Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA...

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA Spécialité TOPOGRAPHIE

Détermination de marées par techniques GNSS adaptées pour les opérations d’exploration-production

du groupe Total

~ Rapport ~ Présenté le 27 Septembre 2012 par Frédéric TISSERAND

Réalisé au sein de l’entreprise : TOTAL SA

2 place Jean Millier – La Défense 6

92078 Paris La Défense Cedex

Directeur de PFE : Correcteurs :

M. VIDAL M. FERHAT Ingénieur Topographe Mme DUQUENNE

1

Remerciements

Pour m’avoir intégré au sein de son département et avoir suivi de manière intéressée mon étude, mes premiers remerciements vont naturellement à Mme Valérie Quiniou-Ramus, responsable EP/DEV/TEC/GEO.

Je tiens parallèlement à remercier l’ensemble de son équipe car chacun de ses membres la constituant a su trouver ne serait-ce qu’un peu de temps pour m’aider dans mes missions. A ce titre, je remercie tout spécifiquement mon maître de stage, M. Arnaud Vidal, pour son accueil, son implication dans le projet, ses conseils et remarques éclairés ainsi que sa sympathie. Je le suis par ailleurs reconnaissant pour la confiance et la liberté d’action qu’il s’est avisé de m’accorder. Merci à M. Daniel Robert pour m’avoir fait profiter de ses compétences métier et de son expertise technique dans le domaine de la géophysique.

Remerciements distingués à MM. Frédéric Auger, David Simon et Sébastien Ghis du service palois de Topographie, Télédétection et Méthodes Potentielles (EP/EXPLO/TE/MTG/TTP) pour avoir partagé leur expérience ainsi que pour l’esprit de collaboration dont ils ont fait preuve.

Merci à MM. Jean-Claude Ancel, Eddy Brosille, Reinhold Granig et Daniel Vaxelaire du service Acquisition et Sécurité (EP/EXPLO/TE/MTG/AS) pour m’avoir permis de collecter des informations et autres données pertinentes.

Merci à M. Philippe Guilbaud, responsable géomatique au sein du projet CLOV (Angola) pour m’avoir présenté l’approche projet telle que mise en œuvre par Total.

Merci à M. Christian Ameil pour avoir pris part aux différentes réunions réalisées.

Merci à M. Serge Velliscig pour les documents d’archive qu’il m’a communiqués.

Merci à M. Rhyan Risnadi de la filiale Indonésie pour m’avoir aidé dans la prospection des données.

Merci à M. Yves-Marie Tanguy, responsable du projet Bathyelli au sein du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine pour nous avoir accueilli à Brest et présenté ses recherches et résultats. Merci également à M. Raphaël Legouge.

Merci à M. Edwin Danson de la société C&C Technologies pour s’être déplacé dans les locaux de Total. Ses critiques avisées se sont révélées tout à fait profitables à l’étude.

De la même manière, merci à M. Richard Turner de la société Veripos pour être venu exposer en personne les technologies mises en place par son groupe.

Merci à M. Colin Campbell de la société Fugro (Asie du Sud-Est) pour les informations qu’il m’a transmises. Merci à M. Tony Farn de la société Fugro (Moyen-Orient) pour m’avoir rendu compte de son expérience sur le terrain. Merci également à MM. Henry Cotton et Paul Kennedy de la société Fugro (Australie) pour leurs retours d’expérience qu’ils n’ont pas hésité à partager.

Merci à M. Dave Mann de la société Gardline pour m’avoir transmis ses connaissances et fait part de son enthousiasme vis-à-vis du projet.

Merci à M. John Factor, membre de la National Geospatial Intelligence Agency (NGA) et à M. Ole Baltazar Andersen du Danish National Space Center (DNSC) pour leur coopération.

Merci à M. Charles Mura de la société Fugro Topnav pour avoir répondu à mes questionnements.

Merci à MM. Christopher Clark et Raymond Desparmet pour leurs conseils avisés et leur sympathie.

Merci à Michel Thommeret de la société ID Scope pour les échanges techniques que l’on a pu avoir.

2

Sommaire Introduction .............................................................................................................................. 4

I. Etat de l’art ........................................................................................................................ 6

1.1 Présentation du phénomène étudié : la marée ......................................................................... 6

1.1.1 Définition ...................................................................................................................................... 6

1.1.2 Force génératrice ........................................................................................................................... 6

1.1.3 Variabilités temporelle et spatiale du phénomène......................................................................... 7

1.2 Méthodes traditionnelles de détermination de marées .......................................................... 10

1.2.1 Les mouillages marégraphiques .................................................................................................. 10

1.2.2 Les modèles de prédiction .......................................................................................................... 12

1.3 Le problème du rattachement altimétrique en milieu offshore .............................................. 13

1.3.1 Les niveaux caractéristiques de la marée .................................................................................... 13

1.3.2 Accès à la référence locale .......................................................................................................... 15

1.4 Réduction des sondages hydrographiques : analyse du besoin ............................................. 16

1.4.1 Types d’études concernées ......................................................................................................... 16

1.4.2 Réalisation actuelle de la réduction des sondages ....................................................................... 18

1.4.3 Exigences en termes de précision ............................................................................................... 19

1.5 Constat sur les données du problème .................................................................................... 21

II. La détermination de marées comme nouvelle application GNSS .............................. 22

2.1 Techniques GNSS adaptées et employées en milieu offshore .............................................. 22

2.1.1 Technologies utilisées ................................................................................................................. 22

2.1.2 Solutions présentes sur le marché ............................................................................................... 23

2.2 Traitements spécifiques à mettre en œuvre ........................................................................... 25

2.2.1 Accès au datum de marée local ................................................................................................... 26

2.2.2 Réduction de la hauteur d’antenne .............................................................................................. 29

2.2.3 Amélioration des résultats par filtrage ........................................................................................ 30

2.2.4 Solutions proposées par les sous-traitants ................................................................................... 32

2.3 Pertinence par rapport à la problématique de départ ............................................................. 32

2.3.1 Mise en œuvre de la réduction des sondages .............................................................................. 33

2.3.2 Bilan des erreurs ......................................................................................................................... 34

III. Réalisation de l’expérimentation ................................................................................... 35

3.1 Objectifs ................................................................................................................................ 35

3.2 Présentation du protocole opératoire ..................................................................................... 35

3.2.1 Collecte des données de campagnes ........................................................................................... 35

3.2.2 Aperçu général de la chaîne de traitement mise en œuvre .......................................................... 36


3

3.2.4 Accès au datum de marée local ................................................................................................... 37

3.2.5 Implémentation du filtrage Doodson .......................................................................................... 39

3.3 Présentation détaillée d’une étude : le projet Longmorn (R-U) ............................................ 39

3.3.1 Descriptif de la campagne ........................................................................................................... 39


3.3.3 Accès au niveau moyen de la mer local ...................................................................................... 41

3.3.4 Première série de comparaisons avec les données de référence .................................................. 44

3.3.5 Implémentation du filtrage Doodson .......................................................................................... 46

3.3.6 Seconde série de comparaisons avec les données de référence ................................................... 47

3.3.7 Mise en évidence de l’influence du choix de l’algorithme de lissage ......................................... 50

3.3.8 Conclusion sur l’étude ................................................................................................................ 51

IV. Validation des méthodes ................................................................................................. 52

4.1 Bilan sur les résultats ............................................................................................................. 52

4.2 Emission du cahier des charges à respecter ........................................................................... 54

4.2.1 Recommandations pour les opérations d’acquisition .................................................................. 54

4.2.2 Chaîne de traitement à mettre en œuvre ...................................................................................... 55

4.2.3 Champ d’application ................................................................................................................... 55

4.3 Evaluation des procédés mis en jeu ....................................................................................... 56

4.3.1 Réponse au besoin de détermination de marée ........................................................................... 56

4.3.2 Pertinence d’utilisation ............................................................................................................... 56

4.3.3 Formulation d’un avis sur les solutions des sous-traitants .......................................................... 57

4.4 Mise à jour des documents internes de référence .................................................................. 58

4.4.1 Documents concernés ................................................................................................................. 58

4.4.2 Adaptations proposées ................................................................................................................ 59

4.4.3 Effets prévus sur les opérations à venir ...................................................................................... 60

Conclusion générale et perspectives ..................................................................................... 61

Table des figures ..................................................................................................................... 63

Table des tableaux .................................................................................................................. 64

Table des équations ................................................................................................................ 64

Bibliographie ........................................................................................................................... 65

Table des annexes ................................................................................................................... 70

4

Introduction

Etant donnée l’actuelle balance énergétique mondiale pour laquelle la demande en produits pétroliers ne cesse d’augmenter alors que les ressources deviennent de plus en plus difficile à trouver, une des principales priorités du groupe Total se concentre sur la recherche permanente de nouveaux gisements d’hydrocarbures. Grâce à l’évolution constante des concepts géologiques et des technologies, des découvertes majeures sont désormais rendues possibles dans des zones inattendues ou hier encore réputées inaccessibles.

Dans ce contexte particulier, les opérations d’exploration-production en milieu offshore n’ont jamais occupé une place aussi importante dans les activités du Groupe que lors de ces dernières années, avec près de 60 % de la production actuelle réalisée à partir de l’exploitation de réservoirs localisés sous le fond des océans.

A ce titre, une des principales missions du département EP/DEV/TEC/GEO1, dans lequel j’ai été accueilli, consiste en la planification, le suivi, le contrôle et l’analyse de campagnes de mesures bathymétriques, géophysiques et/ou géotechniques. Le dépouillement des résultats de ces différentes prospections permet in fine de définir l’emplacement optimum des installations, pour un site donné, par la prise en compte de la topographie locale, de la composition du sol et de la localisation d’éventuels risques géologiques, aussi connus sous le nom de géohazards.

Les travaux in situ ne sont cependant pas directement réalisés par Total ni même par l’une de ses filiales2 mais sont essentiellement sous-traités à des entreprises spécialisées dans leur domaine. A chaque nouveau besoin de mesures, un appel d’offre est lancé par le service concerné. Les sous-traitants y répondent et, en fonction du respect du cahier des charges émis par Total, la meilleure offre est sélectionnée.

Pendant cette période, il n’est pas rare que des échanges aient lieu entre Total et les sous-traitants. Ceux-ci résultent le plus souvent en la forme de clarifications écrites de la part des deux parties et peuvent porter sur des domaines variés.

Ainsi, certains sous-traitants tentent d’imposer, de manière récurrente ces dernières années, de nouvelles solutions quant à la détermination de marées. Celles-ci reposent sur les progrès récents des techniques GNSS3 adaptées au milieu offshore et se placent comme véritables alternatives aux méthodes traditionnelles.

Il est à noter que la marée est un phénomène dont l’étude est primordiale pour une majorité de campagnes menées en milieu offshore et pour lesquelles une bonne connaissance du datum vertical est essentielle. En effet, dans le cadre de sondages hydrographiques4 classiques, seules deux surfaces peuvent servir de référence verticale loin des côtes : la surface et le fond de la mer. Le fond n’étant que très rarement utilisé, la seule référence restant accessible est la surface de l’eau. Cependant, le principal inconvénient de celle-ci, et non des moindres, réside dans sa non-stabilité, les variations du niveau de la mer tirant leurs origines non seulement des marées, mais aussi de phénomènes variés fonction de la météo, du climat, des courants ou de la topographie marine par exemple. La correction

1 EP, DEV et TEC sont les acronymes respectifs des entités suivantes : branche Exploration – Production, direction DEVeloppement et division TEChnologies du groupe Total. Le département GEO regroupe quant à lui des pôles de compétence liés à l’océanographie, la météorologie, la géophysique d’ingénierie, la géotechnique et la géomatique. 2 Terme désignant une société bénéficiant d’une personnalité morale distincte et de l’autonomie comptable, mais contrôlée par une société mère qui possède plus de 50% de son capital. 3 Global Navigation Satellite System 4 Terme désignant les opérations visant à l’étude d’une région aquatique et plus particulièrement de son relief et sous-sol sous-marin.

5

des mesures de sondages apparaît donc comme nécessaire afin d’éliminer l’influence de ces variations perturbatrices. On parle alors communément de l’étape de réduction des sondages.

On remarquera par ailleurs que, sous le terme générique de détermination de marée, est généralement englobée l’étude de l’ensemble des facteurs de variations du niveau de la mer. Il s’agit alors davantage d’une détermination du niveau instantané de la mer par rapport à un niveau caractéristique sur une période donnée, que d’une mesure du phénomène de marée seul. Ce raccourci langagier se justifie du fait que c’est bel et bien la marée qui est le facteur principal de variation du niveau de la mer.

Au final, les résultats obtenus influent sur la compréhension du datum vertical et donc, indirectement, sur la qualité du géoréférencement vertical des sondages. On comprend donc aisément la position, jusqu’alors défendue par Total, qui visait à refuser systématiquement les propositions d’utilisation des techniques GNSS pour la mesure de marée. En effet, à l’heure actuelle, aucune étude interne ne permet d’affirmer que ce nouveau type de détermination répond aux exigences du Groupe.

L’objet de ce Projet de Fin d’Etudes est donc d’établir si oui ou non l’emploi des mesures GNSS est à envisager pour la réduction des sondages hydrographiques. Dans ce sens, l’intitulé suivant a été retenu : « Détermination de marées par techniques GNSS adaptées pour les opérations d’exploration-production du groupe Total ». Par la mise au pluriel du terme de marée, celui-ci laisse entendre que l’on s’intéresse à l’intégralité des différentes marées océaniques observables sur Terre tandis que l’emploi du qualificatif « adaptés » sous-entend que l’on met en œuvre uniquement les technologies utilisables en milieu offshore. Enfin, la dénomination générique « exploration-production » suggère que la portée de l’étude ne se limite pas aux seules réalisations du département GEO mais considère l’ensemble des activités du groupe Total. Sur la base de l’étude de différents jeux de données disponibles, l’objectif est de montrer les possibilités offertes par les techniques GNSS par rapport aux techniques plus traditionnelles. Il conviendra évidemment d’étudier l’ensemble des solutions présentes sur le marché. Dans le cas de résultats concluants, il est envisagé de modifier les documents de référence en vigueur au niveau du Groupe afin d’intégrer, comme solution de détermination de marée, cette nouvelle méthode de mesure.

Pour mener à bien cet ambitieux processus, on envisage dans un premier temps un état de l’art qui comporte entre autres une présentation du phénomène physique étudié, un inventaire des méthodes traditionnelles de détermination de marée et une discussion à propos de la problématique du rattachement altimétrique en milieu offshore. Dans un deuxième temps, on détaille les enjeux et les particularités propres à la mise en œuvre d’une méthode de détermination de marée par techniques GNSS. Par la suite, les expérimentations effectivement réalisées dans le cadre de ce projet sont expliquées et les protocoles opératoires associés sont exposés. Enfin, on réalise l’évaluation des méthodes mises en œuvre et on statue sur leur capacité à répondre aux besoins tels que formulés par le groupe Total.

6

I. Etat de l’art

1.1 Présentation du phénomène étudié : la marée

1.1.1 Définition

Le phénomène de marée est reconnu pour être l’un des phénomènes observables les plus constants sur Terre. Pourtant, celui-ci a longtemps échappé à toute explication rationnelle satisfaisante et fait aujourd’hui encore l’objet d’études actives. La nécessité d’une compréhension des variations périodiques du niveau de la mer est apparue avec l’essor des techniques de navigation maritime, et ce dès l’Antiquité. Il faudra cependant attendre la fin du XVIIème siècle pour que Newton, dans son ouvrage « Philosophae naturalis principia mathematica », propose sa théorie de gravitation qui posera les bases de toutes les études ultérieures portant sur les marées.

Pour reprendre la définition du SHOM5, la marée correspond à la variation du niveau de la mer due à l’attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil. Autrement dit, la marée est assimilable à des vagues, caractérisées par de très longues périodes, qui se déplacent dans les océans en réponse aux forces gravitationnelles exercées par ces deux astres. On assimile la périodicité de ce phénomène oscillatoire au mouvement relatif apparent de la Lune et du Soleil combiné à la rotation de la Terre sur elle-même.

Pour une étude approfondie sur la marée et les phénomènes associés, plusieurs ouvrages de référence sont à considérer (Pugh, 1987 ; Brown et al., 1999 ; Boon, 2004 et Simon, 2007).

1.1.2 Force génératrice

Avant d’étudier les phénomènes de marée à proprement parlé, il est pertinent de s’intéresser à la compréhension de leur origine physique. Pour des raisons de simplification, nous nous limiterons ici à l’étude du système Terre-Lune. On remarquera simplement que la force génératrice lunaire est environ 2,17 fois plus grande que celle du Soleil, d’après Pugh [1987].

Comme chacun le sait, la Lune gravite autour de la Terre. Plus précisément, ces deux astres gravitent autour de leur barycentre (situé à l’intérieur de la Terre) de telle sorte que la force gravitationnelle, qui tend à les rapprocher, soit exactement contrebalancée par une force centrifuge ayant pour point d’origine le centre de chacun de ces deux astres. En d’autres mots, en se plaçant au centre de la Terre, on observe un état d’équilibre, la force gravitationnelle annulant exactement la force centrifuge. On notera que cette dernière n’est autre que la manifestation physique du mouvement d’orbite observé entre la Terre et la Lune. Cependant, si l’on s’éloigne du centre de la Terre pour se placer à sa surface, on remarque que l’équilibre n’est pas conservé. En effet, l’intensité de la force centrifuge est constante sur la Terre tandis que l’intensité de l’attraction gravitationnelle est variable : plus un point est proche de la Lune, plus l’attraction est forte. Si la Lune est au-dessus de l’horizon, la force d’attraction sera plus importante tandis que si elle est en dessous de l’horizon, c’est la force centrifuge qui le sera. Cette rupture d’équilibre donne naissance à une force résultante qui n’est autre que la force génératrice lunaire, principale force donnant naissance aux marées (voir figure I.1).

5 Service Hydrographique et Océanographique de la Marine

7

On remarquera que lorsque la force résultante ou force génératrice lunaire est dirigée vers le centre de la Terre, la surface des océans a tendance à baisser. On parle alors de basse-mer. A l’inverse, lorsque cette force est dirigée vers le ciel (au zénith ou au nadir), la surface des océans s’élève. On parle dans ce cas de pleine-mer.

Figure I.1 : Etablissement de la force génératrice lunaire pour une Terre théorique entièrement recouverte d'eau (Brown et al. [1999], traduit)

1.1.3 Variabilités temporelle et spatiale du phénomène

a. Périodicité de la marée Il est communément admis que les phénomènes de marée peuvent se décomposer en somme

de composantes périodiques. La périodicité que l’on constate dans les variations de hauteur d’eau est en fait directement corrélée à celle caractérisant les mouvements relatifs de la Lune et du Soleil par rapport à la Terre.

A ce titre, plusieurs périodes sont à mettre en évidence. Tout d’abord, on distingue le jour, défini différemment selon que l’on s’intéresse au Soleil ou à la Lune et qui constitue l’une des périodes les plus facilement observables. Le jour représente l’intervalle de temps nécessaire pour que, du point de vue de l’astre étudié, la Terre fasse un tour sur elle-même. Ces périodes ne sont pas constantes si bien qu’on les décrit par des valeurs moyennes. Ainsi, un jour solaire moyen est égal à 24 heures tandis qu’un jour lunaire moyen est légèrement plus long (24,84 heures).

Sur la sphère céleste, la déclinaison et l’ascension droite du Soleil et de la Lune ne sont pas fixes et évoluent au cours du temps. Dans le cas du Soleil, ce phénomène est dû, d’une part, au mouvement relatif décrit par la Terre autour du Soleil et, d’autre part, à l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre sur elle-même. La trajectoire du Soleil sur la sphère céleste est appelée écliptique. Entre les solstices d’été et d’hiver, la déclinaison du Soleil varie de +23°27’ à -23°27’. La période de révolution de l’astre solaire est égale à une année. Parallèlement, la période de révolution de la Lune n’est que de 29,5 jours en moyenne (lunaison). Lors de cette période, la déclinaison de l’astre varie entre deux extremums. Contrairement au Soleil, ces derniers ne sont pas fixes et peuvent varier d’environ + ou – 5° selon un cycle de 18,61 années. Cette variation est due à l’inclinaison relative (environ 5°) entre le plan d’orbite lunaire autour de la Terre et le plan d’orbite terrestre autour du Soleil. La période associée est l’une des plus connues, on la nomme période chaldéenne ou saros et correspond au temps de retour des éclipses.

8

Tous ces phénomènes périodiques, repris dans le tableau I.1, sont autant de composants devant être pris en compte pour permettre la description temporelle de la marée. Cependant, ceux-ci ne suffisent pas à déterminer le rythme exact du phénomène qui reste encore aujourd’hui difficile à quantifier. Ainsi, Simon [2007] fait notamment le constat qu’après plusieurs saros, la ressemblance avec la marée de départ a tendance à se dégrader de plus en plus.

Dénomination Description Durée moyenne jour solaire intervalle de temps pour que, du point de vue du Soleil, la

Terre fasse un tour sur elle-même 24,0 heures

jour lunaire intervalle de temps pour que, du point de vue de la Lune, la Terre fasse un tour sur elle-même 24,8 heures

lunaison période de révolution de la Lune par rapport à la Terre 29,5 jours

année période de révolution de la Terre par rapport au Soleil 365,3 jours

période chaldéenne temps de retour des éclipses (retour à une configuration Terre-Lune-Soleil quasi-semblable) 18,6 ans

Tableau I.1 : Périodes caractéristiques des mouvements Terre-Lune-Soleil (données issues de Pugh [1987] et Simon [2007])

b. Variabilité géographique et classification des marées

Outre les variations dans le temps évoquées dans le paragraphe 1.1.3.a précédent, les phénomènes de marée se caractérisent également par une forte variabilité géographique. Comme l’illustre la figure I.2, la répartition spatiale des amplitudes de marée à travers l’ensemble des océans et mers du Monde semble ne suivre aucune règle évidente. On note tout de même que les marnages6 les plus importants sont généralement observés en mer peu profonde, au niveau du plateau continental ou aux abords des continents.

Figure I.2 : Amplitude de la marée dans les trois océans (Simon [2007])

A titre d’exemple, la différence entre une pleine et une basse mer successives atteint régulièrement près de 10 mètres dans la baie de Fundy (Canada). Ces grandes différences de hauteur (voir figure I.3)

6 Dénivelé entre les niveaux d'une marée haute et d'une marée basse successives

9

sont notamment dues à la topographie particulière de la baie, celle-ci reprenant la forme d’un entonnoir. En revanche, au port de Halifax, situé à seulement 200 km de l’embouchure de la baie, les amplitudes de marée sont beaucoup plus faibles, de l’ordre de 1,5 m en moyenne (voir figure I.4).

Figure I.3 : Marégramme du 13 mars 2012 pour le port de Saint-John, Canada, GMT-4 (SHOM@ [2012])

Figure I.4 : Marégramme du 13 mars 2012 pour le port de Halifax, Canada, GMT-4 (SHOM@ [2012])

L’amplitude n’est cependant pas la seule grandeur variant avec la position géographique. En effet,

la périodicité du phénomène de marée diffère également en fonction de la région du globe considérée. Via l’observation des marées à l’échelle mondiale, une classification peut dès lors être établie

(SHOM@ [2012]) : - Les marées de type semi-diurne

Elles sont caractérisées par deux pleines mers et deux basses mers par jour ayant sensiblement la même élévation. Le marnage est ainsi quasiment identique. On retrouve principalement ces marées dans l’Atlantique et plus spécifiquement sur les côtes de l’Europe et de l’Afrique.

- Les marées de type semi-diurne à inégalité diurne Deux petits marnages sensiblement égaux sont suivis de deux grands marnages égaux eux aussi sur la durée d’un jour lunaire (ou vice-versa). L’inégalité diurne correspond à l’écart observé entre petit et grand marnage. Ces marées sont très présentes dans le Pacifique et dans l’Océan Indien bien qu’elles puissent être aussi observées, mais plus rarement, sur les côtes de l’Europe.

