Etude statistique de la stabilité des stations de géodésie spatiale. Application à DORIS

Karine Le Bail

Résumé

The background of this research is the use of time series of space geodetic station coordinates to study global or local tectonic motions, a research field currently in rapid development in geodesy. Time series of station coordinates are available from several global space geodetic programs operated with GPS, SLR, and DORIS. Good quality series go back to the early or mid 1990's. They are typically provided at one-week intervals as series of cartesian coordinates in some defined geocentric terrestrial reference frame. The major signature in time series of station coordinates is usually modelled as a tri-dimensional linear drift in the local directions to the East, North and Up. The horizontal component is mostly related with the tectonic plate motion, while the Up component is assumed to reflect an uplift or subsidence. The remaining signal may be interpreted as noise related to local geophysical phenomena, instrumentation, or to the analysis strategies and modelling.We develop a new analysis method to investigate the spectral content of time series of space geodetic station coordinates in terms ofboth the main tectonic signal and the remaining "noise". Our analysis approach makes a joint use of statistical tools imported from other domains. The signal is analysed by the Empirical Orthogonal Functions (EOF) decomposition of the three-dimensional time series, and the spectral behaviour of the series is characterised by means of the Allan variance. We give some examples of the performance of the method to qualify the stability of individual stations, and we propose a contrasted spectral description the GPS and DORIS results.

DORIS (Détermination d'Orbite et Radio positionnement Intégré sur Satellite) est un des systèmes permanents d'observation de la Terre avec le Global Positioning System (GPS) et la télémétrie laser sur satellite (SLR). La richesse des mesures collectées par ces systèmes permet de représenter le déplacement des stations au sol sous forme de séries temporelles de coordonnées. Au delà de la modélisation déterministe habituelle des phénomènes géophysiques, un nouveau domaine de recherche en géodésie s'est ouvert il y a quelques années, visant à la validation et à l'interprétation de ces séries temporelles.Dans la première partie du mémoire on décrit l'intégration de la fonction de mesure DORIS dans le logiciel de traitement GPS de l'Université de Berne.La partie principale des recherches effectuées concerne l'étude et la mise en oeuvre d'une méthode d'analyse de séries géodésiques 3D allant au delà des approches classiques que sont la répétitivité ou la recherche de périodicités et de ruptures. La méthode fait appel à des outils empruntés à d'autres disciplines : l'Analyse en Composantes Principales aux statistiques des sondages, et la variance d'Allan à la métrologie du temps et des fréquences. Elle est testée sur un certain nombre de jeux de séries temporelles de coordonnées de stations DORIS et GPS. On obtient une batterie de diagnostics qualifiant le spectre des mouvements de station et celui des erreurs de mesure. Ces diagnostics permettent la description déterministe et statistique du mouvement des stations obtenu par les analyses de géodésie spatiale. Ils conduisent aussi à une différenciation des systèmes de positionnement DORIS et GPS par leur signature spectrale.