GENESIS: Co-location of Geodetic Techniques in Space

Improving and homogenizing time and space reference systems on Earth and, more directly, realizing the Terrestrial Reference Frame (TRF) with an accuracy of 1mm and a long-term stability of 0.1mm/year are relevant for many scientific and societal endeavors. The knowledge of the TRF is fundamental for Earth and navigation sciences. For instance, quantifying sea level change strongly depends on an accurate determination of the geocenter motion but also of the positions of continental and island reference stations, as well as the ground stations of tracking networks. Also, numerous applications in geophysics require absolute millimeter precision from the reference frame, as for example monitoring tectonic motion or crustal deformation for predicting natural hazards. The TRF accuracy to be achieved represents the consensus of various authorities which has enunciated geodesy requirements for Earth sciences. Today we are still far from these ambitious accuracy and stability goals for the realization of the TRF. However, a combination and co-location of all four space geodetic techniques on one satellite platform can significantly contribute to achieving these goals. This is the purpose of the GENESIS mission, proposed as a component of the FutureNAV program of the European Space Agency. The GENESIS platform will be a dynamic space geodetic observatory carrying all the geodetic instruments referenced to one another through carefully calibrated space ties. The co-location of the techniques in space will solve the inconsistencies and biases between the different geodetic techniques in order to reach the TRF accuracy and stability goals endorsed by the various international authorities and the scientific community. The purpose of this white paper is to review the state-of-the-art and explain the benefits of the GENESIS mission in Earth sciences, navigation sciences and metrology.Comment: 31 pages, 9 figures, submitted to Earth, Planets and Space (EPS

Combinaison de techniques spatiales pour la détermination et la maintenance d'un système de référence terrestre centimétrique

Combination of spatial techniques for the determination and the maintenance of a Centimetric Terrestrial Reference SystemLa définition précise d'un système de référence terrestre et sa meilleure réalisation par un repère de référence terrestre sont les exigences de nombreuses investigations géodynamiques de la Terre : la rotation de la terre, les déformations de sa croute dues aux mouvements des plaques tectoniques, aux marées terrestres et océaniques, etc. les concepts fondamentaux des systèmes de référence célestes et terrestres sont exposés, ainsi que les relations qui les lient. La définition et la réalisation des systèmes de référence associés aux techniques spatiales (interférométrie à très longue base, télémétrie laser sur satellite et sur la Lune...) sont décrites. La modélisation générale permettant l'estimation des coordonnées de stations et leurs variations temporelles est étudiée en vue de l'établissement et la maintenance d'un système de référence terrestre conventionnel. Des applications dans le cadre du service international de la rotation terrestre (IERS) sont présentées et en particulier, la réalisation de son système de référence terrestre par la combinaison de données des techniques spatiales. Une analyse de ce système ainsi que des effets lies au repère terrestre et à la rotation de la Terre est effectuée. Des améliorations et des perspectives futures sont esquissées

Champ de vitesses de l'ITRF (propriétés cinématiques de la croûte terrestre et condition de non rotation globale)

La définition du Repère International de Référence Terrestre (ITRF) telle qu'elle est recommandée par les conventions de l'IERS nécessite d'appliquer une condition de non rotation globale (NNR) portant sur les mouvements horizontaux de la croûte terrestre afin de définir l'évolution temporelle de l'orientation de l'ITRF. Le repère NNR est défini de manière cinématique en imposant que le moment cinétique global de la croûte terrestre par rapport au repère soit nul. A ce jour, cette condition est définie implicitement par l'alignement du champ de vitesses de l'ITRF sur le modèle NNR-NUVEL1A. Le nombre important de sites de l'ITRF 2005 permet d'obtenir un modèle cinématique des plaques majeures basé uniquement sur les données de géodésie spatiale. La problématique de cette thèse est d'appliquer explicitement la condition NNR à partir du champ de vitesses de l'ITRF2005 uniquement. Pour cela, une méthode permettant d'interpoler un champ de vitesses horizontales basée sur la collocation par moindres carrés a été développée. La terre est supposée sphérique. L'interpolation est menée plaque par plaque ; le mouvement rigide de chaque plaque étant retiré au préalable. Afin de tenir compte de la géométrie du mouvement, et de définir un modèle de covariance indépendant du système de coordonnées restant valide sur de grandes zones d'études, l'interpolation porte sur les vitesses angulaires. Les pôles de rotation décrivant la cinématique de quinze plaques sont déterminés à partir du champ de vitesses de l'ITRF2005. Ce dernier est interpolé sur dix plaques ayant suffisamment de données. La rotation entre l'ITRF2005 et le repère NNR est estimée en utilisant le champ de vitesses interpolé.PARIS-Observatoire (751142302) / SudocSudocFranceF

