Dossier - La navigation astronomique.pdf - Etud - Insa - Toulouse
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LA NAVIGATION<br />
ASTRONOMIQUE<br />
CARTIER Chloé<br />
CARVIN Denis<br />
ABDELHAMID Brahim<br />
BRAZEILLES Rémi 1° année SHN<br />
1
A l’ère des nouvelles technologies, quand on sait qu’un banal navigateur GPS peut nous<br />
donner notre position de manière quasi infaillible et ce sans aucun calcul, on peut se<br />
demander si connaître la <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong> est réellement utile… <strong>La</strong> réponse est que<br />
ce n’est pas tant pour son utilité que l’on s’intéresse à la <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong>, mais<br />
surtout car c’est enrichissant et passionnant.<br />
Les méthodes de <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong>s sont différentes selon que l’on désire<br />
s’adonner au calcul littéral de la position si l’on est un passionné des mathématiques, ou que<br />
l’on veut un calcul rapide et précis. Il existe ainsi plusieurs méthodes, mais qui reposent toutes<br />
sur le même principe : avoir la tête dans les étoiles!<br />
Brève chronologie<br />
<strong>La</strong> <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong> est une méthode de repérage qui ne date pas d’hier. En<br />
effet, dès le IX° siècle avant J.C., dans le célèbre recueil de poèmes l’Odyssée, on observe<br />
qu’Ulysse aurait utilisé le soleil pour se repérer durant son périple. Les Grecs connaissaient la<br />
carte du ciel et naviguaient grâce aux étoiles.<br />
Dix siècles plus tard, un moine Celte aurait utilisé un Gnomon, instrument décrit<br />
comme étant aussi vieux que la <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong> elle-même, afin de sillonner<br />
l’Atlantique et de découvrir l’Amérique.<br />
Plus tard, au IX° et XI° siècle après J.C., les Vikings utilisaient l’ombre du soleil pour<br />
se repérer et estimer la direction a prendre.<br />
Enfin au XVI° siècle, les navigateurs utilisaient d’autres instruments tels que<br />
l’Arbalestrille et le Quartier de Davis comme instruments de <strong>navigation</strong>, toujours en se basant<br />
sur le ciel, les étoiles et le soleil.<br />
Petit lexique<br />
- Gnomon :<br />
Le gnomon est le premier instrument utilisé en astronomie. Il est connu depuis la plus haute<br />
antiquité (Égyptiens, Chaldéens, Grecs).<br />
C'est une simple tige verticale (style) plantée sur un plan horizontal.<br />
<strong>La</strong> longueur de l'ombre portée permet de mesurer la hauteur de l'astre, (soleil ou lune), l'angle<br />
alpha;<br />
la direction de l'ombre donne l'azimut * de l'astre.<br />
Le gnomon est l'ancêtre du cadran solaire.<br />
Ératosthène savant grec vers l'an 250 avant J.C., mesura avec cet instrument rudimentaire le<br />
méridien terrestre avec une précision étonnante.<br />
- Arbalestrille :<br />
L'arbalestrille ou arbalète, encore appelée "bâton de Jacob", est apparue au XIV è siècle et a<br />
servi jusqu'au XVII è siècle.<br />
C'est tout simplement une règle en bois sur laquelle coulisse un curseur appelé "marteau" et<br />
directement graduée en degrés. Cet instrument permet de mesurer la hauteur d'un astre (étoile<br />
ou soleil) et donc la latitude du lieu d'observation.<br />
Il permet aussi des mesures topographiques , par exemple la mesure de la hauteur d'un édifice<br />
ou de sa distance.<br />
- Quartier de Davis :<br />
2
Le Quartier de Davis a été créé vers 1590 par un marin anglais, John Davis, à partir de<br />
l'arbalète. Cet appareil était constitué d'une baguette sur laquelle étaient fixés deux arcs de<br />
cercle. L'arc de cercle supérieur était gradué de 0° à 60°, l'arc inférieur de 0° à 30° . Sur les<br />
deux arcs de cercle de même centre A, deux fentes coulissaient.<br />
Pour effectuer la mesure, l'observateur tournait le dos au soleil et maintenait l'instrument dans<br />
un plan vertical. Ses rayons passaient à travers la fente de l'arc de cercle supérieur et venaient<br />
éclairer une fente horizontale située en A à l'extrémité de la baguette. Dans le même temps,<br />
l'observateur visait par la fente de l'arc de cercle inférieur l'horizon à travers cette même fente.<br />
3
COMMENT SE POSITIONNER<br />
A L’AIDE<br />
DES ASTRES ??<br />
I )Comment se situer une première fois :<br />
II) Comment recalculer sa position à partir de sa position<br />
initiale ?<br />
A / Se positionner sur sa carte<br />
B/ Le calcul de la hauteur estimée, de l’intercept et de l’azimut<br />
III) L’avenir de la <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong><br />
Conclusion<br />
Annexe :<br />
-glossaire<br />
-le sextant<br />
-divers canevas<br />
4
Sachons tout d’abord qu’en <strong>navigation</strong> la méconnaissance totale de sa position est<br />
extrêmement rare. En effet le premier soucis d’un navigateur étant de se repérer sur la terre,<br />
ce dernier se préoccupera sans cesse de connaître sa position, il sera toujours à l’affût du soleil<br />
et des astres. <strong>La</strong> prise de mesures et de repères est donc fréquente pour un navigateur ne<br />
disposant pas des derniers outils technologique comme les GPS etc…<br />
Quel est donc le principe du positionnement ?<br />
Supposons que nous sommes au large d'une côte, sur laquelle nous apercevons un seul amer,<br />
un phare par exemple. Nous pouvons nous situer, à condition de connaître trois choses :<br />
-<strong>La</strong> position de cet amer sur notre carte marine,<br />
-la distance qui nous en sépare,<br />
-la direction dans laquelle il se trouve par rapport à nous.<br />
Si nous pouvons déterminer ces 3 éléments (en reconnaissant le phare, puis en mesurant son<br />
relèvement au compas et sa distance au télémètre, par exemple), nous pouvons nous situer par<br />
rapport à lui : "Je suis à x milles du phare Y, dans telle direction" (Soit en réalité les<br />
coordonnées polaires.)<br />
C'est exactement ce principe que nous allons utiliser en <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong>.<br />
Mais comment se situer lorsque l’on ne dispose d’aucun amer visible?<br />
5
I) COMMENT SE SITUER UNE PREMIERE FOIS :<br />
LE CALCUL DE LA MERIDIENNE<br />
Imaginons nous au beau milieu de l’océan sans aucun repère terrestre, et sans aucune<br />
connaissance de sa position sur le globe.<br />
Pour se situer il faut disposer d’un minimum de matériel et de données à savoir :<br />
-Les éphémérides nautiques (dans la méthode présentée ce sera les éphémérides du soleil)<br />
-l’heure au temps universel (TU ou GMT, autrement dit l’heure de greenwich), et l’heure<br />
locale (ou un chronomètre)<br />
-un sextant<br />
-une boussole, ou mieux, un compas de marine.<br />
A quoi correspond tout ce matériel ?<br />
Les éphémérides :<br />
