Estimation of crustal vertical movements with GPS in a geocentric frame, within the framework of the TIGA project. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Estimation of crustal vertical movements with GPS in a geocentric frame, within the framework of the TIGA project.

Estimation des mouvements verticaux de l'écorce terrestre par GPS dans un repère géocentrique, dans le cadre du projet TIGA.

Résumé

Two complementary techniques coexist today to observe sea-level variations. Satellite altimetry observes sea-level on near-global and regular spatial and temporal sampling. However, this technique has not more than a few decades of existence. Due to inter-decadal variations in sea-level, altimetry does not provide access to long-period signals or secular changes. Long-term sea-level variations are accessible today by tide gauge measurements, having some of them continuous records since the 19th century. This technique is therefore the only way to directly observe the sea-level change during the 20th century, which represents a good indicator of climate change. However, the tide gauge estimates are contaminated by long-term vertical movements of the Earth's crust. To obtain the absolute long-term sea-level variation, the vertical movements of tide gauges can now be determined by the GPS technique. This approach is explored in practice since 2001 by the TIGA (Tide Gauge Benchmark Monitoring) pilot project of the International GNSS Service (IGS). Since 2002, the Consortium ULR (University of La Rochelle and the French National Geographic Institute) takes part in this project as a TIGA Analysis Center. Currently, more than 300 GPS stations globally distributed are processed, from which more than 200 are co-located with a tide gauge. My doctoral thesis work deals with the methodological study to improve the estimation of vertical velocities of GPS stations. A first part of my work has involved the study of the best processing strategy of the GPS data. Various models have been tested as, for example, the effects of antennae phase center variation and the tropospheric delay. Due to the large number of stations, the distribution into sub-networks is necessary for processing. An optimal and dynamical distribution of GPS stations has been developed and tested. The results showed that this procedure has greatly improved the quality of the GPS processing. Following the application of this new processing strategy, we obtained and exported products such as the station positions, the satellite orbits, the orientation parameters of the Earth, and the apparent motion geocenter, to be combined within the first GPS data reanalysis campaign of the IGS. The comparison of these products with other high-quality estimates provided a validation of the GPS processing strategy implemented as well as some clues for future improvement. In addition, the participation in this campaign has extended the International Terrestrial Reference Frame (ITRF) to tide gauges. The second part of my work involved the study of the GPS vertical velocity estimation. The coupled effect of periodic signals and discontinuities on the estimated velocities has been highlighted, showing the need to estimate these parameters in a consistent and rigorous way. Particularly, the effect of discontinuities has been reported as the current largest source of error in velocity estimation. The realistic velocity uncertainties were analyzed in depth by taking into account the correlated noise content in time series. By comparing the results of this rigorous analysis with the previous ULR solution, it was found a significant reduction in the correlated noise content. This is mainly due to the improved data processing strategy. The noise analysis has led to the demonstration that the temporal correlation of homogeneously reprocessed time series depends on the data epoch. In this way, it was shown that the noise content of long GPS time series is mainly due to the noise level of the oldest data. However, to get the smallest formal velocity uncertainty, it is necessary to use all the available data. It has been shown that by using the noise model most appropriate for each time series, the formal uncertainty of the velocity field agrees with the velocity differences obtained with respect to the next realization of the International Terrestrial Reference Frame, the ITRF2008.
