Les mesures GPS à Hawaii // GPS measurements in Hawaii

Le Global Positioning System (GPS) est un système américain de navigation par satellite conçu à l’origine pour des applications militaires, mais qui est devenu extrêmement populaire et largement utilisé. En plus de la constellation américaine, il existe trois autres systèmes de navigation par satellite (GNSS) dans le monde : GLONASS (Russie), Galilée (Europe) et BeiDou (Chine). Les nouveaux récepteurs GNSS peuvent suivre simultanément plusieurs constellations de satellites, ce qui améliore la précision.
À Hawaii, le HVO exploite un réseau GNSS de 67 stations réparties sur toute l’île, mais avec priorité aux zones de déformation telles que les zones de rift. Ces stations GNSS de haute précision fournissent des données aux scientifiques 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Le principe de fonctionnement est le suivant : les satellites GNSS émettent des ondes radio qui se déplacent à la vitesse de la lumière et transmettent des informations sur la position exacte du satellite et l’heure actuelle. L’antenne au sol prend en compte les signaux radio de plusieurs satellites et les transmet au récepteur qui calcule l’emplacement exact selon un processus appelé trilatération. Un système GNSS de haute précision peut déterminer un emplacement avec une marge d’erreur de seulement quelques millimètres.

Actuellement, la constellation GPS américaine compte 33 satellites opérationnels en orbite à une altitude de 20 000 km. Pour localiser avec précision l’emplacement d’une station GNSS, le récepteur doit recevoir en continu des données pendant six heures au moment où les satellites traversent l’horizon en vue de la station. Quatre satellites sont nécessaires pour calculer un emplacement 3D, mais généralement un récepteur GNSS en suit huit ou plus pour calculer une position plus précise.
Plusieurs facteurs peuvent affecter le signal GNSS et la précision des emplacements qui en dépendent. L’ionosphère et la troposphère, couches de l’atmosphère à travers lesquelles se déplacent les ondes radio, peuvent retarder les signaux radio, mais cela peut être corrigé avec des modèles atmosphériques. Il est important que les antennes GNSS fonctionnent dans un environnement bien dégagé,  sans interférence d’objets comme des arbres ou des bâtiments.
Pour obtenir une vue globale des déformations d’un volcan, le HVO effectue également chaque année des mesures sur le terrain sur le Mauna Loa et le Kilauea. Au cours de ces missions, le personnel du HVO place des récepteurs GPS temporaires et des antennes sur des supports – des disques de laiton qui ont été arrimés au sol – et les scientifiques laissent l’équipement en place pendant quelques jours sur chaque site. Le support du récepteur montre généralement une croix à l’intérieur d’un triangle qui sert de point de référence pour le centrage de l’antenne.
Au cours de chaque mission de mesures, le personnel du HVO revient sur les sites de mesures afin de collecter les données et déterminer si la station a bougé. Les données ainsi collectées permettent de calculer à la fois la position horizontale et verticale – comme on le fait pour la latitude, la longitude et l’altitude – et ainsi d’évaluer les variations par rapport aux relevés précédents.
Des campagnes de levés GPS sont conduites sur le Mauna Loa et le Kilauea depuis le milieu des années 1990. Elles fournissent des données extraordinairement précises sur la déformation de ces volcans. En plus du Mauna Loa et du Kilauea, le Hualalai et l’Haleakala sont inspectés périodiquement (tous les trois à cinq ans) dans le cadre du programme de surveillance des volcans par le HVO.
Source: USGS / HVO.

———————————————–

The Global Positioning System (GPS) is a US satellite-navigation system originally designed for military use but now an extremely popular and widely used technology. In addition to the US constellation, there are three other Global Navigation Satellite Systems (GNSS): GLONASS (Russia), Galileo (European) and BeiDou (China). New GNSS receivers can simultaneously track multiple constellations of satellites , which provides improved accuracy.

In Hawaii, HVO operates a 67-station GNSS network spread out across the island but concentrated near persistent deforming features like rift zones. These high-precision GNSS stations give scientists a 24/7 record.

GNSS satellites send out radio waves that travel at the speed of light and transmit information about the exact position of the satellite and the current time. The antenna on the ground listens to the radio signals from multiple satellites and passes them to the receiver which calculates the exact location using a process called trilateration. High-precision GNSS equipment and analysis can determine a location down to less than a centimetre.

