Projet ANR-12-BS06-0009 – VOLTIGE : Vecteurs d’Observation de La Troposphère pour l'Investigation et la Gestion de l'Environnement
Programme : Blanc - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (Blanc SIMI 6)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Gregory ROBERTS (Centre National de Recherches Météorologiques / Groupe d’Étude de l’Atmosphère Météorologique)
Partenaires : Centre National de Recherches Météorologiques; École nationale de l'aviation civile de Toulouse; École nationale de météorologie de Toulouse
Montant : 259900.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 24 mois
Résumé : Vecteurs d’Observation de La Troposphère pour l'Investigation et la Gestion de l'Environnement (VOLTIGE)Les drones pour la recherche atmosphérique
IntroductionAu cours de la dernière décennie, la communauté scientifique a adopté l'utilisation des drones (aéronef sans pilote à bord) comme des outils pour améliorer les observations de la surface de la Terre et des phénomènes atmosphériques. Leur utilisation dans la recherche atmosphérique a augmenté en raison de leur faible coût, taille compacte et la facilité d'utilisation. Les drones ultralégers sont particulièrement adaptés pour observer les phénomènes dans la couche limite atmosphérique à une résolution spatiale et temporelle élevée. À cette fin, VOLTIGE (les Vecteurs d'Observation de La troposphère Pour l'enquête et la Gestion de l'Environnement) a mis au point un système d'observation pour étudier le cycle de vie de brouillard avec les vols simultané des drones ultralégers.Parmi ses principales réalisations, le programme VOLTIGE a 1) développé la capacité de déployer plusieurs drones simultanés, chacun sur une trajectoire adaptative en fonction des capteurs embarqués pour étudier le cycle de vie de brouillard, 2) engagé de nombreux étudiants dans le développement et l'intégration des capteurs et des drones, et 3) lancé un programme d’observation qui est une première étape vers le déploiement des drones dans un réseau opérationnel de Météo France.
MéthodologieLe projet VOLTIGE est basé sur les drones ultralégers à l’aile-fixe qui ont été équipés avec le système de navigation autonome open-source de Paparazzi (http://paparazzi.enac.fr/). La navigation inertielle permet un contrôle autonome, même pendant les événements de brouillard et la communication par radio relaie les données scientifiques à la station sol afin de surveiller les retours scientifique en temps réel.  Le poids total des drones VOLTIGE au décollage est inférieur à 2 kg y compris une charge utile scientifique jusqu'à 200 g. Les capteurs embarqués comprennent la pression, la température, l'humidité relative, le flux solaire, la turbulence et l’extinction de nuage.  Un système d'acquisition centralise la collecte des données à haute fréquence et transmet une partie des données à la station au sol par le système de navigation.  Comme le poids des charges utiles est relativement limité, chaque drone est équipé d’une charge utile modulaire en fonction de son rôle scientifique.  Trois plates-formes à vocation scientifique ont été développées pour le projet VOLTIGE – leurs fonctions comprennent les mesures de flux solaires, de turbulence et de nuages. Chaque plate-forme a également été équipée de capteurs météorologiques. Les plans de vol ont été développés tels que les plates-formes volent simultanément pour étudier l'évolution du brouillard. En outre, le pilote automatique intègre les données des capteurs pour changer automatiquement les trajectoires de vol basée sur une condition atmosphérique particulière.
Résumé de la soumission : Le sujet proposé a pour but le développement d’un nouveau système de mesures in-situ destiné à améliorer l’observation de l’atmosphère terrestre. Les processus de couche limite sont particulièrement visés. L’acronyme VOLTIGE signifie : Vecteur d’Observation de La Troposphère pour l’Investigation et la Gestion de l’Environnement.   Historiquement les radiosondages sont le seul moyen de routine d’obtention des profils de l’atmosphère terrestre. Cette méthode ne peut embarquer qu’un nombre limité de capteurs (température, humidité relative et pression). Le projet proposé, centré sur des drones, a pour ambition de relever les défis scientifiques et techniques relatifs à l’observation de l’atmosphère pour des applications scientifiques et civiles.   Les modèles de recherche et de prévision météorologiques ont longtemps souffert d’un vide entre les mesures de l’atmosphère au sol et par satellite. En conséquence, certains phénomènes atmosphériques, comme les interactions aérosol-nuage, restent l’une des incertitudes majeures dans la compréhension du changement climatique. A l’échelle régionale et aux échelles temporelles courtes par rapport au changement climatique, les mauvaises conditions météorologiques engendrent également des risques pour le secteur des transports, particulièrement lors de faibles visibilités. Les améliorations futures des modèles numériques de prévision du temps et des simulations climatiques reposent sur des observations systématiques des paramètres atmosphériques sur la verticale (amélioration de l’intégration des mesures in-situ et satellite).   