Les missions d’altimétrie

1.3.2.1 Principe de l’altimétrie radar et principales missions

Le principe de base de l’altimétrie est de déterminer la distanceRséparant le satellite d’une cible en mesurant le temps mis par une onde électromagnétique pour parcourir l’aller-retour satellite-cible. Dans le cas de l’altimétrie spatiale, l’onde électromagnétique est émise par un radar et la cible est la surface de l’eau sur laquelle va se réfléchir l’onde. On aura donc R=∆t/2cm où∆test le temps passé entre l’émission de l’impulsion électromagnétique et la réception de son écho etcmest la vitesse moyenne de propagation de l’onde sur son parcours. En combinant cette mesure avec une estimation indépendante de la position

du satellite, et notamment de la hauteur ellipsoïdaleSdu satellite, on déduit la SSH. On a d’après la figure 1.10 la relation :

SSH=S−R (1.9)

Orbite du satellite

Ellipsoïde de référence

Géoïde

Niveau de la mer instantanné Niveau moyen de la mer

N R

S

SSH

FIGURE1.10 – Notation et représentation des différentes hauteurs utilisées dans la détermi-nation du niveau de la mer par altimétrie spatiale.

Les deux hauteurs R et S doivent être déterminées avec une très grande précision, ty-piquement centimétrique, pour pouvoir fournir des informations pertinentes sur l’état dynamique de la mer. Ainsi l’estimation de la hauteurRnécessite de nombreux traitements afin de prendre en compte tous les phénomènes physiques affectant le temps de parcours de l’onde, dont notamment la correction ionosphérique et de la troposphère humide [66].

L’estimation de la position du satellite par rapport à un ellipsoïde de référence peut-être réalisée grâce à :

• un réseau de balises réparties sur l’ensemble du globe et qui mesurent par effet Dop-pler la vitesse du satellite, de laquelle est déduite sa position. C’est le cas du système DORIS qui permet de localiser un satellite avec une précision pouvant atteindre 1cm [67].

• l’ensemble des satellites des systèmes de positionnement tels que GPS ou GLONASS

• la télémétrie laser (généralement appelée SLR) basée sur des stations de poursuite au sol

• des combinaisons des précédentes techniques, comme c’est le cas par exemple pour le satellite Jason-1 et 2 [68].

1.3.2.2 Performances et limites de l’altimétrie spatiale pour la détermination du champ La précision des mesures altimétriques s’est sans cesse améliorée depuis les débuts de l’altimétrie spatiale. Ces progrès sont dus à l’évolution des technologies et des méthodes de traitement des données. Ainsi, bien que les distances mises en jeu sont de plusieurs centaines de kilomètres, la distanceRest estimée typiquement avec une précision de 2cm etSavec une précision de 3cm [68]. Ces performances dépendent toutefois d’un choix de compromis entre précision et résolution temporelle.

Les mesures d’altimétrie radar demeurent encore les données les plus importantes pour obtenir un modèle de géoïde haute-résolution en mer [69]. Dériver des anomalies de gravité [70] à partir de mesures altimétriques en domaine océanique se fait théoriquement par la détermination de la pente du géoïde [71] [72] et l’utilisation des formules de Vening-Meinesz [4] permettant de remonter à l’anomalie. L’erreur sur les anomalies dépend donc de la précision sur la SSH moyenne〈SSH〉et de la précision des modèles numériques de topographie moyenne dynamique〈ζ〉à retrancher. Toutefois, Sandwellet al.(2009)[51]

obtiennent sans réaliser cette correction (i.e. ils assimilent la SSH moyenne directement au géoïde), un écart-type sur l’erreur d’anomalie de gravité estimé à 2-3mGal, avec un maximum de 20mGal sur les zones situées au dessus des zones avec une forte variabilité de la bathymétrie (ex : crêtes de monts sous-marins). Pour ce qui concerne les zones côtières, Andersenet al.(2000)[73] trouvent une erreur allant de 4.6 à 6mGal pour le champ déduit de l’altimétrie par rapport à des mesures marinesin situprises comme référence. Ces mesures se situent de 10 à 15km des côtes dans le cas des îles des Açores et du détroit de Skagerrak. A l’inverse, Slobbeet al.(2014)[69] montrent comment la précision sur le quasi-géoïde déduit de mesures altimétriques sur la mer du Nord dépend fortement de la qualité des modèles de topographie dynamique utilisés pour réaliser cette correction. En particulier, l’utilisation d’un modèle hydrodynamique en eau peu profonde, prenant en compte des modèles de marées complexes et l’influence de l’atmosphère, permet d’atténuer fortement les erreurs corrélées spatialement.

Il est important de noter que jusqu’à récemment, les mesures altimétriques spatiales res-taient cantonnées au domaine océanique, voire au delà d’une certaine distance des côtes.

L’utilisation de l’altimétrie à des fins géodésiques dans le domaine côtier présente en effet des limites spécifiques [73] [74]. En premier lieu, la correction de la troposphère humide qui est très variable dans ce milieu est plus difficile à estimer. Ensuite, la forme d’onde de l’écho radar est fortement modifiée par l’interférence des terres émergées et devient difficilement traitable. Enfin la correction du signal dû aux marées peut introduire une

erreur non négligeable car celles-ci ont une dynamique et une variabilité également plus complexe à modéliser près des côtes.

De ce fait, beaucoup d’efforts ont été menés afin d’étendre l’exploitation des données altimétriques au plus près des côtes. Il s’agit pour les données acquises jusqu’à présent d’améliorer le traitement des mesures, avec en particulier le traitement de la forme d’onde de l’écho (retracking) [74]. L’amélioration des techniques de post-traitement n’est pas la seule marge de progrès puisque l’évolution technologique permet et permettra de mettre en orbite des satellites altimétriques plus performants en terme de précision, de résolution et de couverture. On peut noter trois évolutions principales. Pour les radar altimétrique d’abord, le passage de la bande Ku et C à la bande Ka (35,75GHz), comme cela est actuel-lement testé avec la mission Saral-Altika. En utilisant une fréquence plus élevée, la tache illuminée au sol est réduite et la côte peut être mieux approchée. Ensuite le passage de l’altimétrie nadir au mode SAR (pourSynthetic Aperture Radar) comme c’est en partie le cas avec la mission Cryosat-2. Le mode SAR consiste à traiter et combiner une série d’échos réfléchis par un même point de la surface. Un même point peut en effet être illuminé par plusieurs pulses successifs émis par l’altimètre le long de sa trajectoire. Les échos correspon-dants contiennent donc le signal associé à ce point vu sous différents angles. Un traitement approprié tire parti de cette redondance afin d’augmenter la résolution le long de la trace.

Enfin l’utilisation du mode InSAR (pourInterferometric SAR) qui sera testé sur la future mission SWOT du CNES et de la NASA [75] combine le mode SAR avec l’interférométrie afin d’obtenir une plus grande fauché à terre.