Géométrie des balises au fond

Au-delà du choix de l’emplacement optimal de déploiement des matériels, i.e. du site pertinent d’un point de vue géodynamique, la disposition interne d’un réseau de balises sur le plancher océanique est un paramètre d’une importance cruciale.

Comme dit en introduction, il faut pouvoir s’afranchir de l’efet indésirable de la variation permanente du proil de célérité (SSP pour Sound Speed Proile). Spiess [1985b] propose une solution (reprécisée dans Spiess et al. [1998]) pour s’af-franchir en première approximation de l’incertitude sur le SSP, et part du constat suivant : en faisant l’hypothèse d’un océan où le proil de célérité est stratiié ho-rizontalement (en d’autres termes, où le gradient de la vitesse du son est constant dans chaque couche) alors l’erreur εr(c) liée à la méconnaissance du SSP sera la même pour tout récepteur fond de mer situé à égale distance de la source, les diférents rayons traversant ainsi les couches avec la même incidence. De ce fait, si l’on répartit les balises fond de mer selon un cercle ictif, alors le positionnement du centre du cercle sera inchangé quel que soit εr(c), si celui-ci est le même pour toutes les balises.

Dans les faits, il s’agit donc suivant cette méthode de déterminer la position du barycentre d’un réseau de trois ou quatre balises fond réparti suivant une forme de triangle équilatéral ou de carrée, en plaçant la plate-forme de surface à l’aplomb dudit barycentre. Il est à noter que cette technique permet uniquement de dé-terminer eicacement les composantes planimétriques du barycentre. En efet, la composante verticale est totalement corrélée avec l’erreur εr(c) Il est très impor-tant que la balise de surface reste au centre du polygone ain que l’erreur εr(c) soit la même pour toutes les balises. Ainsi, Chadwell & Spiess [2008] stationnent à l’aplomb du barycentre avec une incertitude de 10 m, pour un polygone de 2900 m de côté.

Les dimensions du polygone matérialisé par le réseau est un compromis entre 2 paramètres : la diférence entre les εr(c)i de chaque balise i sera la plus petite si le

ε

ε

Fig. 2.7 – Illustration du principe d’ « absorption » de l’erreur de SSP par l’uti-lisation d’un réseau : dans ce cas en 2D, la coordonnée en abscisse du barycentre reste inchangée

chemin acoustique est quasi le même pour toutes les balises, i.e. si la distance entre les balises est la plus petite possible. Mais pour des considérations géométriques, il est préférable d’utiliser un réseau ayant de grandes dimensions ain de limiter les systématismes. Il est donc recommandé de déployer les balises sur un cercle dont le rayon est approximativement égal à la profondeur [Spiess, 1985a].

Cette élimination de l’erreur due à l’incertitude sur le SSP n’est valable qu’en première approximation et l’inluence du proil de célérité reste un paramètre pré-pondérant pour la qualité de l’expérience. Il est donc nécessaire de connaître ce dernier, et il est préférable de réaliser le plus souvent possible des CTD lors des opérations de mesures, comme nous le verrons aux sections 4.1.2 et 5.2.

Cette coniguration est celle employée par le SIO pour toutes ses campagnes, et est également celle adoptée par les trois équipes japonaises [Osada et al., 2003;

Fujita et al., 2006; Kido et al., 2006; Ikuta et al., 2008; Sato et al., 2011a].

Avant de procéder à l’observation simultanée de l’ensemble des balises du ré-seau, il est nécessaire d’avoir préalablement une position approximative de chacune d’entre elles. Une localisation individuelle et indépendante est ainsi réalisée en dé-but de campagne, en efectuant des rotations autour de chaque balise [Kido et al., 2006; Gagnon, 2007].

2.3.4.2 Approche monobalise

En parallèle de la technique utilisant un réseau multibalises, Xu et al. [2005] théorisent une approche visant la détermination des coordonnées tridimension-nelles d’une balise isolée, en adoptant une philosophie similaire au GNSS difé-rentiel (section 2.4.2.1) : il s’agit d’éliminer les postes d’erreur communs à des observations faites à des instants diférents (et donc à des positions du bateau diférentes), et ce en faisant la diférence des équations d’observations correspon-dantes aux diférentes mesures.

Des simulations suggèrent que cette méthode de simple diférence permet d’ob-tenir une incertitude de ± 1 cm sur les composantes horizontales et ± 2 cm sur la composante verticale, mais seulement en ne prenant compte que les erreurs sys-tématiques sur le long terme. Yamada et al. [2002] constatent qu’un SSP erroné entraîne une erreur de 18 cm sur la position en planimétrie de la balise suivant leur protocole de simulation, et, par là, mettent en évidence la nécessité d’obtenir un proil de célérité le plus exact possible.

Même si cette approche présente l’énorme avantage d’être plus facile et moins chère à mettre en œuvre, car ne mobilisant qu’une balise, elle ne permet pas d’ob-tenir des niveaux de précisions obtenus atteints par la technique multibalises qui est en pratique privilégiée dans l’immense majorité des cas, puisqu’elle permet de minimiser fortement l’impact des variations de la célérité du son dans l’eau. En tout état de cause, cette approche ne semble pas être utilisée de manière

opéra-tionnelle par les équipes japonaises.

Les équipes taïwanaises ont mis en place un système hybride, baptisé Sealoor

Acoustic Transponder System (SATS) [Wu et al., 2012] : il s’agit d’une structure sur

laquelle sont installés trois transpondeurs et un capteur d’attitude. On réduit de la sorte le polygone de balises à sa plus petite dimension possible. Outre l’avantage pratique de pouvoir déployer trois instruments en un, on connaît préalablement de manière précise et stable dans le temps la distance entre chaque transpondeur. À l’issue des premiers tests, une incertitude de la position à 10 cm est obtenue, et les distances estimées entre les trois transpondeurs sont cohérentes avec les vraies distances au centimètre près. [Chen & Wang, 2011; Chen et al., 2011].

2.3.4.3 Gestion du gradient de vitesse du son

Les équipes japonaises ont identiié la variabilité latérale de la vitesse des ondes acoustiques comme le problème afectant le plus la précision du GNSS/A [Fuji-moto, 2014]. La technique de Spiess et al. [1998] permet en efet de s’afranchir des efets du gradient vertical, mais reste sensible au gradient horizontal. Le Kuroshio (le courant noir), l’un des plus forts courants marins du monde, remonte l’océan Paciique Nord du Sud-Ouest au Nord-Est parallèlement à l’archipel nippon [Book et al., 2002; Taniguchi et al., 2013], précisément là où les observations GNSS/A sont réalisées. Des stratégies doivent être mises en place pour corriger son inluence. Kido [2007] propose une approche basée sur une géométrie particulière d’un polygone de cinq balises, permettant d’estimer cinq paramètres : la position en planimétrie du centre du polygone, un retard de propagation commun à toutes les balises dû à la nature stratiiée du proil de célérité, et le gradient des retards suivant les deux composantes horizontales induites par un gradient de célérité. Une autre approche envisagée par Fujimoto [2014] est de réaliser des observations simultanées depuis deux plates-formes, la première stationnaire à l’aplomb du bary-centre du polygone, la seconde se déplaçant autour du point central, les diférences dans les observations permettant de déduire le gradient latéral.