Applications maritimes du positionnement par satellite

Dossier : Navigation par satelliteMagazine N°594 Avril 2004
Par Yves DESNOËS (66)

Progrès spectaculaires de la connaissance du milieu marin

À proximité des côtes, ces progrès se traduisent par l'amélioration de la connaissance géographique, représentée majoritairement par des cartes. Au grand large, l'aspect cartographique, bien que toujours présent, s'efface devant les aspects géophysiques et océanographiques.

Une information géographique de haute précision et de haute résolution spatiotemporelle

Nous venons d'assister depuis quelques années à une révolution de la mesure bathymétrique par petits fonds, avec trois technologies nouvelles maintenant éprouvées, même si elles ne sont pas encore banalisées : le laser bathymétrique, les sondeurs multifaisceaux par petits fonds et la mesure d'altimétrie par satellite, avec une précision au moins décimétrique.

L'un des progrès les plus importants apportés par ces nouveaux moyens de mesure est la capacité de s'affranchir du niveau de la mer pour mesurer la profondeur.

Les techniques traditionnelles ne mesurent les profondeurs que par rapport à la surface marine, et il faut " réduire " ces profondeurs pour décrire le fond dans un référentiel cohérent. Les spécialistes savent bien que ce référentiel (" zéro hydrographique ") varie en fonction de l'amplitude locale de la marée, ce qui est commode pour le navigateur, mais ne permet pas de représentation continue entre la terre et la mer, et les mesures dans la zone de transition sont de plus difficiles et longues, ce qui se traduit en beaucoup d'endroits par une très faible densité d'information. Les résolutions et les précisions traditionnelles rendaient ces incohérences entre les représentations de la mer et de la terre peu gênantes, mais les applications modernes des systèmes d'information géographique (SIG) et des modèles numériques nécessitent une précision et une cohérence nettement supérieures.

La nouvelle vision qui en résultera permettra une approche beaucoup plus précise de la variabilité des fonds marins, donc potentiellement un besoin de rafraîchissement plus fréquent de l'information. Grâce aux performances des satellites modernes, notamment GPS et bientôt Galileo, les résolutions horizontales seront de l'ordre de quelques mètres, voire du mètre, et les résolutions verticales de quelques décimètres ; les précisions seront décimétriques. La vision du relief sous-marin sera alors aussi bonne que celle du relief terrestre (qui doit aussi progresser).

Cette révolution de la bathymétrie touchera de près de nombreuses modélisations, elles-mêmes utiles ou indispensables pour les SIG : courants, niveau de la mer, cotes extrêmes, vagues, transport littoral, évolution du trait de côte, conception d'aménagements, évaluation de risques…

Comme après les deux précédentes ruptures, méthodologique (levés systématiques au cercle hydrographique et au plomb de sonde au début du XIXe siècle) et technologique (systèmes de radiolocalisation et sondeurs sonores en continu au milieu du XXe siècle), et pour des raisons voisines, il est donc temps de reprendre la bathymétrie côtière avec des systèmes de mesure et des normes rénovés. Comme la mer reste en grande partie opaque aux moyens optiques aéroportés ou spatiaux, cela prendra le temps nécessaire pour parcourir la surface de la mer là où le laser ne pénétrera pas. Il ne faut donc pas attendre que le besoin soit pressant pour lancer les travaux, mais au contraire anticiper ces besoins de manière à fournir au plus tôt l'outil de progrès indispensable pour dynamiser de nombreux secteurs.

Des besoins d'information géographique nombreux

Les besoins de cartographie (notamment numérique) de haute résolution et les acteurs potentiels concernés sont très nombreux et ont tendance à croître au fil du temps. Ces besoins touchent principalement la gestion et l'exploitation du littoral, ainsi que la prévention des risques ; certaines missions de l'État sont également concernées. Des travaux de recherche et développement permettent de mettre au point les systèmes et les services correspondants en y intégrant continuellement les progrès scientifiques.