Deux techniques complémentaires coexistent aujourd'hui pour observer les variations du niveau des mers. L'altimétrie par satellite permet une observation quasi globale avec un échantillonnage temporel et spatial régulier. Cependant, cette technique n'a pas plus de quelques décennies d'existence. A cause des variations inter-décennales du niveau des mers, elle ne donne donc pas accès aux signaux de longue période ou aux variations séculaires. Les variations du niveau des mers à long terme sont accessibles aujourd'hui que grâce aux mesures marégraphiques, certains marégraphes fournissant des enregistrements continus depuis le XIXème siècle. Cette technique constitue donc le seul moyen d'estimer, à partir de la mesure directe, les variations du niveau des mers pendant le XXème siècle, donnée qui représente un bon indicateur du changement climatique. Cependant, les estimations marégraphiques sont contaminées par des mouvements verticaux à long terme de la croûte terrestre. Afin d'obtenir les variations absolues à long terme du niveau des mers, les mouvements verticaux des marégraphes peuvent maintenant être déterminés par la technique GPS. Cette approche est explorée en pratique depuis 2001 par le projet pilote TIGA (Tide Gauge benchmark monitoring) du Service International des GNSS (IGS). Dès 2002, le Consortium ULR (Université de La Rochelle et Institut Géographique National) contribue à ce projet en tant que Centre d'Analyse TIGA. Actuellement, plus de 300 stations GPS globalement reparties sont traitées, parmi lesquelles plus de 200 sont co-localisées avec un marégraphe. Mes travaux de thèse s'inscrivent dans l'étude méthodologique visant à améliorer l'estimation des vitesses verticales des stations GPS. Une première étape de mes travaux a donc consisté en l'étude de la meilleure stratégie de traitement des données GPS. Différentes modélisations ont été testées comme, par exemple, les effets de variation de phase des antennes et du retard troposphérique. A cause du grand nombre de stations du réseau, une répartition en sous-réseaux est imposée pour le traitement. Une répartition optimale des stations GPS selon une approche dynamique a été élaborée et testée. Les résultats ont montré que cette procédure améliore grandement la qualité du traitement GPS. A l'issue de l'application de cette nouvelle stratégie de calcul, on a obtenu et exporté des produits dérivés comme les positions des stations, les orbites des satellites, les paramètres d'orientation de la Terre, et le mouvement apparent du géocentre, pour être combinés dans le cadre de la première campagne de retraitement des données GPS de l'IGS. La confrontation de ces produits avec les produits d'autres analyses de très haute qualité (la grande majorité des Centres d'Analyse IGS y participent) on fourni une validation de la stratégie de traitement GPS implémentée et aussi des indications pour de futures améliorations. La participation à cette campagne a permis en plus de densifier et d'étendre le repère international de référence terrestre (ITRF) aux marégraphes. La deuxième étape de mes travaux a consisté en l'étude de l'estimation de vitesses verticales GPS. L'effet couplé des signaux périodiques et des discontinuités sur les vitesses estimées a été mis en évidence, montrant la nécessité d'estimer ces paramètres d'une manière cohérente et rigoureuse. Particulièrement, l'effet des discontinuités a été signalé comme la source d'erreur la plus importante aujourd'hui pour l'estimation de vitesses. Les incertitudes réalistes des vitesses estimées ont été analysées en profondeur en prenant en compte le contenu de bruit corrélé dans les séries temporelles. En comparant rigoureusement les résultats de cette analyse avec la précédente solution ULR, on constate une réduction significative du contenu du bruit corrélé. Ceci est dû principalement à l'amélioration du traitement des données. Cette analyse du bruit a abouti à la démonstration que la corrélation temporelle des données retraitées de façon homogène dépend de l'époque des données. De cette façon, il a été démontré que le contenu du bruit dans les séries temporelles GPS longues s'explique principalement par le niveau de bruit des données les plus anciennes. Toutefois, pour obtenir l'incertitude formelle de vitesse la plus petite possible, il est nécessaire d'incorporer toutes les données disponibles. Il a été montré qu'en utilisant le modèle de bruit le plus approprié pour la série temporelle de chaque station, l'incertitude formelle du champ de vitesse estimé est en accord avec les différences de vitesse obtenues par rapport à la prochaine réalisation du repère international de référence terrestre, l'ITRF2008.
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Dates et versions

tel-00686823 , version 1 (11-04-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00686823 , version 1

Citer

Alvaro Santamaría-Gómez. Estimation of crustal vertical movements with GPS in a geocentric frame, within the framework of the TIGA project.. Earth Sciences. Observatoire de Paris, 2010. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00686823⟩

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