GROUPE LASER : MISSIONS et PERFORMANCE

nov./déc. 2002, puis janv./fév. 2003
P. Exertier, J. Nicolas

La STATION LASER ULTRA MOBILE

OCA/CERGA
P. Bonnefond, P. Exertier, O. Laurain, J. Nicolas, F.Pierron, E. Samain
E. Cuot, J.L. Hatat, G. Helmer, J.F. Mangin, J. Paris, M. Pierron, H. Viot
IGN
M. Kasser, M. Laplanche, O. Martin, A. Orsoni
CNES
Y. Ménard, E. Jeansou, G. Yan
SHOM
R. Le Roy


Introduction     Participants     Rappel     Bilan Ajaccio_2002     Projet Gavdos

     Références et articles

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I - Introduction

La télémétrie laser, en tant que technique optique exacte de poursuite de satellites, occupe une place importante dans les expériences indispensables d'étalonnage de l'instrumentation radar embarquée à bord des satellites océanographiques, et pour la validation de leur orbite ; depuis 1978 avec Seasat, jusqu’à aujourd’hui avec Jason-1 (2001) et ENVISAT (2002).

Cette technique spatiale, qui s’est organisée en réseau international depuis 1998 (International Laser Ranging Service, ILRS), occupe une place prépondérante dans la poursuite des satellites géodésiques, dont Starlette (1975), Stella (1993) et LAGEOS (-1 : 1976, et -2 : 1992).

Ces données cumulées représentent aujourd’hui une base fondamentale, via la détermination d’orbites précises, à l’étude des trois grands thèmes, à caractère géodésique-géodynamique, qu’elle contribue à maintenir et que sont :
  1. le repère de référence terrestre international (ITRF), et les paramètres de rotation de la Terre (dans le cadre de l’IERS),
  2. le champ de gravité à grandes et moyennes longueur d’onde, y compris ses variations temporelles (dans le cadre, en Europe, des projets GRIM puis Eigen).
  3. l’étalonnage d’instruments radio type radar altimétrique embarqué, et la validation d’orbites (Jason-1, EnviSAT, GPS, GLONASS) de satellites observés par GPS et/ou DORIS.

II - Participants


III - Rappel

La Station Laser Ultra Mobile (ou FTLRS pour French Transportable Laser Ranging Station) est la plus petite station de télémétrie laser opérationnelle au monde (300 kg). Elle a été développée très spécifiquement par le CNES, l’IGN et l’OCA-CERGA, afin de réaliser avant tout des expériences d’étalonnage, au cours desquelles un télémètre laser est placé exactement sous la trace d’un satellite altimètre, de même qu’un marégraphe avec son système de rattachement. Cette station mobile est la seule station au monde dont le site d’installation peut être choisi en fonction d’un critère géographique bien précis.

Or, ce choix est très important. Il permet d’éviter toute extrapolation du signal altimétrique ou de l’orbite (ce qui entraîne une perte de précision), en dehors d’une zone très petite où sont comparées toutes les mesures : données spatiales et mesures in situ.

Depuis sa première campagne, en 1996, la station mobile a été impliquée le plus possible dans des projets (internationaux) liés aux missions altimétriques. Ceci, en fonction de son calendrier, qui prévoit des périodes d’évolution technologique comme de maintenance, et du calendrier lié à la disponibilité des personnels (technique et observations).


IV - Bilan 2001/2002 de la campagne en Corse

a) Choix du site d’étalonnage en Corse



FTLRS sur la base navale d’Aspretto, à Ajaccio (2002)

Configuration du site CAL/VAL en Corse

Le premier site d’étalonnage du CNES, au lancement de T/P en 1992, a été placé sur l’île de Lampedusa entre Tunisie et Sicile. Il a été stationné par une station laser allemande transportable. Compte tenu du coût total élevé du site et de son côté peu rentable, le GRGS-CERGA a proposé d’en développer un autre, en Méditerranée également, mais beaucoup moins coûteux.

