navigation.

navigation. 1 PRÉSENTATION navigation, science et technique consistant à relever la position d'un mobile (navire, avion, etc.), et à déterminer son itinéraire d'un point à un autre. La pratique de la navigation demande à la fois, une connaissance des théories qui la régissent, une solide expérience et du jugement personnel. Les anciens navigateurs, sans l'aide des instruments de navigation, explorèrent les côtes de l'Europe, de l'Asie et de l'Afrique. Les Vikings atteignirent même l'Amérique du Nord. Toutes ces expéditions se firent cependant au prix de nombreux naufrages. Les meilleurs d'entre eux savaient reconnaître leur route et l'évolution du temps à divers signes : l'aspect du ciel, la position des astres, la couleur et la saveur de l'eau, le comportement des animaux, etc. Ce savoir a généralement disparu, sauf chez certains peuples du Pacifique qui savent encore, avec une simple pirogue, rejoindre une île située à des centaines de milles. Aujourd'hui, la science de la navigation est divisée en quatre techniques principales : la navigation dite « à l'estime «, qui évalue la position approximative d'un bateau uniquement d'après sa route et sa vitesse ; le pilotage, qui consiste à diriger le navire en se référant fréquemment à des repères terrestres (amers, phares, etc.) et en utilisant le sondage ; la navigation astronomique, qui se fonde sur l'observation des corps célestes pour déterminer la position du vaisseau à la surface de la Terre ; la navigation électronique, qui emploie du matériel radioélectronique. 2 POSITION ET CAP À LA SURFACE DE LA TERRE Tout navire doit pouvoir déterminer sa position, son cap, sa vitesse et les distances qu'il parcourt. La position est un point de la surface de la Terre, définie comme un ensemble de coordonnées, telles que la latitude et la longitude. Le cap d'un bateau représente la direction de son axe, de la poupe vers la proue. On la mesure couramment sous forme de distance angulaire, mesurée en degrés, à partir de la direction du nord vrai (pôle Nord géographique). La vitesse correspond au rapport distance / temps, exprimé en milles nautiques par heure (1 noeud = 1 mille nautique par heure = 1,852 km/h, sauf dans les pays du Commonwealth où le mille vaut 1 853,18 m). 3 CARTES ET PROJECTIONS CARTOGRAPHIQUES Les prévisions initiales et les résultats finaux de la navigation sont reportés sur des cartes (cartes géographiques et cartes marines). La surface quasi sphérique de la Terre est représentée sur une surface plane (mappemonde), à laquelle se superposent les coordonnées de latitude et de longitude, ainsi que des informations relatives aux côtes et à la topographie sous-marine. Les cartes marines mettent l'accent sur la détermination de la position, du cap et de la distance, en insistant sur les points utiles à un navigateur. Comme aucune partie d'une sphère ne peut être développée à plat sans distorsion, plusieurs systèmes de projection cartographique ont été conçus à l'usage des navigateurs. Chaque système de projection a ses avantages et ses limites et répond à un besoin particulier du navigateur. Le système de projection le plus utilisé dans les cartes marines est la projection de Mercator, du nom de son inventeur, le mathématicien et géographe flamand Gerhard Mercator. Ces cartes représentent la sphère terrestre projetée sur un cylindre tangent à la surface de la Terre à l'équateur. Lorsqu'on déroule le cylindre à plat, les méridiens (correspondant aux longitudes) apparaissent comme des droites verticales équidistantes, tandis que les parallèles (correspondant aux latitudes) apparaissent comme des droites horizontales parallèles. Les parallèles sont plus espacées vers les pôles, en raison de la distorsion, plus grande dans cette direction que pour les méridiens. La projection de Mercator, en dépit de sa grande distorsion, est très employée par les navigateurs, parce que les droites, les caps et les distances correspondent à des lignes droites pouvant être mesurées directement. Un navigateur essaye habituellement de trouver la route la plus courte entre deux points. Il peut y parvenir grâce à la méthode du « grand cercle «. Le grand cercle passant par deux points de la surface de la Terre représente l'intersection de la surface de la sphère par un plan passant par le centre terrestre et ces