UE ingenierie 2015 [Mode de compatibilité]jacdev/ens/ios2_15.pdf · DEFINITION , INTERET, MOYENS 3...

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UE S8 Master Géosciences Brest Ingénierie Marine

Notions de navigation et positionnement en mer

rappel des projections, navigation à l’estime, positionnement radio-électrique, aperçus sur positionnements sous-marins (géodésie fond de mer, applications)

1. INTRODUCTION: GEOSCIENCES MARINES, POSITIONNEMENT ET CARTOGRAPHIE2. NAVIGATION A L'ESTIME:DEFINITION, INTERET, MOYENS

3. NAVIGATION PAR REFERENTIELS EXTERIEURS1.

4. CONCLUSIONS

Cours J. DEVERCHERE – 2015

3.2 Précision requise des systèmes utilisés3.1 Présentation du problème

3.3 Navigation astronomique3.4 Propagation des ondes électromagnétiques3.5 Système GPS3.6 Positionnement sous la mer

2.1 Qu'est-ce que la navigation à l'estime ?2.2 Pourquoi naviguer à l'estime ?2.3 Comment naviguer à l'estime ?

- Cap (magnétique, gyroscopique)- Vitesse surface- Vitesse fond

2. NAVIGATION A L'ESTIME: DEFINITION, INTERET, MOYENS

2.1 Qu'est-ce que la navigation à l'estime ?

2.3 Comment naviguer à l'estime ?

-Détermination du cap:

- Compas magnétique: rudimentaire - boussole = aiguille aimantée sur une rose montée sur un système à la Cardan pour compenser les effets du tangage et du roulis du navire. Le compas magnétique indique le Nord dit Nord compas, c'est-à-dire le Nord magnétique (Nord géographique affecté de la déclinaison) affecté de l'effet du champ propre dû au navire appelé déviation- Pour accéder au nord géographique la mesure doit être corrigée de la déclinaison (mentionnée sur la carte marine) et de la déviation (qui doit être calculée pour chaque navire). - Compas gyroscopique: donne directement le Nord géographique et permet ainsi de s'affranchir de la déclinaison et de la déviation. Principe: tout corps qui tourne sur lui même tend à maintenir son axe de rotation dans une direction donnée. L'axe de rotation du compas gyroscopique est stabilisé dans la direction du nord géographique. Un système d'amortissement (volant d'inertie) conserve cette direction quels que soient les mouvements du navire.

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Détermination de la vitesse: mesure en neuds ('knots'), un neud valant un mille marin par heure, soit 1852 m/h.

1. Vitesse 'surface' (ou de surface)- très importante à déterminer, car elle va conditionner la façon dont vont 'naviguer' à l'arrière du navire des outils géophysiques - a) Un des moyens anciens pour mesurer la vitesse d'un navire: lancer à la mer à l'avant du navire une pièce de bois et mesurer le temps mis par le navire pour la dépasser -> mesure du temps mis par le navire pour parcourir sa propre longueur (connue) -> vitesse navire déduite- b) loch (loch électromagnétique, ou à turbine): mesure la vitesse du bateau relativement à la masse d'eau -> effet des courants pas considéré: contre ou avec courant, V différentes! -> Il faut mesurer fréquemment Vnavire / au fond - c) compter le nombre de tours par minute du moteur du navire (après étalonnage préalable) -> Proportionnalité entre vitesse et nombre de tours / mn établie de manière empirique – Fréquemment utilisé par les commandants des navires




Détermination de la vitesse:

2. Vitesse ‘fond' (ou de fond)

- obtenue sans référentiel extérieur par un loch dit 'Doppler' par mesure de l'effet Doppler sur une surface réfléchissante sous le navire (toit d'une couche d'eau profonde, ou fond de l’eau).

(Par faible fond, valeur très précise)

- par ailleurs accessible en toutes circonstances par mesure de l'effet Doppler lié au déplacement des différents satellites du système de positionnement GPS (voir système GPS, § 3.5).