En <strong>navigation</strong> <strong>astronomique</strong>, l’homme considérera que la terre est immobile et que ce sont les<br />
astres qui se déplacent autour d’elle. Ainsi grâce au lois de la mécanique céleste (mais ce n’est<br />
pas le sujet de l’exposé) on peut déterminer la position de chaque astre par rapport à la terre.<br />
N’ayant pas d’amer terrestre, on utilisera les éphémérides nautiques.<br />
Ces tables donnent la position des astres sur la "sphère céleste", en utilisant le même système<br />
de coordonnées que celui que nous utilisons sur terre : la Longitude et la <strong>La</strong>titude. Pour les<br />
astres, la Longitude est appelée "Angle Horaire", et la latitude "Déclinaison". Elles tiennent<br />
donc compte de l’inclinaison de la terre par rapport au soleil.<br />
(<strong>La</strong> seule petite différence est que nous avons l'habitude d'indiquer notre longitude à l'Est ou à<br />
l'Ouest de Greenwich, alors que l'angle horaire d'un astre se mesure sur les 360° du tour<br />
complet de la Terre. Ainsi, un bateau situé à 20° Est et un astre dont l'angle horaire est de<br />
340° sont, en fait, exactement sur le même méridien.)<br />
Les éphémérides ne donnant la position des astres que heure par heure, voire jour par jour, il<br />
faut interpoler pour connaître la position exacte de l'astre à l'instant précis de notre<br />
observation.<br />
<strong>La</strong> position de l'astre ainsi calculée est aussi celle de son "pied" à la surface du globe (le pied<br />
étant la projection orthogonale). Cela signifie que, si à l'instant de votre mesure au sextant, un<br />
observateur s'était trouvé sur la terre à l'endroit précis dont vous venez de calculer les<br />
coordonnées, il aurait vu l'astre que vous avez visé très exactement au-dessus de sa tête, à sa<br />
verticale, à son zénith.<br />
Ce point particulier qui sera notre amer virtuel s’appelle la Position géographique de l’astre<br />
(Pg).<br />
Elle est donnée par les éphémérides et C'est par rapport à ce point de la surface du globe<br />
que nous allons nous situer.<br />
6
Ephémérides du soleil du jeudi 26 janvier 2006<br />
7
<strong>La</strong> connaissance de la date, de l’heure par rapport a greenwich :<br />
Ceci va nous permettre de déterminer notre longitude. En effet en connaissant le décalage<br />
horaire, il va de soi que nous connaissons notre fuseau horaire exact, c'est-à-dire le méridien<br />
sur lequel nous nous trouvons. Si nous ne disposons uniquement de l’heure TU et d’un<br />
chronomètre, il faut mesurer le décalage entre le zénith au méridien de greenwich et notre<br />
propre zénith que l’on peut déterminer au sextant : moment ou le soleil est le plus haut dans le<br />
ciel. Nous disposons de notre longitude, il suffit de connaître la latitude pour se positionner<br />
sur le globe.<br />
L’usage du sextant :<br />
Le fonctionnement du sextant étant déjà défini en annexe, on se consacrera ici uniquement a<br />
son usage.<br />
Le sextant permet de mesurer la hauteur d’un astre dans le ciel. On entend par là, l’angle<br />
formé par l’horizon de l’observateur avec la droite qui relie l’observateur à l’astre. Comme<br />
ceci :<br />
Comment exploiter cette mesure ?<br />
Lorsque le soleil est au zénith, cela signifie qu’il est sur notre méridien (que nous connaissons<br />
d’après l’heure TU et notre chronomètre). Le schéma ci-dessus représente donc la vue de la<br />
terre en section par le plan formé par notre méridien et le centre de la terre.<br />
Le soleil étant une étoile que l’on peut considérer comme infiniment loin, la mesure au<br />
sextant de Hv va nous permettre de connaître notre distance avec le point Pg. En effet, la<br />
distance zénithale Dz est telle que<br />
Dz =90°-Hv<br />
Or nous connaissons le rayon de la terre, nous connaissons donc la longueur d’arc qui nous<br />
sépare nous (placés en O) de Pg.<br />
8
O Pg = Dz(rad)* 2pi Rayon terrestre<br />
Afin de faciliter les calculs, les navigateur on défini le mille marin, on a ainsi<br />
O Pg= Dz(en minutes d’angle)=Dz milles marins<br />
où 1milles marin=longueur d’arc d’équateur défini par un angle au centre de 1minute<br />
Nous connaissons donc notre distance avec le pied du soleil, et nous connaissons notre<br />
méridien. Nous sommes donc a l’intersection d’un cercle de rayon Dz milles marins et de<br />
notre méridien. Cela défini deux points diamétralement opposés :<br />
S N<br />
C’est ici qu’intervient notre boussole :<br />
-si nous tournons le dos au Nord lors de notre mesure au sextant, nous sommes donc situés sur<br />
le point qui est au nord de Pg<br />
-si nous tournons le dos au Sud lors de notre mesure au sextant nous sommes alors situés sur<br />
le point qui est au sud de Pg<br />
Ainsi nous nous sommes positionnés sur la terre une première fois.<br />
Concrétisons ceci par une application numérique :<br />
Un jour, en pleine mer, nous allumons notre radio afin d’avoir l’heure au temps universel,<br />
nous entendons qu’il est très exactement 12H GMT le 26/01/06<br />
Au même moment nous déclenchons notre chronomètre<br />
8H 54 min plus tard, avec notre sextant nous mesurons l’angle de hauteur vraie du soleil à<br />
son zénith en tournant le dos au Sud . Il est après toutes les corrections apportées (voir annexe<br />
pour les corrections des mesures) de 45°37’.<br />
9
Calculons tout d’abord notre longitude grâce au décalage horaire.<br />
En observant les éphémérides on constate que à midi le soleil n’était pas tout a fait au zénith<br />
de greenwich :<br />
Mais plutôt à 12h 12 min 30s.<br />
En effet à 12H TU le soleil est à 356° 52’ et à 13H il est a 11°51,8’.<br />
Entre 12H TU et 13H TU la longitude du soleil a obtenue la valeur 360° ou 0° (la longitude<br />
du soleil étant une fonction continue du temps)<br />
Or le soleil se déplace à une vitesse longitudinale connue :<br />
360° soit 21600’ (un tour complet) est effectué en 24H (1440 minutes)<br />
A 12H TU la longitude est 356°52’ au temps (12H+ t) TU la longitude était de<br />
356°52’+3°8’=360° avec 3°8’=188’ une simple règle de trois permet de terminer t :<br />
360° ó 24 H<br />
21600’ ó 1440 min<br />
188’ó t t = (188*21600)/ 1440 =12min 30sec<br />
Le soleil était donc sur le méridien de greenwich à 12 H 12min 30sec TU<br />
Notre décalage horaire est donc de<br />
8H 54min -12min 30 sec =8H41 30sec = 521,5 min<br />
et nous sommes donc a l’Ouest car en retard sur greenwich!<br />
Soit X notre longitudes en minutes d’angles<br />
360° ó 24 H min<br />
21600’ ó 1440 min<br />
X ó 521,5 min è X= (521,5* 21600)/ 1436 = 7844,29’ = 130° 44,29’<br />
Notre longitude est donc de 130° 44,29’ O à l’heure de la mesure<br />
Calculons maintenant notre <strong>La</strong>titude :<br />
Notre mesure a été réalisée à 12H+(8H 54min) soit à 20H 54 min TU le 26/01/06<br />
