1. Rapport Scientifique

  2.  
      Astrométrie

      Ce thème regroupe toutes les activités de l'unité qui sont le plus naturellement rattachées à la science astronomique. Au sein de l'astronomie, l'astrométrie se donne pour objectifs de déterminer les positions et les mouvements des astres, sans prendre en compte spécifiquement, les propriétés physiques des objets considérés. Cette discipline implique à la fois l'acquisition de données, avec un côté très systématique, et une activité d'organisation de ces données sous forme de catalogues ou de bases de données. L'examen des propriétés statistiques de ces catalogues pour des études de dynamique ou d'astrophysique est une continuité logique.

Dans cette section on considérera successivement :
        Astrométrie spatiale

        Participants : J.L. Falin, J. Falin, M. Froeschlé, J. Kovalevsky, C. Martin, F. Mignard.

        Collaboration : ESA, consortium FAST

        Objectifs : Systèmes de référence et données stellaires fondamentales.
         

          Activité 1996-1999

          La publication du Catalogue hipparcos constitue tant pour le CERGA que pour la communauté astronomique française le fait majeur de ce secteur. C'est le résultat d'un effort soutenu de plus de quinze années qui s'est matérialisé en 1997 sous la forme d'une publication de 17 volumes traditionnels accompagnés de supports informatiques modernes.

          La mission avait pour but la réalisation d'un catalogue astrométrique pour 118 000 étoiles observées par le satellite de l'Agence Spatiale Européenne hipparcos entre novembre 1989 et mars 1993. L'équipe locale avait la responsabilité d'un des deux Consortiums de réduction et était très directement impliquée dans la plupart des tâches de traitement.

          Le Catalogue construit sur la mission principale contient les solutions astrométriques et photométriques pour plus de 118000 étoiles avec les précisions respectives de 0.001 seconde de degré et 0.001 magnitude. Ces résultats dépassent les prévisions les plus optimistes faites avant le lancement et ont amené des remarques élogieuses, voire envieuses, de la part des astrométristes et astrophysiciens stellaires de par le monde. Les distances de toutes les étoiles du catalogue ont été calculées, avec des précisions diverses selon la valeur de cette dernière, mais qui assurent que pour près de 20 000 objets la distance est maintenant connue à mieux que 10%. Environ 12 000 étoiles doubles ont été mesurées avec des séparations plus importantes que 0.1 seconde de degré.


          Figure 1

          La figure représente la distribution spatiale de la précision obtenue par la mission Hipparcos sur les mesures de distances des étoiles, estimée par l'erreur standard sur la parallaxe. Le premier point à noter concerne la valeur moyenne de cette précision qui est de l'ordre du millième de seconde de degré, c'est à dire une précision de 10% pour les étoiles situées à 100 parsecs. Sur les 118000 étoiles du Catalogue, environ 20000 ont au moins cette qualité. Le deuxième aspect de la figure est celui de la forte structuration des variations de précision avec la latitude écliptique. Les résultats sont moins bons au voisinage du plan de l'écliptique et meilleurs dans les zones de latitude moyenne. Ce phénomène est dû à la loi de balayage du ciel et était attendu.

          Une tâche importante dans laquelle le CERGA était impliqué visait à rattacher le Catalogue hipparcos à un système de référence inertiel par le biais de radio-sources communes au programme hipparcos et au programme d'interférométrie à très longue base. Ce travail a été mené à bien dans les délais impartis et a permis de publier le Catalogue dans le système icrs et ainsi de fournir une contrepartie visible à l'icrf.

          à côté de la mission principale, la mission Tycho construite sur les données du repéreur d'étoiles a abouti à un catalogue de plus d’un million d'objets avec une photométrie en deux couleurs. Ce catalogue est moins précis que le catalogue hipparcos, mais a le mérite de fournir une statistique exhaustive des étoiles jusqu'à la magnitude 9.5-10.

          Au-delà du traitement, le groupe du CERGA avait des engagements importants pour la phase de publication, touchant à la vérification de tous les fichiers de résultats, plus particulièrement de leur cohérence, puis la production d'éléments de synthèse concernant les statistiques principales du catalogue, ainsi que de nombreuses présentations graphiques destinées à la documentation. Enfin plusieurs chapitres de cette documentation étaient placés sous la responsabilité entière de membres de l'équipe.

          La publication a eu lieu avec un calendrier conforme aux prévisions de 95 dans le projet de contrat quadriennal. Les résultats sont maintenant à la disposition de l'ensemble de la communauté astronomique et accessibles par les réseaux.

          Certes, il s'agissait d'une coopération européenne impliquant de nombreux laboratoires, mais ce n'est pas faire preuve d'autosatisfaction abusive de souligner que le rôle du CERGA a été de première importance dans toutes les phases de la mission allant de la définition, la simulation et le traitement des données jusqu'à la réalisation de la publication. Les citations détaillées dans la documentation le prouvent amplement.

          Durant les dix-huit mois qui ont suivi la publication, le groupe du CERGA a participé à l'exploitation scientifique, fréquemment en collaboration. Ceci a concerné la photométrie, les étoiles variables, la détermination des orbites des étoiles doubles et des masses stellaires ainsi que différentes études relatives aux systèmes de référence. De par l'expérience acquise l'équipe hipparcos s'est aussi concentrée sur le retraitement des cas difficiles qui avaient été laissés de côté durant le traitement de masse. Plusieurs publications font état de ces travaux complémentaires.
           

        1. Prospective

        2.  
        Hipparcos a été un plein succès et alors que la mission n'était pas terminée, différents scénarios pour une nouvelle mission d'astrométrie spatiale apparaissaient déjà. Un comité de revue a recommandé à l'esa d'entreprendre l'étude d'une mission d'astrométrie ayant un objectif de précision de 10µas (1 µas = 1 microseconde de degré). Le concept en cours d'étude sous le nom de gaia correspond à cet objectif avec la possibilité d'observer l'ensemble des sources plus brillantes que la vingtième magnitude et une précision nominale de 10 µas pour V=15. Au cours de la mission il sera dressé une carte multi-époque et multi-longueur d'onde du ciel avec une solution photométrique pour chaque source sur une dizaine de bandes spectrales.

        Les objectifs scientifiques vont bien au-delà d'un catalogue astrométrique, puisque toute l'astrophysique galactique est concernée. gaia donnera les distances, les luminosités, les trois composantes de la vitesse spatiale, ainsi que la détection systématique des binaires et des variables pour toutes les populations stellaires, y compris celles qui sont peu ou pas représentées au voisinage solaire.

        L'accélération brutale du calendrier préparatoire de la mission a des conséquences importantes sur l'activité du CERGA et est l’un des faits majeurs pour la prospective des dix ans à venir pour l'astrométrie et l'astrophysique stellaire, bien au-delà du CERGA et de l'oca. à court terme, le CERGA participe à la définition du projet et à la remise du document de proposition à la fin de 1999. Ce document comportera déjà les conclusions des industriels sur la faisabilité technique, compte tenu des objectifs scientifiques. Le savoir-faire acquis au cours de la mission hipparcos doit être valorisé pour préparer le traitement des données, l'analyse du signal. Les compétences du laboratoire permettent également d'aborder les problèmes d'imagerie et de compression de données qui sont essentiels pour le retour scientifique de la mission.

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        Métrologie Solaire

        Participants : J.P. Coin, Ch. Delmas, S. Godier, F. Laclare, J.P. Rozelot,

        Collaborations : DANOF, CNPq et COFECUB (Brésil), CRAAG (Algérie)

        Objectif : mesure du diamètre et de la forme du Soleil
         

          Activité 1996-1999

          Ce domaine concerne les mesures à caractère astrométrique relatives au Soleil. Il s'agit pour l'essentiel des mesures du diamètre et de la forme du Soleil effectuées soit en France (Plateau de Calern, Pic du Midi) soit dans le cadre de collaborations internationales au Brésil principalement. Les variations de la dimension du Soleil et la question de son aplatissement éventuel sont du plus haut intérêt pour la physique solaire.

          L'instrument de base du Plateau de Calern est un astrolabe solaire à 11 prismes en zérodur mis au point au fil des ans par F. Laclare, dans une première version visuelle, et rendu impersonnel avec une acquisition ccd par G. Merlin dans les années 80, qui fonctionnait initialement en mode analogique, puis avec numérisation des images. Une troisième génération qui intègre un télescope et un prisme variable (qualifié en 1996), est en cours de test actuellement et doit rentrer en fonctionnement au cours de l'année 99 et être opérationnel lors de la mission solaire picard.

          Le groupe du CERGA dirigé par F. Laclare, et maintenant par C. Delmas, demeure la référence mondiale dans le domaine de la mesure absolue et en continu du diamètre solaire, et ceci depuis plus de vingt ans.

          Il s'agit de métrologie fine à la recherche d'un signal de variabilité à la limite des erreurs systématiques. Les observations impersonnelles se sont poursuivies sur l'astrolabe à prismes fixes du Calern et confirment le parfait accord entre les séries d'observations visuelles et celles réalisées avec le CCD analogique. La discussion des 8000 observations (dont 6500 mesures visuelles) effectuées de 1975 à 1998 a conduit à un rayon moyen de 959.51 ±0.01 secondes de degré, la distance Terre-Soleil étant ramenée à l'unité astronomique. La comparaison des séries visuelles et ccd montre une excellente cohérence entre les deux méthodes et qualifie pleinement les observations visuelles plus anciennes. A titre d'exemple sur 1996-1998 les 592 mesures ccd numérique donnent un rayon de 959.59 ± 0.01 et les mesures visuelles 959.60±0.01 secondes de degré.

          Cependant ces mesures ont un niveau de variabilité de l'ordre de 0"3, qui n'est pas uniquement du bruit. Il y a en particulier un signal de 0"2 de période 11.8 ans qui semblent anticorrélé avec le cycle solaire. La variation du rayon a été trouvée en phase avec le flux de neutrinos solaires observé à Homestake, sans qu'une explication qui fasse l'unanimité n'en ait été donné pour le moment.