Currently, the American GPS constellation has 33 operational satellites orbiting at an altitude of 20 000 km. To accurately pinpoint the location of a high-precision GNSS station, the receiver must continuously receive data for six hours as satellites arc across the horizon in view of the station. Only four satellites are needed to calculate a 3-D location, but typically a GNSS receiver will track eight or more to calculate a more precise position.

There are several factors that affect the GNSS signal and accuracy of derived locations. The ionosphere and troposphere, layers of the atmosphere through which the radio waves travel, introduce delays in the radio signals that can be corrected with atmospheric models. It is important for GNSS antennas to have enough clear “sky view” without object interference suchas trees or buildings.

To get a more complete view of the deforming volcano, HVO also conducts yearly campaign surveys on Mauna Loa and Kilauea. During these surveys, HVO staff place temporary GPS receivers and antennas on benchmarks – permanent brass disks that have been drilled into the ground – and leave the equipment in place for a couple of days at each site. The benchmark typically has a cross inside a triangle that serves as a reference point for centering of the antenna.

During each survey, HVO staff returns to these benchmarks to collect data and determine how the point has moved. Data collected allow to calculate both a horizontal and vertical location, similar to latitude, longitude, and altitude and thus to evaluate the change from prior surveys.

Campaign of GPS surveys have been conducted on both Mauna Loa and Kilauea since the mid-1990s, providing extraordinary records of volcano deformation. Along with Mauna Loa and Kilauea, Hualalai and Haleakala are surveyed periodically (every three to five years) as part of HVO’s volcano monitoring program.

Source : USGS / HVO.

Station GPS sur le flanc sud du Kilauea (Crédit photo : USGS)

Péninsule de Reykjanes (Islande) : Au cas où…// Reykjanes Peninsula (Iceland) : Just in case…

Comme je l’ai écrit précédemment, la sismicité est toujours relativement importante sur la Péninsule de Reykjanes. Les scientifiques locaux ont renforcé la surveillance, en particulier celle concernant l’inflation du Mont Þorbjörn qui pourrait être causée par une accumulation de magma. .
De nouveaux instruments ont été installés par l’Icelandic Met Office (IMO) qui a désormais accès aux données fournies par d’autres équipements de surveillance. L’IMO prévoit d’installer deux GPS, un sur le Mt Þorbjörn et un autre à l’ouest de la montagne. L’inflation dans la région a atteint environ 3 cm, après avoir progressé de 3-4 mm par jour depuis le 21 janvier 2020
L’Icelandic Met Office possède un sismomètre à l’ouest de Grindavík, un autre à l’extrémité nord de la Péninsule de Reykjanes ainsi qu’à Vogar et Krýsuvík. De plus, l’IMO aura accès aux données de trois ou quatre sismomètres supplémentaires qui sont utilisés pour un projet de recherche indépendant.
Des images satellites ainsi que la technologie InSAR sont également utilisées pour contrôler et évaluer l’inflation.
L’Icelandic Met Office dispose d’un réseau GPS dans toute la péninsule afin de pouvoir mesurer les mouvements à la surface de la terre. Par ailleurs, il pourra accéder aux données GPS de l’Institut des Sciences de la Terre.
L’accélération de la gravité sera mesurée par l’Islande GeoSurvey (Ísor) pour déterminer si le magma est toujours en train de s’accumuler.
Si une éruption devait se produire, une station radar, située sur le plateau de Miðnesheiði, fournirait des informations sur les panaches de cendre volcanique. Une autre station radar, actuellement implantée ailleurs sur l’île, sera installée à Reykjanes. Enfin, un LiDAR, utilisé pour mesurer les concentrations de cendre volcanique dans l’air, sera installé dans la zone. En cas d’éruption, il sera important de décider si les aéroports peuvent rester ouverts.
Source: Iceland Monitor.

———————————————

As I put it before, seismicity is still significant on the Reykjanes Peninsula, and local scientists want to better monitor the situation, including the inflation of Mt Þorbjörn which might be caused by magma accumulation. .

Additional monitoring equipment has been installed by the Icelandic Met Office (IMO)  and access to data from other monitoring equipment will be obtained. IMO expects to install two GPS devices – one on Þorbjörn volcano, and another one west of the mountain. Inflation in the area has reached about 3 cm, after amounting to 3-4 mm a day since January 21st, 2020

The Icelandic Met Office has one seismometer west of Grindavík, another one on the northernmost tip of Reykjanes as well as in Vogar and Krýsuvík. In addition, the Met Office will obtain access to data from three or four additional seismometers that have been used for a special research project.