deux points. Ce cercle décrit le chemin le plus court que l'on peut suivre sur une surface sphérique. Les routes suivant les grands cercles peuvent être directement déterminées à partir de cartes représentant les grands cercles. En pratique, l'usage est de suivre une série de cordes qui approchent le grand cercle, car il est difficile pour un bateau de voyager avec un cap toujours différent. Ces cordes sont tracées sur une carte de Mercator. La plupart des eaux navigables du globe ont été relevées avec précision par les services hydrographiques des principales nations maritimes, de telle sorte que des cartes marines fiables sont actuellement disponibles. Les services hydrographiques des différents pays publient également des almanachs et des ouvrages descriptifs pour le navigateur. Ces ouvrages contiennent des informations détaillées sur les eaux côtières, les facilités offertes par les ports, les aides à la navigation, les vents, les marées, les courants, les dangers de navigation, les caps pour approcher les eaux peu profondes et y entrer, ainsi que des données qui ne peuvent être représentées sur les cartes régionales. 4 INSTRUMENTS DE NAVIGATION De nombreux instruments sont aujourd'hui employés pour faciliter la navigation. Certains sont relativement simples à utiliser, alors que d'autres nécessitent un apprentissage sérieux. Parmi ces derniers figurent divers systèmes électroniques et mécaniques. Les instruments de navigation sont conçus pour établir la position, mesurer le cap et la distance, déterminer la vitesse, mesurer la profondeur de l'eau, aider à tracer la route sur les cartes, et observer les conditions météorologiques. Parfois, on utilise une combinaison de plusieurs instruments pour obtenir l'information souhaitée. Le compas magnétique est l'un des plus anciens instruments utilisés à bord des navires (voir boussole). Bien qu'il ait été supplanté par le gyrocompas sur les grands navires, le compas magnétique est toujours considéré comme l'instrument de base de la navigation. Il n'est pas sujet à des pannes électromécaniques et c'est pourquoi il demeure un instrument d'appoint nécessaire sur la plupart des navires de haute mer. Le compas magnétique, s'alignant de lui-même sur la direction des pôles magnétiques de la Terre, est utilisé comme système directionnel. La différence en degrés entre la direction de l'aiguille du compas (pôle Nord magnétique) et la direction du nord vrai (pôle Nord géographique) est appelée déclinaison magnétique. À l'usage des navigateurs, la déclinaison magnétique a été mesurée dans de nombreuses parties du monde. Grâce à ses mesures, des cartes ont été établies, indiquant la déclinaison magnétique approximative de n'importe quelle région. Sur ces cartes sont reliés les points d'égale déclinaison magnétique (isogones). Le gyrocompas, qui utilise un gyroscope comme élément directionnel, est aligné sur le nord vrai. Le gyroscope contenu dans ce compas est une masse en rotation rapide, libre de se déplacer autour d'un ou deux axes, perpendiculaires à l'axe de rotation et perpendiculaires entre eux. Des éléments de contrôle sont ajoutés au gyroscope pour le transformer en un véritable indicateur de direction. Le cercle azimutal est un instrument important pour le navigateur, qui indique l'azimut d'un objet, c'est-à-dire sa direction mesurée par rapport au nord. C'est un anneau gradué, avec des mires de visée, conçu pour s'adapter étroitement sur un compas. Cet appareil permet de prendre des relevés d'objets terrestres comme de corps célestes. Le loch est un instrument utilisé pour déterminer la vitesse d'un navire et / ou la distance qu'il a parcourue sur l'eau. Le loch le plus simple est un petit appareil fuselé qui traîne au bout d'un câble dans le sillage d'un bateau. L'appareil comporte une hélice que la résistance de l'eau fait tourner, et qui transmet sa rotation à un compte-tours. Plus le bateau avance vite, plus l'hélice tourne rapidement. Différents types de loch sont utilisés, mécaniques ou électroniques. Pour connaître la profondeur de l'eau, un navigateur utilise soit une sonde à plomb, soit un échosondeur (ou sonar). La sonde à plomb, qui s'apparente à un poids attaché à l'extrémité d'une ligne graduée, est utilisée dans les eaux côtières ou peu profondes lorsque la visibilité est faible. Le sonar, que