Zuheir ALTAMIMI - Implication de l'IGN dans les ... - Recherche

Contributions scientifiques de l’IGN 

aux services internationaux 

Zuheir Altamimi 

Journées Recherche IGN 11 mars 2009 

1

Sommaire 

• La géodésie moderne et sa contribution aux 

géosciences 

• L’Association Internationale de Géodésie 

• Les services des techniques spatiales 

• Contribution de l’IGN 

• Illustrations par des résultats récents: 

– Analyse de données 

– ITRF 

– Niveau des mers 

– Tectonique des plaques 

– Effets de surcharge 


2

La géodésie 

• Discipline fondamentale pour les applications en 

science de la Terre 

• est la seule capable à réaliser un système de 

référence terrestre global 

• Le progrès accompli par la géodésie depuis plus 

d’un quart de siècle est le fruit de contributions 

internationales fondées sur le volontariat et la 

coopération pour l’intérêt scientifique 

• ==> Création de services scientifiques 


3

La géodésie mesure la Terre 

dans l’espace et dans le temps 

• Les changements géométriques de la surface de la 

Terre: 

– Déformations horizontales et verticales de la croûte 

terrestre 

– Variations spatiales et temporelles des surface 

océaniques et des glaciers 

– La géodésie ne mesure pas les déformations verticales 

des fonds des océans… 

• Fluctuation de l’orientation de la Terre dans 

l’espace 

• Variations spatio-temporelles du champ de 

gravité terrestre 


4

La géodésie contribue à la compréhension de 

phénomènes géophysiques 

• Niveau des mers Changement climatique 

• Mouvement crustal: tectoniques, tremblement de 

Terre, éruptions volcaniques… 

• Surcharges hydrologique et atmosphérique 

• Circulation océanique 

• Marrées terrestre, océanique, polaire et 

atmosphérique 

• Rebond post glaciaire (GIA - Glacial Isostatic Adjustment ) 


5

Association Internationale de Géodésie 

• Une des 9 associations qui composent l’UGGI 

• 1862: Mitteleuropäische Gradmessung (Central European Arc Measurement) 

• 1867: Europäische Gradmessung (European Arc Measurement) 

• 1886: Internationale Erdmessung (International Association of Geodesy, 

Association Géodésique Internationale) 

• 1922: (AG de l’UGGI, Rome): International Association of Geodesy 

• Secrétaires Généraux: G. Perrier, P. Tardi, JJ. Levallois, 

M. Louis, C. Boucher, Ch. Tcherning, H. Drewes 

• Président actuel: Michael Sideris (Canada) 

• Vice Président: Chris Rizos (Australia) 


6


aujourd’hui (2007 – 2011) 

• Commission 1: Reference Frames 

– President: Zuheir Altamimi (France) 

• Commission 2: Gravity Field 

– President: Yoichi Fukuda (Japan) 

• Commission 3: Geodynamics and Earth Rotation 

– President: Michael Bevis (USA) 

• Commission 4: Positioning and Applications 

– President: Sandra Verhagen (The Netherlands) 

• Inter-commission Committee on Theory 

– President: Nico Sneeuw (Germany) 

• Global Geodetic Observing System (GGOS) 

– Chair: Markus Rothacher (Switzerland) 

• 15 International Scientific Services 


7

IAG Commission 1 Structure 

• Sub-Com1.1: Coordination of Space Techniques 

President: M. Rothacher (Germany) 

• Sub-Com1.2: Global Reference Frames 

President: C. Boucher (France) 

• Sub-Com1.3: Regional Reference Frames 

President: J. Torres (Portugal) 

– SC1.3 a: Europe (EUREF) ========= (Contribution IGN) 

Chair: J. Ihde (Germany) 

– SC1.3 b South and Central America 

Chair: C. Brunini (Argentina) 

– SC1.3 c: North America 

Chairs: R. Snay (USA), M. Craymer (Canada) 

– SC1.3 d: Africa 

Chair: R. Wonnacott (South Africa) 

– SC1.3 e: Asia-Pacific 

Chair: S. Matsuzaka (Japan) 

– SC1.3 f: Antarctica 

Chair: R. Dietrich (Germany) 

• Sub-Com1.4: Interaction of Celestial and Terrestrial Reference Frames 

President: H. Schuh (Austria) 


8

Global Geodetic Observing System (GGOS) 

• The Global Geodetic Observing System works with the IAG 

components to provide the geodetic infrastructure necessary 

for monitoring the Earth system and global change research 

• GGOS depends on the IAG Services and Commissions 

• GGOS is IAG's central interface to the scientific 

community and to society in general 

• IAG is a participating organization of the Group on Earth 

Observations (GEO). GGOS acts on behalf of the IAG in 

GEO and actively contributes to the Global Earth 

Observation System of Systems (GEOSS) 


