4 Août 2022

[#60ansCNES] Le CNES, à l’avant-garde de l’altimétrie depuis l’origine

De TOPEX-Poséidon à SWOT, le CNES a contribué au 1er rang à l’émergence et à l’évolution de l’altimétrie spatiale. Sophie Coutin-Faye, responsable de la filière altimétrie, et François Boy, chef de projet au CNES de la mission Sentinel 3 NG Topographie, partagent leur vision sur cette spécialité dont la France est un acteur majeur depuis 30 ans.
Où en était-on de l’altimétrie spatiale lors de votre arrivée au CNES ?

Sophie Coutin-Faye : C’était le tout début. Le 1er programme d’altimétrie de haute précision du CNES, TOPEX-Poséidon, était en préparation pour un lancement en 1992. C’était aussi la 1ère coopération de grande ampleur avec la NASA. Cette mission a été une révolution pour la connaissance des océans. Jusque-là, on disposait de quelques mesures réalisées depuis des bateaux ou des satellites moins performants, et subitement, avec TOPEX-Poséidon, optimisé pour ce besoin, on a pu réaliser une cartographie très précise de la topographie dynamique des océans, que l’on répète tous les 10 jours depuis ce temps. En effet, cette série s’est poursuivie avec les satellites Jason 1, 2 et 3, et plus récemment Jason-CS également appelé Sentinel 6A, qui ont pris le relais sans interruption. 

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Sophie Cousin-Faye Crédits : CNES/Pierre Jalby

L’altimétrie est une des rares mesures qu’on ait réussi à pérenniser. Initialement, il s’agissait de comprendre le fonctionnement des courants, le déplacement des masses d’eau, avec la partie dynamique de la topographie des océans, mais en améliorant la précision de nos systèmes de mesure et la correction des perturbations, nous avons réussi à aller beaucoup plus loin que ces objectifs de départ pour restituer des tendances et en particulier l’évolution du niveau moyen des océans, traceur du changement climatique. C’est notamment pour atteindre cette précision que le CNES a développé le système d’orbitographie précise DORIS, basé sur un réseau de 55 stations réparties sur le globe qui émettent vers les satellites d’altimétrie équipés du récepteur. Il n’y avait pas auparavant de tel système, qui offre une restitution d’orbite centimétrique indépendante de la mesure de l’altimètre.

Nous aimons rappeler le constat exprimé par nos collègues responsables scientifiques lors de colloques au milieu des années 1990 :

 “Topex est une révolution dans notre compréhension de la dynamique océanique.” Gageons qu’il en sera de même avec la nouvelle génération SWOT ! Une révolution se profile.

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L'équipe franco-américaine du programme Topex-Poseidon en 1992. Crédits : CNES

François Boy : Pour ma part, je suis arrivé en 2004 comme responsable du centre de traitement des données de la mission Jason-2. L’altimétrie était déjà établie, et j’ai assisté à son évolution d’un concept de R&D qui avait montré un immense apport pour la science et l’observation des océans vers une utilisation opérationnelle. Jason-2 a opéré cette mutation en répondant aux besoins opérationnels des agences américaine, la NOAA, et européenne, EUMETSAT. Il a fallu déployer des systèmes de traitement des données, former les équipes, s’adapter à ce nouveau contexte opérationnel et multi-agences.

Depuis, je suis resté dans le domaine de l’altimétrie, mais j’ai rejoint après quelques années les équipes en charge de la R&D sur l’algorithmie : les instruments, les modes de mesure, le traitement des données scientifiques, les capacités informatiques ont considérablement évolué et ont permis d’améliorer les performances. Nous progressons encore aujourd’hui dans l’interprétation de la physique de la mesure grâce au support de nos partenaires des laboratoires. C’est un des axes forts dans cette thématique, qui donne au CNES un positionnement reconnu par nos partenaires.

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François Boy Crédits : CNES/Thierry de Prada, 2022

Comment avez-vous vu évoluer le domaine de l’altimétrie ?

Sophie Coutin-Faye : L’altimétrie est marquée depuis l’origine par l’axe de coopération très important entre le CNES et la NASA. Nous avons créé ensemble une communauté internationale au fil du temps, avec laquelle nous avons travaillé étroitement pour améliorer nos façons de traiter les données et de les corriger. Nous avons aussi travaillé sur des améliorations des instruments avec les industriels, sur la restitution d’orbite et  sur une meilleure prise en compte des perturbations liées au satellite, c’est dans ces 3 domaines que résident les optimisations qui conduisent à la haute précision. On les doit à l’expertise des ingénieurs du CNES et la construction d’un véritable écosystème autour du Centre Spatial de Toulouse, dans les laboratoires scientifiques et les sociétés, en particulier CLS, filiale du CNES et plus récemment MERCATOR, centre européen de prévision océanographique.

Les visionnaires qui ont imaginé l’altimétrie se doutaient également qu’elle nous permettrait de comprendre énormément de phénomènes, et nous avions déjà des idées d’applications quand nous avons lancé TOPEX-Poséidon. Tous ces aspects ont été développés et sont utilisés au quotidien : le routage des bateaux, la propagation des nappes de pétrole, etc. CLS est d’ailleurs en pointe dans cette dimension applicative. 

