10 - La formule fondamentale de la navigation astronomique

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Muni de la 'loi des cosinus', nous sommes maintenant prêts à démontrer cette formule. Nous le ferons dans un premier temps sans référence à la signification concrète des points, des distances et des angles. Cela viendra ensuite...
PS J'ai mis au point cette démonstration contournant l'emploi de théorèmes de la géométrie dite sphérique il y a bien longtemps et sans l'aide de sources. Elle est peut-être originale, mais je ne peux l'assurer...


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                                                                                                        Fig.1

Considérons deux segments de droites OA et OB
d'orientation quelconque dans l'espace, de même origine O, et de longueur a et b dans un repère tridimensionnel xyz orthonormé (les 3 axes sont perpendiculaires entre eux, avec la même unité de mesure sur chacun). (Fig. 1)
Soit A' la projection (perpendiculaire) de A sur le plan xOy et B' la projection de B sur ce même plan (= toutes les droites du plan xOy passant par A' seront  perpendiculaires à AA', de même celle passant par B' par rapport à BB')
Traçons A'O et B'O
On suppose que l'on connaît

    α (
l'angle A'OA)
    β (l'angle B'OB) et
    δ (l'angle B'OA').

On veut calculer γ, l'angle AOB.
Pour ce faire, nous allons calculer la longueur du segment AB de deux manières différentes.

On a
OA' = a cos α
OB' = b cos β
On peut calculer A'B'² en utilisant la loi des cosinus
A'B'² = OA'² + OB'² - 2 OA' OB' cos δ = a² cos² α + b² cos² β  - 2 a b cos α cos β cos δ
On a également
AA' = a sin α
BB' = b sin β
Comme les droites AA' et BB' sont toutes deux perpendiculaires au plan xOy, elles sont parallèles entre elles, donc perpendiculaires à A'B' qui est une droite de ce plan passant par A' et B'.
Traçons B"A parallèle à B'A' pour former le rectangle AA'B'B". Le quadrilatère AA'B'B est donc composé du rectangle AA'B'B" surmonté du triangle rectangle AB"B.
Dans le triangle rectangle AB"B, AB"² = A'B'² =  a² cos² α + b² cos² β  - 2 a b cos α cos β cos δ
Comme AA' = B"B' = a sin α, on a BB" = BB' - A'A" =  b sin β - a sin α
On peut maintenant calculer AB par le théorème de Pythagore :
AB² = BB"² + AB"²
        = (b sin β - a sin α)²   +   a² cos² α + b² cos² β  - 2 a b cos α cos β cos δ
        = b² sin² β - 2 a b sin α sin β a² sin² α  + a² cos² α + b² cos² β  - 2 a b cos α cos β cos δ
        = a² (sin² α +  cos² α) + b² (sin² β + cos² β) -  2 a b sin α sin β  - 2 a b cos α cos β cos δ
Comme sin² α +  cos² α = sin² β + cos² β = 1
 AB²  = a² + b²  -  2 a b ( sin α sin β  + cos α cos β cos δ)

Considérons maintenant le triangle OAB. En utilisant à nouveau la loi des cosinus, la longueur du segment AB est donnée par
AB² = a² + b² - 2 a b cos γ

On obtient ainsi l'égalité AB² =  a² + b² - 2 a b cos γ = a² + b²  - 2 a b ( sin α sin β  + cos α cos β cos δ)
Cette égalité est vraie si
      cos γ = sin α sin β   + cos α cos β cos δ

Le but est atteint: on sait maintenant calculer γ en fonction de α , β et δ
On remarque que cette relation est indépendante du choix des longueurs a et b: elle ne fait appel qu'à la valeur des 4 angles.


