSITIONNEMENT |
Nature : |
Thèse française |
Note de thèse : |
Thèse de doctorat : dynamique des systèmes gravitationnels : Paris, IGN : 2001 |
Organisme de stage : |
LAREG (IGN) |
nature-HAL : |
Thèse |
DOI : |
sans |
En ligne : |
https://tel.hal.science/tel-02071401 |
Format de la ressource électronique : |
URL |
Permalink : |
https://documentation.ensg.eu/index.php?lvl=notice_display&id=45394 |
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