Brevet FR2748121A1 — publié le 19971031

PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXPLORATION SCIENTIFIQUE DE LA CALOTTE POLAIRE ANTARCTIQUE L' invention concerne un procédé et un dispositif d'exploration scientifique de la calotte polaire antarctique. L'exploration scientifique de la calotte polaire antarctique est classiquement réalisée au moyen de satellites polaires et géostationnaires. Toutefois, les informations transmises sont relativement limitées, car les satellites polaires ne peuvent assurer des observations en continu du fait de leur défilement, et les satellites géostationnaires ont un angle limite de visibilité. La présente invention vise à pallier cet inconvénient et a pour principal objectif de fournir un procédé d'exploration conduisant à la réalisation d'un observatoire à l'échelle de la calotte polaire permettant de prélever en continu pendant plusieurs jours des informations scientifiques. A cet effet, l'invention vise un procédé d'exploration de la calotte polaire antarctique en vue de l'enregistrement de paramètres scientifiques, consistant - à utiliser une pluralité de ballons aptes à évoluer à une altitude élevée et équipés chacun d'une nacelle dans laquelle sont disposés des instruments de prélèvement d'informations scientifiques, des moyens de mémorisation desdites informations, des moyens de localisation de la position du ballon, un appareil horaire comportant une base de temps, et un récepteur de télécommande, - à procéder au lancement de chaque ballon à partir d'une zone géographique située entre les latitudes 700 et 90 sud, avec un rythme de lancement calculé pour obtenir un espacement régulier des ballons et déterminé par le lieu géographique choisi, le nombre de ballons et la vitesse du vent au niveau de l'altitude d'évolution desdits ballons, - à effectuer périodiquement et simultanément pour l'ensemble des ballons des prélèvements d'informations scientifiques et à mémoriser ces dernières, - à installer sur une zone géographique située de façon à être survolée par les ballons, au moins une station au sol dotée de moyens de localisation des ballons et d'un émetteur de télécommande, et à émettre, après un nombre prédéterminé de révolution des ballons, un signal apte à commander une séparation de la nacelle du ballon, lorsqu'un ballon se trouve à l'aplomb de la zone de récupération. De plus, elle s'étend à un dispositif d'exploration de la calotte polaire antarctique comprenant - une pluralité de ballons évoluant à haute altitude entre les latitudes 700 et 900 sud, équipés chacun d'une nacelle incorporant des instruments de prélèvement d'informations scientifiques, des moyens de mémorisation desdites informations, des moyens de localisation de la position du ballon, un appareil horaire comportant une base de temps, et un récepteur de télécommande, - au moins une station au sol dotée de moyens de localisation des ballons et d'un émetteur de télécommande apte à commander une séparation nacelle/ballon en vue de la récupération de ladite nacelle. L'idée à la base de l'invention a donc été de créer un observatoire géant constitué d'une pluralité de ballons régulièrement répartis selon un parallèle à la surface terrestre à une altitude par exemple de 35-40 km au-dessus de l'Antarctique, en installant ces ballons dans le système organisé de circulation des vents au-dessus de l'Antarctique où la vitesse des vents est de l'ordre de 20 km/h en période d'été local pour les altitudes précitées. Par conséquent, l'idée à la base de l'invention a été d'exploiter l'énergie organisée de la circulation des vents au-dessus des pôles, qui est gratuitement fournie par la nature. Un tel observatoire géant, pratiquement hors influence de la turbulence atmosphérique, à l'échelle de la calotte polaire, c'est-à-dire sur un parallèle de l'ordre de 2 500 km de diamètre, a l'avantage de rester organisé en permanence en raison de la vorticité des vents qui amène tous les ballons à tourner au même rythme une fois installés dans le vortex. De plus, il permet une observation en continu pendant plusieurs jours, au cours de laquelle, grâce à la simultanéité de prélèvement des informations et à la distribution régulière dans l'espace des points de prélèvement, on peut suivre l'évolution et la dynamique d'un grand nombre de paramètres dans le temps et