Satellite pictures as well as InSAR technology are used as well to assess the inflation.

The Icelandic Met Office has a system of GPS devices throughout Reykjanes, measuring movements on the earth’s surface. The Met Office will obtain access to GPS data from the Institute of Earth Sciences.

In addition, gravity acceleration of the earth will be measured by Iceland GeoSurvey (Ísor) to help determine whether magma is accumulating.

In xase of an eruption, a radar station, located on Miðnesheiði plateau, would provide information about volcanic ash plumes. Another radar station, currently located elsewhere, will be installed in Reykjanes. Finally, a LiDAR, used to measure volcanic ash in the air, will be installed in the area. It would be important when determining whether airports can remain open.

Source : Iceland Monitor.

Vue de Grindavík et du volcan Þorbjörn (Crédit photo mbl.is / Kristinn Magnússon)

La géodésie en volcanologie // Geodesy in volcanology

L’analyse du comportement d’un volcan met en oeuvre plusieurs paramètres, et donc plusieurs types d’instruments. Un article récemment mis en ligne par l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) explique le rôle joué par la géodésie pour mesurer les déformations du sol provoquées par les mouvements du magma dans les profondeurs de la Terre.
Les résultats des levés effectués après le séisme de magnitude M 7,9 à San Francisco en 1906, avec les bouleversements subis par les clôtures et les limites de propriété, ont fait comprendre l’importance de la géodésie pour interpréter les mouvements des failles, et favorisé son entrée dans les sciences de la terre.
Aujourd’hui, un géodésiste s’appuie essentiellement sur le système GPS, sans oublier pour autant les inclinomètres de forage et l’interférométrie radar (InSAR).
La géodésie sur un volcan consiste à effectuer plusieurs levés pour détecter les déplacements éventuels de points de repère. Lors de l’ascension du magma à l’intérieur d’un édifice volcanique, la roche environnante est logiquement poussée vers le haut. Toutefois, lorsque les scientifiques mesurent la position des points de repère, ils se rendent également compte que ces points s’écartent de la source magmatique. Aujourd’hui, les instruments installés en permanence sur un volcan contrôlent en permanence les points de repère afin de pouvoir détecter le moindre  mouvement du sol en quelques minutes.
Le développement et la maintenance du réseau permanent est l’un des travaux les plus importants de l’équipe géodésique du HVO. Ce réseau permanent comprend plus de 60 stations GPS et 16 inclinomètres. Les données fournies sont essentielles pour l’évaluation des risques. En particulier, les inclinomètres, qui sont ides instruments extrêmement sensibles, sont souvent les premiers à indiquer l’inflation de l’édifice volcanique lors de sa mise sous pression par le magma.
L’équipe géodésique du HVO est responsable de l’analyse et de l’interprétation des données fournies par les instruments qui fonctionnent parfaitement grâce à d’autres membres du personnel de l’Observatoire. Les ingénieurs construisent, installent et entretiennent les instruments utilisés sur le terrain. Les informaticiens s’assurent que les ordinateurs communiquent correctement avec les sites éloignés à partir desquels les données sont transmises et que tout fonctionne normalement pour analyser les données.
Outre le réseau géodésique permanent, des campagnes sont organisées chaque année pour collecter des données de référence supplémentaires à l’aide de stations GPS temporaires. Quelque 80 repères sont contrôlés chaque année pendant 2 ou 3 jours pour déterminer leurs variations annuelles de position. Dans certaines zones, ces levés permettent au HVO de déterminer plus précisément les variations de déformation sur plusieurs années.
Pour mieux interpréter les données, les géodésistes utilisent des modèles informatiques qui prévoient de manière simplifiée – avec des sphères ou des ellipsoïdes – le mouvement de la surface de la terre en fonction de l’expansion ou de la contraction des corps magmatiques. On utilise ces formes simples car elles correspondent convenablement aux données et sont moins longues à calculer que les corps de forme irrégulière. Le temps est important car plusieurs milliers de calculs sont utilisés pour tester différents modèles.

Le modèle le mieux adapté montre aux scientifiques la zone la plus probable où se déplace le magma, l’endroit où il s’accumule et donc le lieu où  il est proche de la surface et susceptible de déclencher une éruption. Cependant, les seules données géodésiques ne suffisent pas à donner une image complète d’un volcan. Elles doivent être interprétées conjointement avec des données géologiques, sismiques et gazières. C’est pour cela que les différentes équipes du HVO se réunissent pour élaborer des hypothèses sur l’activité du moment, le niveau de danger et les scénarios futurs.
Source: USGS / HVO.