          Un nouvel instrument (doraysol : Définition et Observation du Rayon Solaire) spécialisé pour les mesures du diamètre solaire, et largement financé par une action spécifique du Ministère, est en cours de test après la phase de conception et de développement qui s'est étendue sur cinq ans. Il est basé sur une acquisition par CCD numérique qui est en cours de qualification.

          L'exploitation astrométrique des vingt années d'observation a pu être faite avec un étudiant en thèse brésilien en 1995-1996. Les coopérations avec le Brésil, l'Algérie et la Turquie sont très actives dans ce secteur.

          Concernant les observations à l'héliomètre et les travaux d'analyse de toutes les observations disponibles, les résultats obtenus donnent une borne supérieure à la valeur de l'aplatissement dynamique solaire avec J2 < 1.0 x 10-5. L'ensemble fait apparaître une valeur moyenne de 3.6 ± 2.8 x 10-6. Les contraintes de la mécanique céleste données pour l’étude du mouvement de Mercure ou l'amplitude des librations lunaires limitent également le moment quadripolaire du Soleil à des valeurs inférieures à 7.0 x 10-6 et 3.0 x 10-6 respectivement. Enfin les valeurs observées au sol avec l'héliomètre, sont en bon accord avec les mesures spatiales de Soho, pour ce qui concerne la valeur centrale, mais avec une incertitude plus importante. L'avenir n'est probablement pas dans les mesures au sol limitées par un niveau de bruit qui ne permet pas de conclure sans ambiguïté sur la valeur du J2 solaire. En revanche les analyses comparatives entre les différents indicateurs géométriques et physiques doivent être poursuivies avec des techniques modernes de traitement du signal.
           

        1. Prospective

        2.  
        Dans un premier temps il va s'agir d'évaluer l'instrument doraysol et de raccorder les mesures de l'instrument à prismes fixes avant d'entreprendre des observations systématiques. Il faudra de toutes façons continuer pendant une période de l'ordre de l'année d'effectuer des mesures avec les deux instruments simultanément, à la fois pour qualifier le nouvel instrument et pour éviter une rupture dans la série de mesures disponible aujourd'hui. L'objectif à deux ans est de lancer un programme d'observations du Soleil quasi automatique avec un grand nombre d'acquisitions quotidiennes et ce, pour au moins un cycle solaire. L'équipe est malheureusement très fragile sur le plan technique et un poste d'ingénieur sur ce thème apparaît comme une des priorités du département.

        Cette étape franchie, la mission Picard apparaît comme un complément important des mesures au sol. Avec picard il s'agit d'effectuer la mesure simultanée du diamètre, de la rotation différentielle et de l'irradiance solaires de manière à étudier la relation entre ces paramètres. La série unique de vingt-cinq ans de mesures réalisée par F. Laclare a mis en évidence des variations inexpliquées du diamètre solaire dont l'origine atmosphérique ne peut être exclue. Avec une mission spatiale hors de l'atmosphère il y a une opportunité pour évaluer l'effet systématique demeurant dans les mesures terrestres en entreprenant des campagnes coordonnées sol-espace.

        Il faut également envisager l’installation d'une réplique sol qui demeurerait à Calern une fois la mission spatiale terminée. L'intérêt scientifique est évident, mais tant l'installation que l'exploitation ne pourront se faire sans apport en personnel. La priorité au CERGA demeure l'exploitation de doraysol, étalonné avec picard, sur une durée d'au moins un cycle solaire, mais nous souhaitons faire du Plateau un point de référence pour ces observations d’astrométrie solaire en accueillant une version sol de Picard.

        D'autres collaborations sont également en cours de mise en place pour multiplier les points de mesure au sol équipés d'un instrument semblable à celui du Calern avec un prisme variable et un système de numérisation des images. Outre le Brésil et la Turquie, un projet a été déposé pour une installation de ce type à Tamanarasset pour une acquisition de 50 à 100 images par jour.

        La poursuite des mesures à l'héliomètre est à discuter, surtout si les missions spatiales apportent une réponse plus exacte à la question de l'aplatissement solaire. Les analyses croisées entre les mesures de diamètre et de forme d'une part, et les données d'irradiance d'autre part doivent retenir l'attention et être complétées par des interprétations astrophysiques. Une étudiante a débuté en novembre 1997 un travail de thèse sur le problème de l'aplatissement et de possibles mesures spatiales et ses relations avec la structure interne du Soleil.

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        Analyse des données en astronomie et Analyse des Amas de galaxies et des grandes structures de l'Univers

        Participants : A. Bijaoui, S. Maurogordato, E. Slezak, M. Traina

        Collaborations : : CEA, CNES, ESO, IAP, Observatoire de Bologne, Observatoire de Paris, Université Technique de Darmstadt, Université de Liège, Université de Santiago, Université du Maine.

        Objectifs : Analyse mutirésolution en astronomie
         

        1. Activité 1996-1999
Les domaines d’activité de cette équipe se partagent très naturellement en deux directions : En ce qui concerne le premier thème, l’équipe a développé une approche multi-échelles de l’analyse des données. En bref il s'agit pour des signaux à une ou plusieurs dimensions d'explorer le contenu en fréquences sans perdre totalement l'information temporelle ou spatiale (analyse en ondelettes), dont la théorie et l'emploi en traitement du signal ne date que du début des années 80. La décomposition revient à extraire localement du signal des détails de plus en plus grossiers. Ceci a conduit à des travaux sur la restauration, la compression et la fusion des images, ainsi que sur la détection et la paramétrisation des objets, c'est à dire leur caractérisation par un nombre limité de coefficients d'ondelettes.

De nombreuses applications de ces principes en ont résulté tant dans l'équipe que dans d’autres laboratoires. Dans ce cadre, l'équipe et les étudiants qui ont été associés, ont produit et diffusé un logiciel, MR/1 (CEA/OCA), et récemment un ouvrage de synthèse publié par Cambridge University Press. La diffusion de ces méthodes a été très large au sein de l'Observatoire de la Côte d'azur où plusieurs thèses ont utilisé à des degrés divers les analyses multirésolutions pour caractériser des catalogues ou des signaux.

Actuellement des travaux sont menés sur l’analyse des résidus obtenus par le Centre d'Analyse des Données Laser-Lune dans le but d'extraire de ce signal ce qui n'est pas réellement du bruit, mais des éléments non modélisés au cours du processus de traitement. Ces signaux peuvent être le reflet d'éléments périodiques dus à l'atmosphère, aux fenêtres d'observation, à des éléments mal évalués dans la théorie de la Lune. L'analyse du signal résiduel ne fournit pas la réponse mais donne des pistes sur les directions où doivent se porter l'effort. C'est presque un cas d'école de fertilisation croisée entre des équipes ayant des préoccupations et des compétences très différentes.

Une deuxième application en cours et également très prospective concerne les possibilités de compression des différents signaux qui seront produits par la mission gaia. L'intérêt est essentiel pour la mission elle-même (les possibilités de télémétrie sont encore deux fois plus faibles que le taux brut de données) mais aussi scientifique. Une marge dans la compression laisse la place pour une transmission au sol plus importante que ce que requiert la mission nominale. Enfin les techniques de restauration et fusion d'images à partir des données comprimées du sky-mapper permettent d'atteindre des objets plus faibles et de réaliser, au moins sur des zones, une carte du ciel à haute résolution spatiale (<0"2).

Enfin une collaboration avec l’Université Technique de Darmstadt a mené à une amélioration sensible de la restauration d’images médicales (caméra gamma).

En liaison avec le cneset l'équipe du télescope de Schmidt de l'Observatoire, un travail important en analyse d'image a débuté il y a environ trois ans pour la détection par imagerie visible des débris spatiaux sur l'orbite géostationnaire à partir de clichés ccd sur un champ de 35' x 35'.

On connaît l'importance de cette question pour les vols spatiaux et l'arrivée de constellations de satellites de télécommunication. On estime qu'il y a autour de la Terre plus de 8000 objets de plus de 10 cm et environ 100000 entre 1 et 10 cm, dont la masse est suffisante pour gravement endommager un engin spatial, sans que l'on ait aujourd'hui de parade. Le but de ce travail, qui va se poursuivre, est de détecter les objets, de mesurer les positions et d'en faire l'orbitographie, d'obtenir des estimations photométriques pour avoir une idée de leur dimension. Les résultats obtenus montrent que l'on peut détecter des objets d'une vingtaine de centimètres et que par des observations suivies il sera possible de compléter les catalogues existants, sur des orbites où la situation est peu connue. La phase à venir consiste à aller vers une automatisation, le passage à une nouvelle camera et la réalisation d'une mosaïque, ce qui permettrait de couvrir par nuit un champ bien plus grand, et donc de suivre beaucoup plus d'objets.

En ce qui concerne l’analyse des amas de galaxies, il s’agit de préciser leur état dynamique et de contraindre les scénarios de formation en mettant en relation comptages de galaxies, acquisition et analyse des décalages vers le rouge et étude de la distribution du gaz émetteur X. Les applications conduites en collaboration avec des équipes de l’iap et du cea, en particulier sur les amas A85, A496, A521 et A1656, confirment la jeunesse dynamique de ces structures avec la mise en évidence de groupes de galaxies en cours d’accrétion couplés à une structuration du gaz X. Nous appliquons également ce type d’approche à l’étude de deux superamas de galaxies, celui de Shapley (en collaboration avec l’Université Catholique de Santiago) et celui de la région d’Aquarius (en collaboration avec l’Université du Maine). Toujours pour contraindre les modèles par la caractérisation des très grandes structures, l’analyse statistique des catalogues du ssrs (Southern Sky Redshift Survey) et de l’esp (ESO Slice Project, en collaboration avec Bologne) a permis d’obtenir plusieurs résultats, respectivement sur le schéma de biais (thèse de Ch. Benoist) et sur la fonction de luminosité des galaxies (A. Cappi). L’analyse du sondage ESO-Sculptor (iap) a par ailleurs commencé dans l’équipe.

Le diagnostic fournit par le gaz X intra-amas se révèle déterminant pour les caractériser. Le satellite XMM va permettre d’acquérir des données inégalées par leur résolution spatiale et spectrale. L’équipe s’est engagée pour participer à cette analyse en développant en collaboration avec le CEA un logiciel permettant la restauration optimale des cartes de température.