dans l'espace, et donc séparer les phénomènes spatiaux des phénomènes temporels. Un tel observatoire peut bénéficier à plusieurs disciplines car il autorise le panachage d'instruments scientifiques dans la noria pour un même investissement logistique. Le système une fois mis en place, est en effet, exploitable en permanence quel que soit l'instrument mis en place dans la noria. Une liste non exhaustive des disciplines potentiellement intéressées est fournie ci-après - physique solaire, - physique cosmique, - physique magnétosphérique, - physique ionosphérique, - biologie spatiale, - astrophysique, - physique et chimie de la stratosphère, - astronomie, - dynamique de l'atmosphère, - environnement, - optique atmosphérique, - géodésie spatiale (altimétrie des glaces polaires). De plus, il est à noter que cet observatoire bénéficie de la liberté de circulation audessus du territoire Antarctique, et est amené à survoler la seule zone non habitée de la planète. En outre, le principe de cet observatoire s'affranchit de tout support satellitaire au niveau de la transmission continue des données, ce qui permet de transmettre un grand débit d'informations que ne saurait autoriser l'emploi de satellites en raison des visibilités satellitaires sporadiques dans cette zone du globe. Selon un mode de mise en oeuvre préférentiel, on procède au lancement des ballons à partir dtune zone géographique située sur la latitude 780 sud, et avantageusement à partir de la banquise de ROSS. Cette banquise présente, en effet, l'avantage d'être facilement accessible par voie de mer en été. De plus, elle offre des facilités logistiques pour le lancement des ballons en raison de sa planéité relative, et pour la récupération des nacelles scientifiques à l'issue d'au moins un tour complet. Selon un premier mode de mise en oeuvre préférentiel, chaque ballon est équipé de mémoires de très grande capacité, par exemple de plusieurs giga-octets, constituées de disques durs et magnéto-optiques actuellement disponibles sur le marché, en association avec des systèmes de type PC conditionnés pour des vols de longue durée. Dans ce cas, il est à noter que l'indépendance des ballons permet une souplesse de l'utilisation des créneaux météorologiques, car elle ne nécessite pas une fréquence de lancement rigoureuse. De plus, chaque ballon est également équipée d'une balise Argos/GPS dont la base de temps GPS permet d'assurer la simultanéité des prélèvements, tandis qu ' au sol la réception des données de positionnement de chaque ballon est effectuée par une station de télémesure en bande S capable de recevoir les données de localisation émises directement par les satellites Argos. Chaque ballon comprend, enfin, un récepteur de télécommande activé dans la zone de récupération au moyen d'un émetteur au sol, de façon à engendrer la séparation nacelle/ballon. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre préférentiel - on équipe chaque ballon de moyens d'émission/réception aptes à assurer une intercommunication entre lesdits ballons, et à permettre la collecte périodique au niveau d'un ballon des informations mémorisées par l'ensemble des ballons, - on installe au moins une station au sol dotée de moyens d'émission/réception aptes, lorsqu'un ballon se trouve dans le champ de réception d'une station, à commander la collecte vers ledit ballon, des informations mémorisées par l'ensemble des ballons, et la transmission de ces dernières vers ladite station. Dans ce cas, le nombre de ballons est déterminé par les portées de télémesure qui, à l'heure actuelle, sont de l'ordre de 500 km, en prenant en compte que la vitesse de déplacement d'un ballon à 780 de latitude est, en été local et à une altitude de 38 km, de l'ordre de 25 km/h d'après les trajectoires obtenues lors d'expérimentations. De ce fait, le rayon de la trajectoire circulaire complète est de l'ordre de 1 375 km. Il est a noter que certaines expérimentations ont montré que les ballons pouvaient également suivre une trajectoire spiralée vers le pôle, dont le rayon de giration est de l'ordre de 775 km, et après un tour complet se trouver à nouveau à la verticale du fond de la baie de ROSS. Ces ordres de grandeur fixent le nombre de ballons minimal à mettre en poste à seize en vue de permettre l'intercommunication entre ballons, tel que cela est