Partie 2 : Itinéraire dans l'Histoire

En attendant Galileo...

Michel LEFEBVRE, Ingénieur CNES (e.r.), François BARLIER astronome titulaire, CERGA - Janvier 2006

D'après l'article paru dans la revue Navigation Volume 51, n° 202, Avril 2003 Page 35 à 81, que nous remercions pour l'autorisation de publication.

Partie 1 : La Terre mesurée depuis l’Espace...

Partie 3 : Itinéraire dans l'Histoire (suite)

Partie 4 : Conclusion et épilogue

Partie 2

De DIAPASON à DORIS, TOPEX-POSEÏDON et JASON-1

En 1957, la Terre, planète mal connue ?

De la géodesie à la géodesie spatiale : phase exploratoire 1965-1970

La triangulation : 3 dimensions par observation optique

La phase exploratoire en France (1965-1970)

L'approche dynamique

Systèmes radiofréquences

Une période clé : 1969-1970

Situation en France en 1969

Création du GRGS (groupe de recherches en géodésie spatiale)

Itinéraire dans l’histoire

Nous pouvons maintenant décrire l’histoire de la contribution française, qui peut apparaître comme un parcours presque exemplaire entre deux dates : mars 1966, et août 2002. Mais nous devrons reprendre certains faits déjà cités. La partie précédente a fait apparaître les traits principaux de l’histoire de la géodésie mais on verra que les progrès ne s’improvisent pas et qu’il faut gagner la partie pas à pas et avec persévérance.

• mars 1966 : il y a un peu plus de 36 ans, le satellite DIAPASON, (DIA comme DIAmant, le lanceur français, et DIAPASON comme "Oscillateur Stable"), est mis en orbite depuis le champ de tir d'Hammaguir. Sa charge utile, un oscillateur à quartz de très bonne stabilité pilote l'émission de deux fréquences. Des stations de réception au sol permettent de mesurer l'effet Doppler entre le satellite et les stations et d’en déduire leur position relative. Les deux premières stations furent implantées à Nice et à Beyrouth.

• août 2002 : Le satellite TOPEX-POSÉÏDON commence sa dixième année d'observations continues par altimétrie radar de la surface de la mer et de ses variations. En dépit de son grand âge, il possède toujours une précision centimétrique. Cette longue série de mesures précises et homogènes est sans précédent dans l'histoire de l'observation de la Terre et de ses océans, en particulier à ces échelles d’espace et de temps. Cette série de mesures constitue un élément central du programme WOCE (World Ocean Circulation Experiment) comme l’écrivent les responsables ("The global perspective provided by Satellite Altimetry Iies at the heart of WOCE" Francis Bretherton and John Woods, Co-chairmen, WOCE Scientific Steering Group).

  

  Niveau moyen des océans depuis 1992 (cycle 011 à 360 – 2002/07/02). Des explications sur la montée du niveau entre les cycles 180 et 200 sont dans "El Niño fait monter le niveau des mers" ("Image du mois"). (document AVISO)

De DIAPASON à DORIS, TOPEX-POSÉÏDON et JASON-1

Rien n’est allé de soi et il a fallu y mettre beaucoup d'énergie ! En 35 ans, le CNES, les équipes de recherche associées, et les organismes partenaires ont bâti un programme ambitieux et unique dans le domaine de la mesure de la Terre et de sa dynamique.

Parmi les raisons de cette réussite, et elles sont nombreuses, il en est une que nous tenons à mettre en valeur plus particulièrement : il s'agit de la création du Groupe de recherche en géodésie spatiale, le GRGS. Son mode d'action et son approche novatrice des "problèmes de bon voisinage" entre organismes ou entre disciplines sont à la source d'une interdisciplinarité exemplaire. Dans la deuxième partie de cet essai, nous y reviendrons pour l'analyser plus à fond.

Mais d'abord, quelques dédicaces nous permettront de prendre un peu de recul pour réfléchir. Si l'objectif est bien ici de dresser un bilan, ne nous privons pas non plus, au passage, du plaisir et du devoir de rendre hommage à des grandes personnalité :

• J. Prévert : un "invenTerre" des connaissances acquises et des méthodes utilisées : "En sortant de l'École… qu'avons-nous rencontré ? Tout autour de la Terre... ".

