Quelques utilisations des données GNSS

Le GNSS veut dire Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites. Ce terme désigne la détermination de la position et de la vitesse d’un point à la surface ou au voisinage de la Terre par traitement des signaux radioélectriques en provenance de plusieurs satellites artificiels reçus en ce point. Le sigle GNSS désigne aussi un système de localisation et de navigation associant plusieurs systèmes à couverture mondiale, notamment le système GPS (américain), le système Glonass (russe), le système Beidou (chinois) et le système Galileo (européen), pour répondre aux besoins des utilisateurs des services terrestres, maritimes et aéronautiques.

Sommaire

• Etudier les mouvements de la surface de la Terre
• Suivre l’activité volcanique
• Quantifier la vapeur d’eau troposphèrique pour la météorologie et le climat
• Suivre l’évolution du niveau des mers ou la vitesse du vent sur l’océan
• Servir l’agriculture de précision
• Mesurer la déformation de la Terre au fond des océans

Etudier les mouvements de la surface de la Terre

Tectonique des plaques, déformations actives et séismes

Les GNSS ont permis dans les années 1990 de quantifier le déplacement actuel des plaques tectoniques et de cartographier les zones rigides et les zones subissant des déformations tectoniques actives. Très vite, ils ont été utilisés pour étudier les failles actives, en mesurant les déformations intersismiques (entre les séismes) et cosismiques (pendant le séisme), permettant d’évaluer les vitesses des failles et de modéliser les ruptures. Ils ont aussi accru la connaissance des déformations postsismiques (dans les mois et les années qui suivent les gros séismes, avant un retour à l’équilibre).

Ils ont permis également la découverte des séismes lent au début des années 2000, phénomène qui s’observe partout aujourd’hui, dans les zones de subduction comme sur les grandes failles décrochantes. Cette découverte a ouvert la voie à de nombreux travaux novateurs pour la compréhension du cycle sismique dans son ensemble et le déclenchement des gros séismes. Les données collectées par les systèmes GNSS permettent par exemple de quantifier la déformation tectonique lente de la France et de faire le lien avec la sismicité modérée enregistrée. Ces mesures contribuent de fait à l’évaluation de l’aléa sismique en France.

Dynamique globale, charges atmosphériques et hydrologiques

La surface de la Terre subit à l’échelle globale de nombreuses déformations induites à la fois par des processus internes et externes, comme les variations de l’axe de rotation de Terre, les marées terrestres et océaniques et les variations de charges induites par les déplacements de masses des enveloppes fluides (océans, eaux continentales et polaires, atmosphère). Ces déformations peuvent être permanentes, périodiques ou transitoires et affecter régionalement ou globalement la surface de la Terre. Elles concernent principalement la composante verticale de l’ordre de la dizaine de centimètres pour les marées terrestres, et du centimètre pour les marées océaniques, les autres processus de charge provoquant des déplacements inférieurs au centimètre. Les outils GNSS permettent d’améliorer la connaissance de tous ces mécanismes et leur représentation dans les modèles géologiques et géophysiques.

Caractérisation de l’ionosphère et détection des Tsunamis

Les ondes des GNSS traversant l’ionosphère, ils permettent de quantifier le contenu électronique de l’ionosphère (TEC – Total Electron Content). Celui-ci varie lors d’un tsunamis et son étude permet de retrouver les caractéristiques de celui-ci. C’est une piste très intéressante pour compléter les actuels systèmes de surveillance des tsunamis, souvent fragiles car victimes de pannes et de vandalisme.

C’est l’objet du projet ITEC « Ionospheric Total Electron Content tsunamimeter » démarré en 2019 au laboratoire Geoazur. Le projet se propose de créer des systèmes autonomes déployés dans les océans à bord de navires (ou de flotteurs), embarquant des capteurs GNSS. Ces derniers mesurent l’ampleur de l’empreinte ionosphérique des tsunamis, qui présente de fortes similitudes avec la vague de tsunami au niveau de l’océan.

Suivre l’activité volcanique

Les données GPS sont largement utilisées pour la surveillance et le suivi des éruptions volcaniques. C’est le cas à La Réunion par exemple où l’observatoire volcanologique du Piton de la Fournaise enregistre en continu de nombreuses données géophysiques et géochimiques, parmi lesquelles les données GPS mesurées par 26 capteurs répartis autour du volcan. Ces données permettent de détecter les mouvements de magma en profondeur, et de modéliser les sources de stockages et les trajectoires du magma. Ils permettent ainsi en complément des autres méthodes de donner l’alerte de l’imminence d’une éruption.

Les capteurs GPS mis en place dans le cadre de la crise sismo-volcanique à Mayotte sont également des outils importants dans le suivi et l’analyse des évènements. Ils ont permis notamment de détecter un déplacement de l’île de Mayotte de 20 cm en deux ans !

En savoir plus

Les observatoires volcanologiques français

Quantifier la vapeur d’eau troposphérique pour la météorologie et le climat

De même les mesures GNSS permettent aussi de quantifier la vapeur d’eau atmosphérique, en utilisant les paramètres troposphériques estimés lors de traitements spécifiques. La correction de la propagation des signaux dans l’atmosphère permet depuis le début des années 2000 d’atteindre une précision sub-centimétrique en positionnement vertical et de faire des GNSS une technique de référence pour le sondage de la vapeur d’eau dans la troposphère. Il s’agit d’utiliser les propriétés de réfraction de la vapeur d’eau, de variation de la pression et de la température sur le signal venant des satellites GPS/GNSS. C’est une donnée précieuse pour les sciences de l’atmosphère.