———————————————

Analysing the behaviour of a volcano involves several parameters, and so several types of instruments. A recent article released by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains the part played by geodesy to measure ground movements and deformation caused by magma in the depths on the Earth.

Results from surveys after the 1906 M 7.9 San Francisco earthquake, which offset fence lines and property boundaries, had a profound impact on researchers’ understanding of how faults move and favoured the entrance of geodesy into the earth sciences.

Today, a geodesist relies essentially on Global Positioning System (GPS) instruments, without forgetting borehole tiltmeters and satellite radar (InSAR).

Geodesy on a volcano consists in performing multiple surveys to determine how benchmark positions have changed. As magma moves into a volcano, the surrounding rock is pushed outward. When scienntists measure positions of benchmarks on the surface of the volcano, they also realise that they have also been pushed away from the magma source. Today, permanently installed instruments constantly monitor benchmark positions so that ground motion can be detected within minutes.

Growing and maintaining HVO’s permanent geodetic instrument network is one of the deformation group’s most important jobs. This permanent network consists of over 60 GPS stations and 16 tiltmeters, and data from it are critical for hazard assessment. In particular, tiltmeters, which are incredibly sensitive to changes in ground slope, are often the first indicator of inflation as a volcano pressurizes.

While HVO’s deformation group is responsible for analyzing and interpreting the data, it takes many others to keep the network running. HVO’s field engineers build, install, and maintain the field instruments. Information Technology staff ensure that computers can communicate with remote sites from which data are transmitted and that everything is OK to analyze the data.

Beside the permanent geodetic network, annual campaigns are organised to collect additional benchmark data using temporary GPS stations. Around 80 benchmarks are surveyed each year for 2-3 days to determine yearly changes in position. These surveys provide a higher density of measurements in certain areas, enabling HVO to more precisely determine deformation patterns over many years.

To help interpret the data, geodesists use computer models that calculate the expected motion at the earth’s surface due to expansion or contraction of magma bodies with simplified shapes, such as spheres or ellipsoids. Simple shapes are used because they adequately match the data and are less time-consuming to calculate than irregularly shaped bodies. Time is important because many thousands of calculations are used to test different models.

The best-fitting model shows scientists the most likely place that magma is moving into or out of the volcano, as well as where magma is accumulating and how close it is to the surface. However, no single type of data gives the whole picture of a volcano, so geodetic data needto be interpreted along with geologic, seismic and gas data. HVO’s different teams come together as a whole to develop sound hypotheses for current activity, hazard levels, and future scenarios.

Source : USGS / HVO.

Exemple d’utilisation d’une station GPS temporaire pour mesurer les déformations du Kilauea (Source : USGS / HVO)