- Les marées de type mixte Au cours d’une lunaison, on observe successivement une période où la marée est semi-diurne et une période où la marée est diurne. On retrouve fréquemment ce type de marée en Indonésie, en Indochine, sur les côtes de Sibérie et d’Alaska, en Atlantique et aux Antilles (Fort-de-France).

10

- Les marées de type diurne Assez rare, ce type de marée se caractérise par une seule basse mer et une seule pleine mer par jour lunaire. Le marnage associé varie avec la déclinaison des astres. On peut observer ce type de marée dans l’Océan Pacifique, sur les côtes de Sibérie (marnage très important), en Alaska et en Asie du Sud-est.

Dans le paragraphe 1.1, nous venons de mettre en évidence les principaux aspects caractérisant le phénomène de marée. Nous allons maintenant nous intéresser aux méthodes actuellement employées pour le déterminer.

1.2 Méthodes traditionnelles de détermination de marées

1.2.1 Les mouillages marégraphiques

a. Instrumentation mise en œuvre On désigne sous le terme de marégraphe les instruments destinés à la mesure précise des

variations du niveau de la mer. Le tableau I.2 fournit un comparatif des différents types de marégraphes existants. Tous ces instruments sont utilisés à l’heure actuelle et offrent une précision de mesure homogène de l’ordre de quelques centimètres à un sigma selon une étude réalisée par le SHOM [2002].

Type Première utilisation Installation / Principe Précision à un sigma d'une

mesure intégrée sur 2 min Echelle de marée 1679 au niveau de l'interface eau/air, lecture manuelle des pleines et

basses mers 2 cm

Marégraphe à flotteur 1831

au niveau de l'interface eau/air, immergé dans un puits de tranquillisation, enregistrement des variations de hauteur du flotteur

5 cm

Marégraphe à capteur de pression

1960 Posé sur le fond, mesure des variations de pression 2 à 3 cm

Marégraphe à ultrason 1985 au-dessus de la surface de l'eau, mesure acoustique de la distance

séparant l'instrument de la surface libre de l'eau 2 à 4 cm

Marégraphe radar 1990 au-dessus de la surface de l'eau, mesure radar de la distance

séparant l'instrument de la surface libre de l'eau mieux que 2 cm

Tableau I.2 : Les différents types de marégraphes (sources : SHOM [2002] et Cazenave [2012])

Dans le cadre de ses activités, Total est principalement amené à demander le déploiement de marégraphes à capteur de pression. En effet, ce type de marégraphe, ne nécessitant pas la présence d’un point fixe à proximité de la surface libre de l’eau, est le seul à permettre une utilisation aisée loin des côtes. Les autres types de marégraphes, généralement en place au niveau des ports, sont cependant employés indirectement dans le cadre des prédictions de marée.

Les marégraphes à capteur de pression sont le plus souvent constitués d’un quartz, sensible aux variations de pression. Ainsi, en connaissant précisément la densité de l’eau et les variations de pression atmosphérique (correction du baromètre inverse), il est possible de déduire de ces enregistrements les hauteurs d’eau correspondantes. La précision de détermination communément admise est de l’ordre de 0,05% de la profondeur d’eau à un sigma.

11

Leur mise en œuvre est illustrée par la figure I.5. L’entier dispositif est immergé par l’intermédiaire d’un lest. A la fin de la campagne de mesures, le déclencheur acoustique est activé depuis la surface. La bouée permet alors la récupération du marégraphe et des enregistrements. Pour s’affranchir des variations de période courte (houle par exemple), une période d’intégration des mesures (de quelques minutes généralement) est choisie.

Bien qu’appréciés pour la représentation fidèle des informations de marée qu’ils permettent d’obtenir, les marégraphes à capteur de pression ne sont cependant pas exempts de défauts. En premier lieu, il est intéressant de noter que tout problème d’acquisition ne peut être mis en évidence qu’après la récupération, aucune information n’étant transmise à la surface pendant le mouillage. D’autre part, leur mise en œuvre est caractérisée par un risque élevé de perte de l’instrument, notamment en zone de pêche intensive (risque de dragage du dispositif immergé). Enfin, on ne peut négliger le caractère très ponctuel des données, le signal de marée n’étant rigoureusement déterminé qu’au point choisi pour le mouillage. Ce dernier point a fait l’objet d’une étude dédiée, présentée dans le paragraphe 1.2.1.b suivant.

b. Robustesse et validité des mesures marégraphiques

En marge des objectifs principaux du projet, une étude sur des acquisitions simultanées de données marégraphiques a été menée en vue d’évaluer la précision effective de ce type de mesures.

Via la comparaison d’enregistrements issus de deux marégraphes distincts, mouillés sur une même zone d’étude mais à quelques kilomètres l’un de l’autre, il est effectivement envisageable de mettre en évidence deux composantes : la précision intrinsèque des instruments et la variabilité géographique des phénomènes de marée, ce dernier paramètre n’étant pas totalement pris en compte lors d’une réduction de sondage par marégraphe. En effet, sur une zone d’étude donnée, les marégraphes ne sont mouillés qu’à une distance respective de 20 km en moyenne. Ainsi, la détermination de marée n’est réalisée que pour certaines positions particulières, ce qui ne donne qu’une idée limitée des possibles variations spatiales du phénomène. Lorsque seules les données d’un marégraphe sont disponibles, l’évaluation effective de la variabilité spatiale est de surcroit impossible à réaliser. On retrouve ce cas de figure lorsque la zone d’étude est réduite (rayon < 20-30 km) ou lorsqu’un ou plusieurs des mouillages marégraphiques mis en œuvre sont perdus.

A ce titre, les résultats détaillés, ainsi qu’une étude plus poussée concernant le projet Martin Linge en mer du Nord (Norvège) sont présentés en annexe I.

Les conclusions que l’on peut tirer de cette étude sont les suivantes : - Aucune corrélation entre les écarts constatés et la distance séparant les deux marégraphes

comparés ne peut être établie. - Sur l’échantillon de données analysé, l’écart-type des écarts entre les enregistrements est

généralement inférieur au décimètre, pour des distances d’éloignement comprises entre 4 et 140 km, dans le cas où aucune anomalie n’est présente dans le jeu de données.

- Les mesures marégraphiques peuvent être occasionnellement entachées d’anomalies sur des périodes plus ou moins courtes (de quelques minutes à plusieurs jours). Ceci peut s’avérer problématique si un seul marégraphe est mouillé sur une zone donnée. Des écarts supérieurs à 60 cm ont ainsi été enregistrés lors d’une étude océano-météorologique réalisée entre 2007 et 2009 dans la région de Balikpapan en Indonésie. L’instabilité présumée du mouillage d’un des marégraphes mis en œuvre est probablement à l’origine de cette anomalie.

On notera au final que ces résultats sont donnés à titre indicatif et ne peuvent faire l’objet d’aucune généralisation, ne serait-ce qu’en raison de la forte variabilité spatiale du phénomène de marée.

Figure I.5 : Schéma simplifié du mouillage d’un marégraphe à capteur de pression

Fond marin

Bouée flottante

Surface libre de l’eau

Hau

teur

d’e

au

Marégraphe à capteur de pression

Déclencheur acoustique

Lest

12

1.2.2 Les modèles de prédiction

a. Principe de décomposition harmonique Nous l’avons vu : la marée, telle que l’on peut l’observer sur Terre, est largement due à des

phénomènes périodiques. Ainsi, la méthode de décomposition harmonique s’impose largement à celui qui veut obtenir une description ou un modèle complet de la marée (Pugh [1987]). Le principe, qui se base sur la théorie dynamique des marées, consiste à décomposer la marée observée en une somme de composantes harmoniques (ou marées partielles) dont chacune des périodes correspond exactement à la période d’une des composantes du mouvement relatif Terre-Lune-Soleil. En fonction du lieu, l’amplitude ainsi que la phase de chaque marée partielle varient. Ces paramètres sont déterminés en effectuant des mesures sur la marée au niveau du lieu d’étude. Plus le temps d’observation est long, plus le nombre d’équations d’observation est grand et plus le modèle obtenu est robuste, et ce notamment pour les composantes caractérisées par les plus grandes périodes. La prédiction de marée consiste alors à générer, à partir des constituants harmoniques issus du modèle, un signal de marée correspondant à une période voulue.

Une illustration mettant en évidence le principe de superposition d’ondes élémentaires générant le signal de marée est disponible en annexe II. Les caractéristiques (origine, période, amplitude et phase) de certaines de ces dernières sont par ailleurs données ainsi que l’énoncé de la formulation mathématique utilisée par le SHOM.

b. Les sources de données Depuis des décennies, les prédictions de marée se sont basées sur les mesures issues de

marégraphes installés sur les côtes du monde entier. Plusieurs bases de données marégraphiques existent, permettant de recenser l’ensemble des enregistrements à l’échelle de la planète. L’une des plus connues est issue du programme GLOSS7. Celui-ci regroupe 289 stations marégraphiques. Une des principales missions du GLOSS est d’assurer la qualité des mesures à tout instant. De plus, une série d’experts se réunit tous les deux ans afin de discuter de l’état du réseau ainsi que des évolutions technologiques à adopter.

L’un des principaux inconvénients de ces réseaux de marégraphes provient du fait que les mesures se limitent à des zones côtières, les marégraphes permanents étant rarement installés en mer profonde. La couverture spatiale étant inégale, on comprend donc aisément que la précision des prédictions en zone pélagique8 s’en trouve dégradée. En effet, bien que la mise en œuvre de cartes cotidales permette d’appliquer des corrections d’amplitude et de phase sur les données du port servant de référence, l’absence de mesures in situ demeure un problème récurrent.

Toutefois, l’avènement des mesures d’altimétrie radar au milieu des années 90 a permis de compléter les données issues des marégraphes et a donné naissance à de véritables modèles globaux de marée. Cette technologie se base sur un réseau de satellites d’observation (Topex-Poséidon, Jason-1, Jason-2,…). Le principe repose sur une mesure de distance par ondes radar9 entre le satellite d’une part et la surface océanique d’autre part. Le positionnement précis des satellites est assuré, quant à lui, via des techniques d’orbitographie : DORIS10, TRSR11 (GPS12) et LRA13 (SLR14) notamment. A titre

7 Global Sea Level Observing System 8 Haute mer 9 Radio Detection And Ranging 10 Détermination d’orbite et de radiopositionnement intégrés par satellite, mesures basées sur l’effet Doppler 11 Turbo Rogue Space Receiver, localisation par GPS 12 Global Positionning System 13 Laser Retroreflector Array, localisation par laser 14 Satellite Laser Ranging

13

d’exemple, le satellite Jason-1 n’a besoin que de 10 jours pour survoler 90% des océans non gelés [CNES15, 2011].

Quelques exemples d’organismes fournisseurs de données sont disponibles en annexe III.

c. Robustesse des données La quantification de la précision effective des prédictions de marée n’est pas chose aisée. En

effet, cette dernière peut varier sensiblement d’une zone à une autre, d’une période à une autre. Les variations entre marée prédite et marée effective correspondent à ce qu’on appelle communément valeurs de surcotes/décotes. Celles-ci sont principalement dues à des phénomènes météorologiques. On retiendra simplement qu’une différence de pression atmosphérique de 10 hPa au niveau de la surface de la mer peut être à l’origine d’une variation de hauteur d’eau de l’ordre de 10 cm.

De plus, les données sources ainsi que l’algorithme de détermination employé influent également sur les résultats finaux.

1.3 Le problème du rattachement altimétrique en milieu offshore

Le rattachement altimétrique d’une campagne de mesures correspond à l’étape de traitement des données permettant le recalage des mesures par rapport à un référentiel vertical connu. Quel qu’il soit, ce dernier se doit généralement de répondre à plusieurs critères de qualité (SIMON [2007]) dont deux principaux que sont l’accessibilité et la stabilité.

Sur terre, il est relativement aisé de mettre en place un réseau de points géodésiques permettant le rattachement ultérieur de tout travail topographique. Ainsi, un datum vertical est généralement établi à partir de la mesure du niveau moyen des mers, issue d’un marégraphe spécifique, pendant une période donnée. Par la suite, un réseau national est établi à l’aide de campagnes de nivellement successives. En France, ce sont les mesures du marégraphe de Marseille enregistrées de 1884 à 1896 qui ont été utilisées pour le réseau NGF16-IGN1769.

Dans le cas spécifique de l’hydrographie, la définition, le choix et la réalisation d’une référence verticale sont délicats et posent des problèmes fondamentaux. En effet, bien que le fond puisse être marginalement utilisé pour retrouver une cote, la seule surface généralement accessible n’est autre que la surface de l’eau. Bien entendu, cette surface est caractérisée par un inconvénient de taille, sa non-stabilité. Ainsi, on ne lui confère généralement pas plus qu’un statut de référence provisoire, préférant généralement certains niveaux caractéristiques du niveau de la mer.

1.3.1 Les niveaux caractéristiques de la marée

a. Le zéro hydrographique (CD : Chart Datum) Historiquement, la réduction des sondages se doit d’être réalisée par rapport au zéro

hydrographique, niveau faisant référence commune aux cartes marines et aux annuaires de marée. Visant la meilleure sécurité possible pour la navigation, ce niveau est défini comme étant une approximation du niveau des plus basses mers astronomiques selon les recommandations de l’OHI18. En pratique, la coïncidence entre ces deux niveaux est rarement respectée si bien que le zéro hydrographique est généralement fixé légèrement plus haut que le niveau des plus basses mers astronomiques. Cette manière de procéder permet d’assurer une marge de sécurité sur les hauteurs d’eau minimums renseignées sur les cartes marines.

Le zéro hydrographique est généralement côté dans un référentiel terrestre, soit par l’intermédiaire d’un réseau de repères stables situés à proximité d’un marégraphe terrestre ou bien par rapport à une

15 Centre National d’Etudes Spatiales 16 Nivellement Général de la France 17 Institut Géographique National 18 Organisation Hydrographique Internationale

14

surface de référence de manière à assurer une conservation pérenne. Cette surface est alors rapportée à un système de référence international tel que l’ITRF19.

b. Le niveau des plus basses mers astronomiques (LAT : Lowest Astronomical Tide)

Comme le précise Simon [2007], le niveau des plus basses mers astronomiques correspond au niveau le plus bas des niveaux caractéristiques de la marée. Le qualificatif « astronomique » renvoie au caractère théorique de ce niveau. En effet, il ne s’agit pas rigoureusement d’un niveau observé, mais d’un niveau calculé et directement fonction de la force génératrice de la marée. Néanmoins, sa détermination pratique se base généralement sur une étude harmonique, elle-même issue de l’analyse d’observations préalables. Il en résulte que la précision du résultat obtenu varie fortement en fonction de la qualité et de la durée des observations disponibles, des corrections appliquées, de la méthodologie de calcul employée, du type de marée ainsi que de son amplitude.

c. Le niveau moyen (MSL : Mean Sea Level)

Le niveau moyen des mers correspond à la moyenne calculée du niveau de la mer, mesuré de manière continue sur une période donnée. Sa détermination étant directement dépendante de la période d’observation choisie, toute valeur du niveau moyen se doit rigoureusement d’être accompagnée des dates de début et fin de mesures. En pratique cependant, ces informations sont rarement renseignées et on retiendra simplement que plus la durée d’observation est longue, plus la détermination du niveau moyen est réputée robuste et fiable.

L’ensemble de ces trois niveaux est repris sur la figure I.6.

Figure I.6 : Niveaux hydrographiques de référence

19 International Terrestrial Reference Frame

Niveau des plus basses mers astronomiques (LAT)

Niveau instantané

Zéro hydrographique (CD)

Niveau moyen (MSL)

15

1.3.2 Accès à la référence locale

Pour un lieu d’étude donné, l’ensemble des niveaux décrits au paragraphe 1.3.1 n’est généralement pas connu, mis à part lors de l’usage exclusif de données de prédictions de marée pour la réduction des sondages. En effet, les campagnes ne durant que quelques semaines, une mesure directe de ces niveaux n’est en théorie pas envisageable car une détermination complète nécessiterait plusieurs dizaines d’années d’observations marégraphiques sur la zone d’étude. Pour illustrer ces propos, on remarquera, par exemple, que le niveau des plus basses mers astronomiques d’un port n’est atteint qu’une fois par période chaldéenne (soit 18,6 ans, pour rappel).

Pour tout de même permettre l’accès à la référence locale à partir de mesures in situ, on peut recourir à la méthode non harmonique dite « des concordances ». Cette méthode fait office de référence. Son principe repose sur une étude de comparaison entre les marées d’un port de référence pour lequel le zéro des sondes est connu et les marées du port ou lieu d’étude à rattacher (zéro des sondes inconnu). Pour ce faire, on dresse un tableau de concordance dans lequel est recensée l’heure de chaque pleine ou basse mer pour les des deux ports. On reporte alors sur un même graphique les résultats obtenus. En abscisse, on retrouve les heures des basses et pleines mers correspondant au port de référence et en ordonnée, les heures correspondant au port à rattacher. On réalise finalement une régression linéaire sur ces points. Dans le cas où le zéro des mesures correspond au zéro des sondes pour le port de référence et au zéro de l’échelle de marée pour le port à rattacher, l’ordonnée à l’origine de la droite de régression détermine la correction à appliquer aux mesures effectuées au port à rattacher pour réduire les sondages. Les résultats obtenus sont d’autant meilleurs que les deux ports sont proches et que la durée d’observation est longue et effectuée sans interruption. On fixe généralement la durée minimale d’observation à 29 jours soit une lunaison. La précision de la méthode des concordances est de l’ordre du décimètre dans les meilleures conditions. D’après les travaux de Habert [1984], une précision centimétrique peut être atteinte mais, dans ce cas, une durée d’observation de plus d’un an est nécessaire.

En pratique, bien qu’efficace, cette méthode n’est que très rarement utilisée. En effet, s’il l’on dispose d’un échantillon de données suffisant (soit au minimum 29 jours), il est communément admis que le niveau moyen des mers (MSL) du lieu d’étude coïncide avec le niveau moyen déduit de la moyenne des mesures. On retient simplement qu’en règle générale, plus la période est courte, plus les résultats ont tendance à être sujets aux phénomènes océaniques ou météorologiques.

Pour tester cette théorie, une étude a été réalisée à partir des données correspondant à l’un des marégraphes mouillés au large de la Norvège, à la fin 2011 dans le cadre du projet Martin Linge. Sur la figure 1.8, chaque point bleu correspond à une détermination indépendante du niveau moyen. On remarque que plus la période d’intégration des mesures est grande, plus la détermination du niveau moyen est robuste. L’écart par rapport au niveau de référence, défini comme la moyenne des mesures sur l’ensemble de l’échantillon (55 jours d’acquisition), devient centimétrique à partir de 28 jours d’intégration environ. L’approximation réalisée peut donc être considérée comme valide.

Ainsi, même si rigoureusement un nouveau référentiel est défini à chaque nouvelle campagne (stabilité non respectée), ce procédé permet effectivement une détermination rapide et aisée du niveau moyen. Si nécessaire, le rattachement au LAT ou CD peut dès lors être réalisé via l’application des constantes en vigueur pour la zone d’étude ou à défaut, pour le port le plus proche.

16

Figure I.7 : Détermination empirique du niveau moyen à partir de données marégraphiques, projet Martin Linge, 2011 (Norvège)

Remarque :

Il convient en outre d’évoquer le caractère instable des référentiels utilisés en milieu offshore. En effet, ceux-ci sont sujet à des variations non astronomiques diverses telles que l’augmentation régulière du niveau des océans. A ce titre, les missions satellitaires de type Topex/Poséïdon ont mis en évidence une augmentation moyenne de l’ordre de 3,2 +/- 0,4 mm/an depuis 1992, soit 6 cm au total (CAZENAVE, [2012]). On notera notamment que ce type de variation étant linéaire, il n’est pas pris en compte lors de la modélisation harmonique permettant la détermination des niveaux caractéristiques.

1.4 Réduction des sondages hydrographiques : analyse du besoin

1.4.1 Types d’études concernées

a. Mesures bathymétriques Le but principal de la reconnaissance bathymétrique est de fournir des informations détaillées

du relief sous-marin en modélisant la surface du fond de la mer. Les mesures bathymétriques sont aujourd’hui essentiellement réalisées à l’aide d’écho-sondeurs multi-faisceaux (MBES : MultiBeam Echo Sounders). Ces instruments, qui utilisent la technologie SONAR20, sont directement installés sous la coque des navires de reconnaissance.

Une série d’impulsions sonores est émise à intervalles réguliers à partir de transducteurs. Le nombre de ces derniers varie de 120 à 200 selon l’appareil. Ces signaux traversent la colonne d’eau avant d’être réfléchis par le fond de la mer. Le signal retour est alors enregistré par un ensemble de récepteurs communément appelés transpondeurs. En supposant connue la vitesse de propagation de l’onde dans l’eau, la mesure du temps pris à l’onde pour effectuer le trajet aller-retour entre le système de transmission et le fond de la mer est suffisante pour déterminer la profondeur de sondage et permet donc de rendre compte de la topographie du fond marin, et ce, relativement à la position du navire.

20 Sound Navigation and Ranging

Niveau de référence = moyenne des mesures sur l’ensemble de l’échantillon, soit 55 jours d’acquisition

17

La profondeur de sondage est obtenue par la formule suivante :

𝑯𝒔𝒐𝒏𝒅𝒂𝒈𝒆 = 𝒗 ∙ 𝒕𝟐

Équation I.1 : Calcul de la profondeur de sondage

Avec : v, la vitesse de propagation moyenne de l’onde acoustique dans la colonne d’eau (en m.s-1) t, le temps de trajet aller-retour de l’onde entre le transmetteur et le fond de l’eau (en s)

Il est intéressant d’observer que les mesures bathymétriques servent généralement de référence pour recaler les mesures sismiques effectuées dans le cadre des reconnaissances de site.

La précision intrinsèque d’un capteur bathymétrique en eau peu profonde est de l’ordre de 0,03% de la profondeur d’eau à un sigma. La précision globale d’une bathymétrie est évaluée généralement entre 0,1 et 0,5% de la profondeur d’eau à deux sigmas. Cette valeur englobe l’ensemble des erreurs liées à ce type d’opération, c'est-à-dire : la précision intrinsèque de l’appareil, l’incertitude de la calibration de l’installation, la précision du compensateur de houle, la précision de la centrale d’attitude, l’ouverture du faisceau ainsi que la précision du rattachement vertical.

b. Sismique d’exploration Les études sismiques marines en phase d’exploration sont largement utilisées à des fins d’aide

à la détection et à la localisation d’éventuelles ressources pétrolières en milieu offshore. Le principe repose sur l’envoi d’une onde sismique à l’aide d’une série de sources prenant la

forme de canons à air (air guns). L’onde traverse la colonne d’eau et pénètre dans le sous-sol océanique. A chaque rencontre d’une nouvelle couche géologique, une partie du signal est réfléchie vers la surface. Elle est alors enregistrée à l’aide de récepteurs (hydrophones). L’analyse géophysique des données ainsi recueillies permet de tracer une véritable cartographie des sous-sols marins, et ce, jusqu’à plusieurs milliers de mètres de profondeur d’après Ancel [2011].

Il est intéressant de noter que le niveau de précision verticale de la cartographie ainsi acquise n’est généralement de l’ordre que de quelques mètres. Cette grande incertitude provient majoritairement du fait que la vitesse de propagation de l’onde sismique, grandement influencée par la composition du milieu qu’elle traverse, est assez mal connue. Sources et récepteurs sont remorqués par un navire spécialisé communément appelé bateau sismique. Les récepteurs sont alignés le long de flûtes (streamers). Ces dernières peuvent atteindre plusieurs kilomètres de long sur plusieurs centaines de mètres de large et se déforment au gré des courants.