        1. Prospective
Une collaboration se met en place avec le département Cassini de l'oca pour la détection d’objets transneptuniens (ceinture de Kuiper) sur les images obtenues avec la caméra grand champ du CFHT. Une participation dans le cadre du projet international de télescope à miroir liquide (lmt) démarre également avec des responsabilités dans l’analyse des images. Il y a là aussi un côté très prospectif pour la réalisation de catalogues, dans des zones limitées du ciel, mais très profonds. La suite du programme sur les débris spatiaux, dépend de l'avenir du télescope de Schmidt avec l'installation d'une caméra à plus grand champ et de la volonté de la communauté spatiale de mettre en place cette activité de service avec du personnel affecté. Le rôle du laboratoire sera un appui et une mise à disposition de compétences, mais non une structure opérationnelle.

Pour la cosmologie proprement dite, les collaborations avec les équipes Chiliennes et Américaines vont se poursuivre avec des campagnes d'observation sur les grands télescopes. L'aspect le plus prospectif concerne la participation avec le cea à l'exploitation des données XMM pour obtenir des cartes de température des grandes distributions de gaz au sein des amas. En collaboration avec une équipe Toulousaine des travaux sont en cours pour combiner des informations provenant des effets de lentilles gravitationnelles et celles des redshifts photométriques.
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        Occultations stellaires

        Participants : G. Amieux, M. Froeschlé, G. Helmer, G. Jeansaume, C. Meyer

        Collaborations : Bureau des Longitudes, équipe Hipparcos

        Objectifs : mesure du diamètre apparent d’étoiles
         

          Activité 1996-1999

          En dépit de grosses difficultés instrumentales autour de la voie infrarouge, les quatre années passées ont conduit à une participation aux campagnes d'observation des phénomènes mutuels de Jupiter et de Saturne, organisées par le Bureau des Longitudes. Les diamètres stellaires mesurés ont une précision comprise entre 2 et 10 millisecondes de degré et dans un cas, on distingue la variation du diamètre avec la longueur d'onde. Quant aux mesures de binaires, la séparation limite atteinte est de 3 millisecondes de degré. Bien que limitée par nature aux étoiles voisines de l'écliptique, cette méthode a des performances qui la mettent au niveau des mesures interférométriques avec une technique totalement indépendante. A la fin 1997, l'équipe a obtenu ses premières observations avec la nouvelle voie infrarouge et a pu acquérir par la suite plusieurs séquences d'occultations simultanément sur plusieurs bandes. Les déterminations de diamètres ou de séparations d'étoiles doubles ont été régulièrement publiées.
           

        1. Prospective
Le départ en retraite très prochainement du chercheur responsable de l'opération et la nécessité de mobiliser les moyens humains sur d'autres opérations vont malheureusement conduire à l'arrêt de cette opération dont l'intérêt scientifique demeure.

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      Géodésie spatiale

      On peut assigner à la géodésie spatiale l'objectif de l'étude de la Terre sur le plan dynamique et physique au moyen des techniques spatiales liées à l'observation de satellites en orbite autour de la Terre. En pratique, la situation est plus complexe car des mesures au sol sont également nécessaires en complément des observations spatiales et de plus, les observations de satellites géodésiques n'ont de spatial que la cible, qui, dans le cas de la télémétrie laser, est totalement passive.

      La mesure de la planète, de ses formes et de ses mouvements, est une préoccupation scientifique des plus anciennes à laquelle l'ère spatiale a apporté des outils très puissants. L'observation des modifications de trajectoires de satellites permet de suivre avec précision le champ de gravité terrestre et ses variations. Le système Doris donne la localisation absolue de stations au sol et la mesure précise des mouvements des plaques tectoniques, du mouvement des pôles, de la rotation de la Terre. Le satellite franco-américain Topex-Poséïdon observe les marées océaniques ou la forme du géoïde dans les zones océaniques.

      La mesure de distance station-satellite par télémétrie laser a atteint aujourd'hui une grande précision (1 à 1.5 cm) et est calibrée (en externe ou en interne) à un niveau meilleur que 1 cm. Aussi, en s'appuyant sur cette donnée essentielle, les méthodes de restitution d'orbites apportent la qualité d'un positionnement radial de niveau centimétrique en absolu. L'exemple trivial du passage d'un satellite exactement à la verticale d'une station de télémétrie laser permet de bien appréhender le principe de cette méthode : il y a dans ce cas précis un report quasi direct de la qualité de l'observation de télémétrie laser sur le calcul de la position radiale du satellite.

      On voit donc que l'acquisition des données fondamentales et l'exploitation scientifique sont fortement imbriquées et que la séparation au sein du laboratoire des deux aspects en deux thèmes ne répond qu'à des nécessités pratiques et des raisons historiques.

      Ainsi indépendamment de l'aspect opérationnel de la télémétrie laser, les activités de géodésie spatiale du CERGA concernent l'exploitation scientifique des données de l'altimétrie spatiale, les travaux sur la détermination du champ de gravité de la Terre, le développement de méthodes analytiques pour la géodésie spatiale (mécanique orbitale).

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        Altimétrie spatiale

        Participants : F. Barlier, P. Bonnefond, P. Exertier, O. Laurain

        Collaborations : CNES, IGN, SHOM

        Objectifs : calibration instrumentale, références verticales
         

          Activité 1996-1999

          Le satellite d'altimétrie franco-américain topex/Poseïdon a été lancé par Ariane en août 1992 sur une orbite quasi circulaire inclinée de 66 degrés par rapport à l'équateur, à 1336 km d'altitude. Cette mission océanographique était prévue pour durer 3 à 5 ans, mais continue à fonctionner en 1999. Le satellite possède à son bord, outre des systèmes de positionnement spatial une instrumentation radar propre à mesurer à quelques centimètres près son altitude par rapport à la surface de la mer. La mission a pour but d'établir une cartographie de très grande exactitude de la surface moyenne des océans, et d'observer la variabilité temporelle de la surface instantanée à court et long termes.

          Le CERGA est impliqué à la fois dans les études océanographiques sur la Méditerranée, dans la calibration des altimètres par des observations laser faites le plus directement possible sous la trace du satellite et enfin dans la détermination d'orbites à partir des mesures laser.

          Les études du niveau moyen de la Méditerranée (ainsi que de la Mer Noire) ont été menées dans le cadre d'une coopération européenne. En complément aux mesures d'altimétrie spatiale, des données marégraphiques et gravimétriques étaient acquises au sol. Des séries temporelles pour la Méditerranée ont été constituées avec une résolution temporelle de 10j pour Topex/Poséïdon et de 35 j pour ers. Les analyses font apparaître une dérive positive du niveau de la mer Méditerranée de l'ordre de 10mm/an et 25 mm/an pour la Mer Noire. Ces signaux ne sont probablement pas des variations séculaires mais des manifestations de phénomènes inter-annuels importants. Ces signaux sont extrêmement faibles et leur mise en évidence requiert une très grande précision dans la chaîne métrologique des mesures altimétriques (calibration de l'altimètre, orbitographie, système(s) de référence, modélisation du signal et des ses erreurs).
           
           

          Figure 2

          Cette carte représente les variations à long terme du niveau moyen de la Méditerranée qui ont été déterminées sous la forme d'une dérive linéaire en fonction du temps a partir des cinq premières années de la mission topex-poséïdon. Si ce signal dit "séculaire" est en moyenne de l'ordre de 8 mm/an sur l'ensemble du bassin Méditerranéen, il présente cependant quelques disparités géographiques. En effet, certaines zones semblent affectées d'une plus grande dérive (24 mm/an au sud-est de la Crète) et d'autres d'une dérive de signe oppose (-12 mm/an près des cotes du Péloponnèse). Pourtant ces disparités ne peuvent représenter réellement des variations séculaires différentes et il s'agit bien souvent de courants dont l'amplitude varie au cours du temps sur des échelles de temps de une a plusieurs années. Ceci montre bien les limites d'une telle analyse si l'on ne dispose pas de données sur une durée suffisamment longue. La quantification de "l'augmentation" supposée du niveau moyen des mers requiert donc des mesures de précision équivalente sur une ou plusieurs décennies. C'est l'objet du projet Jason dont le premier satellite (Jason-1) prendra la suite de topex-poséïdon en Mai 2000
           

          La variabilité saisonnière de la surface moyenne en Méditerranée peut provoquer des différences de niveau moyen pouvant atteindre plus de 15 cm (pic à pic, entre l'automne et l'hiver). La quantification de ces effets a été obtenue avec une précision sub-centimétrique grâce à un positionnement des différentes surfaces moyennes d'une grande qualité. En revanche, l'étude de phénomènes variables sur une échelle de temps inférieure à la saison (9 cycles) est difficile à réaliser avec une précision équivalente. En effet, la moyennisation des différentes erreurs (principalement les erreurs d'orbite) sera de moins bonne qualité.

          Le signal et l'amplitude de l'évolution du niveau moyen en Méditerranée semblent être en accord avec l'effet de dilatation thermique de la surface de la mer. Ce phénomène est d'autant plus important que la Méditerranée est un bassin presque fermé ce qui contraint l'eau à se dilater principalement dans la direction verticale.

          Dans le cadre des missions altimétriques, c'est la composante radiale de l'orbite du satellite qui nécessite d'être déterminée avec la plus grande exactitude : en effet, c'est la connaissance précise de l'altitude du satellite (proche de la distance radiale) qui permet d'utiliser pleinement les mesures altimétriques et d'accéder ainsi à la hauteur de la mer au-dessus d'une surface de référence (ellipsoïde). Cet effort d'exactitude en matière de trajectographie a été relié, dans un premier temps, à la calibration des altimètres du satellite topex/Poséïdon : une exactitude équivalente à la précision des altimètres (2-3 cm) est recherchée.

