Cadres de référence terrestres

Comme nous l’avons indiqué, un cadre de référence est la matérialisation ou la réalisation d’un système de référence. Il consiste habituellement en un réseau de points géodésiques formés de repères physiques dont les coordonnées sont connues avec précision. Les vélocités des coordonnées peuvent aussi être incluses dans un système dynamique. Un cadre de référence terrestre est habituellement la réalisation d’un système de référence terrestre pour une époque définie dans le temps.

Cadre international de référence terrestre (ITRF)

Le Système international de référence terrestre (ITRS) a été proposé et mis en œuvre il y a déjà plus de vingt ans. Il est matérialisé par un réseau mondial de quelques centaines de stations utilisées pour une ou plusieurs techniques géodésiques fondamentales, notamment la radio-interférométrie à très longue base (RILB ou VLBI), la satellitométrie laser (SLR), la détermination d’orbite et le radio-positionnement intégré par satellite (DORIS) ou le système mondial de navigation par satellite (GNSS). Ce que l’on appelle le Cadre international de référence terrestre (ITRF) présente un ensemble de coordonnées stables, exactes et uniformes dans le monde aux fins de l’étude de la dynamique terrestre à la plupart des échelles spatiales. L’ITRF est un système dynamique mondial de référence conçu pour appuyer l’ensemble des applications de la géodésie et des sciences de la Terre. Il constitue la base sur laquelle repose les systèmes de référence géodésique nationaux, soutient la navigation par satellite et permet le suivi du mouvement des plaques tectoniques. Puisque le système n’est pas fixé à une plaque tectonique en particulier, les coordonnées des stations de l’ITRF varient avec le temps. Ainsi, les coordonnées ITRF sont valides pour une date spécifique (époque) et sont accompagnées par des estimations de vélocité qui reflètent le déplacement des stations et servent à la propagation des coordonnées à d’autres époques. Les diverses versions ou réalisations de l’ITRF sont désignées par des mentions ITRFyy, où yy est la dernière année pour laquelle des données ont été incluses dans une solution particulière. Depuis 1990, les différentes réalisations de l’ITRF ont été les cadres de référence terrestres les plus exacts et les plus stables dont on dispose. L’adresse suivante http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/ (en anglais seulement) fournit des renseignements sur les réalisations de l’ITRF avec les paramètres de définition et de transformation des systèmes de référence.

Système géodésique mondial 1984 (WGS 84)

Le WGS 84 est un système de référence géométrique tridimensionnel à axes fixes conçu à l’origine pour servir de système officiel de référence pour le GPS. Contrairement aux caractéristiques de l’ITRF, la définition du WGS 84 inclut les paramètres d’un ellipsoïde de référence soutenant des représentations par coordonnées tant cartésiennes qu’ellipsoïdales. Les paramètres ellipsoïdaux du WGS 84 sont identiques (compte tenu d’un très léger écart pour l’aplatissement aux pôles) à ceux du Système de référence géodésique de 1980 (GRS 80). L’origine se définit comme le centre de gravité de toute la Terre y compris les océans et l’atmosphère. Son axe des z correspond à l’orientation du pôle terrestre conventionnel du Bureau international de l’heure (BIH) à l’époque 1984.0. L’axe des x du système se situe à l’intersection du méridien de référence ou méridien de référence international (IRM) du Service international de la rotation terrestre et des systèmes de référence (IERS) et du plan passant par l’origine et perpendiculaire à l’axe des z. À l’origine, le WGS 84 s’accordait avec la version initiale du NAD 83 au mètre près, mais depuis, il a été remis à jour plusieurs fois et est maintenant aligné sur l’ITRF au centimètre près. La dernière version appelée G1762 (G renvoie à GPS et 1762 est le numéro de la semaine GPS) a été instaurée le 16 octobre 2013. Des renseignements supplémentaires sur le WGS 84 et sur les paramètres de transformation entre le WGS 84 (G1762) ainsi que les versions passées de ce système et certaines réalisations de l’ITRF sont disponibles à l’adresse suivante : https://confluence.qps.nl/qinsy/fr/world-geodetic-system-1984-wgs84-29855173.html.

Système de référence nord-américain de 1983 (NAD 83)

Le NAD 83 original est le système de référence spatiale utilisé comme norme nationale de géoréférencement au Canada et aux États-Unis. Sa définition repose sur un système de référence mondial appelé Système terrestre de 1984 du BIH (BTS 84) et sur l’ellipsoïde de référence du Système de référence géodésique de 1980 (GRS 80). Ainsi, le NAD 83 et le WGS 84 sont presque identiques tant pour la taille que la forme, mais les solutions spatiales de positionnement et les comparaisons avec l’ITRF ont révélé au fil des ans que le NAD 83 présentait un écart d’environ 2 m par rapport au véritable géocentre. Le NAD 83 est défini comme un système de référence statique (les valeurs de ses coordonnées sont constantes dans le temps), ancré sur la plaque tectonique nord-américaine et suivant sa rotation. Il sert principalement au positionnement horizontal et, en moyenne, présente des erreurs d’environ 0,3 m d’un bout à l’autre du Canada, et des distorsions de plus de 1 m dans certaines régions. Depuis son introduction en 1986, plusieurs mises à jour de la réalisation originale ont été apportées (voir le tableau 1), surtout en vue d’inclure de nouvelles solutions GPS. Le tableau montre comment le NAD 83 est passé d’un système terrestre classique de référence horizontale à un cadre spatial de référence tridimensionnel appelé NAD 83 (SCRS). Plus de détails sur le NAD 83 sont accessibles à l’adresse suivante : https://confluence.qps.nl/qinsy/fr/north-american-datum-1983-nad83-29855153.html.

NAD 83 (SCRS)

Le NAD 83 (SCRS) est la version tridimensionnelle modernisée du NAD 83 original. Depuis 1996, il est rigoureusement rattaché à l’ITRF, et depuis le début du siècle, il a été régulièrement actualisé. En moyenne, les composantes horizontales du NAD 83 (SCRS) sont plus précises par deux ordres de grandeur (100 fois) ou plus que celles du NAD 83. Le NAD 83 (SCRS) est soutenu et maintenu par des réseaux de stations de contrôle actif et passif bien réparties sur le territoire. NAD 83 (SCRS) est aussi relié à l’ITRF par un sous-ensemble de stations de contrôle actif centrales et régionales qui forment une partie du réseau ITRF. Ces stations servent effectivement de points de référence tant de l’ITRF que du NAD 83, et elles relient les deux systèmes tout en assurant l’intégration mondiale du cadre canadien.

Le NAD 83 (SCRS) a été mis plusieurs fois à jour, et son rapprochement avec l’ITRF a été rendu possible grâce à l’amélioration des paramètres de transformation entre les deux systèmes. Une description sommaire est présentée au tableau 1. Comme l’ITRF utilise des coordonnées dynamiques, les années de référence sont attribuées aux différentes réalisations de ce cadre.

Tableau 1. Sommaire des réalisations du NAD 83 (SCRS)

Version Époque Cadre Adopté Description
v0 1986 Original 1986-1993 Ajustements horizontaux
v1 1988,0 SCRS 96 1996 Transformation à partir de l’ITRF 93
v2 1997,0 SCRS 98/SCRS 1998 Transformation à partir de l’ITRF 96
v3 1997,0 2000 Transformation à partir de l’ITRF 97 (premier RBC complet)
v4 2002,0 2002 Transformation à partir de l’ITRF 2000
v5 2006,0 2009 Transformation à partir de l’ITRF 2005
v6 2010,0 2012 Transformation à partir de l’ITRF 2008
v7 2010,0 2018 Transformation à partir de l’ITRF 2014 (à quelques millimètres près de la v6)