Catégories de plates-formes

Le type de plate-forme de surface, de par sa taille, sa géométrie, sa propulsion et son autonomie, a une grande importance pour la réussite d’une expérience de GNSS/A. Elle doit, dans le cas idéal, être capable de stationner à l’aplomb des balises fond de mer, et de supporter le matériel de manière optimale ainsi que de fournir l’énergie nécessaire au bon fonctionnement de ceux-ci. La plate-forme doit embarquer les instruments permettant l’observation et l’enregistrement :

— de sa position absolue, qui peut désormais être obtenue de manière relative-ment aisée par GNSS

— de son attitude, enregistrée soit par une centrale d’attitude, soit par le cou-plage de diférentes antennes GNSS orientées suivant les axes de tangage, roulis et lacet, [Obana et al., 2000]

— de communication avec les balises immergées, au moyen d’une tête acous-tique, également appelée transducteur

Dans un cas idéal, la plate-forme doit également pouvoir mesurer le plus régu-lièrement possible les paramètres physiques de la colonne d’eau ain d’en déduire le proil de célérité.

On peut distinguer trois types de plates-formes possibles : le navire, la bouée, et le drone. Une quatrième catégorie peut être ajoutée, il s’agit de la sonde immergée. Navire Le navire reste la plate-forme de mesure la plus évidente au premier abord. Cette solution était celle largement employée au cours des années 90 et

Chantier profondeur des balises (m) Osada et al. [2003] 2500 & 4500 Tadokoro et al. [2006, 2012] 2000

Fujita et al. [2006] 1700

Matsumoto et al. [2006]; Sato et al. [2011b] 1100 Ikuta et al. [2008] 700 & 2000

Kido et al. [2011] 2000

Sato et al. [2013] 1000 à 2400

Yasuda et al. [2014] 800

Fujimoto [2014] 6000

Tomita et al. [2015] 5490

Tab. 2.1 – Profondeur des diférentes stations GNSS/A installées par les équipes japonaises

2000. On peut distinguer trois sous-catégories de bateaux : les navires océanogra-phiques hauturiers (conçus pour la haute mer et des campagnes longues, et donc dimensionnés en conséquence), côtiers (plus petit que les précédents) et les navires d’opportunités (petits navires de pêche, de tourisme ... afrétés pour une mission scientiique).

Par exemple, l’équipe du SIO utilise un navire de recherche relativement imposant, le R/V Roger Revelle, 83m de long, [Gagnon, 2007]. Les diférentes équipes japo-naises utilisent quant à eux un panel relativement large de bateaux, de l’Assama (28.5 m de long) [Tadokoro et al., 2006]2, au Meiyo et au Kaiyo (∼ 60 m de long)

[Sato et al., 2013]3.

L’emploi d’un navire océanographique est indispensable pour la phase de dé-ploiement des instruments au fond de l’océan (nécessité d’un treuil, et des moyens de navigation adéquats), et le cas échéant, la visite de contrôle d’un ROV reste souhaitable. Les opérations suivantes d’interrogation peuvent être réalisées sur des navires plus polyvalents. Les antennes GNSS sont réparties sur le navire de manière à ce que les masques générés par la structure soient les plus petits possible. On privilégie l’installation de plusieurs antennes, à la fois pour permettre une mesure d’attitude par GNSS, et également ain d’assurer une redondance des mesures, en

2. Université de Nagoya

cas de défaillance. La tête acoustique est quant à elle ixée au bout d’une perche solidaire du navire sur le lanc de celui-ci [Yamada et al., 2002; Fujita et al., 2006], ou à l’extrémité d’une ouverture (puits) dans la coque [Spiess et al., 1998; Sato et al., 2013].

L’utilisation d’un bateau reste cependant une opération relativement lourde, surtout si l’on souhaite accomplir des observations de la manière la plus fré-quente possible. Au-delà du coût (environ 30 000 e par jour), et de la néces-sité de mobiliser un équipage pour une campagne, il est également nécessaire de manœuvrer le navire dans une zone réduite (ain de respecter la condition de stationnarité à l’aplomb du barycentre), ce qui empêche la réalisation d’autres opérations/expériences durant la même période. Les moteurs du navire sont égale-ment un inconvénient puisqu’ils bruitent les « écoutes » de la tête acoustique [Xu et al., 2005]4. Une solution est de désengager le moteur, et ainsi de laisser dériver le bateau [Obana et al., 2000; Yamada et al., 2002; Fujita et al., 2006], mais la trajectoire n’est plus contrôlée et conserver une position ixe devient impossible. Sato et al. [2013]5concluent par ailleurs que la précision du positionnement inal des balises est meilleure et nécessite moins d’acquisitions lorsque la trajectoire est contrôlée que lorsque le navire est dérivant, les Japonais devant composer avec un fort courant.

Deux autres problèmes se posent lorsque le bateau est d’une taille conséquente : celui de la mesure topométrique des vecteurs de rattachement entre les diférents instruments à bord, associé à la déformation intrinsèque de la structure du fait des contraintes mécaniques et thermiques qui modiient ces mêmes vecteurs. Chadwell [2003] détaille cet aspect, et conclut que la stabilité du rattachement au cours d’une campagne est de l’ordre de 2-3 mm. De plus, cette étape de rattachement doit être réitérée à chaque campagne, et ce régulièrement.

