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Groupe de Recherche de Géodésie Spatiale Bureau des Longitudes Centre National d’Etudes Spatiales Observatoire de Paris Institut Géographique National Institut National des Sciences de l’Univers Observatoire de la Côte d’Azur Service Hydrographique et Océanographique de la Marine Observatoire Midi-Pyrénées Université de Polynésie Française

Rapport d’Activité 2007

Avril 2008

Présenté par

Nicole CAPITAINE

Présidente du Conseil Scientifique

Michel KASSER

Directeur Exécutif

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Réalisation technique : Christine Julienne (GEMINI, OCA)

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SOMMAIRE

Rédacteurs

Avant-propos A - DONNÉES ADMINISTRATIVES

N. Capitaine, M. Kasser

M. Kasser, N. Capitaine

B - EXPÉRIENCES ET TRAVAUX

1. TÉLÉMÉTRIE LASER 1.1. Station laser ultra mobile (FTLRS) 1.2. Stations laser fixes 1.3. T2000 et projets 1.4. Analyse des données Laser-Lune

F. Pierron F. Pierron, E. Samain, J.P. Barriot

P. Exertier G. Francou

2. MÉCANIQUE ORBITALE ET CHAMP DE GRAVITE DE LA TERRE 2.1. Mécanique orbitale 2.2. Champ de gravité de la Terre (CHAMP, GRACE, GOCE) 2.3. Gravimétrie et Bureau Gravimétrique International 2.4. Altimétrie

F. Deleflie, J.-C. Marty R. Biancale S. Bonvalot

M.-F. Lalancette

3. SYSTÈMES DE RÉFÉRENCE 3.1. Systèmes de référence et IERS 3.1.1. Système céleste 3.1.2. Rotation de la Terre 3.1.3. Repère international de référence terrestre (ITRF) 3.1.4. Centre de combinaison 3.1.5. Systèmes de référence et rotation de la Terre 3.2. Apport des mesures géodésiques

3.2.1. DORIS 3.2.2. Laser 3.2.3. GNSS 3.2.4. VLBI 3.2.5. Marégraphie

J. Souchay D. Gambis

Z. Altamimi D. Gambis

N. Capitaine

P. Willis P. Exertier

F. Perosanz A.M. Gontier

G. Woppelmann

4. OCÉANS, HYDROLOGIE GLOBALE 4.1. Altimétrie spatiale

4.1.1. Variations du niveau des océans 4.1.2. Etalonnages 4.1.3. Hydrologie spatiale

4.2. Phénomènes côtiers 4.3. Glaces

A. Cazenave P. Bonnefond

A. Cazenave, J-F. Cretaux L. Pineau-Guillou

F. Rémy

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5. GEODESIE PLANETAIRE 5.1. Champ de Gravité Martien 5.2. Missions planétaires

J.C. Marty J.P. Barriot

6. PHYSIQUE FONDAMENTALE / ETUDE DE L’UNIVERS 6.1. Test du principe d’équivalence 6.2. Transfert de temps par lien laser

G. Métris

E. Samain

C – AUTRES ACTIVITES GRGS

Réunion ouverte du conseil scientifique du GRGS

N. Capitaine

ANNEXE : Liste et coordonnées du personnel GRGS 2007

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AVANT-PROPOS

Le Groupe de Recherches en Géodésie Spatiale (GRGS), fondé en 1971, fonctionne actuellement selon un protocole signé en 2004 entre les neuf organismes suivants : Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), Institut Géographique National (IGN), Observatoire de Paris (OP), Observatoire de la Côte d'Azur (OCA), Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM), Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Université de Polynésie Française (UPF), Bureau des longitudes (BdL) et Institut National des Sciences de l’Univers (INSU/CNRS), auxquels s’est joint en 2007 le Conservatoire National des Arts et Métiers. Le but du GRGS est de fédérer les activités de géodésie spatiale en France et développer les coopérations internationales dans ce domaine. Selon la charte d’organisation du GRGS, le Directeur exécutif dispose d'un Bureau Exécutif chargé de préciser la mise en œuvre matérielle des décisions du Comité Directeur (constitué par les Directeurs ou Présidents des organismes qui composent le GRGS) et d’un Conseil Scientifique chargé de coordonner les activités scientifiques du GRGS. La partie A de ce rapport donne la composition de ces conseils et fournit des éléments d’information sur le personnel et le budget 2007 du GRGS. La liste complète du personnel est donnée en Annexe.

Les activités du GRGS, résumées dans la partie B du rapport d’activités, résultent de coopérations entre les équipes suivantes : équipe de Géodésie spatiale du CNES, Laboratoire de recherches en géodésie (LAREG) de l’IGN, Département SYRTE (UMR 8630) de l’Observatoire de Paris, Département GEMINI (UMR 6203) de l’OCA, Laboratoire Géodésie-géophysique du SHOM, Départements LEGOS (UMR 5566) et DTP (UMR5562) de l’OMP, Observatoire Géodésique de Tahiti de l’UPF, et laboratoire Géodésie et géomatique de l’Ecole supérieure des géomètres et topographes (ESGT) du CNAM qui a été intégrée au GRGS au cours de l’année 2007 ; ces activités concernent également le personnel rattaché au GRGS. Le rapport, présenté par thèmes scientifiques, comporte des contributions à la géodésie spatiale au niveau des observations, du traitement de données, de la modélisation et de la théorie. La partie C du rapport donne un résumé de la réunion scientifique GRGS 2007, traditionnellement organisée après la réunion annuelle du Conseil scientifique.

L’année 2007 a été marquée par le succès de projets GRGS résultant d’efforts déployés pendant plusieurs années. Cela s’est traduit, par exemple, (i) par une mise à disposition sur PC-Linux du logiciel GINS (CNES) qui représente un outil majeur du GRGS, (ii) par une implication très forte des équipes du GRGS dans les services scientifiques internationaux (IERS, ILRS, IVS, IGS, IDS, BGI), (iii) par le fonctionnement opérationnel d’un centre de recherches IERS, étiqueté GRGS, sur les combinaisons du traitement des observations de diverses techniques, (iv) par la finalisation du programme de recherche et développement Télémétrie 2000, (v) par une préparation coordonnée de l’implication des équipes du GRGS dans les projets liés au programme Galileo.

Suivant le cycle adopté en 2004, le rapport 2007 résume les progrès et les résultats obtenus depuis la fin 2006, en se limitant aux faits marquants et aux nouvelles publications, tandis que le rapport précédent couvrait la période 2003-2006 afin de servir de base à l’examen quadriennal par le Groupe d'évaluation scientifique. Les travaux et les expériences en cours décrites dans le présent rapport seront examinés par le Conseil Scientifique du GRGS lors de sa réunion annuelle en avril 2008. Ce Conseil discutera également de la prospective et des avancées scientifiques pouvant concerner directement ou indirectement le GRGS. Un bilan sera présenté au Comité Directeur en mai 2008, ainsi que la nouvelle direction proposée pour la période 2008-2011.

L’équipe de direction N. Capitaine, M. Kasser

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TABLE DES MATIERES

Pages

AVANT PROPOS 5

A - DONNEES ADMINISTRATIVES

9-13

B - EXPERIENCES ET TRAVAUX

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1 - TELEMETRIE LASER 1.1. Station laser ultra-mobile (FTLRS)

1.2. Stations laser fixes

1.3. T2000 et projets

1.4. Analyse des données laser-lune

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2 - MECANIQUE ORBITALE ET CHAMP DE GRAVITE DE LA TERRE 2.1. Mécanique orbitale

2.2. Champ de gravité de la Terre (CHAMP, GRACE, GOCE)

2.3. Gravimétrie et Bureau Gravimétrique International

2.4. Altimétrie

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3 - SYSTEMES DE REFERENCE 3.1. Systèmes de Référence et IERS

3.1.1. Système céleste

3.1.2. Rotation de la Terre

3.1.3. Repère international de référence de référence terrestre (ITRF)

3.1.4. Centre de combinaison

3.1.5 Systèmes de référence et rotation de la Terre : théorie

3.2. Apport des mesures géodésiques

3.2.1. DORIS

3.2.2. Laser

3.2.3. GNSS

3.2.4. VLBI

3.2.5. Marégraphie

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4 – OCEANS, HYDROLOGIE GLOBALE 4.1. Altimétrie spatiale

4.1.1. Variations du niveau des océans

4.1.2. Etalonnages

4.1.3. Hydrologie spatiale

4.2. Phénomènes côtiers

4.3. Glaces

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5 –GEODESIE PLANETAIRE 5.1. Champ de gravité Martien

5.2. Missions planétaires

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6 - PHYSIQUE FONDAMENTALE 6.1. Test du principe d’équivalence

6.2. Transfert de temps par lien laser

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C – AUTRES ACTIVITES GRGS Réunion ouverte du conseil scientifique du GRGS sur le thème « Les perspectives scientifiques de Galileo pour les équipes du GRGS »

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ANNEXE Liste et coordonnées 2007 du personnel GRGS 125

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A - DONNEES ADMINISTRATIVES

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ORGANISMES MEMBRES, COMITÉ DIRECTEUR et STRUCTURE

(en 2007)

