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Jason-1 calibration/validation

B. Haines (NASA/JPL, USA), Y. Ménard (CNES, France)

Les performances attendues du système de mesures altimétriques de Jason-1 sont très ambitieuses. Le programme de calibration/validation de Jason-1 (CALVAL) permet de s'assurer et de vérifier directement après le lancement que ces objectifs sont atteints, voire dépassés.

La mission Jason-1 est la première d'une série de missions altimétriques radar destinées à assurer la continuité du programme TOPEX/POSEIDON (T/P) au cours du prochain millénaire. T/P ayant permis de réaliser des observations remarquables du niveau des mers [Fu et al., 1996 ; AVISO Newsletter n°6, 1998], le système Jason‑1 doit avoir le même niveau de précision que son prédécesseur. Les spécifications des mesures Jason‑1 ont donc été directement définies en fonction des estimations des erreurs sur les produits de données scientifiques avec la technologie T/P actuelle. Le tableau 1 de l'article de Ménard et Fu [dans ce numéro] présente ces spécifications, exprimées en termes de bilan d'erreur pour la détermination de la hauteur de mer (SSH) et les paramètres auxiliaires vent/vague. Les spécifications générales relatives à la précision de la hauteur de mer calculée sur un seul passage est de 4,2 cm rms, ce qui correspond à la précision actuellement estimée de T/P.

Le tableau du bilan d'erreur présente également à titre d'objectif un niveau de performances amélioré pour Jason‑1. Pour atteindre la précision souhaitée de la hauteur de mer (2,5 cm rms), les erreurs sur la composante radiale de l'orbite doivent être réduites pour être de l'ordre de 1 cm. Des progrès significatifs devront également être réalisés dans le calcul des termes de correction sur la distance altimétrique (par exemple ceux liés à l'état de mer et à l’estimateur de poursuite). Un autre objectif, non indiqué dans le tableau, stipule que la dérive du système de mesure ne doit pas excéder 1 mm/an. Ces objectifs sont affichés afin de pouvoir faire face au défi de "l'altimétrie au millimétrique" qui est une conséquence du succès sans précédent de T/P. Si ce défi est relevé, il sera possible d'obtenir de nouvelles informations sur les très faibles variations du niveau de la mer à l'échelle des bassins océaniques ou à l'échelle mondiale. Malgré leurs faibles amplitudes, ces variations peuvent avoir des effets significatifs sur les changement climatiques à long terme.

Un des principaux objectifs du programme CALVAL Jason‑1 consiste à vérifier après le lancement que les performances du système de mesure répondent exactement aux spécifications annoncées sur le bilan d'erreur. Un autre objectif tout aussi important est d'étalonner les différentes composantes du système, afin d'optimiser la performance d’ensemble. Pour atteindre ces objectifs, la structure du programme CALVAL utilise le schéma mis en place avec succès pour T/P, consistant à impliquer des membres du groupe scientifique (Science Working Team) Jason‑1, ainsi que les équipes projet du CNES et de la NASA. La phase d'activité CALVAL la plus intense correspondra à la période de vérification de 6 mois qui démarrera lorsque Jason‑1 aura atteint sont orbite opérationnelle, soit approximativement un mois après son lancement fin 2000. Durant cette phase, Jason‑1 et TOPEX/POSEIDON voleront en formation, ce qui permettra d'effectuer un étalonnage croisé extrêmement précis entre les deux systèmes. À l'issue de la phase de vérification, le groupe CALVAL établira une version révisée du bilan d'erreur et évaluera le biais et la dérive du système de mesure de manière absolue et par rapport au système T/P. Conscients de l'importance de la validation pour pouvoir atteindre les objectifs fixés, de nombreuses activités CALVAL seront poursuivies tout au long de la mission. Ce suivi permanent est essentiel si l'on veut relever le défi de "l'altimétrie millimétrique".

