Le système canadien de référence spatiale (SCRS)

Le rôle principal des Levés géodésiques du Canada (LGC) est de définir, maintenir, continuellement améliorer et promouvoir un accès efficace au Système canadien de référence spatiale (SCRS) à travers divers outils et données de produits géodésiques. Le positionnement précis (latitude, longitude et altitudes), autrefois concevable qu’en utilisant des méthodes traditionnelles et se rattachant à des points géodésiques au sol, est maintenant possible grâce aux technologies spatiales. Un bon géoréférencement spatial aidera à assurer que toute cartographie, navigation, délimitation de propriétés et autres besoins de géoréférencement se ramènent à un système de référence spatiale commun.

Système canadien de référence spatiale (SCRS)

Définition

Le SCRS est un quadrillage tridimensionnel sur lequel les positions (latitude, longitude et élévation) de toute entité géographique peuvent être établies de façon précise. L’infrastructure qui soutient le quadrillage consiste en un réseau de points dont les coordonnées sont déterminées avec la plus grande précision. Les quadrillages sont essentiels à la cartographie, dont la cartographie marine, la navigation, la délimitation des frontières, l’étude de la déformation de la croûte terrestre et autres applications de géoréférencement.

Au coeur du SCRS se trouve le Système canadien de contrôle actif (SCCA), un réseau de récepteurs GNSS en activité continuelle. Les données du SCCA supportent le positionnement à des précisions allant du décimètre (e.g. pour le géocodage d’imagerie et des applications en temps réel), au centimètre (e.g. pour de l’arpentage légal) et au millimètre (e.g. pour mesurer la déformation de la croûte terrestre).

Faits historiques

Les réseaux géodésiques traditionnels consistaient en des monuments de contrôle distribués à travers le pays afin que les arpenteurs puissent occuper et accéder les grilles géodésiques pour le contrôle de leurs levés. Au début des années 1980, avec l'introduction des systèmes globaux de navigation par satellite (GNSS), le contrôle géodésique est devenu accessible de l'espace avec une grande précision. Les LGC a établi le SCCA dans le but de la poursuite continue des satellites du GNSS ainsi que du calcul de leurs éphémérides d'orbite précises.

Le prolongement du cadre de référence géodésique dans l’espace nécessite le suivi de l'orientation de la Terre dans l’espace à l’aide d’observations de quasars par radio-interférométrie à très longue base (RILB).

Au milieu des années 1990, un programme d’installation et d’observation de monuments stables, le Réseau de base canadien (RBC), a été entrepris. Les stations du RBC, espacées de 200 km dans le sud du Canada et 500 km dans le nord, permettent le positionnement GNSS multi-époque de haute précision. Les observations initiales du RBC ont révélé la présence de distorsions allant jusqu’à 2 mètres dans la version originale du quadrillage national, le Système de référence nord-américain de 1983 (NAD83). Durant la dernière décennie, la ré-observation du RBC a également confirmé qu’un mouvement de la croûte terrestre, de l’ordre de quelques millimètres par année sur le plan horizontal et de quelques centimètres sur le plan vertical, se produit partout au Canada. D'autre part, le RBC fournit des points d’ancrage pour l’intégration des réseaux de haute précision des provinces plus denses.

Plusieurs réseaux de points de contrôle actifs ont été ajoutés à travers le Canada pour diverses fins de surveillance. Le SCRS est lié au réseau gravimétrique mondial à l’aide d’un point de contrôle actif (PCA) qui se trouve à la Station canadienne de gravimétrie absolue (SCGA).

Aujourd’hui, les LGC appuie les utilisateurs des technologies spatiales en fournissant une infrastructure terrestre stable, bien qu’éparse, des produits d'éphémérides d’orbite précises, des modèles du géoïde gravimétrique et les outils nécessaires pour faciliter l’accès au Système canadien de référence spatiale (SCRS).

Système de référence nord-américain de 1983 (NAD83)

Figure 1 : Hiérarchie du cadre de référence de NAD83(SCRS).

Figure 1 : Hiérarchie du cadre de référence de NAD83(SCRS).

Image agrandie

Le présent système de référence adopté comme standard national de géoréférencement par la plupart des agences fédérales et provinciales au Canada et approuvé par le Conseil canadien de géomatique [CCOG 2006] est le système de référence nord-américain de 1983 (NAD83).

NAD83(CSRS)

NAD83(SCRS) représente la réalisation 3D de l’original NAD83, constitué par la hiérarchie traditionnelle de réseaux horizontaux. La hiérarchie de ce cadre de référence est divisée en composantes actives et passives, comme illustré dans la Figure 1. La composante active consiste en des réseaux de récepteurs GNSS en continuelle opération et de produits dérivés de ces derniers, tels que les éphémérides d’orbite précises et les messages de navigation radiodiffusés. Les composantes passives comprennent les points de contrôle traditionnels matérialisés que les utilisateurs peuvent occuper avec leur propre équipement.

Radiointerférométrie à très longue base (RILB)

Qu'est-ce que la radiointerférométrie à très longue base?

La radio-interférométrie à très longue base (RILB) est une technique qui permet de mesurer avec une très grande précision les distances séparant des radiotélescopes permettant ainsi d'étudier la Terre et son évolution et ses changements d'orientation dans l'espace. La radio-interférométrie utilise le rayonnement émis loin dans l'Univers (les quasars) pour mesurer la dérive des continents, les variations de la vitesse de rotation terrestre, les mouvements des pôles et l'oscillation de la Terre dans l'espace.