  • Protection du littoral, y compris faune et flore. On trouve notamment dans cette rubrique l'étude de l'évolution du trait de côte (érosion, implantation d'ouvrages de protection…), l'étude de l'action de la houle et la protection du domaine côtier (action physique de la mer, envahissement, pollution chimique, biologique, radioactivité, etc.).
  • Gestion, aménagement et exploitation du littoral et des ports. Les principaux secteurs concernés sont le développement des zones touristiques, l'aménagement de plages (et aussi marinas, etc.), l'évolution des ports et des dragages, les prélèvements de granulats marins ou de sédiments, l'aquaculture, la conchyliculture (y compris le cadastre ostréicole), la pêche côtière et la culture ou l'exploitation d'algues.
  • Prévention et évaluation des risques. Cette tâche implique notamment l'identification des zones inondables, l'évaluation des trajectoires des objets dérivants, l'aménagement du littoral pour la prévention des catastrophes naturelles, la protection plus particulière des centrales nucléaires, l'anticipation de situations catastrophiques et la reconnaissance de situations de catastrophe naturelle. La mise en œuvre des plans d'urgence (Orsec, Polmar) sera aussi aidée par l'amélioration de la qualité de l'information.
  • Autres missions de l'état concernées. En plus de la tutelle de la plupart des domaines listés ci-dessus, on peut citer la connaissance géohydrographique du littoral comme paramètre dans la détermination des délimitations maritimes internationales (lignes de base), la mise en place de réseaux de surveillance du littoral et de ses ressources, la gestion des réglementations littorales (environnement, sécurité, protection de patrimoine historique, navigation, balisage…), la délimitation du trait de côte, la délimitation du domaine public maritime et l'organisation du trafic maritime.
    La marine nationale (SHOM – Service hydrographique et océanographique de la marine), responsable de la cartographie pour les besoins de la navigation maritime, retirera également des bénéfices de ces progrès pour sa participation à la gestion des risques, pour la guerre des mines sur nos côtes et pour sa connaissance de l'environnement sur des théâtres extérieurs, ce qui nécessitera des développements spécifiques pour tenir compte des nécessités de déploiement et de l'absence potentielle d'accès aux territoires côtiers.

Des acteurs multiples

On peut distinguer plusieurs catégories d'acteurs concernés ou potentiellement concernés, qui sont très nombreux et parmi lesquels l'on ne peut citer que des exemples, en espérant ne pas en avoir oublié de trop importants. Ce sont notamment :

  • des acteurs économiques directs, comme les pêcheurs, pisciculteurs, conchyliculteurs, industriels et artisans, entreprises de travaux publics, géomètres, ports autonomes, entreprises et sociétés de transport et de services (dont tourisme), EDF…,
  • des acteurs économiques indirects, entre autres les chambres de commerce et d'industrie, les agences de bassin, les divers comités des pêches maritimes et des élevages marins, les sociétés d'économie mixte (SIVOM), les technopoles littorales, les structures de concertation spécialisées (entre autres conférences maritimes, commissions nautiques), l'Union européenne, dont le rôle va croissant, les associations de défense de l'environnement…,
  • des acteurs publics, relevant de multiples ministères, notamment Premier ministre, Intérieur, Industrie, Agriculture (dont pêche), Finances (cadastre…), Recherche (CNRS, INSU – Institut national des sciences de l'univers), Équipement et Transports, Environnement, Défense (cf. paragraphe précédent, et aussi préfectures maritimes), préfectures, collectivités territoriales et locales, parcs naturels régionaux côtiers, ainsi que de nombreux établissements publics, entre autres Agences de l'eau, BRGM, Conservatoire du littoral, Ifremer, IGN, IRD (anciennement Orstom), Météo-France…,
  • des sociétés de service et d'ingénierie, bureaux d'études travaillant sur des projets littoraux et côtiers, services en hydrographie, en ingénierie côtière ou en dragage, services pétroliers, entreprises d'assainissement, câbliers…

La connaissance globale des structures liquide et solide de l'océan

Le positionnement précis n'apporte pas à lui seul cette connaissance, qui nécessite des mesures d'altimétrie de la surface marine par radar depuis l'espace. Mais le positionnement précis s'applique aussi aux satellites d'altimétrie, ce qui fait que tout progrès dans la précision, la fiabilité ou la couverture du positionnement se répercute dans l'altimétrie dont l'exploitation permet de décrire de plus en plus finement les structures de l'océan.