représenté à la figure 1 où la baie de ROSS correspond à la zone hachurée. Ce nombre de ballons est aussi conditionné par le souci de sécurité pour pallier à une défaillance de communication entre deux ballons adjacents. En effet, avec 10 watts de puissance d'émission, il est possible d'assurer la liaison sur 1000 km, donc d'assurer la communication entre deux ballons non immédiatement adjacents sans interruption de la voie de communication dans la noria. Dans ce cas de figure, en outre on installe préférentiellement deux stations au sol : une station fixe située sur la zone de lancement, et une station mobile apte à se déplacer relativement à cette zone de lancement. En effet - dans le cas d'une trajectoire purement circulaire, une seule station d'émission-réception suffirait à assurer la collecte des informations de toute la noria à partir du lieu de lancement (bordure de la banquise permanente de la mer de ROSS ou ROSS ICESHELF). Cependant, on en peut pas s appuyer totalement sur une configuration idéalement favorable en raison du nombre tres insuffisant d'observations conduisant à une telle situation, - dans le cas d'une trajectoire spiralée vers le pôle (cas le plus probable), une deuxième station d'émission-réception doit être mise en place au fond de la baie de ROSS pour assurer la collecte de l'information scientifique et la récupération des nacelles. Ainsi, quelle que soit la configuration géométrique de la trajectoire (concentrique ou spiralée), lors de la mise à poste du dernier ballon, le premier ballon sera soit en vue de la station de lancement si la trajectoire est concentrique, soit en vue de la deuxième station prévue mobile dans le cas d'une trajectoire spiralée. La nécessité des deux stations est ainsi justifiée pour parer à toute éventualité. Ces deux stations au sol sont destinées à permettre des émissions de type télécommunication montante sol-ballon, et des réceptions de type télécommunication descendante. La partie émission sert à télécommander - les modifications de programme d'observation à bord d'un ballon particulier (ordres adressables via la noria), - une fonction sécurité pour intervenir en cas de défaillance d'un ballon de la noria, - la séparation pour la récupération, - le déclenchement télécommandé de l'émission de tel ou tel ballon. Cela suppose que le chemin aller dans la noria et le ballon destinataire soient imposés à partir du sol, ce qui implique donc une gestion automatique du processus d'interrogation (gestion d'adresses). Compte tenu de la faible quantité d'informations contenues dans les messages, la fréquence porteuse la plus basse du système sera dévolue à cette communication montante, par exemple 444 Mhz. La partie réception sert à assurer la collecte de toutes les informations de tel ou tel ballon, et emprunte le chemin inverse de la voie montante par le truchement des adressages. Compte tenu de la très grande quantité d'information à transmettre, qui pourrait aller par exemple jusqu'à 500 kbits/s, la partie réception devra fonctionner avec la fréquence porteuse la plus haute, c'est-à-dire 1500 Mhz offrant la bande passante demandée. Chaque ballon comporte, quant à lui, dans ce cas de figure, outre le GPS assurant la synchronisation des prélèvements, des moyens d'émission constitués d'un émetteur et d'un récepteur sur 444 Mhz et d'un émetteur et d'un récepteur sur 1500 Mhz. En outre, la puissance d'émission utilisee est de l'ordre de 10 watts en vue de garantir le maximum de sécurité de communication et de sauter un ballon sur deux si nécessaire par le truchement des adressages. Chaque ballon comporte en outre deux mémoires - une mémoire relais destinée à stocker les informations venant du ballon interrogé pour les ré-émettre sur le ballon suivant, - une mémoire mesure destinée à stocker les informations scientifiques jusqu'à leur délestage dans la noria sur ordre de la voie montante. Il est à noter par ailleurs, concernant la sûreté de fonctionnement d'un tel système, que - en cas de défaillance éventuelle de communication d'un ballon pour une trajectoire circulaire, le principe autorise toujours la collecte des données par interrogation soit dans un sens soit dans l'autre, - en cas de défaillance éventuelle de communication d'un ballon pour une trajectoire spiralée, le principe autorise encore une interrogation