On distingue plusieurs types de sismiques. On parle de sismique 2D lorsque le dispositif mis en place ne comporte qu’une seule flûte. On obtient alors un profil sismique le long du cap suivi par le bateau lors des mesures. La plupart du temps, on lui préfère la sismique 3D qui, par l’emploi de plusieurs flûtes parallèles, permet d’obtenir directement une cartographie en 3 dimensions de la zone étudiée. Enfin, on distingue aussi la sismique 4D. Le principe repose sur l’étude de plusieurs campagnes 3D effectuées sur une même zone, à des époques différentes. Cela permet, par exemple, d’étudier l’évolution spatiale d’un réservoir d’hydrocarbures. On fera remarquer qu’à chaque changement de dimension, le coût de la campagne augmente sensiblement.

c. Sismique HR (Haute Résolution) On regroupe, sous l’appellation de sismique haute résolution, l’ensemble des méthodes

permettant de déterminer la géométrie, la structure et la configuration des couches géologiques constitutives des cent premiers mètres des sols en mer. Ainsi, contrairement à la sismique d’exploration, on ne s’intéresse ici qu’à une partie superficielle des sous-sols marins. In fine, les résultats issus de ce type de campagne permettent de localiser d’éventuels aléas géologiques (aussi connus sous la dénomination de géohazards) tels que les poches de gaz superficielles (shallow gas) ainsi que de dimensionner les fondations des futures structures pétrolières. On parle alors communément de campagnes de reconnaissance de site.

18

En sismique haute résolution, trois principaux appareils sont utilisés :

Les sondeurs de sédiments (pingers) Ce type d’instrument s’apparente, en quelque sorte, à un écho-sondeur mono-faisceau

(utilisation d’un seul transducteur). Cependant, celui-ci est caractérisé par une fréquence d’émission plus basse (de l’ordre de 5 kHz) permettant d’augmenter le pouvoir pénétrant de l’onde acoustique (environ égal à 30 m). Une des conséquences directes de l’utilisation de cette gamme de fréquences est la diminution de la directivité et c’est notamment pourquoi, le pouvoir de résolution pour un sondeur de sédiment est généralement moindre, de l’ordre de 30 cm en conditions favorables. La mise en œuvre de cet instrument s’effectue soit en fixant le transducteur sur la coque du navire (comme pour les écho-sondeurs), soit en disposant le transducteur dans un poisson remorqué derrière le navire.

Les boomers Les boomers sont assimilables à des sources de type électromécanique. Lors des campagnes de

mesures, ils sont fixés sur un poisson remorqué par le navire. L’impulsion acoustique générée par cet instrument à un pouvoir de pénétration de l’ordre de 80 mètres pour un pouvoir de résolution proche de 40 cm.

Les étinceleurs (sparkers)

Dans le cas des étinceleurs, l’émission du signal sismique est provoquée par une étincelle engendrée par la décharge d’une batterie de condensateurs. La résolution associée à ce type d’appareil est de l’ordre de 1 m. Les pénétrations généralement enregistrées varient entre 50 et 100 mètres en fonction de la nature des sédiments. En condition d’utilisation, ces instruments sont immergés à très faible profondeur (0,50 m environ) et sont traînés soit sur le côté, soit derrière le navire.

Il est à noter que les résolutions fournies ci-dessus correspondent aux conditions les plus

favorables et sont données relativement au niveau du fond de la mer, considéré connu. En pratique, on se sert de la campagne bathymétrique pour recaler altimétriquement les mesures de sismique haute résolution. Ainsi, en termes de précision absolue, la précision des mesures de sismique haute résolution ne pourra jamais être meilleure que la précision des mesures bathymétriques seules.

d. Cas particuliers liés à l’emploi d’engins submersibles Dans un contexte de mesures grand fond, une solution existe pour limiter la perte de précision

liée à l’augmentation de la hauteur de la colonne d’eau (sans toutefois l’annuler totalement). Elle passe par l’utilisation d’un véhicule sous-marin de type ROV21 ou AUV22. Ces submersibles s’apparentent à des robots capables d’embarquer toute une série de capteurs tels qu’un écho-sondeur ou des instruments de sismique haute résolution. L’intérêt principal de leur déploiement réside dans la possibilité de se rapprocher des fonds marins, ce qui permet de diminuer la colonne d’eau séparant les instruments de mesure et le fond de l’eau. Nonobstant les incertitudes de positionnement spatial du véhicule sous-marin, on retrouve alors des conditions quasi-similaires à celles que l’on rencontrerait avec une installation standard des instruments, pour une zone de faible profondeur d’eau.

1.4.2 Réalisation actuelle de la réduction des sondages

En fonction du type de sondage hydrographique employé, les précisions atteintes ne sont pas

les mêmes, le paragraphe 1.4.1 l’a montré. Il apparaît ainsi évident que les exigences en termes de détermination de marées pour permettre la réduction des sondages ne sont pas identiques non plus. En fait, le choix d’une méthode de détermination par rapport à une autre s’effectuera en fonction de l’influence présumée du phénomène de marée sur les résultats finaux.

21 Remotely Operated Vehicle 22 Autonomous Underwater Vehicle

19

De part leur précision théorique élevée (pour rappel, proche de 0,05% de la profondeur d’eau à

un sigma), les marégraphes sont communément privilégiés là où l’influence du phénomène de marée se révèle être la plus critique. Typiquement, cela concerne les campagnes géophysiques d’ingénierie réalisées en mer peu profonde (<400 m) en vue du développement de nouveaux sites de production pétrolière. Lors de ces campagnes, sont mises en œuvre principalement des mesures bathymétriques ainsi que des mesures sismiques HR (voir paragraphe 1.4.1). L’emploi d’engins type AUV/ROV est également envisagé lorsque les conditions d’acquisition l’exigent. Pour ce type d’étude, l’usage des prédictions est réservé aux situations pour lesquelles, soit le mouillage de marégraphes s’avère impossible, soit le phénomène de marée est négligeable devant la précision effective des sondages réalisés.

En ce qui concerne les campagnes sismiques d’exploration visant à rechercher de nouveaux

réservoirs d’hydrocarbures, la précision intrinsèque des mesures de sondage est généralement de quelques mètres, les prédictions de marée sont alors utilisées et ne sont pas remises en cause. En effet, il ne paraît pas pertinent de développer une autre méthode de détermination dès lors que les résultats obtenus sont suffisants au regard de la précision globale des mesures, l’application de prédictions étant la méthode la plus facile et la moins coûteuse à mettre en œuvre.

1.4.3 Exigences en termes de précision

a. Référentiel interne au groupe Total Au sein du groupe Total, un référentiel interne couvrant l’ensemble des activités

d’exploration-production existe. Prenant la forme de spécifications générales, on y retrouve notamment les principales exigences du groupe en matière d’opérations offshore.

La norme GS EP GEO 201, relative aux campagnes de mesures géophysiques, renseigne ainsi sur la précision de détermination des profondeurs à respecter lors des sondages. Celle-ci doit être au maximum égale à 1% de la profondeur d’eau à deux sigmas. Dans le cas particulier des mesures bathymétriques, cette valeur passe à 0,5% à deux sigmas. Cette norme spécifie également les solutions actuellement validées par Total pour la réduction de marée, à savoir : les mouillages marégraphiques ainsi que les prédictions de marée.

b. Comparaison aux normes de l’OHI

L’Organisation Hydrographique Internationale, dans son rôle d’autorité hydrographique internationale officielle, publie régulièrement des normes et spécifications relatives aux activités maritimes. A ce titre, la publication spéciale n°44 (OHI [2011]), recense les normes OHI relatives aux levés hydrographiques.

Ce document fournit notamment l’incertitude verticale totale admissible pour les sondages bathymétriques. Ces derniers sont classés selon trois ordres distincts, fonction de la gamme de précision souhaitée. L’ordre spécial correspond à la classe la plus exigeante, destinée à être employée sur les zones à faible profondeur d’eau (moins de 40 m). L’ordre 2 est, quant à lui, destiné à être employé là où la profondeur d’eau est supérieure à 100 m. La figure I.8 illustre les précisions à respecter en fonction de la profondeur d’eau. A des fins de comparaison, les exigences issues du référentiel interne au groupe Total y sont également renseignées. On remarque que ces dernières sont, de manière générale, plus restrictives que les normes OHI, et ce même pour l’ordre spécial. Ainsi, pour une profondeur de 100 m d’eau, l’incertitude verticale totale admissible à deux sigmas est de 0,5 m d’après la norme Total GS EP GEO 201, tandis qu’elle est égale à 0,8 m pour l’ordre spécial de la norme OHI.

On constate cependant que la norme utilisée par Total ne considère aucune erreur indépendante de la profondeur d’eau, l’ordonnée à l’origine caractérisant la courbe d’incertitude verticale admissible étant égale à zéro. Ce type d’erreur existe pourtant bel et bien et est notamment prise en compte dans

20

les normes OHI. On citera en exemple les erreurs de calibration des instruments ou bien encore l’incertitude liée à la mesure du tirant d’eau du bateau. Dans le cas où ces erreurs étaient effectivement prises en compte par la norme, on s’aperçoit que l’incertitude totale admissible correspondant à cette dernière pourrait alors quasiment se confondre avec la norme OHI d’ordre spécial.

Figure I.8 : Incertitude verticale totale admissible pour les sondages bathymétriques

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Ince

rtitu

de v

ertic

ale

tota

le a

dmis

sibl

e à

2 si

gmas

(m)

Profondeur d'eau (m)

Norme : OHI Ordre spécial

Norme : OHI Ordre 1

Norme : OHI Ordre 2

Norme : Total GS EP GEO 201

21

1.5 Constat sur les données du problème

Cette première partie du développement a permis de mettre en évidence plusieurs éléments. Un premier constat peut dès lors être dressé.

Tout d’abord, concernant la grandeur physique observée, il apparaît que la marée est un phénomène complexe à plusieurs égards. Sa juste détermination est ainsi rendue délicate par une grande variabilité, à la fois temporelle et spatiale.

Actuellement, la solution donnant accès aux résultats les plus fiables correspond sans nul doute à l’emploi de marégraphes in situ, qui permet d’obtenir des hauteurs de marée à une précision de l’ordre de 0,05% de la profondeur d’eau à un sigma au lieu de mouillage, dans le cas de l’utilisation d’un marégraphe à capteur de pression. L’autre méthode traditionnelle de détermination de la marée se rapporte aux prédictions basées sur les mesures marégraphiques à la côte, ainsi que plus récemment, sur les données issues de l’altimétrie radar.

Il est à noter qu’aucune de ces deux méthodes ne constitue une méthode idéale de détermination de marée, dans le cadre du processus de réduction des sondages hydrographiques. En effet, l’emploi des marégraphes se caractérise par un risque élevé de perte de l’instrumentation et une description non exhaustive de la variabilité spatiale du phénomène de marée. Les prédictions n’offrent quant à elles qu’une compréhension grossière de la marée, les valeurs de surcotes et décotes ne pouvant être connues. De ce fait, on comprend aisément qu’un réel intérêt est porté aux méthodes pouvant proposer une alternative viable a priori.

En milieu offshore, l’accès à un référentiel stable n’est pas chose aisée. Historiquement, le rattachement des sondages s’effectue au zéro hydrographique. Néanmoins, d’autres niveaux caractéristiques peuvent lui être préférés tels que le niveau des plus basses mers astronomiques ou le niveau moyen des mers. En cas de mouillage marégraphique, les niveaux de références sont déduits du niveau moyen, lui-même défini à la suite d’au moins 29 jours d’acquisition.

Dans le cadre de ses opérations d’exploration-production, Total met en œuvre plusieurs types de campagnes hydrographiques. Celles-ci se caractérisent par des gammes de précision variables, fonction de l’instrumentation utilisée ainsi que de l’usage qui en est fait. Dans le cas des sismiques d’exploration, l’emploi des prédictions de marée pour la réduction des sondages n’est ainsi pas remis en cause, la modélisation du phénomène de marée étant jugée suffisante devant la précision globale de ce type de sondage. Dans d’autres cas, en revanche, la détermination de marée est réputée critique et se doit de faire l’objet d’une détermination rigoureuse.

Par la suite, on retiendra spécifiquement le cas des sondages bathymétriques, caractérisés par la précision intrinsèque la plus fine (de l’ordre de 0,03% de la profondeur d’eau à un sigma en eau peu profonde). Pour ce type de campagne, Total préconise une incertitude verticale globale admissible égale à 0,5% de la profondeur d’eau à deux sigmas.

22

II. La détermination de marées comme nouvelle application GNSS

2.1 Techniques GNSS adaptées et employées en milieu offshore

Depuis l’avènement opérationnel du système américain GPS au milieu des années 90, de nombreuses applications utilisant les technologies de positionnement par satellites se sont développées et continuent de l’être, encore aujourd’hui. Pour la plupart, celles-ci mettent en œuvre des infrastructures et des méthodes de traitement spécifiques, adaptées au besoin exprimé. Le développement qui suit n’ayant pas pour vocation de revenir sur l’ensemble de ces éléments, les lecteurs désireux d’en apprendre davantage sur le système GPS, de sa composition à sa mise en œuvre en passant par le contrôle qualité des résultats, pourront s’orienter vers l’ouvrage de référence en France traitant de ce domaine : Duquenne et al. [2005].

2.1.1 Technologies utilisées

En milieu offshore, l’éloignement des côtes ne permet généralement pas de disposer d’une station de référence fixe à proximité de la zone d’étude. Dans ce contexte, certaines techniques sont à proscrire, comme par exemple le GNSS différentiel dans sa forme la plus simple, utilisant un couple station de référence – mobile pour déterminer un positionnement relatif précis (à partir des mesures de phase, positionnement centimétrique voire millimétrique). En effet, la ligne de base séparant ces deux instruments est un des principaux facteurs limitants de cette méthode. Ainsi, pour une base longue (>20 km), le bruit devient comparable au signal et il ne devient plus possible, dans la plupart des cas, de fixer raisonnablement les ambiguïtés de phases à des valeurs entières (Ledig [2011]). De plus, l’application simple de corrections différentielles n’est alors plus acceptable étant donné que ces dernières ne peuvent plus être considérées comme homogènes (phénomène de décorrélation spatiale).

Une des solutions envisageables est de recourir à une architecture DGNSS étendue, reposant sur un réseau de plusieurs stations de référence au sol reliées à un centre de calcul. Ce dernier collecte les observations issues des stations de référence et diffuse les corrections à l’utilisateur via un moyen de télécommunications (satellites ou radio). On désigne communément ce type de système par l’acronyme WADGNSS23 (ou WADGPS) lorsque les corrections calculées s’appliquent directement aux sources des erreurs associées aux pseudo-distances, à savoir notamment, les erreurs d’orbites et d’horloges des satellites et le retard ionosphérique (OGP24 [2011]). L’influence de l’ionosphère pouvant être éliminée par combinaison de fréquences (dans le cas de l’utilisation de récepteurs bi-fréquence), certains de ces systèmes se limitent à la résolution des deux premières erreurs. L’erreur troposphérique est, quant à elle, traitée par modélisation tandis que les écarts liés à l’erreur d’horloge du récepteur sont éliminés par redondance des observations. Cependant, on remarquera que la technique WADGNSS reste une solution de positionnement relatif, dans le sens où la qualité des corrections permettant l’amélioration du positionnement est directement corrélée avec l’éloignement relatif du récepteur par rapport au réseau de stations de référence utilisé.

Lorsque le système d’augmentation des données devient global, c'est-à-dire indépendant de la position géographique du récepteur, on parle alors de la technique de positionnement absolu PPP25

23 Wide Area Differential GNSS 24 International Association of Oil & Gas Producers 25 Precise Point Positioning

23

(OGP [2011]). Dans ce cas, un jeu universel de corrections des erreurs d’orbites et d’horloges des satellites est généré et transmis à l’ensemble de la communauté d’utilisateurs PPP. Ces corrections, qui améliorent l’exactitude des messages de navigation distribués par les satellites de la constellation GNSS, sont déterminées à partir d’un réseau de stations de suivi terrestres. Ce type de système est, au final, particulièrement adapté aux besoins de la prospection pétrolière et est déjà massivement employé par les sous-traitants pour des problématiques de positionnement planimétriques liées à la navigation. Les corrections bénéficiant d’une couverture globale, aucun réseau local de référence n’est à mettre en place et la mise en œuvre en est ainsi facilitée.

2.1.2 Solutions présentes sur le marché

Parmi l’ensemble des sous-traitants auxquels Total fait régulièrement appel pour ses opérations, trois fournisseurs se partagent le marché lié aux problématiques de positionnement GNSS. Il s’agit des sociétés C&C Technologies, Fugro et Veripos. Chacune dispose de ses propres technologies adaptées au milieu offshore.

Historiquement, celles-ci sont utilisées à des fins de navigation et de positionnement planimétrique, les antennes GNSS bi-fréquences étant installées sur les bateaux d’acquisition pour permettre le géoréférencement horizontal des sondages hydrographiques.

Aujourd’hui, ces trois sociétés proposent d’élargir le champ d’application de leur système à la troisième dimension, par la mise en avant de leur propre solution de détermination de marée qu’elles tentent d’imposer comme véritable alternative aux méthodes traditionnelles. De cette manière, le géoréférencement des campagnes hydrographiques serait assuré exclusivement via un positionnement GNSS.

a. Présentation de la solution C&C Technologies C-Nav est le nom donné par C&C Technologies à sa solution de positionnement GNSS de

type PPP. Pour mettre en avant le fait que les corrections d’orbites et d’horloges sont appliquées de manière globale, le constructeur emploie généralement le terme hybride GcGNSS26 pour désigner la technologie mise en œuvre.

C&C Technologies propose deux types de services de corrections indépendants à ses clients. Ceux-ci sont désignés respectivement par les appellations C-NavC1 et C-NavC2. Les principales différences se situent aux niveaux de l’algorithmie de traitement des enregistrements bruts employée ainsi que sur la constellation de satellites considérée. Concernant le service C-NavC1, seule la constellation GPS est utilisée. Les corrections transmises à l’utilisateur sont calculées via le système RTG27 développé par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA28. La précision verticale annoncée par le constructeur est de 10 cm à deux sigmas. Dans le cas du service C-NavC2, la constellation russe GLONASS est également prise en

26 Globally corrected Global Navigation Satellite System 27 Real Time GIPSY (GNSS-Inferred Positionning System) 28 National Aeronautics and Space Administration

Figure II.1 : Réseau de stations de suivi C-Nav

C-NavC1 C-NavC1+C2 Centre de calcul

24

compte. D’autre part, une solution développée en interne est implémentée pour le calcul des corrections. Il s’agit du système iCORE29. La précision annoncée par le constructeur pour un positionnement vertical est alors de 7,4 cm à deux sigmas.

Quel que soit le service utilisé, les corrections sont calculées à partir de deux centres de calcul qui reçoivent en continu les enregistrements des stations de suivi. Elles sont alors diffusées à l’aide de 7 satellites géostationnaires de communication (constellation Inmarsat). La figure II.1 montre la répartition actuelle du réseau de stations utilisées pour le calcul de ces corrections. On remarquera que pour le moment, seule la moitié de celui-ci (soit une trentaine de stations) est équipée pour recevoir le service C-NavC2. Ceci s’explique par la relative jeunesse de cette solution, encore en phase de tests à l’heure où ces lignes sont écrites. A titre d’informations, la solution C-NavC1, dans sa configuration actuelle, est disponible depuis fin 2010.

b. Présentation de la solution Fugro Concernant Fugro, trois solutions de positionnement distinctes sont proposées : Starfix.HP,

Starfix.XP et Starfix.G2. Le service Starfix.HP est le seul qui se base sur la technologie du DGNSS étendu. La qualité des corrections qui s’appliquent directement sur les pseudo-distances est ainsi dépendante de la densité du réseau de stations de référence autour du point de mesure. La figure II.2 donne un aperçu de la répartition de ce réseau à l’échelle mondiale. Dès lors, on remarque que ce type

de solution trouvera la majorité de ses applications dans des zones d’études situées relativement proches des côtes. Ainsi, Fugro annonce une précision verticale de 15 cm à deux sigmas dans le cas où au moins une station de référence se trouve dans un rayon de moins de 1000 km du point de mesure. Le service Starfix.XP, quant à lui, repose essentiellement sur le système GDGPS30 du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Ainsi, non seulement les algorithmes du système RTG sont employés mais aussi l’entier réseau GGN31 opéré par le JPL et qui prend la forme d’environ 70 stations de suivi

(JPL@ [2012]). Seule la constellation GPS est considérée et la précision verticale annoncée par le constructeur est de 20 cm à deux sigmas. Pour finir, la solution Starfix.G2 complète la gamme de services proposée par Fugro. Ici, la société emploie son propre réseau (comparable à celui présenté sur la figure II.2) ainsi que sa propre méthode de corrections. Les constellations GPS et GNSS sont utilisées et la précision annoncée par le constructeur pour un positionnement vertical est de 20 cm à deux sigmas.

c. Présentation de la solution Veripos La solution de positionnement Veripos se base sur la technologie PPP. A l’instar de ses deux

concurrents, Veripos a développé plusieurs services de corrections indépendants. On recense ainsi les services Veripos Ultra, Veripos Apex et Veripos Apex². Le service Veripos Ultra, de la même manière que la solution Fugro Starfix.XP, repose essentiellement sur le système GDGPS du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Le service Veripos Apex, deuxième solution proposée par Veripos se distingue par la mise en œuvre d’une algorithmie propre au constructeur, dénommée OCDS32. Le

29 Innovative Clock and Orbit Real-time Estimator 30 Global Differential GPS System 31 NASA Global GPS Network 32 Orbit and Clock Determination System

Figure II.2 : Réseau de stations de référence du système Fugro Starfix.HP

25

réseau GGN est remplacé par le réseau de stations de suivi appartenant à Veripos. Celui-ci se compose d’environ 80 antennes indépendantes. Encore une fois, seule la constellation GPS est utilisée et la précision verticale est donnée à 16 cm à deux sigmas. Enfin, le dernier service dénommé Veripos Apex², qui reprend le principe de la solution Veripos Apex, se distingue par l’implémentation des informations de positionnement issues de la constellation GLONASS. Malheureusement, le fournisseur ne renseigne pas de valeur de précision pour ce service.

d. Tableau comparatif

Solution Technologie Constellation satellites Stations au sol Algorithmie

de correction Précision en Z

annoncée

C&C C-NavC1 PPP GPS Stations de suivi C&C JPL (RTG) 10 cm (@95%)

C&C C-NavC2 PPP GPS + GLONASS

Stations de suivi C&C

Propriétaire (iCORE) 7,4 cm (@95%)

Fugro Starfix.HP DGNSS étendu GPS Stations de

référence FUGRO Propriétaire 15 cm* (@95%)

Fugro Starfix.XP PPP GPS Stations de suivi JPL (réseau GGN) JPL (RTG) 20 cm (@95%)

Fugro Starfix.G2 PPP GPS + GLONASS

Stations de suivi FUGRO Propriétaire 20 cm (@95%)

Veripos Ultra PPP GPS Stations de suivi JPL (réseau GGN) JPL (RTG) 20 cm (@95%)

Veripos Apex PPP GPS Stations de suivi VERIPOS

Propriétaire (OCDS) 16 cm (@95%)

Veripos Apex² PPP GPS + GLONASS

Stations de suivi VERIPOS

Propriétaire (OCDS) N.C.

Tableau II.1 : Tableau comparatif des solutions GNSS considérées (sources : C-Nav World DGNSS@ [2012], Starfix@ [2012], Veripos@ [2012])

Le tableau II.1 récapitule les informations à retenir concernant les infrastructures mises en place par les sociétés C&C Technologies, Fugro et Veripos en termes de solutions GNSS adaptées au milieu offshore. On constate que la majorité d’entre-elles se base sur la technologie PPP, qui permet d’assurer une qualité de service homogène sur la totalité du globe à l’exception toutefois des zones polaires. A ce titre, seule la solution Starfix.HP de Fugro reposant sur le principe du DGNSS étendu se distingue. Concernant les précisions en Z annoncées, on constate que Fugro et Veripos annoncent des chiffres relativement homogènes, de l’ordre d’un à deux décimètres en fonction de la solution considérée. En revanche, C&C se démarque et semble être plus optimiste dans ce domaine en annonçant des précisions près de deux fois meilleures, et ce pour ses deux solutions : C-NavC1 et C-NavC2. Pourtant, dans le cas de C-NavC1, seul le réseau de stations de suivi diffère des solutions Fugro Starfix.XP et Veripos Ultra, l’algorithme utilisé pour assurer le positionnement PPP étant rigoureusement le même. On illustre ici le fait que ces données constructeurs sont données à titre informatif et doivent donc être utilisées avec les précautions qui s’imposent.