1. Organismes membres Bureau des Longitudes : BdL

Centre National d’Etudes Spatiales : CNES

Observatoire de Paris : OP

Institut Géographique National : IGN

Institut National des Sciences de l’Univers : INSU

Observatoire de la Côte d’Azur : OCA

Service Hydrographique et Océanographique de la Marine : SHOM

Observatoire Midi-Pyrénées : OMP

Université de Polynésie Française UPF

Conservatoire National des Arts et Métiers CNAM

2. Comité Directeur 2.1. Membres des organismes F. BARLIER : Président, BdL

Y. D’ESCATHA : Président Directeur Général, CNES

D. EGRET : Président, OP

M. WACHENHEIM : Directeur Général, IGN

D. LE QUÉAU : Directeur, INSU

J. COLIN : Directeur, OCA

G. BESSERO : Directeur, SHOM

B. DUPRÉ : Directeur, OMP

L. PELTZER : Présidente de l'Université de Polynésie Française

M. L. POLIDORI : CNAM-ESGT 2.2. Membres de droit M. KASSER : Directeur Exécutif, GRGS

N. CAPITAINE : Président du Conseil, GRGS

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3. Bureau Exécutif Directeur Exécutif : M. KASSER

Président du Conseil du GRGS : N. CAPITAINE (GRGS/BdL)

GRGS/CNES : R. BIANCALE

GRGS/OP : D. GAMBIS

GRGS/IGN : O. JAMET

GRGS/OCA : P. EXERTIER

GRGS/SHOM : M.-F. LEQUENTREC-LALANCETTE

GRGS/OMP : J.-F. CRÉTAUX

GRGS/UPF : J.-P. BARRIOT

GRGS/CNAM-ESGT J. NICOLAS

4. Conseil scientifique Président : N. CAPITAINE

4.1. Membres BdL : N. CAPITAINE* CNES : S. HOSFORD R. BIANCALE* J.F. CRÉTAUX*

OP : D. GAMBIS*

A.M. GONTIER

IGN : O. JAMET*

Z. ALTAMIMI

INSU : B. GOFFÉ

OCA : P. EXERTIER* E. SAMAIN

SHOM : M.-F. LEQUENTREC-LALANCETTE*

L. PINEAU-GUILLOU

OMP : Y. DU PENHOAT

A. BRIAIS

UPF : J.-P. BARRIOT*

4.2. Membres de droit Directeur Exécutif M. KASSER*

4.3. Membres extérieurs : P. CHARLOT (Observatoire de Bordeaux)

N. FLORSCH (UPMC) (jusqu’en avril 2007)

* membres du Bureau Exécutif

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5. Groupe d’Evaluation Scientifique Le Groupe d’évaluation scientifique (GES), a mené l’évaluation quadriennale du GRGS au début 2008. Il est constitué de personnalités scientifiques choisies par le Comité Directeur et des représentants des sections du CNRS concernées par les activités du GRGS.

5.1. Personnalités scientifiques extérieures Véronique Dehant : Observatoire Royal de Belgique, Bruxelles, Belgique François Mignard (Président) : Observatoire de la Côte d'Azur Christophe Sotin : Université de Bretagne Sud, Nantes

5.2. Représentants des instances nationales d’évaluation Section 17 : Christophe Sotin Section 18 : Gauthier Hulot (Institut de Physique du Globe de Paris) Section 19 : Guy Delrieu (Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement, Grenoble)

6. Personnel et Budget 6.1. Personnel

Le personnel des équipes GRGS a été redéfini à l'occasion du nouveau protocole d'accord sur le GRGS signé par les divers partenaires le 26-01-2004. La liste est mise à jour annuellement par le Bureau exécutif en étroite coordination avec les représentants des équipes au sein de ce bureau.

Le personnel mis à disposition du GRGS, à temps complet ou partiel, comprend une centaine de personnes. Le tableau ci-après détaille la répartition par organisme et qualification (voir en Annexe la liste et les coordonnées du personnel GRGS par équipe au 31/12/2007).

Organisme Qualification

CNES

OMP

OP

IGN

OCA

SHOM

UPF

ESGT

Total

Chercheurs 7 8 11 10 5 8 2 5 53

Ingénieurs, Tech. 3 3 4 2 16 0 2 2 36 Administratifs 1 1 1 1 1 0 5 Doctorants & Post-docs 0 1 2 7 3 1 2 15 Total 11 13 18 20 25 9 4 9 109

Tableau 1 : Répartition du personnel GRGS par organisme et qualification en 2007 6.2. Budget

Le CNES met annuellement en place, pour le GRGS, des crédits dans le cadre d’une convention passée avec l’INSU.

Les crédits attribués au fonctionnement général du GRGS (y compris les écoles d’été) et aux différentes opérations de recherche scientifique spatiale menées par le GRGS (hors LEGOS/OMP) se décomposent selon le tableau ci-dessous (en kilo Euros et crédits HT) relatif à l’année 2007.

Matériel 3.9 kE Vacations 21,0 kE Missions 117, 7 kE

Total 182, 6 kE

Tableau 2 : crédits CNES 2007 attribués aux opérations scientifiques GRGS (hors LEGOS/OMP)

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B - EXPERIENCES ET TRAVAUX

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1. TELEMETRIE LASER

1.1. Station laser ultra-mobile (FTLRS)

1.2. Stations laser fixes

1.3. T2000 et projets

1.4. Analyse des données Laser-Lune

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1.1. STATION LASER ULTRA-MOBILE (FTLRS)

1. Introduction La Station Laser Ultra Mobile (ou FTLRS pour French Transportable Laser Ranging Station) reste à cette date la plus petite station de télémétrie laser opérationnelle au monde.

Développée à l’OCA en 1994/96 en collaboration avec le CNES, l’IGN et l’INSU, cette station est destinée à l’installation rapide pour des campagnes limitées dans le temps en des sites appropriés pour des observations géodésiques, pour répondre à des besoins de mesures sur des sites isolés. Elle a plus particulièrement été développée pour participer aux expériences de validation des orbites et d’étalonnage des altimètres embarqués (CAL/VAL) sur des satellites océanographiques tels que TOPEX/POSEIDON, JASON-1, ERS et ENVISAT et à des expériences de co-localisations géodésiques. Les programmes de recherches associés à cet instrument ont donc essentiellement rapport avec l’orbitographie et le positionnement de très haute précision.

2. Installation dans le nouveau laboratoire de Calern Au cours de l’année 2007 a eu lieu la finalisation du laboratoire de Calern dédié à la station Laser Ultra Mobile. Celui ci, construit dans le cadre de T2000 en lieu et place de l’ancienne station de télémétrie avec la remorque CNES et le télescope de 1 mètre permettra à la fois d ‘effectuer des développements technologiques et des évolutions sur la station en position basse et d’observer sur le ciel en position haute avec une capacité de repositionnement meilleure que le millimètre.

La mise en place de l’instrument avec ses nouvelles fonctionnalités a débuté en 2007 et les premières observations sur le ciel ont eu lieu au mois de mai sur la plupart des satellites géodésiques.

La station Laser Ultra Mobile sera donc installée hors périodes mission dans ce laboratoire de Calern avec une capacité unique d’effectuer des colocations et opérations laser avec deux instruments proches (30 mètres) et très complémentaires en terme de cibles tout en permettant la préparation de l’instrument pour les campagnes à venir et des évolutions technologiques sur le système.

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3. Campagne en Tasmanie (novembre 2007-Avril 2008) A la suite de l’appel international à collaboration pour l’implication de la station Laser Ultra Mobile dans des projets scientifiques émis par le GRGS en 2005 , plusieurs groupes tels que la communauté géodésique Australienne et l’université de Chania en Crête associée à un groupe de la Nasa, avaient manifestés leur intérêt à ce type de projet.

En particulier, nos collègues de l’université de Canberra et de Hobart impliqués déjà depuis plusieurs années dans des opérations

océanographiques liées aux programmes scientifiques menés sur Jason1 ont demandé et obtenu de la part du gouvernement

Australien des financements permettant d’envisager un partenariat pour monter un projet.

Ce projet s’insère dans le cadre d’une expertise développée par nos collègues de Hobart et permettra de compléter par des mesures laser le site d’étalonnage multitechnique Jason mis en place entre Melbourne et Burnie depuis quelques années à l’aide de marégraphes, récepteurs GPS et campagnes de bouée permettant de modéliser le géoïde.

Dans ce contexte, notre apport comporte deux volets :

1. une campagne "Station Mobile" de 5 mois en Tasmanie sur ce site d’étalonnage au Nord de Hobart de novembre 2007 à Avril 2008

2. une collaboration scientifique d’exploitation des données intégrées dans les opérations de calibration/validation menées par le groupe de Grasse depuis plusieurs années.

Le financement global de l’opération est assuré en très grande partie par le ministère Australien et en particulier toute la logistique et les frais de missions de l’équipe Grassoise avec deux permanents sur place pour les opérations. Un budget de soutien pour préparation technologique de la station correspondant à environ 20% de l’opération complète est assurée par le CNES/GRGS.

Pour définir les priorités de « tracking », deux groupes sont considérés : les satellites purement géodésiques ( Lageos1&2, starlette et Stella) et les satellites océanographiques ( Jason1 , Envisat et Ers2, Gfo1).

Le premier groupe est utilisé dans les traitements scientifiques pour effectuer le positionnement de la station dans le système de référence avec une très grande précision ( quelques millimètres) et le deuxième pour soutenir les projets associés comme la calibration des altimètres embarqués (Jason1)

Environ huit personnes de l’OCA et un géomètre IGN sont impliqués dans cette opération qui voit la station mobile sortir de France pour la première fois avec toutes les difficultés logistiques

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Tasmania

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liées au transport, à l’éloignement , et aux décalages horaires compliquant l’exploitation quotidienne.