Comment la radio-interférométrie à très longue base fonctionne-t-elle?

Les observations de radio-interférométrie à très longue base sont réalisées en pointant une série de radiotélescopes vers une collection d'objets cosmiques, tels les quasars. Les radiotélescopes ressemblent aux antennes utilisées pour capter les signaux télévisuels retransmis par des satellites, mais doivent être beaucoup plus gros pour capter les faibles signaux émis par de lointains quasars. En synchronisant les signaux reçus, il est possible de mesurer les différences de temps de parcours entre le quasar et les différents télescopes et, à partir de ces différences, calculer avec une très grande précision les distances séparant les télescopes. Par exemple, il est possible de déterminer les séparations entre des radiotélescopes érigés aux extrémités d'un continent avec une précision de quelques millimètres.

Quasars

La RILB est fondée sur l'observation des ondes radio émises par les quasars. Les quasars sont des sources d'ondes radio extrêmement puissantes, situés aux limites de l'Univers. Le mot quasar provient de l'anglo-américain quasi-stellar radiosource (source radio quasi stellaire), terme introduit dans les années soixante, peu après leur découverte. Les quasars sont des sources ponctuelles et donc ressemblent à des étoiles, mais sont en réalité immenses et émettent un milliard de fois plus d'énergie que le Soleil. Ils sont si lointains, qu'en dépit de leur éclat, on ne peut les observer qu'avec de très puissants télescopes. Certains d'entre eux sont les objets les plus éloignés que l'on a découverts dans l'Univers.

Pourquoi les quasars?

Depuis des temps immémoriaux, l'humanité se fie aux étoiles pour la navigation, la mesure du temps et l'étude de la Terre. Or, les étoiles proches de notre galaxie, la Voie lactée, sont bien imparfaites. Premièrement, l'atmosphère terrestre dévie la trajectoire de la lumière de façon imprévisible, ce qui réduit notre capacité à déterminer précisément leur position. Deuxièmement, les étoiles ne sont pas fixes; elles se déplacent dans des directions et vitesses différentes. De ce fait, utiliser les étoiles pour trouver la position exacte d'un point sur Terre s'apparente à essayer de faire le point sur un navire en se basant sur les autres bateaux flottant sur l'eau. Il nous faut donc remplacer les bateaux par des points fixes sur la rive : des phares. Les quasars sont ainsi les phares que nous utilisons pour trouver notre position au sein de l'Univers.

Pourquoi utilisons-nous les quasars comme phares?

Tout d'abord, nous pouvons déterminer leur position avec une grande précision, puisque l'atmosphère ne réfracte pas les ondes radio. D'autre part, les quasars sont très éloignés. Aucun objet connu n'est plus distant. L'énergie qu'ils émettent a voyagé pendant près de dix milliards d'années pour atteindre la Terre. Leur position angulaire, dans le ciel, nous semble éternellement fixe, à cause de leur immense éloignement. Donc, puisque nous pouvons établir leur position avec une grande précision, ils constituent des "phares célestes" très sûrs. Qui plus est, puisqu'ils sont distribués dans toutes les directions et, parce que nous pouvons détecter leur rayonnement à travers l'atmosphère, les quasars nous permettent de trouver notre position dans l'Univers, de nuit comme de jour, qu'il pleuve ou non, à partir de n'importe quel point du globe.

Que nous apporte la radio-interférométrie?

La quasi-totalité de nos connaissances à propos de l'intérieur de la Terre est le fruit d'observations indirectes. L'observation des étoiles a permis d'établir les dimensions de la Terre, sa forme, le déplacement de son axe de rotation ainsi que les accélérations et ralentissements de sa vitesse de rotation. Il s'agit de renseignements très importants pour notre compréhension de sa structure interne.

En effectuant des mesures à l'aide d'antennes posées sur la croûte terrestre, il est possible d'étudier la structure interne terrestre, les mouvements de l'atmosphère et des océans. Par exemple, il fut découvert que le système atmosphérique El Niño, en 1997, a allongé les journées de 0,6 milliseconde. En effet, les grands systèmes atmosphériques comme El Niño peuvent ralentir ou accélérer la rotation terrestre. D'autre part, dans le contexte de la dérive des continents, l'Amérique du Nord et l'Europe s'éloignent l'un de l'autre à la vitesse d'un centimètre par année.

L'un des principaux avantages de l'interférométrie à très longue base est de pouvoir déterminer avec précision le mouvement de la Terre dans l'espace. Tout comme la Terre est en révolution autour du Soleil, ce dernier suit une longue orbite autour du centre de la Voie lactée. Il n'est qu'une des centaines de milliards d'étoiles qui se déplacent à des vitesses différentes. Dans sa théorie de la relativité spéciale, Albert Einstein démontrait que des " choses inattendues " se produisaient lorsque des objets accélèrent, ou sont en rotation, relativement à un référentiel inertiel spatial. Lors du lancement d'un engin spatial ou d'un satellite, les scientifiques doivent connaître leurs mouvements relativement au référentiel spatial, pour les diriger. Ils ne pourraient le faire sans connaître les mouvements terrestres relativement au référentiel inertiel spatial.

Pourquoi la géodésie par RILB?

La géodésie moderne repose sur des techniques basées sur l'astronomie et sur l'espace, dont la radio-interférométrie à très longue base (RILB), le GNSS, la satellitotélémétrie laser (SLR) et la sélénotélémétrie laser (LLR).