• Saint Exupéry : "Ce programme d'apparence technique s'est avéré un élément essentiel pour comprendre la Machine Terre, notre Terre, la Terre des Hommes…"

• J. Coulomb, ancien Président du CNES, qui avait une vision très claire de la nécessité de comprendre la physique du Globe dans une interview au Courrier du CNRS d'août 1980, disait : "la Terre, on y vit, on en vit".

Dans le même article, il indiquait l'importance des mesures spatiales, notamment de l'altimétrie, ainsi que les précautions à prendre pour leur utilisation dans des modèles. À travers lui, c'est un hommage aux équipes de direction qui ont su prendre des décisions souvent à contre-courant des schémas théoriques, puis maintenir un soutien indéfectible à des programmes qui, par essence, réclament une continuité, soutien assuré, dans chaque organisme, et cela par un petit nombre de responsables de programmes qui ont su partager, au-delà des péripéties !.

Enfin, cet essai peut aussi être "un passage de témoin" à la génération qui nous suit et qui découvre, souvent avec intérêt, l'origine de nos programmes. Puisse-t-elle nous pardonner ce "délit d'initialisation", et peut être même... "d'initiation" ! Car, en bons géodésiens, nous avons essayé de baliser l'itinéraire à suivre. On verra, entre autres :

• Que le concept "faster, better, cheaper", "plus vite, mieux et moins cher" auquel nous avons ajouté "longer", "plus longtemps" a été utilisé dès les années 60 ;

• Que le concept "de bout en bout" pour aller de la mesure à son interprétation géophysique était l'ambition rapportée d'un colloque fondateur qui s'est tenu à Williamstown aux USA en 1969 sur les applications de la géodésie spatiale à toutes les Sciences de la Terre.

Dans le domaine considéré, on peut dire que le programme français de recherche spatiale a été un moteur pour la communauté internationale, y compris pour une part, pour les États-Unis et la NASA.

Bien plus qu’un aiguillon quelquefois nécessaire pour acquérir ou conserver un "leadership", nous avons bien souvent constitué la "référence": souvenons nous sans fausse modestie des demandes du Goddard Space Flight Center, le GSFC, pour créer la "Geodynamic Branch" sur le modèle (!) du Groupe de Recherches en Géodésie Spatiale.

Principe de l'altimétrie

Réseau Doris

En 1957, la Terre, planète mal connue ?

À l'échelle planétaire, en 1957, la Terre est une planète mal connue à tel point que la communauté scientifique internationale s'en préoccupe et organise une opération de grande envergure : l'Année géophysique internationale (1957-1958) (AGI) ; l'objectif était de mesurer des paramètres significatifs, en des sites bien distribués à la surface de la Terre, afin d'avoir une première vision globale de certains phénomènes essentiels. Les résultats obtenus, variables d'une discipline à l'autre, sont satisfaisants. Toutefois, ils posent de nouveaux problèmes et montrent la limite de l'exercice accompli :

• l'échantillonnage "spatial", (au sens géographique), reste inégal ;

• l'échantillonnage "dans le temps" est presque inexistant, tout au moins aux grandes échelles.

Malgré des efforts considérables, les différences entre instruments et dans le schéma de correction sont un obstacle à l'obtention de jeux de données homogènes et fiables.

1957 est aussi l'année du premier satellite artificiel. L'URSS le propose comme une contribution à l'AGI. La suite a montré combien cette idée allait au-delà du souci de propagande qui l'a probablement inspirée : création de fait du COSPAR (Comité international de recherches spatiales). L’irruption du premier Spoutnik a trouvé des esprits non préparés et, en particulier, les grandes unions scientifiques ont préféré créer un Comité international, le COSPAR (Committee On SPAce Research en anglais), ne pouvant prendre en compte immédiatement les impacts potentiels des possibilités des techniques spatiales et de leurs interdisciplinarités. Il fallait aussi du temps pour apprécier le potentiel et les possibilités amenées par ces nouvelles techniques.