Le but de VOLTIGE est d’occuper une niche pour les drones en développant une capacité à réaliser des profils verticaux et des observations coordonnées. Une sonde ré-utilisable contenant différents capteurs sera introduite afin d’aborder des thèmes scientifiques particuliers (e.g. cycle de vie du brouillard). Ce projet a deux objectifs majeurs : 1) augmenter notre capacité scientifique d’observation de l’atmosphère et de la surface de la Terre ; et 2) impliquer les étudiants dans les avancées technologiques récentes en météorologie et aéronautique.   L’intérêt particulier de VOLTIGE est que le projet proposé tire parti de moyens de mesure existants pour observer les paramètres principaux liés au cycle du brouillard au travers d’un réseau de capteurs. L’occurrence d’événements de brouillard est très problématique pour les gestionnaires d’aéroport et pour les compagnies des transport aérien. La prévision de ces événements reste pourtant un défi : l’information fournie par les simulations numériques des modèles météorologiques classiques est insuffisante pour les prévoir ou les reproduire. Actuellement la plupart des études sur le brouillard sont limitées à des mesures au sol qui utilisent des techniques de télémesure pour explorer la structure verticale. De plus, les mesures aéroportées in-situ du brouillard sont possibles uniquement avec des ballons et sont rarement mises en place pour la recherche.   VOLTIGE développe les outils nécessaires à la construction d’un moyen d’observation qui s’étend au-delà des applications scientifiques spécifiques proposées ici. Ainsi, en couplant nouvelles technologies et science innovatrice, ce projet intègre une nouvelle génération de scientifiques et d’ingénieurs à l’INP-ENM (École Nationale de la Météorologie) et l’ENAC (École Nationale de l’Aviation Civile). La prospective d’intégrer VOLTIGE dans un réseau opérationnel fera partie de la formation des étudiants de l’ENAC et de l’INP-ENM. Ces systèmes de faible coût pourront être déployés pour d’éventuelles utilisations opérationnelles en prévision météorologique et en suivi de panaches toxiques en cas d’accident industriel ou de panaches de cendre lors d’éruptions volcaniques. En cas de réussite, ce projet pourra développer ces drones ultra-légers comme des plates-formes d’observation  pérennes et rentables pour les sciences de l’atmosphère.
Résultats : Plus de 160 vols et plus de 35 heures de vol ont été menées dans le cadre du projet VOLTIGE. Cinq plates-formes différentes ont été effectuées au cours du projet, y compris une aile volante avec quatre surfaces de contrôle pour séparer l’élévateur et l’aileron afin de réduire l'enveloppe d'angle de tangage et d'améliorer la mesure de la turbulence et de l'albédo.  Quatre avions ont volé simultanément, chacun avec différents plans de vol et charges utiles scientifiques. La mesure des capteurs a été utilisée par le pilote automatique afin d’adapter son vol en fonction des conditions atmosphériques particulières.  Quelques vols ont été effectués au cours de dissipation d’un brouillard, mais il en général nous avons trouvé qu'il est difficile de coordonner les vols en fonction d’une prévision de brouillard  dans une période de quelques semaines accordée par les autorités aériennes.
Néanmoins, les profils verticaux de température et d’humidité ont été comparés au modèle de prévision opérationnel à fine échelle AROME de Météo France, et les résultats suggèrent que les modèles de prévision peuvent être améliorés en utilisant des mesures fréquentes et à une haute résolution verticale.  La Basse Couche Campagne (BAC+) a été lancé en collaboration avec le l'École de l’aviation légère de l’armée de la Terre (EALAT) afin d'effectuer des vols réguliers des drones dans les Landes - une région qui a souvent du brouillard. BAC+ présente une première étape vers un réseau opérationnel de drones à Météo France. Finalement, le projet de VOLTIGE a été un élément clé dans la réalisation des collaborations entre les laboratoires de la région toulousaine ainsi qu’au niveau européen.
Perspectives : Le programme VOLTIGE a engagé de nombreux étudiants au cours du projet, y compris des étudiants en masters de recherche, de nombreux stages et des cours de formation. L'École Nationale de la Météorologie enseigne, depuis 2012, le développement et l'intégration des capteurs sur les drones dans le cadre de son programme d'études.
Publications et brevets : L'objectif du projet VOLTIGE était de montrer la faisabilité du déploiement drones ultralégers pour les études de brouillard en utilisant une approche intelligente, multi-observation. Bien que de nature technique, le projet a donné lieu à un certain nombre de rapports et publications, notamment des articles dans Météo et Climat, Le Journal du CNRS, et INP Toulouse Communique.  Ces publications ont attiré l'attention du public vers l'utilisation des drones pour la recherche atmosphériques.  La présentation des résultats du projet s’est fait lors de conférences nationales et internationales.