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UE optionnelle S8 Master Géosciences Brest

INGENIERIE MARINEResp.: P. Le Roy

J. Déverchère: 5h (2h CM, 1h TD, 2h TP) Notions de navigation et positionnement :

Rappel projections, GPS, nav. estime, aperçus sur positionnements sous-marins (géodésie fond de mer, applications): 2h CM, 1 h TD

Enquête sur Activités Professionnelles utilisant les systèmes de positionnement : 2h TP

SEANCES:- NAV.-POS.: lundi 2 mars (13h30-15h), mercredi 4 mars (10h15-11h45), - Séance TP recherche activités: lundi 9 mars (13h30-15h30) – Salle B011

30 h

UE GB-S8

INGENIERIE OFFSHOREPartie 1: Notions de navigation et positionnement en mer

Rappel des projections, GPS, navigation estime, aperçus sur positionnements sous-marins (géodésie fond de mer, applications)

1. INTRODUCTION: GEOSCIENCES MARINES, POSITIONNEMENT ET CARTOGRAPHIE

2. NAVIGATION A L'ESTIME:DEFINITION, INTERET, MOYENS

3. NAVIGATION PAR REFERENTIELS EXTERIEURS

4. CONCLUSIONS

Cours J. DEVERCHERE – 2015

UE GB-S8 Master Géosciences Brest: ingénierie marine


1.1 Besoins de positionnement en géosciences marines

1.2 Du point en mer à la carte: une succession d'approximations

1.2.1 Quelle surface de référence choisir (du géoïde à l'ellipsoïde)

1.2.2 Comment repérer un point de la surface de référence?

1.2.3 Comment projeter la surface terrestre? Quelle projection choisir?

1.2.4 Comment obtenir une représentation rigoureuse du monde en satisfaisant aux exigences de la navigation?


Exploration des océans pour la connaissance géophysique et géologique - depuis les années 50- dépendante des découvertes et innovations technologiques- Besoins de l'industrie pétrolière et gazière + recherche académique- Stimulation du développement de certaines mesures géophysiques, notamment depuis l'espace (exemple: les satellites altimétriques TOPEX-POSEIDON, SEASAT, GEOSAT, JASON1,2,3).

Rappel: Importance de la mesure géophysique en mer - a fondé le postulat Tectonique des plaques (années 1960) - a permis une analyse morphologique et structurale nouvelle des fonds océaniques (années 1980 : bathymétrie 'Sea-Beam' (multifaisceaux) et plongées en submersible)

Pourquoi prolonger aujourd’hui cet effort d’exploration?- complémentarité avec mesures spatiales (à plus grande distance des objets observés)- imagerie des structures géologiques par méthodes indirectes (ultra-sonores et sonores: imagerie sous-

marine et sismique marine) : inaboutie- observation directe des objets géologiques (plongées en submersible, dragages, carottages, forages) =

phase ultérieure de cette exploration (contrôle des données fournies par les méthodes indirectes), irremplaçable.


Implications & besoins nouveaux:- Se positionner précisément en mer = problème toujours actuel - Mais pas de repérage topographique précis directement utilisable- Et pas de stabilité de position dans le temps et l'espace- Outils en mer : plus complexes -> besoins accrus en un positionnement de plus en plus précis (référentiel extérieur ou maillons d'une chaîne d'acquisition: trace sismique, submersible, SAR, tête foreuse au cône d'entrée du puits de forage, câbles sous-marins, etc…)

Questions « basiques »:- Quelles possibilités pour se positionner et se déplacer à la surface des océans (en TR)?- Quelle précision peut être obtenue, notamment en navigation hauturière, à un instant donné? -> commence par une évaluation de la précision d'un point reporté sur une carte.

