Contexte
Positionnement GNSS
En positionnement GNSS précis on cherche à obtenir la distance géométrique entre chaque satellite observé et le point à positionner. À partir de ces distances, la position est estimée sur une période d’intégration qui peut aller d’une fraction de seconde jusqu’à 24 heures au maximum. Plus la période d’intégration est longue, plus la position estimée est précise et, donc, plus les corrections requises sont petites. L’estimation de la position par GNSS est impactée par de nombreux phénomènes physiques et instrumentaux qu’il est nécessaire de prendre en compte, dont certains sont toujours mal compris.
La figure suivante montre l’anatomie des effets connus qui ont une contribution importante dans le bilan d’erreur des distances mesurées aux satellites. La recherche en positionnement GNSS vise à mieux comprendre tous ces phénomènes physiques et instrumentaux, qui couvrent une large gamme de disciplines scientifiques : depuis les variations du champ de gravité et de la pression de radiation solaire dans l’espace, jusqu’aux déformations à la surface, notamment les effets maréaux, tout en traversant le plasma ionosphérique et les masses d’eau précipitable, et sans oublier l’empreinte instrumentale.
À partir de la position estimée de manière répétée tout au long du temps, on peut déterminer la trajectoire des stations permanentes qui enregistrent des observations GNSS en continu et partout sur la surface de la planète. Ces trajectoires sont utilisées pour répondre à de nombreuses questions scientifiques liées au perfectionnement des systèmes de référence, mais aussi aux changements sur la surface de la Terre : transferts de masse entre les systèmes hydrologiques, comme la fonte des glaciers ou l’exploitation des nappes phréatiques ; la déformation volcanique et inter-sismique ; les phénomènes de subsidence et le rebond post-glaciaire.
La figure suivante montre un exemple avec la série de position de la station AREQ00PER à Arequipa, au Pérou, obtenue à partir de la solution SPOTGINS. La figure montre les positions estimées chaque jour depuis juin 2000, par rapport à une position fixe, avec le logiciel GINS du CNES. La trajectoire ajustée sur la série sert à quantifier la déformation du sol suite au séisme de magnitude 8,4 survenu en 2001 : déplacement co-sismique de 54 cm suivi d’une relaxation post-sismique de 14 cm sur les années suivantes.
La figure indique la dispersion des positions estimées par rapport à la trajectoire ajustée. Cette dispersion est de l’ordre de 1 à 2 mm pour les coordonnées planimétriques et d’environ 5 mm pour la coordonnée altimétrique. Ces chiffres nous indiquent, en partie, la magnitude des erreurs de positionnement qui restent à améliorer encore aujourd’hui. Pour mettre ces chiffres en perspective, cette précision est l’équivalent de la pointe d’un crayon, tenu depuis ~20.000 km dans l’espace, et placé sur une feuille de papier de plusieurs millions de km2 représentant une plaque tectonique. Cette précision est obtenue aujourd’hui après 30 ans de recherche GNSS. Par contre, la densité spectrale de ces erreurs de positionnement n’est pas homogène ; elle augmente avec la période d’observation. Autrement dit, les positions estimées se ressemblent beaucoup les jours consécutifs, mais cette ressemblance se perd, et la variabilité augmente, à mesure que la période d’observation augmente.
Des variations de la position estimée sur de longues périodes, qui caractérisent ce phénomène, sont observées dans la majorité des séries de position GNSS, même dans des endroits bien plus stables que celui de l’exemple de la figure. Plusieurs processus ont été identifiés comme contributeurs à ce phénomène, notamment la déformation de surcharge ou la stabilité géométrique de la constellation de satellites. Cependant, le processus principal à l’origine de ce phénomène n’a pas encore été identifié, ce qui constitue un enjeu scientifique majeur pour la quantification précise de la déformation lente de la Terre. Par exemple, dans le cas hypothétique où ce phénomène aurait été identifié et corrigé, produisant des erreurs de position de la même magnitude, mais qui ne dépendent pas de la période observée, les incertitudes sur les tendances estimées seraient réduites d’environ 10 fois. Une telle précision permettrait de mettre en place un système de référence géodésique encore plus précis, et ensemble, ces deux facteurs d’amélioration permettraient de mieux séparer des signaux géophysiques avec des séries d’observation plus courtes et même d’identifier des signaux qui ne sont pas observables aujourd’hui.