La huitième commission de l'IAG (International Coordination of Space Techniques for Geodesy and Geodynamics - CSTG) examine les diverses techniques spatiales dans son rapport d'étape de 1996 et conclut que seule la RILB permet de définir le cadre de référence céleste qui sert de centrale inertielle pour la géodésie par satellite. Cette technique est la seule qui peut garantir la stabilité à long terme des UT1-UTC et de la précision/nutation. Dans le résumé du rapport, elle affirme : « Qu'il est clair du point de vue scientifique que la RILB, la télémétrie laser (STR et LLR) ainsi que les techniques satellitaires aux micro-ondes constituent des contributions essentielles à la géodésie spatiale ».

Orientation de la Terre

Les observations précises réalisées en RILB nous permettent de détecter de minuscules changements dans l'orientation de la Terre dans l'espace.

  • L'attraction gravitationnelle du Soleil, de la Lune et des planètes
  • Les vents
  • Les courants océaniques
  • La pression atmosphérique
  • La fonte de la glace
  • La surcharge de marée océanique
  • Les eaux continentales
  • Les volcans
  • Le rebond postglaciaire
  • L'effet de l'attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil sur les marées
  • Le mouvement des plaques
  • La convection du manteau
  • La topographie du noyau terrestre
  • Les forces électromagnétiques
  • La friction entre le centre liquide de la terre et son extérieur solide

Système canadien de contrôle actif (SCCA)

Points de contrôle actif

Les points de contrôle actif (PCA) ressemblent aux points les plus précis des réseaux de contrôle au sol. La position et l'élévation des PCA ont été déterminées avec précision et exactitude. Chacune de ces stations inoccupées utilise un récepteur GNSS de grande qualité afin de poursuivre en permanence tous les satellites GNSS situés dans son " champ de vision ". Elle enregistre les données envoyées par signal radio à partir de chaque satellite, 24 heures sur 24, tous les jours de l'année.

Vous pouvez visionner et télécharger les descriptions de stations de points de contrôle actif à partir de l'interface du SCCA.

Qu'est-ce que le SCCA?

Le système canadien de contrôle actif (SCCA) est un réseau national de récepteurs GNSS de haute qualité en activité continuelle. Il comprend une station de contrôle actif maîtresse (MACS) et un réseau de stations d'acquisition de données GNSS en opération constante, appelé points de contrôle actif (PCA), qui sont distribués à travers le Canada. Chacune des stations de poursuite GNSS offre des mesures de phases de l'onde porteuse et de pseudodistance qui sont envoyées à un ordinateur central où des corrections GNSS y sont apportées.

Qu'est-ce que le SCCA procure?

Le SCCA a été créé pour améliorer la précision et l'efficacité du positionnement GNSS au Canada, et pour permettre un accès facile au Système canadien de référence spatiale (SCRS), le système de référence national utilisé au Canada. Cela est accompli en contrôlant et vérifiant l'intégrité et le rendement du GNSS par l'analyse des données obtenues par la poursuite continue des satellites; en calculant et rendant disponibles les éphémérides d'orbite précises des satellites ainsi que des corrections précises pour la synchronisation de leur horloge; et en supportant le développement du GNSS différentiel sur grande superficie (WADGNSS ) ainsi que d'autres applications (géodynamique, transfert du temps, etc.).

Lorsqu'on détermine des positions au moyen du GNSS, l'utilisation du SCCA permet d'établir un lien essentiel entre les systèmes modernes de positionnement tel que le GNSS et un système de référence commun comme le SCRS.

Fonctionnalité du SCCA

Points de contrôle actifs (PCAs)

Le système consiste en des stations de poursuite autonomes, les points de contrôle actifs (PCAs), qui enregistrent continuellement les données observées de tous les satellites du GNSS à leur portée. Chacun des PCA est doté d'un récepteur de précision à double fréquence et d'une horloge atomique. Des observations météorologiques comprenant la température, la pression atmosphérique et l'humidité relative sont aussi enregistrées à certains sites. Les données recueillies par chaque PCA sont extraites à une fréquence journalière par un centre de traitement situé dans les locaux des LGC à Ottawa.

Données du SCCA

Les éphémérides d'orbite précises, les corrections d'horloges et les données d'observation GNSS provenant des stations de poursuite permanentes sont fort avantageuses pour les utilisateurs canadiens chargés d'effectuer des levés par GNSS. Ces produits du SCCA permettent en effet de déterminer la position de tout point au Canada, par rapport au cadre de référence spatiale national, avec une précision allant du centimètre à quelques mètres, sans devoir occuper un repère géodésique ou une station de base.

Établir la position avec une précision au niveau du mètre à partir des observations de pseudodistances (code), et ce sans l'occupation d'une station de base, est rendu possible en utilisant les corrections précises provenant du SCCA pour la synchronisation des horloges des satellites. Les corrections pour la synchronisation des horloges peuvent être appliquées à la grandeur du globe pour corriger les observations recueillies par l'usager et, lorsqu'utilisées de concert avec les éphémérides précises, permettent une précision variant de 1 mètre selon la qualité de résolution du récepteur utilisé et l'effet de multitrajets présent au site. L'avantage de cette approche est que les erreurs spécifiques à un site peuvent mieux être identifiées plutôt que d'assumer que toutes les erreurs introduites sont communes au récepteur de la station de base et au récepteur itinérant comme il est fait avec le GNSS différentiel local (LDGPS). Puisque les corrections sont basées sur les observations provenant d'un réseau de stations de référence précisément connues, l'incertitude associée à l'utilisation des données d'une seule station de base est réduite. La distribution des stations de référence du SCCA et du Service international de GNSS (IGS) assure aussi une couverture globale pour toutes heures du jour ce qui élimine les problèmes associés à la synchronisation des observations avec la station de base rencontrés parfois avec le LDGPS.

