Vers un repère de référence terrestre sous forme de séries temporelles ?

L’étude des déformations de la croûte terrestre requiert le géoréférencement de mesures dans un système de référence unique et stable dans le temps. Un tel système de référence est réalisé par un repère de référence dont les paramètres de définition (origine, échelle, orientation et leur évolution temporelle) sont clairement spécifiés. Les coordonnées des stations de géodésie spatiale réparties à la surface de la Terre exprimées dans le repère,  sont fournies en fonction du temps, pour permettre aux utilisateurs de s’y rattacher. Pour répondre aux besoins des scientifiques, l’origine du repère doit suivre le centre des masses de la Terre et les coordonnées qui s’y rapportent doivent évoluer dans le temps afin de décrire les diverses déformations de la surface terrestre. Certaines déformations ne sont cependant pas encore prises en compte dans les coordonnées du repère international de référence terrestre (ITRF) comme les effets engendrés par les transferts de masses en surface de la Terre (surcharge) pour lesquels la qualité des modèles disponibles reste limitée.

L’application qui demande aujourd’hui la plus grande précision pour ces coordonnées est la détermination du niveau de la mer dans un système géocentrique, par altimétrie spatiale ou par combinaison de données marégraphiques et GNSS. Cette application nécessite de pallier certains défauts de modélisation des coordonnées du repère de référence terrestre, qui ne sont notamment pas exprimées par rapport au centre des masses instantané de la Terre (CM), ce qui génère des erreurs dans la détermination de la hauteur du niveau des mers. Or cette grandeur est essentielle à l’observation du changement climatique et à la gestion des risques associés.

Les coordonnées du repère de référence international de référence terrestre (ITRF) sont actuellement représentées par des fonctions paramétriques du temps, à savoir des fonctions affines par morceaux complétées de fonctions plus complexes représentant les déplacements post-sismiques de certaines stations (Altamimi et al. 2016). Une approche alternative, permettant en principe une meilleure représentation des déformations de la surface terrestre, consiste à fournir des séries de coordonnées à échantillonnage régulier (par exemple hebdomadaire). Cette approche a été développée par Dong et al. (1998), puis reprise récemment par Wu et al. (2015) et Abbondanza et al. (2017), pour calculer une réalisation de l’ITRS sous forme de séries temporelles, avec les mêmes données que celles utilisées pour calculer l’ITRF2014 (Altamimi et al. 2016), dernière réalisation en date de l’ITRS. Dans cette approche, l’exactitude du repère (notamment de son origine et de son échelle) reste toutefois difficile à garantir au cours du temps ; ainsi, l’échelle du seul repère actuellement publié sous forme de séries temporelles s’avère peu fiable (Abbondanza et al., 2017). La question de l’exactitude de la prédiction des coordonnées est également pertinente car les repères de référence sont extrapolés dans la majeure partie des applications opérationnelles.

L’objectif du travail proposé est de fournir une méthodologie de calcul d’une série temporelle de repères de référence terrestres multi-techniques, i.e. obtenus à partir des mesures GNSS, SLR, VLBI et DORIS, garantissant une définition cohérente du repère au cours du temps. Cette définition est étroitement liée à la modélisation des mouvements du sol sur les sites co-localisés. Ces sites hébergent plusieurs stations de géodésie spatiale de techniques différentes qui observent en théorie les mêmes déformations du sol. Or cette hypothèse n’est pas toujours vérifiée en pratique en raison d’erreurs de modélisation des mesures de géodésie spatiale qui affectent les coordonnées estimées des stations. Il convient donc d’intégrer à la détermination du repère de référence une modélisation statistique de ces erreurs. Mais sous quelle forme ? D’autre part, l’ajout de contraintes sur l’évolution temporelle des coordonnées du repère pourrait-il permettre de renforcer la définition du repère de référence au cours du temps ? L’intégration de modèles de déformations de surcharge au calcul pourrait-elle être bénéfique, malgré leurs défauts ? Quelles méthodes statistiques peuvent être envisagées pour déterminer un repère de référence sous forme de séries temporelles ? Comment extrapoler de manière la plus exacte possible un tel repère ?

Bien que reposant sur des problématiques scientifiques, l’objectif de ce travail est de fournir une méthodologie applicable à un calcul opérationnel. La préparation de l’ITRF2020, concomitante à ce travail de doctorat, permettra de cerner les enjeux d’un tel calcul. La méthodologie proposée devra se montrer supérieure à celle utilisée pour le calcul de l’ITRF2014, ainsi qu’à une approche alternative mise en place dans le cadre d’un projet ANR coordonné par l’IGN et l’IPGP et basée sur un filtre de Kalman.