L'emploi de la formule fondamentale de la navigation astronomique

Il est temps de passer à l'emploi de la formule fondamentale dans le calcul du point. Les éléments pertinents sont sur la fig. 5


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                                                                                                    Fig. 5

L'observateur est au point A. Ce point est repéré par une latitude (l'angle α) , par exemple 46° N, et une longitude, par exemple 12° W.
L'axe prolongeant OA est celui du zénith du lieu, plus familièrement l'axe de la verticale du point A.
L'axe prolongeant OB est la direction du soleil à partir du centre de la Terre. Cet axe coupe la surface de la Terre en un point qu'on appelle parfois de manière imagée le "pied du soleil". A cet endroit sur Terre, le soleil est à la verticale (= au zénith) du lieu.
La projection de l'axe du zénith du lieu et celle de la direction du soleil sur l'équateur (ici OL et OS)  font un angle δ sur le plan de l'équateur, appelée angle horaire, parce qu'il varie en fonction de l'heure de la journée en raison de la rotation de la terre. 
Pour chaque instant d'une journée, des tables (les éphémérides nautiques, 'nautical almanach' en anglais) nous permettent de connaître
- la déclinaison du soleil (l'angle β, l'équivalent de sa latitude) et
- l'angle horaire.

Ce que fait la formule fondamentale de la navigation astronomique, c'est de permettre le calcul de l'angle γ entre la direction du soleil et l'axe du zénith du lieu.
La connaissance de cet angle est indispensable pour faire le point.
Une dernière (petite) difficulté:
Le sextant mesure l'angle h entre la direction du soleil et celle de l'horizon, appelée la hauteur du soleil, et pas l'angle entre la direction du soleil et la verticale du lieu.
Cette difficulté n'est pas compliquée à résoudre: la direction du zénith étant perpendiculaire à celle de l'horizon, on h = 90° - γ (fig.5)
h
                                                    Fig. 5

Or sin h = sin (90° - γ) (= sin (π/2 - γ))  = cos γ         // sin (π/2 - γ) = sin π/2 cos γ  - cos π/2 sin  γ  = cos γ  car sin π/2 = 1 et  cos π/2 = 0
La formule fondamentale de la navigation astronomique peut s'écrire
   
            sin h = cos Lat
cos Dec cos AH  + sin Lat sin Dec

où h est la hauteur du soleil, l'angle entre la direction du soleil et l'horizon.

C'est cette formule qui est à la base de toutes les méthodes et tables permettant la navigation astronomique...
Il ne reste plus qu'à savoir comment s'y prendre de manière concrète. Mais cela, c'est l'affaire, comme nous l'avons déjà, d'un excellent site comme http://navastro.free.fr



Distance (orthodromique) entre deux points

Appliquée à la Terre considérée comme une sphère, la formule fondamentale de la navigation astronomique va immédiatement nous permettre de calculer la distance sur la surface entre deux points sur la Terre (distance dite orthodromique). Prenons un exemple concret :
Soit deux lieux A et B à la surface du globe.
Les coordonnées géographiques de A sont : latitude 51° N, longitude 12° E.
Les coordonnées géographiques de B sont : latitude 15° N, longitude 55° W.



Ortho
                                                                                     Fig. 4

α est la latitude du point A (LatA = 51° N) , β est la latitude du point B (LatB = 15° N), δ est l'écart entre les longitudes de A et B (12 + 55 = 67°), et γ est l'angle au centre des directions des points A et B
Selon cette fameuse formule
        cos γ = sin LatA sin LatB  + cos LatA cos LatB cos δ
La distance entre A et B est un arc de cercle de rayon R situé aux extrémités des deux rayons OA et OB qui font un angle γ entre eux.
Numériquement cos γ = sin 51° sin 15°  + cos 51° cos 15° cos 67°= 0,4386566...
d'où γ = 63,98°
Si on remarque que 1 minute d'angle (1') sur la surface de la Terre correspond à 1 mille marin  (1 M) (ou mille nautique par anglicisme fréquent de 'nautical mile'), on voit qu'il suffit de transformer la valeur de γ en minutes pour trouver la distance en milles marins   (un ° vaut bien sûr 60').  γ vaut  63,98*60 = 3839' , donc la distance entre A et B est de 3839 M  
NB : 3844 M selon le système géodésique WGS84 voir http://williams.best.vwh.net/gccalc.htm
On remarque que la valeur du rayon de la Terre R ne joue aucun rôle ! C'est la magie de l'utilisation du mille marin, qui est en fait une valeur d'angle !
On peut bien sûr calculer cette distance en utilisant la valeur du rayon. La longueur de l'arc de cercle AB est R γ, si γ est exprimé en radians !
γ vaut 1,11669.. radians. Le rayon de la Terre vaut environ 6370 km, d'où une distance de
R γ = 7122 km, c'est-à-dire 3840 M.
 

