Comment Argos localise-t-il des plates-formes mobiles ?

Les plates-formes Argos émettent automatiquement des messages qui sont ensuite reçus par les satellites et retransmis aux centres de traitement Argos pour calcul et mise à disposition des résultats.

Les localisations sont calculées à partir de l'ensemble des messages reçus au cours d'un passage satellite. L'utilisateur du système Argos bénéficie de deux modes de localisation indépendants :

• La localisation Argos. Les positions sont calculées en utilisant les propriétés de l'effet Doppler affectant les fréquences d'émission des balises.
• La localisation GPS (Global Positioning System). A la demande de l'utilisateur, un module de traitement particulier permet d'extraire les positions GPS intégrées dans les messages, de les valider et de les distribuer au même format que les positions Argos.

Dans les deux cas, les coordonnées utilisées sont la latitude et la longitude, et le système de référence est le WGS 84 (World Geodetic System 1984).

Principe de la localisation Argos

La localisation réalisée par le système Argos est basée sur la mesure de l'effet Doppler-Fizeau. Cet effet se traduit par le changement de fréquence d'une onde sonore ou électromagnétique lorsque la source des vibrations et l'observateur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre.

L'effet Doppler

C'est un phénomène bien connu, et l'exemple le plus classique est celui du changement de la "tonalité" du son émis par une locomotive selon qu'elle se rapproche (son aigu) ou qu'elle s'éloigne (son grave) de l'observateur.

Lorsque le satellite se "rapproche" de la plate-forme, la fréquence des ondes électromagnétiques mesurées par l'équipement embarqué est supérieure à la fréquence réelle d'émission ; le phénomène est inversé lorsque le satellite s'éloigne de la plate-forme.

A chaque réception de message, l'équipement embarqué Argos effectue une mesure de la fréquence et date l'arrivée de ce message. Pour chaque message, le lieu des positions possibles de l'émetteur est un cône dont le sommet est la position du satellite à la réception du message et l'ouverture fonction de l'écart entre la fréquence reçue et la fréquence de l'émetteur.

Calculs de localisations

Une première estimation de la position de la plate-forme est calculée à partir des premiers et derniers messages collectés au cours d'un même passage satellite et de la dernière fréquence calculée de l'émetteur. L'intersection des deux cônes correspondant à ces deux messages et du globe terrestre, augmenté de l'altitude de l'émetteur, donne deux positions possibles.

Pour chacune de ces deux positions, la résolution de l'ensemble des équations (il y a autant d'équations que de messages reçus au cours du passage) de mesure par la méthode des moindres carrés permet d'estimer la position de l'émetteur ainsi que sa fréquence d'émission.

Contrôles de vraisemblance

La solution est choisie en fonction de la précision obtenue, puis caractérisée selon les quatre contrôles de vraisemblance suivants :

• valeur minimale du résidu des moindres carrés,
• meilleure continuité de la fréquence calculée,
• distance minimum parcourue depuis la dernière localisation,
• vitesse de déplacement inférieure à la vitesse maximale déclarée.

Elle sera ensuite distribuée si au moins deux contrôles de vraisemblance sont passés avec succès.

Transmettre des positions GPS via Argos

La transmission de positions GPS par le système Argos offre les avantages suivants :

• les localisations sont plus précises, et ne dépendent pas de la qualité de l'émetteur,
• les localisations peuvent être réparties plus régulièrement dans la journée.

Les positions GPS sont transmises dans les messages Argos. Pour que les positions GPS soient traitées et présentées sous forme de localisation, leur décodage doit être déclaré au Bureau Utilisateurs.

2.3 Satellites

L'instrument Argos est embarqué sur des satellites de la famille des POES (Polar Orbiting Environmental Satellites) de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) et sur la famille MetOp de l'Organisation européenne pour l'exploitation des satellites météorologiques (Eumetsat), dont le premier a été lancé le 19 octobre 2006.  

Satellites opérationnels :

Les prochains instruments seront embarqués sur les deux satellites MetOp (prévus en 2010 et 2014) ainsi que sur NOAA N' (prévu pour 2009). Des projets de coopération avec d'autres agences spatiales sont actuellement à l'étude.

Les messages Argos sont reçus par le satellite puis sont simultanément :

1) stockés sur l'enregistreur embarqué, et retransmis vers le sol chaque fois que le satellite passe au-dessus de l'une des trois stations de réception principales : Wallops Island (Virginie, Etats-Unis), Fairbanks (Alaska, Etats-Unis) et Svalbard (Norvège), ou 
2) retransmis vers le sol, et peuvent être ainsi reçus par les stations en visibilité.

Les satellites décrivent une orbite polaire à 850 km d'altitude : ils passent au-dessus des pôles Nord et Sud à chaque révolution. Les plans d'orbites tournent autour de l'axe des pôles à la même vitesse que la Terre autour du Soleil, soit une révolution par an. Chaque orbite coupe le plan de l'équateur à des heures solaires locales fixes.

Les orbites sont héliosynchrones, chaque satellite passe en visibilité d'une plate-forme donnée à peu près à la même heure locale tous les jours. La période d'une orbite, c'est-à-dire le temps nécessaire à chaque satellite pour effectuer une rotation complète autour de la Terre, est voisine de 100 minutes.

Chaque satellite voit simultanément et à tout moment toutes les plates-formes situées à l'intérieur d'un cercle d'un diamètre de 5 000 km. Avec le déplacement du satellite, la trace au sol de ce cercle forme une bande de 5 000 km de large qui s'enroule autour de la Terre en passant par les pôles Nord et Sud.

En raison de la rotation de la Terre, cette bande se décale à chaque révolution du satellite de 25° environ vers l'Ouest, autour de l'axe des pôles (ce qui correspond à un décalage de 2 800 km au niveau de l'équateur). Ainsi, deux bandes au sol successives se recouvrent partiellement.

Du fait du recouvrement de plus en plus important des bandes de visibilité, quand la latitude augmente, le nombre de passages quotidiens au dessus d'une plate-forme dépend de la latitude de celle-ci. Ainsi, aux pôles, les satellites voient les plates-formes à chaque passage, soit 14 fois par jour par satellite.

La durée de visibilité d'une plate-forme par le satellite (on parle aussi de la durée du passage du satellite en vue d'une plate-forme) est le temps pendant lequel le satellite peut recevoir les messages de cette plate-forme. Elle est de 10 minutes en moyenne.