Deux besoins différents :- positionner le mieux possible le navire et ses instruments 'en temps réel': cas d'une majorité de travaux en géosciences marines et dans l'exploration pétrolière -> capacité à connaître et analyser sa position et sa vitesse à tout instant, afin d'ajuster au mieux son déplacement et celui des instruments de mesure;- recalculer à posteriori la route effectivement suivie, afin d'éliminer de fréquents artefacts dans la navigation, interpoler les données de position en fonction d'autres paramètres (instants de tirs par exemple), et procéder à l'archivage des données -> acquisition régulière et 'contrôlée' des données de navigation.




Se positionner à la surface de la terre -> définir une surface de référence simple

La plus 'simple' en apparence: surface terrestre MAIS elle est irrégulière (Fig. a) et varie au cours du temps (érosion) -> NON

2ème possibilité : surface des océans = géoïde, surface équipotentielle du champ de gravité terrestre (Fig. a) ramenée au niveau zéro moyen des mers. MAIS le géoïde reflète les anomalies de répartition de masse à l'intérieur de la terre et n'est donc pas une surface simple à déterminer (Fig. b) -> NON

La surface de référence généralement choisie est un ellipsoïde de révolution centré sur l'axe

Nord-Sud aplati au pôle bombé à l'équateur (Fig. c)


Quelle surface de référence choisir ? (du géoïde à l'ellipsoïde)


Quelle surface de référence choisir ? (du géoïde à l'ellipsoïde)

- Pour une région donnée, coordonnées des points déterminées par le choix des caractéristiques de l'ellipsoïde. Le même point n'aura pas les mêmes coordonnées suivant l'ellipsoïde utilisé (quatre principaux utilisés en navigation) -> Chaque carte ou système de positionnement porte la mention de l'ellipsoïde utilisé. Le premier: 1743, Clairaut- D’un système d'ellipsoïde à l'autre, les décalages peuvent atteindre 110 m en horizontal et 125 m en vertical: cette cause d'erreur est souvent sous-estimée ou même simplement ignorée par les utilisateurs.

-> Problèmes de report – 3 cas :1. Reporter un point - coordonnées données par rapport à un ellipsoïde - sur une carte établie à partir d'un ellipsoïde différent: jusqu’à récemment, cartes marines françaises établies à partir de l'ellipsoïde de Hayford (système dit Europe 50). - GPS utilise généralement (par défaut) un ellipsoïde différent : WGS 84 (World Geodetic System 84) -> décalage systématique dans le report de la position du point donnée par le GPS sur la carte, de l'ordre de la centaine de mètres. Pour éviter cette erreur très fréquemment ignorée, l'ensemble des cartes marines a été réédité en WGS 84 (vérifier!). - Certains récepteurs GPS peuvent aussi proposer de changer d'ellipsoïde de référence.

2. Représenter une base de données disponible suivant une surface de référence donnée dans un autre référentiel: Ex. : données d'altimétrie (mesure des anomalies du géoïde de courte longueur d'onde pour morphologie du fond marin) localisées par rapport à une surface de référence sphérique. Il faut donc si on veut les représenter utiliser la même surfaceou alors convertir les données pour avoir leur position par rapport à une autre surface de référence.

3. Reporter des données géophysiques (gravimétrie, magnétisme, profils sismiques) ou bathymétriques (sondeurs mono-ou multifaisceaux) provenant de sources différentes et positionnées par rapport à des surfaces de référence différentes: -> harmoniser et traiter les données en choisissant une surface de référence commune pour cohérence dans la représentation.

1.2 Du point en mer à la carte: une succession d'approximationsQuelle surface de référence choisir (suite)


Nécessité de situer un lieu sur la surface de la Terre -> système de coordonnées géographiques -> surface de référence est quadrillée par des grands cercles passant par les pôles (les méridiens) et des cercles parallèles à l'équateur (les parallèles)

- Définition de l'unité de distance en navigation: si on assimile la terre à une sphère, un arc d'une minute de méridien (mesure de latitude) représente une distance constante quelle que soit la latitude où l'on se trouve: 1852 m, appelée le mille marin. En réalité, la terre étant plus proche d'un ellipsoïde que d'une sphère, le mille marin varie légèrement avec la latitude; c'est pourquoi il est défini à 45°N de latitude. Au contraire, un arc d'une minute de parallèle (mesure de longitude) est variable

- Il découle de cette convention que l'échelle des distances variera en fonction de la latitude

Comment repérer un point de la surface de référence?