Profitons en pour calculer la valeur en km du mille marin. La circonférence de la Terre fait (à peu de chose près) 40 000 km, ce qui correspond à 360 x 60' = 21600'. Donc 1' correspond à 40 000 km / 21600 = 1,852 km (cf http://fr.wikipedia.org/wiki/Mille_marin)
WGS84
Equatorial radius 6378,1370 km
Polar radius         6356,7523142 km
Flattening 1/298.25722


NB: Dans l'exemple ci-dessus, les latitudes étaient N. Si les latitudes sont S, il faut


La formule fondamentale de la trigonométrie sphérique, pour la culture....
Cette partie n'est certainement pas indispensable. Mais au point où nous en sommes, il est facile de démontrer la formule fondamentale de la trigonométrie sphérique, pour la culture et pour voir le rapport étroit entre la formule utilisée pour la navigation astronomique et le la formule fondamentale de la trigonométrie sphérique.

Soit une sphère de rayon R (Fig. 2) Traçons OA et OB, cette fois comme deux rayons quelconques de la sphère. Les angles α et β sont les angles entre les rayons OA et OB et le plan perpendiculaire au rayon OC passant par le centre de la sphère O (qui équivaut au plan xOy de la demonstration précédente : si C est vu comme le pôle Nord, ce plan contient l'équateur, et α et β sont les latitudes des points A et B. Considérons le triangle dit sphérique CAB sur cette sphère.
La longueur du côté b (= la portion de l'arc de cercle entre C et A) a pour valeur R(π/2 - α) (la valeur (en radians) de l'angle π/2 - α, c'est-à-dire l'angle entre les rayons OC et OA, multiplié par la mesure R du rayon).
De même, la longueur du côté a, entre C et B, a pour valeur R(π/2 - β), la valeur de l'angle entre les rayons OC et OB multiplié par R.
Enfin, la longueur du côté c, entre B et A, a pour valeur R γ
En un mot
b = R(π/2 - α)
a = R(π/2 - β)
c = R γ
Ortho2
                                                                                    Fig. 2
On définit l'angle C entre les côtés a et b de la manière suivante : on trace en C les tangentes aux côtés a et b. Ces tangentes sont dans un plan qui contient le pôle C. L'axe du pôle est perpendiculaire à ce plan (sinon ce plan couperait une partie de la sphère !). Il est donc parallèle au plan "équatorial" (= le plan lui aussi perpendiculaire à OC passant par O). Ces tangentes sont donc elles aussi parallèles au plan "équatorial". L'angle C est défini comme l'angle entre ces deux tangentes. C'est l'angle entre les deux demi-plans (coupant la sphère en quart de cercle) qui contiennent CBO pour l'un et CAO pour l'autre (les plans "méridiens" de B et C). Cet angle n'est autre que δ. Donc C = δ (Ouf...)
Reprenons la formule démontrée plus haut : cos γ = sin α sin β  + cos α cos β cos δ
On a
b = R(π/2 - α) c'est-à-dire b/R = π/2 - α
a = R(π/2 - β) c'est-à-dire a/R = π/2 - β
c = R γ c'est-à-dire c/R = γ
Or
sin a/R = sin (π/2 - β) = cos β                           // sin (π/2 - β) = sin π/2 cos β - cos π/2 sin β = cos β  car sin π/2 = 1 et cos π/2 = 0
sin b/R = sin (π/2 - α) = cos α
cos a/R = cos (π/2 - β) = sin β                           // cos (π/2 - β) = cos π/2 cos β + sin π/2 sin β = sin β  car sin π/2 = 1 et cos π/2 = 0
cos b/R = cos (π/2 - α) = sin α
cos c/R = cos γ
C = δ
d'où, en reportant dans la formule
                cos c/R = cos b/R cos a/R  + sin b/R sin a/R cos C

