GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2...

31
M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny 1 12 m antenna 140” antenna GPS (Global Positioning System) GPS was created in the 80s’ by the US Department of Defense for military purposes. The objective was to be able to get a precise position anywhere, anytime on Earth. The satellites send a signal, received by a GPS antenna. Again, this allow to measure the distance satellite to antenna With at least 3 satellites visible at the same time, we can compute instantaneously the station position. The precision can be as good as 1 millimeter M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny 2 Fundamentals of GPS

Transcript of GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2...

Page 1: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

1

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny1

12 m antenna140” antenna

GPS (Global Positioning System)

GPS was created in the 80s’ by the US Department of Defense for military purposes. The objective was to be able to get a precise position anywhere, anytime on Earth.

The satellites send a signal, received by a GPS antenna. Again, this allow to measure the distance satellite to antenna

With at least 3 satellites visible at the same time, we can compute instantaneously the station position. The precision can be as good as 1 millimeter

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny2

Fundamentals of GPS

Page 2: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

2

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny3

GPS (Global Positioning System)

∆t

pseudo-distance Measurement:

Accurate to 30 m if C/A code (pseudo frequency of 1 MHz)

Accurate to 10 m if P code (pseudo frequency of 10 MHz)

Easy because code never repeats itself over a long time, i.e. no ambiguityPhase Measurement:

Accurate to 20 mm on L1 or L2 (1.5 GHz)

But difficult because the initial offset is unknown.

=> Post processing of a sequence of measurements on 1 satellite give final station position

Phase offsetUnknown initial offset

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny4

GPS signals

-L1 =1575.42MHz, λ=19 cm

-L2 =1227.60 MHz, λ=24 cm

-P1 (C/A) ~1.023 MHz, λ~293 m

-P2 (précis) ~10.23 MHz, λ~29.3 m

•2 carrier phases (phases porteuses)

•2 carried codes (codes portés)

C/A : Coarse acquisition = code “grossier” carried on L1P : Precise = code “précis” carried on L2

P code is encrypted (by US army). This is known as “AS: Anti spoofing”. the encrypted P-code is usually called the Y-code. Deciphering the Y-code is done through Z tehcnology (squaring of Y-code).

Page 3: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

3

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny5

US army - limiting access to civilians: SA & AS

SA: Selective availabilityUntil May 2000, US DoD artificially degraded stability of satellite clocks

No solution for absolute and/or real time positionning. Solved by double differences (provided that GPS receivers sample the GPS signal at the same time).

Stopped after 2000 (by Al. Gore)

AS: Anti SpoofingP-Code encrypted into Y-codedone by multiplying P by an unknown code at 20KHzdeciphered by “Z-tracking” (squaring of Y-code) receivers

Still active today

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny6

Offsets measurements are biased by Clocks

Satellites“Stable” atomic clocks (unless SA is active). Instability= ~10-14 (=> ~10-9sec./day)Synchronized between all satellitesNavigation message contains clocks corrections ==> can be modeled

ReceiversUnstable cheap clocks: (10-5 - 10-6) (=> ~1 sec./day)

Problem : at 300 000 km/s, satellite-station distance is covered in 70 ms, and a 1m difference in position corresponds to 10-9 seconds…

Solution: Double difference

Page 4: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

4

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny7

Double differences

One way phases are affected by stations and satellites clock uncertainties

Double differences Are free from all clock uncertainties but

=> Measurement of distances between points (= baselines)

=> Relative positioning

Single differences are affected by

stations clock uncertainties

Orsatellites clock uncertainties

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny8

Other perturbation : The Ionosphere

Correct measurement in an empty space

But the ionosphere perturbatespropagation of electric wavelength …..

… and corrupts the measured distance

… and the inferred station position

Page 5: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

5

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny9

Ionosphere theory

Ionospheric delay τion depends on :

• ionosphere contains in charged particules (ions and electrons) : Ne

• Frequency of the wave going through the ionosphere : f

τion = 1.35 10-7 Ne / f2

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny10

Ionosphere : solution = dual frequency

Problem : Ne changes with time and is never known

solution : sample the ionosphere with 2 frequencies

τion1 = 1.35 10-7 Ne / f12 τion2 = 1.35 10-7 Ne / f22

=> τion2 - τion1 = 1.35 10-7 Ne (1/ f22 - 1/ f12 )

=> Ne = [τion2 - τion1 ] / 1.35 10-7 (1/ f22 - 1/ f12 )

Using dual frequency GPS, allow to determine the number Ne and then to quantify the ionospheric delay on either L1 or L2.

