Pendant 10 ans, j'ai travaillé au LAREG (Laboratoire de Recherche en Géodésie de l'IGN) sur la méthodologie du traitement GPS pour le positionnement vertical précis, avec plusieurs applications à des domaines variés des sciences de la Terre. J'ai cherché : 1) à mettre en évidence et quantifier les sources d'incertitudes, qu'elles viennent d'effets physiques (traversée de l'atmosphère par les signaux GPS en particulier) ou géodésiques (effets géométriques ou de systèmes de référence..) ; 2) à obtenir les résultats les plus précis, voire les plus exacts possible, en développant une méthodologie adaptée. Les domaines d'application où j'ai obtenu des résultats novateurs sont : la déformation d'une zone de subduction rapide, l'arc des Vanuatu. Sur cette zone bien instrumentée par l'IRD depuis plus de 15 ans, nous avons obtenu un champ de vitesses 3D précis grâce à un traitement adapté et cohérent. On met ainsi en évidence l'effet de la Ride d'Entrecasteaux, relief sous marin qui s'engage dans la subduction, sur les vitesses verticales proches de la fosse et très probablement sur le cycle sismique. l'étude des variations à long terme du niveau de la mer. La mise en place d'un centre d'analyse GPS des données des stations colocalisées avec les marégraphes d'un réseau mondial permet, avec près de 10 ans de données continues traitées de 1) proposer un champ de vitesses verticales homogènes sur plus de 220 stations, validé par des estimations géophysiques indépendantes ; 2) en utilisant ces vitesses, réévaluer la vitesse long terme de variation du niveau de la mer dans un référentiel absolu (donc comparable aux variations données par l'altimétrie sur 15 ans). l'étude de l'humidité atmosphérique dans le cycle de mousson en Afrique de l'Ouest. Durant la campagne AMMA, qui s'est déroulée principalement de 2005 à 2007 en Afrique de l'Ouest, nous avons mis en place un réseau de 6 stations GPS permanentes et un centre d'analyse de leurs données pour la production de Contenus Intégrés en Vapeur d'Eau atmosphérique. Des traitements automatiques en temps peu différé ont fourni, pendant toute la durée de la campagne, des indicateurs d'aide à la décision, avec des CIVE comparables aux prévisions et aux analyses. Le traitement scientifique, à l'état de l'art, met en évidence des biais importants des mesures « classiques » de radio sondages en Afrique, qui se répercutent ensuite sur les analyses. Il apporte des informations nouvelles sur les différentes étapes de la mousson (que l'on caractérise bien par l'évolution de la vapeur d'eau atmosphérique) et sur le cycle diurne et son évolution au cours du cycle de mousson. la géodésie de fond de mer. Les résultats ne concernent pour l'instant que la composante verticale. Sur une zone calme au Vanuatu, des tests sur un réseau de répétition montrent que la répétabilité sur la hauteur ellipsoïdale d'un repère installé par 16 m de fond est sub centimétrique. Le facteur limitant est la précision que l'on peut obtenir sur la mesure de hauteur par GPS en surface, évaluée grâce à une étude méthodologique à 10 à 15 cm sur la zone d'intérêt (fosse de subduction). On a obtenu, sur cette zone, une cartographie GPS de la surface moyenne océanique à même précision, qui met en évidence des biais importants dans les surfaces altimétriques et alti-gravimétriques au Vanuatu.

DORIS est un système français d'orbitographie précise. Il a été l'un des éléments clés du succès de la mission franco-américaine d'altimétrie satellitaire Topex/Poseidon produisant une avancée significative dans le domaine encore rapidement évolutif de l'océanographie spatiale. Le but de ce document est de présenter les résultats obtenus en géodésie, en expliquant certains problèmes actuels d'estimation en réseau libre et en s'interrogeant sur les limitations actuelles de la précision. En particulier, l'utilisation du système DORIS pour la maintenance du système de référence terrestre (géocentre, échelle) est analysée. Certains exemples récents d'applications géophysiques sont aussi présentés (détection de mouvements co-sismiques). Finalement, nous nous interrogerons sur le rôle que peut jouer à l'avenir le système DORIS comme composante du nouveau système global d'observation géodésique (IGGOS) en tenant compte de la nouvelle dynamique issue de la création récente de l'International DORIS Service (IDS).