          L'objectif principal de la méthode d'arcs courts développée au CERGA consiste à obtenir, dans une région donnée, la plus grande exactitude possible sur la trajectoire des satellites

          à côté des travaux d'analyse de données sur la Méditerranée, l'équipe était également impliquée dans l'étalonnage des altimètres topex et Poséïdon. L'altimétrie requiert en effet la calibration de l'instrument radar embarqué (détermination du zéro de mesure) et surtout du suivi de sa dérive, au niveau centimétrique. Le CERGA a mené cette expérience entre 1996 et 1998 à partir de sites de calibration en Corse (Ajaccio, Pointe de Senetosa) à Capraia et à Grasse. La première expérience a permis d'effectuer une intercalibration des systèmes de géodésie spatiale (laser, gps, doris, altimétrie et marégraphie). La station laser ultra mobile a été utilisée à cette occasion pour la première fois pour une campagne hors site. Ce travail est aujourd'hui unique dans la communauté internationale. il a été largement publié et des missions similaires seront renouvelées pour les altimètres de Jason-1 et d'Envisat avec le rôle de PI dans le premier cas.
           

        1. Prospective

        2.  
        Ces programmes d'altimétrie, qui ont débuté il y a quelques années seulement, ont pris un essor très important, en raison de l’intérêt porté aux résultats de la recherche océanographique et de ses liens avec la météorologie et la climatologie (courants océaniques, climats, niveaux des océans et des calottes polaires, cartographie des fonds marins, etc.). L’évolution de zones comme la Méditerranée est particulièrement visée par ces études en raison des implications climatiques. De longues séries d'observation en continu sont nécessaires pour atteindre des effets dont la variabilité est de l'ordre de quelques millimètres par an. En parallèle, la détection des mouvements verticaux de la croûte terrestre est possible à ce niveau.

        Le prolongement naturel des premières études et résultats se situe dans la compréhension des phénomènes variables, à caractères saisonniers et séculaires, qui affectent la Terre dans son ensemble, y compris les Océans. Le projet jason-1 (mai 2000), premier satellite de la filière océanographique jason prévue par le Centre National d’études Spatiales (cnes) et la nasa, est l’aboutissement d’un concept de surveillance de l’état des mers commencé il y a quelques années avec Topex-Poséïdon. En terme géodésique, les effets attendus étant de l’ordre du millimètre par an, de longues séries ininterrompues de données océanographiques sont donc essentielles. En parallèle un meilleur suivi des trajectoires des satellites et une détermination des mouvements de la croûte terrestre, si possible à ce niveau de précision, sont attendus de la télémétrie laser, y compris les mouvements verticaux.

        Les opérations de calibration récurrente des altimètres resteront une priorité importante de l'activité de l'équipe en liaison avec l'équipe laser-satellites et des groupes extérieurs pour la marégraphie et le positionnement gps pour l'étude fine des structures locales du géoïde avec des bouées gps. Un gps permanent sera installé en 1999 et le shom (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine) installera un marégraphe côtier dans le port de la base d'Aspretto. En ce qui concerne Sénétosa, le cnesfournira trois marégraphes qui seront placés sur le site sous la trace de Topex-Poséïdon. Ainsi des sites nouveaux ont été qualifiés et seront utilisés pour les missions d'océanographie spatiale Jason-1 et Envisat.

        L'étude des phénomènes séculaires, comme les variations lentes du niveau moyen de mers, nécessite la programmation de nombreuses missions successives sur au moins 10 à 15 ans. Les enjeux en matière de connaissance du milieu et de l'évolution de la biosphère en font un objectif très important pour la communauté internationale et l'équipe de géodésie spatiale y apportera sa contribution.

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        Mécanique orbitale

        Participant : P. Bonnefond, P. Exertier, O. Laurain, G. Métris

        Collaborations : CNES, Observatoire de Poznan, Université de Prague, Université du Texas

        Objectifs : Mécanique céleste pour la géodésie spatiale

        Il apparaît clairement que la détermination de l'orbite des satellites d'altimétrie est un élément clé dans la restitution des paramètres physiques et qu'une part non négligeable du budget d'erreur peut être attribué aux incertitudes de l'orbitographie. En dehors de l'altimétrie la mécanique orbitale est aussi à la base des applications de la géodésie spatiale au champ de gravitation de la Terre.

        Une méthode de trajectographie a été mise en place à Grasse, à partir des travaux initiaux conduits aux GRGS/Toulouse. L'amélioration locale de la trajectoire est ici entreprise de façon purement géométrique, en faisant certaines hypothèses sur le comportement de l'orbite à très court terme (quelques minutes). Cette méthode n'est certes pas nouvelle en géodésie, mais c'est plutôt son cadre d'application qui est novateur. Nous avons mis en place un processus automatique permettant d'améliorer l'orbite des satellites artificiels (dans une région donnée) à chaque fois que la configuration géométrique du satellite, vis-à-vis du réseau de stations de télémétrie LASER (Satellite LASER Ranging), le permet.

        La difficulté essentielle dans le développement de cette méthode consiste à réunir à un instant donné une somme d'informations à caractère géodésique pour permettre ensuite d'effectuer les calculs géométriques. La recherche et la garantie d'une grande exactitude sur la position radiale d'un satellite artificiel de la Terre (à un instant donné) passe nécessairement par une excellente connaissance des paramètres utilisés et de leur influence sur la détermination de l'arc d'orbite court. Aujourd'hui cette méthode de localisation instantanée des satellites géodésiques a une précision de l'ordre de 1 à 2 cm, comparable donc aux meilleures mesures laser. Ces résultats ont été particulièrement utiles à l'estimation des limites d'interprétation des mesures altimétriques. Les travaux menés dans l'avenir devraient permettre de mieux décorréler dans les variations apparentes du niveau moyen de la mer, la partie géodésique, liée aux variations de la Terre solide aux dérives de l'orbite, de la partie purement océanique.

        Si la méthode géométrique s'intéresse à des arcs d'orbite courts, la détection des variations temporelles du champ de gravité sur des périodes longues (quelques mois à des décennies) requiert au contraire la modélisation des perturbations orbitales sur des temps longs, donc un raccordement des arcs observés à partir des différentes stations autour du globe. Différents travaux ont été menés à Grasse à partir d'une approche semi-analytique basée sur la notion de mouvement orbital moyen. Il s'agit de calculer de manière stable un mouvement orbital de satellite artificiel sur le long terme et d'ajuster la variation des paramètres géophysiques qui interviennent dans le modèle (champ de gravité, marées, système de référence). Ces travaux ont été aussi appliqués dans le cadre d'un contrat avec le cnespour des études de mission pour des satellites de basse altitude, en particulier pour les constellations de satellites.

        Parmi les résultats scientifiques notons la détermination des variations de l'aplatissement dynamique (J2) de la Terre dues au rebond post-glaciaire du bloc scandinave et la séparation de ce phénomène et de la marée océanique à 18.6 ans. Une seconde application majeure concerne la détermination des variations semi-annuelles et annuelles du champ de gravité de la Terre en utilisant les données du satellite Starlette à 800 km d'altitude. L'origine des signaux provient principalement des marées océaniques et des grands transports de masses d'air dans l'atmosphère.

        Enfin il reste le cas des satellites à orbite quasi-circulaire, en particulier ceux utilisés pour l'observation de la Terre ou l'altimétrie spatiale. Les modèles orbitographiques numériques sont extrêmement lourds et complexes et se prêtent mal à l'analyse d'erreurs. Les approche analytique ne souffre pas de ce défaut, mais se heurtent au problème de singularités au voisinage de l'excentricité nulle. Différentes études menées au CERGA ont conduit à de solutions analytiques des équations du mouvement circulaire perturbé. Cela a permis d'évaluer les effets de la connaissance imparfaite du champ de gravité sur les variables du mouvement et en particulier sur la composante radiale. La relative simplicité de la mise en œuvre du calcul se révèle très prospective pour une analyse des limites des futures missions d'altimétrie spatiale et une étude sera menée dans le cadre de Jason-1.

        On notera la parfaite complémentarité des moyens mis en œuvre et le rôle fondamental d'une organisation comme le grgs pour mettre en relation des compétences et des techniques diverses au service d'un même objectif. La science est un tout et il faut prendre garde aux effets induits par son découpage en secteurs disjoints.

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        Physique fondamentale

        Participants : Y. Boudon, C. Berger, B. Chauvineau, G. Métris, F. Mignard, O. Laurain

        Collaborations : CNES, ONERA

        Objectifs : Tests du principe d'équivalence, théorie de la gravitation.
         

          Activité 1996-1999

          Le but des missions de test du principe d'équivalence est de procéder dans l'espace à une vérification de l'identité entre la masse grave et la masse inerte à l'aide d'accéléromètres différentiels, opérant sur des masses d'épreuve de compositions chimiques différentes. Cette identité est vérifiée aujourd'hui par des expériences au sol avec une très grande précision (de l'ordre de 10-12). Notons que l'expérience laser lune fournit la meilleure vérification de ce principe pour les masses avec une énergie propre non nulle.

          La plupart des théories visant à étendre la relativité générale ont pour conséquence une violation de ce principe à un niveau très faible, entre 10-14 et 10-23. L'ambition des mesures spatiales est d'atteindre 10-15 à 10-17, selon le niveau de sophistication des expériences.

          Le CERGA a eu en 1995-96, la charge d'une étude de mission et des simulations de données pour la mission geostep en collaboration avec le cneset l'onera. Ce projet prévoyait l'utilisation d'accéléromètres électrostatiques à très basse température à bord de la plate-forme proteus. La mission n'a pas été retenue mais les présentations faites par les membres de l'équipe ont eu beaucoup d'échos à l'esa et à la nasa.

          Une nouvelle proposition a été déposée conjointement par l'onera et le CERGA dans le cadre des programmes de micro-satellites du cnes. Cette mission (MicroSCOPE) a simultanément des objectifs technologiques (mise en œuvre pour la première fois d'un contrôle de traînée actif avec micro-propulseurs électriques) et scientifiques (test du principe d'équivalence à 10-15, ce qui améliorera de trois ordres de grandeur les résultats actuels). La mission est compatible avec un instrument à température ambiante et l'utilisation d'une plate-forme micro-satellite.

          L'équipe du CERGA est en charge de l'analyse de mission et de la simulation des données. Un travail important a été mené pour le choix de l'orbite visant à optimiser le retour scientifique et a conduit à éliminer les orbites trop excentriques. Des outils analytiques généraux ont été développés pur contrôler et guider les simulations avec la production d'une formulation exprimant au moyen d'une formule à trois paramètres les dérivées d'ordre arbitraire du potentiel de gravité, sous forme de développements en harmoniques sphériques. Cette formulation permet en particulier d'étudier le spectre du gradient de gravité, ce qui est non seulement important pour Microscope mais aussi pour les différentes missions en projet ou approuvées dans le domaine de la gradiométrie.