4. Participants au projet

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F. Pierron, P. Bonnefond, P. Exertier, M. Pierron , M. Furia, M. Laplanche, D. Féraudy, F. Para

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F. Duquenne, H.Fagard, JC Poyard, M. Kasser

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R. Biancale, J.M. Lemoine

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1.2. STATIONS LASER FIXES

1. Introduction La station laser Lune a été construite à la fin des années 70 avec un programme prioritaire d’observations sur la Lune. Depuis 2003, une activité de recherche et développement associée à un programme élargi prenant en compte la télémétrie sur satellite en plus de la télémétrie Lune, a été entreprise. Dans ce cadre, la station laser Lune est devenue la station MéO. Ce projet s’inscrit dans le programme de recherche et développement Télémétrie 2000. Le programme d’observation sur la Lune et sur les satellites lointains est resté nominal. Ce programme de développement et rénovation arrive à son terme : la station doit être opérationnelle au mois de juin 2008 pour participer notamment à la recette en vol de Jason 2 pour le projet de transfert de temps T2L2.

2. Station laser MeO 2.1 Présentation Le projet se décompose en 4 thèmes :

Motorisation du télescope : augmenter de la vitesse d’entraînement du télescope pour le suivi de satellites basse altitude et l’augmentation de la couverture près du zénith.

Coupole : réfection complète de la couverture de la coupole et remplacement du système de guidage

Coudé – Laboratoires focaux – laser : concilier les activités opérationnelles de télémétrie laser et les activités expérimentales liées à la recherche et au développement

Logiciels : adapter l’instrument au contexte « R&D » et aux nouvelles exigences de la télémétrie par laser.

2.2 Avancement du projet 2.2.1 Motorisation La conception et la mise au point de la motorisation sont pilotées par la division technique de l’INSU. La motorisation de l’axe azimutal est intégrée sur le télescope. Les premières rotations

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ont été effectuées à la fin de l’année. Le réglage fin de l’asservissement est en cours. Les performances mesurées, bien que préliminaires, laissent penser que l’objectif en matière de précision de suivi sera atteint. La motorisation de l’axe de l’élévation est en cours d’usinage chez un industriel. L’intégration à la division technique puis sur le télescope est planifiée début avril 2008. Le pilotage de la motorisation doit devenir opérationnel sur le ciel courant mai.

2.2.2 Coupole La couverture métallique a entièrement été refaite puis repeinte. Le système de guidage de la coupole a été entièrement remanié avec un rail circulaire fixe, des modules de guidage portés par la coupole, et une motorisation par chaîne. Cette mécanique est réalisée et en cours d’intégration actuellement. La coupole sera pilotée en rotation par le système de pilotage global, à l’identique de l’axe azimutal.

2.2.3 Coudé – Laboratoires focaux – laser Le laser dans sa nouvelle architecture est opérationnel depuis l’été 2007. Il est intégré sur une table optique qui à terme intégrera l’ensemble de l’instrumentation optique pour la télémétrie opérationnelle. La partie basse du coudé pour le transport du flux optique ascendant est réalisée et sera intégrée courant avril 2007. La photo détection avec son nouveau système de commutation laser rapide est en cours de design. Il ne sera finalisé qu’en 2009.

2.2.4 Logiciel Le logiciel de la station est constitué de trois modules principaux : IHM – Télémétrie opérationnelle – Télescope. Il y a de plus un logiciel de proximité en connexion directe avec le télescope réalisé par la Division technique de l’INSU. La station doit redémarrer sur le court terme avec les anciens logiciels pour tout ce qui concerne la télémétrie opérationnelle et avec les nouveaux pour le pilotage du télescope.

3. Observatoire Géodésique de Tahiti 3.1 Station-Laser : Seuls quelques points normaux on été acquis en janvier 2007. Le système électronique de poursuite du télescope est ensuite tombé en panne en février 2007, et deux techniciens (sur 3) ont été remplacés (rotation normale du personnel) en mars et juin 2007. La station devrait redémarrer en avril 2008, après un check-up complet des spécialistes de la NASA prévu fin mars 2008. Les deux nouveaux techniciens seront formés à l’occasion de cette visite, et un complément de formation du technicien permanent a eu lieu au Goddard en février 2008. Une nouvelle convention UPF-CNES-NASA assurant la continuité des

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opérations sur les cinq prochaines années est en cours de signature. Il est cependant clair que la station laser actuelle est en fin de vie, et que la question de son remplacement doit être abordé sans délai. L’expertise instrumentale de notre pays en ce domaine est reconnue (OCA) et doit jouer pour cela.

3.2 Réseau marégraphique de Polynésie : Le déploiement du réseau se poursuit normalement sur financement ANR-Polynésie. Trois missions d’études ont été menées en 2007-début 2008. Ont été retenues les îles suivantes : Tupuaï (Australes), Huahine (îles sous le vent), Rangiroa (Touamotou). Le matériel nécessaire (GPS Leica et marégraphes côtiers numériques VAISALA) a été reçu et les « permis de construire » des abris ont été déposés auprès des services de l’Equipement. L’armée et la Marine Nationale (dont le SHOM) nous apportent leur concours pour la monumentation (équipe de maçons du service miltaire adapté et mise à disposition d’un patrouilleur). Cette monumentation devrait démarrer en avril 2008, et la recette de ces 3 stations est prévue fin 2008. Elles seront intégrées au réseau SONEL et assureront de plus une veille tsunami (réseau PTWC). La mise à niveau GPS des stations marégraphiques des Gambiers et des Marquises est elle prévue fin 2008, et leur recette début 2009. Nous prévoyons d’organiser en 2009 une campagne de gravimétrie absolue (A10) sur tous ces sites.

3.3 Stations permanentes GPS et DORIS : La station DORIS a été entièrement rénovée en 2007 (antenne et balise). Nous attendons une balise maîtresse DORIS pour 2008. Les rattachements géodésiques de la station laser, de la balise DORIS et du marégraphe du port de Papeete on été refaits par l’IGN.

4. Grasse les 24/28 septembre 2007 : Le colloque annuel de l’ILRS (Ilrs Fall 2007 Workshop ) Le laboratoire Gemini de L'Observatoire de la Cote d'Azur a organisé du 24 au 28 Septembre 2007 au palais des Congrès de Grasse un colloque rassemblant les spécialistes mondiaux de télémétrie laser sur satellites et sur la Lune, regroupés au sein de *l’ILRS, Service International de Télémétrie Laser*. Ces recherches à la fois scientifiques et technologiques sont sous tendues par une métrologie de très grande exactitude de l'espace en mesurant des temps de vol d'impulsion Laser entre un télescope et des réflecteurs laser disposés sur des satellites scientifiques, sur la Lune et bientôt au delà dans notre système solaire. La science qui en découle permet d'approfondir nos connaissances des systèmes de référence terrestre et céleste ainsi que de l'évolution de notre planète (mouvements tectoniques, répartition des masses et surfaces des océans, champ de gravité et son évolution) en collaboration avec de nombreux projets spatiaux Européens ou internationaux. Ces congrès ont lieu une fois par an, et se déroulent traditionnellement dans une ville proche

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d’un de ces groupes de recherche, en l'occurrence le centre OCA/CNRS Grassois de Roquevignon associé à l'Observatoire de Calern dans l'arrière pays, site d'exception où sont menées ces observations avec une expertise scientifique et technologique dans ce domaine depuis plus de trente ans.

Le nombre de participants a été particulièrement élevés pour ce type de « Workshop » avec la plupart des groupes représentés, c’était une belle occasion de mettre l’accent sur les projets GRGS/CNES/OCA tels que T2L2, Jason, Microscope et T2000 à l’observatoire de Calern bien sûr.

5. Participants aux projets 5.1 Station Laser MEO de Calern 5.1.1 OCA Etienne Samain : Responsable projet Meo

Jocelyn Paris : Informatique

Jean Marie Torre : Laser, Informatique, automatique

Aurélien Drean : Conception mécanique

Dominique Albanese : Optique, instrumentation

Grégoire Martinot Lagarde : Optique

Olivier Dupont : Electronique

Xavier Martin : Mécanique

Jacques Depeyre : Technique

5.1.2 MEO/Division technique INSU Abchiche Abdelkader : Responsable projet motorisation

Nicolas Geyskens : Conception mécanique

Rodrigue Loisil : Conception mécanique

Gilles Buchholtz : informatique

5.1.3 OHP Jérome Eysseric : Automatisme, intégration

5.2 Observatoire Géodésique de Tahiti : JP Barriot, Y. Vota, B. Jouanneau, A. Utahia

5.3 Organisation du colloque de l’ILRS à Grasse F. Pierron, F. Deleflie, M. Pierron, P. Exertier, JM. Torre, M. Furia, G. Martinot, P. Bonnefond, M. Perrin, A. Bigot, F. Baumont, C. Julienne, M. Torre.

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1.3 T2000 ET PROJETS

1. Introduction Le projet Télémétrie 2000 s’inscrit dans un programme de rénovation profonde de la télémétrie par laser en France et d’observation sur satellites et Lune. Télémétrie 2000 doit permettre :

1.d’orienter la station laser Lune vers des activités de recherche et de développement en métrologie optique et d’élargir la politique scientifique de la station : la station laser Lune est renommée Station MeO (Métrologie Optique)

2.de démanteler la station laser satellite fixe et d’y installer à la place un laboratoire d’accueil (maintenance et opérations) de la station ultra mobile FTLRS.