En regardant les éphémérides du jour on trouve :<br />
(notons aussi que à 21H TU la latitude du soleil était de 131°50,8 confirmant notre résultat<br />
précédent)<br />
<strong>La</strong> déclinaison du soleil est de 18°35’ S or nous tournons le dos au sud lors de la mesure.<br />
Notre déclinaison propre est donc de :<br />
D= 18°35’ + (90°-45°37’)=62°58’ S<br />
Notre position le 26 janvier 06 à 20H54 TU était 130° 44,29’ O<br />
62° 58,00’ S<br />
Donc en océan pacifique près du cercle polaire antarctique. Sachons qu’en tout point de la<br />
terre une erreur de 1° sur la latitude engendre une erreur de 111,12 Km Tandis que à cette<br />
endroit précis, une erreur de 1° sur la longitude engendre une erreur de cos(62°58’)*60*<br />
1,852= 50,44 Km<br />
10
II) COMMENT RECALCULER SA POSITION A<br />
PARTIR DE SA POSITION INITIALE<br />
Nous avons vu précédemment comment déterminer les coordonnées terrestres du pied de<br />
l’astre.<br />
Nous avons également vu comment trouver le cercle de hauteur sur lequel nous nous<br />
trouvions.<br />
Il suffirait a priori, diriez vous, de tracer maintenant deux cercles de hauteurs. En effet, à<br />
partir de la position de deux astres (comme la lune et le soleil si les deux sont visible<br />
simultanément), donnée par les éphémérides et la mesure de leur hauteur au sextant on<br />
pourrait tracer deux cercles se coupant en deux point . Ces derniers étant a priori assez<br />
éloigner sur la sphère on pourrait choisir l’un des deux qui serait le point le plus proche de<br />
notre position estimée.<br />
Déterminer par le calcul les coordonnées des points d’intersections des deux cercles de<br />
hauteur n’est pas une tache aisée .. (quoique pourrait faire l’objet d’un programme<br />
automatique de calcul) . Nous Nous intéresseront donc pas a ce calcul mais plutôt a la<br />
résolution graphique de ce problème qui est avant tout un problème pratique !<br />
N’oublions pas que le marin cherche a se positionner sur sa carte !<br />
Mais comment à vrai dire pouvons nous tracer sur une carte marine un cercle de hauteur ?<br />
A) SE POSITIONNER SUR SA CARTE.<br />
LA DROITE DE HAUTEUR<br />
Le rayon du cercle de hauteur étant si grand (plusieurs milliers de milles) et la portion qui<br />
nous intéresse si petite (quelques dizaines de milles), que l'on peut, sans risque, assimiler cette<br />
petite portion du cercle à sa tangente. Cette tangente est ce que l’on appelle la droite de<br />
hauteur.<br />
Notre travail va donc consister à tracer différentes droites de hauteur a partir de différents<br />
astres.<br />
Deux données essentiel au tracé de la droite de hauteur : l’intercept et l’azimut<br />
Le point Pg étant inaccessible car beaucoup trop éloigné, l'idée a été de retourner le problème<br />
et de partir de la position estimée du bateau. Autrement dit, le raisonnement est le suivant :<br />
On supposera que nous sommes à l'endroit E. On calculera ensuite grâce à une formule<br />
mathématiques l’angle de hauteur vraie que l’on aurait du mesurer en E (Hc) . Nous avons<br />
également mesuré l'astre avec notre sextant à la hauteur Hv. Comment utiliser ces deux<br />
mesures pour rectifier notre position ?<br />
Pour comprendre cela, il faut bien comprendre la relation étroite entre la hauteur de l'astre et<br />
sa distance zénithale. Imaginons que l’on mesure un astre à une hauteur H. notre distance<br />
zénithale serait alors 90°– H. Mais si on se rapproche de Pg de 1 mille, notre distance<br />
zénithale va diminuer de 1 mille. Or Dz = 90° – H, reste vraie. L'astre va apparaître plus haut<br />
de 1 minute d'arc. H sera alors de H+1'.<br />
11
Inversement, si on s'éloigne de Pg de, disons, 10 milles. <strong>La</strong> distance zénithale va augmenter<br />
de 10 milles et donc la hauteur à laquelle l'astre apparaîtra diminuera de 10 minutes d'arc. H<br />
sera alors de H – 10'<br />
Ainsi, la différence entre les deux hauteurs (Hc et Hv) exprimée en minutes d'arc indique<br />
exactement la distance en milles séparant la position estimée (où l’on se situe<br />
approximativement) de notre cercle de hauteur vraie (où l’on est réellement). Cette mesure est<br />
l'intercept.<br />
On dois donc maintenant déterminer avec précision dans quelle direction se trouve Pg par<br />
rapport à la position estimée.<br />
Pour cela, il est tout à fait possible de mesurer au compas de relèvement la position de l'astre.<br />
Mais outre qu'il est dangereux de regarder le soleil sans protection, cette mesure au compas<br />
est trop imprécise. On préfère donc calculer aussi cette valeur. C'est l'azimut<br />
Nous avons donc une carte ressemblant a ceci :<br />
1 - Sur votre carte marine, le point Pe est<br />
votre position estimée que vous<br />
connaissez en <strong>La</strong>titude et Longitude.<br />
L'azimut que vous venez de calculer est<br />
la direction de Pg. Vous pouvez aussi le<br />
tracer : c'est une flèche passant par Pe et<br />
pointant vers Pg.<br />
Vous êtes sur un cercle situé à quelque<br />
distance de Pe, dont le centre est Pg.<br />
Nous avons représenté ce cercle pour<br />
l'explication mais, en réalité, nous<br />
ignorons où il est exactement. C'est ce<br />
que nous cherchons à déterminer.<br />
2 - <strong>La</strong> mesure au sextant vous permet de<br />
connaître Dzm : le rayon du cercle.<br />
En réalité, vous ne considérez que Hv,<br />
complément de Dzm.<br />
12
3 - Par le calcul, vous avez déterminé<br />
Dzc, distance entre la position estimée et<br />
le point Pg. C'est l'orthodromie entre Pe et<br />
Pg.<br />
En réalité, vous ne vous occupez que de<br />
Hc, complément de Dzc.<br />
Vous vous apercevez qu'il y a une<br />
différence entre Dzm et Dzc (c'est la<br />
même différence entre Hv et Hc). C'est<br />
bien sûr parce que votre position estimée<br />
n'est pas sur le cercle.<br />
4 - Pour atteindre le cercle, vous devez<br />
déplacer votre position estimée, selon la<br />
direction de Pg, de la valeur de la<br />
différence entre Dzm et Dzc (soit<br />
exactement la différence entre Hv et Hc).<br />
Cette différence est l'intercept I<br />
Dans cet exemple, Pe est à l'extérieur du<br />
cercle, l'intercept I est vers Pg<br />
Hv > Hc donc le résultat de Hv – Hc = I<br />
est positif<br />
5 - Dans cet exemple, Pe est à l'intérieur<br />
du cercle, l'intercept I est à l'opposé de<br />
Pg.<br />
Hv < Hc, donc le résultat de Hv – Hc = I<br />
est négatif<br />
On commence par porter notre position estimée Pe sur notre carte marine, à l'intersection de la<br />
<strong>La</strong>titude L et de la Longitude G estimées.<br />
13
Par le point ainsi obtenu, on trace l'azimut Z en pointant par une flèche la direction de l'astre<br />
donnée par l’azimut.<br />
Puis on porte l'intercept I le long de l'azimut, en partant de la position estimée. On obtient "le<br />
point déterminatif"<br />