La qualité actuelle des techniques de Géodésie Spatiale permet d'estimer des séries temporelles de produits géodésiques tels que les paramètres de rotation et les positions de stations terrestres. Ces nouveaux produits doivent être utilisés dans la matérialisation des Systèmes de Référence Terrestres, en constantes évolution et amélioration. Ils doivent aussi mettre en évidence les phénomènes, globaux ou locaux, régissant la rotation terrestre et les mouvements de la croûte. C'est dans ce contexte riche d'enjeux divers que s'inscrivent ces travaux. Leur but premier a été l'élaboration et l'application d'une méthode d'estimation de séries temporelles de positions de stations et de paramètres de rotation de la Terre par l'analyse de données de télémétrie laser sur satellites. Cette technique est en effet une des clefs de voûte du Repère de Référence Terrestre International (ITRF). En guise de validation de cette méthode, douze ans de données (1993-2004) sur les deux satellites LAGEOS ont été traités et analysés. Si les techniques géodésiques présentent certes des forces individuellement, c'est dans leur combinaison qu'elles montrent réellement toutes leurs potentialités. À ce titre, le Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale (GRGS) a mené une expérience de combinaison de cinq techniques géodésiques (SLR/LLR/GPS/DORIS/VLBI) au niveau des observations sur l'année 2002. J'ai activement participé à cette expérience dont le but principal était de démontrer la force d'une telle approche pour la détermination de séries temporelles de coordonnées du pôle et du Temps Universel.

La Station Laser Ultra Mobile est la plus petite station de télémétrie laser au monde, ne pesant que 300 kg, dédiée à la poursuite de satellites équipés de rétroréflecteurs laser. Elle utilise un petit télescope de 13 cm de diamètre placé sur une monture issue d'un théodolite de précision et motorisé, un laser très compact et une photodiode à avalanche permettant la détection au niveau du simple photo-électron. Les premières expériences (Corse, fin 1996) ont révélé des instabilités dans la qualité des mesures. Ce travail concerne l'étude et la mise en place de nombreuses modifications techniques afin d'atteindre une exactitude centimétrique des mesures et de pouvoir participer à la campagne de validation des orbites et d'étalonnage de l'altimètre du satellite océanographique JASON-1 (2001). La précision instrumentale souhaitée a été vérifiée avec succès en laboratoire.<br />Outre cet aspect instrumental et métrologique, une analyse a été développée afin de pouvoir estimer l'exactitude et la stabilité des observations de la station mobile après intégration des modifications. A partir d'une expérience de co-localisation entre les deux stations laser fixe du plateau de Calern, on a fait une analyse fondée sur l'ajustement, par station, de coordonnées et d'un biais instrumental moyen à partir d'une orbite de référence des satellites LAGEOS. Des variations saisonnières très cohérentes ont été mises en évidence dans les séries temporelles des différentes composantes. La comparaison locale des déformations de la croûte terrestre se traduisant par des variations d'altitude issues des données laser montre une cohérence avec les mesures d'un gravimètre absolu transportable (FG5). Des signaux de même amplitude ont été observés par GPS. Ces variations sont également mises en évidence à l'échelle mondiale et leur interprétation géophysique est due à la combinaison des effets de marées terrestres et polaire et des effets de charge atmosphérique.