2.2 Traitements spécifiques à mettre en œuvre

Le seul enregistrement des hauteurs ellipsoïdales issues des systèmes décrits au paragraphe 2.1 ne suffit pas pour permettre la réalisation du géoréférencement vertical des mesures hydrographiques. En effet, plusieurs problématiques liées à l’accès au datum de marée locale, à la réduction d’antenne et au filtrage des données sont également à considérer. La prise en compte de ces éléments étant primordiale

* dans le cas où une station de référence se trouve à moins de 1000 km du point de mesure

26

pour assurer la qualité des résultats finaux, des traitements spécifiques sont à mettre en œuvre, comme nous allons le voir dans ce paragraphe.

2.2.1 Accès au datum de marée local

Historiquement, la réduction des sondages se doit d’être réalisée par rapport à des grandeurs caractéristiques du niveau de la mer tels que le zéro hydrographique (CD), le niveau des plus basses mers astronomiques (LAT) ou encore le niveau moyen (MSL) (voir paragraphe 1.3.1). Dans le cas du positionnement GNSS, le datum communément employé est le système géodésique WGS84. Bien que ce dernier offre des possibilités quant à un géoréférencement global, l’absence d’une signification physique des hauteurs ellipsoïdales à l’échelle locale complique son utilisation dans le cadre d’applications hydrographiques. Ainsi, la détermination de l’ondulation des niveaux de référence locaux (CD, LAT ou MSL) par rapport à l’ellipsoïde est une étape rendue indispensable dans le processus de traitement des données GNSS.

A cette fin, deux types de modèles surfaciques mondiaux peuvent être utilisés : les modèles de géoïde et les surfaces océaniques moyennes (MSS : Mean Sea Surface). Ces modèles, cotés par rapport à l’ellipsoïde, renseignent sur la hauteur du niveau moyen de la mer pour une localisation donnée. Le rattachement par rapport à un autre niveau de référence (LAT ou CD) est alors réalisé par l’application d’un simple différentiel réputé constant pour une même zone d’étude, celui-ci étant généralement déterminé au port le plus proche. On admet alors que les variations spatiales des valeurs de déport entre les différents niveaux de référence (MSL, LAT et CD) sont négligeables pour la zone considérée.

a. Approximation du niveau moyen par le géoïde Un géoïde se définit comme étant une surface équipotentielle du champ de gravité terrestre.

Tout en se prolongeant sous les continents, celui-ci tend à coïncider avec la surface moyenne du niveau des mers, au sens de la méthode des moindres carrés (NOAA@, [2012]). En réalité, la coïncidence serait exacte si et seulement si les océans et l’atmosphère terrestre se trouvaient dans un état d’équilibre permanent.

On approche généralement cette surface par la détermination de modèles mathématiques complexes se basant sur des mesures issues de différentes sources dont notamment les données de suivi des satellites, d’altimétrie radar et de gravimétrie. Par rapport à un ellipsoïde de référence géocentrique représentant la forme idéale de la Terre, les variations de hauteurs du géoïde peuvent atteindre près de 100m, d’après Dodd et Mills [2012]. En fonction de la disponibilité de nouvelles mesures ou des progrès en termes d’algorithmes de calcul, de nouvelles déterminations sont publiées régulièrement. A titre d’exemple, on peut citer le modèle GOCO3303S développé par un consortium d’instituts géodésiques européens et qui constitue l’une des déterminations les plus récentes (Mayer-Gürr et al. [2012]). A l’heure actuelle cependant, un modèle est communément admis comme référence et est largement utilisé dans le cadre des applications nécessitant ce type de données. Il s’agit du modèle EGM3408, publié par la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) américaine (Pavlis et al. [2008]). Il remplace le modèle EGM96 et son exactitude globale est estimée par la NGA à environ 15 cm.

b. Approximation du niveau moyen par la surface océanique moyenne La surface océanique moyenne se définit comme étant la hauteur de la surface libre des océans.

Un modèle de surface océanique moyenne se calcule à partir de données issues de plusieurs années d’acquisition satellitaire (altimétrie radar). La hauteur ellipsoïdale du niveau moyen est obtenue par moyenne des mesures pour chaque point de la trace des satellites (Simon [2007]). Par interpolation,

33 Gravity Observation Combination 34 Earth Gravitational Model

27

l’entière surface est alors calculée. Au final, on dispose pour une zone donnée de la cote du niveau moyen par rapport à l’ellipsoïde correspondant à la période d’observation considérée par le modèle.

Pour le satellite Topex35/Poséidon lancé conjointement par les équipes de la NASA et du CNES en 1992, la précision moyenne instantanée de l’estimation locale du niveau de l’océan est meilleure que 5 cm (AVISO36@ [2012]). Cette valeur n’est cependant valable qu’à une distance respectable des côtes, de l’ordre de 10 km. En effet, les mesures altimétriques en milieu côtier ont tendance à être contaminées par l’inclusion de zones terrestres dans l’empreinte au sol (Vignudelli et al. [2008]), cette dernière étant de l’ordre de quelques kilomètres (3 à 5 km généralement).

Une résolution partielle de ce problème consiste à intégrer les modèles de géoïde dans les calculs. Ainsi, pour les zones côtières, la hauteur ellipsoïdale du niveau moyen est obtenue par interpolation entre les données altimétriques d’une part et les données issues du modèle de géoïde considéré d’autre part. Enfin, on notera que les modèles de surface océanique se prolongent généralement au niveau des continents, les valeurs renseignées pour ces zones provenant alors exclusivement du modèle de géoïde.

Depuis l’avènement de l’altimétrie radar dans les années 90, de nombreux modèles globaux ont vu le jour. A ce titre, le tableau II.2 en recense les principaux, publiés durant la dernière décennie. On note que la résolution de ces derniers est relativement homogène (une à deux minutes d’arc). Par ailleurs, plusieurs études passées visant à comparer les modèles ont permis de montrer une réelle cohérence des données fournies, celle-ci étant le plus souvent meilleure que le décimètre (Hernandez et Schaeffer, 2001 ; Andersen et al., 2005 ; Zimmermann, 2008 et Schaeffer et al., 2011). On constate enfin que la robustesse des modèles a tendance à augmenter au fil des années. En effet, de plus en plus de données sont rendues disponibles et sont donc intégrées au calcul de modélisation.

Modèle (année de publication)

Base de données altimétrique

Modèle de géoïde utilisé (zones côtières et continentales)

Résolution (degrés) Source

GSFC3700.1_MSS (2001)

Topex/Poseidon (T/P) : 6 ans / 2' Leben et al. [2002] ERS38-1, ERS-2

Geosat39

CLS01 MSS (2001) T/P : 7 ans

EGM96 (1998) 2' CLS@ [2001] ERS-1, ERS-2 : 5 ans Geosat : 2 ans

KMS04 (2005)

T/P : 9 ans

GGM4001 (2003) 2' Andersen et al. [2005]

ERS-1, ERS-2 : 7 ans GFO41 : 2 ans Geosat : 2 ans

DNSC4208 (2008) T/P + Jason-1 : 12 ans

EGM08 (2008) 1' DTU Space@ [2012] ERS-1, ERS-2, Envisat

GFO, Geosat

DTU10 (2010) T/P + Jason-1 : 17 ans

EGM08 (2008) 1' DTU Space@ [2012] ERS-1, ERS-2, Envisat

GFO, Geosat

CNES CLS 2011 (2011)

T/P + Jason-1 : 16 ans

EIGEN43_5C (2008) 2' AVISO@ [2012] ERS-2 + Envisat : 14 ans GFO : 7 ans ERS-1 : 2 ans

Tableau II.2 : Exemples de modèles de surface océanique moyenne

35 Topography Experiment 36 Archivage, Validation et Interprétation des données des Satellites Océanographiques 37 NASA’s Goddard Space Flight Center 38 European Remote-Sensing Satellite 39 GEOdetic SATellite 40 Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Gravity Model 41 GEOSAT follow-on 42 Danish National Space Center 43 European Improved Gravity model of the Earth by New techniques

28

Du fait qu’ils utilisent les données altimétriques ainsi que les modèles de géoïde les plus récents, les modèles DTU4410 et CNES CLS45 2011 sont les modèles majoritairement employés à l’heure actuelle. C’est pourquoi, dans la suite du développement, nous nous intéresserons essentiellement à ces derniers. La figure II.3 est une représentation du modèle CNES CLS 2011, elle permet de mettre en évidence l’ordre de grandeur des variations du niveau moyen des mers : de -100m à +80m environ (par rapport à l’ellipsoïde T/P utilisé comme référence par le modèle, voir paragraphe 3.2.4).

Figure II.3 : Représentation du modèle de surface océanique moyenne CNES CLS 2011 (source : AVISO@ [2012])

c. La topographie océanique moyenne (MDT : Mean Dynamic Topography)

Nous venons de voir que deux types de modèles surfaciques mondiaux peuvent être utilisés à des fins d’approximation du niveau moyen des mers à l’échelle locale. Cependant, il est primordial de ne pas les confondre car, contrairement au géoïde, la surface océanique moyenne est affectée par des phénomènes variables supplémentaires d’origine océanographiques et météorologiques. A titre d’exemple, Simon [2007] cite ainsi la circulation générale océanique, la répartition moyenne des densités, les gradients de pression atmosphérique ou encore les effets non linéaires de la propagation de la marée dans les zones de petits fonds.

Dans les faits, on représente l’influence qu’ont ces différents phénomènes sur les hauteurs d’eau mesurées par une surface de référence : la topographie océanique moyenne. Mathématiquement, celle-ci correspond à la surface résultant de la soustraction entre la surface océanique moyenne et le géoïde. Elle met directement en évidence les écarts pouvant exister entre les deux modèles.

La figure II.4 représente la topographie océanique moyenne calculée à partir des modèles CNES CLS 2011 et EGM08. La zone étudiée correspond à une partie de l’océan Atlantique située au large du Gabon. Pour celle-ci, les hauteurs renseignées par le modèle CNES CLS 2011 varient entre +4,42 m et +12,77 m pour une moyenne située à +7,95 m tandis que celles données par le modèle de

44 Technical University of Denmark 45 Collecte Localisation Satellites

29

géoïde EGM08 varient entre +4,22 m et +12,49 m pour une moyenne située à +7,66 m. On notera que ces hauteurs sont exprimées dans le système géodésique WGS84. La topographie océanique moyenne varie, quant à elle, de -0,15 m à +0,73 m pour une moyenne située à +0,27 m. A l’échelle mondiale, les variations de la topographie océanique moyenne sont généralement comprises entre -2 m et +2 m (DTU Space@ [2012]).

Dès lors, on s’aperçoit qu’en fonction de la zone considérée le choix du modèle de détermination du niveau moyen local peut s’avérer être critique. Toutefois, on aura tendance à privilégier les modèles de surface océanique moyenne. Résultant d’une mesure directe de la surface libre des océans, ce sont eux qui, théoriquement, décrivent le plus fidèlement le niveau moyen et ses variations au niveau local.

Figure II.4 : Représentation de la topographie océanique moyenne au large du Gabon

2.2.2 Réduction de la hauteur d’antenne

La réduction au datum de marée local des mesures GNSS, telle qu’elle est décrite dans le paragraphe 2.2.1, n’est pas suffisante pour assurer le géoréférencement vertical des sondages hydrographiques. En effet, à ce stade du traitement, un biais correspondant à la hauteur de l’antenne GNSS par rapport au niveau instantané de la mer est toujours présent dans les données. On rappelle en effet que les systèmes GNSS décrits au paragraphe 2.1 sont généralement installés sur les bateaux d’acquisition et sont donc situés à une distance variable non négligeable du niveau de la mer.

La hauteur d’antenne par rapport au niveau instantané de la mer est une valeur difficile à déterminer avec précision car elle dépend d’un grand nombre de paramètres.

En considérant dans un premier temps le bateau immobile et non incliné ainsi que le niveau instantané de la mer régulier, les premiers éléments à prendre en compte sont les coordonnées spatiales relatives de l’antenne GNSS dans le référentiel propre au bateau ainsi que le tirant d’eau (draft). Ces grandeurs sont généralement déterminées au port lors d’opérations de calibrations. La hauteur d’antenne par rapport au niveau instantané de la mer peut dès lors être obtenue suivant la formule :

𝑯𝒂𝒏𝒕𝒆𝒏𝒏𝒆 = 𝒁𝒂𝒏𝒕𝒆𝒏𝒏𝒆 + 𝑫𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕

Equation II.1 : Calcul de la hauteur de l'antenne GNSS (cas simplifié)

30

Avec : Zantenne, la coordonnée Z de l’antenne GNSS dans le référentiel du bateau (en m) Dconstant, le tirant d’eau du bateau au repos, donné dans le référentiel du bateau (en m)

On envisage maintenant le bateau rentrant en mouvement et un niveau instantané de la mer instable car influencé par des phénomènes de période courte tels que la houle. Dans ce cas de figure, le tirant d’eau devient un paramètre variable, fonction de l’enfoncement du bateau dû à la vitesse (squat) ainsi que des variations de charge principalement occasionnées par la consommation de carburant ou le remplissage des ballasts. En pratique, il est relativement difficile de déterminer cette grandeur de manière dynamique si bien que l’on doit se contenter généralement de mesures effectuées lors de chaque retour au port, la valeur du tirant d’eau pour un instant donné étant alors obtenue par simple interpolation linéaire. De plus, les paramètres d’attitude du bateau (roulis (roll), tangage (pitch) et pilonnement (heave)) sont désormais également à prendre en compte.

Finalement, la hauteur d’antenne s’obtient par la formule :

𝑯𝒂𝒏𝒕𝒆𝒏𝒏𝒆 = 𝒁𝒂𝒏𝒕𝒆𝒏𝒏𝒆 + 𝑫𝒗𝒂𝒓𝒊𝒂𝒃𝒍𝒆 + 𝜟𝑹 + 𝜟𝑷 + 𝜟𝑯

Equation II.2 : Calcul de la hauteur de l'antenne GNSS (cas général)

Avec : Zantenne, la coordonnée Z de l’antenne GNSS dans le référentiel du bateau (en m) Dvariable, le tirant d’eau du bateau, fonction de l’enfoncement et des variations de charge, donné dans le référentiel du bateau (en m) ΔR, influence du roulis du bateau sur la hauteur d’antenne (en m) ΔP, influence du tangage du bateau sur la hauteur d’antenne (en m) ΔH, valeur de pilonnement du bateau (en m) 2.2.3 Amélioration des résultats par filtrage

On présente dans ce paragraphe différents types de filtrage qui, par leur mise en œuvre, permettent d’améliorer la qualité des données finales de détermination de marée. Dans ce contexte, on s’intéresse tout d’abord aux filtres permettant de réduire le bruit de mesure par lissage des données. Dans un deuxième temps, on introduit le filtre de Doodson qui autorise une détermination de niveau moyen à partir d’une période très courte d’observations.

d. Recours aux algorithmes de lissage

Avec l’emploi des techniques GNSS telles que décrites dans le paragraphe 2.1, il faut s’attendre à devoir traiter de manière régulière des données de marée relativement bruitées, et ce même après leur réduction. Plusieurs raisons peuvent être invoquées, les deux principales étant la précision intrinsèque décimétrique caractérisant les systèmes de positionnement employés (voir paragraphe 2.1.2) et les effets résiduels des variations d’attitude du bateau, notamment dans le cas où celles-ci ne sont pas correctement déterminées puis prises en compte dans la réduction des enregistrements bruts (voir paragraphe 2.2.2).

Le bruit de mesure peut généralement être considéré comme un phénomène de courte période. Sachant que le signal de marée se caractérise par des périodes bien plus longues, de l’ordre de quelques heures à plusieurs années (voir paragraphe 1.1.3), il apparaît pertinent de recourir à des algorithmes de lissage dans le but louable d’améliorer les résultats, et ce sans risquer de les dégrader pour autant. Par ailleurs, la période d’échantillonnage habituellement choisie pour les enregistrements GNSS varie entre une seconde et une minute, ce qui permet de disposer d’une grande redondance des informations.

On attirera l’attention sur le fait que le choix de l’algorithme employé pour le lissage est rarement jugé critique, dans le sens où dans la plupart des cas des résultats similaires peuvent être

31

obtenus, et ce indépendamment du filtre utilisé. Ce dernier point aura l’occasion d’être mis en évidence dans le chapitre III. On se contente ainsi de recenser à titre d’information trois des algorithmes les plus souvent rencontrés (tableau II.3).

Algorithme Principe Paramètres variables Moyenne glissante Pour chaque point, la valeur lissée est obtenue par moyenne

arithmétique des valeurs brutes des points voisins. Nombre de points voisins considérés

Filtre de Savitzky-Golay

En utilisant la méthode des moindres carrés, on ajuste une fonction polynomiale à un petit échantillon de données. Les points "lissées" correspondent alors aux points centraux des courbes ainsi calculées.

taille de l'échantillon de données choisi pour le calcul, degré du polynôme

Ajustement d'une spline cubique

Dans l'intervalle défini par chaque couple de points de l'échantillon, un polynôme de degré 3 est ajusté, fonction du degré de lissage choisi. Chaque fonction polynomiale mise bout à bout forme la spline cubique qui se veut continue et dérivable jusqu'à l'ordre 2 sur l'ensemble de l'échantillon.

degré de lissage

Tableau II.3 : Exemples d'algorithme de lissage

e. Le filtrage Doodson Le filtre de Doodson tel qu’issu des travaux de Doodson et Warburg [1941] est un filtre de

marée s’appliquant à 39h d’observations continues. Par la mise en œuvre d’une série de poids spécifique, un poids étant défini pour chaque heure d’observation, ce filtre a pour objectif l’élimination des effets de marée dans les variations du niveau de l’eau. La figure II.5 fournit les valeurs desdits poids. Lorsque la période d’échantillonnage des données de hauteur d’eau est inférieure à une heure, la valeur correspondant à chaque heure d’observation utilisée par le filtre est généralement calculée par moyenne arithmétique.

Figure II.5 : Les poids mis en jeu dans le filtrage Doodson

Dans son travail de synthèse, Parker [2007] évoque les travaux de Groves [1955] selon lesquels le filtre de Doodson permettrait d’éliminer 99,94 pourcent de l’énergie de marée aux fréquences semi-diurnales, 99,79 pourcent aux fréquences diurnales et 99,38 pourcent pour les fréquences supérieures. Si l’on se fie à ces résultats, il semble bel et bien que le filtre de Doodson puisse fournir une détermination rapide et robuste du niveau moyen des mers.

Ainsi, il est dès lors envisageable de mettre en place un suivi de l’évolution du niveau moyen des mers à court-terme, celui-ci pouvant être redéterminé de manière indépendante chaque 39h d’observations. A titre de comparaison, on rappellera qu’on fixe généralement la durée minimale d’observation de la marée à 29 jours lorsque l’on souhaite déterminer le niveau moyen par moyenne arithmétique des mesures (voir paragraphe 1.3.2).

Afin de mettre en évidence la robustesse effective du filtrage Doodson, une étude a été menée à partir de 152 jours de données de prédiction de marée fournies par la société BMT Argoss,

Heure d’observation pour laquelle on souhaite déterminer le niveau moyen

32

correspondant à une zone de l’océan Atlantique située au large du Gabon. Sur l’ensemble de la période considérée, 93 déterminations du niveau moyen ont été calculées par filtrage Doodson. L’écart-type associé est égal à 0,014 m soit près de 50 pourcent de moins que ce qu’il aurait été sans l’application du filtre (0,026 m). En fait, pour obtenir des résultats comparables en utilisant une simple moyenne arithmétique, il aurait été nécessaire de quadrupler la période d’intégration des mesures (écart-type de 0,012 m obtenu en considérant une période d’intégration de 157h). Plus de détails sont donnés sur cette étude dans l’annexe IV.

Dans le cadre des traitements à mettre en œuvre lors d’une détermination du phénomène de marée par techniques GNSS, nous verrons dans le chapitre III que l’emploi du filtre de Doodson prend tout son sens. En effet, nous montrerons que celui-ci permet l’élimination des biais résiduels présents dans les enregistrements GNSS déjà réduits via la mise en œuvre d’un recalage dynamique des observations.

2.2.4 Solutions proposées par les sous-traitants

Les trois sociétés présentées dans le paragraphe 2.1.2, qui se partagent l’essentiel du marché lié au positionnement GNSS en milieu offshore, proposent toutes depuis quelques années un service de détermination de marée visant à être employé dans le processus de réduction des sondages hydrographiques. Dès lors, il apparait important de faire le point sur les procédures de traitement des données GNSS retenues par ces sous-traitants.

Tout d’abord, on constate que chacun d’entre eux a choisi de développer en interne un logiciel spécifique pour répondre à cette problématique complexe. Les premières différences de traitement que l’ont peut observer se concentrent sur le modèle choisi pour réaliser l’accès à la référence locale, les quatre modèles utilisés étant le géoïde EGM08 et les surfaces océaniques moyennes DNSC08, DTU10 et CNES CLS 2011. Concernant les données d’attitude du bateau, chaque système propose leur prise en compte pour la réduction de la hauteur d’antenne GNSS. En revanche, la mise en œuvre d’une solution de détermination du tirant d’eau, qu’elle soit dynamique ou non, est laissée à la discrétion du client. Les résultats de celle-ci peuvent cependant être intégrés dans les calculs. En outre, tous les fournisseurs offrent des solutions de lissage des données, celles-ci étant directement dépendantes du bruit effectif des mesures. On retiendra toutefois que ce sont les algorithmes de type moyenne glissante qui sont le plus largement utilisés. Enfin, seul Veripos implémente le filtre de Doodson dans ses procédures de traitement. Celui-ci est employé à des fins d’élimination des éventuels biais résiduels présents dans les données GNSS réduites. Le tableau II.4 résume les particularités de chacune des solutions.

Fournisseur Logiciel employé Modèles globaux d'approximation du niveau moyen Filtrage

Doodson EGM08 DNSC08 DTU10 CNES CLS 2011 C&C C-Tides (propriétaire) oui non non oui non

Fugro Starfix.MSS (propriétaire) oui oui oui non non

Veripos Verify Tides (propriétaire) oui prévu non non oui

Tableau II.4 : Particularités des traitements proposés par les sous-traitants

2.3 Pertinence par rapport à la problématique de départ

Les paragraphes 2.1 et 2.2 ont mis en évidence les caractéristiques principales des solutions utilisant les technologies GNSS pour permettre la détermination des phénomènes de marée.

A ce stade, il est essentiel de rappeler que la compréhension de la marée ne constitue qu’un des paramètres rentrant en compte lors de la réalisation des réductions de sondages. Ainsi, pour permettre une évaluation appropriée de ces nouvelles techniques, il est nécessaire de considérer la problématique de géoréférencement vertical des campagnes hydrographiques dans son intégralité.

33

Pour ce faire, on s’intéresse ici aux éléments à prendre en compte lors de la mise en œuvre de la réduction des sondages à partir de données GNSS puis au bilan des erreurs à y associer.

2.3.1 Mise en œuvre de la réduction des sondages

En fonction de la campagne de mesures considérée, les paramètres devant être pris en compte pour permettre la réduction des sondages ne sont pas systématiquement les mêmes. Ceux-ci sont en fait fonction du référentiel utilisé pour le repérage du sondeur.

Dans la plupart des cas, la position de ce dernier est déterminée par rapport au référentiel propre au bateau d’acquisition. On assimile cette disposition à la configuration A, illustrée par la figure II.6 dans le cas d’un sondeur solidaire à la coque du bateau.

Figure II.6: Réduction des sondages : configuration A (sondeur repéré par rapport au référentiel du bateau) Lors de l’emploi d’un engin sous-marin de type AUV ou ROV, le dispositif spécifique mis en

œuvre amène à considérer une seconde configuration. L’utilisation de ce type d’instrumentation est particulièrement adaptée aux besoins d’acquisition dans les zones de très grand fonds, c’est à dire là où la hauteur d’eau dépasse généralement 500 m. Pour ces études, le repérage vertical du sondeur est assuré via l’emploi d’un capteur de pression. La figure II.7 illustre ce type de disposition qu’on assimilera par la suite à la configuration B. D’autre part, la formule de réduction des sondages correspondante est spécifiée par l’équation II.4.