l'on trouve sur tous les navires de haute mer, indique la profondeur de l'eau en mesurant l'intervalle de temps entre l'émission d'un signal sonore (généralement des ultrasons) et le renvoi de son écho par le fond. Les équipements de traçage utilisés par le navigateur ressemblent, dans une certaine mesure, aux outils utilisés en dessin industriel. Des compas à pointe sèche pour mesurer les distances, des compas pour tracer des cercles, des rapporteurs et des règles composent l'essentiel des outils qu'on trouve couramment sur la table à cartes d'un navire. Pour la navigation astronomique, le navigateur se sert d'un sextant et d'un chronomètre. Le sextant est utilisé principalement pour déterminer la hauteur des corps célestes à partir de l'horizon. Le chronomètre est une pièce d'horlogerie très précise, avec un taux d'avance ou de retard quotidien presque constant. Il est réglé sur le temps d'un méridien standard, habituellement celui de l'observatoire de Greenwich, à Londres, et permet de déterminer la longitude en mer. Son taux quotidien d'avance ou de retard est vérifié par comparaison avec les informations radio émises par différents pays (voir horloges et montres). En plus de ces instruments, la plupart des navires modernes utilisent plusieurs systèmes électroniques de navigation (voir ci-dessous : Navigation électronique). 5 PILOTAGE Le pilotage est la forme de navigation utilisée dans les approches et manoeuvres portuaires, dans les eaux côtières mal cartographiées ou dans des conditions défavorables de temps et de visibilité. Le plus grand soin et la plus grande précision sont requis du navigateur, qui doit connaître toutes les particularités de la zone. L'une des principales préoccupations du navigateur dans ces eaux, où le trafic est plus dense qu'en haute mer, est d'éviter la collision avec d'autres navires. 5.1 Ligne de position La notion de base en pilotage est la ligne de position, qui indique l'ensemble des positions possibles d'un navire. Cette ligne est déterminée par l'observation. Une ligne de position ne suffit pas à déterminer la position exacte d'un navire. Le point d'intersection de deux lignes de position, ou davantage, prises simultanément ou ajustées en fonction d'un décalage de temps, correspond à une position appelée « point «. Le navigateur, dans des eaux de pilotage, s'efforce constamment de parvenir à de telles intersections de lignes. Les points servent d'indicateurs pour les mouvements et décisions à venir. Le pilotage à vue s'effectue généralement en employant un cercle azimutal adapté à un gyrocompas, afin de prendre des relevés d'objets identifiables et figurant sur les cartes. Ces relevés sont reportés sur une carte de la région pour préciser graphiquement la position du navire. Un seul objet de navigation peut définir un point si un relevé et une distance peuvent être pris en même temps en utilisant un télémètre en plus du cercle azimutal, ou un radar. Dans les cas où une seule ligne de position est disponible, sans distance précisée, le navigateur doit la recouper avec sa position estimée. Ce n'est pas aussi sûr qu'un point véritable, mais ça l'est davantage qu'une position purement estimée. Naviguer à l'estime réclame un supplément d'attention jusqu'à ce qu'un point véritable soit déterminé. 5.2 Détermination du point Il existe plusieurs méthodes pour déterminer le point. Il peut être obtenu par recoupement de deux relevés, par le relevé et la distance du même objet, par deux relevés d'un même objet pris à des instants différents mais reportés sur la carte après correction en fonction du temps écoulé, etc. En plus de ces procédés graphiques, la position d'un navire peut se déduire à partir d'angles mesurés sur un rapporteur à trois bras. Un tel rapporteur est constitué d'un cercle, gradué en degrés, sur lequel est attaché un bras fixe et deux bras articulés au centre. Il suffit de régler le rapporteur suivant trois repères fixes dont on connaît les positions angulaires : la position du navire se trouve être alors au centre. L'aide à la navigation se compose de bouées, de phares et de bateaux-feux. Ces repères ont des formes et des couleurs caractéristiques assurant leur identification le jour, et des couleurs et des intermittences caractéristiques assurant leur identification la nuit. Quand ces aides sont absentes, le navigateur doit relever des amers : sommets de montagnes, constructions figurant sur les cartes telles que châteaux d'eau et clochers. 