Pour les travaux de levés utilisant les observations de phase du GNSS et demandant la plus grande précision, l'introduction des éphémérides précises dans le traitement des données permet de réduire les erreurs dans la détermination des vecteurs de position dues à l'imprécision orbitale à un niveau inférieur à 0,1 partie par million (ppm). Ces erreurs peuvent atteindre un niveau de 3 ppm et plus quand les éphémérides radiodiffusées sont utilisées. De plus, en incorporant des données d'observation provenant de stations PCA lors du traitement des données, un lien direct au cadre de référence spatiale national est établi. L'orientation et l'échelle pour les levés étant fournies par les éphémérides précises sans la nécessité d'occuper aucun point d'appui, l'efficacité des opérations sur le terrain et du traitement des données se voit grandement accrue. Selon le logiciel de traitement des données utilisé, des avantages additionnels peuvent être réalisés par l'utilisation des éphémérides précises telles qu'une capacité accrue d'identification et de réparation des sauts de cycle, une meilleure estimation des erreurs a posteriori ainsi qu'une capacité accrue de résolution des ambiguïtés de phase de l'onde porteuse. Des essais récents ont démontré la possibilité de positionnement avec une précision au niveau du centimètre dans chacune des composantes tridimensionnelles pour des distances atteignant 600 km quand les données du SCCA, les éphémérides précises et des procédures adéquates sont utilisées.

Contribution internationale et participation

Les Levés géodésiques du Canada fournit également des données du SCCA au Service international de GNSS (IGS) et contribue à titre de centre d'analyse. Cette collaboration permet d'accéder aux données provenant de sites de référence répartis à la grandeur du globe qui sont utilisées pour le calcul des éphémérides précises. Via l'IGS, les données et produits du SCCA sont mis à la disposition des organismes internationaux comme le Service international d'information sur la rotation terrestre (IERS), le NASA Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS), le US National Geodetic Survey (USNGS), le US Naval Observatory (USNO) et d'autres, intéressés à la dynamique de la Terre. Les observations précises des satellites à partir des stations de référence servent à établir les paramètres d'orientation de la Terre (EOP) et à calculer les vecteurs géodésiques entre des stations régionales de surveillance. Les variations temporelles des composantes de ces vecteurs géodésiques constituent des données quantitatives pour l'étude de la géodynamique, des risques de séismes naturels et des changements à l'échelle de la planète.

Réseaux de contrôle passifs

Réseaux de contrôle passifs modernes

Réseau de base canadien (RBC) Aller à l'interface

Introduit en 1994 afin de complémenter le SCCA, le Réseau de base canadien (RBC) constitue le lien entre les réseaux de contrôle terrestres existants et le SCCA. Il est conçu pour servir comme nouvelle base au sol dans l'établissement de contrôles avec repères physiques dans le Système canadien de référence spatiale (SCRS).

Le RBC se compose de piliers géodésiques d'observation avec plaques à centrage forcé positionnés suivant les trois dimensions au moyen du GNSS avec une exactitude de l'ordre du centimètre par rapport au SCCA. Le réseau est composé d'un ensemble de piliers espacés les uns des autres d'environ 200 km dans les régions habitées du Sud du Canada, d'environ 500 km dans les régions de la bande centrale du Canada et de 1000 km dans les régions du Nord.

En plus d'être un réseau de contrôle GNSS, le RBC peut servir de réseau de surveillance pour les études sur la déformation de la masse continentale canadienne.

Réseaux géodésiques 3D de haute précision (RGP) Aller à l'interface

Ce réseau étendu est constitué d'environ 3 000 stations (extérieures au RBC) qui ont été positionnées au GNSS avec une grande exactitude et rattachées au NAD83(SCRS) à l’époque 1997 ou 2002.

Vous trouverez les coordonnées NAD83(SCRS) tridimensionnelles de:

  • Repères de nivellement sur lesquels des observations GNSS ont été exécutées pour vérifier l'exactitude des modèles du géoïde et aider à produire la transformation des hauteurs HTv2
  • Diverses bornes plus anciennes, dont les positions ont d'abord été établies au moyen de méthodes de rattachement traditionnelles, puis mesurées à nouveau au moyen du GNSS

Réseaux de contrôle passifs conventionnels

Les réseaux de contrôle horizontaux et verticaux ont été établis indépendamment l'un de l'autre. En fait, normalement, le réseau vertical ne comporte pas de repères géodésiques horizontaux, et les points verticaux ne sont pas liés au réseau horizontal de référence.

Ainsi, les points de contrôle verticaux ont été établis par nivellement différentiel (ou à l'aide d'un niveau à bulle), alors que la majorité des stations qui constituent le réseau de contrôle horizontal au pays ont été établies, à l'origine, par des techniques de levé classiques, comme la triangulation.

Réseau de contrôle vertical (CGVD28 et CGVD2013) Aller à l'interface

Au cours du siècle dernier, un réseau national de points de contrôle vertical, ou «repères de nivellement» a été créé par nivellement le long des grandes routes et des voies de chemin de fer au Canada et en reliant plus de 30 marégraphes exploités par Pêches et Océans Canada.

Le Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD28) a été implanté au moyen d'une compensation de tous les réseaux de nivellement qui existaient à l'époque au Canada. Depuis, de nouvelles stations de nivellement ont été ajoutées et rattachées aux anciennes à la pièce, ce qui a évidemment entraîné des distorsions dans tout le réseau. En novembre 2013, CGVD28 a été remplacé par CGVD2013, un nouveau datum canadien basé sur le géoïde. Vous pouvez retrouver plus d’informations sur CGVD2013 ici.

Réseau de contrôle horizontal (NAD83) Aller à l'interface

Un cadre horizontal de levés de contrôle interreliés, avec des stations (repères physiques au sol) séparées les unes des autres par 20 km (au plus 100 km), s'étend sur l'ensemble de la masse continentale canadienne. Bien que ces stations de contrôle aient une position précise, elles étaient souvent peu pratiques à utiliser à cause de leur accès restreint ou limité, ou à cause de la visibilité interstation. Avec le développement et l'utilisation accrue des récepteurs et logiciels GNSS, il est tout à fait possible et économique de produire de meilleures données que celles que l'on obtenait auparavant à l'aide des méthodes classiques.

Réseau planimétrique (2D) du Nord

Le Système canadien de référence spatiale comporte un réseau 2D de bornes géodésiques espacées de 20 à 100 km, situées au Yukon, dans les Territoires du Nord-Ouest et au Nunavut. Les coordonnées des stations ont été déterminées au moyen de diverses méthodes de levé (autres que le GNSS), et leur exactitude varie. Dans la plupart des cas, elles ont été calculées en fonction du système de référence NAD83 (original) elles sont compatibles avec le NAD83 (SCRS) mais à des niveaux d'exactitude d'un mètre ou plus.

À noter que le réseau planimétrique du Nord est inclus dans l'interface du Réseau de contrôle horizontal (NAD83).

Réseau canadien de normalisation gravimétrique (RCNG)

Quelques 1400 stations de contrôle (primaires et secondaires), méthodiquement réparties sur tout le territoire canadien, représente la matérialisation actuelle du Réseau canadien de normalisation gravimétrique (RCNG). La compensation du RCNG est basée sur le Réseau international de normalisation gravimétrique de 1971 (IGSN71). Ainsi on estime que l’exactitude du système de référence est de l’ordre de plusieurs dizaines de microGals (1 microGal = 10-8 m s-2).

Depuis la fin des années 1990, les Levés géodésiques du Canada (LGC) ont considérablement réduit le maintien du RCNG en faveur de la gravimétrie absolue. Aujourd'hui, les LGC mesurent régulièrement 68 stations de gravité absolue réparties dans tout le Canada. Ces stations sont complétées par 77 autres stations gravimétriques absolues observées par les LGC ou la Commission géologique du Canada (CGC) pour des projets scientifiques spécifiques (certaines de ces stations sont encore actives de nos jours). La précision des stations gravimétriques absolues est de quelques microGal. Les LGC participent régulièrement aux comparaisons internationales et continentales de gravimètres absolus à des fins d'étalonnage (validation des standards d’observation).

Gravimétrie et levés géodésiques

Les trois piliers de la géodésie incluent :

  • La forme de la Terre (Géocinématique)
  • La rotation de la Terre
  • Le champ gravimétrique de la Terre

Les mesures de la pesanteur fournissent de l’information sur la masse continentale canadienne. La gravimétrie aide les géodésiens à améliorer les normes nationales d’arpentage (p. ex., le nivellement) et permet le calcul du géoïde par rapport à l’ellipsoïde, permettant 1) de représenter la forme actuelle de la terre et 2) d’établir le lien entre les altitudes ellipsoïdales GNSS et les altitudes orthométriques (souvent appelé altitudes au-dessus du niveau moyen de la mer). Ils permettent également d’identifier le potentiel pétrolifère et minéral des formations géologiques, d’étudier les processus physiques de la terre, et de définir les limites continentales du Canada relativement aux questions sur la souveraineté du pôle Nord.

Faits historiques

  • Otto J. Klotz fut le premier à utiliser le gravimètre à pendule de type Mendenhall au Canada en 1902. Il obtint ses premières lectures à Ottawa ensuite à Montréal et à Toronto afin d’en démontrer l’utilité au personnel de l’Observatoire fédéral.
  • Le premier levé gravimétrique régulier fut mené en 1914-15 et comportait 18 points. Comme les activités gravimétriques canadiennes étaient en plein essor, un programme gravimétrique national fut mis sur pied afin de cartographier le champ gravimétrique à l’étendue du territoire canadien et au large de ses côtes.
  • Suite au gravimètre à pendule Mendenhall sont venus la balance à torsion, le gravimètre relatif et finalement le gravimètre absolu qui détermine directement l’accélération due à la pesanteur en mesurant avec précision le temps et la distance que parcourt une masse en chute libre à l’intérieur d’une chambre à vide.
  • En 1995, les activités gravimétriques de la Direction de la physique du globe ont été transférées à celles des Levés géodésiques du Canada (LGC).

La modernisation du RCNG et le Réseau canadien de gravimétrie absolue

Figure 2 : Les quatre missions de gravimétrie par satellite : CHAMP (DLR), GRACE (NASA/DLR), GOCE (ESA) et GRACE Follow-On (NASA/GFZ).Figure 2 : Les quatre missions de gravimétrie par satellite : CHAMP (DLR), GRACE (NASA/DLR), GOCE (ESA) et GRACE Follow-On (NASA/GFZ).Figure 2 : Les quatre missions de gravimétrie par satellite : CHAMP (DLR), GRACE (NASA/DLR), GOCE (ESA) et GRACE Follow-On (NASA/GFZ).Figure 2 : Les quatre missions de gravimétrie par satellite : CHAMP (DLR), GRACE (NASA/DLR), GOCE (ESA) et GRACE Follow-On (NASA/GFZ).

Figure 2 : Les quatre missions de gravimétrie par satellite : CHAMP (DLR), GRACE (NASA/DLR), GOCE (ESA) et GRACE Follow-On (NASA/GFZ).

Afin de mieux définir la composante verticale du SCRS, les LGC ont mis en place un Réseau de stations de gravité absolue (GA) jumelées aux stations de référence GNSS de part et d’autre du Canada (68 stations). En partenariat avec d’autres divisions de RNCan, ce réseau appuie les études scientifiques portant notamment sur la déformation des plaques tectoniques et des séismes, l’élévation du niveau moyen de la mer, le changement de la masse hydrologique (glaciers et eau) et le rebond postglaciaire. Le nouveau Réseau canadien de gravimétrie absolue remplace les points de contrôle primaires du RCNG.

Un projet futur est une nouvelle compensation du RCNG avec des contraintes aux stations de gravité absolue.

L'étude du champ gravimétrique de la Terre

Les outils et les techniques utilisés pour étudier le champ de pesanteur de la Terre, qui vont de l'instrument terrestre à la technologie spatiale, servent à mesurer les variations infiniment petites du champ de pesanteur.

Mesure du champ gravimétrique de la Terre à partir de la terre

Sur terre, les LGC utilisent trois types d’instruments pour mesurer la pesanteur, la différence de pesanteur et les variations de pesanteur : gravimètre absolu, gravimètre relatif et gravimètre supraconducteur. À l'aide des mesures de ces instruments, les LGC peuvent cartographier le champ de pesanteur et surveiller ses variations géographiques et temporelles sur le territoire canadien.

Mesure du champ gravimétrique de la Terre de l'espace

L’étude du champ gravimétrique de la Terre connaît un essor important grâce à quatre missions gravimétriques révolutionnaires par satellite :

  • CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) 2000-2010 (en anglais seulement)
  • GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) 2002-2017 (en anglais seulement)
  • GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) 2009-2013 (en anglais seulement)
  • GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow-On) 2018- (en anglais seulement)

Les missions gravimétriques par satellite contribuent à améliorer les composantes de longueur d'onde moyenne et longue (200 km) du modèle de géoïde canadien, qui constitue désormais la base du nouveau système de référence altimétrique du Canada (CGVD2013). De plus, la gravimétrie par satellite permet de mesurer la variation temporelle du champ de gravité (longueur d'onde de 300 km) en surveillant la redistribution de masse provenant, par exemples, du rebond postglaciaire, des mouvements des plaques tectoniques, des tremblements de terre, de la fonte des glaces et des changements hydrologique (p. ex., eaux souterraines).

Pourquoi utiliser la pesanteur?

Les cartes illustrant avec exactitude les variations du champ de pesanteur de la Terre sont utilisées dans les domaines suivants :

  • Exploration minière - Prospection ciblant les réserves de minéraux, de pétrole et de gaz naturel.
  • Volcanologie - Prédiction de l'activité volcanique.
  • Océanographie - étude et surveillance des variations du niveau moyen de la mer servant à déterminer les changements des courants océaniques et même à signaler à l'avance les inondations.
  • Navigation - Systèmes de navigation inertielle installés à bord d'aéronefs, de navires et de missiles
  • Géophysique - Étude de l'intérieur de la Terre – la pesanteur permet de l’information clé sur la dynamique du noyau et du manteau de la terre, qui peut être utilisé pour comprendre sa géologie.
  • Glaciologie - Estimation précise de l'épaisseur des calottes glaciaires (pôles)
  • Prédiction de l'orbite des satellites - déterminer l'effet de la gravité sur l'orbite des satellites afin d'améliorer l'efficacité d'un grand nombre d'entre eux et leurs technologies associées, telles que le GNSS.
  • Levés et cartographie - grâce à des données gravimétriques plus précises il est possible de créer un modèle du niveau moyen de la mer (géoïde).
  • Fabrication et médecine - au cours des missions prévues à bord de navettes spatiales et de la station spatiale, des travaux de recherche sur les procédés de conception et de fabrication de cellules en apesanteur seront effectués pour découvrir des remèdes à des maladies (p. ex. le cancer) ou pour fabriquer de meilleures machines et même une nouvelle trappe à souris.
  • Étonnamment, le GNSS est également très utile pour étudier le champ de pesanteur de la Terre et approfondir nos connaissances à ce sujet.

Facteurs affectant le champ gravimétrique terrestre

La pesanteur est une accélération (m/s2) provoquée par deux forces : gravitationnelle (masse) et centrifuge (rotation). Ce dernier ne représente qu’un maximum d’environ 0,3% de la pesanteur à l’équateur, où la rotation de la Terre est la plus rapide. Pour la plupart des gens, la pesanteur est statique et est souvent estimée à 9,8 m/s2. En fait, elle change parce que la Terre n'est pas une sphère homogène, les masses sont redistribuée continuellement et la rotation ralentit très légèrement. Naturellement, les humains ne ressentent pas les changements de pesanteur, mais les instruments modernes permettent de mesurer des changements infimes de la pesanteur jusqu'au nanoGal (10-11 m/s2). En mesurant ces petits changements de pesanteur, ceci permet aux scientifiques de mieux comprendre les processus physiques et le cycle hydrologique de la Terre.