Figure II.7 : Réduction des sondages : configuration B (sondeur repéré par rapport au niveau instantané de la mer) L’équation II.3 correspond à la formule de réduction à appliquer dans les deux cas :

𝒁 − 𝒁𝟎 = 𝒉𝑬 − 𝚫𝑵 − 𝒉𝒂𝒏𝒕𝒆𝒏𝒏𝒆 + 𝒑𝒔𝒐𝒏𝒅𝒆𝒖𝒓

Equation II.3 : Formule de réduction des sondages

34

Avec : 𝑍, la profondeur de sondage réduite (en m) 𝑍0, la profondeur de sondage brute (en m) ℎ𝐸, la hauteur ellipsoïdale donnée par le système GNSS employé (en m) 𝛥𝑁, la hauteur ellipsoïdale du niveau de marée local utilisé comme référence (MSL, LAT, CD) (en m) ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑒, la hauteur de l’antenne GNSS au dessus de la surface libre de l’eau (en m) 𝑝𝑠𝑜𝑛𝑑𝑒𝑢𝑟, la profondeur du sondeur par rapport à la surface libre de l’eau (en m) 2.3.2 Bilan des erreurs

Le tableau II.5 détaille les facteurs d’influence à prendre en compte lors de la détermination

des grandeurs nécessaires au calcul de profondeurs de sondage géoréférencées. Pour chacun d’entre eux, une incertitude de mesure est à considérer. Par exemple, nous savons que la précision intrinsèque des systèmes DGNSS/PPP varie d’une dizaine de centimètres à deux voire trois décimètres selon les fournisseurs (voir paragraphe 2.1.2), que le modèle choisi pour l’approximation de la cote ellipsoïdale du niveau moyen local peut influencer de manière conséquente les résultats de réduction (voir paragraphe 2.2.1) ou encore que le tirant d’eau est un paramètre dont les variations sont difficiles à observer (voir paragraphe 2.2.2). Dans un processus rigoureux de validation, il serait nécessaire de pouvoir quantifier avec exactitude l’ensemble de ces incertitudes afin de déterminer l’erreur globale réellement commise sur les profondeurs de sondage lors de la mise en œuvre des solutions GNSS de mesure de marée. Dès lors, il serait envisageable de comparer les résultats obtenus avec les exigences des différentes normes évoquées au paragraphe 1.4.3, à savoir la norme GS EP GEO 201 interne au groupe Total et les normes de l’OHI.

Cependant, cette manière de procéder n’est pas réalisable en pratique car on ne dispose pas de l’ensemble des mesures de contrôle nécessaire. A titre d’exemple, la seule mesure acoustique issue du sondeur employé est caractérisée par une incertitude qu’il n’est pas possible de mesurer au moment de l’acquisition.

En fait, il apparaît que la seule grandeur physique pour laquelle différentes techniques de détermination existent correspond au phénomène de marée. Autrement dit, grâce aux comparaisons possibles avec des données marégraphiques ou de prédictions, il est envisageable de quantifier l’erreur globale commise sur les paramètres ℎ𝐸, Δ𝑁 et ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑒 sans toutefois pouvoir les différencier.

Grandeurs mesurées Facteurs d'influence

𝑍0 célérité du son dans la colonne d'eau traversée - inclinaison du faisceau - attitude du bateau/AUV/ROV (roulis, tangage)

ℎ𝐸 système DGNSS/PPP utilisé

Δ𝑁 modèle utilisé pour l'approximation de la cote ellipsoïdale du niveau moyen local - éventuellement, valeur de déport entre le niveau moyen et le niveau de référence en vigueur dans la zone (LAT ou CD)

ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑒 valeurs de déport par rapport au référentiel du bateau - attitude du bateau (roulis, tangage, pilonnement) - tirant d'eau

𝑝𝑠𝑜𝑛𝑑𝑒𝑢𝑟 (configuration A)

valeurs de déport par rapport au référentiel du bateau - attitude du bateau (roulis, tangage, pilonnement) - tirant d'eau

𝑝𝑠𝑜𝑛𝑑𝑒𝑢𝑟 (configuration B)

précision intrinsèque du capteur de profondeur - profondeur d'eau

Tableau II.5 : Réduction des sondages : facteurs d'influence

35

III. Réalisation de l’expérimentation

3.1 Objectifs

Le chapitre II a permis de mettre en évidence l’ensemble des paramètres à prendre en compte lors de l’élaboration d’une technique de détermination de marée par GNSS. Outre le système de positionnement GNSS employé, sont à considérer les différentes phases de traitement nécessaires à la recomposition du signal de marée, à savoir, l’accès au datum de marée local, le lissage des données, la réduction de la hauteur d’antenne ainsi que l’élimination d’éventuels biais résiduels par filtrage. Comme le montrent les solutions proposées par les sous-traitants, plusieurs possibilités sont à envisager pour la résolution de ces étapes. Dès lors, il apparaît pertinent de mettre en œuvre puis tester l’ensemble de ces alternatives de traitement afin de pouvoir in fine, statuer sur le ou les procédures offrant les meilleurs résultats. Par la même occasion, l’émission d’un avis sur les procédés retenus par chaque sous-traitant est de ce fait également rendue possible.

Pour permettre la qualification des résultats effectivement obtenus, il est nécessaire de disposer de données de contrôle. Dans le cadre de la détermination de marée, celles-ci proviennent soit de mesures marégraphiques in situ, soit de prédictions. En d’autres mots, c’est la comparaison directe entre les signaux de marée obtenus par techniques GNSS et ceux obtenus grâce à l’emploi des méthodes traditionnelles qui sert de fil directeur aux expérimentations décrites dans la suite. Plus spécifiquement on distingue les objectifs suivants :

- Emettre un avis sur les différents systèmes GNSS adaptés à l’offshore et présents sur le marché,

- Déterminer le ou les modèles à privilégier comme moyen d’approximation du niveau moyen local,

- Déterminer l’importance relative des différents facteurs influant sur la hauteur de l’antenne GNSS (attitude du bateau, tirant d’eau,…) ainsi que leur impact respectif sur la qualité de réduction des mesures,

- Mettre en évidence les possibilités de réduction du bruit de mesure lors de l’emploi d’un filtre de lissage,

- Discuter de l’intérêt de la mise en œuvre d’un filtre tel que le filtre de Doodson pour la suppression d’éventuels biais résiduels dans les observations réduites.

3.2 Présentation du protocole opératoire

3.2.1 Collecte des données de campagnes

Pour mener à bien tout processus d’expérimentation, il est nécessaire de disposer de données à analyser. Dans le cadre de cette étude, les données sont issues des campagnes mandatées par Total et réalisées par les sous-traitants. Bien entendu, on remarquera que seules les opérations ayant fait l’objet de mesures de positionnement vertical par GNSS n’ont d’intérêt ici. A ce titre, il est à noter que Total veille à demander régulièrement à ses sous-traitants l’enregistrement des données altimétriques issues des systèmes GNSS utilisés à bord des bateaux d’acquisition, et ce dans le seul et unique but de permettre leur évaluation. Ainsi, comme l’illustre le tableau III.1, plusieurs jeux de données ont pu être récupérés. Du fait que les solutions GNSS aient pour vocation de s’améliorer régulièrement, les campagnes réalisées pendant ces deux dernières années ont été privilégiées au détriment des plus anciennes.

36

Campagne Date Objet de l'étude Système GNSS

employé Etude de marées « GNSS » (Pays - Projet) R-U -Longmorn 2012 Sismique 3D Fugro Starfix.XP oui

Pays-Bas - Pistolet 2012 Sismique 3D Fugro Starfix.HP oui

Norvège - Martin Linge 2011 Etude géophysique Fugro Starfix.HP oui

Brunei - ML South 2011 Reconnaissance de site

Fugro Starfix.XP non - données ZGPS intermittentes

Congo - Moho Bilondo 2011 Sismique 3D Veripos Ultra oui Indonésie – Sisi/West Mandu/South Mahakam

2010 Reconnaissance de site

Veripos Ultra non - données GPS planimétriques indisponibles

Gabon - Diaba 2010 Sismique 3D C&C C-NavC1 non - données corrompues

Bangladesh 2007 Repérage de débris Fugro RTK non – qualité médiocre des enregistrements

Tableau III.1 : Liste des campagnes considérées

Les campagnes correspondant aux projets Longmorn, Pistolet, Martin Linge et Moho Bilondo

sont celles pour lesquelles des résultats ont effectivement été obtenus. Dans les autres cas, le défaut de certaines données ou des problèmes apparus pendant l’acquisition n’ont malheureusement pas permis la mise en œuvre d’analyses appropriées. Concernant la campagne de repérage de débris effectuée au Bangladesh en 2007, il est intéressant de noter qu’un système RTK avait été employé du fait de la relative proximité de la zone d’étude avec la côte (20 km). Cependant, une mauvaise couverture satellitaire pendant la durée de l’étude a compromis les enregistrements.

3.2.2 Aperçu général de la chaîne de traitement mise en œuvre

A partir des enregistrements GNSS collectés, correspondants aux différentes campagnes considérées, une chaîne complète de traitement a été élaborée dans le but de permettre la génération des signaux de marée. Comme l’illustre la figure III.1, celle-ci se décompose en quatre étapes, à savoir, la réduction de la hauteur d’antenne, le lissage/débruitage des données, l’accès au niveau moyen local et la suppression d’éventuels biais résiduels.

Dans la suite, on détaille les procédures de calcul employées pour la réduction de la hauteur d’antenne, l’accès au niveau moyen local et la suppression d’éventuels biais résiduels.


L’étape de réduction de la hauteur d’antenne a pour objectif principal la détermination de la hauteur de l’antenne GNSS par rapport au niveau instantané de la mer. Pour permettre la quantification de ses variations au cours du temps, on se doit de prendre en compte plusieurs éléments tels que les paramètres d’attitude du bateau (roulis, tangage et pilonnement), enregistrés grâce à une centrale inertielle embarquée (fréquence d’échantillonnage de l’ordre de 1 Hz). Généralement, les données de la centrale inertielle sont rapportées au point zéro du bateau tout comme les valeurs de déport (bras de levier) de l’antenne GNSS. Bien entendu, le tirant d’eau se doit également d’être

Hauteurs ellipsoïdales issues du système GNSS

Réduction de la hauteur d’antenne

Lissage/ Débruitage des données

Accès au niveau

moyen local

Suppression d’éventuels

biais résiduels Signal de marée

Figure III.1 : Etapes de traitement à réaliser

37

connu. Comme spécifié dans le paragraphe 2.2.2, celui-ci est calculé par interpolation linéaire, dans le cas où des mesures effectuées à différentes dates sont disponibles.

Au final, une fois que la hauteur d’antenne est connue, celle-ci est soustraite aux enregistrements ZGNSS46. Dans le cas où la fréquence d’échantillonnage des enregistrements GNSS est différente de celle des enregistrements de la centrale inertielle, une interpolation linéaire des hauteurs d’antenne jusqu’alors calculées est opérée.

A des fins d’illustration, la figure III.2 reprend les éléments clés de cette phase de traitement.

3.2.4 Accès au datum de marée local

Le paragraphe 2.2.1 a montré que la bonne prise en compte de la problématique d’accès au datum de marée local était primordiale dans le processus de traitements des données GNSS. A ce titre, les sous-traitants emploient différents modèles globaux qu’il convient d’évaluer. Afin de mettre en évidence l’influence de ces derniers sur les résultats finaux, trois d’entre eux sont implémentés dans les traitements. Il s’agit des modèles de géoïde EGM08 et de surface océanique moyenne CNES CLS 2011 et DTU10.

Dans le cadre de l’étude, ces derniers ont été gracieusement fournis respectivement par la National Geospatial Intelligence Agency, le consortium AVISO et le Danish National Center for Space Research. Pour permettre une manipulation aisée et optimisée de ce type de fichier volumineux, le format NetCDF47 est ici privilégié. Celui-ci est indépendant de toute architecture matérielle et permet la création, l’accès et le partage de données scientifiques stockées sous la forme de tableaux (Unidata@ [2012]).

Pour chaque campagne de données traitée, une grille régionale des modèles est tout d’abord extraite. On la définit en fonction des valeurs extrêmes de latitude et longitude enregistrées par l’antenne GNSS durant la période d’acquisition. En ce qui concerne les modèles de surface océanique, cette étape est également l’occasion d’opérer un changement de datum. En effet, il est important de remarquer que ni le modèle CNES CLS 2011 ni le modèle DTU10 n’utilisent nativement le datum WGS84. Dans les deux cas, c’est en fait l’ellipsoïde employé qui diffère. Les coordonnées sont renseignées par rapport à l’ellipsoïde T/P48 qui se distingue de l’ellipsoïde WGS84 par des valeurs de demi-grand axe et d’aplatissement différentes. A titre d’information, celles-ci sont fournies dans le tableau III.2. Aucun décalage d’origine n’étant à constater, les deux ellipsoïdes peuvent être considérés comme concentriques et alignés. Afin d’effectuer le changement de datum, les algorithmes fournis par l’Institut Géographique National [1995] ont été utilisés. On notera que cette opération permet de s’affranchir d’une erreur verticale pouvant atteindre 70 cm à l’équateur.

46 Mesures d’altitude du système GNSS (hauteurs ellipsoïdales dans le datum WGS84) 47 NETwork Common Data Form 48 Topex/Poséïdon

Figure III.2 : Réduction de la hauteur d'antenne

38

WGS84 T/P

Demi-grand axe (en m) 6378137,0 6378136,3 Aplatissement (1/f) 298,2572236 298,257

Tableau III.2 : Caractéristiques des ellipsoïdes WGS84 et T/P

Par la suite, on détermine les valeurs des modèles correspondant à chaque position enregistrée

par l’antenne GNSS, ce qui permet d’obtenir in fine la cote ellipsoïdale du niveau moyen local ainsi que ses variations. Cette détermination est réalisée par interpolation bilinéaire sur chacune des grilles régionales.

Enfin, le signal de marée est recomposé en soustrayant la cote du niveau moyen de la cote du niveau instantané de la mer telle que calculée dans le paragraphe 3.3.2. On remarquera que les résultats obtenus sont directement dépendants du modèle d’approximation du niveau moyen considéré. La figure III.3 rend compte de l’ensemble du processus de traitement effectivement mis en œuvre.

Figure III.3 : Accès au niveau moyen local

39

3.2.5 Implémentation du filtrage Doodson

En théorie, l’application des trois premières étapes décrites dans le paragraphe 3.3.1 suffit à l’obtention d’un signal de marée à partir de mesures GNSS. Cependant, les hauteurs de marée calculées dépendent alors d’un nombre critique de facteurs d’influence. En d’autres termes, une mauvaise détermination de l’un d’eux a un impact direct sur les résultats. Par exemple, une erreur commise sur la valeur effective du tirant d’eau se traduira par un biais systématique dans les hauteurs d’eau renseignées. On constate au final que la robustesse de ces résultats ne peut être garantie de manière sûre.

Pour répondre à cette problématique, le filtre de Doodson a été implémenté dans les calculs. Pour rappel, celui-ci permet une détermination rapide du niveau moyen de la mer, à partir de seulement 39h d’observations continues de marée via l’élimination des phénomènes exclusivement périodiques (voir paragraphe 2.2.3). Dans notre cas, on l’utilise dans un but bien particulier à savoir, la quantification d’éventuels biais résiduels dans les données de marée.

Ainsi, pour une campagne donnée, chaque période de 39h d’observations indépendantes fait l’objet d’une nouvelle détermination du niveau moyen, le nombre de déterminations exact étant dépendant de la durée effective des acquisitions et de la présence d’éventuelles discontinuités dans les données. On interpole alors une nouvelle valeur du niveau moyen correspondant à chaque instant de mesure GNSS. Au final, celle-ci est retranchée du signal de marée tel qu’obtenu après la mise en œuvre des trois premières étapes de traitement afin de permettre l’élimination des supposés biais résiduels.

3.3 Présentation détaillée d’une étude : le projet Longmorn (R-U)

Dans ce paragraphe, on décompose l’étude en étapes distinctes, à savoir : le descriptif de la campagne, la réduction de la hauteur d’antenne, l’accès au niveau moyen de la mer local, les premières comparaisons avec les données de référence, l’implémentation du filtrage Doodson, les secondes comparaisons avec les données de référence, la mise en évidence de l’influence du choix de l’algorithme de lissage et enfin une conclusion sur l’étude.

3.3.1 Descriptif de la campagne

Du 28 mai au 25 juin 2012, une campagne sismique 3D a été réalisée au large du Royaume-Uni. Celle-ci a mobilisé le bateau d’acquisition sismique haute capacité Oceanic Champion, opéré par le sous-traitant CGGVeritas. Concernant la technologie GNSS employée, le système Fugro Starfix.XP a été retenu. La figure III.4 expose le plan de situation de la campagne. On y retrouve représentées à l’Est les côtes de l’archipel écossais des Shetland. Le port le plus proche pour lequel des prédictions de marée du SHOM sont disponibles correspond au site de Sullom Voe. On représente également le point pour lequel des prédictions

issues de l’altimétrie radar ont été fournies par le sous-traitant. Enfin, la trajectoire suivie par le bateau pendant les opérations d’acquisition est également reproduite. On constate que la zone effectivement couverte s’assimile à un rectangle de 90 km de long par 40 km de large soit environ 3 600 km².

Figure III.4 : Longmorn - Plan de situation

40


La première étape de traitement des données GNSS a consisté à réaliser la réduction de la hauteur d’antenne au niveau instantané de la mer.

Les enregistrements GNSS disponibles dans le cadre de cette campagne sont caractérisés par une fréquence d’échantillonnage de 0,1 Hz soit une mesure effectuée toutes les 10 secondes. A partir du 1er juin, des données synchronisées de l’attitude du bateau (roulis, tangage et pilonnement) ont également été récupérées. On notera qu’une des particularités liée à ce jeu de données est le format retenu pour l’enregistrement. En effet, les hauteurs ellipsoïdales et les paramètres d’attitude ne sont connus qu’à un seul chiffre après la virgule, soit une résolution de 0,1 m pour les données de hauteur GNSS et de pilonnement et 0,1° pour les données de roulis et tangage. Concernant le tirant d’eau, une seule mesure a été réalisée pour l’ensemble de la campagne, le 19 mai 2012 lors d’opérations de calibration au port. Dès lors, il n’est pas possible d’intégrer les éventuelles variations de ce dernier dans la réduction de hauteur d’antenne. On notera que les valeurs de déport de l’antenne GNSS par rapport au référentiel du bateau sont également issues de la calibration effectuée le 19 mai.

La figure III.5 représente les enregistrements GNSS réduits de la hauteur d’antenne sans correction d’attitude (orange) ainsi que les enregistrements GNSS réduits de la hauteur d’antenne avec correction d’attitude (bleu). Dans le premier cas, seule la hauteur d’antenne par rapport au point zéro du bateau et le tirant d’eau sont pris en compte. En d’autres termes, une correction constante est appliquée sur l’ensemble des enregistrements. Cette figure met également en évidence les quelques périodes pour lesquelles aucune donnée n’est enregistrée, celles-ci ne dépassant rarement plus d’un jour.

Figure III.5 : Longmorn - Réduction de la hauteur d'antenne

La figure III.6 représente les écarts observables entre les enregistrements réduits prenant en compte les paramètres d’attitude du bateau et ceux ne les considérant pas.

La valeur moyenne des différences constatées est égale à 0,00 m. L’absence de systématisme témoigne d’un bon équilibre du bateau lors de l’acquisition. L’écart-type correspondant est de 0,22 m pour une valeur minimale de -1,95 m et une valeur maximale de 1,64 m. On montre ainsi que la prise en compte des paramètres d’attitude peut permettre une réduction significative du bruit de mesure.

Figure III.6 : Longmorn – Bruit éliminé par la prise en compte des paramètres d'attitude du bateau

41

Remarque : Jusqu’au 1er juin, les écarts constatés sont nuls en raison de l’absence de données d’attitude. 3.3.3 Accès au niveau moyen de la mer local

Pour permettre la réduction des mesures ellipsoïdales au niveau moyen de la mer, les grilles régionales des modèles globaux EGM08, CNES CLS 2011 et DTU10 ont été extraites. La figure III.7 représente le modèle EGM08 pour la zone considérée. On remarque que les variations sont homogènes, les hauteurs renseignées semblant subir une augmentation régulière suivant un axe Nord-EstSud-Ouest.

Figure III.7 : Longmorn - Grille EGM08 correspondant à la zone d'intérêt

Les figures III.8 et III.9 représentent respectivement les écarts relatifs constatés entre les modèles EGM08 et CNES CLS 2011 et les modèles CNES CLS 2011 et DTU10. Tandis que les modèles de surface océanique moyenne montrent une cohérence sub-décimétrique, on remarque que le modèle EGM08 se caractérise par des hauteurs ellipsoïdales supérieures de 60 cm en moyenne. Cet écart correspond en fait à l’ordre de grandeur de la topographie océanique moyenne pour la zone considérée. Le tableau III.3 reprend l’ensemble des extremums et des valeurs moyennes des modèles employés ainsi que les résultats des comparaisons effectuées.

42

EGM08 CNES CLS 2011 DTU10

Minimum (en m) : 49,62 48,96 48,96

Moyenne (en m) : 51,14 50,60 50,60

Maximum (en m) : 52,63 52,21 52,20

Différence : EGM08 - CNES CLS 2011 CNES CLS 2011 - DTU10 Minimum (en m) : 0,36 -0,09

Moyenne (en m) : 0,57 -0,04

Maximum (en m) : 0,74 0,01 Tableau III.3 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des modèles d'approximation du niveau moyen de la mer local pour

l’ensemble de la zone considérée

Figure III.8 : Longmorn - Ecarts constatés entre le modèle EGM08 et le modèle CNES CLS 2011

43

Figure III.9 : Longmorn - Ecarts constatés entre les modèles CNES CLS 2011 et DTU10

Une fois les grilles extraites, on procède par interpolation bilinéaire pour obtenir la cote

ellipsoïdale correspondant à chaque enregistrement GNSS. La figure III.10 représente à ce titre les différentes approximations du niveau moyen calculées à partir des modèles EGM08 (magenta), CNES CLS 2011 (rouge) et DTU10 (vert) tandis que le tableau III.4 souligne les valeurs caractéristiques. Sans surprise, on constate que les modèles de surface océanique témoignent d’une très bonne cohérence alors que le modèle EGM08 semble se démarquer par un décalage constant, de l’ordre de 60 cm. Le phénomène de dents de scie observé au niveau des trois courbes s’explique simplement par le va-et-vient régulier effectué par le bateau afin de permettre la couverture de l’ensemble de la zone considérée (suivant un axe quasiment Est-Ouest). On remarque que les variations du niveau moyen sont de l’ordre de 1,5 m entre chaque aller-retour, et ce pour chacun des modèles étudiés. Les enregistrements GNSS simplement réduits de la hauteur d’antenne et du tirant d’eau du bateau sont également représentés.

EGM08 CNES CLS 2011 DTU10 Minimum (en m) : 49,93 49,19 49,23

Moyenne (en m) : 51,29 50,70 50,75

Maximum (en m) : 52,31 51,80 51,84 Tableau III.4 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des modèles d'approximation du niveau moyen de la mer local

correspondant à la trajectoire effective du bateau d’acquisition

44

Figure III.10 : Longmorn - Variations du niveau moyen local

3.3.4 Première série de comparaisons avec les données de référence

En soustrayant tour à tour les paramètres de hauteur d’antenne et d’approximation de la cote ellipsoïdale du niveau moyen local aux enregistrements GNSS bruts, il est en théorie possible de recomposer le signal de marée. Cette opération a dès lors été effectuée pour l’ensemble des données de campagne et les résultats sont présentés sur la figure III.11. Afin d’éliminer le bruit caractérisant les mesures, un algorithme de lissage de type spline cubique a été appliqué aux données ainsi réduites. L’écart-type entre la courbe lissée ainsi déterminée et les données bruitées est de 0,30 cm. On notera que la haute fréquence d’enregistrement (0,1 Hz) contribue ici à l’obtention d’un résultat très satisfaisant. La courbe rouge correspond au signal de marée obtenu avec l’emploi du modèle CNES CLS 2011 tandis que les courbes verte et magenta illustrent les résultats obtenus avec les modèles DTU10 et EGM08 respectivement. A des fins de comparaison, les prédictions fournies par le sous-traitant (issues de données d’altimétrie radar) sont représentées tout comme les prédictions du SHOM du port de Sullom Voe (Royaume-Uni). S’agissant d’une campagne d’acquisition de type sismique 3D, aucun marégraphe n’a malheureusement été mobilisé sur la zone pendant la durée des opérations. Par la suite, on considère donc les données de prédiction utilisées par le sous-traitant comme données de référence aux comparaisons, et ce malgré leur relativement faible degré de confiance, les valeurs de décotes/surcotes n’étant pas prises en compte.