A terme, courant 2008, il y aura deux stations laser complémentaires : la station MeO fixe au plateau de Calern et la station mobile FTLRS. Ces stations seront capables de couvrir les programmes scientifiques actuels et futurs, depuis l’observation des satellites proches jusqu’aux futures cibles interplanétaires en passant par la Lune.

Le budget total de cette opération se monte à environ 1,2 MEuros. Les demandes faites à la Région et au CNES, qui datent de 1999-2000, s ‘élevaient à l’époque à environ 5,4MF soit 0,83 MEuros. Le budget T2000 CNES&Région de départ a contribué à la globalité de la rénovation du bâtiment et des premiers équipements acquis en 2004. Nous avons ensuite financé l’autre parie (soit environ 0,4 MEuros) grâce à une nouvelle et fructueuse demande faite à la Région en 2006 (pour 0,15 ME), grâce à l’INSU (via une demande à la CSA en 2006-07, pour 0,1 ME), et grâce au soutien CNES obtenu pour T2000 en 2006 et en 2007.

2. Avancement en 2007 2.1 Bâtiments Laser

- démantèlement de la station laser-satellites, et rangement du télescope dans la remorque ; déménagement de l’ensemble roulant vers un parc de stockage (Calern) : terminé en 2006, début 2007

- rénovation et construction interne : terminées fin 2006 pour ré-introduire les équipements des personnels et instruments (laboratoires), etc. ; construction des labos focaux autour de MéO/ex-Laser Lune et construction laboratoire/salle d’observation pour la station mobile côté ex-Laser Satellites.

- coupole : entièrement reprise en 2007.

2.2 FTLRS (en place de l’exLaser Satellites) :

La plateforme élévatrice a été mise en place début 2007 puis motorisée ; l’équipe de l’IGN (travaux spéciaux, TS) est venue pour effectuer le rattachement géodésique du nouvel emplacement de la tourelle FTLRS (en position haute, elle repose en hauteur et dépace de la dalle du toit).

Des tests ont ensuite été effectués puis des tirs laser (les premiers depuis l’arrêt des tirs à Calern mi-2005) sur les satellites géodésiques.

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2.3 MEO (exLaser Lune) : La motorisation d’origine du télescope a été conçue pour le suivi de la Lune et des objets stellaires. Elle est basée sur des moteurs couples et sur une mécanique du type roue-vis sans fin. Elle n’est pas adaptée en terme de vitesse et d’accélération de pointé pour le suivi d’objets rapides. Elle n’est pas adaptée non plus au pointé en aveugle pour les futurs projets de télémétrie interplanétaire (exactitude).

La future motorisation est basée sur un accouplement direct des moteurs et des codeurs sur les deux axes du télescope. Une demande à la Div. Technique de l’INSUE (DT) a été faite et acceptée en 2004 sur la base de 2,5 hommes/an sur 2,5 ans et avec 30+20kEuros financés en 2004, 2005 et 2007. Le budget (télescope et coupole) total est d’environ 360kE.

Les travaux ont débuté en 2004, se sont poursuivis en 2005 (le télescope MeO n’a pas toujours obtenu la priorité numéro un à la DT, compte tenu de son plan de charge) ; l’intégration sur site a donc été retardée :

� le moteur d’azimut et son interface mécanique ont été montés fin 2007. � le moteur d ‘élévation est en cours. � en parallèle, les développements autour de la coupole (A. Drean sur CDD-AI Mécanique

CNES) ont consisté à :

o changer toutes les plaques (ou presque) du dôme, o reprendre le roulement de l’ensemble : fabrication de galets (dans les ateliers de

l’OCA), et prévoir un rail circulaire qui a été placé sur la maçonnerie,

o mécanique lourde du moteur.

3. Projets 3.1 Laser Satellites : Un projet a été monté avec l’Afrique du Sud, le CNES et l’OCA afin de re-utiliser le télescope d’un mètre (ex laser satellites) pour en faire un Laser-Lune. En 2006 puis 2007, toutes les démarches nécessaires ont été effectuées et les autorisations ont été obtenues ; le transport est prévu en 2008.

3.2 Transfert de Temps Laser (T2L2 sur Jason-2) : Le projet de transfert de temps entre l’OCA (station fixe MeO) et l’Observatoire de Paris (qui recevra la station mobile FTLRS en 2008-2009), via l’équipement spatial T2L2 à bord de JASON-2 (lancement prévu en juin 2008) est en cours d’élaboration.

On prévoit notamment l’utilisation d’un maser-hydrogène, qui est en cours de re-démarrage, début 2008.

3.3 Télémétrie laser : L’instrumentation associée à la télémétrie laser doit être remaniée. Elle est répartie sur une table optique unique et dans trois baies électroniques. La table intègre le laser, le dispositif de photo détection, un module de filtrage optique, un module de commutation laser et un système de vidéo intensifiée. Deux baies électroniques sont dédiées au pilotage du laser et la troisième (baie de mesure) est dédiée à l’instrumentation électronique associée à la télémétrie laser.

Le laser est basé sur deux anciens lasers de la station. Il est constitué de 3 cavités pulsées permettant d’adapter l’énergie laser et la durée des impulsions aux besoins et un ampli régénératif pour augmenter le nombre d’impulsion laser.

28

Le laser en version haute énergie est opérationnel à ce jour sur la table optique définitive. L’ensemble de la chaîne de mesure sera intégré en mai 2008 après intégration du coudé et de la mise au point du système de commutation laser et de toute la chaîne de photo détection. L’étude sur le module de commutation laser a fait l’objet d’une demande de R&T CNES qui a été financée à hauteur de 30 k•.

Enfin, une ANR a été obtenue entre l’équipe GRGS de l’OCA et l’UMR ARTEMIS (de l’OCA également), pour l’étude des laser femto-seconde et leur utilisation pour une télémétrie future à 15 chiffres significatifs.

4. Personnels OCA et IGN et CDD 4.1 OCA : E. Samain O. Dupont (CCD OCA) G. Martinot-Lagarde

JF. Mangin J. Paris

JM. Torre

F. Pierron

D. Feraudy M. Pierron

E. Cuot M. Furia

P. Exertier

4.2 IGN : M. Laplanche

4.3 CDD : A. Drean

4.4 Support DT-INSU : pour aspects mécanique et motorisation

29

1.4. ANALYSE DES DONNEES

LASER-LUNE

1. Introduction Le centre d'analyse ILRS "POLAC" (Paris Observatory Lunar Analysis Center) travaille en collaboration avec les deux centres de produits de l'IERS basés au SYRTE à l'Observatoire de Paris (EOP-PC et ICRS-PC). Les principaux objectifs de nos analyses sont d'améliorer les connaissances de la dynamique du système Terre-Lune, d'évaluer les paramètres qui ont une signature sensible dans les mouvements de la Lune et de raccorder le repère céleste dynamique aux autres repères, célestes et terrestres.

Les observations Laser-Lune (points normaux LLR) sont réalisées essentiellement par 3 observatoires : McDonald, 1969-2007 (Fort Davis, Texas), Grasse, 1984-2005 (OCA, France) et Haleakala, 1984-1990 (Maui, Hawaii). Les analyses opérationelles LLR sont actuellement tributaires du faible nombre d'observations effectuées par la station McDonald (MLRS2) et de l'arrêt de la station de l'OCA depuis septembre 2005. Mais ces activités devraient reprendre, en particulier la participation au centre de recherche sur les combinaisons, avec la remise en route du site de l'OCA en 2008 et la possibilité d'accéder aux récentes observations LLR de APOLLO (Apache Point Observatory) au Nouveau Mexique.

Avec notre collaboration, Hervé Manche a effectué l'ajustement aux observations LLR de l'intégration numérique réalisée à l'IMCCE par Jacques Laskar, Agnès Fienga, Hervé Manche et M. Gastineau, INPOP (Intégrateur Numérique Planétaire de l'Observatoire de Paris).

Nos analyses sur le mouvement des repères célestes se font en corrélation avec les travaux de Wassila Zerhouni qui prépare une thèse au SYRTE sous la direction de Nicole Capitaine sur l'utilisation conjointe des techniques LLR et VLBI pour améliorer la modélisation de l'orientation de la Terre dans l'espace et le raccordement entre systèmes de référence célestes cinématiques et dynamiques.

Ayant constaté que les observations LLR que nous utilisions jusqu'à aujourd'hui étaient parfois incomplètes, voire erronées, nous nous sommes livrés au recensement systématique de toutes les observations LLR disponibles depuis 1969 et à un examen critique de leur qualité afin d'exclure les données erronées et celles qui sont redondantes. Le résultat doit être mis à la disposition de communauté LLR.

2. Participants au projet Gérard Francou, Sébastien Bouquillon, Jean Chapront (contact : polac.contact@obspm.fr).

3. Références bibliographiques H. Manche, S. Bouquillon, A. Fienga, J. Laskar, G. Francou, M. Gastineau, 2007, Towards

INPOP07, adjustments to LLR data, Journées 2007 - Systèmes de références spatio-temporels, Eds. N. Capitaine et al., Paris, (Septembre 2007).

W. Zerhouni, N. Capitaine, G. Francou, 2007, The use of LLR observations (1969-2006) for the determination of the celestial coordinates of the pole, Journées 2007 - Systèmes de références spatio-temporels, Eds. N. Capitaine et al., Paris, (Septembre 2007).