Cela peut paraître surprenant à première vue, puisque l'onde radar ne pénètre dans l'eau que d'un petit micron, mais l'altimétrie de la surface marine est nécessaire1 pour " voir " globalement et rapidement ce qui se passe à grande profondeur sous l'océan. C'est donc un immense progrès par rapport aux moyens précédents mis en œuvre depuis des navires qui devaient arpenter l'océan pour recueillir des données certes plus précises et localement plus détaillées, mais sans possibilité de vision globale sur une courte période (quelques jours, à comparer à quelques décennies).

Système d'identification automatisé (l'AIS)
Source CETMEF.

 
Mais, dira-t-on, on vient de nous expliquer que l'océan est opaque et qu'il faut continuer à l'arpenter. Il n'y a pas de contradiction, car l'on ne parle pas du même type de vision. Nous parlions précédemment de résolutions métriques en horizontal et décimétriques en vertical ; ici nous parlons de plusieurs kilomètres en horizontal et de centaines de mètres en vertical pour la description des structures océaniques ; mais c'est à peu près la seule vision que nous ayons de ces structures, ce qui rend cette vision irremplaçable.

Quel est le phénomène qui permet toutes ces descriptions ? La gravité, tout simplement ! La surface marine tend à suivre une équipotentielle du champ de gravité, ce qui implique que ses irrégularités sont en grande partie provoquées par les variations de densité des masses sous-jacentes. Ces irrégularités sont aussi provoquées par les marées et par les courants, ces derniers dépendant eux-mêmes des variations de densité au sein de l'océan liquide. Ces diverses origines peuvent être séparées avec une assez bonne représentativité en tenant compte des différences entre leurs variabilités temporelles (et dans une moindre mesure spatiales).

C'est ainsi que l'on connaît la marée océanique (hors plateaux continentaux) avec une précision de deux centimètres environ, que l'on connaît la topographie sous-marine avec une résolution horizontale de quelques kilomètres, ce qui ne fournit pas une représentation suffisante pour la navigation mais donne aux géophysiciens une description complète des océans, fort utile pour la description de l'évolution de ceux-ci ainsi que des continents (tectonique des plaques), et permet tout de même aux cartographes marins de détecter des reliefs potentiellement dangereux pour la navigation, sous-marine en particulier, ainsi que d'éliminer toutes sortes de hauts-fonds mal positionnés. On voit, par exemple, très bien les dorsales médio-océaniques et les monts sous-marins isolés.

Parmi les phénomènes de variabilité temporelle intermédiaire, le principal est la circulation océanique à l'échelle de la dizaine de kilomètres. Cette circulation contribue notamment au transfert de calories entre les basses et les hautes latitudes, et son impact sur l'évolution climatique est déterminant.

Parmi les progrès recherchés, il y a l'extension aux plateaux continentaux de cette connaissance améliorée de l'océan. Il faudra pour y parvenir d'autres types de capteurs, dont beaucoup in situ, mais la modélisation de l'océan profond restera une base indispensable pour les descriptions plus côtières et pour les prévisions qui en découlent. Vu l'importance des masses d'eau dans la machine thermique terrestre, ces connaissances nouvelles devraient contribuer à améliorer encore les prévisions météorologiques et climatiques, sans que l'on puisse prédire de combien, et n'oublions pas que les quatre cinquièmes de l'air sont situés au-dessus des océans.