45

Figure III.11 : Longmorn - Premières comparaisons avec les données de référence

Le tracé des données de prédiction renseigne sur le type semi-diurne du phénomène de marée étudié. On remarque également que les marnages peuvent occasionnellement atteindre près de deux mètres sur la zone considérée.

En ce qui concerne les signaux de marée obtenus grâce aux enregistrements GNSS, on constate la présence d’une dérive constante, de l’ordre de 5 cm par jour dans les hauteurs de marée calculées. On remarque que cette dérive occasionne un décalage de près d’1 m en fin de campagne. Même s’il reste délicat de statuer sur l’origine d’un tel phénomène, la non-prise en compte de l’influence de la consommation de carburant sur la valeur du tirant d’eau correspond à l’explication la

46

plus plausible. En effet, on rappelle que pour cette grandeur, une seule détermination a été réalisée en début de campagne. Ainsi, l’allègement du bateau au fil des opérations n’est pas considéré, tout comme l’une de ses conséquences directes, à savoir l’élévation de l’antenne GNSS par rapport au niveau instantané de la mer. Or, on constate que c’est bel et bien ce type de phénomène qui semble impacter les hauteurs d’eau présentées sur la figure III.11. Cependant, on notera tout de même qu’au vu de l’envergure du bateau (106,3 m × 22,6 m) et de sa consommation de carburant journalière moyenne (40 tonnes/jour), les variations du tirant d’eau théoriques attendues sont plutôt de l’ordre de 1,5 cm à 2 cm et ne semblent donc pas expliquer totalement la dérive de 5 cm par jour constatée.

En plus de cette dérive, un décalage supplémentaire constant est observé, celui-ci étant dépendant du modèle d’approximation du niveau moyen des mers considéré. Ainsi, dans le cas de l’EGM08, on relève un écart de 40 cm environ en début de campagne par rapport aux données de référence alors que celui-ci est de près d’1 mètre pour les modèles de surface océanique. Il semble donc que l’emploi du modèle EGM08 permette ici l’obtention de meilleurs résultats, même si ces derniers sont encore loin d’être satisfaisants. Par ailleurs, il est à noter que d’autres paramètres peuvent également être envisagés comme origines probables de ce décalage constant. On discriminera notamment les opérations de calibration pour lesquelles des imprécisions de mesure sur les valeurs de déport de l’antenne GNSS ou encore sur la valeur de tirant d’eau peuvent constituer des facteurs d’influence non négligeables.

Le tableau III.5 fournit les valeurs remarquables issues de la comparaison. On se rend compte qu’aucune des déterminations de marée par techniques GNSS n’est acceptable en l’état, les prédictions du SHOM témoignant d’une bien meilleure cohérence avec les données de référence. Au final, il apparaît essentiel de proposer une solution pour permettre l’élimination ou à défaut la réduction des biais résiduels entachant les mesures.

Ecarts constatés (en m) : EGM08 CNES CLS 2011 DTU10 Prédictions SHOM

Minimum : -1,69 -2,35 -2,32 -0,36

Moyenne : -1,06 -1,65 -1,60 0,00

Ecart-type : 0,28 0,29 0,29 0,20

Maximum : -0,06 -0,74 -0,69 0,47 Tableau III.5 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des premières comparaisons avec les données de référence

3.3.5 Implémentation du filtrage Doodson

A partir des données GNSS telles que présentées dans le paragraphe 3.3.4, le filtre de Doodson a été employé dans le but de réduire les biais résiduels dépréciant les signaux de marée. Pour ce faire, une série de six déterminations indépendantes du niveau moyen a été calculée sur l’ensemble de la campagne en prenant en compte les interruptions d’enregistrement temporaires caractérisant le jeu de données. Afin de disposer d’une valeur de niveau moyen pour chacun des enregistrements GNSS, un modèle de spline cubique a été appliqué, la figure III.12 illustre les résultats obtenus dans le cas où la première approximation du niveau moyen est obtenue par le modèle de géoïde EGM08. On constate que le niveau moyen ainsi calculé semble effectivement suivre la dérive caractérisant les données GNSS. On notera que l’opération a été répétée lors de l’emploi des deux autres modèles considérés, à savoir les modèles CNES CLS 2011 et DTU10. Des résultats comparables ont été obtenus.

47

Figure III.12 : Longmorn - Filtrage Doodson

3.3.6 Seconde série de comparaisons avec les données de référence

A présent, on réalise une seconde série de comparaisons par rapport aux données de référence. Pour celles-ci, un traitement supplémentaire a été introduit, il s’agit de la mise en œuvre du filtrage Doodson. Autrement dit, les signaux de marée présentés dans cette partie ont subi, in fine, quatre étapes de traitement distinctes :

- la réduction de la hauteur d’antenne en prenant en compte l’attitude du bateau, - le changement de datum vertical : du système géodésique WGS84 au niveau moyen local

(utilisation des modèles EGM08, CNES CLS 2011 et DTU10), - le lissage des données pour permettre la réduction du bruit de mesure, - l’élimination des biais résiduels par implémentation du filtrage Doodson.

Les résultats sont illustrés par la figure III.13. Par rapport à la figure III.11, on constate

l’élimination de tout systématisme dans les données de marée déterminées par techniques GNSS. L’emploi du filtre de Doodson se caractérise donc par une réelle amélioration dans la recomposition du signal de marée. De plus, on constate que le choix du modèle utilisé comme première approximation du niveau moyen local n’apparaît plus comme une étape critique, les résultats obtenus pour les trois modèles considérés étant homogènes. Le tableau III.6 fournit quant à lui le bilan chiffré de cette nouvelle série de comparaisons.

Ecarts constatés (en m) : EGM08 CNES CLS 2011 DTU10 Prédictions SHOM Minimum : -0,38 -0,34 -0,34 -0,36

Moyenne : 0,02 0,02 0,02 0,00

Ecart-type : 0,12 0,11 0,11 0,20

Maximum : 0,44 0,41 0,44 0,47 Tableau III.6 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des secondes comparaisons avec les données de référence

48

Figure III.13 : Longmorn - Seconde comparaison avec les données de référence

Les valeurs caractéristiques des comparaisons témoignent d’une très bonne concordance entre les signaux de marée calculés à partir des enregistrements GNSS et les données utilisées comme référence. Les résultats sont rendus d’autant plus impressionnants par le fait qu’aucune mesure de contrôle ne soit disponible pour déterminer la précision effective des prédictions de marée issues de l’altimétrie radar fournies par le sous-traitant. Les écarts constatés sont en effet de 0,02 m +/- 0,11 m

49

dans le cas de l’emploi des modèles de surface océanique moyenne CNES CLS 2011 ou DTU10 et de 0,02 m +/- 0,12 m lors de l’utilisation du modèle de géoïde EGM08. Il est à noter que ces valeurs se rapprochent sensiblement de la précision intrinsèque annoncée par Fugro pour son système de positionnement Starfix.XP, celle-ci étant égale à 0,20 m à deux sigmas.

Afin de mieux rendre compte de la concordance des différents signaux de marée, la figure III.14 présente les mêmes informations que la figure III.12 mais cette fois-ci pour une durée d’observations bien plus courte, de l’ordre de 2 à 3 jours (du 15 au 17 juin 2012). Les écarts constatés entre les déterminations de marée par techniques GNSS et les données de prédiction servant de référence sont le plus souvent décimétriques tandis que les différences observées entre ces mêmes données et les prédictions du SHOM oscillent de manière périodique entre -0,20 m et +0,20 m. On explique ces variations par la présence d’un phénomène de décorrélation spatiale, témoin de l’éloignement relatif du port de référence par rapport au lieu d’étude. Il est illustré par la présence de marnages différents et d’un retard sur l’onde de marée.

Figure III.14 : Longmorn - Seconde comparaison avec les données de référence (période d’observations réduite)

50

En outre, on trace en figure III.15 l’histogramme des écarts considérant la marée GNSS obtenue via l’emploi du modèle CNES CLS 2011 par rapport aux données de référence. Celui-ci prend la forme d’une cloche de Gauss et met ainsi en évidence une fois de plus l’absence de systématisme dans les écarts constatés. On note que des résultats comparables sont obtenus pour les deux autres modèles d’approximation du niveau moyen.

Figure III.15 : Longmorn - Histogramme des écarts

3.3.7 Mise en évidence de l’influence du choix de l’algorithme de lissage

Figure III.16 : Longmorn - Influence du choix de l'algorithme de lissage

Dans le but d’étudier l’influence du choix de l’algorithme de lissage employé pour réduire le

bruit de mesure, on présente sur la figure III.16 les résultats obtenus lorsqu’aucun algorithme de lissage n’est mis en œuvre (magenta), lorsqu’une moyenne glissante sur 1 h est appliquée (vert) et lorsqu’un modèle de spline cubique est ajusté aux enregistrements (rouge). Le tableau III.7 indique les valeurs caractéristiques correspondantes. Le bruit de mesure est réduit dans tous les cas comme le témoigne le passage d’un écart-type de 0,33 m à 0,12 m (moyenne glissante) et de 0,33 m à 0,11 m (spline cubique). On remarque simplement que le modèle de spline cubique a tendance à fournir des résultats plus robustes pour les périodes d’acquisition caractérisées par un bruit de mesure élevé (typiquement entre le 1er et le 11 juin).

Marée GNSS : Niveau de référence défini par le modèle CNES CLS 2011 Ecarts constatés par rapport aux données de référence (en m)

Occ

urre

nce

51

Ecarts constatés (en m) : Pas de lissage Moyenne glissante (1h) Spline cubique

Minimum : -2,88 -0,69 -0,34

Moyenne : 0,02 0,02 0,02

Ecart-type : 0,33 0,12 0,11

Maximum : 2,73 0,60 0,41 Tableau III.7 : Longmorn - Influence du choix de l'algorithme de lissage

3.3.8 Conclusion sur l’étude

L’ensemble des résultats, obtenus à partir du jeu de données recueilli dans le cadre de la campagne sismique 3D effectuée au large du Royaume-Uni pour le projet Longmorn, ayant été présenté et analysé, il est désormais envisageable de dresser un bilan sur l’étude.

Tout d’abord, on constate qu’un traitement approprié des hauteurs ellipsoïdales brutes est essentiel pour permettre la recomposition d’un signal de marée acceptable. Les comparaisons effectuées par rapport à des données de prédiction issues de l’altimétrie radar témoignent d’un haut degré de concordance, proche en termes d’amplitude de la valeur de précision intrinsèque fournie par Fugro pour sa solution Starfix.XP (20 cm à deux sigmas) employée ici.

Plus spécifiquement, on établit que l’emploi du filtrage Doodson, ou à défaut d’un autre moyen permettant l’élimination des biais résiduels, se montre indispensable. Celui-ci permet la prise en compte de phénomènes tels que les variations de tirant d’eau (dues notamment à la consommation de carburant) et permet également de réduire l’influence liée au choix du modèle d’approximation de la cote ellipsoïdale du niveau moyen local constitué par les modèles EGM08, CNES CLS 2011 et DTU10.

Enfin, la prise en compte des paramètres d’attitude du bateau permet la réduction du bruit de mesure, l’élimination totale étant assurée via la mise en œuvre d’un algorithme de lissage adapté. Cette étude montre qu’un lissage utilisant un modèle de spline cubique offre des résultats relativement robustes. Un algorithme de type moyenne glissante peut également être considéré, même si les résultats obtenus par ce dernier ont tendance à être directement influencés par le bruit effectif caractérisant les observations. On remarque ainsi que plus les données ont tendance à être bruitées plus l’influence du choix de l’algorithme se montre importante.

52

IV. Validation des méthodes

Les expérimentations telles que décrites dans le chapitre III ont été mises en œuvre dans un but précis : permettre de statuer sur la pertinence des déterminations de marée par techniques GNSS en vue d’une éventuelle validation. Dans ce chapitre, on dresse dans un premier temps le bilan sur l’ensemble des résultats obtenus. Ensuite, on rend compte des constatations effectivement relevées pendant les expérimentations via l’établissement d’un cahier des charges recensant les contraintes à respecter lors de la mise en œuvre d’une détermination de marée par techniques GNSS. On procède alors à l’évaluation de l’ensemble des procédés ayant été mis en jeu pendant l’étude avant d’envisager la mise à jour des documents de référence du groupe Total dans une dernière partie.

4.1 Bilan sur les résultats

En se basant sur l’analyse d’un seul jeu de données, il eut été très difficile d’émettre un avis

d’ensemble sur la pertinence des techniques GNSS par rapport aux techniques plus traditionnelles pour répondre à la problématique de marée. C’est pourquoi, plusieurs études comparables à celle menée sur le projet Longmorn (R-U) ont été mises en œuvre dans le cadre de l’étude, dans le but de disposer d’un large échantillon de résultats. Ainsi, trois autres campagnes d’acquisition ont été considérées, à savoir une campagne sismique 4D opérée au large du Congo (projet Moho Bilondo) en 2011, une reconnaissance de site effectuée au large de la Norvège (projet Martin Linge) en 2011 et une campagne sismique 3D réalisée au large des Pays-Bas (projet Pistolet) en 2012. Le tableau IV.1 résume les principaux résultats obtenus. Les analyses détaillées correspondant à chacune des campagnes sont quant à elles disponibles en annexes V, VI et VII.

On remarque que le projet Martin Linge (Norvège) est le seul à avoir mobilisé le mouillage de marégraphes. L’étude de cette campagne s’est révélée être très intéressante car elle a permis de mettre en évidence le phénomène de décorrélation spatiale du phénomène de marée. En effet, les meilleurs résultats ont été obtenus pour la période pendant laquelle le bateau d’acquisition se trouvait à proximité immédiate du marégraphe de référence, avec une cohérence des données qui s’est avérée être sub-décimétrique (0,04 +/- 0,03 m). En revanche, des écarts plus importants ont été constatés au fur et à mesure que le bateau s’éloignait du marégraphe. Par ailleurs, on remarque également que des écarts de plusieurs centimètres sont enregistrés pour des zones situées relativement proches des côtes (moins de 10 km en moyenne) en fonction du modèle d’approximation du niveau moyen de la mer choisi. La robustesse de ces modèles est donc remise en cause à proximité immédiate des terres. On illustre ce phénomène sur l’ensemble des trois acquisitions réalisées au mois de décembre 2011.

Concernant les projets Pistolet et Moho-Bilondo, des résultats similaires à ceux obtenus pour le projet Longmorn ont été produits. Ils soulignent la fiabilité des protocoles de traitement développés ainsi que l’importance de chacune des étapes les constituant.

53

Ecar

t moy

en p

ar

rapp

ort à

la ré

fére

nce*

*

0,0

4 +/

- 0,0

3 m

0

,04

+/- 0

,03

m

0,0

4 +/

- 0,0

3 m

-0

,06

+/- 0

,14

m

-0,0

5 +/

- 0,1

2 m

-0

,07

+/- 0

,16

m

-0,0

5 +/

- 0,1

5 m

-0

,03

+/- 0

,14

m

-0,0

6 +/

- 0,1

8 m

0

,02

+/- 0

,23

m

-0,0

2 +/

- 0,1

6 m

-0

,02

+/- 0

,16

m

0,0

0 +/

- 0,1

1 m

0

,00

+/- 0

,11

m

0,0

0 +/

- 0,1

1 m

0

,02

+/- 0

,12

m

0,0

2 +/

- 0,1

1 m

0

,02

+/- 0

,11

m

0,0

1 +/

- 0,1

2 m

0

,01

+/- 0

,11

m

0,0

1 +/

- 0,1

1 m

Ecar

t moy

en p

ar

rapp

ort à

la ré

fére

nce*

0,6

1 +/

- 0,0

3 m

0

,21

+/- 0

,03

m

0,2

4 +/

- 0,0

3 m

0

,39

+/- 0

,14

m

-0,1

9 +/

- 0,1

2 m

-0

,19

+/- 0

,16

m

0,4

7 +/

- 0,1

5 m

-0

,11

+/- 0

,14

m

-0,1

1 +/

- 0,1

8 m

0

,42

+/- 0

,22

m

-0,0

3 +/

- 0,1

6 m

0

,01

+/- 0

,16

m

0,6

3 +/

- 0,1

9 m

0

,31

+/- 0

,18

m

0,3

6 +/

- 0,1

8 m

-1

,06

+/- 0

,28

m

-1,6

5 +/

- 0,2

9 m

-1

,60

+/- 0

,29

m

-0,4

5 +/

- 0,1

2 m

-0

,68

+/- 0

,11

m

-0,3

6 +/

- 0,1

2 m

Mod

èle

d'ap

prox

imat

ion

du n

ivea

u m

oyen

em

ploy

é

EGM

08

CN

ES C

LS 2

011

DTU

10

EGM

08

CN

ES C

LS 2

011

DTU

10

EGM

08

CN

ES C

LS 2

011

DTU

10

EGM

08

CN

ES C

LS 2

011

DTU

10

EGM

08

CN

ES C

LS 2

011

DTU

10

EGM

08

CN

ES C

LS 2

011

DTU

10

EGM

08

CN

ES C

LS 2

011

DTU

10

Mes

ures

de

réfé

renc

e di

spon

ible

s

mar

égra

phe

mar

égra

phe

mar

égra

phe

mar

égra

phe

préd

ictio

ns

(alti

. rad

ar)

préd

ictio

ns

(alti

. rad

ar)

préd

ictio

ns

(SH

OM

)

Syst

ème

GN

SS

empl

oyé

Fugr

o St

arfix

.HP

Fugr

o St

arfix

.HP

Fugr

o St

arfix

.HP

Fugr

o St

arfix

.HP

Fugr

o St

arfix

.HP

Fugr

o St

arfix

.XP

Ver

ipos

Ultr

a

Don

nées

d'

attit

ude

du

bate

au

non

non

non

non

oui

oui

non

Pério

de

d'ac

quis

ition

du 1

3/11

/11

au 1

4/11

/11

soit

2 jo

urs

du 0

7/12

/11

au 0

8/12

/11

soit

1,5

jour

du 1

1/12

/11

au 1

2/12

/11

soit

2 jo

urs

du 1

9/12

/11

au 2

2/12

/11

soit

3 jo

urs

du 2

8/04

/12

au 0

5/06

/12

soit

31 jo

urs

du 2

8/05

/12

au 2

5/06

/12

soit

28 jo

urs

du 0

7/01

/11

au 2

8/01

/11

soit

21 jo

urs

* s

ans r

ecal

age

Doo

dson

**

ave

c re

cala

ge D

oods

on

Cam

pagn

e

Mar

tin L

inge

(N

orvè

ge)

Pist

olet

(P

ays-

Bas

)

Long

mor

n (R

-U)

Moh

o-B

ilond

o (C

ongo

)

Tableau IV.1 : Tableau récapitulatif de l’ensemble des expérimentations

54

D’une manière générale, on montre qu’il est essentiel de considérer l’ensemble des étapes de traitement décrites dans le paragraphe 3.2.2 pour permettre une recomposition satisfaisante du signal de marée.

Lors de la réduction de la hauteur d’antenne, les expérimentations montrent que la prise en compte des paramètres d’attitude permet la réduction du bruit de mesure même si des résultats comparables peuvent être obtenus dans le cas de l’emploi d’un algorithme de lissage adéquat.

Concernant la mise en œuvre des modèles d’approximation du niveau moyen local, les différentes expérimentations ont conduit à des résultats similaires quel que soit le modèle employé. Ainsi, même si les modèles de surface océanique moyenne tendent à être naturellement privilégiés du fait qu’ils soient directement issus de mesures de la surface libre des océans et mis à jour de manière régulière, le modèle de géoïde EGM08 a également permis de dégager des résultats satisfaisants et ne peut donc être écarté.

Par ailleurs, les études menées ont mis en évidence l’efficacité du filtre de Doodson qui permet de fournir des résultats remarquablement robustes. D’une part, son implémentation réduit l’influence liée au choix du modèle d’approximation du niveau moyen de la mer et d’autre part, il apporte une solution pour éliminer les éventuels biais systématiques présents dans les observations de marée. En analysant les résultats des comparaisons réalisées entre les marées dites « GNSS » car obtenues à partir du traitement des hauteurs ellipsoïdales brutes et les données de marée de référence issues de prédictions ou d’observations marégraphiques in situ, on constate ainsi que l’emploi du filtre de Doodson permet la réduction des écarts systématiques moyens de l’ordre de 76% tandis que les écarts d’ordre aléatoire sont réduits d’environ 15%.

4.2 Emission du cahier des charges à respecter 4.2.1 Recommandations pour les opérations d’acquisition

Dans l’intention de proposer la meilleure détermination de marée possible à partir des techniques GNSS, plusieurs recommandations sont à émettre concernant les opérations d’acquisition.

A propos des données GNSS en elles-mêmes, on remarque tout d’abord que le seul

enregistrement des hauteurs ellipsoïdales n’est pas suffisant pour permettre la réalisation des traitements. En effet, la connaissance de la position planimétrique de l’antenne GNSS en fonction du temps est également nécessaire, ceci afin d’assurer la détermination de la cote ellipsoïdale du niveau moyen de la mer local. Pour une campagne donnée, il est donc nécessaire de disposer des données correspondant aux trois dimensions. On établit par ailleurs qu’il est préférable de choisir une fréquence d’échantillonnage élevée pour les enregistrements. La redondance des mesures permet effectivement une meilleure appréciation du phénomène de marée. En règle générale, on préconise une fréquence supérieure ou égale à 0,1 Hz. Enfin, on veillera à respecter un format de données permettant l’enregistrement de suffisamment de chiffres significatifs pour assurer une résolution centimétrique des coordonnées.

Concernant les données d’attitude du bateau, les expérimentations menées ont montré qu’elles n’étaient pas indispensables pour obtenir des résultats concluants. Cependant, les bateaux d’acquisition étant systématiquement équipés d’une centrale inertielle, il serait incohérent de ne pas utiliser ces informations sachant qu’elles permettent tout de même une réduction significative du bruit de mesure. De plus, on diminue dans l’intervalle l’influence liée au choix de l’algorithme de lissage. Afin de permettre une implémentation optimale, il est recommandé de disposer de données d’attitude synchronisées avec les données GNSS. Ainsi, on s’exempte de toute incertitude liée à une éventuelle étape de resynchronisation.

Enfin, les mesures de déport de l’antenne GNSS par rapport au référentiel du bateau ainsi que du tirant d’eau sont également de première importance et doivent faire l’objet d’une attention particulière. Leur détermination est réalisée lors d’opérations de calibration au port. La position de l’antenne GNSS par rapport au point zéro du bateau n’évolue généralement pas pendant le déroulement d’une campagne, à moins d’une modification dans la configuration d’installation des

55

instruments. Ainsi, on ne juge pas nécessaire de réitérer sa mesure pendant les acquisitions. En revanche, il est avéré que la consommation de carburant ou encore le remplissage ou la vidange des ballasts influent sur la charge totale du bateau ce qui a pour conséquence de faire varier la valeur du tirant d’eau pendant la durée des acquisitions. De ce fait, on tentera dans la mesure du possible de multiplier les opérations de détermination de cette grandeur. Idéalement, une mesure par jour est conseillée. On notera cependant que l’application du filtre de Doodson dans le but d’éliminer les biais résiduels des observations tolère relativement bien les incertitudes de mesures commises à ce niveau.

4.2.2 Chaîne de traitement à mettre en œuvre

A partir des données recueillies à la suite des opérations d’acquisition, une chaîne de

traitement spécifique est à mettre en œuvre pour permettre la recomposition du signal de marée correspondant aux données GNSS.

