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Pleins feux sur Topex/Poséidon

Au cœur du programme Woce, le projet franco-américain Topex/Poséidon est constitué d'un satellite dédié à l'observation des océans par altimétrie et des centres de traitement associés.

A - Plate-forme multimission MMS

B - Module instruments micro-ondes
   1/Transmission de données TDRS
   2/Antenne GPS
   3/Panneau solaire
   4/Radiomètre
   5/Antenne altimètre
   6/Réflecteurs Laser
   7/Antenne DORIS

Objectifs de la mission Topex/Poséidon

Le rôle de l'océan dans les variations climatiques est majeur : transports de masse et de chaleur, absorption de l'excédent de CO2. Pour mieux le comprendre, il faut pouvoir mettre en oeuvre des modèles réalistes, c'est-à-dire rendant compte des observations à l'échelle planétaire. Les techniques spatiales jouent alors un rôle majeur par l'échantillonnage spatio-temporel inégalé qu'elles fournissent, mais aussi par l'utilisation de capteurs uniques.

Le programme international Woce a délibérément mis ces techniques au centre de son système d'observation et en particulier l'altimétrie qui permet de mesurer la topographie de la surface des mers, d'où l'on peut déduire les courants de surface.

 

Topex/Poséidon a pour ambition de mesurer la surface océanique avec une précision et une exactitude de l'ordre de 2 cm sur une moyenne mensuelle à l'échelle d'un bassin.

Le signal océanique a un spectre spatio-temporel étendu que l'on peut séparer en :

  • une composante turbulente : variations des grands courants d'ouest, tourbillons, anneaux, dont les signatures spatiales sont de 10 à 500 km, et les variations temporelles de quelques jours à plusieurs années,
  • une composante à large échelle dont les variations saisonnières et interannuelles ont des amplitudes de quelques centimètres sur des échelles spatiales de plusieurs milliers de km, taille d'un bassin océanique. A ce signal se superposent les différentes ondes de marées, d'amplitudes décimétriques.

Topex/Poséidon est optimisé pour atteindre les objectifs à large échelle qui sont les plus contraignants du point de vue technique mais aussi les plus significatifs du point de vue climatique. Il s'agit en effet de mesurer des variations de pente de la surface de l'ordre du centimètre sur 10000 km. La composante turbulente (mésoéchelle), tout aussi importante du point de vue énergétique, sera mesurée avec une grande précision.

De façon ultime, Topex/Poséidon pourra fournir de premières estimations de la variation globale du niveau des océans.

Le Cnes et la Nasa, dès la décision du projet, ont sélectionné sur la base de leurs propositions d'études, 38 "Principal Investigators" (PI's), appartenant à 9 pays et représentant 200 chercheurs, leurs "co-Investigators" (co-I's). Cette communauté a largement contribué à la définition du projet Topex/Poséidon et en particulier à celle des algorithmes de traitements, des modèles à développer,...

De manière plus détaillée, les thèmes de recherche peuvent être récapitulés en :

  • étude de la circulation océanique permanente et variable, et de son intéraction avec l'atmosphère à l'échelle globale ou à celle des bassins océaniques,
  • étude de la circulation aux échelles régionales sur des durées de quelques mois à quelques années,
  • étude statistique de la variabilité océanique pour l'amélioration des modèles globaux de circulation. Ces modèles ne peuvent rendre compte de l'évolution des phénomènes de courte longueur d'onde mais dépendent de paramètres déduits de l'analyse statistique,
  • observation des tourbillons dans certaines zones de l'océan. Certains travaux porteront en particulier sur la prévision, à l'échelle du mois, de la circulation océanique sur des régions d'environ 1000 km de côté,
  • modélisation des marées. Outre l'intérêt géophysique de la compréhension des processus de dissipation d'énergie des marées, une meilleure description des marées permettra une meilleure correction des mesures altimétriques de topographie,
  • étude des ondes de surface, de leur réponse au vent, et de leur interaction avec les courants,
  • amélioration de la connaissance du champ de gravité et du géoïde associé, par l'analyse des perturbations d'orbite en utilisant les données des systèmes de poursuite du satellite,
  • enfin, études géophysiques du géoïde marin par l'analyse des mesures altimétriques ou par le positionnement précis de balises au sol. Ces études sont destinées à améliorer notre compréhension du fonctionnement de la lithosphère et du manteau terrestre.
Les systèmes de mesure de Topex/Poséidon

Principe de la mesure

La détermination de la circulation océanique par altimétrie fait intervenir plusieurs types de composantes. Certaines concernent la mesure proprement dite et ses corrections, pour avoir accès à la topographie océanique, d'autres permettent de passer de cette topographie à la circulation en ôtant des termes considérés comme perturbateurs.