De la géodesie à la géodesie spatiale : phase exploratoire 1965-1970

La triangulation : 3 dimensions par observation optique

La première idée est d'utiliser le satellite comme une cible géodésique très élevée. Des caméras photographiant le satellite éclairé par le soleil permettent de mesurer sa position sur le champ d'étoiles. Si plusieurs caméras judicieusement réparties effectuent des visées simultanées, on peut utiliser les méthodes de triangulation pour déterminer les positions relatives des stations. La hauteur élevée du satellite permet – pour la première fois dans l'histoire – les liaisons directes intercontinentales.

Cette idée a mobilisé une partie de la communauté géodésique, mais son utilisation était par nature limitée : pour impressionner la plaque ou le film, le satellite doit être en effet suffisamment brillant ; l'idée a donc été d’utiliser des satellites très gros évoluant à 1 500 km (diamètre de près de 30 mètres en forme de ballon) ; la magnitude stellaire est alors très grande de l'ordre de 0 ou –1. Les deux satellites ECHO-1 et ECHO-2 furent ainsi utilisés par de nombreux instituts géodésiques possédant des caméras fixes comme l'IGN en France. Le nom d'ECHO vient en fait des agences de télécommunication, qui les premières utilisèrent ces satellites à titre expérimental, comme cibles passives pour réfléchir des signaux radio utilisés en télécommunication. Mais, pour les géodésiens, le rôle de ces satellites était tout à fait différent. Cependant les précisions à espérer étaient forcément limitées, notamment par suite des déformations du satellite-ballon qui était en plus en rotation sur lui-même et dont les images photographiques ne pouvaient être très ponctuelles de manière totalement satisfaisante.

Pour améliorer cette situation, les promoteurs de cette méthode réussirent à mettre en orbite un satellite en forme de ballon mais plus rigide que les ECHO ; il s'agissait du satellite PAGEOS. Un projet utilisant les cameras BC-4 de l'US Coast and Geodetic Survey permit de disposer de 40 sites assez bien répartis autour du globe. L'ensemble des coordonnées des stations fut publié et constitua le premier système de référence terrestre mondial.
Nous savons maintenant que ce système n'avait pas d'avenir, pour deux raisons :

• la précision finale affichée : 10 mètres sur les 3 coordonnées, (de fait plutôt 15 à 20 mètres), était trop faible ;

• surtout le système n'apportait rien à l'utilisateur : que faire de positions de stations auxquelles on ne peut se relier géodésiquement de manière simple, ce qui était le cas ?

ECHO-1 et ECHO-2 ont eu cependant un autre intérêt majeur : visibles à l'œil nu, ils ont concrétisé de façon spectaculaire pour le public l'existence d'un nouveau domaine d'activité : "le Spatial". Ils ont permis aussi de mettre en évidence les effets de la pression de radiation solaire sur la trajectoire d’un satellite.

La phase exploratoire en France (1965-1970)

On adopte en France une démarche originale qui utilise trois atouts :

• Le premier est l'existence de petites équipes de jeunes chercheurs et ingénieurs auxquels la recherche spatiale offre un débouché direct de leurs travaux. En particulier, la mécanique céleste trouve là un champ d'exercice idéal. Cet ensemble de jeunes chercheurs et ingénieurs se retrouve au Bureau des Longitudes, lors d'un séminaire hebdomadaire. C'est un superbe creuset d'idées et de projets. Des ingénieurs du CNES y participent ;

• Le deuxième atout est le développement dans les laboratoires de recherche et dans l'industrie de techniques nouvelles qui vont trouver un champ d'application immédiat ;

• Le troisième atout est l'occasion fournie par les tirs de qualification du lanceur Diamant : les masses et puissances disponibles pour la charge utile sont limitées, mais totalement compatibles avec l'emport de dispositifs géodésiques qui vont devenir les instruments permanents de la géodésie spatiale. C'est ainsi que les trois premiers satellites lancés par le CNES seront des satellites géodésiques.

