Brevet FR2654850A1 — publié le 19910524

La pressente invention concerne un dispositif de calcul automatique de la hauteur de la marée dans un lieu donné et en temps réel. Les personnes habitant a proximité des côtes des mers à marnage important comme la Manche et l'Atlantique sont tout particulièrement concernées par les prédictions de hauteurs d'eau, afin de connaître l'heure de découverte de certains sites de pèche, de certaines roches dangereuses pour la navigation, de passages découvrant à basse mer vers des îles (ex : le passage du Gois à Noirmoutier) ou pour les marins l'heure où un navire échoué peut étire remis à flot. Le calcul de la hauteur d'eau dans un port pour une date et une heure données est traditionnellement effectue à l'aide d'un annuaire des marées qui indique l'heure et la hauteur des pleines mers dans quelques ports, dits principaux. La hauteur à une heure quelconque est ensuite interpolée à l'aide d'abaques, de calculs trigonométriques ou encore à l'aide de la "rogue des douzièmes suivant le niveau de précision requis Pour la majorité des ports, dits secondaires, cette interpolation est précédée d'une correction de hauteurs de niveaux et d'heures des pleines mers et basses mers.Ce calcul effectué Z l'aide d'une calculatrice électronique de type scientifique non programmable prend 15 minutes pour une personnes expérimentée (temps alloué pour le calcul correspondant, le calcul nautique n 4 bis des examens de la Marine Marchande). Or durant ces 15 minutes, la hauteur d'eau peut varier de près d'un mètre dans certaines conditions. Le résultat obtenu doit ensuite être corrigé en fonction de la pression atmosphérique.Un vent fort soufflant perpendiculairement a la câte peut également entraîner une différence entre le résultat du calcul et la hauteur réelle Toutes ces opérations entraînent les inconvénients suivants - nécessité de posséder un annuaire (validité 1 an en général), - connaissance des formules pour exploiter l'annuaire, - temps de recherche et de calcul élevé, environ 15 minutes, - caractère éphémère du résultat obtenu, - risque d'erreur. De plus pour une précision élevée il est nécessaire d'utiliser un baromètre, un anémomètre et de connaître l'influence locale du vent Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients en éliminant au maximum l'intervention de l'utilisateur. Il comporte en effet un calculateur électronique qui effectue en quelques secondes, sans risque d'erreur les recherches de données et de calculs de la hauteur. Une base de données fournit au calculateur les paramètres astronomiques et les constantes harmoniques locales nécessaires au calcul. Une horloge temps réel fournit la date et l'heure qui permettent de déduire la phase des ondes de marée à l'instant présent. Le calcul est repris indéfiniment de manière à obtenir une hauteur constamment à jour.Enfin un affichage optique permet à l'utilisateur de consulter les résultats du calcul. L'affichage peut être de type numérique, l'indication étant alors directe selon une l'unité convenant à l'utilisateur (mètre ou brasse pour les anglais ) de manière à supprimer les erreurs d'interpolation. Une autre version du dispositif peut être équipée d'une base de données enrichie des constantes harmoniques de plusieurs lieux géographiques, un sélecteur ou clavier permettant à l'utilisateur d'effectuer un choix. Une autre version du dispositif peut contenir un capteur barométrique et son interface avec le calculateur, pour corriger localement, à l'instant présent et automatiquement la hauteur prédite de manière à améliorer la précision du résultat. Le dispositif peut être équipé d'une horloge à quartz de manière h fournir l'heure précise pour le calcul pendant plusieurs mois sans remise à l'heure. Une version du dispositif équipée d'un clavier peut permettre à l'utilisateur de demander l'affichage d'informations qui découlent du calcul de la hauteur - l'heure présente, - la hauteur et l'heure des extremums (pleine et basse mers), - la prédiction de hauteur ou d'extremum pour une date quelconque ou pour un lieu quelconque en substituant une date ou (et) un lieu saisi(s) par l'utilisateur aux informations de l'horloge ou (et) de la base de données, - la prédiction de l'heure où la marée atteindra une hauteur donnée, - la pression atmosphérique pour un dispositif équipé d'un capteur barométrique. Une version avec un affichage multiple peut indiquer plusieurs de ces informations simultanément. Une version du dispositif réalisée entièrement avec des composants électroniques permet de réaliser un dispositif de faible taille à source d'énergie unique. Le dispositif précédent peut être réalisé avec des composants à faible consommation (CMOS/LCD) pour permettre une alimentation par pile ou batterie et rendre le dispositif autonome et facilement transportable. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 represente le principe du prédicateur selon l'invention. La figure 2 represente un mode de réalisation possible du dispositif, détaillé par la suite. la figure 3 represente la face avant de la réalisation selon la figure 2. La figure 4 represente la gestion des taches du calculateur pour le mode de réalisation détaillé. Description détaillée Le dispositif représenté sur la fig.2 est indu dans un boitier d'environ 150 mm x 120 mm x 40 mm, dont la face avant est représentée en fig. 3. Le calculateur (1) est composé d'un microprocesseur (9) piloté par un quartz (10), d'une ROM (11) contenant le programme de calcul et d'une RAM (12) pour les variables intermédiaires de calcul. L'affichage (3) est réalisé à l'aide de deux afficheurs LCD, le premier (13) de type 3 digit 1/2 composés d'afficheurs 7 segments permet d'indiquer des hauteurs comprises entre 00,00 m et 19,99 m, le second (14) compos de 16 matrices de 5x7 points donne des informations diverses qui dépendent du mode d'affichage choisi: le nom du port (34) l'heure (35) et l'indicteur de variation (flot ou jusant) ou les heures et hauteurs des pleines et basses mers.L'interrupteur (33) commande l'éclairage des afficheurs.La base de données (4) est composée d'une ROM (15) fixe contenant les paramètres astronomiques et d'une ROM enfichable (i6) qui contient les constantes harmoniques de quelques ports voisins et que l'on peut rempla#er suivant la zone d'utilisation du dispositif. L'horloge (2) est réalisée à l'aide d'un composant spécifique le MC146818 qui fourni un calendrier sur cent ans ainsi que l'heure précise gracie à un quartz externe (17). L'énergie nécessaire au fonctionnement de l'ensemble est fournie par une batterie de piles (19). Contrairement au reste du dispositif l'interrupteur marche-arrêt (18) ne coupe pas l'alimentation de l'horloge, de sorte qu'elle continue de fonctionner lorsque le calculateur est stoppé La date reste ainsi à jour au prix d'une consommation réduite. Le module horloge contient également une RAM sauvegardée (20) qui stocke diverses informations de configuration comme le nom et les constantes harmoniques du port utilisé avant l'arrêt du calculateur. Un clavier (30) composé de 3 boutons poussoir PM (21), SEL (22) et BM (23) et d'un registre d'interface (31) constituées de bascules "set-reset" permet à l'utilisateur de communiquer avec le calculateur pour choisir le lieu, remettre à l'heure, demander l'heure de Pleine Mer ou de Basse Mer. Enfin un capteur barométrique (24) est interfacé au calculateur à l'aide d'un convertisseur digital analogique (25 > . Le transfert des données entre les organes périphériques et le calculateur se faisant grSce à un bus de données unique (26) les décodeurs (27) et (28) permettent au microprocesseur de selectionner la source ou la destination des données échangées. Ces décodeurs sont constitués de boitiers démultiplexeurs qui utilisent les bits d'adresse de poids fort du microprocesseur pour la selection de ressource et les sorties requête mémoire (MEMRQ) et ffrequête entrée-sortie# (IORQ) pour leur validation respectives. Le calcul de la marée est déclenché périodiquement par l'horloge gracie au signal INTERRUPT (29). PRINCIPE Le calcul de la hauteur découle des travaux de Darwin que l'on retrouve dans plusieurs ouvrages du commerce. La marée en un lieu est en fait constituée d'une somme infinie d'ondes sinusoïdales de périodes et de phases différentes. Les ondes sont dues aux mouvements relatifs du soleil, de la lune et de la terre. Etant donné la précision de quelques centimètres requise pour notre utilisation, seules les dix ondes les plus importantes sont prises en compte. Les données astronomiques et les constantes harmoniques sont fournies par le Service Hydrographique de la Marine (5HOM). A la mise sous tension, le microprocesseur effectue une série d'initialisation : adresse de la pile, selection du mode d'interruption, checksum de la ROM, effacement des afficheurs, lecture de l'heure et du nom du port sauvegardé lors de la précédente utilisation du dispostif pour affichage sur l'afficheur N2. Le calculateur effectue ensuite un premier calcul de la hauteur en utilisant les routines arithmétiques classiques contenues dans la ROM calculateur : 4 opérations à virgule flottante et fonctions trigonométriques. Pour cela il détermine le temps écoulé depuis une date de référence D gracie à la date actuelle fournie par l'horloge.La base de donnée contient la position des éléments astronomiques nécessaires aux calculs pour la date D ainsi que leur évolution en fonction du temps. Le calculateur déduit donc la position des éléments astronomiques à l'instant du calcul, puis l'état des ondes associées. L'influence de chaque onde pour le port concerné est contenu dans la ROM de constantes harmoniques de la base de donnée, ce qui permet au microprocesseur de calculer successivement les hauteurs partielles dues à chaque onde à l'instant du calcul puis de les additionner pour obtenir la hauteur prédite. Une lecture du capteur barométrique par l'intermédiaire du convertisseur analogique digital permet d'ajouter un terme correctif qui affine la précision de la hauteur estimée. Cette hauteur corrigée est alors présentée sur l'afficheur nç1. Les interruptions sont ensuite autorisées. Elles peuvent provenir soit de l'horloge, soit du clavier. Les