Ce travail s intéresse à la cinématique et à la dynamique des déformations continentales Nous présentons le champ de vitesse 1994-2002 mesuré par GPS dans la région Mongolie-Baïkal (située au nord de l Asie) par rapport à l Eurasie Il montre que 15% de la convergence IN/EU est accommodé au nord du Tien Shan par du raccourcissement N-S et du cisaillement dextre dans l Altaï et par du déplacement vers l E-SE (3-6 mm/an) en Mongolie centrale et orientale Nos résultats suggèrent que le mouvement vers l est pourrait être contrôlé par d autres processus que la convergence IN/EU seule A partir des grands séismes de Mongolie au 20ème siècle et de l inversion des vitesses obtenues nous modélisons la déformation postsismique (relaxation viscoélastique actuelle <2 mm/an) et estimons la rhéologie de la lithosphère sous la Mongolie (manteau supérieur et croûte inférieure peu visqueux) Par une étude de redistribution des contraintes à la suite de séismes nous montrons le possible transfert de contrainte entre failles continentales séparées de centaines de kilomètres et sur des dizaines d années Enfin à partir de modèles dynamiques de la déformation en Asie validés par les données GPS en Chine Mongolie et Sibérie nous estimons la rhéologie moyenne de la lithosphère et quantifions les mécanismes de la déformation Nous montrons que bien que la collision IN/EU soit la contribution majeure à la déformation les forces de volume et la dynamique des zones de subduction sont d une importance équivalente dans les zones septentrionales et orientales de l Asie D après nos résultats l accommodation de la déformation actuelle se ferait essentiellement de manière continue mais ceci reste à confirmer.

Mes travaux de thèse ont pour finalité la réalisation d’un transfert de temps intercontinentald’une stabilité meilleure que 2 ns sur 10 000 s, entre les observatoires géodésiquesde l’International Laser Ranging Service (ILRS). Ce transfert de temps est effectué à l’aide deliens spatiaux optiques obtenus par l’expérience de Transfert de Temps par Lien Laser (T2L2).T2L2 a été lancée le 20 Juin 2008 à 1336 km d’altitude à bord du satellite océanographiqueJason-2. Le principe de cette expérience est basé sur la datation, au sol dans les stations laseret à bord du satellite, d’impulsions laser très courtes (30 - 100 ps) aller - retour (2 voies) venantde 25 stations laser réparties sur le Globe. La performance du lien sol-bord (dont la stabilitéatteint des valeurs inférieures à 10 ps sur 100 s), procurée par la technologie laser d’une partet par la qualité de l’instrument spatial d’autre part permet de lire précisément les variationsde l’oscillateur bord (à quartz) développé pour le système d’orbitographie et de localisationDoppler Orbitography and Radiopositionning Integrated by Satellite (DORIS) du Centre Nationald’Études Spatiales (CNES). Nous montrons qu’il est possible de construire un modèle defréquence déterministe, à court terme (10 j) et moyen terme (plusieurs mois) d’évolution de lafréquence de l’oscillateur bord DORIS, avec une précision relative de 3 - 5·10≠13. Les variationsde fréquence sont induites par un environnement spatial complexe, où les radiations, la températureet le vieillissement du résonateur dégradent l’oscillateur. L’intégration de ce modèlenous permet la réalisation d’un temps à bord pour synchroniser le réseau ILRS complet et ainsiestimer les biais en temps des stations laser par rapport à l’Universal Time Coordinate (UTC).L’effet des biais en temps, estimé à l’aide de T2L2 sur l’orbite ainsi que sur les coordonnées desstations laser de l’International Terrestrial Reference Frame (ITRF) est déterminé précisémentau niveau de quelques millimètres. Enfin T2L2 étant également capable de dater le Pulse ParSeconde (PPS) du système Global Positionning System (GPS), nous étudions l’évolution sur lelong terme (plusieurs années) des horloges utilisées dans les stations laser et nous montrons lesproblèmes insoupçonnés de l’instabilité de leur système de temps/fréquence au sol. / The purpose of my Ph.D. works is the realization of a intercontinental time transfer,with a stability better than 2 ns over 10,000 s, between the International Laser RangingService (ILRS) geodetics observatories. This time transfer is performed thanks to optical spacelinks and the Time Transfer by Laser Link (T2L2) experiment. T2L2 is a passenger on-board theoceanographic satellite Jason-2, which was launched the 20th June 2008, at 1336 km of altitude.The principle of this experiment is based on the (two-way) short laser pulses (30 - 100 ps) timetagging, in laser station on ground and on-board