Il faut également trouver l’emplacement idéal des instruments, ou à défaut com-poser avec ceux installés à demeure sur le navire, pour assurer cette stabilité ainsi que le bon déroulement des observations.

4. Université de Nagoya

Bouée Il est également possible d’envisager une bouée ancrée sur le fond, équi-pée du matériel nécessaire (tête acoustique, GNSS, centrale inertielle, et alimen-tation électrique correspondante) et interrogeant les balises au fond de manière autonome. Cependant Sweeney et al. [2005] estiment que les coûts d’entretien se-raient supérieurs à la simple venue d’un navire sur site pour réaliser les mesures de manière régulière. L’autre problème que soulève la bouée est sa trajectoire conti-nue, soumise aux vents et aux courants. Si la profondeur d’ancrage de la bouée est importante alors son rayon d’évitement le sera tout autant. Cet aspect limite fortement la qualité de l’expérience, car il est nécessaire de rester au plus près de l’aplomb du barycentre du réseau de balises comme précisé ci-devant.

Une expérience de GNSS/A proof of concept exploitant une bouée a été menée par le SIO en face de la baie de San Diego, au niveau des Channel Islands, pen-dant 7 mois et en valide le fonctionnement avec une répétabilité quotidienne de 1-2 cm et une répétabilité de 10 cm sur l’ensemble de l’expérience, sans toutefois préciser la fréquence des pings [Chadwell, 2009]. En pratique, aucune bouée ancrée n’a été exploitée de manière opérationnelle pour du positionnement centimétrique. Néanmoins, une catégorie hybride est utilisée par l’équipe japonaise de l’uni-versité du Tōhoku [Kido et al., 2006, 2008] : il s’agit de la bouée tractée par un navire. Ce type de plate-forme permet de visiter avec les mêmes instruments des sites diférents, ce qui minimise les coûts d’exploitation du système. En outre, les rattachements internes sont bien connus, et ne varient pas d’un site ni d’une cam-pagne à l’autre. Cependant, le principal inconvénient d’une bouée reste le même : n’étant pas asservie par un moteur, la bouée peut facilement dériver.

Drones de surface Une solution novatrice est désormais employée de manière opérationnelle : il s’agit de drones de surface, ou Autonomous Surface Vehicle (ASV) [Manley, 2008]. Là aussi plusieurs sous-catégories d’ASV peuvent être

dis-tinguées : peut-être la plus connue est elle celle du Waveglider, commercialisé par la société Liquid Robotics, plate-forme automatique et autonome en énergie, se déplaçant grâce à l’énergie des vagues [Liquid Robotics, 2013]. D’autres ASV existent, et les constructeurs ainsi que les technologies embarquées se développent

de manière croissante, et difèrent entre eux par le mode de propulsion (thermique ou électrique) et le pilotage (télécommandé ou autonome).

Les ASV présentent de nombreux avantages : pour des aspects scientiiques, ils peuvent facilement conserver une position ixe, ce qui est recherché dans une expérience GNSS/A. Les coûts d’entretien et de mise en oeuvre sont relativement réduits en comparaison de ceux d’un navire ou d’une bouée. Le véhicule étant pe-tit, sa déformation propre peut être négligée et le rattachement entre les diférents instruments à bord peut-être efectué beaucoup plus simplement, et ceci à quai. Citons malgré tout l’inconvénient du risque de vandalisme et de piraterie (vol du véhicule, ou simplement du bloc énergie panneaux solaires/batteries) si l’ASV na-vigue en autonomie. Il reste donc plus prudent de le déployer en conservant un contact visuel avec celui-ci. Quoi qu’il en soit, un simple navire d’opportunité suf-it théoriquement à la mise en oeuvre, et d’autres opérations sont possibles en parallèle.

À l’heure actuelle, l’ASV, et plus spéciiquement le Waveglider, est désormais la solution privilégiée par le SIO [Chadwell, 2013, 2015]. Les diférentes équipes japonaises ont également commencé à travailler avec ce type de solution [Fujimoto, 2014].

Sonde immergée À titre informatif, le SIO à également utilisé un appareil original : la sonde immergée (towed vehicule) à quelques centaines de mètres du plancher océanique, ain de s’afranchir des variations de célérité de surface, la vitesse du son au fond étant beaucoup plus stable et principalement contrôlée par le paramètre pression. La sonde étant mobile dans l’eau, il est impossible d’obtenir un positionnement absolu, mais si le véhicule enregistre sa profondeur, et interroge simultanément toutes les balises (3 par exemple, comme décrit dans Sweeney et al. [2005]), on a chaque époque 4 observations et l’on doit déterminer 3 inconnues (les coordonnées de la sonde). En multipliant les observations, on surdétermine le système, et l’on peut également estimer la position relative des balises. Il ne s’agit pas à proprement parlé de mesures GNSS/A, car il n’y a pas de rattachement entre

le réseau de balises et le référentiel GNSS, mais ces observations complémentaires permettent d’obtenir la géométrie du réseau de balise.