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Exercices

- Légendez cette figure- Le trait vert représente le

sillage du navire. Calculez graphiquement l’angle de dérive (der). Donnez la valeur du Cap vrai (Cv) et de la route surface (Rs)

- Donner la formule reliant Rs, Cv et der

(les angles sont comptés positivement dans le sens des aiguilles d’une montre)

Exercices

Mêmes questions

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2.4 Applications de la navigation estimée

1. Loxodromie et orthodromie- Route orthodromique = route qui correspond au chemin le plus court entre 2 points de la surface terrestre = le plus petit des arcs de cercle qui joint deux points.- Route pas facile à suivre une route orthodromique car route à modifier!- Projection de Mercator: route représentée par une courbe d'allure sinusoïdale

- Route loxodromique = route qui coupe à angle constant les méridiens successifs qu'elle croise.- Projection de Mercator: route représentée par une droite. - Route adoptée lorsque l'on réalise un plan de position pour une campagne de sismique marine, ou de sondeur multifaisceaux en bathymétrie.



2.4 Applications de la navigation estimée

2. Report du point sur la carte - Cap + vitesse connus pendant un intervalle de temps donné -> position estimée du navire par rapport au point précédent. - Report sur la carte d’un angle (cap) et d’une distance (vitesse multipliée par le temps) avec une règle et un rapporteur- Report manuel rapide par la règle « de CRAS » (de l'amiral français Jean CRAS) : double rapporteur porté par une règle graduée- Report très souvent automatique sur un écran de contrôle -> position instantanée du navire dans le système de coordonnées géographiques ->vérification continue de l'ajustement entre une route 'programmée' (dans le temps et l'espace) et une route 'observée' en temps réel.

-> Report sur la carte marine (ou si possible bathymétrique) par compas à pointes sèches et règle CRAS à intervalles de temps réguliers: toujours indispensable pour les scientifiques embarqués, notamment pour contrôler précisément sa position par rapport à une topographie sous-marine

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3. NAVIGATION PAR REFERENTIELS EXTERIEURS


3.1 Présentation du problème

Besoin de se positionner par rapport à un point de référence (incertitude croissante avec le temps sur la position "à l'estime« ). -> à fréquence élevée: laps de temps très courts, puisque le mobile se déplace-> avec une précision suffisante

Premiers points de référence utilisés par l'homme loin des côtes : les étoiles, qui permirent au XVe siècle de définir le système de coordonnées astronomiques et autorisèrent les premières traversées de l'Océan Atlantique -> mesures au quadrant, qui ne donne cependant que la latitude. -> Au XVIIe siècle, les grandes triangulations réalisées par les scientifiques français allaient effectivement permettre d'obtenir ces informations.

Géosciences marines: positionnement avec une précision de quelques dizaines de mètres pour la plupart des travaux (profils, prélèvements,...) -> possible dans les grands océans du globe avec l'avènement de la radiolocalisation, qui consiste à déterminer la position d'un navire à un instant donné par des moyens radioélectriques-> radionavigation = guider et contrôler la route du navire du point de départ au point d'arrivée par les mêmes moyens



3.2 Précision requise des systèmes utilisés

En fonction des sources d'erreurs évoquées (approximations report carte d'un point, définition du point dans un référentiel choisi, projectio), une différence persistera toujours entre le lieu fourni par n'importe quel système de positionnement, et la position géodésique (donc réelle) de ce lieu -> 3 termes définis:

- Justesse (ou prédictabilité) de la position obtenue = écart à une position quasi "absolue" (i.e. dans un référentiel terrestre choisi), indépendamment du système de positionnement. Dépend de la plus ou moins bonne connaissance du référentiel, de la fidélité du système de positionnement, et des anomalies de propagation des ondes en un lieu donné.

- Fidélité (ou répétabilité) d'un système de positionnement radioélectrique = capacité à permettre le retour à un point précédemment localisé dans ce même système. Dépend surtout de la sensibilité et de la fidélité du récepteur et de la constance des lois de propagation.

- Erreur = différence entre la position mesurée et celle fournie par un système de positionnement juste.- peut être systématique (car se répétant en un lieu, un moment donné, ou avec un matériel déterminé) -> influe sur la justesse.- peut être accidentelle (instabilités des récepteurs, conditions atmosphériques, réfraction côtière, effets de relief, erreurs de nuit) -> influe sur la fidélité.