interruptions de l'horloge interviennent toutes les minutes et entraînent un simple recalcul de la hauteur. L'interruption du clavier intervient lors d'un appui sur l'un des trois boutons poussoir. Le microprocesseur interrompt la tache en cours pour aller lire tampon de bus sur lequel sont reliés les boutons poussoir. Si l'un des bouton est actifs, alors le microprocesseur exécute la tache prioritaire demandé par l'utilisateur, sinon l'interruption provient de l'horloge. Un appui sur le bouton PM fait afficher sur l'afficheur Nv 2 le jour (LUN, MAR, MER ), l'heure et la hauteur de la pleine mer la plus proche de l'heure actuelle. Chaque nouvel appui sur le bouton PM entrainera l'affichage dans l'ordre des six prochaines pleines mers puis des deux pleines mers précédentes dans la mesure où elles auront été calculées. Le bouton BM affiche les basses mers selon le même principe. Le bouton SEL permet de sélectionner les fonctions de contrôle du dispositif. Un appui sur ce bouton met le dispositif en mode de changement de port. Les ports contenus dans la ROM enfichable sont rangés dans l'ordre de rencontre sur les côtes de manière à se présenter dans un ordre logique pour le marin qui effectue une navigation costière. Un appui simple sur le bouton PM entraîne le changement d'un port dans une direction, le bouton BM entraine le changement dans la direction opposée. Un appui continu sur l'un des deux boutons PM et BM entraîne un défilement rapide des ports. La validation d'un nouveau port s'effectue en appuyant à nouveau sur la touche SEL. Dès qu'un nouveau port est validé, un calcul de hauteur est effectue avec les nouvelles constantes harmoniques pour remettre la hauteur affichée à jour.Un double appui sur le bouton SEL met le dispositif en mode mise à l'heure. Le principe de la mise a l'heure est le mÇme que sur les horloges digitales courantes en utilisant les boutons PM et BM. Un triple appui sur le bouton SEL met le dispositif en mode prédiction. La date et l'heure de la prédiction sont entrées comme dans le cas de la mise a l'heure, le calcul est effectué sans correction barométrique et le résultat présenté sur l'afficheur nv2. Les heures de Pleines Mers et Basses Mers pour cette date sont disponibles après quelques secondes en appuyant sur les boutons PM et BM. Les calculs d' extremums sont effectués lorsque le microprocesseur est disponible, c'est-à-dire en dehors du calcul de la hauteur (quelques secondes toutes les minutes) et du traitement des ordres clavier. Les 12 extremums suivants (correspondant à 3 jours de prédictions) et les 4 extrêmums précédents l'heure actuelle sont calculés et stockés dans la mémoire RAM, afin de pouvoir être affichés instantanément sur demande de l'utilisateur. Pour effectuer un calcul d'extrÇmum, on assimile la marée à une sinusoïde pure de forme : h = A cos (wt + p) h:hauteur à l'instant t A:Amplitude ou demi-marnage w:Pulsation de la marée La marée dans nos régions est de type semi-diurne de période approximative 12 H 26mn. Une première hauteur h1 ayant déjà été calculée, une prédiction h2 pour un instant t2 nous permet de determiner le dephasage "p" et donc de déduire l'heure t0 de l'extrêmum. Ce calcul est bien sur approximatif. Dans un deuxieme temps on calcule deux hauteurs à t0-dt et t0+dt. On remarque que pour dt faible (dt#20 mn), le rapport de l'écart entre ces deux nouvelles hauteurs sur le marnage est proportionnel à l'écart entre tO et l'heure effective de l'extrêmum. Ceci nous permet de trouver l'heure précise de l'extremum grâce à une interpolation linéaire simple.Nêcessitant seulement 3 calculs de hauteurs, le calcul d'un extremum dure moins de 10 secondes. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour calculer la hauteur de la marée en temps réel caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur électronique (1) opérant d'après les paramètres astronomiques et les constantes harmoniques locales fournies par une base de données (4) et d'après la date et l'heure fournies par une horloge temps réel (2). Un afficheur optique (3) présente le résultat du calcul. Le dispositif comprend de plus les interfaces (5,6,7) necessaires au couplage de l'horloge, de la base de données et de l'affichage avec le calculateur. 2) Le dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un clavier (30). 3) Le dispositif selon la revendication 2 caractérisé par une base de données (4) contenant les constantes harmoniques de plusieurs ports. 4) Le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un affichage numérique (13). 5) Le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'horloge (2) est régulée par un quartz (17). 6) Le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un capteur barométrique (24) et son interface (25). 7) Le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un affichage multiple (13,14). 8) Le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que tout ses composants sont électroniques (fig.2). 9) Le dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'affichage est de type à cristaux liquides et que les autres composants sont de type CMOS.