de tous les ballons dans un sens ou en sens inverse au besoin, à partir des ballons en tête ou/et en queue de la noria à condition d'utiliser la station mobile de réception que l'on peut positionner sous le chaînon décalé. En effet, on peut compléter la noria à partir du point de lancement par des ballons-relais, - lors de la phase d'ascension d'un ballon dans le processus de mise à poste, l'apparition d'une défaillance des moyens de télécommunication peut être immédiatement surmontée par un deuxième lancement d'un ballon relais sans rompre l'espacement demandé pour maintenir la chaîne de communication, compte tenu de la faible vitesse de défilement des ballons. Selon un troisième mode de mise en oeuvre préférentiel, le nombre de ballons est au plus égal à huit, chacun desdits ballons comportant des moyens de mémorisation des coordonnées de chaque station au sol, et une antenne d'émission associée à des moyens de pointage automatique de ladite antenne vers la station au sol la plus proche. Le principe d'observatoire selon l'invention peut, en effet, être conservé alors que l'aspect intercommunication disparaît en raison de la trop grande distance entre ballons qui devient supérieure à la portée de la télémesure. Il convient alors de modifier le système de communication comme suit - disposition de 3-4 stations au sol, si possible régulièrement réparties sous l'observatoire et s'appuyant sur des logistiques pré-existantes ; il pourrait s'agir de la station mobile du lieu de lancement (baie de ROSS), du dôme C (France), de la station Général Belgrano 2 (Argentine), de la station de McMurdo (USA) ou de la station d'Amundsen-Scott au pôle (USA), - accroissement des capacités de mémorisation à bord, car les ballons ne seront pas constamment en visibilité des stations au sol, - pointage automatique d'une antenne d'émission d'un ballon vers la station au sol la plus proche. En effet, chaque ballon possède la mémoire des coordonnées de chaque station ainsi que sa propre position qu'il connaît grâce au GPS embarqué. Ce type d'antenne pointée peut être de grand gain et très directive offrant des possibilités importantes de portée et de débits. Par ailleurs, deux types de ballons peuvent avantageusement être utilisés pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention : les ballons stratosphériques ouverts ou les ballons stratosphériques à corps interne chauffant tels que décrits dans la demande de brevet déposée conjointement par la demanderesse. Dans le cas de ballons stratosphériques ouverts, la noria de ballons peut être constitué d'un panachage de ballons de taille importante dévolus aux aspects scientifiques et de ballons de taille et de coût plus modeste destinés spécifiquement à la télécommunication dans la noria. Le principe de l'observation subsiste toujours, mais avec une résolution spatiale qui peut être réduite par endroits. Le concept de noria intelligente de ballons stratosphériques ouverts communicants, installés dans le vortex polaire et dotés d'un système de pilotage judicieux de délestage afin de compenser la diffusion du gaz à travers l'enveloppe, surmonte les deux handicaps majeurs qui affectent les programmes utilisant les ballons stratosphériques ouverts, à savoir la brièveté des trajectoires et la difficulté de collecte continue sur de grandes distances de l'information scientifique en indépendance totale de toute couverture satellitaire. Les trajectoires offertes par ce type de ballon, compte tenu de la saison retenue, se situent à des altitudes quasi-constantes, aux environs de 40 km d'altitude, car la diminution de l'effet jour n'affecte que très peu l'altitude de vol. Les ballons stratosphériques à corps chauffant ont quant à eux la particularité de débuter leur plafond à haute altitude, de l'ordre de 42 km, et de descendre progressivement jusqu'à 32 km après 250 h, soit 10 jours, et s'y stabiliser. De tels ballons ont la particularité d'avoir une durée de vie moyenne de l'ordre de deux mois. Les charges utiles embarquées sont comparables à celles des ballons stratosphériques ouverts. Ils offrent l'avantage supplémentaire de se disposer, naturellement au cours du temps et très régulièrement, sur une hélice dont la base circulaire basse serait située à 32 km d'altitude et la base circulaire haute à 42 km d'altitude. L'observation