On peut considérer que le champ gravimétrique terrestre est statique à un moment instantané (ou lors de la moyenne sur une période donnée). Pour ce champ statique, la pesanteur est différente selon l'emplacement et dépend de plusieurs facteurs :

  • Les changements de pesanteur les plus rapides ont lieu avec l'altitude (H). La gravité décroît avec un taux vertical d’environ 0,3 milliGals/m (1 milliGal = 10-5 m/s2).
  • La pesanteur change avec la latitude (Φ) car la Terre est un sphéroïde oblat (une sphère écrasée). Comme les pôles sont plus proches du centre de masse de la Terre que l’équateur, la pesanteur augmente d’environ 5000 milliGals (0,05 m/s2) de l’équateur aux pôles. Cela représente un taux horizontal (direction nord-sud) d’environ 0,5 microGals/m (1 microGal = 10-8 m/s2).
  • Les variations de pesanteur à grande échelle sont liées à la topographie de la Terre (montagnes, tranchées océaniques, etc.). Cela peut représenter des changements de l'ordre de 100 milliGals (0,001 m/s2).
  • La variation de pesanteur est également associée au changement de densité (g/cm3) dans la croûte et dans le manteau de la Terre. La magnitude peut être des dizaines de milliGal (10 milliGals = 0,0001 m/s2).

La Terre étant une planète dynamique, la pesanteur a une variation temporelle. Elle peut être organisée en deux groupes : les variations créées par des processus lents opérant sur des échelles de temps géologiques (des milliers, voire des milliards d'années) et les variations créées par des processus opérant sur des échelles de temps plus courtes, allant de plusieurs décennies à quelques heures ou quelques jours. Le premier crée ce que nous considérons presque comme le champ gravimétrique statique - il change trop lentement pour être mesuré. Le second crée ce que nous considérons comme un champ gravimétrique transitoire - les changements sont mesurables et fournissent des informations importantes sur les changements climatiques et environnementaux actuels.

Voici des facteurs qui entraînent des changements de pesanteur observés sur des échelles de temps de centaines d'années ou moins :

  • Les changements dans les eaux de surface, proches de la surface ou souterraines - même de petits changements dans les eaux de vastes zones ont un effet mesurable sur le champ gravimétrique - les tendances annuelles et à long terme sont détectées et surveillées.
  • Fonte des glaciers - de nombreux glaciers fondent rapidement et ce changement dans la répartition des masses a un impact significatif sur la pesanteur de la Terre
  • La lune - la force gravitationnelle associée à la lune en orbite autour de la Terre entraîne les marées océaniques, ainsi que les marées terrestres solides (la Terre solide se déforme également!) - ces deux redistributions de masse transitoires affectent la pesanteur.
  • Séismes - les séismes redistribuent la masse localement et modifient le champ gravimétrique local.
  • Extraction ou injection de fluides - l’extraction de produits pétroliers ou l’injection de fluides entraîne des modifications locales de la pesanteur.
  • Rebond postglaciaire - les régions autrefois obligées de s’enfoncer sous le poids d’énormes glaciers retourne tranquillement à leur état d’équilibre préglaciaire - il en résulte un important soulèvement vertical à travers la baie d'Hudson et le Groenland et affecte la grande majorité de l'est et du nord du Canada
  • Changement du niveau de la mer - l'élévation du niveau de la mer ajoute de la masse aux océans et en enlève aux continents - cette redistribution de la masse affecte le champ de pesanteur. En fait, le changement du niveau de la mer ne se produit pas dans la même mesure partout. C'est parce que l’altitude de la surface de l'océan est déterminée par la pesanteur locale. La fonte importante d'un glacier ajoutera de l'eau aux océans - augmentant globalement le niveau de la mer à l'échelle mondiale. Mais près du glacier, la perte de masse du glacier réduira le champ gravimétrique local suffisamment pour que le niveau de la mer baisse réellement. En tant que tel, le changement du niveau de la mer et la pesanteur sont étroitement liés.

La liste des facteurs qui affectent le champ gravimétrique peut être infinie car toute redistribution de masse modifie la pesanteur, même si nombre d'entre eux sont souvent trop petits pour être mesurés avec l'instrumentation actuelle.

Accéder aux stations

Vous pouvez accéder aux stations du RCNG et de gravité absolue via l'interface du Réseau de gravité (RNCG).

Systèmes de référence géodésiques

Cadre international de référence terrestre

Depuis 1990, le cadre de référence le plus stable et précis disponible correspond aux versions successives du Cadre international de référence terrestre (ITRF) produit par le Service international de la rotation de la Terre et des Systèmes de référence (IERS).

Le système de référence ITRF est global et de ce fait, n’est pas fixé à une plaque tectonique en particulier. Le cadre spécifique ITRF utilisé par PPP est celui réalisé par l’IGS à l’époque à laquelle les éphémérides d’orbite précises GNSS ont été calculées.

Une différence clé avec les systèmes de référence précédents est la nature dynamique du cadre de référence. Les coordonnées de stations sont valides pour une date spécifique (époque) et sont accompagnées par des estimations de vélocité afin de propager les coordonnées à d’autres époques.