Mise en oeuvre de CALVAL

Le programme CALVAL de la mission Jason‑1 comprend une grande variété d'activités allant des évaluations technologiques des capteurs à une validation in situ de l'ensemble du système. Les paramètres technologique et les données scientifiques de l'altimètre POSEIDON‑2 (POS‑2) seront vérifiés en continu par le CNES, afin de s'assurer du respect des performances attendues (par exemple, bruit, dérive de la mesure de la distance altimétrique). Comme ses prédécesseurs embarqués sur TOPEX/POSEIDON, l'altimètre POS‑2 possède deux modes de calibration internes : l'un d'eux fournit une mesure de la réponse impulsionnelle de l'instrument et l'autre mesure la fonction de transfert de l'altimètre. L'évolution de ces données de calibration fera l'objet d'un suivi à long terme par le CNES et les résultats seront pris en compte dans le traitement routinier des données scientifiques. Les membres du groupe scientifique de la mission Jason‑1 travaillant au WFF (Wallops Flight Facility de la NASA), responsables de la surveillance de l'altimètre radar TOPEX, participeront également aux exercices de calibration interne de POS-2. Certaines des études du groupe scientifique porteront sur l'amélioration de la correction du biais d'état de mer et du biais électromagnétique, qui affectent les mesures de distances altimétriques. Enfin, les corrections ionosphériques de l'altimètre à deux fréquences POS‑2 seront validées en utilisant des estimations obtenues indépendamment par les systèmes GPS et Doris.

Le radiomètre micro-ondes à trois fréquences de Jason-1 (JMR) permettra d'estimer avec précision les corrections altimétriques liées au retard de propagation des ondes émises par la présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Pour effectuer l'étalonnage de ses mesures, le JMR n'utilise pas la température de l'espace profond comme source froide de référence, mais trois circuits de mesure redondants (diodes de bruit) pour chacune des fréquences. L'équipe technique du JMR au Jet Propulsion Laboratory (JPL) assurera le suivi et garantira l'intégrité des températures de diode de bruit et d'antennes tout au long de la mission. Après le lancement, les membres du groupe scientifique de Jason‑1 effectueront l’étalonnage précis des températures de brillance du JMR et des algorithmes de correction du retard de propagation. Ils utilisent pour cela des mesures « vérité » sol, ainsi que des comparaisons avec des données de radiomètres embarqués sur d'autres satellites et des modèles globaux (Figure 1). Les mesures de retard de propagation seront examinées tout au long de la mission pour détecter de très faibles dérives éventuelles, comme celle de 1 mm/an observée avec le radiomètre de TOPEX/POSEIDON [Keihm et al., 1999].

Figure 1 : Différence des corrections troposphériques humides déduites des radiomètres TMR et ATSR (source CLS)

La validation in situ de l'ensemble du système Jason-1 sera effectuée en utilisant des sites de vérification dédiés, ainsi qu'un réseau de marégraphes. Le principal objectif de ces expériences consiste à utiliser les observations de marégraphes placés directement sur la trace au sol du satellite Jason‑1 ou à proximité de celle-ci, pour vérifier et étalonner les mesures de hauteur de mer fournies par le satellite quand il survole les marégraphes. Les sites dédiés ont l'avantage d'être survolés à la verticale par le satellite et d'être directement rattachés à un géocentre. Par ailleurs, ils disposent généralement de plusieurs capteurs colocalisés (par exemple, marégraphes, radiomètres, GPS et SLR), permettant de distinguer plus aisément les différentes sources d'erreur. Le principal site de calibration du CNES est situé en Corse [Exertier et al., dans ce numéro]. Mis en place en 1996, le site corse de Sénétosa fournit actuellement des données vérité terrain utilisées pour la calibration de T/P puisque ce satellite survole les mêmes traces au sol que Jason-1. Les techniques GPS pélagiques ont été récemment utilisées pour mesurer la pente du géoïde entre les points de mesures altimétriques en haute mer et les marégraphes situé en bordure de côte du Cap de Sénétosa. Cette expérience devrait être étendue à l'île de Capraia, située entre la Corse et l'Italie afin de fournir un site de vérification supplémentaire sous la même trace du satellite. Le principal site de calibration de la NASA pour T/Putilise la plate-forme pétrolière Harvest au large de la côte californienne [Christensen et al., 1994]. Une longue série de mesures de calibration T/P remontant au lancement du satellite en 1992 a été réalisée à partir de données obtenues à Harvest, et les sources potentielles d'erreur in situ systématique ont été étudiées en détails (figure 2). Le satellite Jason‑1, qui passera lui aussi à la verticale de la plate-forme, tirera parti de l'expérience acquise sur ce site [Haines et al., 1998]. Les sites de calibration, déjà utilisés pour l'altimètre T/P, dans le détroit de Bass [White et al., 1994] et de la Manche [Murphy et al., 1996] continueront à fournir des données dans le cadre du programme CALVAL Jason‑1. Enfin, des projets de sites supplémentaires sont actuellement à l’étude en Méditerranée et dans le golfe du Mexique. Ils seront utilisés pour la calibration de multiples missions altimétriques, dont ENVISAT et Geosat Follow-On, en plus de Jason‑1 et T/P.