5.3 Marées, courants océaniques et vents La pratique de la navigation se complique par les effets de la marée, des courants océaniques et des vents. Ces effets, qui peuvent être favorables ou défavorables, tendent à dévier le navire de la route prévue, en même temps qu'ils diminuent ou accroissent sa vitesse. Une comparaison entre les positions estimées et les points établis révèle l'étendue de tels effets et aide souvent le navigateur à prévoir leurs influences et à s'adapter en conséquence. 6 NAVIGATION ASTRONOMIQUE Dans cette méthode classique, utilisée le plus souvent en haute mer, le navigateur utilise les corps célestes qui ont été identifiés et regroupés en constellations depuis l'Antiquité ( voir astronomie). La navigation astronomique permet de voyager pendant des milliers de milles sans repères terrestres. Cependant, ce système de navigation est limité dès qu'une faible visibilité, causée par les nuages, la brume, la pluie, la neige, le crachin ou le brouillard, empêche d'apercevoir les astres. Un système de coordonnées, similaire aux coordonnées terrestres de latitude et de longitude, a été adopté pour décrire la position des astres dans le ciel. Ce système comprend la déclinaison, qui correspond à la latitude terrestre, et l'angle horaire, qui correspond à la longitude terrestre. Pour les besoins pratiques de la navigation, la position des étoiles les unes par rapport aux autres est considérée comme fixe. Les principales nations maritimes publient chaque année des almanachs nautiques qui contiennent des tables de coordonnées des corps célestes utilisés en navigation à n'importe quelle date. Les tables fournissent aussi d'autres informations astronomiques. 7 NAVIGATION ÉLECTRONIQUE Cette méthode de navigation utilise les informations radio et radar pour définir la position d'un navire et tracer son itinéraire. L'électronique et les instruments de précision ont beaucoup amélioré la sûreté de la navigation en fournissant rapidement des informations capitales dans des conditions de mauvaise visibilité, spécialement dans les eaux dangereuses et encombrées. Aujourd'hui, le navigateur fait un large usage de ces appareils, aussi bien dans les eaux de pilotage qu'en pleine mer. La radio fournit au navigateur des informations supplémentaires comprenant des indications horaires, des bulletins météo réguliers, des avis de tempête et des avertissements généraux concernant des risques tels que navires en perdition, phares éteints et bouées à la dérive. La radio fut employée pour la première fois en tant qu'aide à la navigation au début du XXe siècle. Dans les années 1930, les avions furent munis d'équipements de communication leur permettant de recevoir des directives de navigation depuis le sol, et d'antennes directionnelles pour capter les relèvements d'émetteurs au sol (radionavigation). Une base des aides à la navigation moderne est la radiogoniométrie, qu'on peut utiliser de deux manières. Un avion ou un navire peut recevoir les relèvements d'émetteurs fixes au sol et établir ainsi sa position par rapport à deux émetteurs ou plus. Une autre méthode consiste à établir les relèvements d'un avion ou d'un navire par des stations au sol, qui sont ensuite corrélés dans un centre. Ce dernier communique alors au mobile sa position. On décrit ci-dessous les principaux dispositifs et systèmes électroniques. 7.1 Radiogoniomètre Le radiogoniomètre fut la première aide à la navigation d'usage courant. Si les relèvements de deux émetteurs dont l'emplacement est connu peuvent être mesurés, la position du récepteur peut alors être déterminée. Dans sa forme la plus simple, un goniomètre est constitué d'un récepteur radio ordinaire, muni d'une antenne en forme de boucle. Une telle antenne est directionnelle : si l'axe de la boucle pointe directement sur une station de radio, elle ne reçoit aucun signal de cette station. En revanche, si c'est le plan de la boucle qui pointe vers la station de radio, elle en reçoit le signal le plus fort. En pratique, le récepteur est accordé sur une station connue, puis la boucle est tournée jusqu'à ce qu'aucun signal ne soit entendu. Cette position correspond à une « réception nulle «. L'axe