Observation du contenu électronique total de l'ionosphère grâce au Global Positioning System lors de l'éclipse totale de Soleil du 11 août 1999

René Warnant
Observatoire royal de Belgique
Avenue Circulaire, 3
B-1180 Bruxelles

Le Global Positioning System

Le Global Positioning System (GPS) ou Système de Positionnement Global est un programme développé par le Département de la Défense des Etats-Unis. Son objectif est de permettre à un utilisateur équipé du matériel adéquat de déterminer sa position à tout moment dans un système de référence mondial. Principalement destiné à la navigation maritime ou aérienne, ce système est composé de 3 segments: le segment spatial, le segment utilisateur et le segment terrestre. Les 27 satellites qui composent le segment spatial du GPS émettent 2 radiofréquences, appelées L1 (1575,42 MHz) et L2 (1227,6 MHz); ils se meuvent sur 6 plans orbitaux à environ 20200 kilomètres d'altitude. Les récepteurs GPS, qui constituent le segment utilisateur, sont des appareils capables d'effectuer sur ces 2 signaux des mesures permettant de calculer la position d'un observateur, en temps réel, partout et à tout moment sur Terre, quelles que soient les conditions atmosphériques, avec une précision de 25 à 100 mètres. Le segment terrestre est constitué de 5 stations de poursuite qui gèrent le fonctionnement du GPS.

Les applications du GPS

Le nombre d'applications du GPS ne cesse de croître et n'a pour limite que l'imagination des utilisateurs. En voici quelques-unes :

Navigation

A l'origine, le GPS a été conçu par le Département de la Défense des Etats-Unis pour permettre le positionnement rapide et précis de véhicules militaires partout sur Terre. En pratique, n'importe quel utilisateur muni d'un récepteur GPS peut déterminer sa position en temps réel avec une précision comprise entre 25 et 100 m.

Positionnement de précision

Dans le domaine de la navigation, l'observateur doit déterminer sa position en temps réel c'est-à-dire, immédiatement, à l'instant même de la mesure. Cependant, le positionnement le plus précis est obtenu en temps différé: dans ce cas, l'observateur effectue ses mesures, les stocke sur le disque dur de son ordinateur et effectue ses calculs une fois retourné au bureau. Cette technique permet dans les cas les plus favorables d'obtenir des précisions de quelques millimètres sur des distances de quelques dizaines de kilomètres.
Le GPS est devenu un outil d'une valeur inestimable en géodésie et en géophysique. En effet, de nombreux domaines de la géophysique requièrent des mesures extrêmement précises de distances ou plus exactement de variations de distances au cours du temps : tectonique des plaques, séismologie, volcanologie, ...

Etude de l'atmosphère terrestre

Lors de leur traversée de l'atmosphère, les ondes radio émises par les satellites GPS subissent l'effet de la réfraction atmosphérique. En général, le GPS est utilisé pour déterminer la position d'un observateur et la réfraction atmosphérique est une perturbation qu'il faut éliminer pour obtenir des positions précises. D'autre part, l'effet de la réfraction atmosphérique sur le signal GPS est caractéristique des propriétés de l'atmosphère:

  • l'ionosphère est la partie ionisée de l'atmosphère terrestre; elle s'étend d'environ 50-60 km jusqu'à 1000 km d'altitude; l'effet de la réfraction ionosphérique sur le signal émis par les satellites GPS dépend du contenu électronique total c'est-à-dire du nombre d'électrons libres rencontrés par le signal lors de son parcours dans l'ionosphère; la concentration en électrons libres dépend, entre autres, de la quantité de rayonnement solaire interceptée par l'ionosphère.
  • la troposphère est la couche inférieure de l'atmosphère terrestre; elle s'étend du sol jusqu'à environ 10 km d'altitude. L'effet de la réfraction troposphérique sur le GPS dépend, entre autres, de la quantité d'humidité (vapeur d'eau) contenue dans la troposphère.
Dans le cas où la position du récepteur est connue avec une bonne précision, les mesures GPS peuvent être utilisées pour calculer l'effet de la réfraction atmosphérique sur le signal GPS. Dans ce cas, l'inconnue à résoudre n'est plus la position de l'observateur mais la perturbation atmosphérique qui, elle-même, dépend de paramètres tels que le contenu électronique total de l'ionosphère ou la quantité de vapeur d'eau dans la troposphère. C'est de cette manière que le signal GPS permet de déterminer le contenu électronique total ainsi que la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Il est très probable que la mesure de l'humidité troposphérique par le GPS constituera un apport d'une valeur inestimable pour la météorologie dans les 5 années à venir.

Expérience lors de l'éclipse

Le rayonnement solaire est la principale source d'ionisation dans l'ionosphère. Lors de l'éclipse, cette source d'ionisation va d'abord disparaître graduellement pour ensuite réapparaître (ce qui n'est pas le cas lors d'un coucher de soleil). L'expérience consiste à observer le comportement du contenu électronique total de l'ionosphère pendant l'éclipse en utilisant les observations GPS effectuées dans les 7 stations permanentes de l'Observatoire royal (Fig. 1) ainsi que par 2 stations qui seront installées pour l'occasion en zone de totalité dans le Nord de la France.

L'intérêt de l'expérience est le suivant:

  • la manière dont le contenu électronique total varie pendant l'éclipse fournit d'importantes informations sur les différents processus physiques et chimiques à l'origine de l'ionisation dans l'ionosphère;
  • les variations du contenu électronique total qui seront observées pendant l'éclipse vont provoquer des perturbations qui vont affecter les calculs de positions effectués par GPS; l'étude de ces perturbations permettra d'obtenir des informations en ce qui concerne l'effet de la réfraction ionosphérique sur les signaux émis par les satellites GPS.



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Last updated on 15/02/2000 by CM