Toward a terrestrial reference frame in the form of a time series?
Vers un repère de référence terrestre sous forme de série temporelle ?
Résumé
Since the first versions of the International Terrestrial Reference Frame (ITRF), the temporal evolution of station positions has been described by piecewise linear models. These models have been augmented in the ITRF2014 by exponential and logarithmic functions to account for post-seismic displacements. Although the ITRF2020 additionally accounts for seasonal deformations by means of annual and semi-annual sine waves, some of the Earth’s surface deformations, such as those due to interannual hydrological loading or high-frequency atmospheric loading, are not taken into account by these deterministic functions.
A terrestrial reference frame in the form of a time series could allow accounting for such aperiodic displacements. To achieve this, it would be necessary to bring the aperiodic motions of the stations of the different space geodetic techniques into a common reference frame by means of co-motion constraints applied at the ITRF co-location sites. However, given that common aperiodic motions between co-located stations of the different techniques have not yet been evidenced on a global scale, the relevance of such constraints, hence of a terrestrial reference frame in the form of a time series, is questionable.
The purpose of this study is to compare the position time series of co-located ITRF stations to observe whether or not common aperiodic motions can be detected at ITRF co-location sites. It was conducted on the time series of station positions provided by the services of the four space geodetic techniques for the ITRF2014 computation. Preliminary steps were necessary to obtain comparable position time series and to allow the observation of possible common aperiodic motions. In a first step, the solutions of the four techniques were aligned to a common reference frame, with care taken to minimize the technique-specific network effects. Then, in a second step, the station position time series thus obtained were corrected for their linear, post-seismic and periodic components. For this purpose, a spectral analysis was conducted to identify and model the seasonal signals and the technique-specific periodic errors present in the time series.
The comparison of the residual position time series points to the presence of modest aperiodic signals common to the different techniques, mainly on the vertical component. However, technique pecific errors seem to explain most of the aperiodic variations observed by the different techniques. The consequences on the implementation of a terrestrial reference frame in the form of a time series are discussed in light of those results and perspectives are given to progress toward such a frame.
Depuis les premières versions du repère international de référence terrestre (ITRF), l’évolution temporelle des positions des stations de référence est décrite par des modèles linéaires par morceaux. Ces modèles ont été augmentés, dans l’ITRF2014, par des fonctions exponentielles et logarithmiques pour tenir compte des déplacements post-sismiques. Bien que l’ITRF2020 tienne en outre compte des déformations saisonnières au moyen de sinusoïdes annuelles et semi-annuelles, une partie des déformations de la surface terrestre, telle que les déformations dues à la surcharge hydrologique interannuelle ou à la surcharge atmosphérique haute fréquence, n’est pas prise en compte par ces fonctions déterministes.
Un repère de référence terrestre sous forme de série temporelle pourrait permettre de prendre en compte de tels déplacements apériodiques. Il faudrait pour cela, pouvoir amener dans un repère commun les mouvements apériodiques des stations des différentes techniques de géodésie spatiale au moyen de contraintes de co-mouvement appliquées au niveau des sites de co-localisation de l’ITRF. Cependant, sachant que la présence de mouvements apériodiques communs entre les stations co-localisées des différentes techniques n’a pas encore été mise en évidence à l’échelle mondiale, la pertinence de telles contraintes, et donc d’un repère de référence terrestre sous forme de série temporelle, est discutable.
Le but de cette étude est de comparer les séries temporelles de positions des stations co-localisées de l’ITRF afin d’observer si des mouvements apériodiques communs peuvent ou non être détectés. Elle a été menée sur les séries temporelles de positions de stations fournies par les services des quatre techniques de géodésie spatiale pour le calcul de l’ITRF2014. Des traitements préliminaires ont été nécessaires pour obtenir des séries temporelles comparables et permettre l’observation d’éventuels mouvements apériodiques communs. Dans un premier temps, les solutions des quatre techniques ont été mises en référence dans un repère commun en prenant soin de limiter les effets de réseau spécifiques aux techniques. Puis, dans un deuxième temps, les séries temporelles de positions de stations ainsi obtenues ont été corrigées de leurs composantes linéaires, post-sismiques et périodiques. Pour cela, une analyse spectrale a été menée afin d’identifier et de modéliser les signaux saisonniers et les erreurs périodiques spécifiques aux techniques.
La comparaison des séries temporelles de positions résiduelles met en évidence de modestes signaux apériodiques communs aux différentes techniques, principalement sur la composante verticale. Cependant, les erreurs propres à chaque technique semblent expliquer la majorité des variations apériodiques observées par les différentes techniques. Les conséquences sur la mise en place d’un repère de référence terrestre sous forme de série temporelle sont discutées à la lumière de ce résultat et des pistes de réflexion sont proposées pour avancer vers un tel repère.
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