Le réseau de détection

Météorage gère, opère et exploite depuis 1987 le réseau national de détection de la foudre, aussi appelé « Réseau Météorage », qui permet de localiser avec une grande précision les éclairs générés par les orages qui se produisent sur le territoire français métropolitain. Un réseau est composé d’un ensemble de capteurs de détection, d’un concentrateur-calculateur et d’un système de traitement qui gère les bases de données et permet la génération des services aux utilisateurs.

  1. Principe
  2. Domaine
  3. Fonctionnement
  4. Performances de détection foudre
  5. Performances opérationnelles

 

 

1- Principe :

 

Le principe utilisé par ce réseau est la mesure du champ électrique qui consiste à localiser une source d’émission radioélectrique, en l’occurrence un éclair, grâce au traitement, par un calculateur central, des mesures de plusieurs capteurs.

Lorsque l’éclair se produit, le courant électrique qui circule va générer une impulsion électromagnétique qui va se propager uniformément dans toutes les directions. Chaque éclair peut donc être considéré comme une immense antenne émettrice ponctuelle. La mesure de la direction et/ou du temps d’arrivée du signal incident reçu au niveau de plusieurs capteurs, dont on connaît avec précision l’emplacement, va permettre d’en localiser la source grâce à des techniques comme la triangulation, la différence de temps d’arrivée ou la combinaison des deux.

 

2- Domaine :

carte europe - 2015 - eng- meteorage-sans legende

Le réseau national de détection de la foudre est composé de 19 capteurs répartis sur l’ensemble du territoire de la France métropolitaine. La géométrie du réseau a été conçue de façon à garantir des performances de mesures optimales, sur le territoire en question.

Une extension du réseau couvre la Suisse, le Belgique, le Royaume Uni et l’Irlande.

Afin d’étendre et d’améliorer la couverture du réseau national de détection de la foudre aux zones frontalières voisines, Météorage a conclu avec ses voisins, propriétaires de réseaux de détection compatibles, des accords d’échanges de données. Les accords en vigueur permettent  de concentrer les données des capteurs italiens, suisses, allemands, britanniques, du Benelux et espagnols.

Au total, le réseau « Météorage étendu » est composé de près de 100 capteurs de type  LS7001, IMPACT et LPATS.

L’ensemble des capteurs, qu’ils appartiennent à Météorage ou à ses partenaires, est concentré en temps réel et en continu sur deux calculateurs indépendants (pour assurer la redondance et la sécurité de la fourniture des données) via des liaisons télécoms supervisées. Ainsi, le réseau « Météorage étendu » est un réseau homogène et sans couture dont la zone de couverture est un domaine de 1500 x 1500 km².

 

3- Fonctionnement :

 

Les capteurs du réseau Météorage sont des modèles LS7001, la toute dernière génération de capteurs combinant la radiogoniométrie et le temps d’arrivée de la gamme du constructeur Vaisala, le leader de l’instrumentation météorologique. Ils détectent en temps réel, les signaux radioélectriques émis dans le domaine des basses fréquences par l’arc en retour[1] et les arcs subséquents[2] qui composent chaque éclair.

 

SPcapteur

 

Pour chaque signal détecté, le capteur détermine la direction angulaire de propagation, le temps d’arrivée ainsi que les paramètres de forme d’onde. Ces informations sont envoyées par le capteur simultanément et en temps réel aux deux calculateurs centraux indépendants.

Les capteurs embarquent une horloge de précision, périodiquement synchronisée sur le système de satellites, Global Positioning System (GPS), dont la précision garantie est de l’ordre de 100 ns.

Afin d’éliminer les signaux parasites qui pourraient polluer la qualité des mesures, les signaux détectés par un capteur, sont analysés et comparés à un gabarit de forme d’onde qui définit la signature d’un éclair. Tout signal en dehors de la norme, sera rejeté et ne sera pas transmis au calculateur, rendant ainsi le système extrêmement robuste aux parasites.

Les capteurs des réseaux partenaires sont de divers modèles mais tous compatibles et utilisant les principes de détection angulaire ou par temps d’arrivée.

 

4- Performances du réseau de détection foudre

 

Le constructeur Vaisala a développé un modèle de calcul pour estimer les performances d’un réseau de détection de la foudre en fonction des caractéristiques des capteurs, du principe de localisation, de la géométrie du réseau et des phénomènes physiques mis en jeu, notamment les effets de sol sur la propagation des signaux.

On peut ainsi estimer avec une bonne confiance l’efficacité de détection (proportion des évènements détectés par le réseau par rapport aux évènements qui se produisent réellement) et la précision de localisation des flashs ou des arcs.

Les résultats de ce modèle, utilisé et affiné depuis plus de 15 ans, ont été contrôlés et validés par leur corrélation avec des « preuves terrain » comme les campagnes de tirs déclenchés, l’instrumentation des objets élevés ou des campagnes de vidéos.

Les performances sont vérifiées par diverses méthodes :

  • par des campagnes de mesures permettant d’accumuler des preuves terrain en nombre suffisant,
  • par la mesure de l’efficacité de détection relative des capteurs
  • à travers le « nombre de capteurs détectant » donné pour chaque localisation
  • avec les outils de suivi du réseau proposé par le concentrateur TLP

                                                                                                   

Les deux paramètres important dans un réseau et qui déterminent la qualité des données sont l’efficacité de détection et la précision de localisation.