          A côté de cette activité préparatoire, il faut également noter une recherche plus théorique sur les équations du champ gravitationnel. Une approche alternative à l'approche traditionnelle de la relativité générale relie le principe d'inertie, selon lequel les particules libres se déplacent le long des géodésiques de l'espace-temps, à la dimension N de cet espace-temps. Il apparaît que ce principe ne peut être vérifié que si N=4. Dans ce cas, la théorie se réduit à la relativité générale si l'action du champ scalaire apparaissant dans la théorie est nulle. Lorsqu'un terme cosmologique est introduit dans les équations, on trouve que la constante cosmologique s'accompagne d'un écart au principe d'inertie.
           

        1. Prospective

        2.  
        La prospective est très simple pour les missions relatives au principe d'équivalence puisqu'il s'agit de poursuivre les études de mission dans le but d'obtenir la sélection de MicroScope. Dans ce cas il faudra mettre en œuvre l'analyse de données et l'exploitation scientifique des résultats.

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        Géodynamique locale

        Participant : P. Exertier, G. Jeansaume J.J. Walch et, à temps partiel, J. Depeyre et A. Gomez

        Collaborations : IPG Strasbourg, IPG Paris, Géosciences azur Sophia Antipolis.

        Objectif : étude et surveillance géodynamique du plateau de Calern
         

          Activité 1996-1999

          A côté des activités proprement spatiales, la connaissance des caractéristiques géodynamiques du site du Plateau de Calern est aussi une donnée très importante pour toutes les opérations qui y sont conduites. Ceci concerne le suivi de l'activité micro-sismique, les déformations locales mesurées par clinométrie et enfin les mesures de gravimétrie absolue.

          Les données fournies par le sismographe streckeisen sts-2 (3 voies, large bande) sont dépouillées dans un but sismologique à Sophia Antipolis (UMR Géosciences Azur). Ces données sont aussi exploitées pour surveiller l’agitation microsismique du plateau de Calern et détecter d’éventuelles perturbations provoquées par l’activité industrielle.

          La clinométrie résulte d'une collaboration étroite avec l'Institut de Physique du Globe de Paris qui a permis la création d'un nouveau site de géodynamique au Plateau de Calern au fond du gouffre du Cipiernaüm à environ 40 m sous Terre. Le site a été viabilisé (accès, électricité, éclairage, télémesure) par les équipes techniques locales et équipé de quatre pendules horizontaux. Les données sont acquises en continu et transmises par voie radio vers l’observatoire de Calern.

          Le suivi des mouvements verticaux locaux est un résultat important du positionnement des stations laser. Les mesures de gravité permettent également un suivi des variations d’altitude, totalement indépendant des observations laser. La comparaison de deux méthodes est un outil essentiel pour l’évaluation des erreurs aléatoires et des effets systématiques. Trois campagnes de mesures de gravité absolue ont eu lieu à l'Observatoire en 93, 94 et 97 par une équipe italienne. Depuis l'insu s'est doté d'un gravimètre absolu placé sous la responsabilité de l'Institut de Physique du Globe de Strasbourg. Le CERGA s'est montré dès le début un très chaud partisan de cet équipement et a remis en service un local en sous-sol pour accueillir des campagnes régulières de l'instrument. La candidature du CERGA pour devenir le site principal de résidence de cet appareil n'a pas été retenue. Nous pensons néanmoins que les arguments avancés dans notre dossier (qualité du site, complémentarité des mesures de gravimétrie et de géodésie spatiale, site de référence) restent valables et souhaitons que des campagnes de mesure soient faites au plateau de façon régulière.

          Depuis le début de 1998, cinq campagnes ont eu lieu à Grasse (01/98, 04/98, 07/98, 10/98, 01/99) avec des mesures en deux sites du Plateau (cave de référence et station laser lune), aboutissant à des valeurs de g avec une incertitude meilleure que 3 µgal. Les variations observées aux différentes dates semblent significatives (7 µgal) mais sont actuellement réexaminées car certaines corrections (en particulier celle liée aux variations de la pression atmosphérique) doivent être affinées.
           

        1. Prospective

        2.  
      L'opération gravimétrie doit être continuée et répétée trois ou quatre fois par an pour le suivi local, avec la production rapide d'une synthèse des deux premières années de mesure. L'étude du régime hydrologique souterrain du Plateau de Calern est également souhaitable pour évaluer le rôle de la variation saisonnière de la masse d'eau stockée dans les anfractuosités calcaires dans le signal gravimétrique. Cette étude débute actuellement, avec la collaboration de E. Gilli, du Centre d’Étude du Karst à Nice et de l’UMR Géosciences Azur à Sophia Antipolis.

      Le problème du financement des ces campagnes reste problématique et devrait rentrer dans le cadre d'un soutien budgétaire de fonctionnement du gravimètre et aussi en partie dans un programme pluri-formations pour l'étalonnage et le suivi des sites de géodésie et de géodynamique.

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      Télémétrie laser – Métrologie du temps

      Les thèmes B et C sont étroitement imbriqués dans leurs objectifs. Cependant les aspects instrumentaux et opérationnels des stations lasers, conduit à les traiter séparément.

      La mesure des distances au moyen d'un faisceau laser est basée sur le chronométrage du temps aller-retour d'une impulsion laser entre la Terre et une cible. Connaissant la vitesse de la lumière, on en déduit la distance. Cette technique, dérivée des méthodes radar ou des sonars, a connu au cours des années un essor considérable lié à sa simplicité de principe alliée à la très grande précision des mesures de temps. Aujourd'hui, avec une précision sur la distance d'un satellite ou de la Lune de l'ordre du centimètre, elle reste une méthode éprouvée et fiable construite autour d'un réseau international de grande qualité.

      Les avantages de la technique se situent dans sa simplicité (conceptuelle) et dans son exactitude, qui ne dépend pas de la distance. La technique n'a pas besoin de calibration externe et est la seule à ce jour parmi les méthodes de géodésie spatiale à effectuer une mesure absolue. En contrepartie la télémétrie laser est tributaire des conditions météorologiques, et demeure une technique lourde, difficile à automatiser et nécessitant un personnel important et qualifié pour sa mise en œuvre.

      À l'Observatoire de la Côte d'Azur, le CERGA a, depuis plus de 20 ans, été à la pointe de la télémétrie laser. Après avoir été un pionnier dans la conception des instruments, cette unité de recherche n’a cessé de fournir une somme considérable de données tout en gardant les performances au plus haut niveau en faisant évoluer l’instrumentation avec l'arrivée de nouvelles technologies.

      La télémétrie laser est accessible à de nombreux centres de recherche en géodésie et géophysique depuis une période de temps très longue, avec des données recueillies sur plus de 20 ans en continu. La détermination des paramètres de la rotation de la Terre dans les années 80 puis, plus récemment, l’analyse des sources de variations lentes du champ de gravité connectées à la tectonique des plaques et à l’évolution des transferts de masses globaux dans la biosphère (Terre-Océan-Atmosphère), sont des résultats concrets de l’apport de cette technique aux Géosciences. Dans le cas de la télémétrie sur la Lune, il faut rajouter les applications à la physique fondamentale pour les tests des théories de la gravitation.

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        Télémétrie sur satellites

        Participants : E. Cuot, J.L. Hatat, M. Laplanche, J. Nicolas, J. Paris, F. Pierron, A. Spang, H. Viot

        Collaborations : CNES, ONERA

        Objectifs : Observations laser satellites pour la géodésie, géodynamique, physique spatiale
         

          Activités 96-99

          Station fixe

          La station fixe continue sa contribution au réseau international en dépit du vieillissement de l'équipement. Le nombre de satellites munis de rétroréflecteurs laser est en augmentation constante et tous ces objets ont des applications spécifiques.

          La précision est inférieure au centimètre pour les points normaux d'une dizaine de passages. Les trois domaines scientifiques couverts sont le positionnement, le champ de gravité et la calibration de l'altimétrie océanographique. On constate sur les dernières années une augmentation du nombre d'observations mais surtout une multiplication des cibles télémétrées. Dans l'exploitation courante, il n'y a pas moins de dix satellites entrant dans le programme d'observation. Le nombre de passages observés annuellement au CERGA de 1996 a1998 est de l'ordre de 1800 alors qu'il était de 1000 pour la période précédente 91-95. Le nombre de cibles est passé dans le même temps de 5-6 à 9-10.

          Station mobile

          Pour répondre à des besoins de mesure sur des sites isolés et aussi pour effectuer les étalonnages des altimètres océanographiques, il est apparu à la fin des années 80 qu'un équipement laser réellement transportable devait être étudié. Un tel ensemble ultra-mobile a été financé par le cnes, l'ign, l'insu et l'oca et réalisé pour la plus grosse part au CERGA avec une forte participation de l'ign. Il en est résulté un instrument de 300 kg, conditionné en dix colis répondant aux normes du fret aérien et qui peut être mis en station par deux personnes en une journée dans une large gamme de conditions climatiques.

          Un cahier des charges très strict avait été établi et de nombreuses difficultés ont été rencontrées au cours de la réalisation, en particulier dans le domaine de la stabilité du suivi. Aujourd'hui la mise en service de la station mobile est effective et a permis une campagne intense de calibration pour l'altimétrie spatiale en Corse d’octobre 96 à février 97.

          Le principe de cette calibration est la comparaison des mesures quasi-simultanées de la distance entre la surface de la mer et le satellite, effectuées, l'une avec l'altimètre du satellite et l'autre reconstituée à partir des observations laser et des mesures marégraphiques qui donnent la position de la station par rapport au niveau de la mer. La station laser a été installée sur le site d'Ajaccio en octobre 1996 avec l'intention d'utiliser en même temps la station de télémétrie laser fixe situé à 200 km au nord, pour la reconstruction d'orbite. Les membres de l'équipe laser et de l'équipe géodésie spatiale ont participé aux campagnes d'observation successives qui ont conduit à des mesures sur 435 passages dont 139 communs à Grasse et Ajaccio.