Ce point déterminatif est sur notre cercle de hauteur. C'est donc une position réelle possible.<br />
Mais nous pouvons aussi être un peu à côté. Nous devrions alors tracer un "lieu géométrique"<br />
de notre position, petite portion du cercle de hauteur, de part et d'autre du point<br />
déterminatif,que l'on peut assimiler à sa tangente.<br />
Cette tangente est facile à tracer : c'est la perpendiculaire à l'azimut (rayon du cercle) passant<br />
par le point déterminatif. C'est la droite de hauteur. Il est de tradition de représenter cette<br />
droite par un double trait.<br />
Nous venons de tracer notre Droite de Hauteur. Nous sommes désormais certains qu'à l'instant<br />
de notre mesure, nous étions "quelque part" sur cette droite. Mais où exactement ?<br />
Pour préciser notre position et obtenir ce que l'on appelle "Le Point", il faut recouper cette<br />
droite de hauteur par une autre droite.<br />
2 cas sont alors envisageables :<br />
1 - Vision simultanée de 2 (ou plus) amers :<br />
C'est, par exemple, le cas de nuit lorsque vous pouvez voir plusieurs étoiles en même temps,<br />
ou bien de jour lorsque le soleil et la lune sont tous les deux visibles. C'est aussi le cas lorsque<br />
vous apercevez un amer côtier (phare, côte, ligne de sonde), dont la présence précise le point.<br />
Dans tous ces cas, le déplacement de votre bateau entre chaque visée peut être considéré<br />
comme négligeable, le point obtenu est très précis et seule l'erreur éventuelle de la mesure au<br />
sextant ou des calculs pourra fausser le résultat.<br />
14
Point de nuit sur les étoiles :<br />
A quelques minutes d'intervalle, vous relevez 3 étoiles dans des<br />
azimuts assez différents. Vous pouvez négliger votre déplacement<br />
entre les différentes visées et faire tous les calculs et tous les tracés<br />
avec la même position estimée. Votre point est alors obtenu<br />
immédiatement avec une bonne précision.<br />
Sur le schéma ci-contre, les tracés ont été distingués par des<br />
couleurs distinctes, pour plus de clarté)<br />
Point de jour Soleil + lune :<br />
Il arrive souvent que la lune soit visible en plein jour. Un point peut<br />
alors être facilement obtenu en visant le soleil et la lune. Les deux<br />
visées sont très proches l'une de l'autre, on peut utiliser la même<br />
position estimée.<br />
Droite de hauteur + amer :<br />
Un amer est visible sur la côte, à peu près dans l'azimut de l'astre. Un<br />
relèvement de cet amer coupera la droite de hauteur de l'astre pour<br />
donner un point très précis.<br />
Droite de hauteur + ligne de sonde<br />
A l'approche d'une côte, à l'instant où le sondeur indique le passage<br />
sur une ligne de sonde portée sur la carte, une droite de hauteur<br />
permettra de caler précisément votre estime<br />
2 - Pas de visée simultanée :<br />
C'est le cas le plus fréquent de visée du soleil : on fait une droite de hauteur le matin, et une<br />
autre l'après midi, ou bien on calcule la latitude à la méridienne, puis une droite de hauteur<br />
quelques heures plus tard... Dans tous ces cas vous vous êtes déplacé entre les visées et il<br />
faudra tenir compte de ce déplacement pour "transporter" la première position pour recouper<br />
la deuxième. A l'erreur éventuelle de votre mesure et de vos calculs, s'ajouteront alors les<br />
imprécisions (cap et vitesse) de votre estime.<br />
15
2 droites de hauteur à quelques heures<br />
d'intervalle :<br />
Il faut attendre suffisamment longtemps entre<br />
les 2 visées pour que les 2 azimuts soient bien<br />
distincts.<br />
Il faut transporter la première droite selon la<br />
route (cap et distance) estimée parcourue<br />
entre-temps.<br />
Méridienne + droite de hauteur :<br />
Vous avez pu faire une latitude à la<br />
méridienne et une droite de hauteur dans<br />
l'après-midi. Il faut transporter la latitude de<br />
la valeur du déplacement estimé.<br />
Là aussi, l'écart de temps entre les deux<br />
mesures doit être suffisamment important<br />
pour que les droites soient bien distinctes.<br />
Bien sûr l'ensemble de cette théorie est applicable à tous les astres (lune, planètes, étoiles),<br />
mais nous n'aborderons pas cette étude dans le cadre de notre étude. Pour effectuer le tracé il<br />
nous faut donc la hauteur estimée de l’astre, l’azimut et l’intercept….<br />
B) LE CALCUL DE LA HAUTEUR ESTIMEE, DE<br />
L’INTERCEPT ET DE L’AZIMUTH<br />
Nous pouvons nous trouver dans les trois cas de figure suivant :<br />
-Ne posséder uniquement les tables de <strong>navigation</strong>s un papier un crayon bref a l’ancienne !<br />
-Posséder une calculatrice de type collège<br />
-Posséder une calculatrice programmable<br />
Dans un premier temps nous donnerons les formules permettant de calculer respectivement la<br />
hauteur estimée, l’intercept, l’azimut. Ensuite nous montrerons selon le matériel a disposition<br />
comment déterminer ces valeurs.<br />
Soit G notre longitude estimée L notre latitude estimée<br />
Soit D la déclinaison (latitude) et AH l’angle horaire (longitude) de Pg à l’instant de la<br />
mesure<br />
Soit A notre angle horaire local : angle entre notre méridien estimé et celui de l’astre<br />
Soit H la hauteur calculé : c'est la hauteur qu'on aurait dû mesurer au sextant si notre<br />
position estimée était juste.<br />
Soit Hv la hauteur vraie : <strong>La</strong> hauteur instrumentale Hi mesurée au sextant n'est pas la<br />
hauteur réelle de l'astre. Celle-ci est en effet toujours entachée d'erreurs qu'il faut corriger.<br />
16
<strong>La</strong> première de ces erreurs est la collimation que vous avez mesurée en visant l'horizon, avant<br />
de procéder à la mesure de la hauteur de l'astre. Il faut annuler cette erreur en ajoutant ou en<br />
retranchant sa valeur à Hi.<br />
Les autres erreurs sont inhérentes aux caractéristiques optiques de la mesure. Vous trouverez<br />
la valeur des corrections dans des tables plus ou moins sophistiquées fournies avec les<br />
éphémérides.<br />
Soit I l’intercept et Z l’azimut de l’astre (par rapport à notre position estimée)<br />
Les mathématiques nous permettent d’établir les relations suivantes<br />
- AHl = AH ± G<br />
- H = sin -1 ( sin L × sin D + cos L × cos D × cos A )<br />
- I = Hv – Hc<br />
- Z = cos -1 ( ( sin D – sin L × sin H ) ÷ (cos L × cos H ) )<br />
Pour faciliter les étapes de calcul il existe des canevas de calculs (voir en annexe)<br />
Ceux-ci sont fait pour être rempli facilement et ainsi permettre un calcul ne nécessitant plus<br />
de réfections. Nous les donnerons en annexe pour chacun des cas suivant :<br />
Le calcul avec les tables marines et le calcul avec la calculatrice type collège.<br />
¤ Le canevas assistant le calcul avec la calculatrice collège n’est pas indispensable . Avec un<br />