9

Global Geodetic Observing System (GGOS) 


10


Services internationaux associés 

• International Earth Rotation and Reference Systems 

Service (IERS) (1988) 

• Intern. GNSS Service (IGS) (1994) 

• Intern. Laser Ranging Service (ILRS) (1998) 

• Intern. VLBI Service (IVS) (1999) 

• Intern. DORIS Service (IDS) (2003) 

http://www.iag-aig.org/ 


11

Structure générale des services 

• Governing/Directing Board 

• Analysis Centers (5 – 8 centres) 

• Combination Center 

• Data Centers 

• Operation Center (Network Management) 

• Analysis Working Group 

• Analysis Coordinator 

• Working Groups 

• Pilot Projects 


12

Centre d’analyse DORIS pour l’IDS 

• Responsable: Pascal Willis 

• Logiciel : 

– Gipsy/Oasis 

• Analyse opérationnelle: 

– Solutions hebdomadaires pour l’IDS 

• Travaux de recherche: 

– Amélioration continue de la stratégie d’analyse 

– Influence de la pression de radiation solaire sur les 

composantes de l’origine du repère terrestre 

– Etude du frottement atmosphérique 

– Confrontation des résultats DORIS aux 

modèles/données géophysiques 


13

Résultat DORIS récent 

Gobinddass et al., JASR, submitted 


14

Comparaison des signaux annuels entre les 

modèles géophysiques et les observations 

Représentation polaire TX 

Représentation polaire TZ 

Gobinddass et al., JASR, submitted 

Représentation polaire TY 


15

IDS-1 WRMS 


16

IDS-1Intrinsic Origin and Scale 


17

Centre d’analyse GRGS de l’ILRS 

- Centre d’analyse officiellement reconnu en septembre 2007 

- Membres : 

F. Deleflie, O. Laurain, D. Féraudy, P. Exertier (OCA/GEOAZUR) 

D. Coulot (IGN/LAREG) 

- Logiciels utilisés : 

* GINS/DYNAMO (CNES/GRGS) 

* MATLO (IGN/GRGS/LAREG) 

- Calculs opérationnels récents : 

* Contribution à l’ITRF2008, via l’ILRS 

* Solutions hebdomadaires : EOP, position de stations 

- Activité opérationnelle parallèle : 

* Solution de référence « GRGS » 

- Travaux de recherche récents : 

* Séries temporelles de coefficients du champ de gravité, sur le long terme 

* Prise en compte d’un modèle d’effets de charge (stations, champ gravité) 

* Impact des biais en distance sur l’échelle du repère 

* Réseaux Génétiquement Modifiés 


18

Centre d’analyse GRGS de l’ILRS 

Exemple de la translation TY 

entre la solution GRGS V20 

et l’ITRF2005 

- Activités opérationnelles à venir : 

* Poursuite de la solution hebdomadaire 

* Solution journalière 

* Retraitement des données historiques (1976-1993) 

* Prise en compte du format CRD (Consolidated Laser Ranging Data) 

* Fourniture des orbites des deux satellites LAGEOS 

- Travaux de recherche à venir : 

* Champ de gravité complet pour les bas degrés (degré < 20) 

* Poursuite de la prise en compte des effets de charge 

* Impact des erreurs orbitales sur le repère 

* Stratégie optimale d’estimation des biais en distance 

* Constellation de satellites (Stella, Starlette, LAGEOS 1-2, Etalon 1-2) 

* Densification du réseau de poursuite 

* Poursuite des RGM 


19

International Earth Rotation and Reference 

Systems Service (IERS) 

Established in 1987 (started Jan. 1, 1988) by IAU and IUGG 

to realize/maintain/provide: 

• The International Celestial Reference System (ICRS) 

• The International Terrestrial Reference System 

(ITRS) 

• Earth Orientation Parameters (EOP) 

• Geophysical data to interpret time/space variations 

in the ICRF, ITRF & EOP 

• Standards, constants and models (i.e., conventions) 

http://www.iers.org/ 


20

IERS Structure 


21

International Terrestrial Reference System (ITRS) 

• L’IGN (LAREG) a la responsabilité du centre 

du produit ITRS/ITRF 

• Adopté par l'UGGI en 1991 (réaffirmé en 2007) 

pour les applications en sciences de la Terre 

• Adopté de fait par la communauté scientifique 

– Article JGR sur l’ITRF2000 cité 270 fois (base ISI) 

• L’AIG œuvre pour l’adoption de l’ITRS par 

d’autres communautés (GT animé par Claude 

Boucher): 