On écrit généralement cette formule pour un rayon unité (R = 1) d'où
                cos c = cos b cos a  + sin b sin a cos C
                        Ortho3
                                                Fig. 3
En toutes lettres :
Sur une sphère de rayon unité, la longueur du côté c (qui n'est pas autre chose que la valeur d'un angle !) peut être calculée à partir de la longueur des côtés a et b et de la valeur de l'angle C, à l'opposé de c.
Ou alors, sur une sphère de rayon R, la longueur c/R (également la valeur d'un angle !) peut être calculée à partir des longueur a/R et b/R et de la valeur de l'angle C, à l'opposé de c.

On peut ainsi calculer la distance entre deux points A et B si l'on connait les distances AC et CB à un troisième point C et l'angle entre la direction de A et celle de B en ce point C. Ce cas n'est pas très fréquent en pratique !
Le plus souvent on cherche la distance entre A et B connaissant les coordonnées géographiques de A et B, et c'est ce nous a permis la formule fondamentale de la navigation astronomique !

cos c = cos b cos a  + sin b sin a cos C
sin b sin a cos C = cos c - cos b cos a 
cos C = (1 / sin b) (1 / sin a) = (cos c - cos b cos a)
Or 1 / sin α est appelée la cosécante de α (cosec α), d'où la formule
    cos C = cosec b cosec a (cos c - cos b cos a)
ou alors, cos α / sin α étant la cotangente de α (cotg α)
    cos C = cos c / (sin b sin a) - cotg b cotg a 

Pour permettre le calcul logarithmique, on peut dériver les formules suivantes
cos C = cos (C/2 + C/2) = cos C/2 cos C/2 - sin C/2 sin C/2 = cos² C/2 - sin² C/2.
Comme cos² C/2 + sin² C/2 = 1 , cos² C/2 = 1 - sin² C/2 d'où
cos C = 1 - 2 sin² C/2
La formule fondamentale s'écrit
cos c = cos b cos a  + sin b sin a cos C
cos c = cos b cos a  + sin b sin a cos C = cos b cos a  + sin b sin a (1 - 2 sin² C/2) = cos b cos a  + sin b sin a - 2 sin b sin a sin² C/2
Comme cos b cos a  + sin b sin a = cos (b - a)
cos c = cos (b - a) - 2 sin b sin a sin² C/2
cos (b - a) - cos c = 2 sin b sin a sin² C/2
De plus
Soit  p = α + β et q = α - β
p + q = 2α
p - q = 2β
cos (α - β) - cos (α + β) = cos q - cos p = cos α cos β + sin α sin β - cos α cos β + sin α sin β = 2 sin α sin β  = 2 sin ((p + q) / 2) sin ((p - q) / 2)
cos q - cos p = 2 sin ((p + q) / 2) sin ((p - q) / 2).
On peut donc écrire, avec q = b - a et p = c
cos (b - c) - cos c  = 2 sin (c / 2  + (b - a) / 2) sin (c / 2 - (b + c) / 2)
d'où
2 sin (c +  (b - a) / 2) sin (c - (b - a) / 2) = 2 sin b sin a sin² C/2
Définissons 2s = a + b + c d'où
c + (b - a) = c + b - a = a + b + c - 2 a = 2 s - 2 a = 2 (s - a)
c - (b - a) = c - b + a = a + b + c - 2 b = 2 s - 2 b = 2 (s - b)
On tire
2 sin (s - a) sin (s - b) = 2 sin b sin a sin² C/2
d'où
sin² C/2 = sin (s - a) sin (s - b) / sin b sin a
et
    sin C/2 =  √ (sin (s - a) sin (s - b) / sin b sin a)   [avec s = (a + b + c) / 2)]

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