peu de méthode on peut poser facilement les formules précédemment citées et ainsi obtenir ce<br />
que l’on cherche : azimut et intercept. Le calcul de ces valeur n’est alors plus qu’une simple<br />
application numérique.<br />
¤ Avec une calculatrice type lycée, il suffit d’écrire le bon programme incluant le calcul des<br />
éphémérides, la correction du sextant et autres paramètres contraignant. Cela permet a<br />
l’utilisateur de ne se préoccuper de rien, et seulement entrer des données telles que la mesure<br />
de son sextant, les coordonnées de sa position estimée, l’heure de la mesure, la hauteur de son<br />
œil etc…<br />
Nous essaieront de vous présenter lors de la soutenance oral un programme réalisé en langage<br />
ada ou une feuille de calcul exel effectuant un calcul automatique de la position a partir des<br />
éphémérides donné par l’utilisateur la position estimé et la mesure faite au sextant<br />
Les tables de <strong>navigation</strong>s<br />
¤ Dans le cas ou nous disposons uniquement des tables de calculs cela s’avère plus difficile.<br />
Avant l'apparition de calculatrices scientifiques à bas prix, comment faisait-on ?<br />
Outre l'utilisation des tables de logarithmes, plusieurs méthodes ont été proposées pour<br />
faciliter les calculs d'astro. En France, les plus connues ont été les tables de Perrin, de<br />
Dieumegard ou de Bataille. Mais la méthode la plus utilisée dans la période "moderne" (juste<br />
avant l'arrivée du GPS) est sans conteste celle des tables américaines HO-249 (ou anglaises<br />
AP3270, ce sont les mêmes). Les tables HO-249 se présentent sous la forme de 2 livres de<br />
grandes dimensions (30 x 24 cm) de plus de 300 pages.<br />
17
Le premier tome concerne les <strong>navigation</strong>s entre l'équateur et le 39ème parallèle nord ou sud,<br />
et le deuxième tome s'adresse aux navigateurs entre le 40ème parallèle et le pôle nord ou sud.<br />
(Il y a un troisième tome uniquement consacré aux étoiles, nous n'en parlerons pas ici)<br />
Ces tables sont utilisables pour tous les astres dont la déclinaison n'excède pas 29°, ce qui est<br />
le cas du soleil, de la lune, des planètes observables et de beaucoup d'étoiles utilisables en<br />
<strong>navigation</strong> astro (pour pouvoir appliquer cette méthode à tous les astres, il faut utiliser les<br />
HO-229)<br />
Les HO-249 sont relativement faciles d'emploi car elles ne mettent en jeu que des opérations<br />
simples (addition et soustraction). Elles contiennent en effet tous les résultats des calculs<br />
trigonométriques de toutes les combinaisons possibles des 3 paramètres L, D, et AHl Tous les<br />
résultats ?! mais c'est infini ! En effet c'est pourquoi seules les valeurs arrondies au degré sont<br />
utilisées.<br />
Toute la difficulté (si l'on peut dire) est donc de s'accommoder de cette limitation.<br />
Voyons un exemple complet de calcul de l'Intercept et de l'Azimut avec les HO-249 :<br />
Le calcul de l'Intercept et de l'Azimut :<br />
Comme nous l'avons dit, ces tables n'utilisent que les valeurs arrondies au degré. Il appartient<br />
à l'utilisateur de s'arranger pour avoir de telles valeurs rondes pour entrer dans ces tables.<br />
Comme il ne lui est pas possible de jouer sur la position de l'astre (Angle horaire et<br />
déclinaison de Pg) fixée avec précision pour l'instant de l'observation, ni sur la position des<br />
pôles ( ! ), c'est sur sa position estimée qu'il va intervenir, ce qui n'est pas grave puisque celleci<br />
est, par définition, imprécise.<br />
On détermine d'abord une <strong>La</strong>titude arbitraire ronde, c'est à dire sans minutes ni secondes, en<br />
arrondissant notre latitude estimée au degré le plus proche.<br />
Puis on choisit une Longitude arbitraire telle que ajoutée (si Est) ou retranchée (si West) à<br />
l'angle horaire, on obtienne un Angle Horaire local rond.<br />
Nous voici en possession des 3 clés permettant d'entrer dans les HO-249 :<br />
Notre <strong>La</strong>titude arbitraire ronde,<br />
<strong>La</strong> Déclinaison du soleil (Les degrés seulement),<br />
Notre Angle Horaire local rond.<br />
Nous choisissons d'abord le tome des HO-249 qui nous concerne, selon la latitude où nous<br />
naviguons.<br />
- Nous y cherchons ensuite les pages de notre <strong>La</strong>titude. Il y en a plusieurs, une dizaine,<br />
parfois.<br />
- Parmi ces pages, nous devons ensuite rechercher celles concernant la déclinaison du soleil<br />
(degrés seuls). Il peut y en avoir 4 ou 5.<br />
- Parmi ces pages, nous devons choisir selon que notre <strong>La</strong>titude et la déclinaison du soleil sont<br />
de même nom (Nord & Nord ou Sud & Sud) ou de nom contraire (Nord & Sud ou Sud &<br />
Nord). Dans le premier cas, on choisira les pages "Déclination SAME name to <strong>La</strong>titude", dans<br />
le deuxième cas "Déclination CONTRARY name to <strong>La</strong>titude". Il ne nous reste plus que 3<br />
pages maximum.<br />
- Nous allons maintenant rechercher notre Angle Horaire Local dans les colonnes de droite ou<br />
de gauche de la page, intitulées LHA (abréviation anglaise de AHl)<br />
- A l'intersection de la ligne de notre Angle horaire local et dans la colonne de la déclinaison<br />
du soleil, nous trouvons 3 chiffres : Hc, d (précédé de + ou –), et Z<br />
Hc est la Hauteur Calculée d est l'indice de correction de Hc Z est l'Azimut<br />
il faut maintenant exploiter ces informations.<br />
18
L'Intercept : On prend maintenant les minutes de la Déclinaison de l'astre et d, pour entrer<br />
dans la Table 5 des HO-249. A l'intersection de la ligne et de la colonne de ces 2 chiffres, on<br />
en trouve un 3ème. On lui affecte le même signe qu'à d (+ ou –) et on l'ajoute (ou on le<br />
soustrait) à Hc. Le résultat est la hauteur calculée définitive Hc.<br />
Pour obtenir l'Intercept, il suffit de faire Hv – Hc = I.<br />
L'Azimut : <strong>La</strong> valeur de Z fournie par les HO-249 doit être modifiée selon votre <strong>La</strong>titude L et<br />
la valeur de AHl :<br />
Si AHL > 180°<br />
(le matin)<br />
Si AHL < 180°<br />
(l'après-midi)<br />
Si L est Nord Si L est Sud<br />
Zn = Z Zn = 180 – Z<br />
Zn = 360 – Z Zn = 180 + Z<br />
Cette règle est rappelée sur toutes les pages des HO-249<br />
Le résultat, Zn, est votre Azimut définitif.<br />
Nous pouvons enfin tracer maintenant notre droite de hauteur !<br />
<strong>La</strong> page suivante montre un aperçu des tables HO-249 :<br />
19
III) L’AVENIR DE LA NAVIGATION ASTRONOMIQUE<br />
Les méthodes que nous avons développés jusque-là, y compris la méthode automatique, se<br />
basent sur des calculs et des mesures humaines (sextant). Or, il y a toujours le risque d’avoir<br />
une erreur ou une imprécision, ce qui peut fausser, plus ou moins,les résultats obtenues.<br />