Analyse des séries temporelles de positions des stations de géodésie spatiale (application au Repère International de Référence Terrestre (ITRF))

Pour la première fois de son histoire, la dernière réalisation en date du Système International de Référence Terrestre, l'ITRF2005, a été générée à partir de séries temporelles de positions de stations des 4 grandes techniques de géodésie spatiale: le Système de Positionnement Global GPS, l'Interférométrie à Très Longue Base, VLBI, la Télémétrie Laser sur Satellite SLR et le système de détermination d'orbite précise de satellite DORIS. Le processus d'estimation de l'ITRF nécessite le calcul des positions et vitesses des stations de ces réseaux qui sont ensuite combinées à l'aide de rattachements locaux dans les sites co-localisés. Dès lors, la disponibilité de séries temporelles de positions permet non seulement la mesure de leurs variations temporelles mais aussi l'étude continuelle des biais globaux affectant les repères estimés. De plus, elle offre la possibilité d'étudier l'accord de ces techniques à un taux d'échantillonnage très élevé. Cette comparaison nécessite le retrait des biais globaux qui, cependant, introduit une erreur appelée "effet de réseau". Cet effet a été étudié à l'aide de données synthétiques et des méthodes permettant de le limiter ont été proposées. Elles ont été appliquées pour comparer les séries temporelles de hauteurs VLBI, SLR et GPS et différentes estimations du mouvement du géocentre. Ces analyses ont permis de mettre en évidence un accord certain à la fréquence annuelle, qui témoigne de la détection des phénomènes de surcharge agissant sur la croûte terrestre. L'utilisation d'un modèle de surcharge dans le processus d'estimation d'un repère séculaire est donc recommandée.PARIS-Observatoire (751142302) / SudocSudocFranceF

Les GNSS peuvent-ils contribuer à améliorer la définition de l'ITRF ?

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) play a fundamental role in the elaboration of the International Terrestrial Reference Frame (ITRF). However, GNSS have so far not proven able to reliably determine the terrestrial scale nor the location of the Earth s center of mass (geocenter) and have thus not contributed to defining the ITRF scale nor its origin. The weak ability of GNSS to determine the terrestrial scale apart from conventional satellite phase center offsets is well understood. On the other hand, their inability to reliably monitor geocenter motion was so far not clearly explained. We investigated this question from the perspective of collinearity among the parameters of a least-squares regression. A generalized collinearity diagnosis was therefore developed and allows handling several peculiarities of the GNSS geocenter determination problem. It revealed that the determination of all three components of geocenter motion with GNSS suffers from serious collinearity issues due to the simultaneous estimation of epoch-wise station and satellite clock offsets and of tropospheric parameters in global GNSS data analyses. Several prospects were finally investigated in view of a possible future contribution of GNSS to the definition of the ITRF scale and origin: the antenna calibration of at least one GNSS satellite, the time invariability of the satellite phase center offsets, the simultaneous analysis of GNSS data collected by ground stations and low Earth orbiting satellites, the modelling of ultra-stable satellite clocks and the mitigation of orbit modelling errors.Les systèmes globaux de navigation par satellite (GNSS) jouent un rôle fondamental dans l élaboration du repère international de référence terrestre (ITRF). Cependant, les GNSS ne se sont jusqu à présent pas révélés aptes à déterminer de manière fiable l échelle terrestre ni la position du centre de masse de la Terre (géocentre) et n ont donc pas contribué à définir l échelle de l ITRF ni son origine. L incapacité des GNSS à déterminer l échelle terrestre indépendamment de biais conventionnels de centres de phase satellites est un problème bien connu. En revanche, leur incapacité à correctement observer le mouvement du géocentre restait jusqu alors inexpliquée. Nous avons étudié cette question sous l angle de la colinéarité entre paramètres d un ajustement par moindres carrés. Pour prendre en compte plusieurs particularités du problème de la détermination du géocentre par GNSS, un diagnostic de colinéarité généralisé a été développé. Il a ainsi été mis en évidence que la détermination du géocentre par GNSS est sujette à de sérieux problèmes de colinéarité à cause de l estimation simultanée de décalages d horloges et de paramètres troposphériques dans les analyses de données GNSS. Différentes pistes ont finalement été étudiées en vue d une possible future contribution des GNSS à la définition de l échelle et de l origine de l ITRF : l étalonnage de l antenne d au moins un satellite GNSS, l invariabilité temporelle des biais de centres de phase satellites, l analyse simultanée de données GNSS acquises par des stations terrestres et des satellites bas, la modélisation d horloges satellites ultra-stables et la réduction des erreurs de modélisation orbitale.PARIS-Observatoire (751142302) / SudocSudocFranceF