the satellite, which come from 25 worldwidelaser stations. The high performance of the ground-to-space link (where the stability reach valuesbetter than 10 ps over 100 s), given by the laser technology in one hand, and the quality of thespace instrument in the other hand, allows to precisely read the frequency variations of the onboardoscillators (quartz) built for the orbitography and localization Doppler Orbitography andRadiopositionning Integrated by Satellite (DORIS) French system. We demonstrate the possibilityto build a deterministic frequency model, on the short term (10 days), mid-term (severalsmonth) for the on-board DORIS oscillator frequency evolution, with a relative precision at 3- 5·10≠13. Frequency variations are caused by a complex space environment, where radiations,temperature and device aging damage the oscillator. The integration of this model allows us tobuild an "on-orbit" time realization to synchronize the whole ILRS network and thus, estimatelaser station time biases in regard to the Universal Time Coordinate (UTC). The time bias effects,estimate thanks to T2L2, on the International Terrestrial Reference Frame (ITRF) stationcoordinates, is precisely determined at the level of a few millimeters. Finally, T2L2 is able totime tagged the Global Positionning System (GPS) Pulse Per Second (PPS) signal in order tostudy the clock long term (several years) behavior in laser station and we show the unexpectedproblems due to the instability of the station time and frequency system.

Les outils de la géodésie spatiale sont aujourd'hui très fortement impliqués dans les études géophysiques. Le champ de déformations horizontales d'un site d'étude est fourni par les vecteurs déplacement ou par un champ tensoriel. Ce dernier possède l'avantage d'être indépendant de tout référentiel, contrairement à ce qui est nécessaire pour exprimer les vecteurs vitesse. Néanmoins, les méthodes de calcul de tenseurs dépendent souvent d'une décomposition arbitraire en figures élémentaires à partir des points de mesures géodésiques. De plus, la représentation de ces tenseurs selon leurs axes principaux est d'une lecture et d'une interprétation assez difficiles et nécessitent un certain entraînement. Cette thèse traite, dans un premier temps, le problème de fournir un champ continu de déformations sous la forme des tenseurs régulièrement répartis, de façon peu dépendante des points de mesure, et dans un deuxième temps, de fournir une représentation cartographique intuitive de ces tenseurs avec, pour la première fois, une représentation simultanée de leur degré de significativité. L'estimation des incertitudes de la déformation obtenue est analysée selon deux points de vue : d'une part, une méthode de Monte Carlo est appliquée pour la détermination des barres d'erreurs liées aux mesures, son résultat permet le calcul de degré de significativité des tenseurs par comparaison des valeurs de tenseurs par rapport à leurs incertitudes, et d'autre part, une estimation des contraintes imposées par la géométrie de distribution des points de mesures qui est ensuite combinée avec la première source d'erreur. La nouvelle approche de représentation a été analysée via une enquête auprès d'un groupe de géophysiciens, en leur fournissant plusieurs possibilités de représentations. En se basant sur les résultats de cette enquête, nous avons pu valider la nouvelle représentation qui permet de mettre en évidence certains aspects mal mis en évidence par la représentation classique, et donc le choix des éléments graphiques de la carte permettant de fournir la représentation la plus intuitive possible / Space geodesy tools are now strongly involved in geophysical studies. The horizontal deformation field for a region of interest is provided by two main methods : a velocity field and a strain tensor field. A strain tensors field solution has the advantage of being independent of the reference frame in which the velocities are expressed. Nevertheless, the current methods of calculation of a strain tensors field depend on the positioning of geodetic points. Furthermore, the current mapping method of tensors by their mains axis is not easy to read and to interpret, needing some training. This thesis is devoted to the problem of calculating a continuous field of regularly spaced strain tensors, and providing an intuitive mapping method of these tensors with a simultaneous representation of their significance level on the same map. The estimation of uncertainties related to the deformation field is made in two steps : firstly, a Monte Carlo method is applied for the calculation of uncertainties