Néanmoins, elles permettent d’avoir une estimation de notre position en mer.<br />
Cependant, toujours grâce aux avancées scientifiques et techniques, l’homme ne se contentent<br />
plus, de nos jours, d’une estimation plus ou moins grossière de sa position en mer (longitude,<br />
latitude). Il a, par conséquent, développer des systèmes beaucoup plus perfectionnés (que<br />
ceux que l’on a décrit jusque-là) et permettant d’afficher instantanément votre position.<br />
Suivant la région que nous fréquentons, il s'agit soit du LORAN C, soit du DECCA, soit d'un<br />
navigateur par satellites TRANSIT, ou encore d'un GPS (Global Positioning System) pour les<br />
principaux (car il en existe d'autres : I'OMEGA DIFFERENTIEL, le RANA, le TORAN ...).<br />
¤ Le LORAN C :C’est un système qui couvre depuis l' Irlande et les côtes nord de<br />
l'Angleterre, la côte Est des U.S.A., la Floride, le Golf du Mexique. <strong>La</strong> Méditerranée<br />
est pratiquement toute couverte. Par contre le système est inutilisable pour une traversée<br />
vers les Antilles par la route des alizés. Le Principe est le suivant :<br />
Chaque chaîne est constituée d'une station maître et de deux ou plusieurs stations<br />
secondaires commandées par la station maître. A bord du bateau le récepteur calcule la<br />
différence de temps entre l'arrivée des signaux radio émis par les stations. Ces temps<br />
correspondent à des hyperboles. L'intersection de 2 d'entre elles détermine la position.<br />
¤ Le DECCA : Ce système a été mis au point par les anglais après la dernière guerre.<br />
25 chaînes couvrent actuellement tout le Nord de l'Europe jusqu'à Gibraltar<br />
mais pas la Méditerranée. Le principe est basé sur la comparaison de phases de signaux<br />
haute fréquence (voisins de 100 KHz) provenant d'émetteurs terrestres synchronisés.<br />
Chaque chaîne comporte 4 émetteurs : 1 maître + 3 esclaves synchronisés en phase et en<br />
fréquence par le maître.<br />
Le système DECCA permet de connaître sa position à tout instant avec une<br />
précision allant de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, et ceci,<br />
quelles que soient les conditions météorologiques.<br />
¤ LES NAVIGATEURS PAR SATELLITES<br />
Deux navigateurs par satellites, pratiquement basés sur le même principe, vont nous<br />
permettre de donner les différents systèmes utilisés.<br />
TRANSIT est un récepteur automatique qui capte les informations des satellites de la chaîne<br />
transit, mis en service par l'armée<br />
américaine pour les sous-marins nucléaires.<br />
5 satellites tournent autour de la terre en 107 minutes à une altitude de 1000 km en orbite<br />
polaire et assurent une couverture mondiale. Sa précision est excellente : de 0,05 mille à 0,2<br />
mille suivant que le bateau se déplace ou non.<br />
Le navigateur par satellites GPS (ou Global Positioning System) est un système de<br />
<strong>navigation</strong> en 3 dimensions: il donne aussi l'altitude. Géré par le gouvernement Américain,<br />
il assure une couverture mondiale grâce à 24 satellites placés sur des orbites circulaires<br />
parcourues 2 fois par jour à une altitude de 20 232 Km. Chaque orbite est inclinée de 55°<br />
par rapport à l'équateur.<br />
21
Le signal émis en permanence par chaque satellite est piloté par une horloge atomique. <strong>La</strong><br />
précision des informations est contrôlée et corrigée en permanence par des stations terrestres.<br />
Le G.P.S, permet de se positionner à quelques dizaines de mètres près dans les meilleures<br />
conditions. Il est, actuellement, l’un des systèmes de positionnement les plus précis. Voici<br />
quel en est le principe de fonctionnement :<br />
Généralités<br />
Le principe de localisation GPS repose sur l'émission de signaux codés véhiculés par une<br />
onde porteuse, selon deux modes de fonctionnement :<br />
- un mode précis de positionnement à priori réservé à des utilisateurs identifiés<br />
(code P ; précision de l'ordre de 10m)<br />
- un mode standard de positionnement, sans restriction d'utilisation<br />
(code C/A ; précision de l'ordre de 100 m).<br />
Un récepteur reçoit donc simultanément les signaux codés en provenance de plusieurs<br />
satellites situés à des distances différentes du lieu d'observation. Le décodage de ces signaux<br />
permet d'évaluer ces distances et d'en déduire la position du récepteur dans un référentiel<br />
géodésique connu (WGS 84).<br />
<strong>La</strong> précision peut être améliorée par méthode différentielle (DGPS), en s'aidant d'une station<br />
de référence proche de l'endroit où l'on effectue les mesures.<br />
A noter que la précision centimétrique nécessaire dans des domaines tels que la géophysique<br />
requiert le traitement d'informations sur la phase de l'onde porteuse elle-même, opération qui<br />
ne peut être effectuée qu'en différé, à l'aide d'un système de traitement spécifique.<br />
Eléments d'explication<br />
L'onde porteuse émise par un satellite GPS se propage dans toutes les directions à la vitesse<br />
c = 300 000 km.s -1 .<br />
Le front de l'onde est donc sphérique. Lorsque ce front d'onde rencontre la surface terrestre<br />
considérée comme sphérique, l'intersection est un cercle. Sur le schéma ci-dessous, un signal<br />
de très courte durée véhiculé par l'onde porteuse émise par le satellite 1 atteint tous les points<br />
du cercle rouge au même instant . Pour simplifier, imaginons que les satellites émettent de<br />
façon synchronisée une série de lettres, de A à Z, les unes après les autres.<br />
A une date précise, t, compte tenu des distances d1, d2, d3 différentes, tous les points situés sur<br />
le cercle rouge recevront par exemple la lettre Z alors que tous les points situés sur le cercle<br />
vert recevront la lettre H et tous les points situés sur le cercle bleu recevront la lettre A.<br />
A cette date t, Le récepteur situé en P recevra la combinaison ZHA. Seul ce point peut<br />
recevoir cette combinaison à cette<br />
date. Un récepteur situé ailleurs<br />
recevrait une combinaison de lettres<br />
différente.<br />
On conçoit donc que du décodage de<br />
signaux véhiculés par ondes porteuses<br />
et provenant de satellites plus ou moins<br />
éloignés, on puisse déduire la position<br />
géographique d'un récepteur.<br />
Il faut au minimum 3 satellites pour<br />
avoir une localisation en 2<br />
dimensions à la surface de la Terre et<br />
4 satellites pour accéder à l'altitude.<br />
22
Précision des mesures<br />
Globalement, la précision du système GPS dépend étroitement de la qualité de mesure du<br />
temps (un signal véhiculé par une onde progresse de 3 m en 10 milliardièmes de seconde !).<br />
<strong>La</strong> précision de localisation dépend donc des performances des horloges, de la<br />
synchronisation des horloges des satellites, de la connaissance du décalage de temps entre<br />