30

31

2 - MECANIQUE ORBITALE ET CHAMP DE GRAVITE DE LA TERRE

2.1. Mécanique orbitale

2.2. Champ de gravité de la Terre (CHAMP, GRACE, GOCE)

2.3. Gravimétrie et Bureau Gravimétrique International

2.4. Altimétrie

32

33

2.1. MECANIQUE ORBITALE

1. Introduction En 2007, le développement des méthodes de dynamique orbitale s’est poursuivi, avec une mise en œuvre dans les logiciels d’analyse de perturbations orbitales du GRGS, pour des applications spécifiques ayant pour buts :

- L’analyse de l’environnement gravitationnel dans lequel sont placées les sondes vues comme senseurs de force,

- L’analyse de l’environnement non gravitationnel,

- La physique fondamentale,

- L’analyse de mission de projets spatiaux, comprenant aussi les vols en formation.

Les outils logiciels du GRGS qui ont connu des développements en 2007 sont :

- GINS, au sein du GRGS-Toulouse, et en collaboration avec d’autres équipes,

- ODYSSEY, MAURICE, CODIOR, VOLFOR au sein du GRGS Grasse.

2. Les outils logiciels développés au GRGS en 2007 2.1 GINS : Géodésie par Intégrations Numériques Simultanées Le logiciel GINS est installé sur les machines de calcul intensif du CNES et a besoin d’une base de données (observations, modèles,...) volumineuse hébergée aussi par le CNES.

Nous avons souhaité fournir à la communauté scientifique extérieure au CNES un moyen plus réactif d’utilisation de GINS en mettant à disposition les informations nécessaires au calcul d’orbite sans toutefois délivrer les codes sources ni l'intégralité de la base de données.

Pour cela, nous allons utiliser le fait que le logiciel GINS est divisé en deux parties distinctes : une première étape est réalisée par le logiciel PREPARS qui extrait (via un fichier Directives) de la base de données tous les fichiers nécessaires au calcul, effectue les prétraitements et génère un fichier (FIC). Ce fichier sert d’entrée à la seconde étape : GINS proprement dit.

Le logiciel GINS a été porté sur PC Linux et la base de données a été dupliquée sur la machine "Bérénice" située sur le réseau sécurisé DTP (Dynamique Terrestre et Planétaire) de l'OMP (Observatoire Midi-Pyrénées) et le logiciel PREPARS installé sur cette machine (ainsi que le code binaire nécessaire aux prétraitements de données GPS).

Les utilisateurs extérieurs au CNES peuvent donc se connecter à « Bérénice » pour y faire exécuter le PREPARS et récupérer le fichier d’entrée (FIC) pour l’exécution de GINS sur leur PC local. Ce travail se fait par le biais d’une une Interface Homme Machine (IHM) qui permet un accès plus didactique aux procédures d’utilisation de GINS.

Une première formation a été organisée en octobre 2007 et a accueilli une quinzaine de participants.

34

2.2 ODYSSEY : Intégration numérique du mouvement dans le système solaire Ce logiciel mis en chantier au GRGS-Grasse en 2006, participe à la ré-analyse des données de poursuite des missions Pionner 10 et 11, et plus généralement à l’étude des trajectoires dans le système solaire. La participation au « Groupe Anomalie Pionner » est effective.

L’analyse des données disponibles (concernant essentiellement Pioneer X entre 1988 et 1996) au moyen du logiciel ODYSSEY nous a permis de confirmer la nécessité d’une accélération non encore interprétée physiquement (appelée « anomalie Pioneer » par d’autres auteurs) pour expliquer les données.

2.3 MAURICE : Manipulateur Algébrique Ce logiciel, aux prétentions modestes, se veut le noyau d’un nouveau manipulateur algébrique propre au GRGS et dédié à la mécanique spatiale, en permettant également une évaluation des algorithmes numériques. Les manipulations peuvent être effectuées avec un nombre quelconque de chiffres significatifs, et un nombre quelconque de variables.

2.4 CODIOR : Intégration numérique des équations moyennes du mouvement Les développements de CODIOR en 2007 se sont déroulés dans le cadre du contrat R&T qui lie l’OCA au CNES :

- programmation de l’algorithme d’obtention d’éléments moyens en fournissant en entrée des données osculatrices

- premiers tests pour la propagation d’orbites à fortes excentricités - prise en compte de fichiers d’environnement « utilisateurs » (activité solaire, en

particulier)

Les applications concernent la stabilité long terme des orbites, l’estimation de la durée de vie d’un satellite, et l’étude de trajectoires moyennes des débris spatiaux, essentiellement.

2.5 VOLFOR : Analyse Analytique des Vols en Formation La bibliothèque VOLFOR, à travers différents modules, a pour but la mise en œuvre des théories analytiques du mouvement relatif : le travail a été effectué pour le mouvement képlérien, et pour les perturbations dues à un champ de gravité interne développé en harmoniques sphériques.

3. Les études réalisées en mécanique céleste 3.1 Problèmes méthodologiques 3.1.1 Théories du mouvement relatif Les travaux de doctorat de Jordi Fontdecaba ont été cette année consacrés à l’étude des effets des perturbations sur les vols en formations, affectées par le champ de gravité et la pression de radiation solaire.

Pour tenir compte des effets du champ de gravité, on a utilisé les éléments orbitaux différentiels. Cette représentation nous a permis de ré-écrire dans un contexte particulier les équations planétaires de Gauss et le développement dit de Kaula. La méthode de Kaula étant assez limitée en termes de précision par rapport à l’intégration numérique, une « extension » a été écrite pour l’extrapolation des effets des perturbations.

Avec une démarche équivalente, on a aussi intégré les effets de la pression de radiation solaire. La théorie analytique obtenue s’est avéré fortement utile pour analyser la mission Simbol-X.

35

3.1.2 Orbites à fortes excentricités L’étude de la dynamique des orbites à fortes excentricités a fait l’objet d’un stage ENSTA où ont été reformulées les équations du mouvement en changeant la variable indépendante. Ce sujet de stage a comporté deux parties complémentaires :

1. L’investigation des algorithmes classiques d’intégration numérique des équations du mouvement : évaluation des performances des algorithmes dans le cas d’orbite très excentriques, et adaptation en ayant recours à un changement de variable indépendante dans les équations du mouvement

2. L’évaluation de la performance des solutions analytiques classiques aux équations de Lagrange pour le champ de gravité interne, et un travail sur les stratégies auxquelles on pourrait avoir recours pour les adapter au cas des grandes excentricités.

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3.1.3 Perturbations engendrées par un champ de gravité développé en ondelettes Dans le cadre d’une collaboration avec Isabelle PANET, un stage ENSTA a porté sur l’intégration numérique des équations du mouvement soumis aux perturbations engendrées par un champ de gravité développé en ondelettes. Le stage a comporté plusieurs étapes :

1. Comparaison des représentations ondelettes/harmoniques sphériques sur la base de deux modèles existants issus de la mission GRACE.

2. Ecriture complète, dans un jeu de variables bien choisi, du second membre des équations de la dynamique, et programmation associée.

3. Etude numérique des perturbations engendrées par un champ développé en ondelettes, sur des orbites de type Starlette et GRACE.

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3.1.4 Auto-ombrage d'un satellite et calcul des forces de surface Nous avons repris un travail effectué en 1991 et utilisé dans GINS par un stagiaire (C. Clavier), et développé une méthode générale de détermination des parties de surface ombragées/occultées (par rapport à une direction donnée) par d'autres éléments de surface d'un satellite quelconque, que les éléments de surface soient fixes ou mobiles dans un référentiel satellite. Les surfaces sont approximées par des polygones plans quelconques et leurs positions et mouvements relatifs doivent être connus. L'approche précédente ne pouvait s'appliquer qu'à des éléments fixes les uns par rapport aux autres, et elle consistait à créer (extérieurement à GINS) des tables d'occultation. La nouvelle méthode combine des algorithmes de type "ray-tracing" pour traiter (rapidement) plusieurs classes de cas particuliers, et des algorithmes topologiques travaillant sur une pixellisation de chaque surface. Un prétraitement préalable de chaque surface a conduit à une mise en œuvre très efficace (économique). Après de nombreux tests externes, le logiciel a été implanté dans GINS et utilisé dans le traitement des données de la sonde Mars Odyssey pour la modélisation du champ de gravité martien. D'autres applications sont envisageables, et ces raffinements deviendront nécessaires avec l'accroissement continu de la précision des systèmes d'observation des trajectoires.

3.1.5 Utilisation des câbles pour la géodesie spatiale Dans le cadre d’une collaboration entre l’UPM (Université Polytechnique de Madrid) et l’OCA, Manuel Sanjurjo, qui réalise sa thèse à l’UPM, a étudié les possibilités qu’offrent les câbles pour la mesure du champ de gravité. A priori, les câbles spatiaux ne sont qu'un moyen de relier deux satellites en orbite. Mais derrière cette idée si simple, il y a beaucoup d'applications très intéressantes. Par exemple, les câbles électrodynamiques peuvent être utilisés comme méthode propulsive sans consommation de carburant. Pour la géodésie, on peut concevoir un câble comme un 'gradiomètre à très grand base', avec les avantages que ceux-ci apportent, malgré la difficulté de mesurer la tension d'un câble. Pour réaliser cette étude on a utilisé les outils mathématiques courants en géodésie; analyse de la sensibilité de la mesure aux perturbations et matrices de variance/covariance.