– Norme ISO 

– Une gouvernance internationale (UN, BIPM, GEO) 


22

The International Terrestrial Reference Frame (ITRF) 

• La combinaison des techniques est fondamentale 

pour réaliser un système de référence stable en 

origine, échelle avec une couverture suffisante 

• L’élément clé de la construction de l’ITRF est la 

disponibilité d’un nombre suffisant de sites colocalisés 

de haute précision 

• Menace: dégradation de l’infrastructure géodésique 

• ==> Exige la contribution et l’engament 

d’organismes internationaux sur le long terme 


23

Site de Co-localisation 

• Site ayant au moins deux instruments de mesure (distants de 

qq centaines de mètres) 

• Rattachement 3-D, par géodésie classique et/ou GPS 

• Coordonnées différentielles (DX, DY, DZ) sont disponibles 

DX (GPS,VLBI) 

= X VLBI 

- X GPS 

GPS 

VLBI 

SLR 

DORIS 


24

Current Co-locations (2007) 


25

Current networks: stations observed in 2007 

VLBI 

SLR 

GPS/IGS 

Weaknesses & Threats: SLR & VLBI poor networks 

DORIS 


26

Current Co-locations DORIS-GPS 

(37) 


27

Strenghts : 

Contribution of Geodetic Techniques to the ITRF 

Mix of techniques 

is fundamental to 

realize a frame that 

is stable in origin, 

scale, and with 

sufficient coverage 

Technique 

Signal 

Source 

Obs. Type 

Celestial 

Frame & UT1 

Polar Motion 

VLBI 

Microwave 

Quasars 

Time difference 

Yes 

Yes 

SLR 

Optical 

Satellite 

Two-way absolute 

range 

No 

Yes 

GPS 

Microwave 

Satellites 

Range change 

No 

Yes 

DORIS 

No 

Yes 

Scale 

Yes 

Yes 

Yes 

Yes 

From: 

Ries et al., 2005, 

(Modified) 

Geocenter 

ITRF Origin 

Geographic 

Density 

No 

No 

Yes 

No 

Yes 

Yes 

Yes 

Yes 

Real-time & 

ITRF access 

Yes 

Yes 

Yes 

Yes 

Decadal 

Stability 

Yes 

Yes 

Yes 

Yes 

ITRF Orientation time evolution Yes Yes Yes 


28

Le logiciel CATREF 

Combination and Analysis of Terrestrial Reference Frames 

• Développement commencé en 1995 avec la création du 

format SINEX (variance complète) 

• Opère par module pour: 

– Enlever les contraintes initiales 

– Appliquer des contraintes minimales et/ou internes 

– Combiner des solutions globales (pos., vit. & EOP) 

– Cumuler des séries temporelles (X(t) & EOP) 

– Différentes options de définition du RRT combiné 

• Exporté (Australie, Canada, Allemagne, Belgique, Hongrie, 

GB, Pologne, Portugal,USA, ...) 

• Utilisé dans la réalisation du SRT Galileo: 

– Galileo Terrestrial Reference Frame (GTRF) 

– Consortium européen: Galileo Geodectic Service Provider (GGSP) 


29

ITRF and Science Requirements 

• Long-term stable ITRF: 0.1 mm/yr 

==> Stable: linear behaviour of the TRF parameters, i.e. 

with no discontinuity : 

– Origin Components: 0.1 mm/yr 

– Scale 0.01 ppb/yr (0.06 mm/yr) 

Value 

Unstable parameter 

Value 

Stable parameter 

time 

Current status ≥ 1 mm/yr 

time 


30

SLR Origin & Scale Variation (wrt ITRF2000) 

1.8 mm/yr 


31

Conséquence de la dérive Tz / ITRF2000 sur les 

vitesses verticales 

Vh = δTz sin(ϕ) 


32

Conséquence de la dérive Tz (ITRF2000 =>ITRF2005) 

sur les vitesses verticales 


33

Impact of Terrestrial Reference Frame on Global Mean Sea 

Level Estimate (CSR95 + ITRF2000 vs. ITRF2005) 

Mean radial orbit differences by cycle, computed between orbits based on the ITRF2005 

reference frame and the GGM02 (Grace-derived) gravity model and those on the 

TOPEX/Poseidon MGDR-B (CSR95) and Jason-1 GDR-B (ITRF2000) GDR’s. Differences are 

sampled only over the oceans. The very low frequency signature of the differences maps directly 

into the estimated global MSL trend. Shorter periods of 5 – 7 years reveal significant rates of 

change exceeding 0.4 mm/yr. 