Quatre étapes ont été distinguées, à savoir : - La réduction de la hauteur d’antenne au niveau instantané de la mer, - La réduction du bruit de mesure par lissage des données, - L’accès au niveau moyen de la mer local, - L’élimination des biais résiduels présents dans les observations.

Les expérimentations ont montré que chacune d’entre-elles était nécessaire. C’est pourquoi, une méthode particulière de détermination de marée par techniques GNSS ne pourra être validée que si celle-ci intègre l’ensemble de ces phases de traitement.

4.2.3 Champ d’application

Les systèmes GNSS employés en milieu offshore ont pour vocation d’offrir une couverture globale et une précision constante, c’est à dire indépendante de la position de l’antenne GNSS sur la surface du globe. De ce fait, aucune restriction en termes de domaine d’application n’est à mettre en vigueur. Si ce principe est bel et bien respecté pour les techniques de positionnement PPP, une attention particulière doit tout de même être portée aux techniques basées sur la technologie du DGNSS étendu. Dans ce cas, la qualité de positionnement est en effet directement dépendante de la densité effective du réseau de stations de références employé. Ainsi, en fonction de la localisation du lieu d’étude sur le globe, la précision de positionnement peut être amenée à évoluer. A titre d’exemple, les précisions fournies par Fugro pour sa solution Starfix.HP ne sont valables que si une station de référence est établie à moins de 1000 km du lieu d’étude. On note que cette solution est la seule à l’heure actuelle, parmi celles proposées par les sous-traitants, à mettre en œuvre ce type de technologie. Elle est donc à privilégier uniquement pour des zones d’intérêts situées relativement proches des côtes, là où un réseau suffisant de stations de référence est implanté.

En outre, l’utilisation de modèles globaux visant à déterminer la cote ellipsoïdale du niveau moyen de la mer tend à remettre en question l’usage des techniques GNSS pour la détermination de la marée dans les zones situées à proximité des côtes, soit typiquement à moins de 10 km des terres. Pour ce type de lieux d’études, les résultats obtenus sur le projet Martin Linge (Norvège) montrent en effet que des dissemblances de l’ordre de plusieurs centimètres peuvent être observées dans les hauteurs de marée calculées, celles-ci étant fonction du modèle d’approximation employé. Ainsi, même si les résultats obtenus dans ce cas particulier sont restés acceptables, la robustesse de détermination de la marée ne peut être avérée. C’est pourquoi, on s’attache à préconiser l’utilisation des techniques traditionnelles pour ces zones particulières.

56

4.3 Evaluation des procédés mis en jeu

4.3.1 Réponse au besoin de détermination de marée

Comme vu au paragraphe 1.4, dans le cadre de ses activités d’exploration-production, le groupe Total est amené à mandater des opérations de détermination de marée dans un but bien précis : permettre la réduction des sondages hydrographiques. Ainsi, l’appréhension du phénomène de marée en tant que tel n’est pas une fin en soi et ne fait donc pas l’objet d’exigences particulières.

En fait, pour qu’une technique de détermination soit considérée comme valide, il suffit qu’elle satisfasse les normes internes en vigueur en termes de précision à respecter pour les sondages hydrographiques (voir paragraphe 1.4). En pratique cependant, cette démarche demeure difficile à mettre en œuvre. En effet, les incertitudes effectives caractérisant les différentes grandeurs rentrant en compte lors du calcul des profondeurs de sondage ne sont pas toutes connues, faute de mesures de contrôle suffisantes (voir paragraphe 2.3.2). De ce fait, la quantification concrète de la part d’erreur admissible à associer à la détermination de marée se révèle être utopique.

Néanmoins, l’évaluation de la méthode visant à utiliser les systèmes GNSS comme technique de détermination de marée est tout de même possible, à condition cependant de ne se baser qu’exclusivement sur les enseignements tirés des études comparatives réalisées. A ce titre, le paragraphe 4.1 a montré que la mise en œuvre d’un protocole de traitements adéquat permettait une recomposition satisfaisante des signaux de marée à partir des enregistrements GNSS. Les résultats se sont montrés robustes et une relativement bonne cohérence avec les données utilisées comme référence a été établie, et ce pour les quatre campagnes d’acquisition considérées.

Par conséquent, on statue en faveur de la proposition suivante : les marées dites « GNSS » permettent bel et bien de répondre au besoin de détermination de marée tel que défini par Total et se doivent donc d’être validées comme solutions possibles pour la réduction des sondages, au même titre que les mouillages marégraphiques ou les prédictions.

Lors d’une éventuelle mise en œuvre, on veillera toutefois à respecter les exigences formulées dans le paragraphe 4.2.

4.3.2 Pertinence d’utilisation

Afin de mettre en évidence l’intérêt de la détermination de marée par techniques GNSS par rapport aux techniques plus traditionnelles que sont les mouillages marégraphiques et l’usage des prédictions, les avantages et inconvénients de chacune de ces méthodes sont renseignés dans le tableau IV.2.

Mouillages marégraphiques Prédictions Techniques GNSS

Avantages - précision de la mesure (0,05% de la profondeur d'eau) - post-traitement aisé

- facilité de mise en œuvre - données de marée disponibles avant le début des opérations - coût

- pas de décorrélation spatiale du phénomène de marée - facilité d'acquisition - coût

Inconvénients

- coûts de mise en œuvre - risque élevé de perte de l’instrument - récupération des données en fin de campagne - décorrélation spatiale du phénomène de marée

- non prise en compte des surcotes/décotes - décorrélation spatiale du phénomène de marée

- précision intrinsèque des mesures - complexité des traitements

Tableau IV.2 : Avantages et inconvénients des méthodes de détermination de marée

57

On constate tout d’abord que l’un des principaux attraits liés à l’utilisation des marées dites « GNSS » réside dans la possibilité de mesurer le phénomène de marée directement au point de sondage, le système GNSS étant embarqué sur le bateau d’acquisition. Ainsi, aucun phénomène de décorrélation spatiale n’est à prévoir contrairement aux deux autres méthodes.

Par ailleurs, cette nouvelle technique se distingue par une grande facilité d’opération, le matériel étant déjà installé et calibré afin de répondre aux besoins de positionnement planimétrique.

Par rapport aux systèmes GNSS, la précision intrinsèque des marégraphes se montre meilleure. Cependant, la mise en œuvre de ces derniers se caractérise par des inconvénients de taille tels que le risque élevé de perte des instruments ou l’impossibilité de récupérer les enregistrements avant la récupération définitive des mouillages. Dès lors, un éventuel problème d’acquisition ne peut être détecté qu’en fin de campagne.

Enfin, on rendra compte de la nécessité de disposer d’au moins 39h d’observations continues pour permettre l’implémentation du filtrage Doodson dans le cas d’une détermination par techniques GNSS, ceci pouvant s’avérer être un inconvénient de taille lors de la mise en œuvre d’opérations de courte durée. 4.3.3 Formulation d’un avis sur les solutions des sous-traitants

En ne considérant que les systèmes GNSS à proprement parlé, on s’aperçoit que trois systèmes indépendants ont pu être testés dans le cadre de ce projet. Il s’agit des systèmes Fugro Starfix.HP (DGNSS étendu) et Starfix.XP (PPP) et du système Veripos Ultra (PPP). Pour chacun d’entre eux, le traitement des données décrit dans le chapitre III a abouti à des résultats concluants aux regards des données de référence disponibles. Autrement dit, la qualité de positionnement offerte par ces systèmes s’est avérée suffisante pour permettre la recomposition des signaux de marée. On note cependant qu’aucun système de la société C&C n’a malheureusement pu être mis en œuvre, aucune campagne récente ne permettant la collecte d’un jeu de données pertinent. L’évaluation des solutions propres à ce sous-traitant n’a donc pas pu être réalisée. Le tableau IV.3 reprend l’ensemble des systèmes considérés au paragraphe 2.1.2 afin de mettre en évidence ceux ayant effectivement fait l’objet de tests.

Solution Expérimentation Qualité effective du positionnement vertical

C&C C-NavC1 non non testée C&C C-NavC2 non non testée Fugro Starfix.HP oui suffisante Fugro Starfix.XP oui suffisante Fugro Starfix.G2 non non testée Veripos Ultra oui suffisante Veripos Apex non non testée Veripos Apex² non non testée

Tableau IV.3 : Systèmes GNSS testés

Parallèlement à cette évaluation des systèmes de positionnement GNSS, il convient également d’émettre un avis sur les solutions de traitement des hauteurs ellipsoïdales brutes proposées par les sous-traitants. Rappelons en effet que ces derniers ont développé, en complément de leurs solutions de positionnement, une série de traitements spécifiques visant à permettre le calcul des signaux de marée à partir des acquisitions GNSS. Aux yeux des clients tels que Total, ce type d’outils apparaît en quelque sorte comme une boîte noire dont les résultats se doivent d’être évalués.

Conformément aux données recueillies, les solutions Fugro Starfix.MSS et Veripos Verify Tides ont pu être effectivement examinées. Il s’avère que toutes deux intègrent correctement les étapes de réduction de la hauteur d’antenne, d’accès au datum de marée local et de réduction du bruit de mesure. En revanche, seul Veripos considère une étape visant à l’élimination des biais résiduels présents dans les observations de marée. Pour ce faire, un filtrage Doodson est implémenté. Celui-ci est employé de la même manière que celle décrite et mise en œuvre dans les expérimentations

58

réalisées dans le cadre de ce projet (voir chapitre III). A contrario, Fugro ne propose ni filtrage Doodson ni aucune autre alternative de traitement visant à réduire les biais résiduels. Dès lors, la solution Starfix.MSS n’est pour l’heure pas acceptable ce qui amène à invalider la détermination de marée par techniques GNSS proposée par Fugro, et ce tant qu’une mise à jour du protocole de traitement ne sera pas effectuée.

De la même manière, la solution C-Tides développée par C&C ne propose pas non plus de solution pour la réduction des biais systématiques, d’après les informations fournies par le sous-traitant. Ainsi, bien qu’elle n’ait pas fait l’objet d’une évaluation pratique, celle-ci apparaît également comme inadaptée et se doit d’être considérée comme invalide, à défaut d’élément contradictoires. On note à ce titre qu’à la suite du partage des résultats obtenus dans cette étude, C&C a fait part de sa volonté future de considérer une méthode de réduction des biais résiduels. Deux techniques sont envisagées, à savoir l’implémentation du filtrage Doodson et la décomposition harmonique du signal de marée observé. Dans le deuxième cas, qui semble d’ailleurs privilégié, le calcul de constantes harmoniques pourrait permettre la récupération des phénomènes exclusivement périodiques au détriment des biais résiduels.

A des fins d’illustration, le tableau IV.4 résume l’ensemble de ces constatations.

Solution Expérimentation Efficacité Commentaires

C&C C-Tides Non non testée - a priori incomplète pour le moment

Non prise en compte des biais résiduels, bien que prévue prochainement

Fugro Starfix.MSS Oui incomplète Résultats fournis non satisfaisants, non prise en compte des biais résiduels

Veripos Verify Tides Oui satisfaisante Résultats fournis conformes aux attentes Tableau IV.4 : Solutions de traitement testées

4.4 Mise à jour des documents internes de référence

4.4.1 Documents concernés

L’étude menée a montré que les techniques GNSS pouvaient être envisagées pour déterminer le phénomène de marée dans le cadre des activités du groupe Total. Dès lors, il apparaît pertinent de mettre à jour les documents de référence faisant mention de cette problématique. Pour rappel, ceux-ci prennent la forme de spécifications générales et sont organisés selon différentes thématiques. Le tableau IV.2 reprend à ce titre l’ensemble des documents concernés par les mises à jour.

Référence Description (anglais/français) GS EP POS 001 Offshore surface positioning works

Travaux de positionnement de surface en milieu offshore

GS EP POS 002 Subsea positioning works Travaux de positionnement sous-marin

GS EP POS 004 The use of Differential Global Navigation Satellite System Utilisation du DGNSS

GS EP GEO 201 Offshore geophysical surveys Etudes géophysiques en milieu offshore

GS EP GEO 202 Geophysical survey for the installation and/or the inspection of offshore structures and pipelines Etudes géophysiques pour l'installation et/ou l'inspection des structures et pipelines en milieu offshore

GS EP GEO 203 Geophysical survey for offshore pipeline inspection Etudes géophysiques pour l'inspection des pipelines en milieu offshore

Tableau IV.5 : Spécifications générales (GS) mises à jour

59

Les documents GS EP POS 001 et GS EP POS 002 fournissent les spécifications à respecter par les sous-traitants afin d’assurer un positionnement tridimensionnel conforme aux exigences du groupe Total lors des opérations effectuées en milieu offshore.

Le document GS EP POS 004 détaille quant à lui les spécifications retenues concernant le positionnement par DGNSS. Le terme DGNSS est utilisé ici dans un sens générique, c’est-à-dire qu’il englobe l’ensemble des méthodes visant l’amélioration de la qualité du positionnement via l’emploi de stations de référence ou de suivi. Il englobe notamment la technique de positionnement PPP. On remarque que ce document est à considérer comme un complément aux directives de l’OGP concernant le positionnement GNSS dans l’industrie pétrolière (OGP, [2011]).

Le document GS EP GEO 201 recense les spécifications relatives aux travaux de reconnaissance de site et aux études effectuées le long des trajectoires suivies par les pipelines.

Le document GS EP GEO 202 s’applique plus spécifiquement aux travaux d’installation et d’inspection des pipelines et autres structures mises en œuvre en milieu offshore.

Enfin, le document GS EP GEO 203 s’inscrit dans le cadre des inspections annuelles effectuées au niveau des pipelines.

4.4.2 Adaptations proposées On considère dans un premier temps la norme GS EP POS 004. Dans la partie concernant le

positionnement DGNSS en milieu offshore, un paragraphe concernant l’application des techniques DGNSS à la détermination de marée a été ajouté. On présente ci-dessous la version traduite, la version originale en anglais étant disponible en annexe VIII :

Concernant les autres documents de référence, les mises à jour se sont limitées à ajouter la solution de détermination de marée par DGNSS aux techniques jusqu’alors préconisées. Concernant les traitements à respecter, un rappel à la norme GS EP POS 004 est systématiquement effectué.

3.3 Positionnement DGNSS en milieu offshore

(…)

3.3.4 Détermination de marée par DGNSS

Les systèmes DGNSS correspondent à l’une des méthodes envisageables pour l’enregistrement

d’observations de marée. L’utilisation d’un service DGNSS pour la détermination de marée se doit de

considérer les étapes de traitement suivantes :

a) Réduction de la hauteur d’antenne GNSS au niveau instantané de la mer

b) Transformation de datum vertical : du datum WGS84 au datum de marée local, via l’utilisation

d’un modèle de surface océanique moyenne, de géoïde ou de référence verticale local.

c) Lissage des données pour permettre la réduction du bruit de mesure

d) Elimination des biais résiduels via l’utilisation du filtrage Doodson ou équivalent

Pour chacune de ces étapes de traitement, le sous-traitant se doit de fournir des renseignements

complets sur les phases opérationnelles effectivement mises en place, celles-ci devant être approuvées par

le groupe Total avant le début des opérations. Toute procédure invalidée donnera lieu à l’utilisation d’une

méthode alternative de détermination de marée.

60

4.4.3 Effets prévus sur les opérations à venir

Avec la mise à jour des documents de référence telle que décrite dans le paragraphe 4.4.2, les solutions de détermination de marée par techniques GNSS sont dès lors prises en compte comme de véritables alternatives aux méthodes traditionnelles. Aussi, il est fort vraisemblable que celles-ci soient mises en œuvre dans le cadre d’opérations à venir.

Faisant suite aux résultats de l’étude, les adaptations réalisées permettent en outre de clarifier l’approche considérée par le groupe Total : tout procédé de détermination de marée par techniques GNSS ne sera réputé valide que si une chaîne de traitements complète est proposée et effectivement appliquée aux enregistrements bruts.

A ce propos, seule la solution Veripos apparaît envisageable à court terme. Cependant, avec l’émission prochaine des nouvelles spécifications générales, il est attendu que les deux autres sous-traitants, que sont C&C et Veripos, mettent à leur tour à jour leurs solutions afin de se conformer aux exigences de Total. A ce titre, comme évoqué dans le paragraphe 4.3.3, C&C a déjà fait part de sa volonté de mettre à niveau son programme C-Tides en implémentant une méthode pour permettre la réduction voire l’élimination des biais systématiques dans les observations de marée.

Sur la base des expérimentations menées dans cette étude, il incombera au final à Total d’effectuer l’évaluation de ces nouvelles variantes de traitement afin de statuer sur leur éventuelle validation.

61

Conclusion générale et perspectives

Ce projet de fin d’études a eu pour but d’évaluer une nouvelle technique de détermination des marées océaniques qui tente d’être imposée par les sous-traitants du groupe Total de manière récurrente ces dernières années, et ce au détriment des techniques dites « traditionnelles », à savoir les mouillages marégraphiques et l’utilisation des prédictions. Cette méthode inédite repose sur les progrès récents réalisés sur les technologies GNSS adaptées au milieu offshore et se base sur la mise en œuvre de traitements spécifiques des enregistrements bruts acquis à partir des systèmes de positionnement installés sur les bateaux d’acquisition.

La problématique de détermination de marée relève d’une importance primordiale pour le groupe Total dès lors que la quantification des effets de marée sur le niveau de la mer est jugée critique pour permettre la réduction des sondages hydrographiques. Aussi, en l’absence d’une étude interne portant sur la validation des techniques de mesure GNSS, Total refusait jusqu’alors leur mise en application.

Les expérimentations menées dans le cadre de ce projet se sont illustrées par l’obtention de résultats convaincants, tout du moins à en juger la cohérence établie entre les signaux de marée déterminés par traitement des enregistrements GNSS et ceux fournis par les techniques traditionnelles. Ainsi, des écarts de l’ordre de 0,00 +/- 0,11 m pour le projet Pistolet au Pays-Bas (2012), 0,02 +/- 0,11 m pour le projet Longmorn au Royaume-Uni (2012) et 0,01 +/- 0,11 m pour le projet Moho Bilondo au Congo (2011) ont été enregistrés entre les marées dites « GNSS » (car obtenues via les systèmes associés) et les données de prédiction disponibles. Compte-tenu de la précision intrinsèque des systèmes GNSS employés ici, qui est de l’ordre d’un à deux décimètres à deux sigmas, et de la non prise en compte des phénomènes de surcotes/décotes par les prédictions employées comme référence, ces résultats sont d’autant plus satisfaisants. Une confrontation avec des observations marégraphiques a également été effectuée à partir des données de campagne du projet Martin Linge en Norvège (2011), celle-ci s’est distinguée par des écarts de l’ordre de 0,04 +/- 0,03 m lorsque le bateau d’acquisition était localisé au plus proche du point de mouillage choisi pour le marégraphe.

L’élaboration d’une véritable chaîne de traitement des données GNSS brutes a suggéré la distinction des différentes étapes indispensables à une recomposition acceptable des signaux de marée, l’objectif final de cette démarche étant de statuer sur la pertinence des solutions proposées par les sous-traitants. A ce titre, les solutions Fugro Starfix.MSS et Veripos Verify Tides ont pu être effectivement examinées. L’étude a montré que seul le sous-traitant Veripos proposait à ce jour une solution de traitement des données complète et acceptable avec notamment l’implémentation du filtrage de Doodson pour permettre la réduction voire l’élimination des biais résiduels entachant les données. Sur ce point particulier, les expérimentations ont montré que l’emploi du filtre de Doodson a donné lieu à une réduction de 76% des écarts systématiques moyens tandis que les écarts d’ordre aléatoire ont été réduits d’environ 15%. En ce qui concerne la solution C-Tides de C&C Technologies, le troisième sous-traitant considéré, aucune évaluation pratique n’a malheureusement pu être mise en œuvre. Néanmoins, celle-ci apparaît au même titre que la solution de Fugro comme non adaptée, et ce pour la même raison, à savoir le défaut d’une méthode permettant la prise en compte des biais résiduels. On note tout de même qu’à la suite du partage des résultats obtenus dans cette étude, C&C a fait part de sa volonté future de faire évoluer sa solution.

Par rapport aux techniques traditionnelles, l’un des principaux attraits liés à l’utilisation des marées dites « GNSS » réside dans la possibilité de mesurer le phénomène de marée directement au point de sondage, le système GNSS étant embarqué sur le bateau d’acquisition. Ainsi, aucun phénomène de décorrélation spatiale n’est à prévoir. Par ailleurs, cette nouvelle technique se distingue par une grande facilité d’opération, le matériel étant déjà installé et calibré afin de répondre aux besoins de positionnement planimétrique. Concernant le champ d’application des marées « GNSS », il

62

a été remarqué que celui-ci se devait d’être limité à des zones situées à au moins une dizaine de kilomètres des côtes en raison de la perte de robustesse des modèles d’approximation du niveau moyen de la mer local pour les zones côtières. Pour ce type de lieux d’études, les résultats obtenus sur le projet Martin Linge (Norvège) montrent en effet que des dissemblances de l’ordre de plusieurs centimètres peuvent être observées dans les hauteurs de marée calculées en fonction du modèle d’approximation employé.

Afin de donner suite aux résultats obtenus, les spécifications générales faisant office de

documents de référence au sein du groupe Total ont été mises à jour afin d’intégrer la détermination de marée par techniques GNSS comme nouvelle méthode de mesure à envisager. Les différentes étapes de traitement à considérer y sont détaillées, à savoir la réduction de la hauteur d’antenne au niveau instantané de la mer, le lissage des données afin de permettre la réduction du bruit de mesure, l’accès au datum de marée local et la réduction des biais résiduels.

Les conclusions de cette étude vont permettre de justifier le changement de position de Total

vis-à-vis des techniques GNSS de détermination de marée. Elles seront désormais considérées par les documents de référence et les sous-traitants auront ainsi la possibilité de proposer ce type de méthode alternative. La précision intrinsèque des systèmes GNSS s’est montrée suffisante pour recomposer les signaux de marée, néanmoins les solutions de traitement jusqu’ici proposées par les sous-traitants ne se révèlent pas toutes satisfaisantes et des mises à niveau doivent donc être entreprises par ces derniers. Par ailleurs, les progrès et mises à jour constants réalisés sur les modèles de surface océanique amènent à penser que d’ici quelques années, les marées dites « GNSS » seront également applicables à proximité immédiate des terres. Au final, on peut augurer que d’ici peu, les techniques GNSS vont s’imposer comme nouvelle technique de référence pour répondre aux besoins en détermination de marée, en raison des nombreux atouts qui la caractérisent.