Les progrès de la navigation maritime

Le positionnement par satellite, associé aux stations différentielles terrestres ou spatiales et adapté aux mesures de phases, résout à peu près tous les problèmes de navigation. On est passé en ce domaine, en quelques lustres, d'un " art du navigateur " à la navigation " presse-bouton ".

Tout au plus subsiste-t-il aujourd'hui quelques problèmes épisodiques d'intégrité des signaux du système GPS, problèmes que Galileo doit reléguer définitivement dans le passé, ce que prévoit aussi le futur GPS.

Disons tout de suite que, l'un des problèmes majeurs étant la sûreté de fonctionnement, l'existence de deux systèmes indépendants procurera une redondance propre à satisfaire les exigences en ce domaine, et que, ne serait-ce que pour cette raison, les deux systèmes doivent être considérés comme complémentaires et non comme concurrents. Il en résultera aussi une amélioration de la précision du positionnement, inutile pour beaucoup d'utilisateurs, mais extrêmement précieuse pour de nombreuses applications, dont celles décrites ci-dessus.

Une navigation générale de plus en plus automatisée

  • Les moyens électroniques d'exploitation des systèmes et documents de navigation. Le développement de la navigation par satellite a coïncidé avec celui de moyens numériques d'exploitation des documents nautiques. Initialement limités à la présentation de la position sur l'image " scannée " d'une carte papier, ceux-ci vont laisser place à l'ECDIS (Electronic Chart Display), officiellement adopté par l'OMI (Organisation maritime internationale). Cet équipement fait apparaître la position du navire sur une carte numérique (ENC) spécialement conçue, établie et tenue à jour par les services hydrographiques. L'ensemble ECDIS plus ENC permet de remplacer la carte papier à condition de disposer de moyens de secours adéquats.
  • Le contrôle du trafic et la prévention des abordages. Chaque bâtiment émet automatiquement en radio VHF, après un signal d'identité, ses position, route et vitesse. Ces éléments permettent d'une part la surveillance du trafic par les centres de contrôle côtiers, et d'autre part la détection automatique des risques d'abordage et l'élaboration automatisée de manœuvres d'évitement.
  • Le système mondial de recherche et de sauvetage. Sans entrer dans le détail, il est important de noter que la relève des systèmes actuellement en service doit être prise vers 2015 par Galileo qui, en plus des fonctions actuelles, devrait informer l'auteur de l'appel de sa bonne réception par le centre de secours.
  • Les difficultés d'emploi dans les applications maritimes générales. Une première catégorie de difficultés vient de l'homme : la précision et la simplicité des localisations GPS ont eu tendance à faire oublier aux officiers de quart la règle ancienne de la double source de position. Surchargés de nouvelles tâches diverses (veille phonie, contrôle des machines…) ils accordent aux satellites une confiance absolue et ne prennent pas le temps de contrôler leurs résultats par l'un des autres moyens, indépendants, dont ils disposent. Les systèmes existants ne sont cependant pas exempts de défaillances accidentelles ou volontaires et ne sont pas conçus pour en avertir rapidement leurs utilisateurs.
    Une seconde catégorie de difficultés est liée aux références géodésiques des documents nautiques existants ainsi qu'au manque d'homogénéité entre les précisions de localisation assurées par les satellites et celles des positions de dangers portées sur les cartes.
    Les satellites donnent des positions en WGS 84, alors que la plupart des cartes existantes ont été établies avec des systèmes géodésiques " Régionaux " tels que le système Européen ED 50. Les positions " satellites " doivent donc souvent être corrigées avant d'être portées sur les cartes, et les corrections peuvent dépasser le kilomètre, avec tous les risques associés d'oubli ou d'erreur.
    Par ailleurs, la position des dangers immergés portés sur une carte (même sur une carte numérique ENC) est souvent connue avec une précision inférieure à celle donnée par les satellites, surtout en mode différentiel. Les progrès techniques ne doivent donc pas faire oublier aux marins de " prendre du tour ".
  • Sécurité et normalisation. Les applications du positionnement par satellite touchent directement et indirectement la sécurité de la navigation. Les nouveaux systèmes de navigation seront de plus en plus intégrés dans des passerelles automatisées et alimentés par des données elles-mêmes de plus en plus précises grâce encore aux satellites. Cette automatisation est source de sécurité, car elle apporte au navigateur des aides et des alertes ; mais elle est aussi source de risque, car d'une part elle est utilisée pour réduire les effectifs, donc la redondance dans la vigilance, et d'autre part elle introduit des éléments de complexité qu'il faut maîtriser, que ce soit la complexité de systèmes de navigation de plus en plus riches ou la complexité des différents systèmes traitant, transformant et transmettant les informations numériques depuis les sources multiples de celles-ci jusqu'aux navigateurs. Quelles que soient les précautions d'emploi mentionnées au paragraphe précédent, la sécurité doit être également assurée par un processus de certification des systèmes impliqués, basé sur des normes adaptées, lesquelles peinent à suivre les progrès de la technique, ce qui ne va pas sans risque.