Le GPS, de la navigation à la volcanologie // GPS, from navigation to volcanoes

Dans un article récent, des scientifiques du Yellowstone Volcano Observatory ont écrit une chronique expliquant comment un système peut être utilisé à des fins différentes de celles pour lesquelles il a été conçu à l’origine.
C’est le cas du Global Positioning System (GPS), qui est aujourd’hui l’une des techniques les plus efficaces pour suivre les déformations du sol à Yellowstone et sur les volcans en général.
Le système a été lancé en 1978 lorsque le Département américain de la Défense a mis sur orbite une constellation de satellites NAVSTAR pour fournir des informations de navigation à son personnel qui circulait dans des véhicules terrestres, des avions et des navires. Avec le GPS, ces personnes pouvaient savoir où elles se trouvaient et atteindre leur destination. Le service est rapidement devenu accessible aux civils, et la plupart des gens l’utilisent maintenant pour circuler avec leurs véhicules ou se repérer pendant une randonnée.
Aujourd’hui, à côté du NAVSTAR américain, le GLONASS russe et le Galilée de l’Union européenne sont d’autres systèmes de navigation par satellite (GNSS). La précision de ces systèmes varie en fonction des conditions de visibilité du ciel et d’autres facteurs, mais la marge d’erreur est généralement de 5 à 10 mètres pour la position horizontale et de 10 à 30 mètres pour l’altitude.
Cette marge d’erreur ne suffirait pas en volcanologie pour étudier la déformation d’un volcan sous la pression du magma. Les scientifiques effectuant de telles mesures doivent disposer d’une précision très fine, car la déformation d’un édifice volcanique est généralement une affaire de millimètres.
Le récepteur GPS d’une voiture ou d’un téléphone portable utilise les signaux radio des satellites de navigation comme horloge et règle virtuelles. Il mesure le temps nécessaire aux signaux pour parcourir la distance entre plusieurs satellites et le récepteur. Les signaux circulent à la vitesse de la lumière et les orbites des satellites sont connues. Ces informations, associées au temps de parcours des signaux, permettent au récepteur de calculer sa distance par rapport à chaque satellite à un instant donné. En utilisant les principes de la trigonométrie sphérique, le récepteur est capable de « fixer » sa position avec suffisamment de précision pour que les personnes puissent trouver leur chemin.
Pour atteindre une meilleure précision, les géodésistes ont conçu un récepteur qui traite les signaux des satellites de navigation de manière beaucoup plus précise. Au lieu d’utiliser le temps de parcours du signal pour calculer la distance entre les satellites et le récepteur, un récepteur géodésique compte le nombre de longueurs d’onde complètes et fractionnelles entre lui-même et plusieurs satellites à la fois. Les longueurs d’onde sont connues avec précision et les récepteurs géodésiques peuvent compter exactement le nombre de longueurs d’onde complètes. Au final, le récepteur est capable de déterminer instantanément la distance entre plusieurs satellites au millimètre près. Donc, avec un peu de trigonométrie sphérique, les scientifiques ont à leur disposition un moyen de surveiller la déformation du sol en utilisant un système conçu à l’origine pour la navigation avec des véhicules terrestres!
A Yellowstone, un réseau de stations GPS étudie en permanence l’évolution de la déformation du sol. Avec les informations fournies par un réseau de sismomètres et d’autres instruments de surveillance, les données GPS permettent aux scientifiques de mieux comprendre la structure complexe et les processus actifs des phénomènes qui se déroulent sous leurs pieds.
Source: Yellowstone Volcano Observatory.

—————————————————-

In a recent article, Yellowstone Volcano Observatory scientists have written a chronicle explaining how a system can be used for purposes different from those for which it was originally designed.

This was the case for the Global Positioning System (GPS) which is today one of the most effective techniques used to track ground deformation at Yellowstone and on world volcanoes.

The Global Positioning System had its start in 1978 when the U.S. Department of Defense began launching a constellation of NAVSTAR satellites to provide navigation information to its personnel in land vehicles, planes, and ships. With GPS, they could know where they were and how to get where they were going. The service soon became accessible to civilian users, and now most people use it to navigate in their car or to find their way around their favourite trail system.

Today, in addition to the United States’ NAVSTAR GPS, Russia’s GLONASS and the European Union’s Galileo are operational Global Navigation Satellite Systems (GNSS). The accuracy of such systems varies with sky view and other factors, but generally the margin of error is 5–10 metres for horizontal position and 10–30 metres for elevation.

This margin of error would not have been sufficient in volcanology to study the deformation of a volcano under the pressure of magma beneath the edifice. Scientists doing such measurements need to have a very sharp accuracy as the deformation is usually a matter of millimetres.

The GPS receiver in a car or on a cellphone uses radio signals from navigation satellites as a virtual clock and ruler. It measures the time required for signals to travel from several satellites at a time to the receiver. The signals travel at the speed of light and the satellites’ orbits are known. That information, plus the signals’ travel time, allows the receiver to calculate its distance from each satellite at a given instant. Using principles of spherical trigonometry, the receiver is able to « fix » its position well enough for people to find their way around.

To reach a better accuracy, geodesists designed a geodetic-grade receiver that processes signals from navigation satellites in a much more precise way. Instead of using signal travel times to calculate satellite-to-receiver distances, a geodetic receiver counts the number of full and fractional wavelengths between itself and several satellites at a time. The wavelengths are known precisely, and geodetic receivers can count the number of full wavelengths exactly. In the end, the receiver is able to determine its distance from several satellites instantaneously to within a millimetre or so. So, with a little spherical trigonometry you have a means to monitor ground deformation using a system that was originally designed to track jeeps !

At Yellowstone, a network of GPS stations tracks the changing pattern and pace of ground deformation continuously. Combined with information from a network of seismometers and other monitoring instruments, the GPS results help scientists unravel the complex structure and active processes that otherwise remain hidden underfoot.

Source: Yellowstone Volcano Observatory.

Station GPS au bord du Lac de Yellowstone (Crédit photo: USGS)