Le site d’étalonnage des altimètres TOPEX/Poséidon (T/P-A puis -B à partir de 1999), ERS, Jason-1 (J1) et EnviSAT en Corse (Ajaccio et Cap de Sénétosa) a été choisi, dès 1996, en collaboration avec le CNES, le Science Working Team T/P-Jason-1, le SHOM et l’IGN.

De nombreux contacts avec les universités de Barcelone (océanographie), de Montpellier (géophysique) et de Nice-Sophia-Antipolis (Géosciences-Azur) ont été pris à cette occasion.

b) Dates importantes

c) Autres sites « à caractère océanographique » en cours de développement

Ces sites sont et seront aussi importants pour l’océanographie (exploitation des données altimétriques et prolongement vers la côte), que pour l’étude des variations du positionnement terrestre, c’est-à-dire les systèmes de référence. Ce qui prend en compte des expériences avec les techniques spatiales DORIS et GPS.

d) Bilan de la campagne à Ajaccio en Corse en 2002 (stratégie, budget, personnels, nombre de passages, qualité globale des mesures)




 Nombres de passages JASON-1 (J) et TOPEX/Poséidon (T) sur la trace d’étalonnage observés par la FTLRS à Ajaccio et par la station laser fixe de Grasse.

e) Objectifs scientifiques et résultats

f) Impact ILRS (Réseau International) et publications

Il est très bon, les résultats ayant été présentés à Washington (octobre 2002).
Notre site web CAL/VAL : http://wwwrc.obs-azur.fr/cerga/gmc/calval/pod/index.htm .

Références :
Comptes rendus de colloques :

g) Rappel des principales modifications techniques menées sur la station entre 1997 et 2001

Une action de grande envergure a été entreprise sur la station mobile, essentiellement en 2000-2001, impliquant pratiquement toutes les forces techniques disponibles autour de la télémétrie laser en France. Les améliorations, résumées ci-après, touchent de nombreux éléments de la station (mécanique, optique, électronique). Techniquement le résultat est remarquable :
h) Validation des nouvelles performances (2001)

A la suite de ces travaux d’amélioration, des tests ont été réalisés fin 2001 au plateau de Calern (OCA) afin de valider les nouvelles performances d’observation de l’instrument. Ces tests se sont déroulés en 3 phases :
  1. mesures en laboratoire sur les éléments les plus critiques de la qualité d’une station laser (détection, chronométrie). Les principaux résultats des mesures d’exactitude réalisées sur le chronomètre et la C-SPAD peuvent être résumés comme suit :
  1. mesures sur des cibles fixes au sol (plateau de Calern) ; nous disposons de trois cibles fixes situées respectivement à des distances de 300 m, 1600 m et 2500 m de la station laser mobile, distances mesurées par l’IGN avec une exactitude de 1 cm. Les mesures réalisées sur ces cibles avec la station mobile indiquent une cohérence meilleure que 10 mm pour la valeur de l’étalonnage sur les trois cibles externes. La précision des mesures est meilleure que 4 mm et la stabilité (après une demi-heure de chauffe de la station) se situe au niveau de quelques millimètres sur plusieurs jours sur la cible située à 300 m.
  1. expérience de co-localisation entre les trois stations laser au plateau de Calern. Elle a été réalisée de septembre à novembre 2001 ; les trois stations laser observèrent simultanément les satellites LAGEOS–1 et –2.
Ce type d’expérience est essentiel pour l’évaluation des nouvelles performances de la station mobile mais est également très enrichissant au niveau de la qualification des stations laser de Grasse/Calern. Cette expérience a ainsi permis de vérifier la stabilité des observations de la station mobile et d’estimer les biais entre les différentes stations. L’analyse des observations communes aux trois stations laser (solution combinée LAGEOS–1 et –2 pondérée par le nombre de points normaux) fournit les différences de biais instrumentaux (erreurs systématiques sur la mesure des distances) suivantes :

La différence de biais de 10 mm entre la station laser satellites fixe et la station laser lune peut s’expliquer par la somme des effets suivants :