          Le traitement des données fait également à Grasse, a confirmé l'intérêt de cette technique et permis d'évaluer la qualité de la station et d'identifier ses points faibles, tant en précision instantanée qu’en stabilité sur quelques jours. Les performances conduisent à une grande homogénéité de positionnement selon les différentes techniques et le biais de la station obtenu durant cette campagne est de l'ordre du centimètre, mais il peut atteindre plus de 3 cm sur certains passages. Il apparaît cependant nécessaire d'améliorer la précision pour descendre en dessous du centimètre pour les futures missions d'altimétrie spatiale.

          Déjà des modifications ont été apportées en ce sens en travaillant dans le vert au lieu de l’infrarouge pour améliorer le bilan de liaison. La photodiode sera remplacée par un système à simple photoélectron avec une électronique de stabilisation. Une thèse a démarré à l'automne 97 sur ces différents points.
           

        1. Prospective
Pour la station mobile, il faut intégrer les différentes modifications techniques en projet, valider le nouvel ensemble et effectuer une campagne courte à l'automne 1999 avant de retourner sur les sites de calibration en Corse après le lancement de Jason-1 au printemps 2000.

Télémétrie 2000

Les évolutions possibles de la station laser fixe sont extrêmement limitées et le vieillissement de la mécanique rend son futur incertain. D'un autre côté les programmes scientifiques faisant appel à la télémétrie sont toujours bien présents avec des exigences qui ne peuvent être satisfaites avec les moyens existants.

Partant de ce double diagnostic sur la science et la vétusté de l'équipement, l'Observatoire de la Côte d'Azur souhaite disposer en l'an 2000 d'une station moderne de télémétrie laser afin d'entreprendre avec cette technique d'observation des recherches nouvelles dans le domaine de la métrologie du temps et de l'altimétrie spatiale et d'être à même de participer aux grandes missions spatiales de la prochaine décennie.

Un projet a été élaboré en ce sens et constitue l'objectif majeur du département dans le domaine de la télémétrie laser pour les quatre années à venir avec deux objectifs scientifiques prioritaires :

Sur le plan technique, il faut ajouter l'existence de lasers d'une nouvelle génération permettant des mesures fréquentes et un suivi des coordonnées des stations et des orbites au niveau sub-centimétrique.

Enfin on ne doit pas négliger les facteurs humains qui vont dans le même sens, avec l’expérience unique du laboratoire dans le domaine de la télémétrie laser et du transfert de temps.

Ce projet est le fruit d'une réflexion sur l'évolution de cette technique et l'émergence de nouveaux champs de recherche qui peuvent en tirer partie. La télémétrie laser a été traditionnellement associée au positionnement des stations d'observation, donc à la réalisation d'un système de référence terrestre, et à l'étude du champ de gravité de la Terre. Aujourd'hui ces domaines sont largement couverts par d'autres techniques et ne relèvent plus des premières priorités de la télémétrie, tout en demeurant des applications importantes pour l'avenir.

En revanche, les principes généraux de la télémétrie laser qui ont fait son succès demeurent : simplicité du principe, pureté de la mesure, réseaux internationaux. Les perspectives scientifiques sont prometteuses dans un domaine totalement nouveau, la métrologie du temps dans l'espace, et un second en plein développement, l'altimétrie océanographique pour l'étude des phénomènes variables qui affectent la Terre dans son ensemble et touchent à l'environnement et au climat.

Il s'agit pour le laboratoire de s'engager résolument dans ces voies très prospectives en donnant une nouvelle orientation à son domaine d'excellence, en confortant les acquis basés sur la compétence des personnels et la qualité des infrastructures du Plateau de Calern.

Le détail technique de la proposition n'est pas repris ici et est disponible dans le document 'Télémétrie 2000'.

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        La télémétrie deux couleurs

        Participants : E. Cuot, J. Gaignebet, J.L. Hatat, J.L. Oneto

        Collaborations : O. Calame

        Objectifs : amélioration de l’exactitude des stations laser ; sondages atmosphériques

        Ces recherches à caractère technologiques visent à améliorer l'exactitude des stations laser en comparant les temps de vol aller-retour dans différentes longueurs d'onde afin de s'affranchir des délais atmosphériques, grâce à la connaissance de la correction d'indice due à la traversée de l'atmosphère. Cela revient à réaliser dans le domaine optique ce qui se pratique depuis fort longtemps en métrologie radioélectrique avec les systèmes bifréquences. Avec un tel système l'espoir est d'atteindre une exactitude de 5 mm tir à tir.

        L'équipe a développé à Grasse un prototype complet incluant un système de génération des impulsions, le télescope, la chaîne de réception et la chronométrie. Une thèse sur ce sujet a été soutenue à la fin de 1995 et a pu profiter des premières données acquises avec le système sur une cible terrestre à quelques kilomètres. Les travaux ont porté sur les détecteurs pour la mesure du temps aller-retour et la caméra à balayage de fente.

        Après les premiers tests concluant, il est apparu que la réalisation d'une station complète, opérationnelle sur satellites n'était pas possible dans la conjoncture actuelle. L'abandon des projets de laser inversé par la nasa a conduit à un retrait progressif du cneset donc à une limitation du financement sur cette opération. Il est clair que l'intérêt demeure pour le futur de la télémétrie laser, qui reste limitée dans le tir à tir par des corrections troposphériques incertaines au niveau de 5 à 7 millimètres. Ceci s'applique également à la télémétrie sur la Lune.

        Devant de tels obstacles, il a fallu revoir les objectifs à la baisse et pour 1999, nous souhaitons avoir un système capable de tirer sur cible et transportable auprès d'une station laser en Suisse qui a la capacité d'accueil du système et où pourront être menés des tests avec une tourelle en parfait état de fonctionnement pour suivre des satellites.

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        Télémétrie sur la Lune

        Participants : D. Féraudy, M. Furia, M. Glentzlin, A. Journet, J.F. Mangin, J.M. Torre, G. Vigouroux, F. Mignard

        P. Bidart ,J. Chapront, M. Chapront, G. Francou,

        Collaborations : CNES, ONERA

        Objectifs : mesures de la distance Terre-Lune et des satellites lointains
         

          Activités 96-99

          La station et les observations

          La station de télémétrie laser-Lune de l’oca, maintenue et développée par une équipe de huit personnes, est l'un des meilleurs instruments d'observation du plateau de Calern. Depuis le milieu de 1995, la station fonctionne en mode millimétrique avec une précision interne de l'ordre de 3 mm sur un point d'observation correspondant à environ une centaine d'échos recueillis pendant une durée de dix minutes.

          L'équipe a été profondément modifiée à la suite du départ inattendu de son responsable (Ch. Veillet) au milieu de 1996. De plus trois agents y travaillant sont partis en retraite entre septembre 95 et juin 97. Aucun remplacement extérieur n'étant venu compenser ces départs, ceci a eu pour conséquence des redéploiements internes très importants et l'arrêt définitif de l'opération astrolabe photoélectrique. Ces changements se sont réalisés sans que le taux d'observation n'en soit affecté.

          La fin de l'opération insu dite 'Laser Lune millimétrique' a eu lieu à l'automne 95 et les observations en 1996 et 97 ont confirmé l'amélioration de la précision. Les objectifs techniques ont été atteints tant sur le laser que dans la chronométrie. Les efforts portent depuis sur l'exactitude et la fréquence des observations. Le nombre d'observations et de points normaux de ces deux dernières années a été deux fois de suite supérieur à celui des années passées et la station du Calern est la référence mondiale pour sa productivité et la qualité des mesures. En 1998, avec des problèmes sur le laser et la diversification des objectifs, le nombre d'échos a été plus faible, mais supérieur cependant à l'année 1995.

          Les données étaient distribuées aux équipes scientifiques qui en faisaient la demande à des fins d'exploitation scientifique. Depuis 1998, les données calibrées sont maintenant disponibles sur le réseau avec un très faible délai et dans le format international des stations laser (1999).

          Actuellement, l'écart type mesuré sur le coin de cube de calibration situé à la sortie du télescope, dans des conditions semblables aux mesures sur les réflecteurs lunaires, est de 80 ps ; si l'on construit des points normaux de calibration équivalent à 10 mn de tirs durant toute une nuit, l'écart type de la dispersion de ces points est de 8 ps (inférieur à 1,5 mm sur la distance). On obtient sur cible externe (Gréolières à 8 km) et sur satellites lointains (G.P.S. 35 et 36), mono-coin de cube, des résultats souvent identiques. Cela signifie que, sans prendre en compte les incertitudes sur le modèle de propagation troposphérique et si le nombre de retours en 10 mn est suffisant, la précision peut être de quelques millimètres sur une cible précise (un seul coin de cube).





          Figure 3. Position des réflecteurs lunaires. L’essentiel des données provient du réflecteur Apollo XV qui est le plus efficace. Cependant pour les travaux touchant au mouvement de rotation de la Lune il faut acquérir des données sur l’ensemble des réflecteurs.

          Les observations privilégiaient les réflecteurs lunaires jusqu'en 1996, date à laquelle nous avons décidé l'observation des satellites lointains, qui ne sont pas mesurables avec la station laser satellite, et aussi d'avoir un satellite géodésique en commun (lageos) à des fins de collocation et d'étalonnage mutuel. Ceci s'est avéré très utile pour confronter les méthodes des deux stations lasers et surtout le traitement comparatif a mis en évidence un biais systématique de plusieurs centimètres dans les données laser-Lune. Ceci n'avait pas beaucoup d'importance pour la Lune, car il était absorbé dans le traitement, mais ce n'est pas le cas des satellites ou l'on recherche des mesures exactes et non seulement des variations. Ces observations se sont poursuivies sur les deux satellites gps munis de réflecteurs en 1997 et 1998.

          Enfin la station a pris une part importante dans la campagne internationale igex à partir de l'automne 98 visant à l'utilisation du système de positionnement glonass. La station laser lune se trouve en quatrième position sur le réseau mondial pour le nombre de passages observés. Des calculs de comparaisons effectués au CERGA montrent des systématismes dans les orbites glonass de l'ordre de plusieurs centimètres.