de la boucle doit alors pointer en direction de la station et cette direction est tracée par le navigateur en tant que ligne de position. Un radiogoniomètre automatique possède un moteur qui fait tourner l'antenne-boucle, afin qu'elle conserve toujours sa position de réception nulle. Le moteur entraîne également une aiguille, d'aspect similaire à l'aiguille d'un compas, qui indique la position de la boucle. Ce radiocompas ne pointe pas vers le nord, mais vers la station sur laquelle il est accordé. De tels radiogoniomètres peuvent fonctionner sur n'importe quelle station de radio émettant une fréquence porteuse continue, sur une fréquence que le récepteur peut capter. Pratiquement tous les avions et tous les navires sont équipés de tels systèmes. 7.2 Radioalignement Les radioalignements et le goniomètre étaient les principales aides radio à la navigation en usage avant la Seconde Guerre mondiale. Ils fonctionnent à basse fréquence (200 à 415 kHz) et, de ce fait, sont sujets à la courbure des rayons, aux distorsions nocturnes et autres anomalies. Un radioalignement est constitué de deux paires d'antennes émettant en Morse. L'une émet la lettre A (point, tiret), et l'autre émet la lettre N (tiret, point). La synchronisation des deux lettres est telle que le délai entre deux lettres est juste égal à la durée d'un tiret, tandis que le délai entre les deux parties d'une lettre est juste égal à la durée d'un point. Ainsi les motifs s'imbriquent de telle façon que, si les deux sont entendus en même temps, le son est continu. L'émission provenant de chacune des paires d'antennes est directionnelle et projetée suivant deux quadrants opposés, chacun couvrant 90° environ. Un avion dans un des quadrants entendra donc uniquement une lettre, soit A, soit N. Lorsqu'il arrive à la frontière entre deux quadrants, le navigateur entend alors le son continu, appelé « signal d'alignement «. Cette frontière couvre environ un pinceau de 3°. Directement au-dessus de l'émetteur se trouve une zone dans laquelle on n'entend aucun signal. Cette zone correspond à un cône de silence. Il est de petite taille à basse altitude, mais augmente avec l'altitude. 7.3 Radiobalise Une radiobalise est une station radio équipée d'une antenne non directionnelle. Elle permet de guider un navire vers une destination. Les radiobalises de faible puissance sont utilisées en complément avec des radiocompas. 7.4 Omnirange (MOR ou VOR) Le système Omnirange (Omnidirectional Range : alignement omnidirectionnel) est un radioalignement qui possède 360 pinceaux. Les stations Omnirange fonctionnent en très haute fréquence ou en basse fréquence. L'Omnirange à très haute fréquence, appelé VOR, a une portée efficace jusqu'à 160 km/h. L'Omnirange à basse fréquence se nomme MOR. Une station Omnirange a quatre antennes similaires aux antennes d'une station de radioalignement, plus une antenne centrale. L'antenne centrale émet un signal de référence continu, alors que les autres antennes émettent un signal variable tournant dans un faisceau à 1 800 tr/min. À l'instant où le faisceau passe dans l'alignement du nord vrai, il se trouve en phase avec le signal de référence. Sinon, il se trouve déphasé d'une valeur qui dépend de sa direction. Le récepteur, en mesurant cette différence de phase, peut déterminer la position par rapport à la station. En pratique, le récepteur Omnirange a trois cadrans : le premier peut être réglé manuellement sur n'importe quel cap choisi, le deuxième indique si l'avion est à gauche ou à droite de la route et le troisième lève l'ambiguïté de 180° en précisant si l'on se rapproche ou si l'on s'éloigne. L'Omnirange peut être utilisé pour se diriger sur un point ou pour déterminer une ligne de position. 7.5 Radioaltimètre Les radioaltimètres mesurent la hauteur réelle de l'avion au-dessus du sol ou des constructions. En revanche, les altimètres ordinaires mesurent seulement la pression de l'air, qui peut être convertie en altitude au-dessus du sol à condition que le navigateur connaisse l'altitude, au-dessus du niveau de la mer, du sol le plus proche, ainsi que la pression barométrique qui y règne à cet instant. 