Update to: Beckley, B., F. Lemoine, S. Luthcke, R. Ray, and N. Zelensky (2007), 

A reassessment of global and regional mean sea level trends from TOPEX and Jason-1 altimetry 

based on revised reference frame and orbits, 

Geophysical Research Letters, doi:101029/2007GL030002. 


34

Impact of the Terrestrial Reference Frame on 

Regional Mean Sea Level Trends 

Regional TOPEX (1993-2002) Sea 

Surface Height Trend differences from 

direct impact of the ITRF2005 

(GGM02C) minus CSR95 (JGM3) orbit 

differences. The positive values in the 

northern hemisphere indicate a previous 

underestimation of MSL of up to 1.5 

mm/yr in the northeast Atlantic based on 

earlier terrestrial reference frame 

realizations. 

Beckley, B., F. Lemoine, S. Luthcke, R. Ray, and N. Zelensky (2007), 

A reassessment of global and regional mean sea level trends from TOPEX and Jason-1 altimetry 

based on revised reference frame and orbits, 

Geophysical Research Letters, doi:101029/2007GL030002. 


35

Conséquence de la dérive Tz (ITRF2000 =>ITRF2005) 

sur les vitesses verticales 


36

Global and Regional Mean Sea Level Trends from TOPEX/Poseidon and Jason-1 Altimetry 

1993 – 2008 MSL rate = 3.21± 0.41 

mm/yr 

1993-1998 

Mean=3.02 mm/yr 

2003-2008 

Mean=2.10 mm/yr 

Global mean sea level (MSL) variations are estimated from the combined 16 year record of T/P and Jason-1 altimetry based on 

revised orbits adhering to a consistent terrestrial reference frame (ITRF2005)and unified geophysical modeling. The thin red curve is 

the global Reynolds’ sea surface temperature variations for comparison. The MSL linear rate of 3.21 mm/yr (no GIA adjustment) is 

derived after removal of annual and semi-annual signals. The global MSL rate is modulated by inter-decadal type signals 

(such as El Nino and La Nina). The top right figure shows regional MSL rates during the development of the 1997 El Niño while the 

lower figure shows impact of current La Niña conditions. The launch of OSTM (Jason-2) will further extend the TOPEX & Jason-1 

altimeter data time series and will improve detection of subtle longer-period signals and allow a better understanding of their impact 

on future MSL trends. 


mm/yr 

Beckley, B., F. Lemoine, S. Luthcke, R. Ray, and N. Zelensky, NASA Goddard Space Flight Center, May 2008 

37

GPS UP Velocities vs GIA 

Expressed in ITRF2005 

Expressed inITRF2000 

GIA 


38

TIGA: GPS velocities at TG... How well do they work 

ICE5Gv1.2 + VM4 models 

(Peltier 2004) 


39

Interprétation des paramètres d’Helmert – effets de surcharge/réseau 

Translation ILRS 

Translations SLR 

Prédiction des translations à l’aide 

d’un modèle de surcharge 

Mouvement du géocentre issu du 

même modèle 

Remerciement: Tonie van Dam pour le 

modèle de surcharge 

Echelle VLBI 

Les variations de l’échelle VLBI semblent être provoquées par: 

- les effets de surcharge 

- la déformation thermique des antennes VLBI 

Collilieux, 2007 


40

GPS Mean Residuals (effets de surcharge) 

N 

E 

Up 


41

ITRF2005 Site Velocities with σ < 3mm/y 


42

Pacific 

Africa 

Amur 

Antarctica 

Arabia 

Australia 

Caribbean 

Eurasia 

India 

North America 

Nazca 

Okhotsk 

South America 

Somalia 

Yangtze 

Sites ITRF2005 utilisés dans l’estimation de pôles 

de rotations des plaques tectoniques 


43

Mouvement AFRC (NUBI) – EURA 

Nubia-Eurasia velocity ~50% slower than NUVEL1-A prediction 


44

First Galileo Terrestrial Reference Frame 

GTRF07v01 horizontal velocities 


45

Résumé de la contribution de l’IGN 

• IAG: 

• IERS: 

• IDS : 

• ILRS: 

• IGS: 

Commission 1, GGOS, EUREF 

ITRF 

centre d’analyse et de données (SGN) 

centre d’analyse associé 

Centre de données (SGN) 

• Organisation de sessions/congres scientifiques 

– AGU 

– EGU 

– IAG 

• Publication Scientifiques 


46

• L’importance: 

Mot de la fin 

– de la géodésie en géosciences 

– des services internationaux 

– de la contribution des organismes en général 

– de la contribution de l’IGN en particulier 

• Les menaces: 

– Dégradation des réseaux géodésiques, sauf peut être 

DORIS 

– Matière grise: jeunes cerveaux et enseignement en 

géodésie 


47

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