(in fact, GPS can and is used to make ionosphere Total Electron Containt (TEC) maps of the ionosphere)

Page 6: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

6

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny11

Second perturbation : The Troposphere

Horizontal effects cancel out

Vertical effects remain

The troposphere (lower layer of the atmosphere) contains water. This also affects the travel time of radio waves. But the troposphere is not dispersive (effect not inversely proportional to frequency), so the effect cannot be quantified by dual frequency system. Therefore there a position error of 1-50 cm.Thanks to the presence of many satellites, the effect cancel out (more or less) in average, on the horizontal position. Only remains a vertical error called Zenith tropospheric delay

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny12

Troposphere zenith delay

The tropospheric zenith delay can be estimated from the data themselves…if we measure every 30s on 5satellites, we have 1800measurements in 3 hours. We only have 3 unknowns : station lat, lon, and altitude !

So we can add a new one : 1 Zenith delay every 3 hours

The curves show that the estimated Zenith delay vary from 15 cm to 30 cm with a very clear day/night cycle

Page 7: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

7

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny13

Antenna phase center offset and variations

Electric wires inside the antenna

area of phase center displacement (~1 cm)

The Antenna phase center is the wire in which the radio wave converts into an electric signal.

It’s a “mathematical”point, which exactposition depends

on the signal alignment

with the wire (azimuth and

elevation)

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny14

Antenna phase center offset and variations

Solution : use identical antennas, oriented in the same direction

As the signal rotates, the antenna phase centers move

But they move the same quantity in the same direction if antennas are strictly identical because the incoming signal are the same (satellite is very far away)

Therefore, the baselinebetween stations remains unchanged

But this works for small baselines only (less than a few 100 km)

Page 8: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

8

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny15

Tripod and tribrachs source of errors

The measurement give the position of the antenna center, we have to tie it to the GPS marker which stays until next measure

The antenna has to be leveled horizontally and centeredperfectly on the mark. Then :

Horiz. position of marker = horiz. position of antenna

Altitude of marker = altitude of antenna – antenna height

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny16

GPS est précis, à condition de :

1. GPS bi-fréquence pour éliminer l’ionosphere2. Mesures longues pour « moyenner » la

troposphère3. Mesures relatives de distances entre stations4. Utilisation d’antennes identiques, orientées

parallèlement, et du centrage forcé sur les repères pour éviter les biais instrumentaux

Page 9: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

9

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny17

Precision and repeatability

10 measurements of the same baseline give slightly different values :

80 km +/- 10 mm

How many measurements are between 80 and 80+δ

The histogram curve is a Gaussian statistic

The baseline repeatability is the sigma of its Gaussian scatter

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny18

Network repeatabilities

Network of N points (N=9)

(N-1) (=8) baselines from1st station to all others

(N-2) (=7) baselines from2nd station to all others=> subtotal = (N-1)+(N-2)

total number of baselines= (N-1)+(N-2)+…+1= N(N-1)/2 (36 in that case)

Page 10: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

10

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny19

Typical repeatabilities (60 points => ~1800 bsl)

Repeatabilities are much larger than formal uncertainties !

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny20

1 order of magnitude Improvment over a decade

1-2 mm 1-10 cm1-2 cm 1-10 mm

Page 11: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

11

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny21

Accuracy vs. precision (1)

Fix point : measure 1 hour every 30 s

=> 120 positions

with dispersion ~+/- 2 cm

5 hours later, measure again 1 hour at the same location

=> Same dispersion but constant offset of 5 cm

Precision = 2 cm

Accuracy = 5 cm

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny22

Accuracy vs. precision (2)

Measure path, 1 point every 10s

=> 1 circle with 50 points

10 circles describe runabout with dispersion ~ 2 cm

Next day, measure again

=> Same figure but constant offset of 6 cm

Precision = 2 cm

Accuracy = 6 cm

Page 12: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

12

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny23

Mapping in a reference frame (sketch)

Measure short lines with a good precision is easy.