related to the measurements, its results allow to define the significance level of tensors by normalizing tensor's values with respect to their related uncertainties, then, the constraints coming from the distribution of the network of measurement points are calculated and combined with the first source of error. The new approach of mapping tensors was analyzed through an opinion survey by providing several possibilities of representation. The results of this opinion survey allowed us to validate this new mapping method by geophysicists for representing a deformation field, because it allows highlighting some aspects not well illustrated by the classical mapping method of tensors, and therefore choosing the graphical elements of the map which provide the best intuitive method of mapping a strain tensors field

La distribution des masses à l'intérieur de la Terre régit la vitesse de rotation terrestre, ainsi que le comportement de l'axe de rotation terrestre dans la Terre, et dans l'espace. Ces distributions de masses peuvent être mesurées depuis l'espace grâce aux satellites artificiels, dont l'orbitographie donne accès à la détermination du champ de gravité terrestre. Par conséquent, les variations temporelles du champ de gravité peuvent être reliées aux variations des paramètres d'orientation terrestre (via le tenseur d'inertie). Des progrès considérables ont été effectués ces dernières années dans la modélisation des effets des couches fluides. Et de nos jours, les mesures d'orientation terrestre dans l'espace obtenues par Interférométrie à très Longue Base (VLBI) ont une exactitude meilleure qu'une milliseconde de degré. Ceci permet de progresser dans la connaissance de la dynamique globale de la Terre. Mon travail de thèse a eu pour but d'utiliser la mesure du champ de gravité et de ses variations comme outil pour compléter la modélisation de la rotation terrestre. D'une part, en vue de l'utilisation des mesures du satellite GRACE, d'une grande précision, nous avons effectué des comparaisons précises des méthodes numériques d'intégration d'orbite de Cowell et d'Encke dans le logiciel GINS du GRGS. D'autre part, nous avons établi les liens théoriques entre les Paramètres d'Orientation Terrestres (EOP) et les variations des coefficients du champ de gravité. Ainsi, nous avons utilisé les données de variations temporelles des coefficients de degré 2 du géopotentiel pour en déduire leur influence sur la longueur du jour, le mouvement du pôle et la précession de l'équateur.

Les outils de la géodésie spatiale sont aujourd'hui très fortement impliqués dans les études géophysiques. Le champ de déformations horizontales d'un site d'étude est fourni par les vecteurs déplacement ou par un champ tensoriel. Ce dernier possède l'avantage d'être indépendant de tout référentiel, contrairement à ce qui est nécessaire pour exprimer les vecteurs vitesse. Néanmoins, les méthodes de calcul de tenseurs dépendent souvent d'une décomposition arbitraire en figures élémentaires à partir des points de mesures géodésiques. De plus, la représentation de ces tenseurs selon leurs axes principaux est d'une lecture et d'une interprétation assez difficiles et nécessitent un certain entraînement. Cette thèse traite, dans un premier temps, le problème de fournir un champ continu de déformations sous la forme des tenseurs régulièrement répartis, de façon peu dépendante des points de mesure, et dans un deuxième temps, de fournir une représentation cartographique intuitive de ces tenseurs avec, pour la première fois, une représentation simultanée de leur degré de significativité. L'estimation des incertitudes de la déformation obtenue est analysée selon deux points de vue : d'une part, une méthode de Monte Carlo est appliquée pour la détermination des barres d'erreurs liées aux mesures, son résultat permet le calcul de degré de significativité des tenseurs par comparaison des valeurs de tenseurs par rapport à leurs incertitudes, et d'autre part, une estimation des contraintes imposées par la géométrie de distribution des points de mesures qui est ensuite combinée avec la première source d'erreur. La nouvelle approche de représentation a été analysée via une enquête auprès d'un groupe de géophysiciens, en leur fournissant plusieurs possibilités de représentations. En se basant sur les résultats de cette enquête, nous avons pu valider la nouvelle représentation qui permet de mettre en évidence certains aspects mal mis en évidence par la représentation classique, et donc le choix des éléments graphiques de la carte permettant de fournir la représentation la plus intuitive possible