l'horloge du récepteur et celles des satellites, et aussi de la connaissance des paramètres<br />
susceptibles d'influer sur la vitesse de propagation des ondes.<br />
Le ‘DOP’ (Dilution of Précision): Pour l'utilisateur, la précision dépend également des<br />
positions des satellites dans le ciel, par rapport au lieu de réception. Il est aisé de concevoir<br />
que si les satellites reçus sont dans la même direction et au ras de l'horizon, le calculateur aura<br />
bien du mal à localiser correctement le récepteur. Le "DOP" est un paramètre qui permet<br />
d'estimer la qualité de la mesure effectuée en fonction de l'azimut et de l'élévation de chacun<br />
des satellites dont les signaux sont reçus au lieu d'observation.<br />
Ci_dessous : L'angle alpha représente l'azimut. Il est compté à partir du nord, positivement<br />
dans le sens de rotation des aiguilles d'une montre. L'angle alpha représente l'élévation du<br />
satellite au dessus de l'horizon.<br />
23
CONCLUSION :<br />
Est-il aujourd'hui nécessaire de connaître la Navigation Astronomique ?<br />
<strong>La</strong> réponse tient en un mot : non.<br />
A l'heure où le GPS vous donne en quelques secondes une position quasi infaillible, sans<br />
aucun calcul, et pour un prix égal à celui d'un banal sextant en plastique, la connaissance de<br />
cette technique n'est plus indispensable.<br />
Alors, pourquoi faire de la Navigation Astronomique?<br />
Tout simplement parce qu'en la découvrant, vous vous rapprochez de la science des marins<br />
d'autrefois, de tous les Capitaines Cook, Surcouf, Bligh, Bougainville... des Slocum,<br />
Moitessier, Dumas... qui sont à l'origine de certains points clés de notre histoire. Cela permet<br />
aussi de faire travailler l'imagination et de se rendre compte qu'avec des moyen rudimentaire,<br />
quelques approximations et autres calculs quasi élémentaire, on peut se repérer sur la terre .<br />
Mais aussi parce que cela peut toujours servir! Qui vous garantit que jamais votre GPS ne<br />
tombera en panne ? qui vous dit que jamais vous n'aurez besoin de sortir votre sextant de sa<br />
boîte ....?<br />
24
ANNEXE :<br />
GLOSSAIRE :<br />
Angle horaire et déclinaison :<br />
Un système de coordonnées, similaire aux coordonnées terrestres de latitude et de longitude, a<br />
été adopté pour décrire la position des astres dans le ciel.<br />
Ce système comprend la déclinaison, qui correspond à la latitude terrestre, et l'angle horaire,<br />
qui correspond à la longitude terrestre. Pour les besoins<br />
pratiques de la <strong>navigation</strong>, la position des étoiles les unes par rapport aux autres est considérée<br />
comme fixe.<br />
Les angles et les distances :<br />
Les angles sont généralement mesurés en Degrés, minutes et secondes. <strong>La</strong> circonférence d'un<br />
cercle fait 360 Degrés. Un degré est équivalent à 60 minutes.<br />
Les secondes d'arc ne sont pas utilisées pour le point Astro, car le sextant n'est pas assez<br />
précis pour les mesurer. L'unité d'angles la plus petite utilisée<br />
par le navigateur est le dixième de minute.<br />
Le Mille Nautique (=1852 m) est l’unité qui a été choisie pour simplifier les conversions entre<br />
angles et distances. Un mille nautique corresponds à un<br />
arc d'une minute, sur la surface de la terre. Ainsi, les angles et les distances, a la surface de la<br />
terre, sont égaux. Une exception a cette règle: Une<br />
minute de longitude est égale a 1 mille nautique, mais seulement près de l'équateur.<br />
Une autre équivalence importante se retrouve entre le temps et les degrés de longitude.<br />
Puisque la terre fait un tour complet (360°) en 24 heures, chaque<br />
heure correspond à 15° de longitude. C'est à dire 900 Milles Nautiques (MN).<br />
Azimut :<br />
L'angle que fait XZ (droite joignant le Pg de l’astre et le point où se situe le navigateur) avec<br />
le Nord vrai est appelé l'Azimut (RAz) de l' astre. L'azimut est la direction horizontale vers<br />
laquelle se trouve le PG de l' astre.<br />
Cercle de hauteur ou Cercle de position :<br />
En connaissant la distance zénithale et le Pg d’un astre, nous pouvons seulement dire que<br />
notre position se trouve sur un grand cercle, dont le centre<br />
est le Pg et dont le rayon est égal à la distance zénithale. Ce cercle est appelé le Cercle de<br />
Position (ou cercle de hauteur).<br />
Distance zénithale :<br />
<strong>La</strong> distance XZ, du point X (PG de l' astre) et le point Z du navigateur est appelé la distance<br />
Zénithale. Cette distance, comme nous l'avons vu, peut s'exprimer<br />
en milles ou en degrés, puisque c'est un arc sur la surface de la terre.<br />
25
Droite de hauteur :<br />
Parce que la Position Géographique d'un astre est normalement à des milliers de kilomètres de<br />
notre position, le cercle de position est extrêmement grand<br />
et cette toute petite partie qui nous intéresse - celle près de notre position - peut alors être<br />
considérée comme une droite, orthogonale à l'Azimut de<br />
l'astre. Cette droite est appelée <strong>La</strong> droite de Hauteur. (Schéma 9).<br />
Ephéméride :<br />
Dans le langage courant, l´éphéméride désigne ce qui se passe journellement ; l´éphéméride<br />
du jour est la liste des événements marquants de ce jour. Par extension, les éphémérides<br />
<strong>astronomique</strong>s désignent a priori une table journalière de positions de corps célestes mobiles<br />
(ceux du système solaire) ainsi que des phénomènes <strong>astronomique</strong>s ayant lieu ce jour telles<br />
les éclipses. Les éphémérides de positions sont donc avant tout la représentation d´un<br />
mouvement. Les éphémérides que l´on connaît sous forme de tables de nombres sont les plus<br />
courantes et les plus anciennes, mais ce n´est pas la seule forme possible et, de nos jours, ce<br />
n´est plus la forme la meilleure car il en existe maintenant<br />
d´autres beaucoup plus performantes.<br />
Hauteur d’un astre :<br />
Il est difficile de déterminer la distance Zénithale avec précision, car il est difficile de trouver<br />
la direction verticale exacte sur le pont chahuté d'un<br />
bateau. Il est beaucoup plus facile de mesurer l'angle que fait l'astre avec l'horizon. Cet angle<br />
important pour le navigateur Astro. est appelée la Hauteur<br />
(Ho) de l'astre. <strong>La</strong> hauteur d'un astre est déterminée avec un sextant sur le plan vertical, en<br />
mesurant l'angle entre l'horizon et l'astre.<br />
Intercept :<br />
<strong>La</strong> façon de connaître notre position exacte est de dessiner 2 cercles de positions ou plus, pour<br />
2 objets célestes ou plus, et voir ou ils s'interceptent. Mais dessiner<br />
ces cercles demanderais des cartes géantes ! On évite ce problème en estimant notre position.<br />