3.2 Définition de nouveaux concepts Parallèlement à l’étude des perturbations, pour les théories de mouvement relatif, nous avons aussi développé une représentation alternative du mouvement relatif : les éléments orbitaux

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locaux. Les éléments orbitaux locaux sont très adaptés pour visualiser le mouvement relatif. Ils permettent la recherche d’orbites avec des géométries particulières et la minimisation des effets perturbateurs.

4. Applications : analyse de l’environnement terrestre et orbital 4.1 Système de référence, rotation de la Terre, champ de gravité de la Terre Voir toute la partie spécifique aux nouvelles missions d’étude des champs de gravité terrestre et martien, associées aux missions spécifiquement à but géodésique. A noter cependant que le GRGS est un nouveau centre d’analyse officiel de l’ILRS, et fournit à la communauté internationale sa solution pour le système de référence terrestre, et la rotation de la Terre. Voir parties ad hoc de ce rapport et :

http://www-g.oca.eu/heberges/pnaf/OV-GAFF/Webservices/webservices_group.html (accessible via http://grg2.fr) 4.2 Applications en analyse de mission Analyse de sensibilité : missions Simbol-X, travaux de Jordi Fontdecaba

Analyse de stabilité, et temps de désorbitation : contrat R&T CNES CODIOR

5. Participants au projet 5.1 GRGS-OCA (Grasse) François Barlier, Philippe Berio, Florent Deleflie, Pierre Exertier, Jordi Fontdecaba, Florence Gendrin (stagiaire ENSTA), Olivier Laurain, Gilles Métris. Jean-Claude Passy (stagiaire ENSTA), Collaborations : David Coulot (LAREG), Massimiliano Guzzo (Univ. Padoue), Paul Legendre (CNES), Anne Lemaitre (FUNDP), Isabelle Panet (IPGP-LAREG), Pascal Rosenblatt, Sébastien Le Maistre, Véronique Dehant (ORB).

5.2 GRGS-CNES (Toulouse) Georges Balmino, Richard Biancale, Sean Bruinsma, Jean-Michel Lemoine, Jean-Charles Marty, Felix Perosanz. Collaborations : Pascal Rosenblatt, Sébastien Le Maistre, Véronique Dehant (ORB).

6. Références bibliographiques Balmino, G., 2007, Auto-ombrage / occultation d'un satellite dans le calcul des forces de surface,

présentation ppt, sept. 2007. Deleflie, F., Valk, S., Guzzo, M., Exertier, P., Portmann, C., Investigating the stability of the Galileo

constellation in the framework of celestial mechanics, submitted to Celestial Mechanics, special issue in the honour of Claude Froeschlé, 2007

Deleflie, F., Exertier, Valk, S., Guzzo M., Portmann, C., Stability of the Galileo Constellation, and Long Term Evolution of Disposal Orbit, Proof the 1st workshop on Scientific and Fundamental Aspects of the Galileo Programme, 2007

Fontdecaba, J., Métris, G. & Exertier, P., 2007, An alternative representation of relative motion: the local orbital elements, submitted in Advances in Space Research

J. Fontdecaba, G. Métris, P. Exertier, Topology of the relative motion : circular and eccentric reference orbit cases, Proceedings of the 20th ISSFD, Annapolis, Septembre 2007

J. Fontdecaba, G. Métris, P. Exertier, F. Deleflie, Perturbations of the gravity field on a flight formation for an eccentric reference frame. Proceedings of the AAS/AIAA 2007 summer meeting, Mackinack Island, August 2007

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J. Fontdecaba, G. Métris, P. Exertier, The local orbital elements ; an alternative representation of relative motion. Proceedings of SF2A 2007, Grenoble, Juillet 2007

Florence Gendrin, Dynamique des orbites à fortes excentricités, Rapport de projet Personnel en Laboratoire, août 2007, ENSTA

Levy, A., Christophe, B., Reynaud, S., Courty, J.M., Bério, P. and Métris, G., 2007,. The Pioneer Anomaly : Data Analysis and Mission Proposal. Comptes rendus des journées scientifiques de la SF2A 2007, J. Bouvier, A. Chalabaev, éditeurs.

Passy, J.-C., 2007, Perturbations d’un satellite artificiel dans un champ de gravité déceloppé en ondelettes, Rapport de projet Personnel en Laboratoire, août 2007, ENSTA

Rosenblatt P., Lainey V., Le Maistre S., Marty J.C., Dehant V., Pätzold M., Van Hoolst T.,Häusler B. Accurate Mars Express orbit to improve the determination of the mass and ephemeris of the Martian moons, Accepted to Planetary and Space Science (2007)

Valk, S., Lemaitre, A., Deleflie, F., 2007, Semi-analytical theory of mean orbital motion for geosynchronous space debris under gravitationa influence, submitted to Adv in SpR

Sanjurjo, M., Applications of tethers to geodesy, Rapport de stage

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2.2. CHAMP DE GRAVITE DE LA TERRE

(CHAMP, GRACE, GOCE)

1. Introduction Les activités 2007 se sont principalement réparties autour de deux missions (CHAMP et GRACE) et deux projets dédiés (GOCE et MICROMEGA). En fait, des deux missions, seule la mission GRACE est actuellement utilisée pour la modélisation du champ de gravité de la Terre du fait de la sensibilité extrême de son système de mesure inter-satellites. Les données GRACE sont toutefois complémentées par les données laser sur les satellites LAGEOS pour stabiliser la restitution du terme d’aplatissement dynamique. Les mesures de la mission CHAMP, moins performante sur le volet gravité, nous servent dorénavant, à travers la mesure accélérométrique, à étudier le comportement de la thermosphère et à le modéliser. Quant aux activités projets, elles se résument à des simulations, à la préparation des traitements et au suivi du projet ESA (dans le cadre du Consortium EGG) en attendant le lancement de GOCE prévu au printemps 2008. Une activité de veille sur le projet MICROMEGA est maintenue en attendant une éventuelle décision sur l’étude d’une mission suite à GRACE. Enfin, un dernier chapitre fait part des études sur l’alternative de modélisation du champ de gravité en ondelettes.

2. CHAMP Les activités CHAMP sont dorénavant uniquement orientées « étude et modélisation de la thermosphère ». A cet effet, un traitement itératif a été mis en oeuvre. Il consiste en :

1. générer les orbites précises et les paramètres d’étalonnage de l’accéléromètre ajustés sur les mesures GPS (tâches réalisées à CLS sous contrat CNES) ;

2. lisser les paramètres d’étalonnage dont le « bruit » émane des imperfections des traitements ;

3. générer lors d’un deuxième traitement orbital le fichier « forces de surfaces » qui contient les éléments nécessaires pour convertir les mesures accélérométriques

4. convertir les données du fichier « accélérations de surface » en densité (par soustraction des accélérations de pression de radiation aux accélérations étalonnées STAR, puis par division des coefficients aérodynamiques et autres facteurs de vitesse et de surface/masse).

Cette stratégie de calcul a été nouvellement appliquée aux données du satellite CHAMP, lancé le 15 juillet 2000. L'accéléromètre embarqué (STAR) fournit des mesures d'une bonne précision et avec une grande résolution spatio-temporelle. La densité totale était dérivée de ces mesures depuis cette date et augmentait la base de données atmosphériques. L’étalonnage de STAR n’était pas calculé correctement, avec les facteurs d’échelles constants, et les mesures de l’axe radial (erronées) remplacées par un simple biais. Tous les arcs CHAMP depuis 2001 ont donc été recalculés, en utilisant le dernier modèle de champ de gravité de GRACE, et avec un modèle réaliste pour l’axe radial de l’accéléromètre. Une série temporelle des paramètres d’étalonnage a été élaborée, lissée et éditée avec précision (figures 1). La base de données de densité a été ensuite entièrement recalculée. Pour GRACE, les paramètres d’étalonnage ont été calculés également, en préparation de la dérivation des densités en 2008.

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41

Comme cela est visible sur les écarts-types de la figure 2, les différents traitements réalisés depuis le début de la mission ne sont pas homogènes, mais ont été progressivement améliorés. C’est pourquoi nous avons entrepris une itération des traitements dans configuration améliorée et homogène qui sera finalisée en 2008.

Par ailleurs, diverses méthodes de stabilisation des inversions ainsi qu’une méthode alternative locale de restitution des variations de masse superficielles (par l’intégrale de l’énergie) sont en cours d’étude.

Les modèles décadaires et moyens sont divulgués sur le site Internet du BGI.

4. GOCE GOCE (Gravity field and Ocean Circulation Explorer), la première mission cadre sélectionnée à l’ESA dans le programme Earth Explorer, doit être lancée le 31 mai 2008 avec plusieurs années de retard. Le consortium EGGc (European GOCE Gravity consortium), dont l’équipe géodésie spatiale du CNES fait partie, a fait une ultime simulation réaliste de traitement de 60 jours de données pendant les mois de l’été 2007. Ce dernier test, appelé « Acceptance Review 3 » (AR3), a été passé avec succès formellement le 2 novembre 2007.

Le consortium avait déjà formellement passé avec succès l’« Acceptance Review 2 » en novembre 2006, normalement la dernière revue clé de l’ESA avant lancement. Mais les retards du projet ont provoqué des problèmes de personnel sous contrat dans EGGc, et pour cette raison l’ESA a accordé un contrat d’un an pour des études supplémentaires et un troisième test.

5. MICROMEGA La proposition MICROMEGA de « roue gravitationnelle » (faite par G. Balmino) comme principe de mesure inter-satellites veut lancer les bases d’une nouvelle mission de gravimétrie spatiale en suite à la mission GRACE. Elle a été retenue par le CNES pour être étudiée en Phase 0.