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Premier résultat Jason : carte de la distribution géographique des hauteurs de vagues, de 50 m à 6 m. Période du 25/01/2002 au 04/02/2002. Crédits : CNES

François Boy : Sur le plan des technologies, certains exemples sont parlants. Au niveau de l’instrumentation radar, l’altimètre POSEIDON-4 de la mission Sentinel-6, développé par la société Thales Alenia Space, offre une précision de mesure de la hauteur des océans 2 fois meilleure que les anciennes générations des Jason. Il a fallu aussi adapter toute la chaîne de traitement de ces nouvelles mesures et le CNES a joué et joue encore un rôle fort dans ces travaux R&D.

 La bascule de l’altimétrie radar dans le monde opérationnel laisse penser que les technologies se sont stabilisées. Au contraire, l’altimétrie continue d’innover, de s’améliorer, tout en garantissant une continuité de service.

Le contexte programmatique a également beaucoup évolué, avec de nouveaux partenaires, et de nouveaux acteurs comme l’Inde et la Chine. Grâce à l’implication forte de nos laboratoires scientifiques comme le LEGOS à Toulouse, on s’est aperçu aussi que la mesure altimétrique était pertinente au-delà des océans, sur l’hydrologie continentale pour observer les rivières et les lacs. Ce système de mesure a aussi été décliné sur d’autres surfaces : par exemple, la mission Cryosat-2 de l’ESA a pour objectif principal l’observation des glaces polaires, et la future mission Cristal prendra sa suite au sein du programme Copernicus dans quelques années. 

Aujourd’hui, l’altimétrie joue un rôle essentiel dans l’observation du changement climatique…

Sophie Coutin-Faye : Dans la classification du changement climatique, la montée du niveau des océans est la première variable essentielle du climat. L’altimétrie met en évidence des accélérations, elle alimente les rapports du GIEC depuis de nombreuses années. Tout notre travail consiste à s’assurer qu’il s’agit bien d’une accélération et de garantir la fiabilité des données. C’est pour cela que chaque nouveau satellite commence par suivre l’orbite de son prédécesseur pendant une durée définie : Sentinel 6 vient ainsi de passer 1 an et demi positionné 30 secondes derrière Jason 3, afin de pouvoir comparer tous les éléments possibles et de garantir ses performances. C’est là notre engagement premier. 

François Boy : L’observation du changement climatique est la grande vitrine de l’altimétrie. Le chiffre de montée des eaux de 3,5 mm par an donne à lui seul l’idée du défi technologique que représente cette mesure. Cela nécessite des instruments très précis et une maîtrise de tout le système pour réduire au maximum les erreurs d’estimation.Pour exemple, l’objectif de la phase de validation en orbite de la mission Sentinel-6 a été de la « raccorder » à la mission de référence précédente Jason-3 à 0,5 mm près. Au-delà, cette erreur a des incidences sur les modèles de prévision. C’est le grand savoir-faire du CNES dans cette thématique.

 

Avec le prochain lancement de SWOT, l’altimétrie entre-t-elle dans une nouvelle époque ?

Sophie Coutin-Faye : Cette nouvelle génération d’altimétrie à champ large représente une grande innovation technologique. SWOT, mission phare franco-américaine dont le lancement est prévu en fin d’année 2022, nous permettra d’aborder l’hydrologie en balayant toutes les surfaces terrestres en plus de l’océanographie à fine échelle, et donc apportera des quantités de nouvelles données qui soulèveront de nouvelles problématiques. A nous ensuite de voir comment intégrer ces mesures dans le cadre de Copernicus, et pour cela nous espérons bien convaincre nos partenaires européens de leur intérêt.

François Boy : SWOT va sans aucun doute marquer les esprits en fournissant pour la 1ère fois des images de la hauteur des océans et des rivières et lacs, là où l’altimétrie actuelle fournit des points de mesure sous la trace. Je suis impatient de vivre cette nouvelle révolution. Nous travaillons aussi aujourd’hui à définir le concept de la mission de Sentinel-3 NG Topographie du programme Copernicus en support de l’ESA, et nous sommes convaincus que l’avenir passera par le concept de mesure embarqué sur SWOT. D’une certaine manière, nous revenons à l’origine, quand les pionniers du CNES ont imaginé la mission TOPEX-Poséidon, qui a ensuite migré vers le contexte opérationnel Jason-2.

 Nous espérons que SWOT constituera dès 2023 la démonstration R&D de ce concept de mesure pour une intégration opérationnelle à l’horizon 2030. 

 

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CNESMAG #93 - SWOT : Planète eau

Notre Terre doit son surnom de planète bleue aux océans qui couvrent plus de 70 % de sa surface. Mais, dans un contexte de dérèglement climatique, leur «état de santé» inquiète, leur rôle doit être défini en profondeur. C'est l'objectif de la mission franco-américaine SWOT qui sera lancée prochainement.

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