• En ce qui concerne les techniques laser, en France, le premier laboratoire qui tente de déterminer la distance par mesure du temps d'aller-retour d'une impulsion laser fut le service d'Aéronomie du CNRS à Verrières-le-Buisson. Il faut faire vite  : le satellite américain BEB, le premier équipé de trièdres réfléchissant le faisceau laser, est lancé en novembre 1964.
  R. et M. BIVAS installés à l'Observatoire de Haute Provence montent, démontent, et remontent leur équipement sur une ancienne tourelle militaire d'où ils suivent le satellite optiquement. Le 25 janvier 1965, seulement peu de temps après une équipe de la NASA, ils obtiennent les premiers échos et les premières mesures directes de distance sur un satellite artificiel.

La colocation des 3 stations laser du CERGA (J. Nicolas, 20 décembre  2002)

Mais, au mois de mai suivant, à l'Assemblée générale du COSPAR en 1965 à Buenos Aires, l'équipe française présente la première orbite calculée à partir de plusieurs passages de mesures de distance par télémétrie laser. Pour les ingénieurs du CNES qui firent cette trajectographie, ce fut un succès d’autant que ceci était leur premier cas concret de calcul de trajectoire de satellite ! Les erreurs résiduelles étaient de l’ordre de quelques mètres. En parallèle, le CNES fit développer des trièdres de rétro-réflecteurs laser. Ils furent placés sur les satellites DIADEME-1 et 2, lancés depuis Hammaguir en février 1967 par la fusée Diamant. Des mesures de distance furent faites avec succès avec une précision de l’ordre du mètre. Ces satellites furent observés et ré-observés pendant une vingtaine d’années.

• Quant aux techniques Doppler, comme on le sait, la fréquence émise à bord d’un satellite est reçue au sol par une balise avec un décalage en fréquence variable qui dépend de l’éloignement ou du rapprochement de la source émettrice par rapport à la balise réceptrice. C’est l’effet Doppler. Le décalage de fréquences mesurée entre ces deux objets en mouvement, l’un au sol, l’autre dans l’espace, permet de mesurer leur éloignement ou leur rapprochement relatif. Cette information est suffisante pour reconstituer la trajectoire du satellite comme la position des balises dès que l’on dispose d’un réseau mondial de balises au sol et de mesures obtenues sur une durée de plusieurs jours. Entre une station au sol et un satellite, par exemple, il s'agit d'abord de mesures "simple trajet" où l'émetteur est à bord et le récepteur en station. Dans ce schéma, émission et réception doivent être pilotées par des oscillateurs très stables. En 1966, l'industrie a su construire des oscillateurs à quartz dont la stabilité en fréquence était de 10^-10 sur la durée d'un passage (environ 1 000 secondes), ce qui ouvrait déjà de nouveaux horizons en géodésie. Dans les deux cas (mesures laser ou Doppler), au-delà du savoir faire à acquérir pour effectuer et valider la mesure, on va donc s'efforcer d'aller plus loin et de mettre en œuvre de nombreux projet-pilotes comportant des campagnes d'observation avec l’analyse approfondie des résultats et l’évaluation de la qualité et de l'utilité des mesures.
  DIAPASON lancé en mars 1966 va permettre de tester les premières mesures Doppler. En pratique 2 fréquences pilotées par un oscillateur ultra stable (OUS), embarqué à bord du satellite vont être utilisées. L’oscillateur doit être rigoureusement thermostaté. Les émissions du satellite sont reçues à Nice et à Beyrouth par des stations au sol fournies par la Société Anonyme de Télécommunication, la SAT. Ces stations sont également équipées d'OUS. Les mesures Doppler recueillies sont analysées ; la précision est évaluée ainsi que la stabilité des oscillateurs. Dans un deuxième temps, l'ensemble des mesures est utilisé pour le calcul des positions relatives des deux stations et conduit à des résultats tout à fait encourageants pour l’époque, au niveau de quelques 5 mètres.
  DIADEME-1 et 2, lancés les 8 et 17 février 1967, auront la même instrumentation que DIAPASON, mais des réflecteurs laser seront en plus implantés sur toute la surface disponible. Cette fois, les mesures Doppler et laser seront utilisées conjointement dans une campagne de recherche à plus grande échelle, ouverte à la communauté scientifique, la "RCP 133, Recherche Coordonnée sur Programme du CNRS". Ceci doit permettre de comparer les techniques entre elles et d’apprécier leur apport respectif sur le plan de la géodésie.
  Dans cette campagne, trois sites seront équipés de stations laser et Doppler : l'Observatoire de Haute-Provence, Stephanion en Grèce, et Colomb-Béchar en Algérie (cette dernière station mise en œuvre par l'ONERA, Office national d’études et recherches aéronautiques et spatiales).
  Les résultats de la RCP 133 auront un impact significatif. Elles mettent en relief l'importance de l'utilisation des lois du mouvement du satellite et des équations de la dynamique comme contrainte ; plusieurs méthodes d'exploitation des mesures seront développées, les résultats seront comparés. Les méthodes dites "semi-dynamiques", qui consistent à déterminer en même temps les paramètres de la trajectoire et les positions des stations, sont un compromis satisfaisant qui fera école.
  En ce qui concerne les mesures, il faut noter qu'en quelques mois, les 3 stations laser ont effectué 70 000 mesures laser. L'impact de cette performance sera considérable :