          Le centre d'analyse de l'équipe laser lune.

          Dans le même temps une équipe d'analyse des données a été mise en place au Bureau des Longitudes, puis à l'Observatoire de Paris au sein du danof. Cette équipe, dirigée par Jean Chapront comprend trois personnes et un étudiant en thèse, est maintenant un des deux centres d'analyses des données laser lune agréé par l'ilrs (International Laser Ranging System), le service international qui coordonne les efforts en matière de télémétrie laser. Depuis l'automne 98 la station fait partie du réseau de l'ilrs ce qui permet de rendre plus homogène les activités de télémétrie laser sur la Lune et sur satellites.

          L'effort de mise en route d'un centre de ce type ne doit pas être sous-évalué en raison du travail de mise à niveau nécessaire avant d'arriver à un niveau de production scientifique. On peut considérer que cette étape préliminaire a été franchie entre 1997 et 1998, et que la situation est maintenant opérationnelle.

          Pour situer la difficulté, il suffit de prendre en compte les problèmes d'éphémérides que l'on doit construire avec une précision (de modèle) meilleure que les mesures, c'est à dire sub-centimétrique. Ceci est impossible à atteindre avec des éphémérides lunaires (incluant le mouvement de translation et de rotation) totalement analytiques. Le travail des deux premières années a consisté à mettre en place et valider ce nouvel outil, puis à écrire un logiciel complet de prédiction et de comparaison aux données observées. A ce stade le nombre de paramètres libres dans les ajustements est volontairement limité, et concerne les coordonnées des stations, des réflecteurs et les paramètres de rotation de la Lune. Une exploitation spécifique est également faite pour la détermination des paramètres de rotation de la Terre.

          Les résultats obtenus et en cours de publications concernent le raccordement des repères dynamiques J2000 au repère céleste de l'iers (icrs). L'écliptique est introduit dans l'analyse à travers le mouvement orbital de la Lune et sa libration. L'icrs est introduit à travers les paramètres d'orientation de la Terre, et ceux du repère terrestre de référence l'itrf94. Une solution analytique de la précession-nutation contribue également à la définition de l'équateur céleste moyen J2000. Corrélativement les déterminations de position de l'écliptique moyen inertiel J2000 par rapport aux axes de référence des intégrations du JPL DE200 et DE403 permettent de relier les axes de référence de ces intégrations à ceux de l'icrs et à l'équateur céleste moyen pour J2000. Les différentes rotations reliant ces repères sont déterminés avec une précision de 0.1 mas. La correction à la valeur uai de la constante de précession s'élève à –0.3437 ± 0.004 seconde de degré par siècle.

          Les paramètres de rotation de la Terre et de variations de latitude ont été analysés sur les observations des stations llr du CERGA et de MacDonald de Janvier 95 à Mars 98. Plusieurs études ont été effectuées afin de simuler une détermination de ces paramètres avant toute connaissance des données de l'iers. Nous avons montré que la précision moyenne de nos calculs est meilleure que 0.2 ms pour uto-utc et 3 mas pour la latitude. Cette étude est préparatoire à la mise en place d'une fourniture de ces données dans le cadre de l'ilrs.

          Enfin le traitement des données de qualité implique que la théorie de la Lune soit de niveau comparable et ceci appelle des compléments numériques à la théorie de la libration. Une nouvelle construction des perturbations planétaires directes et indirectes a été entreprise par P.Bidart.
           

        1. Prospective

        2.  
        L'équipe continuera à télémétrer sur les réflecteurs lunaires avec le maximum de mesures et de précision. L'objectif n'est pas tant d'accumuler des échos, que d'assurer une couverture régulière au cours du mois lunaire. L'instrument Laser Lune reste un outil extraordinaire de métrologie pour l'étude du système de référence dynamique, la détermination de la précession et de la nutation, concurremment avec l'interférométrie a très longue base, ainsi que le reconnaît la récente résolution de l'uai. Les études de sélénophysique impliquent l'exploitation de très longues séries d'observation et les publications récentes montrent l'apport décisif de la télémétrie laser-Lune dans ce secteur. La venue d'un chercheur sur le thème est hautement souhaitable.

        Il a été décidé de reprendre au cours du premier semestre une campagne de recherche du réflecteur Luna 17 qui n'a pas été localisé depuis de nombreuses années et qui est très bien placé sur la Lune pour des études de la libration. Pour les tests de la théorie de la gravitation, on sait qu'il faut essayer de distribuer les observations au cours du mois lunaire de façon spécifique et se rapprocher de la nouvelle Lune. En dernier lieu, les observations sur satellite vont continuer mais avec une priorité moindre qu'en 1998.

        Un étudiant a débuté une thèse en octobre 97 sur les perturbations planétaires dans le mouvement de la Lune, sous la responsabilité de J. Chapront. Il doit très vite faire le lien entre les développements théoriques et la production de données dans les stations. Il est prévu qu'il fasse différents séjours au CERGA pour se familiariser avec cet aspect des choses.

        L'essentiel des travaux de l'équipe d'analyse s'inscrit dans la continuité des recherches décrites ci-dessus. Les résidus des observations LLR qui sont actuellement de 2 à 3 cm sur la distance station-réflecteur peuvent sans doute encore être diminués avec une amélioration aussi bien des modèles physiques que des traitements numériques complexes qui rentrent dans les analyses.

        Un effort particulier portera sur la mise en place d'un service opérationnel dans le cadre de l'ilrs de détermination des paramètres de rotation de la Terre, traitant à la fois les données du CERGA et celles de MacDonald.

        Les techniques d'analyse en fréquence ont récemment été notablement améliorées par A. Champenois (Université de Lille). Elles permettent de déterminer des fréquences cachées avec une très grande précision. Appliquées aux différences entre la théorie et l'intégration numérique de la libration un modèle plus satisfaisant de compléments numériques à la libration pourrait être réalisé. Cette approche est complémentaire aux travaux de S. Bouquillon (danof) qui travaille à une détermination analytique de composantes actuellement absentes dans la solution (perturbations planétaires directes, termes de Poisson).

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      1. Métrologie du temps
Participants : F. Baumont, J. Gaignebet, J.L. Hatat, P. Claudon, E. Samain et les équipes laser.

Collaborations : CNES, LPTF, ENS, BNM

Objectifs : Échelles de temps et transfert de temps

La métrologie du temps et des fréquences au CERGA est un secteur de recherche et de service extrêmement important et qui, en terme d'activité de recherche et développement, a une spécificité propre par rapport aux autres laboratoires nationaux dans le domaine du transfert de temps.

Au cours des dernières années, les performances réalisées en métrologie du temps ont fait un bon en avant remarquable et la mise en service de nouvelles horloges à atomes refroidis montre que cette tendance va se poursuivre. Ces possibilités offertes par le matériel laissent entrevoir des applications nouvelles de la métrologie du temps en physique fondamentale, en sciences de l'Univers et dans les applications plus traditionnelles liées à la navigation et aux télécommunications.

C'est précisément dans ce cadre du transfert de temps et de la synchronisation à distance que le CERGA développe de nouveaux programmes de recherche en métrologie du temps et des fréquences.

Quatre activités relèvent du thème métrologie du temps :

          Activités 96-99

          Station horaire

          La station horaire fournit à tous les utilisateurs de l'oca les échelles de temps ainsi que les fréquences de références (1Hz, 5MHz, 10 MHz) nécessaires pour diverses activités. L'échelle UTC-local est maintenue à 10 µsec de l'échelle UTC et des informations mensuelles sont fournies aux stations laser pour dater leurs observations dans cette échelle à mieux que la microseconde. Cette station participe avec le lptf à la construction du Temps Atomique International (tai) et du Temps Atomique Français (taf). Cette activité requiert la disposition d'étalons de fréquence (horloges au césium) et de moyens de comparaison entre les différents laboratoires.

          La station est équipée depuis la fin 1995 d'une horloge HP5071A, d'un gps Motorola VP(1997) et une demande pour l'achat d'une deuxième horloge est en voie de financement par le bnm et l'insu.

          Le transfert de temps

          Le problème de la dissémination d'une échelle de temps n'est pas nouveau et est apparu dès l'instant où les évolutions du transport et le renforcement des pouvoirs centraux ont imposé le recours à une échelle commune sur une aire étendue. Aujourd'hui, l'utilisation des horloges ultra-stables actuelles et futures n’a de sens que si l’on est capable de distribuer et de disséminer leurs signaux.

          Les premières tentatives concluantes de tsf remontent à 1899 (liaison Douvres - Boulogne, de 45 km, par Marconi). En 1904, Bigourdan (ancien directeur du bih) parle d'une précision de 2 à 3 centièmes de seconde sur des distances bien courtes (Observatoire de Paris - Montsouris). Au début du 20e siècle, la synchronisation d’horloges éloignées était fondée sur des signaux horaires radioélectriques, et a pu à terme autoriser un transfert avec une exactitude de l’ordre de la milliseconde. En 1968, le système de navigation Loran-c utilisant la propagation d’onde de sol permettait des comparaisons horaires avec une exactitude de 2 µs. Il devint alors possible de construire une échelle de temps moyenne basée sur la lecture d’un ensemble d’horloges atomiques.

          Sans faire l'historique de ces questions, c’est le système de positionnement gps, utilisant la propagation d’ondes radioélectriques émises par des satellites, qui est presque exclusivement utilisé pour comparer les horloges distantes. L’exactitude du transfert de temps peut atteindre aujourd’hui, grâce au gps, quelques nanosecondes. Le système 2way développé entre autres au CERGA se propose de fournir une solution alternative au "tout gps" tout en amenant une source de comparaison externe.

          A moyen terme, les nouvelles horloges ultra-stables en développement de par le monde, telles que les horloges à atomes froids, les oscillateurs cryogéniques au saphir ou les horloges à ions piégés, ont besoin de systèmes de transfert de temps avec des performances améliorées de deux ordres de grandeurs par rapport aux méthodes actuelles. C’est la tâche que se propose de remplir le Transfert de Temps par Lien Laser t2l2.