L'altimètre mesure au moyen de techniques radar la distance entre l'antenne et le point sub-satellite ; il émet des impulsions et mesure leur temps de propagation aller et retour, avec une précision de quelques centimètres. L'analyse de la forme de l'écho permet également de déduire la hauteur significative des vagues et le module de la vitesse du vent. Des corrections instrumentales prennent en compte notamment des mesures de calibration interne effectuées régulièrement par l'altimètre.

Des corrections d'environnement sont nécessaires pour tenir compte des perturbations de distance dues à la propagation ionosphérique (électrons à haute altitude pouvant créer une erreur de 2 à 25 cm) et troposphérique (traversée de l'atmosphère : 2 m, effet de la vapeur d'eau : 0 à 40 cm). Le biais électromagnétique est dû, quant à lui, à la réflexion des ondes radar sur les facettes des vagues et peut atteindre plusieurs cm selon la houle et le développement de la mer. Il peut être modélisé à partir des mesures de la hauteur significative des vagues et du vent.

La position du satellite dans un repère terrestre est calculée à chaque instant par traitement des données d'un ou plusieurs systèmes de détermination d'orbite.

La combinaison des résultats précédents donne accès à la hauteur de la surface de la mer par rapport à un ellipsoïde de référence, au point sub-satellite à l'instant de survol. Pour en extraire le signal de circulation océanique, il faut en particulier retrancher :

  • la hauteur du géoïde par rapport à l'ellipsoïde de référence. Pour un satellite répétitif tel que Topex/Poséidon, cette correction n'est pas nécessaire si l'on s'intéresse à la variabilité de la circulation,
  • les marées océaniques et terrestres.
  • pour le géoïde et les marées, qui constituent des thèmes propres d'étude, le projet ne fait que proposer une valeur de correction à chaque instant de mesure altimétrique. Le projet ne fournit pas, par ailleurs, une correction pour l'effet dû aux variations de pression atmosphérique, considéré aujourd'hui comme un signal océanique et non un signal de correction.

 

Le satellite et l'orbite

Le satellite Topex/Poséidon de 2400 kg environ construit par la société américaine Fairchild, emportant les différents instruments de la charge utile sera mis sur orbite en août 1992 par un lanceur européen Ariane 42P fourni par le Cnes. Sa durée de vie est de 3 à 5 ans.
L'orbite est optimisée pour satisfaire les contraintes d'une mission de circulation océanique globale. L'altitude (1336 km) est assez élevée pour limiter les effets du frottement atmosphérique et filtrer une partie des irrégularités du champ de gravité terrestre, mais assez basse pour maintenir la précision des capteurs. L'inclinaison (66 degrés) permet d'assurer une couverture de 90% des océans. Le cycle orbital est de 10 jours; le satellite repasse donc à la verticale des mêmes points tous les 10 jours à mieux qu'un km près, pour étudier la variabilité temporelle. L'écart entre les traces, c'est-à-dire le pas du maillage des points observés, est de l'ordre de 310 km à l'équateur. L'heure locale de passage du satellite se décale de 2 heures à chaque cycle, ce qui est souvent considéré comme favorable pour isoler dans le signal mesuré l'effet des ondes de marées.

Traces du satellite Topex/Poséidon

La charge utile

Les altimètres

L'instrument principal est l'altimètre de la Nasa. Il fonctionne à deux fréquences (13.6 et 5.3 GHz) pour corriger l'erreur ionosphérique, en utilisant la sensibilité de cette erreur à la fréquence.

Le Cnes fait également voler un altimètre miniaturisé dit "Poséidon" dans un but de qualification technologique. Utilisant la même fréquence que l'altimètre américain (13.6 GHz) et partageant la même antenne, il fonctionnera environ 10% du temps.

Corrections ionosphériques par Doris sur Spot-2

Les systèmes d'orbitographie

La détermination de l'altitude du satellite est probablement le point le plus délicat pour une mission globale : une exactitude de 10 cm sur la distance satellite-repère terrestre est nécessaire, quelques cm seraient souhaitables. Ceci devrait être possible grâce aux

trois systèmes de poursuite embarqués sur Topex/Poséidon qui permettront de disposer du maximum d'information sur l'orbite, les erreurs et leur spectre :

  • des réflecteurs laser sont disposés sur le satellite. Ils sont utilisés par la Nasa pour la détermination d'orbite à l'aide des mesures de télémétrie laser depuis des stations au sol, et également pour la calibration sur site des altimètres,
  • Doris est le système d'orbitographie précise du Cnes, basé sur la mesure du décalage Doppler de 2 fréquences ultra-stables (2036 et 401 MHz), émises par un réseau d'une cinquantaine de balises placées au sol. Ce système est déjà expérimenté avec succès sur le satellite français d'observation de la Terre Spot-2; notons que les mesures Doris alimenteront aussi un modèle mathématique destiné au calcul de la correction ionosphérique sur les mesures altimétriques,
  • enfin, un récepteur embarqué GPS sera fourni par la Nasa dans un but de validation.