• en France, où elle contribuera à la décision de construire une station laser améliorée avec une meilleure précision ;

• mais aussi, elle permettra de multiplier les contacts multilatéraux visant à l'organisation d'une campagne d'observations laser à plus grande échelle. Ces contacts seront facilités par les 70 000 observations laser, que nous montrerons et distribuerons avec largesse (à cette époque, la station de la NASA avait 600 mesures). Pour résumer, nous étions appelés "The French Laser Men" !

• Photographie sur fond d'étoiles.
  Les premières observations photographiques étaient limitées par la magnitude apparente des objets satellitaires. Pour la plupart des satellites il fallait pour obtenir des images mesurables augmenter les temps de pose, et donc suivre le mouvement du satellite, ce qui ne pouvait être fait avec une monture classique. En France, P. Muller va développer une caméra spécialisée, la caméra Antares comme cela avait été fait avec succès dans plusieurs autres pays : camera Baker-Nunn aux USA, caméra AFU-75 en URSS, caméra Hewitt au Royaume-Uni. Construite à l'Observatoire de Meudon avec une très belle optique qui fut un véritable défi de par son champ de vue et sa distance focale, puis implantée à Nice, elle va obtenir ses premiers résultats au début des années 70. Cependant, sa mise au point s’avèrera délicate, son utilisation lourde pour obtenir des résultats en grande quantité. Par ailleurs, son démarrage interviendra malheureusement trop tardivement au moment où d'autres moyens plus précis et plus faciles d’emploi se présenteront comme les techniques laser et radio. Les résultats ne pourront pas être à la hauteur des efforts consentis et en fait partout dans le monde la technique photographique vers le milieu des années 70 va être assez rapidement abandonnée au profit des nouvelles techniques radio et laser, sauf pour quelques applications spécifiques. Mentionnons toutefois au crédit de la caméra Antarès un résultat qui souleva un certain émoi : les mesures simultanées effectuées avec la caméra de Malvern (UK) permirent de publier les coordonnées des deux sites : la confidentialité qui empêchait l'échange des coordonnées entre pays européens était balayée par ces satellites "passe-frontières".
  
  Un autre effort avait été entrepris pour accroître les durées d'observation et notamment lorsque les satellites étaient dans l'ombre de la Terre : une des solutions était de placer à bord des lampes flash déclenchées à des instants connus ; ce fut le cas pour les satellites Américains ANNA-1B et GEOS-1 La durée limitée des lampes et l'absence d'amélioration de la précision ont conduit à l'abandon de cette technique
  
  L'ONERA mettra en œuvre à cette époque un autre concept : éclairer le satellite depuis le sol à l'aide d'un laser de forte puissance ; on peut alors le photographier. Si l'on dispose au même endroit d'une station laser pour mesurer la distance, on obtient les 3 composantes du vecteur station-satellite. L'idée était séduisante. Le cliché avec la trace du satellite GEOS-1, matérialisée par les points lumineux dus aux lampes flashs ou au laser de puissance a été reproduit maintes fois. Cependant, il s'agit d'une expérience lourde et coûteuse qui restera sans suite compte tenu des progrès fantastiques en précision et en facilité d’emploi réalisés en parallèle par les autres techniques radio et laser.