Une fois choisie une surface de référence, le passage à la carte consiste à représenter une partie de cette surface dans un plan. Ceci implique nécessairement une nouvelle déformation. En effet un ellipsoïde n'est pas une surface développable dans un plan. C'est en gros comme si, après avoir pelé une orange, on tente d'étaler l'ensemble de l'écorce sur un même plan horizontal. On est obligé alors soit de la déchirer, soit d'"étirer" de plus en plus cette écorce en allant vers les pôles.

Différentes représentations ou projections obtenues par le calcul peuvent être utilisées. Chacune d'elles conserve certaines propriétés de la géométrie de la surface de référence mais jamais toutes à la fois. Les principales catégories de projections sont représentées schématiquement ici.

Comment projeter la surface terrestre? Quelle projection choisir?



Besoins: (1) reporter la position du navire (ou des données scientifiques) par leurs coordonnées géographiques; (2) reporter la route du navire sous forme d'une droite. -> projections conformes (qui conservent les angles: parallèles et méridiens se coupent à angle droit). Projection utilisée la plus couramment : de Mercator directe

La projection de Mercator s'apparente à la projection cylindrique. La projection cylindrique ne conserve pas les angles: Mercator l'a modifiée en ajustant l'écartement des parallèles de façon à ce que la projection soit conforme.

Le problème consiste donc, après avoir adopté un espacement entre deux méridiens consécutifs correspondant à la différence de longitude, à déterminer l'espacement des parallèles pour que les angles soient conservés, ce qui entraîne une déformation importante des surfaces

Conséquence : l'échelle de la projection n'est pas constante: elle augmente d'un facteur 3 pour les latitudes 0 à 70°, et croît très vite ensuite

Comment obtenir une représentation rigoureuse du monde en satisfaisant aux exigences de la navigation?


si u = longueur sur la carte représentant une minute de longitude (unité de la carte en mm), alors u est constante, mais la longueur de la minute de latitude est variable et vaut u/cosjm, où jm est la latitude locale

Exemple: on représente la même partie du globe sur deux projections conformes (projection cylindrique modifiée de Mercator et projection conique de Lambert): il faut choisir une projection de type Lambert à l'approche des pôles (au-delà de 60-70°) afin d'éviter une trop grande déformation des surfaces.

La carte de Mercator reste de nos jours la carte marine par excellence car elle permet de représenter sans déformation importante les régions du globe dont la latitude est < 60°, soit la quasi-totalité des eaux navigables

Autres projections couramment utilisées: projections coniques conformes de Lambert et projection UTM (Mercator Transverse Universelle).

Comment obtenir une représentation rigoureuse du monde en satisfaisant aux exigences de la navigation? (suite)

Projection conforme de Mercator

UE S8 Ingénierie marine

Partie 1: Notions de navigation et positionnement en mer

rappel des projections, GPS, navigation estime, aperçus sur positionnements sous-marins (géodésie fond de mer, applications)


2. NAVIGATION A L'ESTIME:DEFINITION, INTERET, MOYENS

3. NAVIGATION PAR REFERENTIELS EXTERIEURS2.

3. 4. CONCLUSIONS

Cours J. DEVERCHERE –2015

3.2 Précision requise des systèmes utilisés3.1 Présentation du problème

3.3 Navigation astronomique3.4 Propagation des ondes électromagnétiques3.5 Système GPS3.6 Positionnement sous la mer

2. NAVIGATION A L'ESTIME: DEFINITION, INTERET, MOYENS

2.1 Qu'est-ce que la navigation à l'estime ?


2.1.1.Le cap : angle que fait l'axe du navire avec le nord géographique. En absence de dérive, le cap d'un navire coïncide avec la route suivie par le navire

Valeur du cap: à partir :- du Nord géographique (cas des compas gyroscopiques ou des systèmes de radiolocalisation)- du Nord magnétique (cas du compas magnétique)- d'un amer, point remarquable sur la côte (cas du radar par exemple)

Définition des angles par rapport au navire en navigation

Autres angles mesurés près des côtes :- relèvement (ou azimut, angle entre le Nord et l'amer) - gisement (angle entre l'axe du navire et l'amer).