Le positionnement de haute précision en mer

  • Hydrographie. Nous en avons longuement parlé au premier paragraphe et nous n'y reviendrons que brièvement, d'une part pour souligner que les levés hydrographiques doivent être plus précis que les cartes qui en sont issues, pour lesquelles il faut viser une précision compatible avec celle, croissante, du positionnement des navigateurs par satellite, et d'autre part pour observer qu'il s'agit d'un métier à part entière, qu'il ne s'improvise pas, et que les services hydrographiques ont donc un rôle central à jouer dans le recueil des données hydrographiques (notamment bathymétrie, mais aussi marée, courants, amers…), lesquelles sont nécessaires pour des domaines de plus en plus nombreux.
  • Le positionnement des chantiers de travaux ou de recherche. Outre les simples avantages de répétitivité, qui permettent au plus modeste caseyeur muni d'un récepteur " satellite " différentiel de retrouver à quelques mètres près ses engins de pêche laissés sur le fond, la précision de localisation au large est mise à profit pour placer et surtout retrouver, même par très grands fonds, des équipements divers tels que des têtes de forage. Il faut alors passer par l'intermédiaire de balises acoustiques et par l'exécution de profils bathycélérimétriques de précision.
  • Applications spéciales. Les utilisations concernées sont les manœuvres de port (emploi de remorqueurs et pousseurs) avec une précision relative de 1 mètre, puis les travaux de constructions d'ouvrages maritimes qui exigent, ainsi que les dispositifs d'accostage automatique, une localisation au décimètre près.


Des applications de précision analogue ont déjà été expérimentées : on peut surveiller les phénomènes de changement d'assiette et d'enfoncement des grands navires en fonction de la vitesse par petits fonds à l'aide d'antennes réparties sur toute la longueur du bâtiment et il est également possible, en mesurant l'altitude de chacune des piles des plates-formes de travail, d'en contrôler l'enfoncement naturel ou accidentel.

Conclusion

Les satellites sont omniprésents dans le domaine maritime, et le positionnement y joue un rôle clé sans lequel la plupart des autres moyens auraient peu de signification. Il n'a fallu qu'une vingtaine d'années pour qu'ils se banalisent et deviennent indispensables aux professionnels comme aux plaisanciers, aux chercheurs comme aux prestataires de services, aux civils comme aux militaires. Les capacités de la recherche et de l'industrie européennes spatiales, françaises en particulier, sont au premier rang mondial. Elles constituent un atout majeur, mais ne sont pas une fin en elles-mêmes : les nombreuses innovations qu'elles permettent doivent aussi faire l'objet de politiques étatiques et industrielles ambitieuses, dans lesquelles les mers et les océans doivent occuper une place à la mesure des enjeux environnementaux, économiques et de sécurité qui y sont associés. 

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1.
Mais pas suffisante : il faut pour " voir " assimiler les données d'altimétrie dans des modèles qui ont aussi besoin de données in situ, recueillies par des profileurs autonomes dont les positions et les mesures sont transmises par d'autres satellites.

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