          Transfert de temps radioélectrique

          Il s'agit de réaliser la synchronisation d'horloges par une méthode utilisant le transpondeur d'un satellite de télécommunication en visée directe des deux stations participant au réseau. A l'heure actuelle, l'expérience est une collaboration internationale entre huit laboratoires (six européens et deux américains) et les performances permettent de rattacher les horloges des stations avec une précision de 1ns, tout à fait comparable au gps. En 1996 il n'y a pas eu de segment satellite accessible car la gratuité d'accès accordée par Intelsat a cessé et de nouvelles négociations difficiles étaient en cours. Des tests plus poussés ont eu lieu en 1997-98 avec trois stations du réseau servant de tests au bipm (Bureau International des Poids et Mesures) pour la validation des données 2way pour la construction du tai. Les résultats montrent que les données ont une qualité comparable à celles du gps, avec une marge de progression par l'automatisation plus poussée des étalonnages des stations.

          Les données des stations tests sont à disposition du bipm régulièrement depuis 1997 et d'ici fin 99 toutes les stations du réseau seront dans ce cas, ce qui inclut la station du CERGA . A la fin de 1998, le bipm s'est prononcé pour l'intégration des données 2way pour la construction officielle du tai selon des modalités à définir, mais avec un délai de livraison des données qui ne doit pas excéder deux jours.

          Le matériel a été révisé et fiabilisé et l'ensemble des logiciels de traitement est maintenant au point, mais loin encore d'être suffisamment automatique pour participer avec toute la régularité souhaitable à un service international.

          Transfert de temps optique

          Il s’agit de synchroniser (mettre à l’heure) des horloges atomiques spatiales et terrestres situées à plusieurs milliers de kilomètres les unes des autres en utilisant la visibilité commune d'une horloge embarquée. Cette expérience t2l2 est basée sur la propagation d'impulsions lumineuses très brèves entre des horloges au sol et une horloge placée en orbite autour de la Terre. La première utilisation envisagée intervient dans le cadre du projet de l'Agence Spatiale Européenne aces (Atomic Clocks Ensemble in Space) à bord de la Station Spatiale Internationale.

          Cette technique se situe au carrefour de la télémétrie laser et de la métrologie et est à la base de nombreuses applications comme la diffusion mondiale des échelles de temps, la navigation, les télécommunications, sans oublier les expériences de physique fondamentale sur la nature de la propagation de la lumière.

          Un premier test de transfert de temps laser a été mené avec succès au travers de l’expérience lasso (Laser Synchronisation from Stationary Orbit) embarquée à bord du satellite meteosat p2 dans les années 1988 - 1992. L’Observatoire de la Côte d’Azur, qui fut à l’origine de ce projet, réalisa également le premier transfert de temps optique transcontinental (McDonald, USA et Grasse, France) avec une stabilité temporelle de 100 ps sur 1000 s.

          Le principe de t2l2 est, comme souvent, élémentaire, et toute la difficulté réside dans sa réalisation avec les performances attendues. On envoie, à l’aide de la station laser, des impulsions lumineuses très brèves en direction du satellite. On date le départ de l’impulsion avec l’horloge du laboratoire à synchroniser. A bord du satellite, l’impulsion est datée avec l’horloge spatiale et réfléchie par un coin de cube en direction de la station laser. Finalement, l’impulsion est à nouveau datée par l’horloge du laboratoire. L’ensemble de ces dates permet de calculer l’écart entre l’horloge du laboratoire et l’horloge spatiale.

          L’objectif visé est de déterminer cet écart avec une stabilité à l’échelle de 10 ps, soit 10-16 sur 24 heures, et une exactitude de 60 ps. Si un deuxième laboratoire effectue cette expérience simultanément, il est alors possible de déduire le décalage entre les horloges des deux laboratoires avec le même niveau de performance. Il ne s'agit pas d'une technique tout temps et implique un équipement laser pour les laboratoires participants, mais sa qualité en fait une méthode de référence pour des comparaisons de premier ordre.

          Le développement de l'expérience était un élément du plan quadriennal et le projet de l'oca a été sélectionné pour voler sur mir en 1999, projet qui a été malheureusement annulé. Cependant c'est dans le cadre de cette mission qu’à a été réalisée avec succès une expérience de tirs laser sur un panneau de rétroréflecteurs situé sur mir.

          Une autre expérience a eu lieu au Plateau de Calern en juin 1998 entre la station laser Lune et la station mobile, via un prototype du segment spatial de t2l2. Les stations laser réalisaient l'observation en vue commune d'une horloge par deux stations distantes. La chronométrie des stations laser a été adaptée pour satisfaire les spécifications de t2l2 et le prototype a été placé à une distance de 2.5 km des stations laser au signal de Calern. On voit ici tout l'intérêt d'un environnement très performant dans le domaine de la métrologie du temps et de la télémétrie laser, pouvant mettre dans un délai très court deux stations au service d'une expérience particulière.

          L'expérience a été conçue dans le but de valider certains concepts propres à t2l2 et pour permettre des mesures de stabilité temporelle de l'ensemble de l'expérimentation. Le signal d'horloge des stations était celui d'un étalon césium du laboratoire horaire et celui du prototype t2l2 provenait d'un quartz ayant une stabilité temporelle de 5 x10-12 sur 10s. La campagne a été menée pendant trois semaines en juin 1998 complétée par des mesures de stabilité en laboratoire. Les données ont été traitées dans le cadre d'un contrat avec la société Phusipus Integration afin de tester les logiciels de traitement temps réel. Un problème de stabilité en température du quartz 'embarqué' a malheureusement entraîné une dégradation importante de la stabilité de cette base de temps. L'essentiel des informations a cependant pu être extrait et on a pu suivre le décalage de temps entre le césium du laboratoire et le quartz de t2l2 qui présente des variations d'une centaine de picosecondes (après soustraction d'une dérive quadratique). La comparaison de la stabilité temporelle sur cible proche (quelques mètres) et sur cible lointaine (2.5 km) montre bien la présence d'un bruit blanc de phase jusqu'à des durées de 200s (stabilité : 4 ps) suivi d'une dégradation due à la traversée des 5 km d'atmosphère.
           

        1. Prospective
La station horaire a perdu de sa qualité ces deux dernières années en raison de problèmes matériels d'une part (antenne gps défectueuse) et de personnel d'autre part. L'antenne est en voie d'être remplacée et la qualité du signal devrait être retrouvée. Concernant les personnels, le défaut d'un électronicien se fait cruellement sentir ainsi que celui d'un chercheur ou ingénieur pour superviser l'ensemble. Des solutions sont en vue au sein du laboratoire, mais au dépens d'autres activités, tant que les mouvements se font à effectif constant.

Si l'on veut pouvoir démontrer les possibilités des nouvelles méthodes de transfert de temps par lien laser, il est impératif que les éléments de la chaîne métrologique au sol soient irréprochables et ne puissent être mis en cause lors de l'évaluation des performances. Un minimum de redondance est à prévoir impérativement comme dans toute expérience spatiale. De plus des tests au sol pourront être faits en utilisant deux étalons césium simultanément pour qualifier l'expérience, étalonner les retards et mettre au point l'analyse de données.

D'une manière plus générale il faut que la station horaire du CERGA soit mise au niveau d'une station horaire participant à un service national et international d'une part, et en état pour se lancer dans la mise au point de t2l2 et du lancement de pharao. Il faut prouver la capacité du laboratoire à garantir localement une échelle de temps fiable et opérationnelle 24 heures sur 24 tous les jours de l'année.

L'objectif du transfert radioélectrique deux voies est simple : arriver à une version opérationnelle à très cours terme, avec fourniture au bipm de données de comparaisons des stations horaires situées en Europe et aux États Unis. D'ici là, il reste cependant un certain nombre d'étapes à franchir, telles l'introduction des formats internationaux de l'iut (Union Internationale des Télécommunications), l'automatisation de la station, l'interface modem-calculateur et des développements de logiciels. Toutes les stations qui seront agréées pour participer à ce service devront être automatiques d'ici l'an 2000 de manière à être impersonnelles et afin d'augmenter le nombre de sessions. Actuellement elles se limitent à trois fois par semaine tout au long de l'année. L'achat d'un simulateur de satellite permettant de garantir la stabilité des retards de divers sous-ensembles de la station devrait être effectué en 1999.

Pour le CERGA il y a un défi important à relever pour, dans un premier temps, parvenir au niveau de fiabilité requis, puis par la suite organiser l'activité locale dans le cadre d'un service régulier.

Concernant t2l2, le calendrier est celui de l'expérience aces qui implique que le segment bord de t2l2 soit embarqué en 2003 et que le segment sol soit prêt en 2004 pour l'expérience sur pharao. aces regroupera à bord de la Station Spatiale Internationale deux horloges ultra-stables, un équipement de transfert de temps radio, un équipement de transfert de temps par lien laser t2l2 et un système de comparaison interne des horloges. L’une des deux horloges sera un maser à hydrogène fabriqué par la Suisse, l’autre une horloge à atomes froids baptisée pharao (Projet d’Horloge par Refroidissement d’Atomes en Orbite) et fabriquée par la France. Elle fait partie des dernières générations d’horloges ultra-stables, et deviendra la meilleure du monde avec des stabilités et des exactitudes en fréquence à l’échelle de 10-16. t2l2 permettra de transporter l’information temporelle des ces horloges ultra stables vers la Terre et réciproquement sans en dégrader les performances.

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    1. histoire des sciences
Les travaux en Histoire des Sciences proprement dite demeurent axés sur la théorie du mouvement et sur les éditions de traités s'y rapportant (édition, traduction et commentaires). Ceci se fait au travers de collaborations au sein d'un pics avec l'Italie (les innovations en mécanique théorique du XIVe au XVIIe siècle) et d'un pics avec Berlin (Mécanique et science du mouvement au XVIe siècle). Le résultat qui reçoit le meilleur accueil (plusieurs articles en cours de publication) concerne un réexamen de la théorie des marées de Galilée, qui oblige à reconsidérer la signification pour Galilée et ses contemporains du Dialogue sur les deux grands systèmes.

Dans le deuxième volet, il s'agit de poursuivre l'inventaire national du patrimoine astronomique : poursuite des recherches sur la construction de l'Observatoire de Nice, poursuite de l'opération muséale inscrite au précédent plan quadriennal.

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