Quantify deformation within a small network is easy

BUT

Determine the motion of the whole network with respect to the rest of the world is more difficult

In order do do this…

We need to know how to mapinto a reference frame ⇒ compute Helmert transformations

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny24

Mapping in a reference frame (1)

… when station displacement is constant with time

Constraining campaign positions (and or velocities) to long term positions (and or velocities) works fine …

if the station motion is linear with time, then estimating the velocity on any time span will give the same value

Page 13: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

13

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny25

Mapping in a reference frame (2)

… when station displacement is notconstant with time

Constraining campaign positions (and or velocities) to long term positions (and or velocities) does not work…

if the station motion is not linear with time, then estimating the velocity on different time span will give different values

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny26

Mapping in a reference frame (3)

some stations are better than others …

Page 14: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

14

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny27

From position to velocity uncertainty

If one measures position P1 at time t1 and P2 at time t2 with precision ∆P1 and ∆P2, what is the velocity V and its precision ∆V ?

V = (P2 - P1) / (t2 - t1)

∆V = (∆P2 + ∆P1 ) / (t2 - t1)XUncertainties don’t add up simply, because sigmas involve probability.

∆V = [ (∆P2 )2 + (∆P1 ) 2] 1/2 / (t2 - t1)

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny28

Velocity uncertainties

It is only needed thatwe wait a given time between position measurements to detect deformationvelocities

Reasonnable (but wrong) idea:

Geodesy is like good wine: measurements, even (and mostly) badones, gain value by aging

The more we wait, the more precise the velocity is

Page 15: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

15

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny29

In practice…: BRAZ : 2000->2007

4,650

4,700

4,750

4,800

4,850

4,900

4,950

0 500 1000 1500 2000 2500

days

horiz

onta

l pos

ition

(m)

4,8004,8104,8204,8304,8404,8504,8604,8704,8804,8904,900

0 100 200 300 400 500 600 7004,810

4,815

4,820

4,825

4,830

4,835

4,840

4,845

4,850

0 100 200 300 400 500 600 700

7 years

2 years 2 years+ zoom

4,820

4,825

4,830

4,835

4,840

4,845

4,850

0 100 200 300 400 500 600 700

2 years+ zoom + detrended

4,820

4,825

4,830

4,835

4,840

4,845

4,850

0 500 1000 1500 2000 2500

All 7 years+ zoom + detrended

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny30

18,01deviationmonth

4,8304,8314,8324,8334,8344,8354,8364,8374,8384,8394,8404,8414,8424,8434,8444,845

0 5 10 15 20 25 30 354,8304,8314,8324,8334,8344,8354,8364,8374,8384,8394,8404,8414,8424,8434,8444,845

0 10 20 30 40 50 60 70

4,8304,8314,8324,8334,8344,8354,8364,8374,8384,8394,8404,8414,8424,8434,8444,845

0 20 40 60 80 1004,8304,8314,8324,8334,8344,8354,8364,8374,8384,8394,8404,8414,8424,8434,8444,845

0 50 100 150 2004,8304,8314,8324,8334,8344,8354,8364,8374,8384,8394,8404,8414,8424,8434,8444,845

0 50 100 150 200 250 300 350 4004,8304,8314,8324,8334,8344,8354,8364,8374,8384,8394,8404,8414,8424,8434,8444,845

0 100 200 300 400 500 6004,8304,8314,8324,8334,8344,8354,8364,8374,8384,8394,8404,8414,8424,8434,8444,845

0 100 200 300 400 500 600 700 800

1 month

In practice…: BRAZ : 2000->2007

2 months-7,82

3 months

-13,23

6 months

-6,46

12 months

-1,312

18 months

-1,018

24 months

-0,224

Page 16: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

16

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny31

precision of velocity determination

-20,0

-15,0

-10,0

-5,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

months

diffe

renc

e fro

m tr

end

(mm

/yr)

-0,224-1,018-1,312-0,1110,010

-0,39-1,88-3,17-6,46-7,75-9,94

-13,23-7,8218,01

deviationmonth

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny32

precision of velocity determination

-20,0

-15,0

-10,0

-5,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63

months

diffe

renc

e fro

m tr

end

(mm

/yr)

Page 17: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

17

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny33

Velocity ellipses

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny34

Maintenant, que mesure-t-on exactement avec GPS ?

Page 18: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

18

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny35

140” antennaGPS antenna on tripod

GeodeticGeodeticmarkermarker

Campagnes de répétition

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny36

Page 19: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

19

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny37

Repeated Campaigns

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny38

12 m antenna140” antenna

Stations permanentes

Page 20: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

20

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny39

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny40

Permanent station

Page 21: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

21

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny41

Champ de vitesse global => ITRF

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny42

Au premier ordre, la géodésie sur une décennie « colle » bien avec la géologie sur 3 Ma!=>Les plaques ont donc des déplacements stables sur ce type de duréemais…. GPS trouve Arabie, Inde et Nazca plus lentes actuellementArabie et Inde => ralentissement Nazca => incertitude ?