Le radiomètre

Un radiomètre micro-ondes également fourni par la Nasa, mesure le rayonnement naturel reçu depuis la zone située sous le satellite, dans trois canaux (18, 21 et 37 GHz). On peut en déduire la quantité de vapeur d'eau sur le trajet le long de la verticale. L'effet troposphérique "humide" affectant les mesures altimétriques est ainsi corrigé au cm près.

Les segments sol

 

Le fonctionnement de la charge utile est permanent. Un centre de contrôle situé en Californie (TGS de la Nasa/JPL) permet de surveiller l'état du satellite, d'envoyer les télécommandes et de recevoir les télémesures par l'intermédiaire du système de satellites relais TDRS américains.

Les données brutes des deux instruments français sont extraites et transmises quotidiennement avec des données auxiliaires (radiomètre, état et attitude du satellite) au segment sol français (SSDP) situé à Toulouse sur le site du Cnes. Au sein du SSDP, le Centre de Contrôle et de Traitement Doris/Poséidon (CTDP) réalisé et exploité par CLS, filiale du Cnes, effectue le prétraitement et le traitement scientifique des données et la surveillance des instruments français, l'élaboration du programme de travail et les commandes à envoyer. Par ailleurs, le Service d'Orbitographie Doris du Cnes (SOD) effectue le calcul des éphémérides d'orbite précise à partir des mesures Doris.

Les segments sol TGS et SSDP ont pour mission de produire à partir des mesures instrumentales de l'altimétrie Topex pour le premier etPoséidon pour le second, les "Geophysical Data Records" correspondants. Ces GDR peuvent être définis comme deux produits contenant des données de type géophysique intégrant les mesures altimétriques, les corrections décrites auparavant obtenues par différents types d'algorithmes et des éphémérides d'orbite précise. Pendant les six premiers mois de la mission appelée phase de vérification, l'orbite précise ne sera pas encore disponible puisque dépendant de la détermination d'un modèle de champ de gravité adapté à l'orbite du satellite, celui-ci étant justement calculé à l'aide des trois premiers mois de mesures des systèmes d'orbitographie embarqués. Les segments sol produiront pendant cette phase des "Interim Geophysical Data Records" calculés avec les orbites de servitude respectivement Nasa et Cnes, et d'une manière plus générale, avec des algorithmes non définitifs. Ces IGDR seront ensuite retraités en GDR pendant les six mois suivants de la phase d'exploitation.

Les GDR Topex élaborés par le TGS contiennent des hauteurs de la surface de la mer au-dessus de l'ellipsoïde, la hauteur significative des vagues, les coefficients de rétrodiffusion, les corrections d'environnement classiques et l'altitude du satellite au-dessus de l'ellipsoïde issue du calcul d'orbite Nasa. Les GDR Poséidon construits par le SSDP sont analogues. Ils diffèrent sur quelques aspects algorithmiques ou de contenu. Citons trois exemples majeurs : la correction ionosphérique est calculée à partir de mesures de l'instrument Doris alors que ce sont les mesures bi-fréquence de l'altimètre Topex qui servent de données de base au calcul de la correction dans le GDR Topex. Par ailleurs, la hauteur radiale d'orbite du GDR Poséidon est issue d'un calcul d'éphémérides précises Cnes. Enfin, les GDR Poséidon contiennent la mesure altimétrique elle-même et non la hauteur de la surface de la mer.

 

Chiffres : Le radar altimètre Poséidon envoie 100 000 000 d'échos utiles (océans, déserts et glaces) par jour de fonctionnement.
Ceci représente après compression à bord un volume journalier d'informations de télémesure de 10 Mégaoctets. Le produit final GDR Poséidon représente environ 18 Mégaoctets par jour de fonctionnement.
Compte-tenu des stockages intermédiaires, le volume total journalier archivé au SSDP est de 250 Mégaoctets environ.