- Dans le cas des relèvements radiogonométriques (mesure de l'angle entre le méridien du lieu et le grand cercle passant entre le lieu et la station radiogonométrique fixe), une autre erreur s'ajoute: erreur de convergence, qui vient du fait que les ondes radioélectriques de nombreux systèmes terrestres se propagent au plus court (suivant l'orthodromie) -> lors du report sur la carte en projection de Mercator, une correction entre la loxodromie et l'orthodromie doit être calculée (correction Givry). Cette erreur reste le plus souvent inférieure à celles liées aux irrégularités de propagation ou à l'instrument. L'erreur totale varie entre 1 et 4° d'azimut.

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3.3 Navigation astronomique

Principe : repose sur la mesure de la hauteur d'un astre sur l'horizon: Si un navigateur observe qu'un astre fait un angle hv avec l'horizontale, il sait qu'il se trouve alors sur le petit cercle de rayon angulaire (90°-hv) centré sur le point substellaire, intersection de la sphère terrestre avec la verticale qui joint l'astre au centre de la Terre (Petit cercle = cercle des hauteurs : si trois personnes disposées sur un même cercle centré sur un lampadaire regardent ce lampadaire, elles le verront à la même hauteur).Mesure de la hauteur d'un astre par rapport à l'horizon: sextant par double réflexion (grand miroir et petit miroir)

Si on se positionne par rapport à un seul astre (soleil par exemple) cela suppose de réaliser 3 observations non simultanées (le matin et à midi) et ensuite de reporter son lieu de position, à condition de pouvoir mesurer l'écoulement du temps sur de longues périodes.

Premiers chronomètres de précision : lors des expéditions de James Cook au XVIIIe siècle.

Meilleur point astronomique: par l'observation de 3 hauteurs d'étoiles (ou 3 planètes) différentes dans un intervalle de temps aussi court que possible. L'observation se fait au crépuscule et à l'aube, moment de la journée où l'horizon est bien discernable. La précision est alors de l'ordre du mille marin. Le point est alors donné par l'intersection des trois cercles de hauteur (figure B)



3.4 Propagation des ondes électromagnétiques

Modes de propagation choisis : dépendent des portées souhaitées -Environnement joue:-> Propagation sur les continents : perturbée en raison des propriétés et des caractéristiques variables du sol-> Surface de la mer : assurera une propagation bien meilleure -> Perturbations très fréquentes près des côtes, notamment lorsqu'elles sont très escarpées, affectant tous les systèmes.

- Les couches basses de l'atmosphère (troposphère, ~9 km au pôle et 17 km à l'équateur ; stratosphère, ~30 km) = milieux très favorables, par leurs propriétés diélectriques, à la propagation des ondes utiles en radionavigation. - ondes directe et réfléchie au sol, et onde diffusée dans la troposphère

- L'ionosphère autorise, à des altitudes variant entre 60 et 500 km, une réflexion efficace des ondes de moyenne et basse fréquences (MF, LF), mais précision limitée de positionnement en raison des modifications nombreuses (car dépendant de l'éclairement solaire) de la composition de l'ionosphère. - Cependant, les ondes de très basses fréquences (VLF) bénéficient d'une propagation par "guide d'onde" qui permet une conservation de l'énergie sur des grandes distances, à une vitesse de groupe supérieure à 300 000 km/s.

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3.4 Propagation des ondes électromagnétiques (suite)

A - Implantation: à base spatiale (satellites) ou à base terrestre (stations ou balises sur points géodésiques);

B - Portée:- Base spatiale : pas de limite de portée, mais la nécessité pour le satellite et le récepteur d'être en "visée" directe, donc périodes de localisation plus ou moins favorables- Base terrestre:* Courte portée (moins de quelques centaines de km), assurée par l'onde directe pour les fréquences UHF et VHF * * Moyenne portée (200 à 600 km), assurée par l'onde de sol pour des fréquences proches de 2 MHz. La portée diminue la nuit en raison d'interférences entre l'onde de surface (sol) et l'onde "de ciel" (ionosphérique).* Longue portée (au-delà de 600 km), assurée par les ondes de surface et de ciel, pour des fréquences variant entre quelques dizaines et quelques centaines de kHz.

C - Technique de mesure :- mode de localisation: directionnel (mesure de la direction des émetteurs), circulaire (mesure du temps de trajet entre un émetteur et un récepteur: ceci suppose de bien connaître l'instant d'émission), ou hyperbolique (différence de temps qui sépare la réception de deux signaux émis simultanément par deux émetteurs);- type de mesure: impulsions, comparaison de phases, effet Doppler;- type d'émission: continue, à impulsion;- synchronisation: horloges atomiques, stations maître et esclaves, station de référence;- fréquence et puissance d'émission.

3 critères pour distinguer les systèmes de radiolocalisation :

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2.2 Pourquoi naviguer à l'estime ?

Fréquence

Longueur d'onde

Bande

Ondes prépondérantes

Caractéristiques Principaux systèmes

300 GHz

à300 MHz

1 mmà

1 m

EHFà

VHF

* Directe* Diffusion troposphérique

- Très bonne directivité- Réflexions sur obstacles

Satellites (GPS, TRANSIT, SYLEDIS)

30 MHz

à2 MHz

10 mà

~150 m

HF * Ionosphérique (onde de ciel)

- Portée mondiale sans interférences- Excellent rendement en moyenne portée

Radio-communications maritimes

2 MHZà

30 kHz

~ 150 mà

10 km

MFàLF

* Ionosphérique * de surface (onde de sol)

- Onde ionosphérique absorbée de jour__________________- Parasites atmosphériques devenant importants vers les LF.

TORAN____________

LORAN CDECCA

30 kHzà

3 kHz

10 kmà

100 km

VLF * de surface* ionosphère (guide d'onde)

- Onde ionosphérique pré-domine à grande distance- Brutale variation de l'absorption au coucher du soleil- Parasitages atmosphériques importants- Pénétration dans l'eau de mer

OMEGA



3.5 Système GPS: la révolution dans le positionnement en mer

- Développé et testé entre 1979 et 1986 par le Département de la Défense aux Etats-Unis, mis en service opérationnel entre 1986 et 1993, parfois appelé NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging)- Devenu dès 1986 le système de positionnement le plus utile pour la navigation civile et militaire, quel que soit l'océan concerné, - Domaines d'application innombrables

1 Lois élémentaires d'exploitation- La base de la détermination est l'estimation de plusieurs 'pseudo-distances' entre le récepteur mobile et les satellites à un instant donné. On parle de pseudo-distances car ces valeurs sont déduites du retard entre le signal reçu des satellites et celui, identique, généré par le récepteur dans son échelle de temps interne- Correction d'horloge -> la pseudo-distance diffère de la distance réelle (+ retards de propagation dans l'ionosphère)- Position en 3 dimensions obtenue par mesure des pseudo-distances à 4 satellites: Dt calculé: les horloges peuvent être synchronisées, les pseudo-distances corrigées, et le point localisé à l'intersection des 4 sphères de distance.- Signaux reçus affectés d'un effet Doppler car le récepteur et les satellites se déplacent. Connus: Ephémérides, fréquence des signaux émis et reçus, et désynchronisation des signaux -> mesure de l'effet Doppler sur les fréquences porteuses reçues des satellites -> mesure de la vitesse du navire. - Les trois opérations (mesure des pseudo-distances, estimation des distances par correction dubiais d'horloge, et mesure Doppler sur les porteuses) peuvent se faire indépendamment ou de manière combinée.

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2. Maillon « ciel »: les codes

Le satellite est muni de 4 horloges atomiques de haute précision (stabilité de 10-13/jour) qui permettent d'élaborer 2 fréquences, les 'porteuses'

(L1 = 1575,42 MHz, et L2 = 1227,60 MHz) modulées en phases par 1 ou 2 codes dits 'pseudo-aléatoires' (C/A et P, les signaux de code: C/A module L1, P module L1 et L2) et par un code 'navigation' ('message' du satellite). - Pourquoi 2 fréquences ? Nécessité de pratiquer une correction au retard du signal lors de son passage dans l'ionosphère.- Codes 'pseudo-aléatoires' : signaux à structure complexe qui assurent une reconnaissance univoque des informations de temps :