tri-dimensionnelle de certains paramètres devient ainsi accessible et des disciplines telles que la chimie et la physique atmosphériques, l'optique atmosphérique, la circulation générale, l'électricité atmosphérique, etc... pourraient obtenir des informations totalement inédites à ce jour. REVENDICATIONS 1/ Procédé d'exploration de la calotte polaire antarctique en vue de l'enregistrement de paramètres scientifiques, caractérisé en ce qu'il consiste - à utiliser une pluralité de ballons aptes à évoluer à une altitude élevée et équipés chacun d'une nacelle dans laquelle sont disposés des instruments de prélèvement d'informations scientifiques, des moyens de mémorisation desdites informations, des moyens de localisation de la position du ballon, un appareil horaire comportant une base de temps, et un récepteur de télécommande, - à procéder au lancement de chaque ballon à partir d'une zone géographique située entre les latitudes 700 et 900 sud, avec un rythme de lancement calculé pour obtenir un espacement régulier des ballons et déterminé par le lieu géographique choisi, le nombre de ballons et la vitesse du vent au niveau de l'altitude d'évolution desdits ballons, - à effectuer périodiquement et simultanément pour l'ensemble des ballons des prélèvements d'informations scientifiques et à mémoriser ces dernières, - à installer sur une zone géographique située de façon à être survolée par les ballons, au moins une station au sol dotée de moyens de localisation des ballons et d'un émetteur de télécommande, et à émettre, après un nombre prédéterminé de révolution des ballons, un signal apte à commander une séparation de la nacelle du ballon, lorsqu'un ballon se trouve à l'aplomb de la zone de récupération. 2/ - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 on procède au lancement des ballons à partir d'une zone géographique située sur la latitude 780 sud. 3/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que - on équipe chaque ballon de moyens d'émission/réception aptes à assurer une intercommunication entre lesdits ballons, et à permettre la collecte périodique au niveau d'un ballon des informations mémorisées par l'ensemble des ballons, - on installe au moins une station au sol dotée de moyens d'émission/réception aptes, lorsqu'un ballon se trouve dans le champ de réception d'une station, à commander la collecte vers ledit ballon, des informations mémorisées par l'ensemble des ballons, et la transmission de ces dernières vers ladite station. 4/ - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que 1-1 on procède au lancement de seize ballons, et en ce que l'on installe deux stations au sol une station fixe située sur la zone de lancement, et une station mobile apte a se déplacer relativement à cette zone de lancement. 5/ - Dispositif d'exploration de la calotte polaire antarctique, caractérisé en ce qu'il comprend - une pluralité de ballons évoluant à haute altitude entre les latitudes 700 et 900 sud, équipés chacun d'une nacelle incorporant des instruments de prélèvement d'informations scientifiques, des moyens de mémorisation desdites informations, des moyens de localisation de la position du ballon, un appareil horaire comportant une base de temps, et un récepteur de télécommande, - au moins une station au sol dotée de moyens de localisation des ballons et d' un émetteur de télécommande apte a commander une séparation nacelle/ballon en vue de la récupération de ladite nacelle. 6/ - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que - chaque ballon comporte des moyens d'émissionjréception aptes à assurer une intercommunication entre lesdits ballons, - chaque station au sol est équipée de moyens d'émission/réception aptes à commander la collecte vers un ballon des informations mémorisées par l'ensemble des ballons, et la transmission de ces dernières vers ladite station-. 7/ - Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caracterisé en ce qu'il comprend seize ballons. 8/ - Dispositif selon l'une des revendications 5, 6, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre de ballons au plus égal à huit, chacun desdits ballons comportant des moyens de mémorisation des coordonnées de chaque station au sol, et une antenne d'émission associée à des moyens de pointage automatique de ladite antenne vers la station au sol la plus proche.