 L'approche dynamique

Dés les premiers satellites, l'observation des perturbations sur les orbites permit de déterminer les premiers termes du potentiel terrestre et notamment C20, lié à l'aplatissement dynamique et C30, qui traduit la dissymétrie entre les deux hémisphères terrestres. En 1959 et jusqu'au milieu des années 60, des valeurs pour les premiers coefficients du potentiel terrestre, développé en harmoniques sphériques, furent ainsi régulièrement publiées et comparées.

Il s'agit de "produits dérivés" de calculs des trajectoires effectués de toute manière par les centres spatiaux. Les moyens de calcul ne permettaient pas d'aller au-delà ; il en est resté l'idée, à la source de bien des controverses, qu'une activité spécialisée n'était pas nécessaire ! En fait, comme on l’a dit plus haut, les méthodes dynamiques se sont imposées rapidement pour déterminer aussi bien les positions des stations, les paramètres de la rotation de la Terre que les coefficients des développements en harmoniques sphériques du champ de gravité de la Terre.

Systèmes radiofréquences

ÉOLE ... DIALOGUE ... GÉOLE.
Après DIAPASON, l'idée de localiser des objets à partir de mesures entre un satellite et ces objets fut proposée à la fin des années 60. La mission était de suivre les déplacements de ballons déployés dans la stratosphère. Le satellite ÉOLE lancé par la NASA était équipé d'un système de mesures Doppler et distance "double trajet" : les fréquences émises à bord sont reçues par un répondeur sur le ballon qui renvoie le signal vers le récepteur de bord. L'avantage de ces mesures aller-et-retour est de n'imposer aucune contrainte sur les stabilités en fréquence et de minimiser ainsi les équipements sur l'objet à localiser.

D'ÉOLE à GÉOLE
Dés la conception d'ÉOLE, l'idée germait de bâtir sur le même concept un système mondial de localisation et navigation, le système GÉOLE proposé..., en mars 1968 ! Il comportait des satellites à 6 000 kilomètres et un réseau de 50 à 60 stations-sol permettant le calcul de la trajectoire et les positions des stations avec une précision de l'ordre du mètre. GÉOLE ne sera finalement pas décidé. Aujourd'hui encore, on peut penser qu'il constituait une alternative crédible pour les applications qui ont vu le jour depuis.

Le satellite DIALOGUE, expérience probatoire pour GÉOLE, avait été étudié et proposé pour un lancement par Diamant en 1976. L'abandon de Diamant au profit d'Ariane arrêta le développement, mais le projet avait été jusqu'à la fourniture d'une maquette sur table du satellite.

D'ÉOLE à ARGOS
Lors de la conception d'ÉOLE, des actions avaient été menées pour voir si, outre les météorologues, le système pouvait convenir à d'autres utilisateurs. Des contacts avaient été pris en particulier avec des océanographes et leur réponse avait été... peu enthousiaste : s'il était clair que la localisation de bouées présentait un intérêt dans des zones particulières, la nécessité d'un système global n'apparaissait pas nettement.

Au début des années 70, un changement d'attitude est observé. Au plan international, les mêmes océanographes nous disent : "We want a second ÉOLE !" Que s'est-il passé entre temps ? On a simplement découvert que l'océan est partout turbulent et que l'énergie tourbillonnaire est au moins égale à celle des grands courants ! Un système global devient alors nécessaire. Mais les ingénieurs du CNES avaient, eux aussi, fait une découverte : ÉOLE n'était-il pas trop complexe et coûteux ?

L'idée d'utiliser un système "simple trajet montant" permettait de garder le maximum de simplicité pour les balises-sol. Ce sera le concept ARGOS, opérationnel depuis 1978, et qui est réutilisé pour Doris. Nous le mentionnons ici pour montrer combien chaque système nouveau a en réalité une filiation. La sélection naturelle peut aussi être un moteur de l'évolution technologique !