- Le code C/A (Coarse Acquisition, période de une milliseconde) sert, en mono-fréquence, au service de positionnement dit "standard" (service "SPS"), qui est utilisable à des fins civiles -> précision horizontale moyenne de l'ordre de 10 m - Le code P (Precise) est également accessible à certains utilisateurs (dans certaines conditions), et permet en bifréquence d'avoir en temps réel l'accès à un service de positionnement précis (service "PPS"), de l'ordre de 2 m en position absolue- Un code protégé (Y, classifié) n'est accessible qu'aux Forces Armées américaines.






- Mode 'normal' (3D+T): le plus fréquemment utilisé: corrèle le code (C/A ou P) reçu de 4 satellites au moins, et un code identique généré par le récepteur -> position en 3D et biais de l'horloge, donc le temps absolu (T). La fréquence de la porteuse observée (L1 et/ou L2) est reconstituée par démodulation du code P -> mesure de l'effet Doppler sur cette porteuse -> vitesse du navire.- Modes dégradés: En mer, pour des précisions ordinaires, on considère l'altitude connue, donc 3 mesures de pseudo-distances sont suffisantes pour déterminer Latitude, Longitude et Temps (mode 2D+T). Dans le cas où on dispose d'une horloge de haute précision, on peut voir la position avec 3 satellites à terre (mode 3D), ou même 2 en mer (mode 2D).- Mode différentiel (DGPS) : consiste à prendre en compte les erreurs mesurées sur les pseudo-distances à une station fixe à terre: ces informations sont transmises par voie radioélectrique au récepteur mobile, qui peut ainsi améliorer le calcul de sa position, et ceci jusqu'à quelques centaines de kilomètres de la station fixe.

3. Modes d'exploitation

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3.6 Positionnement sous la mer

- Besoin fréquent d'utiliser des moyens directs d'observation et de prélèvement d'échantillons- Systèmes de radiolocalisation inopérants sous l'eau car pas de propagation des ondes électromagnétiques - Réseau de balises acoustiques (fréquences d'émission de quelques kHz à quelques dizaines de kHz): minimum de 3 balises immergées avant chaque plongée (durée plongée du Nautile: environ 8 heures). Au cours de l'opération de mouillage, chaque balise est positionnée très précisément par rapport au navire qui est lui-même positionné par rapport aux satellites du système GPS

- Balises à la fois émettrices et réceptrices (utilisation de transpondeurs)- Disposition en triangles, maintenues à une centaine de mètres du fond grâce à des flotteurs -> bonne intervisibilité des balises- Balises interrogent alternativement le submersible puis le bateau et vice-versa en temps réel - Mesure des temps de parcours des ondes de l'ordre de la milliseconde -> précision du mètre.

Si balises masquées par la topographie: le submersible navigue alors à l'estime par son cap et de sa vitesse.

1 Positionner un submersible autonome



3.6 Positionnement sous la mer

Problème identique pour toute mise en place sur le fond (ou près du fond) d'un système qui nécessite un positionnement précis (forages, observatoire sous-marin pour la sismologie, sonars latéraux, instruments de mesure du magnétisme, des propriétés physiques du milieu, des déplacements tectoniques...). - Précision de positionnement sur un point particulier du fond : fondamental quand on doit répéter une mesure ou une opération sur ce point- Exemple: La mesure des vitesses instantanées de déformation près des axes de dorsales actives (centres d'accrétion) : précision du centimètre sur des zones de quelques kilomètres de large sur le fond de la mer, grâce à l'utilisation de transpondeurs de précision (13.5 à 17.5 kHz) posés sur le fond

- Modalités mesure: navire à la verticale du centre du réseau sous-marin, et même si variations de vitesse du son mal connues (principale source d'incertitude), possible si on combine cette information acoustique avec celle fournie par le GPS, aidé par des récepteurs de référence proches à terre. Ex.: taux d'accrétion moyen de la dorsale ~5 cm/an) + zone de déformation étroite (~5 km) -> Vdéf. du fond de la mer (par répétition des mesures sur quelques années) obtenue au cm/anRide Juan de Fuca, Océan Pacifique: un des premiers systèmes géodésiques sous-marins permanents

http://www.neptunecanada.ca

2 Positionner un objet sur le fond

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UE Ingénierie offshore – Positionnement en mer