7.6 Loran Le loran (Long Range Aid to Navigation) est un système de navigation à longue portée : système hyperbolique à impulsions mis en pratique par les États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale pour assurer la navigation à longue portée, sur mer, des navires et des avions. La fréquence radio utilisée par le loran est d'environ 2 MHz, ce qui permet une réception à longue distance sur les océans. En revanche, ce système n'est pas efficace à longue distance au-dessus des terres, sauf la nuit. 7.7 Rebecca-Eurêka C'est probablement la combinaison de système répondeur la plus connue. Rebecca est l'interrogateur embarqué et Eurêka, le répondeur. Le système est fondé sur des techniques conventionnelles dérivées du radar. Les impulsions d'interrogation sont émises par une antenne centrale, située près du nez de l'avion, et les impulsions en retour provenant du répondeur sont captées par deux antennes, situées de chaque côté du nez. Le résultat est indiqué sur un tube cathodique présentant une ligne d'échelle verticale. Les impulsions de réponse se présentent comme un écho horizontal qui traverse la ligne d'échelle. La distance est indiquée par la position de l'écho sur l'échelle verticale. 7.8 Positionnement et navigation par satellite (GPS) Les systèmes de localisation et de navigation par satellite sont devenus des instruments incontournables pour de nombreux secteurs économiques (transports, télécommunications, loisirs, monde financier, etc.). Le système Transit de six satellites en orbite polaire assure, partout dans le monde, un service de positionnement pour les navires militaires et de recherche. Les systèmes de navigation par satellite américain (GPS, Global Positioning System) et russe (Glonass), constitués de satellites militaires (constellation de 24 satellites Navstar pour le GPS), sont également disponibles pour un usage civil. De son côté, l'Union européenne a décidé de lancer un projet de navigation par satellite appelé Galileo, dans un souci d'indépendance vis-àvis du GPS américain en situation de monopole. Le système Galileo, développé et cofinancé par l'Agence spatiale européenne (ESA), est conçu pour des besoins civils et devrait être opérationnel en 2008. 7.9 Approche contrôlée par le sol Ce système fait appel à un radar à micro-ondes très précis qui donne la position d'un avion en distance, azimut et élévation. Il est conçu pour guider le pilote, lors d'un plafond nuageux bas ou d'une faible visibilité horizontale, de façon qu'il puisse atterrir normalement en visuel. Entre des mains expertes, ce système, dans l'avion comme au sol, autorise l'atterrissage d'urgence dans des conditions de visibilité presque nulle. Il utilise deux ensembles d'écrans radar. L'un d'eux repère les avions sur une distance de l'ordre de 15 à 25 km. Le contrôleur, en utilisant cet ensemble d'écrans, maintient la communication avec les avions qui attendent pour atterrir, les « empile « (c'est-à-dire leur impose à chacun une altitude différente à laquelle ils peuvent tourner en rond sans danger de collision), puis les amène un par un le long d'un circuit d'approche standard, jusqu'à ce qu'ils soient dans la phase terminale de l'approche. Le contrôleur d'approche finale prend alors le contrôle, en utilisant des écrans de précision. Ce contrôleur émet aussi des instructions verbales, concernant principalement la déviation, en altitude et en latéral, par rapport à la pente d'approche désirée, et guide le pilote pratiquement jusqu'à l'extrémité de la piste. Voir aussi aérien, contrôle. 7.10 Atterrissage aux instruments Ce système est d'abord conçu comme système d'approche, mais peut, en cas d'urgence, être utilisé pour atterrir. Il se fonde sur deux faisceaux, similaires à des faisceaux de radioalignement, l'un horizontal et l'autre vertical. Le faisceau horizontal (faisceau de localisation) s'apparente au faisceau d'un radioalignement ordinaire. Le faisceau vertical (faisceau de pente d'approche) est extrêmement fin, faisant un angle de 2,5° avec le sol. Le pilote suit les deux faisceaux grâce à deux index, l'un horizontal et l'autre vertical, placés sur un seul cadran. Outre l'assistance à l'atterrissage par les systèmes décrits ci-dessus, le long de la piste comme en approche, le pilote dispose également d'un contact visuel avec le sol, même par temps extrêmement mauvais, grâce à une signalisation lumineuse le long de la piste. La plupart des systèmes de radionavigation actuellement utilisés sont contrôlés par ordinateurs.