Peu importe si l'on est complètement perdu, nous pouvons<br />
toujours l'estimer. A partir de cette position estimée, nous pouvons calculer une hauteur pour<br />
un astre observée à une heure donnée, en utilisant les Ephémérides<br />
Nautiques. Cette Hauteur Calculée peut maintenant être comparée avec notre Hauteur<br />
Observée (celle mesurée avec le sextant). <strong>La</strong> différence entre les deux représente<br />
l'erreur entre notre position estimée et notre position réelle, que l'on appellera l'Intercept.<br />
L'intercept peut se tracer vers l' astre ou au contraire,<br />
à l'écart de l' astre. C’est plus concrètement la différence de rayon entre le cercle de hauteur<br />
vrai et le cercle de hauteur estimé<br />
<strong>La</strong>titude et longitude :<br />
<strong>La</strong> latitude d'un lieu donné est l'angle formé par la verticale de ce lieu avec le plan de<br />
l'équateur. Exprimée en degrés, elle est comptée de 0° à 90° à<br />
partir de l'équateur vers les pôles, positivement vers le nord et négativement vers le sud. <strong>La</strong><br />
longitude d'un lieu donné correspond à l'angle formé par le méridien de ce lieu avec le<br />
méridien d'origine (méridien de Greenwich). À partir de cette<br />
origine, elle varie entre 0° et 180°, positivement vers l'ouest et négativement vers l'est.<br />
26
Méridien :<br />
nom donné à une ligne imaginaire parcourant la surface de la Terre d'un pôle à un autre. Un<br />
méridien correspond à la moitié d'un grand cercle qui passe par les pôles et forme un angle<br />
droit avec l'équateur. Il est midi en n'importe quel point du globe quand les rayons directs du<br />
soleil passent au-dessus du méridien de l'endroit considéré. Quand nous observons<br />
les étoiles et les planètes passer au-dessus du méridien, elles apparaissent directement audessus<br />
de nos têtes. Le méridien est le lieu des points ayant<br />
même longitude. <strong>La</strong> latitude et la longitude<br />
permettent de déterminer la position d'un point à la surface de la Terre grâce à l'attribution de<br />
coordonnées.<br />
Point géographique d’un astre (Pg) :<br />
imaginons une droite connectant le centre d'une étoile au centre de la terre. Le point où cette<br />
droite touche la surface de la terre est appelé<br />
la Position Géographique de cette étoile (PG). Un observateur se trouvant à la position<br />
géographique d'une étoile se trouvera directement à sa verticale,<br />
et la verra exactement au-dessus de sa tête.<br />
Sphère céleste :<br />
Imaginez que la terre est au centre de l'univers - (y'en a qui ne croient plus a ça aujourd'hui,<br />
mais bon... ) - et qu'autour de la terre se trouve une<br />
plus grande sphère, le centre au même point, dans laquelle la position des astres est fixe,<br />
comme si ils étaient peints sur la surface intérieure de cette<br />
sphère. Cette autre sphère nous l'appelons la Sphère Céleste.<br />
Zénith :<br />
Un autre point important est le Zénith. Le Zénith est le point dans la sphère céleste, à la<br />
verticale, au-dessus du navigateur. <strong>La</strong> droite qui relie le Zénith<br />
et le centre de la terre transperce la surface de la terre au point exact où se trouve le<br />
navigateur, celui que nous cherchons à déterminer.<br />
.<br />
27
LE SEXTAN<br />
Il a été inventé vers 1730, en même temps en Amérique et en Angleterre, par le<br />
mathématicien anglais John Hadley (1682-1744) et par l'inventeur américain Thomas Godfrey<br />
(1704-1749).<br />
Il comporte :<br />
- une lunette fixée horizontalement sur le cadre,<br />
- plusieurs miroirs mobiles.<br />
Sa construction repose sur les lois de la réflexion de la lumière. Le sextant a la forme d'un<br />
secteur angulaire de 60°.<br />
Cet appareil est destiné à mesurer la hauteur d'un astre (Soleil, Lune, Étoiles ...) au<br />
dessus de l'horizon. Avec l'aide de tables <strong>astronomique</strong>, on peut en déduire la latitude du lieu<br />
d'observation.<br />
Avant l'apparition de la radiogoniométrie puis du GPS, il permettait avec l'aide d'un<br />
chronomètre (pour la détermination de la longitude) de faire le "point".<br />
Une incertitude d'une minute d'arc sur la latitude correspond à une erreur de position d'un<br />
mille nautique soit 1852 m. Au niveau de l'équateur, une erreur d'une seconde de temps<br />
correspond à une erreur de position d'un quart de mille nautique.<br />
Description :<br />
Le sextant est constitué par un secteur OAB de 60° soit un sixième de cercle d'ou le<br />
nom de l'appareil. Une lunette est fixée sur le bras OA parallèlement à la corde AB. Sur le<br />
bras OB est fixé, parallèlement à OA, un miroir semi transparent M2.<br />
Un miroir M1 solidaire d'une alidade mobile OC est placé en O, centre du secteur. Le secteur<br />
AB est gradué et un vernier permet de déterminer avec précision (1 minute) la valeur de<br />
l'angle ϕ = AOC.<br />
Des filtres atténuateurs doivent être placés avant le miroir M1 quand on pointe le Soleil.<br />
L'alidade sert à opérer la mesure d'angles. Elle consiste en une règle qui porte un<br />
système de visée dit à pinnules. Ce sont deux plaques de cuivre fixées perpendiculairement,<br />
par des charnières, aux extrémités de l'alidade, et percées d'orifices étroits: petit trou, fente<br />
étroite sans fil, fente avec fil médian (dioptre).<br />
On place l'alidade sur une table ou une planchette. Un repérage consiste à mettre en<br />
coïncidence deux orifices avec un point visé au loin. On vise ensuite un second point. Passant<br />
ainsi d'une visée à l'autre, on mesure et on marque sur la table l'angle que font les deux<br />
directions choisies, que l'on peut mesurer<br />
ensuite au rapporteur.<br />
Ici l’alidade est intégrée dans le sextant, et l’angle est mesuré grâce à l’appareil.<br />
28
Utilisation :<br />
Avec la lunette, on vise l'horizon à travers M2. <strong>La</strong> corde AB est alors parallèle à<br />
l'horizontale locale. En même temps, on déplace l'alidade OC pour que l'image de l'astre<br />
obtenue par double réflexion (sur M1 puis M2) coïncide avec celle de l'horizon.<br />
Quand cette condition est réalisée, l'angle AOC est égal à la moitié de la hauteur (angle SOH)<br />
de l'astre visé.<br />
Rappel : Quand un miroir tourne d'un angle ϕ, le rayon réfléchi tourne d'un angle 2ϕ.<br />
29
Canevas,<br />
aides aux<br />
calcul<br />
de l’intercept<br />
et de<br />
l’azimut :<br />
30
<strong>Etud</strong>iants :<br />
CARTIER Chloé :<br />
ccartier@etud.insa-toulouse.fr<br />
CARVIN Denis :<br />
dcarvin@etud.insa-toulouse.fr<br />
ABDELHAMID Brahim:<br />
babdelhamid@etud.insa-toulouse.fr<br />
BRAZEILLES Rémi<br />
rbrazeilles@etud.insa-toulouse.fr<br />
professeur responsable : Mr ROUSSEAU<br />
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