6. Ondelettes Les travaux sur le thème des modélisations régionales en ondelettes du champ de pesanteur ont suivi deux axes. Tout d’abord, nous avons finalisé l’implémentation et les tests (en ondelettes et en harmoniques sphériques) d’une méthode de réduction de larges jeux de données développée en collaboration avec le Département de Mathématiques Appliquées de l’Université de Postdam, et les résultats ont fait l’objet d’une publication soumise au Journal of Geophysical Research. Cette méthode revient à construire les moments des données dans les cellules d’un maillage spatial tri-dimensionnel très régulier, sans singularité au pôle. Le maillage est en effet constitué de cellules prismatiques à base triangulaire, dérivées des subdivisions d’un icosaèdre au centre de la sphère. Il est donc très adapté pour réduire des jeux de données à une échelle caractéristique afin de calculer un modèle en ondelettes à cette échelle, et de premiers résultats ont fait l’objet d’un poster au Grace Science Team Meeting. D’autre part, et c’est le deuxième axe de travail suivi, nous avons développé un algorithme itératif de calcul de modèle en ondelettes à haute résolution sur de larges zones par découpage en zones (sous-domaines) plus petites, impliquant un plus petit nombre d’ondelettes. Pour cela, nous avons choisi d’appliquer les algorithmes de Schwarz de décomposition en domaines, très connus dans la littérature pour la résolution itérative d’équations différentielles sur de larges domaines. De premiers résultats ont été obtenus sur des tests synthétiques.

Enfin, nous avons finalisé l’exploitation géophysique des variations temporelles de la pesanteur dans les modèles de champ du CNES/GRGS pour l’étude des séismes de Sumatra de 2004 et 2005. Un article publié au Geophysical Journal International a fait l’objet d’un Best Student Paper Award de GJI.

42

7. Participants au projet G. Balmino (CNES/GRGS, Toulouse)

R. Biancale "

S. Bruinsma "

J.-M. Lemoine "

J.-C. Marty "

F. Perosanz "

M. Sarrailh "

N. Vales "

S. Melachroïnos (thésard)

I. Panet (IGN détachée Geographical Survey Institute/Japan)

8. Références bibliographiques Panet I., Mikhailov V., Diament M., Pollitz F., King G., De Viron, Holschneider M., Biancale R.,

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2.3. GRAVIMETRIE ET

BUREAU GRAVIMETRIQUE INTERNATIONAL

1. Introduction Ce rapport regroupe le bilan des activités en 2007 dans le domaine de la gravimétrie terrestre de 3 équipes associées au GRGS (BGI, IGN et SHOM). Un fait marquant en 2007 pour le BGI est le renouvellement de son mandat en France pour les 4 années à venir sur la base d’un nouveau projet. Ces activités impliquent, au-delà du cadre GRGS, une dizaine d’organismes français.

2. Bureau Gravimétrique International Rédacteurs : S. Bonvalot, A. Briais, R. Biancale

Bureau Gravimétrique International – CNES/IRD/CNRS – Toulouse 2.1 Rappel des objectifs, missions et statuts du BGI Le mandat du BGI est de collecter, valider et redistribuer les données gravimétriques acquises à la surface du globe (Geodesist Handbook, 2007). A ce titre, le BGI gère et développe une base de données gravimétriques comportant à ce jour plus de 12 millions de mesures issues de campagnes à terre, en mer ou de levés aéroportés (Fig. 1) et répond à des demandes d’extraction émanant d’utilisateurs privés ou publics.

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Le Bureau Gravimétrique International (BGI) est un service de l’International Gravity Field Service (IGFS) rattaché à l’International Association of Geodesy (IAG) et de la Fédération des Services d'Astronomie et de Géophysique (FAGS) dépendant directement de l'ICSU (International Council of Scientific Unions) et de l'UNESCO.

Le BGI contribue également, avec le soutien d’une dizaine d’organismes et de laboratoires français, à des actions de recherche et de développement dans le domaine de la validation, de

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l’interprétation ou de l’exploitation de données de pesanteur. Il participe en outre à des actions de formation et d’expertise en gravimétrie. Installé depuis sa création (1951) en France, le BGI est hébergé par l’Observatoire Midi-Pyrénées (OMP) depuis 1981 et a été labellisé comme service d’observation par l’INSU en 1997.

Les activités du BGI en France sont soutenues par une dizaine d’organismes nationaux qui contribuent à son fonctionnement par des moyens matériels ou humains et qui participent directement aux activités de service, de recherche et développement et de formation menées au sein du BGI. La contribution de chacune des parties est définie par une convention cadre réactualisée tous les 4 ans.

2.2 Bilan des activités 2007 Plusieurs évènements ont marqué les activités du BGI au cours de l’année 2007: la préparation et le démarrage d’un nouveau projet quadriennal accompagné d’un changement de direction et de mouvements de personnels ainsi que le démarrage de nouvelles actions de compilation et de valorisation de données (initiation d’une base de données de gravimétrie absolue, définition d’un projet de carte gravimétrique mondiale WGM).

Parallèlement, le BGI a poursuivi ses activités de service relatives à sa base de données gravimétriques (intégration et validation de nouvelles données, réponses aux demandes d’extraction de données, etc.) ou à sa base de données bibliographiques (mise à jour constante et intégration de nouvelles références…). Il a également poursuivi certaines actions entreprises sur des développements logiciels ou sur d’autres projets scientifiques (voir détail ci-après). 2.2.1 Mise en place d’un nouveau projet BGI 2007-2011 Le mandat du BGI, devant ses instances de tutelles de l’IAG, arrivant à son terme, il a fallu redéfinir un nouveau projet quadriennal pour la période 2007-20111. Ce projet, coordonné par S. Bonvalot et R. Biancale avec la participation d’A. Briais, M. Diament et G. Balmino, a été soumis aux directions de l’IAG et de l’IGFS, qui l’ont approuvé lors de l’Assemblée Générale de l’IUGG à Perugia en Juillet 2007.

La Direction du BGI a été confiée en Juillet 2007 à S. Bonvalot (IRD), en remplacement de R. Biancale (CNES) qui a assuré une direction par intérim après le départ de J-P. Barriot en Septembre 2006 vers un poste de professeur à l’Université de Polynésie française. A. Briais (CNRS) est nommée Directrice adjointe. Par ailleurs, le BGI a subi en 2007 le départ en retraite d’un Ingénieur à plein temps (M. Langellier, IGN). Le BGI comprend aujourd’hui, en son siège à l’OMP Toulouse, 7 personnes travaillant à temps plein ou à temps partiel pour ce service.

La convention relative au fonctionnement du BGI2 a été soumise en 2007 aux organismes partenaires (BRGM, CNES, ESGT, INSU, IGN, IRD, SHOM). Un élargissement a été proposé pour intégrer l’IFREMER, comme partenaire du BGI, la banque de données SISMER de l’IFREMER assurant déjà l’archivage des données gravimétriques collectées par les navires de recherche français. Par ailleurs, une coopération a été engagée avec un partenaire étranger, le BKG (Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Allemagne) pour la mise en œuvre de la base de données de gravimétrie absolue du BGI.

Trois grandes priorités ont été définies pour ce prochain quadriennal :

• relancer la collecte des données et faciliter une mise à disposition via internet des données et produits générés par le BGI,

1 “International Gravimetric Bureau: Project 2007-2011”. Proposal submited to the IAG

Commission at the IUGG XXI General Assembly, Perugia, Italy, 2007, 42p. 2 “Convention inter-organismes relative au fonctionnement du BGI ”, Déc. 2007, 9p.

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• initier la construction d’une base de données de gravimétrie absolue globale, • poursuivre des actions de recherche et de formation valorisant la base de données du BGI,

en liaison avec les organismes de soutien du BGI.

2.2.2 Base de données de gravimétrie absolue Le BGI a entrepris une collaboration avec le BKG (Allemagne) pour construire une base de données globale de gravimétrie absolue. L’application AGRAV développée par le BKG et basée sur une interface Google Map a été installée sur un serveur du BGI en Septembre 2007 (accueil de H. Wziontek du BKG pendant une semaine). Des modifications ont été apportées pour prendre en compte les besoins exprimés par le BGI. La collecte et l’intégration des données dans la base ont été initiées. Cette base sera accessible via le site Internet du BGI et sur un site miroir du BKG. Les informations consultables et téléchargeables pourront aller de la méta-donnée (localisation des sites de mesure), à des données plus complètes (valeurs absolues de la pesanteur, détail des traitements, fiche descriptive des stations, etc.) jusqu’aux fichiers bruts d’observation.

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2.2.3 Réalisation d’un nouveau site Internet du BGI Le site Internet du BGI est en cours de reconstruction. Une nouvelle maquette a été élaborée dans le but (i) d’harmoniser le site BGI avec ceux d’autres services rattachés à l’IGFS et à FAGS, (ii) de faciliter l’accès aux données et aux services du BGI (téléchargement de données et produits via Internet), (iii) et de faciliter l’implémentation future de fonctions d’interopérabilité avec d’autres bases de données gravimétriques mondiales ou régionales.