  • Les réalisations individuelles sont dénotées par ITRFxx, où xx représente la dernière année pour laquelle les données ont été incluses dans une solution particulière.
  • Les coordonnées ITRF de points changent continuellement dû au mouvement des plaques tectoniques. De ce fait, il est nécessaire de spécifier à quelle époque les coordonnées ITRF font référence et de tenir compte du mouvement tectonique des plaques lors de la propagation des coordonnées à d’autres époques

Système de référence nord-américain de 1983 (SCRS)

Le Système de référence nord-américain de 1983 (NAD83) est le système de référence spatiale national utilisé pour la géoréférence par la plupart des agences fédérales et provinciales au Canada.

La réalisation physique de ce système a nécessité plusieurs mises à jour depuis son entrée en vigueur en 1986. Le système a évolué d’un réseau de contrôle horizontal terrestre à une réalisation spatiale tridimensionnelle comprenant des techniques de positionnement plus modernes et intégrant les systèmes de référence horizontale et verticale.

Unification de NAD83 au Canada et États-Unis via l’ITRF

Afin de fournir une réalisation plus précise d’un NAD83 3D commune au Canada et aux États-Unis ainsi que de répondre aux résolutions de l’IAG recommendant que les systèmes de référence soient liés à l’ITRF, une nouvelle transformation NAD83 commune fut dérivée à partir de l’ITRF96, qui était le plus récent à ce moment. Une transformation conformale 3D à 7 paramètres (Helmert) utilisa le NAD83 (original) et les coordonnées de l’ITRF96 à l’époque 1997.0 à 12 stations RILB dans les deux pays.

L’échelle ITRF96 fut adoptée pour cette réalisation de NAD83 en définissant le paramètre d’échelle à zéro après estimation. Ainsi, ceci assure que l’échelle de NAD83 sera compatible avec les échelles plus précises définies par l’ITRF96 et utilisées par d’autres systèmes tels que le WGS84.

Mouvement des plaques tectoniques

Des observations continues faites à des stations de référence GNSS à travers le monde permettent de suivre le mouvement des plaques tectoniques. La plaque nord-américaine tourne dans le sens anti-horaire à raison d’environ 2 cm par année. Deux régions au Canada sont sujettes à des activités sismiques et tectoniques: la côte Ouest et la vallée du Bas-St-Laurent.

Afin de correctement prendre en compte du mouvement de la plaque tectonique nord-américaine lors de la transformation à partir de/à des positions ITRF96 à n’importe quelle époque arbitraire, le modèle NNR-NUVEL-1A fut adopté puisque recommendé par l’IERS.

Système de référence nord-américain de 1983 (SCRS)

Le système de référence nord-américain de 1983 (Système canadien de référence spatiale) est la réalisation améliorée de NAD83 pour le Canada.

Ses avantages principaux retiennent du fait qu’il fournit un accès quasi-direct au plus haut niveau du cadre de référence NAD83 à travers le CACS et les stations adjacentes du RILB qui forment une partie du réseau de l’ITRF. Ces stations agissent de façon effective comme des points de référence ITRF et NAD83 pour le positionnement géospatial, ce qui permet une plus précise, pratique et directe intégration de données d’utilisateurs avec une accumulation pratiquement inexistante d’erreurs typiquement retrouvée dans les réseaux de contrôle classiques horizontaux. De plus, les orbites GNSS peuvent être transformées à NAD83, permettant aux utilisateurs de se positionner directement dans NAD83 à travers des applications tel que PPP.

Système géodésique mondial de 1984

Le Système géodésique mondial de 1984 (WGS84) est un cadre de référence global, qui à l’origine fut développé par la US Defense Mapping Agency (DMA) (renommé l’Agence nationale d'imagerie et de cartographie américaine (NIMA) et maintenant appelée l’Agence nationale géospatiale d’intelligence américaine (NGA)).

Modèle du géoïde

Le modèle du géoïde contribue à la composante verticale du système de référence afin que les altitudes GNSS ellipsoïdales soient converties en altitudes orthométriques, et ce pour des raisons pratiques.

Le véritable défi est d'établir la relation entre l'ellipsoïde et le géoïde. Lorsque nous connaissons, en un point donné, la différence entre ces deux surfaces, différence appelée «écart géoïde-ellipsoïde» ou «ondulation du géoïde», nous pouvons alors utiliser cet écart pour corriger les mesures altimétriques faites au moyen du GNSS et obtenir l'altitude par rapport au niveau moyen de la mer.

On doit tenir compte de trois facteurs dans l'établissement du géoïde:

  • Topographie: la surface de la Terre.
  • Ellipsoïde: les altitudes mesurées par GNSS font référence à cette surface.
  • Géoïde: prolongement naturel de la surface correspondant au niveau moyen de la mer.

Quelle est la précision du modèle actuel du géoïde?

Tout dépend de la région. Dans les Rocheuses canadiennes, le champ de la pesanteur de la Terre connaît d'importantes variations, et on possède moins de données gravimétriques pour cette région. Le géoïde n'y est pas aussi précis que dans les Prairies ou l'est du Canada, où le champ de la pesanteur est plus constant et mieux connu. Cependant, en règle générale, l'exactitude du géoïde actuel par rapport au centre de la Terre est de l'ordre de +/- 5 cm. Cette exactitude varie d'un océan à l'autre d'environ 40 cm. Plus nous connaissons avec exactitude le géoïde, plus nous pouvons déterminer facilement, rapidement et à moindre coût les altitudes avec le GNSS, que ce soit pour la construction de routes, d'égouts ou d'autres ouvrages.