Le relèvement est alors égal à la somme du cap et du gisement.

Les valeurs d'angle varient entre 0 et 360°, ce qui évite toute ambigüité.




2.1.2 La route du navire = angle entre la trajectoire du navire et le nord géographique. Si dérive : route diffère du cap: avancée 'en crabe' 2.1.3 La vitesse : difficile à déterminer car établie par rapport au plan d'eau ('vitesse surface'), or les courants déplacent la masse d'eau par rapport au fond et changent au cours du temps. 2.1.4 La dérive : 2 origines possibles: le vent et les courants:- Plus les superstructures d'un navire sont importantes, plus elles donneront prise à l'action du vent (fardage): dérive de surface - courant marin écartera de la route choisie le navire et le fera dériver avec la masse d'eau qui le porte.-2 solutions: - soit on subit cette dérive et on recalcule sa position en tenant compte après coup de la dérive;- soit on adapte son cap en anticipant sur la dérive pour maintenir la route choisie au départ, nécessaire pour aller d'un point à un autre.-> Difficulté importante de la navigation sans référentiels extérieurs2.1.5 La route « surface » (Rs), la route « fond » (Rf) : Dans tous les cas, la route est égale au cap ajoutée à la dérive. -Si dérive due au vent, Rs = Rf. - Si dérive due au courant, Rf sera alors la résultante de son déplacement à la surface de la mer et du déplacement de la masse d'eau. Rf sera donc différente de Rs.

Définition des angles par rapport au navire en navigation



2.2 Pourquoi naviguer à l'estime ?

- Les référentiels extérieurs fournissent ces mêmes paramètres 'sur le fond', de manière beaucoup plus précise !

- 1. Systèmes de positionnement radioélectriques : toujours susceptibles de fournir des positions dégradés, voir erronées, pendant des périodes de temps variant de quelques secondes à quelques heures Ex.: début des années 1980, positionnement dans les grands océans à 100 m près au mieux par le système satellitaire TRANSIT, qui pouvaient ne plus fournir de données (en raison des orbites existantes) pendant des périodes de plusieurs heures consécutives!

- 2. En dépit de la nette amélioration apportée par le système GPS, le problème reste encore réel aujourd'hui, notamment au voisinage de côtes abruptes où les données GPS 'décrochent' en raison de réflexions ou réfractions parasites.

- 3. Même loin des côtes, des dégradations intermittentes de la qualité des points sont fréquentes, et nécessitent un 'nettoyage' postérieur des fichiers par élimination des valeurs aberrantes et interpolation linéaire.

TP: Recherche d'informations sur des sociétés traitant du positionnement et de

la navigation en mer

n Sujets:n Observatoires sous-marins en géophysique

(sismicité, magnétisme, …): dorsales, marges/zones de subduction

n Pose de câbles de télécommunication n Implantation d’une plateforme pétrolièren Surveillance et entretien de plateformes n Forages: Recherche d’un cône d’entrée n Extension de zones portuaires n Archéologie sous-marine n Implantation d’éoliennes et d’hydroliennesn Détection de minesn Navigation de submersibles habitésn Navigation de « poissons » (sonars)n Navigation pour sources et/ou flûtes sismiquesn Positionnement dynamique

n Résultatsn Type de société, implantationn Objectifsn Chiffre d’affaires, capitauxn Secteur d’activitésn Produits proposésn Services proposésn Précision de positionnement

et/ou de navigationn Fiabilitén Etat du marché et de l’emploi

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