63

Table des figures Figure I.1 : Etablissement de la force génératrice lunaire pour une Terre théorique entièrement recouverte d'eau (Brown et al. [1999], traduit) ...................................................................................... 7 Figure I.2 : Amplitude de la marée dans les trois océans (Simon [2007]) ............................................. 8 Figure I.3 : Marégramme du 13 mars 2012 pour le port de Saint-John, Canada, GMT-4 (SHOM@ [2012]) .................................................................................................................................................... 9 Figure I.4 : Marégramme du 13 mars 2012 pour le port de Halifax, Canada, GMT-4 (SHOM@ [2012]) .................................................................................................................................................... 9 Figure I.5 : Schéma simplifié du mouillage d’un marégraphe à capteur de pression .......................... 11 Figure I.6 : Niveaux hydrographiques de référence ............................................................................. 14 Figure I.7 : Détermination empirique du niveau moyen à partir de données marégraphiques, projet Martin Linge, 2011 (Norvège) ............................................................................................................... 16 Figure I.8 : Incertitude verticale totale admissible pour les sondages bathymétriques ....................... 20 Figure II.1 : Réseau de stations de suivi C-Nav .................................................................................... 23 Figure II.2 : Réseau de stations de référence du système Fugro Starfix.HP ........................................ 24 Figure II.3 : Représentation du modèle de surface océanique moyenne CNES CLS 2011 (source : AVISO@ [2012]) ................................................................................................................................... 28 Figure II.4 : Représentation de la topographie océanique moyenne au large du Gabon ..................... 29 Figure II.5 : Les poids mis en jeu dans le filtrage Doodson ................................................................. 31 Figure II.6: Réduction des sondages : configuration A (sondeur repéré par rapport au référentiel du bateau) ................................................................................................................................................... 33 Figure II.7 : Réduction des sondages : configuration B (sondeur repéré par rapport au niveau instantané de la mer) ............................................................................................................................. 33 Figure III.1 : Etapes de traitement à réaliser ....................................................................................... 36 Figure III.2 : Réduction de la hauteur d'antenne .................................................................................. 37 Figure III.3 : Accès au niveau moyen local .......................................................................................... 38 Figure III.4 : Longmorn - Plan de situation .......................................................................................... 39 Figure III.5 : Longmorn - Réduction de la hauteur d'antenne .............................................................. 40 Figure III.6 : Longmorn – Bruit éliminé par la prise en compte des paramètres d'attitude du bateau 40 Figure III.7 : Longmorn - Grille EGM08 correspondant à la zone d'intérêt ........................................ 41 Figure III.8 : Longmorn - Ecarts constatés entre le modèle EGM08 et le modèle CNES CLS 2011 .... 42 Figure III.9 : Longmorn - Ecarts constatés entre les modèles CNES CLS 2011 et DTU10 ................. 43 Figure III.10 : Longmorn - Variations du niveau moyen local ............................................................. 44 Figure III.11 : Longmorn - Premières comparaisons avec les données de référence .......................... 45 Figure III.12 : Longmorn - Filtrage Doodson ...................................................................................... 47 Figure III.13 : Longmorn - Seconde comparaison avec les données de référence ............................... 48 Figure III.14 : Longmorn - Seconde comparaison avec les données de référence (période d’observations réduite) .......................................................................................................................... 49 Figure III.15 : Longmorn - Histogramme des écarts ............................................................................ 50 Figure III.16 : Longmorn - Influence du choix de l'algorithme de lissage ........................................... 50

64

Table des tableaux Tableau I.1 : Périodes caractéristiques des mouvements Terre-Lune-Soleil (données issues de Pugh [1987] et Simon [2007]).......................................................................................................................... 8 Tableau I.2 : Les différents types de marégraphes (sources : SHOM [2002] et Cazenave [2012]) ..... 10 Tableau II.1 : Tableau comparatif des solutions GNSS considérées (sources : C-Nav World DGNSS@ [2012], Starfix@ [2012], Veripos@ [2012]) ........................................................................................ 25 Tableau II.2 : Exemples de modèles de surface océanique moyenne .................................................... 27 Tableau II.3 : Exemples d'algorithme de lissage .................................................................................. 31 Tableau II.4 : Particularités des traitements proposés par les sous-traitants ...................................... 32 Tableau II.5 : Réduction des sondages : facteurs d'influence ............................................................... 34 Tableau III.1 : Liste des campagnes considérées .................................................................................. 36 Tableau III.2 : Caractéristiques des ellipsoïdes WGS84 et T/P ............................................................ 38 Tableau III.3 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des modèles d'approximation du niveau moyen de la mer local pour l’ensemble de la zone considérée ......................................................................... 42 Tableau III.4 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des modèles d'approximation du niveau moyen de la mer local correspondant à la trajectoire effective du bateau d’acquisition................................. 43 Tableau III.5 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des premières comparaisons avec les données de référence ................................................................................................................................................ 46 Tableau III.6 : Longmorn – Valeurs caractéristiques des secondes comparaisons avec les données de référence ................................................................................................................................................ 47 Tableau III.7 : Longmorn - Influence du choix de l'algorithme de lissage ........................................... 51 Tableau IV.1 : Tableau récapitulatif de l’ensemble des expérimentations ........................................... 53 Tableau IV.2 : Avantages et inconvénients des méthodes de détermination de marée ......................... 56 Tableau IV.3 : Systèmes GNSS testés .................................................................................................... 57 Tableau IV.4 : Solutions de traitement testées ...................................................................................... 58 Tableau IV.5 : Spécifications générales (GS) mises à jour ................................................................... 58

Table des équations Équation I.1 : Calcul de la profondeur de sondage .............................................................................. 17 Equation II.1 : Calcul de la hauteur de l'antenne GNSS (cas simplifié) ............................................... 29 Equation II.2 : Calcul de la hauteur de l'antenne GNSS (cas général) ................................................ 30 Equation II.3 : Formule de réduction des sondages ............................................................................. 33

65

Bibliographie Ouvrages

Aage, C., Allan, T.D., Carter, D.J.T., Lindgren, G. et Olagnon, M., [1998], Oceans from Space – A textbook for Offshore Engineers and Naval Architects. Repères océans n°16, Editions Ifremer, Plouzané. ISBN 2-84433-010-X. 163 p.

Boon, J.D., [2004], Secrets of the Tide. Editions Horwood, Chichester. ISBN 1-904-275-17-6. 212 p.

Brown, E., Colling, A., Park, D., Phillips, J., Rothery, D. et Wright, J., [1999], Waves, Tides and Shallow-water Processes, 2nde édition. Editions Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-4281-5. 227 p.

Centre for Marine and Petroleum Technology (CMPT), [1998], Floating Structures : a guide for design and analysis, vol. 1. Editions N.P.D. Barltrop. ISBN 1-870553-357.

Doodson, A.T. et Warburg, H.D., [1941], Admiralty manual of tides. Her Majesty's Stationery Office, Londres.

Duquenne, F., Botton, S., Peyret, F., Bétaille, D. et Willis, P., [2005], GPS - localisation et navigation par satellites, 2nde édition, revue et augmentée. Editions Hermès, Paris. ISBN 2-7462-1090-8. 330 p.

Grewal, M. S., Weill, L.R., Andrews, A.P., [2001], Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration. Editions John Wiley & Sons Inc. ISBN 0-471-35032-X. 392 p.

Groves, G.W., [1955], Numerical filters for discrimination against tidal periodicities. Trans. American Geophysical Union.

Ingham, A.E., [1974], Hydrography for the Surveyor and Engineer. Aspects of Modern Land Surveying, Editions Granada, Londres. ISBN 0-258-96868-0. 132 p.

Le Tirant, P., [1976], Reconnaissance des sols en mer pour l’implantation des ouvrages pétroliers. Collection Sciences et Technique du pétrole, n°21, Editions Technip, Paris. ISBN 2-7108-0300-6. 495 p.

Pugh, D.T., [1987], Tides, Surges and Mean Seal-Level. Editions John Wiley & Sons Ltd. ISBN 0-471-91505-X. 472 p.

Simon B., [2007], La marée océanique côtière. Editions Institut Océanographique, Paris. ISBN 978-2-903581-32-9. 433 p.

Mémoires

Cenac, J-O., [1997], Utilisation des modèles de marée issus d’altimétrie radar en sismique 3D marine, Mémoire d’ingénieur de l’ESGT, 68 p.

Fournet, L., [2002], Positionnement d’engins autonomes grands fonds : Etat de l’art et perspectives, Mémoire d’ingénieur de l’ESGT, 61 p.

Wallois, N., [2008], Analyse des systèmes altimétriques utilisés par Total en milieu Offshore, Mémoire d’ingénieur de l’ESGT, 68 p.

Thèses

Lefevre, F., [2000], Modélisation des marées océaniques à l’échelle globale : assimilation de données in situ et altimétriques, Université Toulouse III, Océanographie, 280 p.

66

Wert, T.D., [2004], Tidal height retrieval using Globally corrected GPS in the Amundsen Gulf region of the Canadian Artic, University of New Brunswick, Master of Science in Engineering, 115 p.

Articles de revues

Ancel, J.C., [2011], Le positionnement en études sismiques marines. Revue Technoscoop (document à diffusion interne à Total), n°39, p. 49-53.

Chance, J., Gravley, J.M., Roscoe-Hudson, J. et Kleiner, A., @[2003], GPS for Global Tidal Measurements. Revue Hydro International, vol. 7, n°8. URL http://www.hydro-international.com/issues/articles/id1-GPS_for_Global_Tidal_Measurements.html.

King, M., Aoki, S., [2003], Tidal observations on floating ice using a single GPS receiver. Geophysical Research Letters, vol. 30, 4 p.

Sanders, P., [2003], RTK Tide Basics. Revue Hydro International, vol. 7, n°10, p. 26-29.

Simon, D., [2011], Les méthodes de positionnement satellite et le GPS. Revue Technoscoop (document à diffusion interne à Total), n°39, p. 22-27.

Vidal A., [2011], Le positionnement acoustique en très grande profondeur. Revue Technoscoop (document à diffusion interne à Total), n°39, p. 42-48.

Rapports techniques

Allain, S., Kerinec, JC., Le Roy, R., Simon, B., Woppelmann, G., Philippe, T., [2002], Mesures marégraphiques, version 2.0. Guide technique du SHOM, Editions Etablissement Principal du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (EPSHOM). 30 p.

Institut Géographique National (IGN), [1995], Changement de système géodésique – Algorithmes, 1ère édition. Editions IGN. 26 p.

Parker, B.B., [2007], Tidal Analysis and Prediction. Special Publication NOS CO-OPS 3, Editions National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). 378 p.

Cours

Gillieron, P-Y., [2011], Localisation par satellites. Editions Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Faculté de l’environnement naturel, architectural et construit (ENAC). 87 p.

Grussenmeyer, P., [2009-2010], Astronomie. Cours à l’INSA de Strasbourg, spécialité Topographie.

Ledig, J., [2011], Pour le positionnement géodésique (G.N.S.S.). Cours à l’INSA de Strasbourg, spécialité Topographie. 157 p.

Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM), [2002], Cours de marée. Editions Etablissement Principal du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (EPSHOM).

Manuels, Normes

Habert, F., [1984], Manuel de l’hydrographie, tome 2 : Hydrographie. Editions SHOM. ISBN 2-11-080432-7.

Intergovernmental Oceanographic Commission, [1985], Manual on sea level measurement and interpretation. IOC Manuals and Guides n°14, vol. 1 – Basic Procedures. Editions UNESCO. 75 p.

67

Intergovernmental Oceanographic Commission, [1994], Manual on sea level measurement and interpretation. IOC Manuals and Guides n°14, vol. 2 – Emerging Technologies. Editions UNESCO. 50 p.

Intergovernmental Oceanographic Commission, [2002], Manual on sea level measurement and interpretation. IOC Manuals and Guides n°14, vol. 3 – Reappraisals and Recommendations as of the year 2000. Editions UNESCO. 47 p.

Intergovernmental Oceanographic Commission, [2006], Manual on sea level measurement and interpretation. IOC Manuals and Guides n°14, vol. 4 – An Update to 2006. Editions UNESCO. 80 p.

International association of Oil & Gas Producers (OGP) & International Marine Contractors Association (IMCA), [2011], Guidelines for GNSS positioning in the oil & gas industry. Rapport n°373-19, Editions OGP & IMCA. 78 p.

Organisation Hydrographique Internationale, [2011], Publication spéciale n°44 : Normes OHI pour les levés hydrographiques (première parution en 2008, révisée en 2011), 5ème édition. Editions Bureau Hydrographique International, Monaco. 30 p.

Conférences

Cazenave, A., [2012], Niveau de la mer et climat, observation, causes et impacts. Institut Physique du Globe, Paris.

Dasler, J., [2011], Inertially-Aided Post-Processed Kinematic GNSS for Nautical Charting. Institute of Navigation GNSS Conference, U.S. States and Local Government Subcommittee Session.

Hudson, J.R., Sharp, T., [2001], Globally Corrected GPS (GcGPS): C-Nav GPS System. Dynamic Positioning Conference. 13 p.

Kato, T., Terada, Y., Kinoshita, M., Kakimoto, H., Isshiki, H., Moriguchi, T., Takada, M., Tanno, T., Kanzaki, M. et Johnson, J., @[2001], A new tsunami monitoring system using RTK-GPS. International Tsunami Symphosium, Seattle. 7 p. URL http://nthmp-history.pmel.noaa.gov/its2001/Separate_Papers/5-12_Kato_T.pdf

Pages web

AVISO@[2012] URL http://www.aviso.oceanobs.com

Bisnath, S.B., Gao, Y., @[2009], Innovation: Precise Point Positioning, GPS World. URL http://www.gpsworld.com/gnss-system/algorithms-methods/innovation-precise-point-positioning-7040

CLS@[2001], Collecte Localisation Satellites, Space Oceanography : Mean Sea Surface. URL http://www.cls.fr/html/oceano/projets/mss/data_en.html

C-Nav World DGNSS@[2012], Precise Point Positioning. URL http://www.cnavgnss.com

DTU Space@[2012], National Space Institute URL http://www.space.dtu.dk

EPSG@[2012], European Petroleum Survey Group : Geodetic Parameter Registry. URL http://www.epsg-registry.org/

JPL@[2012], Jet Propulsion Laboratory. URL http://www.jpl.nasa.gov/

GLOSS@[2012], The Global Sea Level Observing System. URL http://www.gloss-sealevel.org

NOAA’s National Ocean Service@[2010], Tides and Water Levels. URL http://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/welcome.html

68

NOAA’s Office of Coast Survey@[2012], Support to the Nation's Commerce with Information for Safe, Efficient, and Environmentally Sound Transportation. URL http://www.nauticalcharts.noaa.gov

Planète-Energies@[2011], Des clés de compréhension sur toutes les énergies. URL http://www.planete-energies.com/

SHOM@[2012], Service Hydrographique et Océanographique de la Marine. URL http://www.shom.fr/

SIMORC@[2011], System of Industry Metocean data for the Offshore and Research Communities. URL http://www.simorc.org/

Starfix@[2012] URL http://www.starfix.com/

Unidata@[2012], NetCDF : Network Common Data Form. URL http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/

Veripos@[2012], DGPS - Satellite positioning. URL http://www.veripos.com/

Publications consultables en ligne

Alleman, P., Kleiner, A., Chance, J., @[2003], Experimental Use of GPS Derived Altitude in Hydrographic Surveys. C & C Technologies, Inc. 10 p. URL http://www.cctechnol.com/uploads/192_0.pdf

Canter, P., Lalumiere, L., @[2005], Hydrographic Surveying on the Ellipsoid with Inertially-Aided RTK. 10 p. URL http://www.applanix.com/media/downloads/articles_papers/ POSMV_2005_09_HydrographicSurveying.pdf

Dodd, D., Mills, J., @[2012], Ellipsoidally Referenced Surveys Separation Models. Rome, FIG Working Week 2012 : Knowing to manage the territory, protect the environment, evaluate the cultural heritage. 20 p. URL http://www.fig.net/pub/fig2012/papers/ts08d/TS08D_dodd_mills_5704.pdf Dodd, D., Mills, J., Battilana, D., Gourley, M., @[2010], Hydrographic Surveying Using the Ellipsoid as the Vertical Reference Surface. Sydney : FIG Congress 2010. 15 p. URL http://www.fig.net/pub/fig2010/papers/ts10i%5Cts10i_dodd_mills_et_al_4197.pdf

Fédération Internationale des Géomètres (FIG), @[2006], Guide on the Development of a Vertical Reference Surface for Hydrography. Publication FIG n°37. 30 p. URL http://www.fig.net/pub/figpub/pub37/pub37.pdf

Hernandez, F., Schaeffer, P., @[2001], The CLS01 Mean Sea Surface : A validation with the GSFC00.1 surface. 14 p. URL ftp://ftp.spacecenter.dk/pub/GOCINA/DOC/CLS01_VALID_MSS.pdf

Higgins, M.B., @[1999], Heighting with GPS: Possibilities and Limitations. 10 p. URL http://www.fig.net/commission5/reports/gavle/higgins.pdf

Huber, K., Heuberger, F., Abart, C., Karabatic, A., Weber, R., Berglez, P., @[2010], PPP : Precise Point Positioning – Constraints and Opportunities. Sydney : FIG Congress 2010. 17 p. URL http://www.fig.net/pub/fig2010/papers/ts10c%5Cts10c_huber_heuberger_et_al_4040.pdf

Leben, R.R., Born, G.H., Engebreth, B.J., @[2002], Operational Altimeter Data Processing for Mesoscale Monitoring. URL http://envy.colorado.edu/~leben/Papers/mar_geod_operational.pdf

Marshall, A., Denys, P., @[2008], Water Level Measurement and Tidal Datum Transfer Using High Rate GPS Buoys. 15 p. URL http://www.fig.net/pub/fig2008/papers/ts05i/ts05i_02_marshall_denys_2856.pdf

69

Pineau-Guillou, L., @[2007], Projet BATHYELLI : Détermination du zéro hydrographique à partir de l’altimétrie spatiale et du GPS. SHOM. 7 p. URL http://www.cetmef.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/bulletin_2007-SHOM-Bathyelli_cle5313b9.pdf

Pineau-Guillou, L., Dorst, L., @[2011], Creation of vertical reference surfaces at sea using altimetry and GPS. SHOM : Annales hydrographiques. 7 p. URL http://www.shom.fr/fr_page/fr_prod_annales/777/10-ref-surface.pdf

Van Norden, M.F., Arroyo-Suarez, E.N., Najjar, A.S., @[2004], Hydrographic surveys to IHO standards without shore stations using the real-time GIPSY (RTG) Global Positioning System (GPS). 16 p. URL http://www.cctechnol.com/uploads/NAVO_CNav.pdf

Vignudelli, S., Berry, P., Roblou, L., @[2008], Satellite Altimetry Near Coasts – Current Practices and a Look at the Future. URL http://www.alticore.eu/Publications/paper_vignudelli_et_al_ESA_2008.pdf

Willumsen, A.B., Hagen, O.K., Boge, P.N., @[2007], Filtering Depth Measurements in Underwater Vehicles for Improved Seabed Imaging. 6 p. URL http://www.navlab.net/Publications/ Filtering_Depth_Measurements_in_Underwater_Vehicles_for_Improved_Seabed_Imaging.pdf

Modèles de données

Andersen, O. B., [2010], The DTU10 Gravity field and Mean sea surface. Fairbanks (Alaska), Second international symposium of the gravity field of the Earth (IGFS2).

Andersen, O. B., Knudsen, P., [2009], The DNSC08 mean sea surface and mean dynamic topography.

Andersen, O.B., Vest, A.L., Knudsen, P., @[2005], The KMS04 Multi-Mission Mean Sea Surface. URL http://gocinascience.spacecenter.dk/publications/4_1_kmss04-lux.pdf

Foerste, C., Flechtner, F., Schmidt, R., Stubenvoll, R., Rothacher, M., Kusche, J., Neumayer, K.-H., Biancale, R., Lemoine, J.-M., Barthelmes, F., Bruinsma, J., Koenig, R., Meyer, U., [2008], EIGEN-GL05C - A new global combined high-resolution GRACE-based gravity field model of the GFZ-GRGS cooperation. Vienne (Autriche), General Assembly European Geosciences Union, Geophysical Research Abstracts, vol. 10, Abstract No. EGU2008-A-06944.

Mayer-Gürr, T., Pail, R., Schuh, Kusche, J., W-D., Baur, O. et Jäggi, A., [2012], The new combined satellite only model GOCO03s.

Pavlis, N.K., Holmes, S.A., Kenyon, S.C., Factor, J.K., [2008], An Earth Gravitational Model to degree 2160 : EGM2008.

Schaeffer, P., Faugere, Y., Legeais, J.F., Picot, N., @[2011], The CNES CLS 2011 Global Mean Sea Surface. URL http://www.aviso.oceanobs.com/fileadmin/documents/OSTST/2011/oral/02_Thursday/Splinter%202%20GEO/02%20Schaeffer%20Pres_OSTST2011_MSS_CNES_CLS2011.pdf

http://www.cctechnol.com/uploads/NAVO_CNav.pdf

http://www.alticore.eu/Publications/paper_vignudelli_et_al_ESA_2008.pdf

70

Table des annexes I. Annexe : Comparaison de données marégraphiques simultanées ......................................... 2 1. Tableau général des résultats .............................................................................................................. 2 2. Résultats détaillés concernant le projet Martin Linge en mer du Nord .............................................. 3 II. Annexe : La décomposition harmonique de la marée ........................................................... 6 III. Annexe : Organismes fournisseurs de prédiction ................................................................ 7 IV. Annexe : Robustesse du filtrage Doodson ............................................................................. 7 V. Annexe : Expérimentation – Projet Moho-Bilondo 2011 (Congo) ....................................... 9 1. Descriptif de campagne ...................................................................................................................... 9 2. Réduction de la hauteur d’antenne ...................................................................................................... 9 3. Accès au niveau moyen de la mer local ............................................................................................ 10 4. Première série de comparaison avec les données de référence ......................................................... 12 5. Implémentation du filtrage Doodson ................................................................................................ 14 6. Seconde série de comparaisons avec les données de référence ........................................................ 15 VI. Annexe : Expérimentation – Projet Pistolet 2012 (Pays-Bas) ........................................... 18 1. Descriptif de campagne .................................................................................................................... 18 2. Réduction de la hauteur d’antenne .................................................................................................... 18 3. Accès au niveau moyen de la mer local ............................................................................................ 19 4. Première série de comparaison avec les données de référence ......................................................... 22 5. Implémentation du filtrage Doodson ................................................................................................ 24 6. Seconde série de comparaisons avec les données de référence ........................................................ 24 VII. Annexe : Expérimentation – Projet Martin Linge 2011 (Norvège) ................................. 28 1. Descriptif de campagne .................................................................................................................... 28 2. Période 1 : 13 au 14 novembre 2011 (étude détaillée) ..................................................................... 28 3. Résultats des autres périodes d’acquisition étudiées ........................................................................ 35 VIII. Annexe : Mise à jour de la norme GS EP POS 004 ........................................................ 42 ___

72

INSA Strasbourg Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Projet de Fin d’Etudes en Topographie Auteur : Frédéric TISSERAND Promotion : 2012

Titre : Détermination de marées par techniques GNSS adaptées pour les opérations d’exploration-production du groupe Total.

Soutenance : 27 septembre 2012 Structure d'accueil : Total SA Nombre de volumes : 2 Nombre de pages : 72 (rapport) + 42 (annexes) Nombre de références bibliographiques : 78

Résumé : Dans le cadre de ses opérations d’exploration et de production, Total est régulièrement amené à

sous-traiter des mesures bathymétriques, géophysiques ou géotechniques. Mener à bien ces différentes campagnes d’acquisition exige une bonne connaissance du datum vertical et donc une bonne détermination du phénomène de marée. Dans ce contexte, certains sous-traitants tentent d’imposer, de manière récurrente ces dernières années, de nouvelles solutions pour permettre l’appréciation de ce phénomène bien particulier. Celles-ci se basent sur les progrès récents des techniques GNSS adaptées au milieu offshore et se placent comme véritables alternatives aux techniques traditionnelles que sont les mouillages marégraphiques et les prédictions de marée. Une fois leur inventaire effectué, une série d’expérimentations a été menée à partir des données collectées lors de campagnes in situ. Cette démarche a permis d’une part, d’identifier les protocoles de traitement à mettre en œuvre pour permettre une recomposition robuste des signaux de marée à partir d’enregistrements GNSS et d’autre part, d’évaluer les solutions effectivement proposées par les sous-traitants. Dès lors, les documents de référence internes au groupe Total ont été mis à jour afin de prendre en compte les résultats de l’étude, et ce conformément aux objectifs initiaux du projet.

Mots clés : Marée, PPP, DGNSS, sondages hydrographiques

Summary : Within the framework of its exploration and production operations, Total uses to work with subcontractors to carry out whether bathymetric, geotechnical or geophysical surveys. To ensure the completion of this kind of work, a comprehensive vertical datum description as well as an adequate tidal determination is mandatory. In this particular context, some of the Total contractors are actively promoting breakthrough solutions to manage tidal measurements. These are based on the recent improvements made in the offshore GNSS technologies and are seen as genuine alternatives to traditional methods, namely the mooring of tide gauges and the use of predictions. Once their inventory performed, a series of experiments was conducted from data collected during previous surveys. This approach made it possible to identify the relevant processing steps to be implemented in order to get access to robust tidal signals from GNSS records on the one hand and to assess the solutions actually proposed by the contractors on the other. Therefore the general specifications of the company were updated in accordance with the initial project objectives so as to take into account the study results.

Key words : Tides, tidal determination, PPP, DGNSS, hydrographic surveys

Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA...

Documents

Transcript of Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA...