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Altimétrie par GNSS

L'un des projets pour avoir la meilleure couverture maximale possible pour les données altimétriques est de profiter des signaux émis par les satellites GNSS, en particulier GPS (et dans le futur son équivalent civil européen Galileo). L'idée est qu'un satellite en orbite basse à défilement (orbite de type quasi-polaire à 400-500 km) va pouvoir récupérer les signaux issus de plusieurs satellites après réflexion sur la surface de l'océan, signaux qui seraient analysés pour en déduire la hauteur de mer. Ce concept n'est pour le moment qu'à l'étude.

Le principe de fonctionnement est basé sur la réception par le récepteur GPS embarqué du signal descendant d'un satellite de la constellation, puis de la réception de l'écho retour de ce même signal. Le délai entre les deux permet de calculer la hauteur de mer qui a réfléchi le signal. L'énergie rétro-diffusée dépend de l'angle d'incidence (récupération de la réflexion spéculaire uniquement), et de l'état de mer. Cela implique notamment que le système ne fonctionne bien que pour des angles faibles : jusqu'à 10° d'incidence. Donc la réception forte des échos retour n'est que pour les satellites de la constellation GPS "au-dessus" du satellite récepteur, ce qui représenterait au maximum 10 satellites en même temps. En fait, il faut effectuer la moyenne (sur une à 10 s) de plusieurs échos retour au dessus du même point de l'océan pour diminuer le bruit. La précision est le principal point faible de ce concept : avec une incidence de 10°, l'erreur sur la hauteur serait de plusieurs mètres. En fait, cette précision ne pourrait augmenter qu'avec un plus grand nombre d'échos retour pour le même point de l'océan. Cela dépend de la constellation effective de satellites de GNSS. La constellation de satellites GPS ne devrait pas sensiblement augmenter. Par contre, l'Esa est en train de développer son propre système de GNSS (Galileo) qui pourrait dans les années à venir augmenter ce nombre de satellites. La précision au mieux à un instant donné serait de 30 cm rms.

Les simulations montrent qu'avec un seul satellite récepteur GPS à 400 km d'altitude, la surface terrestre est couverte en 24 heures avec une distance inter-traces de 75 km. Autrement dit, en dix jours, n'importe quelle surface de 50 km2 sera "perçue" 12 fois par le satellite récepteur. Sur cette base, deux satellites récepteurs en couverture globale, permettraient sur 10 jours de moyenne, à une résolution de 50 km2 d'obtenir une précision de 6 cm rms. Pour la même précision, 8 satellites permettraient de descendre à 25 km2 de résolution.
Ce concept d'opportunité est donc intéressant car à coût faible. Son principal défaut reste la précision, qui ne pourrait augmenter qu'avec Galileo (ou l'utilisation de Glonass). Par ailleurs, il viendrait s'ajouter aux missions altimétriques classiques, toujours nécessaires pour suivre les variations climatiques de l'océan.
Par ailleurs, ces récepteurs GPS pourraient être mis à point fixe (sur des mâts de 200 m de haut par exemple) en bord de côte. Cela permettrait alors d'avoir un réseau côtier de grande qualité pour complémenter la couverture sur océan assurée par la constellation de satellites "en écoute GPS".
Aujourd'hui, ce concept a été testé sur la navette spatiale. Il est actuellement embarqué sur le satellite Champ, mais il n'y a pas encore d'analyse. Des propositions sont faites tant à la Nasa qu'à l'Esa pour des missions qui pourraient voler à partir de 2010. D'autres tests ont également été menés par le UK-DMC (the United Kingdom Disaster Monitoring Constellation), qui a démontré la faisabilité de ce concept. Toutefois, le rapport signal-bruit est encore trop faible pour des applications en altimétrie.

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