  
 

4-1 Efficacité de détection pour les impacts de type Nuage-sol

 

réseau M3

Efficacité de détection nuage-sol

La carte présentée ci-dessus montre l’efficacité de détection des flashs Nuage-Sol uniquement. L’efficacité de détection sur la France est supérieure ou égale à 95%.

 

  4-2 Précision de localisation pour les impacts de type Nuage-sol

réseau M4

Précision de localisation des nuage-sol

La carte présentée ci-dessus montre la précision de localisation des flashs Nuage-Sol. Le calcul effectué tient compte des erreurs de mesures des capteurs sur le temps d’arrivée et sur la direction angulaire. La précision de localisation sur la France, est inférieure ou égale à 110 m et de l’ordre de 500 m sur le reste de la zone de couverture.

 

4-3 Détection des décharges intra-nuage

Les capteurs de type LS7001 sont capables de détecter les signaux émis par les éclairs intra-nuages, dans la configuration actuelle, l’efficacité de détection des décharges intra-nuages sur la France varie entre 5 et 40%.

La discrimination des intra-nuages est basée sur l’analyse de la forme d’onde du signal détecté par chaque capteur au niveau du calculateur. Plusieurs paramètres sont pris en compte comme la largeur d’impulsion, le temps de montée, la polarité et l’amplitude.

 

 

5- Performances opérationnelles

 

5-1 Délai de mise à disposition

Le « Réseau Météorage étendu » détecte et traite les informations relatives aux éclairs en temps réel et en continu. Cette caractéristique permet au système de mettre les données à disposition des utilisateurs dans les plus brefs délais, mais implique aussi qu’il faut s’assurer que l’ensemble des données à traiter est arrivé au niveau du concentrateur.

Dans la pratique ce délai dépend donc essentiellement des temps de transit des réseaux de télécommunications utilisés pour concentrer puis restituer les données, les temps de traitement des capteurs et du calculateur étant négligeables. L’expérience a montré que le transit pouvait atteindre les 10 secondes sur l’Internet Public.

 Pour s’affranchir de ce problème, le calculateur stocke les données pendant un laps de temps paramétrable avant de commencer leur traitement.

 Ce paramètre est fixé 12 secondes ce qui garantit un délai de mise à disposition des données de cet ordre de grandeur.

 

5-2 Disponibilité du réseau

Le fonctionnement temps réel et continu du « Réseau Météorage étendu » nécessite une architecture de traitement de donnée sécurisée, des moyens télécoms redondants et une supervision permanente du système.

Toute panne de capteur affecte les performances générales du système, mais le maillage des capteurs mis en place permet de réduire la sensibilité du réseau à la panne d’un seul capteur. On constate en effet que le nombre moyen de capteurs participant à une localisation est supérieur à 8, alors que 3 seraient suffisants.

La disponibilité des capteurs en particulier et du réseau en général sont des indicateurs très surveillés à Météorage. Ainsi, Météorage a mis l’accent sur la supervision et la maintenance du réseau. Par exemple, Météorage a développé un système automatique d’alerte qui permet de réagir au plus vite et d’assurer un suivi du réseau, et utilise un système d’enregistrement et de gestion qui permet de tracer les causes de pannes.

Dans le cadre du fonctionnement du réseau Euclid, les capteurs exploités par Météorage, comme les capteurs partenaires, font l’objet d’un contrôle qualité indépendant réalisé par OVE-ALDIS partenaire autrichien de Météorage.

 

5-3 Disponibilité  du système de concentration  et du système de traitement des données

La continuité de service est un objectif permanent de Météorage pour assurer la qualité de ses prestations auprès de ses clients. Le système de traitement a été développé et bâti dans cet objectif, en cherchant à maximiser la disponibilité des données et des services pour les clients.

 

Les calculateurs centraux :

Le système est composé de deux calculateurs centraux indépendants et géographiquement distants, l’un au centre opérationnel de Météorage à Pau et l’autre chez Météo France à Toulouse.

Chaque calculateur concentre les données des capteurs du « réseau Météorage étendu » via un accès sécurisé par un VPN. Chaque point d'accès dispose de 2 connexions distinctes. Chacun des accès centraux possède une liaison SDSL, secourue automatiquement par liaison Numéris.

 

Le système de traitement des données :

Le système de traitement des données CATS, développé par Météorage, est réparti dans deux salles machines distinctes gérées par Météorage. Chacune fonctionne de façon autonome et permet d’assurer l’ensemble du service pour les utilisateurs temps réel de Météorage. Chaque salle dispose d’une connexion aux deux concentrateurs du réseau, physiquement séparés, et d’un système de surveillance automatique qui permet le basculement entre le « flux principal » et le flux de secours ». Les liaisons Internet et électriques sont distinctes. La sécurité d’alimentation électrique est assurée par un ensemble d’onduleurs et par un groupe électrogène.

 

La supervision :

L’ensemble des opérations est supervisé en permanence en particulier avec le système CATS.  Le personnel technique de Météorage assure une astreinte 365/7/24.

 

 

 

[1] Arc en retour : la première décharge de courant qui se produit lorsque le précurseur (en provenance du sol) et le traceur par bond (en provenance du nuage) se rencontre.

[2] Arc subséquent, aussi appelé « ré-allumage », qui est une décharge de courant empruntant entièrement ou en partie le canal ionisé et conducteur créé par l’arc en retour.