2.2.4 Initiation du projet WGM (World Gravity Map) A l’initiative du BGI et de la Commission de la Carte Géologique du Monde (CCGM), un nouveau projet de réalisation d’une carte globale des anomalies de pesanteur a été initié en 2007 avec le soutien de l’IAG, de l’IGFS et de l’UNESCO. Ce projet « WGM » (World Gravity Map) vise à mettre à disposition de la communauté internationale une carte des anomalies (ou perturbations) gravimétriques, corrigée de la topographie, et divers produits dérivés (grilles numériques d’anomalie, livret en différentes langues…), pour des applications de recherche et d’éducation. Ce projet viendra compléter une série de carte géologiques et géophysiques globales produites par la CCGM (http://ccgm.free.fr), à l’instar de la carte magnétique mondiale publiée en 2007 (et qui sera disponible sous forme numérique à une résolution spatiale de 3’x3’).

Le projet WGM prévoit d’intégrer l’ensemble des mesures à terre et en mer disponibles dans la base du BGI ou dans d’autres bases globales ou régionales. Un appel à contribution a été lancé en

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2007 auprès des services nationaux ou internationaux de divers pays du monde, pour collecter de nouveaux jeux de données. Il prévoit également d’intégrer des modèles globaux issues de données d’altimétrie ou de gravimétrie spatiale tels que les modèles EGM08 et DNSC07 produits respectivement par le National Imagery and Geographic Agency (NGA) et le Danish National Space Center (DNSC), collaborateurs de ce projet.

2.2.5 Autres activités • Accueil d’un chercheur Iranien (M. Abassi) en 2007 (3 mois): M. Abassi a travaillé à

l’amélioration d’un script de calcul de géoide basé sur le logiciel Gravsoft et à une application au calcul de géoide en mer Ligure.

• Développements logiciels : (1) Développement (en cours) d’un programme de calcul de correction de terrain en gravimétrie à l’échelle globale (G. Balmino, G. Moreau, M. Sarrailh) ; (2) Amélioration d’un programme de validation de données gravimétriques issues de campagnes en mer et test sur des données en mer Ligure (T. Fayard).

• Représentation du BGI et participation à l’Assemblée Générale de l’IUGG (Perugia, Juillet 2007), au congrès Terrestrial Gravimetry – Static and Mobile measurements (St Petersburg, Août 2007) et au 3° Joint Meeting of the Consultative Committee for Mass and Related Quantities - Gravity Group (VNIIM, (St Petersburg, Août 2007).

• Participation du BGI à deux projets scientifiques initiés en 2007 impliquant des recherches l’exploitation de données spatiales GRACE ou GOCE: ANR « Ghyraf » (coordinateur J. Hinderer) et projet CNES/TOSCA « Solid Earth Exploration with GOCE (SeeGoce) » (Coordinateur M. Diament).

• 2.3 Participants au projet 2.3.1 Organismes et membres associés au BGI (* personnels affectés au siège du BGI) BRGM (G. Martelet), CNES (M. Sarrailh*, R. Biancale*, T. Fayard*), CNRS (A. Briais*, N. Lestieu*, S. Pecquerie*), EOST (J. Hinderer, M. Amalvict), ESGT (J. Cali), Ifremer (E. Moussat), IGN (B. Langellier*, O. Jamet, H. Duquenne, F. Duquenne), IPGP (M. Diament, S. Deroussi), IRD (S. Bonvalot*, G. Gabalda), SHOM (M-F. Lalancette), Université de Montpellier (R. Bayer, N. Le Moigne)

2.3.1 Autres collaborateurs du BGI BKG (H. Wziontek, H. Wilmes), G. Balmino (Eméritat CNES), G. Moreau 2.4 Références bibliographiques liées aux activités BGI Abbasi, M., Barriot, J-P., Sarrailh, M., Biancale, R., Bonvalot, S. AIRGRAV: a New Software for

Processing of the Aerogravimetric Data. International Symposium on Terrestrial Gravimetry: Static and mobile measurements (TG-SMM 2007). 20-23 August 2007, St Petersburg, Russia.

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Bonvalot, S., Sarrailh, M., Briais, A., Biancale, R. and IGB Team. The World Gravity Map (WGM) project: objectives and status. International Geological Congress. August 2008, Oslo, Norway.

Briais A., Bonvalot, S., Sarrailh, M. and BGI Team. The new World Gravity Map project : a tool for geodynamic studies. GGEO Meeting, June 2008, Chania, Crete.

Briais A., Bonvalot, S., Sarrailh, M. and BGI Team. The new World Gravity Map project : a tool for geodynamic studies. International Geological Congress. August 2008, Oslo, Norway.

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Wziontek, H., Ihde, J., Wilmes, H., Bonvalot, S., An international database for absolute gravity measurements - a joint project of BKG and BGI. EUG Meeting, 13-18 April 2008, Vienna, Austria.

Wziontek, H., Ihde, J., Wilmes, H., Bonvalot, S., An international database for absolute gravity measurements - a joint project of BKG and BGI. GGEO Meeting, June 2008, Chania, Crete.

De Linage, C., Hinderer, J., Boy, J-P. , Masson, F, Gegout, P., Diament, M., de Viron, O., Bayer, R, Balmino, G., Biancale, R, Bonvalot, S., Genthon, P. GHYRAF (Gravity and HYdrology in AFrica): a New Experiment Combining Hydrology and Geodesy to Investigate Water Storage Changes from the Sahara to the Equatorial Monsoon Zone. American Geophysical Union (AGU) Fall meeting, San Francisco. Geophysical Research Abstracts, 2007.

Hinderer, J., de Linage, C., Boy, J-P. , Gegout, P., Masson, F., Diament, M., de Viron, O., Bayer, R, Balmino, G., Biancale, R, Bonvalot, S., Genthon, P. GHYRAF (Gravity and HYdrology in AFrica): an experiment to validate GRACE in Africa from the Sahara to the Equatorial Monsoon Zone. American Geophysical Union (AGU) Fall meeting, San Francisco. Geophysical Research Abstracts, 2007

3. Activité de l’IGN en gravimétrie terrestre durant l’année 2007 Rédacteurs : F. Duquenne (1), H. Duquenne (2), J. Beilin (1)

(1) IGN/SGN : Service de Géodésie et nivellement (2) IGN/LAREG : Laboratoire de REcherche en Géodésie

3.1 Description des activités En 2007, le Service de Géodésie et Nivellement a poursuivi les mesures de gravimétrie sur son réseau géodésique RBF. Celui-ci, constitué de 1032 sites très bien matérialisés et contrôlés tous les deux ans, est un réseau combiné sur lequel on dispose de coordonnées tridimensionnelles issues du GPS précis, d’une altitude issue de rattachement en nivellement de précision au réseau de nivellement NGF, et d’une valeur de pesanteur d’une précision proche de 10 •gals.

En 2007, 56 points ont été observés en gravimétrie absolue avec le gravimètre A10 commun à l’IRD, l’IPGP et l’IGN, et 236 points ont été mesurés en gravimétrie relative avec les gravimètres CG3 et CG5 de l’IPGP (fig. 1).

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Un stage de fin d’étude d’ingénieur de l’INSA (Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg) sur l’ajustement du réseau gravimétrique a été conjointement encadré par le SGN et le LAREG (Vienne, 2007). Il a permis de développer un outil de validation des observations avant ajustement, et de tester les différentes stratégies du logiciel MCGRAVI (Beilin, 2006). Ce logiciel, développé en collaboration entre l’IPGP et l’IGN permet d’ajuster des mesures de gravimétrie absolue et relative. Il permet de déterminer les dérives et d’estimer la calibration des gravimètres relatifs. En sortie il offre de bons outils graphiques qui permettent par exemple de visualiser les précisions obtenues (fig. 2)

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La fin des observations et l’ajustement de l’ensemble du réseau sont prévues en 2008.

Le réseau combiné RBF, donne un accès précis aux trois références : géodésique, verticale et gravimétrique. Il va servir aussi à recaler la couverture dense de gravimétrie (environ 400000 points) pour le prochain calcul du quasi-géoïde national. Il servira de jeu test pour évaluer les précisions de différents modèles de champ globaux, en particulier ceux issus des satellites gravimétriques (GRACE, GOCE).

En réponse à l'appel d'offre de l'ESA sur les données GOCE, l'IGN à contribué à la proposition « Solid Earth Exploration with GOCE (SEEGOCE) », conduite par l'IPGP, pour ce qui concerne l'évaluation des modèles de champ par comparaison au réseau géodésique et gravimétrique combiné. Des études de faisabilité ont été présentées (voir Duquenne et al., 2007 et fig. 3).

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3.2 Références bibliographiques Vienne J., 2007, Compensation d’un réseau gravimétrique, Projet de fin d’étude INSA/IGN Beilin J., 2006, Compensation combinées d’observations gravimétriques absolues et relatives –

MCGRAVI- Rapport technique, IGN Duquenne F., Duquenne H., Beilin J., 2007, Validation du modèle de champ issu de GOCE par

comparaison au réseau géodésique combiné RBF. Présentation à "GOCE - Applications et Outils pour la Terre Solide", 20 juin 2007.

4. Activité du SHOM en gravimétrie absolue Rédacteur : M-F. Lalancette SHOM – Brest

4.1 STAGRAV : station gravimétrique de référence BREST – SHOM Les mesures de gravimétrie absolue continuent à être réalisées sur la station de référence de Brest (Fig 1). 2 points ont été faits cette année montrant une précision bien meilleure que celle effectuées avant 2006 certainement à cause :

Du meilleur choix de la période d’acquisition (sans tempête) – disponibilité des gravi absolue de la communauté (Strasbourg et Montpellier)

De la prise en compte d’un modèle de surcharge océanique estimé à partir des mesures relatives effectuées entre 2003 et 2006.

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