Conclusions


- Données acquises en mer: importance cruciale et grande complémentarité par rapport aux données satellitaires sur les grands océans;

- Reporter des points ou des routes sur une carte -> approximations qui limitent dans des proportions variables leur précision: dépendance des choix de l'opérateur;

- Précision très variable du positionnement obtenu en mer suivant le type de mesure, ou l'instant et le lieu de mesure; dégradation de réception temporaire, ou acquisition numérique défaillante -> toujours garder une capacité à naviguer à l'estime, connaître les performances de son système, et adapter la navigation au besoin spécifique du scientifique;

- Positionnement par GPS : prépondérant sur les autres systèmes, qui cherchent à rester complémentaires; couverture mondiale et continue avec une précision compatible avec la plupart des mesures effectuées en mer dans le domaine des géosciences marines;

- Prudence dans l'utilisation des bases de données numériques mondiales ou régionales, souvent interpolées et 'lissées': valeur limitées à certaines 'longueurs d'onde', contrôle et validations systématiques nécessaires (et si nécessaire 'recalages', ou repositionnement) par comparaison avec des données équivalentes acquises en mer.

Références

Guide du navigateur, volume 2 (méthodes et instruments de navigation), Service Hydrographique et océanographique de la Marine, Paris, 1992, 370 pages (ISBN 2-11-080618-4).

Radionavigation - radiolocalisation, par Paul Fombonne, Ed. Masson, Paris, 1983, 304 pages (ISBN 2-225-77396-3).

Radionavigation, Service Hydrographique et océanographique de la Marine, Paris, n• 91.

Traité de navigation, par Michel Caillou, Dominique Laurent, et François Percier, Ed. Masson, Paris,1989, 555 pages (ISBN 2-225-81440-6).

Coordinate systems and map projections (2ème édition), par D.H. Maling, Pergamon Press, Oxford, 1992, 476 pages (ISBN 0-08-037234-1).

GPS theory and practice, par B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger et J. Collins, Springer-Verlag, 1994 (ISBN 3-211-82591-6).

GPS: un positionnement précis à la portée de tous, par Eric Calais, Technologies Internationales, N• 25, juin 1996, pages 2-6.Sites Web sur le GPS: deux sites de professionnels français: Christophe VIGNY (ENS Paris, en français) et Eric CALAIS (Univ. Purdue, Indiana, Etats-Unis, en anglais)

Site Web: http://www.permis-hauturier.info/

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ExercicesCorriger un cap

FORMULES:

Variation W = déclinaison D + déviation dFormuler Cv en fonction de Cc et W

Rs = Cv + der

Corriger un cap, c'est calculer la Route surface (Rs) en partant du Cap au compas (Cc) que l'on suit pour tracer la route surface sur la carte. Le barreur suit un cap compas et le navigateur trace la route suivie sur la carte après calculs. Le barreur parle et le navigateur trace la route. Nous appliquerons successivement les 2 formules : A la barre du bateau, on a un Cc de 40°, une déviation de + 2 °, une déclinaison de -4° et une dérive de 6 ° babord (donc négative).

W = -2° Cv = 38°Rs = Cv + der = 38° + (-6°) = 32°

Exercices« Faire valoir une route »

FORMULES:Variation W = déclinaison D + déviation d

Cv = Cc+W ou Cc=Cv-WRs = Cv + der

Faire valoir une route, c'est le contraire : en connaissant la Route surface, il faut calculer le Cap au compas à donner au barreur pour naviguer vers un port ou île. Le navigateur calcule la route et le barreur suit le cap compas calculé. Le navigateur parle et le barreur suit le cap. Pour aller de Granville à Chausey , vous calculez sur la carte la route qu'il faut suivre. Vous trouvez une route d'une valeur de 290°. Nous considérons que le courant est négligeable.

Nous avons une dérive de 5 ° tribord, une déclinaison de 4° W et une déviation de 2°.

Cv = 290° - 5° = 285°Cc = 287°

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