À grande échelle: les plaques

Page 22: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

22

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny43

l’Asie du Sud-Est, une zone compliquée

INDIA plate:6 GPS sites10 years of measurements

only 4 cm/yr wrt GPS Eurasiaeven less (3.5 cm/yr) wrt Sunda

SUNDA plate:60 GPS sites12 years of measurements

independent from Eurasia and moves 1 cm/yr Eastward

BURMA platelet (or sliver):22 GPS sites2 years of measurements

Nor India, nor Eurasia, not even Sunda

South China ????

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny44

La déformation autour des frontières de plaques

Uy = 2.V0 / Π arctang (x/h)

Le concept: déformation élastique à cause du frottement

Le modèle: le flux mantellique localise la déformation sous une plaque élastique

⇒ La solution analytique:une courbe en arctangente

Page 23: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

23

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny45

Arctang profiles Uy = 2.V0 / Π arctang (x/h)

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny46

La faille de Sagaing en Birmanie

Page 24: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

24

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny47

Remarques importantes (1):

Quand les stations sont bien à l’intérieur des plaques (loins des marges qui se déforment) GPS mesure la tectonique des plaquesQuand les stations sont dans les marges qui se déforment, GPS ne mesure pas la vitesse des failles (qui est en général zéro si la faille est bloquée), mais la déformation élastique qui s’accumule en réponse au blocage. C’est au travers d’un modèle (Okada par exemple) que l’on retrouve …. La vitesse limite (càd la tectonique) et l’épaisseur élastique, mais toujours pas la vitesse de la faille, concept qui ne veut pas dire grand-chose.

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny48

Le cycle sismique:Shimazaki et Nakata, 1980

Wallace, 1987

Vitessecourt termede la faille:

~constante

~variable

Page 25: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

25

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny49

Remarques importantes (2):

La tectonique active basée sur le décalage de marqueurs de part et d’autre d’une faille ne mesure donc pas forcément non plus la « vitesse de la faille » (et donc la tectonique des plaques).

Cela dépend du nombre de cycles sismiques moyennés dans la mesure

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny50

Déformation intersismique aux frontières de plaques

⇒⇒ Potentiel pour un sPotentiel pour un sééisme isme

Mw ~8.5 tous les siMw ~8.5 tous les sièèclescles

Best fit dislocation: Best fit dislocation:

2 2 –– 2.5 cm/2.5 cm/yryr

N 30N 30°°--3535°°

OkadaOkada backback--slip model slip model

Page 26: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

26

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny51ModeledObserved

Mesure d’un séisme: Sumatra 2004 – Mw 9.2

Mesuresde la déformation de surface

Modèle du glissement sur la faille

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny52

Great Sumatran Fault(2 cm/a)

SumatranTrench (3 cm/a)

Australia/Sundamotion (5 cm/a)

Les Séismes de Sumatra

Page 27: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

27

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny53

15 m uniform slip

500 years at 3 cm/y=

Slip deficitFuture Eq slip8+ 7 9+

9.2 8.6 8.4

Chen Ji (Caltech)

slip distribution

Inverted fromseismic & GPS data

7.5

250

8.8 -8.9

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny54

Les mouvements verticaux prédits par le modèle

4 m de surrection2 m de subsidence

modèlisation du Tsunami

Page 28: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

28

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny55

Déformations Post-sismique

Co-seismic jumps

post-seismicdecays

La relaxation visqueuse après le séisme :

1-10 cm/an !!!!

va durer des années, peut être des décennies !

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny56

Thailande: Subsidence déclenchée par le séisme de Sumatra

Les Mesures Le Modèle

- 1.5 cm/an

- 1 cm/an

Page 29: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

29

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny57

Les conséquences

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny58

Survey GPS : 32 sites

cGPS : 30 sites

Chili février 2010Déplacement des stations GPS et

modèle de glissement sur la faille contraint par les mesures

Page 30: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

30

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny59

Concepcion

Constitucion

SanJavier Colbun

SantoDomingo

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny60

Page 31: GPS (Global Positioning System) - École Normale …vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf · 2 3 M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny GPS (Global

31

M2 STEP - Module "Outils et méthodes de la géodesie spatiale" - C. Vigny61

GPS haute fréquence: 1 point par seconde => trajectoire des stations pendant le séisme. Comparaisons avec modèles théoriques