Figure 2 : Suivi du biais des altimètres TOPEX A, TOPEX B et POSEIDON au site de calibration de la plate-forme Harvest, en Californie (source JPL).

Bien que les mesures obtenues sur les sites de calibration absolue se soient avérées précieuses pour détecter les biais du système TOPEX/POSEIDON, les informations externes les plus fiables pour estimer les dérives proviennent du réseau mondial de marégraphes. Ces marégraphes se trouvent rarement le long de la trace au sol du satellite ; en outre, quelques uns seulement sont actuellement équipés de récepteurs GPS ou DORIS, aptes à fournir des informations sur les mouvements verticaux terrestres affectant la mesure marégraphique. La stabilité du système altimétrique, peut malgré tout être déterminée avec précision en moyennant l’ensemble des résultats obtenus à partir des séries temporelles des nombreux marégraphes utilisés [Mitchum, 1998]. L'estimation de la dérive du système qui en est déduite fournit des informations complémentaires à celles issues des résultats acquis sur les sites dédiés. L'importance de ces informations complémentaires fut amplement démontrée par la découverte en 1996 d'une erreur algorithmique TOPEX qui introduisait à la fois un biais global (13 cm) et une dérive lente (8 mm/an) dans les hauteurs de mer mesurées. Bien que les effets de la principale composante de l'erreur aient été détectés par les sites de calibration dédiés peu après le lancement [Christensen et al., 1994 ; Ménard et al., 1994 ; White et al., 1994 ; Haines et al., 1998], une série temporelle de mesures marégraphiques sur plusieurs années à partir du réseau mondial fut nécessaire pour démontrer l'existence d'une dérive lente [Mitchum, 1998]. Ces résultats combinés ont ainsi fournit une caractérisation remarquable de l'effet total de l'erreur d'algorithme sur la hauteur de mer. Cette expérience a permis de proposer une amélioration et une extension du réseau mondial de marégraphes. Trente marégraphes situés en des sites privilégiés ont été répertoriés. Il sera nécessaire d'y mesurer le mouvement vertical terrestre pour améliorer les estimations de stabilité de l'altimètre [voir par exemple, Mitchum, 1997]. En tant que membre du groupe scientifique Jason‑1, le Centre de surveillance du niveau de la mer de l'Université d'Hawaii participe à un programme destiné à équiper de récepteurs GPS permanents 7 des 30 marégraphes identifiés. Certaines des autres stations sont déjà équipées de récepteurs GPS et de stations DORIS. Une composante essentielle de ce réseau optimisé sera ainsi opérationnelle pour le lancement de Jason‑1.

En complément des expériences de calibration externes (in situ), des équipes associé au projet du CNES et de la NASA effectueront en routine des évaluations globales des données générées par les centres de distribution des données. Des analyses statistiques (par exemple, histogrammes, spectres, cartographie multi-variables, résidus aux points de croisement, comparaison multi-satellite) sont en effet essentielles pour pouvoir vérifier rapidement la qualité et la cohérence des produits géophysiques. Les analyses seront réalisées et fournies tous les 10 jours à des experts qui en feront l'interprétation [Dorandeu, dans ce numéro]. Les membres du groupe scientifique participeront à des évaluations plus spécifiques de ces jeux de données globaux.

Des efforts importants ont également été entrepris afin d’évaluer avec précision les incertitudes sur la restitution de la composante radiale de l'orbite. Un groupe d’experts chargé de la détermination précise d'orbite (POD : Precise Orbit Determination) auquel participe l'Université du Texas, des membres du groupe scientifique Jason-1 et des représentants projet CNES/NASA a été constitué. Sa mission sera d'évaluer et d'échanger les modèles existants et de formuler des recommandations sur les standards à utiliser par le CNES pour le calcul des orbites. Une validation intensive après le lancement sera effectuée en comparant les orbites déterminées par les différents groupes impliqués s’appuyant sur des données et des stratégies différentes (par exemple, méthode à dynamique réduite GPS, méthodes d'arcs courts laser/DORIS). Des vérifications et des améliorations continues seront absolument nécessaires si l'on veut atteindre la précision ultime de 1 cm sur la composante radiale de l'orbite.

