Sujet de thèse

Projet Maris Stella

titre de la thèse

Projet MARIS STELLA : capteur optique et inertiel pour déterminer la position et les attitudes d’un navire

Présentation du projet

La navigation d’un véhicule, sur terre, sur mer ou dans l’atmosphère, nécessite de connaître sa position (au minimum latitude et longitude) et ses attitudes (au minimum son cap).

Les observations humaines « à l’œil » avec la boussole, le compas ou le sextant sont imprécises voire longues à accomplir. Pour les besoins modernes de la navigation d’une voiture, d’un navire ou d’un avion, les systèmes radioélectriques sont mis en œuvre avec des constellations de satellites. Ainsi la navigation peut être automatisée et immédiate pour soulager le conducteur, le chef de quart ou le pilote… voire pour le remplacer. Les moyens « traditionnels » sont abandonnés ou relégués à un rôle de secours lorsque le système principal de positionnement est hors d’usage.

Les systèmes de positionnement par satellite permettent de calculer en temps quasi-réel, avec une grande précision :

  • la position du véhicule en trois dimensions (latitude, longitude, altitude) ;
  • ses attitudes (cap, gîte, assiette) ;
  • le temps (date et heure).

La facilité d’accès à ces informations et le prix dérisoire du récepteur a poussé de nombreuses activités humaines à s’équiper : G.P.S. des téléphones portables (pour chercher un taxi près de sa position…), logiciels de guidage en voiture, géolocalisation de flottes de camions, navires, drones, mais aussi serveurs informatiques pour la synchronisation et la sécurité des réseaux de données ou d’énergie, etc… Peu à peu, la majorité des activités humaines devient dépendante de ce « service gratuit ».

Ce service de positionnement (espace et temps) est financièrement supporté par la ou les nations qui le mettent en œuvre. Si la motivation est la sécurité des personnes ou une exploitation commerciale pour certains systèmes, c’est aussi la dépendance stratégique du reste du monde pour d’autres : le G.P.S. américain et le GLONASS russe sont pilotés par l’armée et chaque système recèle des possibilités de dégradations volontaires de la précision, ou d’interruption totale du service. Cet intérêt stratégique justifie le coût exorbitant d’une constellation de satellites et de sa modernisation permanente. Afin de réduire le coût d’exploitation de GALILEO, le projet européen prévoit un financement par des abonnements payants pour l’accès à des services améliorés de positionnement.

La vulnérabilité d’un système de positionnement par satellite n’est pas due seulement à cette dépendance. Des événements naturels peuvent également en perturber les transmissions et l’intervention humaine peut en altérer le fonctionnement.
L’état de l’ionosphère est difficile à prévoir à moyen terme et sa traversée par les ondes radio, des satellites vers le récepteur, crée des erreurs sur les mesures. De violentes éruptions solaires peuvent temporairement neutraliser un ou plusieurs satellites de positionnement.
L’émission volontaire de signaux radio ressemblant à ceux des satellites de positionnement peut perturber le service de positionnement voire le rendre inopérant pour les récepteurs ainsi « brouillés ». Depuis quelques années cette technique atteint des raffinements extrêmes, permettant d’émettre des signaux usurpant l’identification de vrais satellites et modifiant la position calculée par les récepteurs ainsi « leurrés » : par exemple, quelques kilomètres au Nord de la position réelle.

La recherche de précision est peu à peu conditionnée par une exigence de robustesse : un système qui résiste aux perturbations humaines et, si possible, aux limitations naturelles. Les moyens « traditionnels » de navigation regagnent ainsi un intérêt de la part des militaires d’abord, mais du monde civil aussi : la gratuité du « segment spatial », la difficulté de brouiller ou leurrer volontairement la position des astres naturels et l’indépendance stratégique sont d’énormes avantages en comparaison des systèmes de positionnement par satellite.

Ces moyens « traditionnels », qui servaient de secours à une navigation longue et imprécise, sont remis en œuvre avec toute la précision et la rapidité que les technologies modernes permettent. D’abord isolé aux missiles de croisière et avions militaires en haute altitude, ces capteurs sont attendus sur mer et sur terre. Entre ces deux situations, la basse atmosphère pose de nombreux défis : faible transmission de la lumière, turbulences atmosphériques, opacité des précipitations et aérosols.

Le projet MARIS STELLA étudie la faisabilité d’un système permettant de déterminer la position, les attitudes (et plus tard le temps) à partir de la seule observation des astres, de jour comme de nuit. Ce capteur optique et inertiel doit permettre une navigation autonome, automatique et précise sans recourir à une connexion internet ni à un recalage extérieur (autre qu’astral).

Partenaires

ENSM (Ecole Nationale Supérieure Maritime)

Partenaires éventuels ou programme associé à la thèse


Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (tutelles Aix-Marseille Université, C.N.R.S., CNES)

Autres partenaires et programmes en attente d’accord de collaboration par le service « développement et partenariats » de l’ENSM.

CV du doctorant

1997 diplôme d’ingénieur de l’École Navale & chef de quart de la Marine Nationale

1999-2001 second sur le navire hydrographique « LAPLACE »

2002-2020 professeur de l’enseignement maritime (navigation, astronomie nautique, mathématiques, mécanique)

2013 mémoire de brevet technique « L’avenir de la navigation astronomique dans la marine marchande » (prix DAVELUY décerné par le Centre d’études stratégiques de la Marine)

2018-2022 thèse au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Unité Mixte de Recherche 7326), école doctorale « Physique et Sciences de la Matière » (ED352) en spécialité « Optique, Photonique et Traitement d’Image »

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