 

 

La calibration

La place prise par les activités de vérification est à la mesure des performances espérées du système d'observation développé : 2 cm sur la mesure altimétrique, une dizaine de cm sur la mesure absolue du niveau de la mer, 2 m/s sur la vitesse du vent et 50 cm sur la hauteur des vagues. Les activités validation, mises en place conjointement par le Cnes et la Nasa font parties du "Joint Verification Plan" (JVP). Ces activités portent essentiellement sur :

  • La vérification sur site qui est destinée à étalonner localement la mesure altimétrique par rapport à une mesure équivalente externe déduite de mesures in situ de niveau de la mer et de mesures de poursuite laser. Le Cnes a sélectionné l'île de Lampedusa en Méditerranée, comme site nominal de vérification (la Nasa a retenu la plateforme pétrolière de Harvest au large des côtes californiennes). Ce site sera survolé chaque 10 jours par le satellite. Il sera équipé de toute l'instrumentation requise pour un étalonnage précis des instruments embarqués (marégraphes, laser, bouées, radiomètres sol, balise Doris...)
  • Les analyses statistiques qui ont pour but de vérifier globalement la cohérence interne des paramètres système. Ces analyses s'appuieront pour partie sur certains produits statistiques fournis par Aviso (histogrammes) et sur la comparaison avec des modèles externes au système. Une chaîne de traitement des données Topex/Poséidon a été mise en place à CLS pour mener à bien ces activités.
  • Les campagnes régionales de vérification effectuées par des équipes scientifiques impliquées dans le programme Topex/Poséidon. Plus de quinze équipes ont proposé leur participation à cet effort de validation (incluant des expériences en Méditerranée, au large des côtes anglaises, en Mer du Nord, dans le Pacifique équatorial et dans l'Atlantique Nord Est, expérience Sémaphore). Cette validation dite "scientifique" complétera harmonieusement les activités Calval, décrites ci-dessus, menées par le Cnes et la Nasa.

L'objectif principal commun à toutes ce activités, consiste à évaluer l'ensemble des composantes du système Topex/Poséidon depuis la mesure altimétrique brute jusqu'au produit final niveau de la mer en passant par les différentes corrections géophysiques appliquées à la mesure altimétrique (niveau de performances, estimation et caractérisation des erreurs). Cet effort de validation sera particulièrement intense durant les 6 premiers mois de la mission à la fin desquels démarrera la production en routine de GDR. Toutefois un contrôle qualité continu sera maintenu durant toute la mission.

Tous les résultats significatifs seront présentés et discutés au cours de réunions de travail régulières avec les utilisateurs. De plus, ces résultats seront édités dans le bulletin Calval diffusé tous les 2 mois par Aviso à l'ensemble des utilisateurs Topex/Poséidon. Ce bulletin comprendra entre autres des extraits représentatifs des sorties statistiques obtenues ainsi qu'une fiche diagnostic pour chaque composante du système, en particulier :

  • Le niveau de bruit instrumental (basé sur des analyses le long des traces et les écarts aux points de croisements).
  • Les biais et dérive des altimètres (issus des campagnes de vérification sur site, i.e. Lampedusa).
  • L'analyse des écarts aux points de croisement pour différents choix de corrections géophysiques avant et après minimisation globale (pour réduction de l'erreur d'orbite).
  • Les niveaux d'erreur et caractéristiques spectrales de la correction troposphérique (comparaison des valeurs TMR et CEPMMT) et de la correction ionosphérique (comparaison de la correction Topex avec la correction Doris).
  • L'évaluation du biais électromagnétique (par analyse de cohérence aux points de croisement). Une première relation sera fournie au bout de 4 mois puis affinée au cours des mois suivants.
  • La validation des produits vents et vagues altimètre (par comparaison avec les modèles météorologiques). Une relation entre le coefficient de rétrodiffusion et le vent sera fournie à l'issue des 6 premiers mois.
  • L'intercalibration des altimètres Topex, Poséidon et ERS-1 (grâce en particulier aux campagnes sur site et aux analyses statistiques).

 

L'implication de CLS dans le projet Topex/Poséidon est multiple :

- Le Cnes a confié à CLS la réalisation et l'exploitation du Centre de Contrôle et de Traitement Doris-Poséidon (CTDP), partie du segment-sol français de la mission Topex/Poséidon.

- D'autre part, le Groupe Océanographique de CLS s'est vu confier par le Cnes, conjointement avec le GRGS, la réalisation du programme français de calibration/validation (Calval) de Topex/Poséidon. A cet effet, l'équipe CLS est chargée des évaluations statistiques globales des produits altimétriques. Par ailleurs, CLS participe à la définition et à la validation des algorithmes de traitement altimétrique.

Enfin, CLS a participé au développement d'Aviso/Eddie et en assure l'exploitation. CLS est également en charge du développement de la chaîne de traitement Quick Look d'Aviso, qui fournira aux scientifiques des données altimétriques traitées dans les délais les plus brefs et permettra d'obtenir des produits globaux pour la promotion de Topex/Poséidon

 

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