A titre indicatif, l’analyse de l’ensemble des passages LAGEOS sur la totalité de la période de co-localisation par comparaison entre la station mobile et deux très bonnes stations laser européennes fournit les différences de biais instrumental suivantes :
Ces résultats de l’analyse des mesures réalisées lors de la campagne de validation à Calern sont donc très encourageants et indiquent le succès des modifications apportées à la station mobile.

i) "Feed-Back", problèmes à résoudre au retour, avant prochaine campagne

V - Projet (UE) GAVDOS

a) Introduction

Le secteur TAOB du CNES a toujours fortement soutenu l'océanographie spatiale, en particulier les projets TOPEX/Poséidon et Jason-1. Aussi, la station mobile a-t-elle été impliquée le plus possible dans des projets (internationaux) liés aux missions altimétriques.

Le projet Gavdos, a priori entièrement financé par la communauté européenne, a été monté dès 1999 à l’initiative du projet CNES Jason-1 et du GRGS, pour finalement être accepté fin 2001. Il regroupe 8 partenaires, dont l'OCA/CERGA pour un montant de 120 k€, le P.I. étant M. Stelios Mertikas (Univ. Technique de Crête, Chania) ; voir le site http://www.gavdos.tuc.gr/  , en particulier la partie : introduction_whole.htm  .



Gavdos est petite une île située à 45 km au sud de la Crête, au-dessus de laquelle il existe un point de croisement de l’orbite Jason-1. Cette île est aujourd'hui équipée comme un site géodésique d’étalonnage altimétrique. De plus des expériences aéroportées sont prévues pour la détermination du géoïde locale, et d’autres vont apporter une topographie dynamique de la mer à petite échelle.
Nous proposons d'y apporter un suivi local de l'orbitographie des satellites océanographiques par la télémétrie laser. En outre, l’est de la Méditerranée étant une zone peu couverte par cette technique, c’est une bonne opportunité pour couvrir aussi les satellites bas Champ et Grace. Afin de réaliser un positionnement de qualité et d’intégrer les mesures laser dans le réseau international, les cibles géodésiques LAGEOS seront, comme en Corse, poursuivies le plus possible.
Compte tenu de la précarité du site de Gavdos, nous avons proposé de déployer la station mobile en Crête, plus précisément sur le campus de l'Université Technique de la ville de Chania (côte nord ouest).

Le projet d'installation, prévu initialement en 2002, a été décallé en 2003 suite au retard pris par la mission Jason-1 (un an et demi).

b) Objectifs de la campagne laser en Crète

  1. CAL/VAL : Jason-1, TOPEX/Poseidon, et ENVISAT, ERS
  2. poursuite et positionnement avec les cibles LAGEOS ; comparaison avec un positionnement GPS (récepteur permanent proche de la station mobile)
  3. couverture laser en Méditerranée orientale de satellites bas (Champ, Grace)
On peut rappeler que la Crête, comme toute la zone orientale de la Méditerranée, a fait l'objet de nombreuses campagnes de stations laser transportables dans les années 80 (projet de géodynamique régionale Wegener). Il existe un point géodésique laser en Crête, dont il a été possible de retrouver les coordonnées et la vitesse horizontale d'approximativement 4 cm/an vers le sud-ouest (cf., E. Pavlis, 2002).
Aujourd'hui, avec le déploiement très important de nombreux récepteurs GPS, y compris en Crète, et le succès de cette technique pour la géophysique régionale, la place du laser redevient importante en tant que technique spatiale de suivi d'orbite et de positionnement fondamental, en particulier pour la composante verticale.



CRETE et Ile de GAVDOS au sud, avec le point de croisement JASON-1

c) Prévisions (calendrier, personnels, budget)


Budget U.E. approximatif pour l’expérience de poursuite de satellites (océanographiques et géodésiques) en Crète en 2003 avec la STATION LASER ULTRA MOBILE (FTLRS) :


 Printemps
 Automne
Missions
 43,000
 12,000
Voyages
 10,000
 5,000
Frais sur place
 8,000
 1,000
Construction sur place
 11,000
Transport et Assurance
 5,000
Consommables station
 17,000
Frais OCA/CNRS
 6,000
TOTAL en €
 100,000
 18,000
GRAND TOTAL en €
118,000



           

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