Conclusion

De nombreux experts du projet et du groupe scientifique seront amenés à participer au plan CALVAL, dans le souci de spécifier et d'améliorer les performances du système Jason‑1. L'expérience TOPEX/POSEIDON a souligné l'intérêt d'une participation élargie aux activités CALVAL, depuis l'évaluation technologique jusqu’à l'évaluation scientifique. Le groupe scientifique Jason-1 (Science Working Team) aura dans ce domaine un rôle clé à jouer.

La coordination des activités CALVAL et la synthèse des résultats nécessitera une étroite collaboration entre les participants. Une réunion spécifique CALVAL se tiendra quelques mois après le lancement de Jason-1. Par ailleurs, les résultats et analyses seront présentés à l'occasion de réunions régulières du groupe scientifique (SWT). Ces réunions constitueront également un forum de discussion où seront élaborées les recommandations devant servir de base à la réactualisation du bilan d'erreur et des algorithmes de traitement des données.

En plus du suivi des performances du système, le groupe CALVAL s'efforcera d'améliorer le bilan d'erreur afin de pouvoir caractériser les variations du niveau de la mer à long terme (variations interannuelles et séculaires) avec une précision de quelques millimètres par an. Pour relever le "défi du millimètre", il est essentiel en effet d'atteindre les objectifs affichés dans le bilant d'erreur, de mesurer le biais et la dérive du système au millimètre près, et d'assurer une connexion précise entre les missions altimétriques passées et futures.

Références :

  • AVISO Newsletter n°6, avril 1998
  • Christensen, E.J., et al., 1994: Calibration of TOPEX/POSEIDON at Platform Harvest, J. Geophys. Res. 99(C12), 24, 465-24, 485.
  • Dorandeu, J., ce numéro, 1999.
  • Exertier, P. et al., ce numéro, 1999.
  • Fu, L.-L., C.J. Koblinsky, J.-F. Minster, J. Picaut, 1996: Reflecting on the first three years of TOPEX/POSEIDON, EOS Trans. 77 (12), 109.
  • Haines, B.J., G.H. Born, E.J. Christensen, S. Gill, D. Kubitschek, 1998: The Harvest Experiment: TOPEX/POSEIDON absolute calibration results from five years of continuous data, AVISO Altimetry Newsletter 6: TOPEX/POSEIDON: 5 Years of Progress, 53-54.
  • Keihm, S.J., V. Zlotnicki, C.S. Ruf, 1999: TOPEX Microwave Radiometer performance evaluation, 1992-1998 IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, (soumis).
  • Ménard, Y., E. Jeansou, P. Vincent, Calibration of the TOPEX/POSEIDON altimeters at Lampedusa: Additional results at Harvest, J. Geophys. Res. 99 (C12), 24, 487-24, 504, 1994.
  • Ménard, Y., and L.-L. Fu, ce numéro, 1999.
  • Mitchum, G., 1998: Monitoring the stability of satellite altimeters with tide gauges, J. Atmos. and Oceanic Tech. 15(3), 721-730.
  • Mitchum, G, 1997: A tide-gauge network for altimeter calibration, Methods for Monitoring Sea Level: GPS and tide gauge collocation and GPS altimeter calibration: Proceeding from IGS/PMSL workshop, Jet Propulsion Laboratory Pulication 97-17, 45-55.
  • Murphy, C.M., P. Moore, P. Woodworth, 1996: Short-arc calibration of the ERS-1 and TOPEX/POSEIDON altimeters utilising in situ data, J. Geophys. Res. 101 (C6), 14, 191-14, 200.
  • White, N.J., R. Coleman, J. A. Church, P.J. Morgan, S.J. Walker, 1994: A southern hemisphere verification for the TOPEX/POSEIDON satellite altimeter mission, J. Geophys. Res. 99 (C12), 24, 505-24, 516.
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