Contribuer aux prévisions et aux processus météorologiques

La quantification sur de très nombreux points de mesures de la vapeur d’eau disponible dans l’atmosphère est un intrant très important pour les modèles de prévision numérique du temps et permet de faire de meilleures prévisions météorologiques, en particulier pour la quantité de pluie. Les modèles opérationnels de Météo France incluent ces données.

On peut aussi les utiliser lors de campagnes de recherche sur les processus météorologiques. Ces mesures se font principalement à terre, mais des expérimentations sont menées en mer. Par exemple le projet MAP-IO consiste à installer en mer 19 systèmes de mesure de l’atmosphère pérennes et autonomes. Ces mesures seront exploitées dans l’étude de la composition de l’atmosphère et des processus océan-atmosphère ayant un impact sur le climat régional et la prévision numérique du temps. Dans le cadre du projet Marmor, financé à partir de 2021 par le Programme investissements d’avenir du gouvernement, il est prévu d’améliorer ces techniques de mesure et de les utiliser, par exemple, dans le cadre des phénomènes météo sévères tels que les ouragans.

Contribuer à l’étude de l’évolution du climat

Des mesures stables sur de longues périodes de la vapeur d’eau disponible dans l’atmosphère contribuent à l’étude de l’évolution du climat. On peut appliquer ce type de mesures en climatologie.

Océanographie

Suivre l’évolution du niveau des mers

Il est possible d’acquérir les données en couplant deux techniques de mesure : la marégraphie (niveau relatif des mers) et la géodésie spatiale (mouvement vertical des terres) pour obtenir le niveau absolu des mers. Ce sont les techniques utilisées, en France, par le Système d’observation du niveau des eaux littorales (Sonel) qui vise à fournir des mesures continues de haute qualité du niveau des mers et des terres sur la côte.

Les données sur le niveau de la mer sont essentielles pour les scientifiques qui étudient les fluctuations des principaux courants océaniques et le changement climatique mondial, pour les ingénieurs qui conçoivent des installations côtières, pour une grande communauté engagée dans ce que l’on appelle aujourd’hui “l’océanographie opérationnelle” (par exemple, la fourniture d’alertes d’inondation en cas de marées de tempête ou de tsunamis), et dans des applications telles que la fourniture de tables des marées pour les opérations portuaires ou l’étalonnage des altimètres satellitaires, par exemple.

En savoir plus

https://www.sonel.org

Mesurer la hauteur des vagues ou la vitesse du vent sur l’océan

La réflectométrie GNSS est basée sur l’observation à la fois des signaux reçus directement au niveau de l’antenne et ceux acquis après réflexion sur la surface de la Terre (surface continentale ou aquatique). L’analyse de la corrélation et du retard de phase entre ces signaux permet de déduire différents paramètres : la différence de trajet entre signal direct et signal réfléchi permet d’estimer la hauteur de l’antenne réceptrice et de déterminer la position du point de réflexion, qui varie au cours du temps, tandis que l’analyse des échos radar (ou formes d’onde) réfléchis permet d’estimer des paramètres caractérisant l’état de la surface de réflexion, comme la hauteur significative des vagues et la vitesse des vents sur les océans.

Servir l’agriculture de précision

Il est possible de détecter l’humidité du sol grâce à la réflectométrie GNSS (GNSS-R – Voir présentation technique en 2.3). C’est le but du projet Mistrale, qui vise à fournir des cartes de l’humidité des sols par réflectométrie GNSS aux décideurs dans le domaine de la gestion de l’eau (agriculteurs, offices des eaux) et de la nature. Au cours du projet, le consortium Mistrale a développé, construit et testé plusieurs prototypes du capteur GNSS-R.

En agriculture de précision, le géo-positionnement permet la surveillance globale de l’état des sols, des cultures, de la semence jusqu’à la récolte, grâce à un suivi méthodique et des bases de données (systèmes d’information géographique) puis en croisant ces données avec le matériel d’exploitation, lui-même connecté et géo-localisé avec précision. Il est ainsi possible de réduire les quantité de pesticides ou d’engrais répandus, en déterminant puis en administrant précisément les quantités nécessaires par petites zones. Il est ainsi également possible de de maîtriser de façon plus efficace l’arrosage nécessaire.

En savoir plus

Site web du projet Mistrale

Mesurer la déformation de la Terre au fond des océans

70% de la surface de la Terre est couverte par les océans, inaccessible aux mesures “classiques” de déformation, en particulier les processus de glissement dans la partie la plus superficielle de l’interface de subduction ou au niveau de certaines failles continentales (Corinthe, Marmara, Ligure). Étendre les réseaux géodésiques en mer permet de surveiller des structures tectoniques sous-marines actives comme les zones de subduction, susceptibles de générer des séismes dévastateurs (Sumatra en 2004, Tohoku en 2011 par ex.).

Le GNSS/Acoustique (GNSS/A) consiste à positionner une balise ou un ensemble de balises posées sur le fond de mer par l’intermédiaire d’une plateforme de surface qui sert de relais entre un segment spatial où le positionnement se fait par GNSS et un segment sous-marin où le positionnement se fait par acoustique. La technologie GNSS/Acoustique, comme le GNSS à terre, permet une précision centimétrique.