Skypole : localiser le nord grâce à la lumière du ciel

S'inspirer de la Nature pour ne pas perdre le nord

Comment ne jamais perdre le nord ? Actuellement, le nord géographique terrestre peut être mesuré aux moyens de quatre instruments différents : un compas magnétique, un gyrocompas, ou bien encore en utilisant une caméra filmant les étoiles comme l’Etoile polaire, qui se situe proche du pôle Nord céleste (point imaginaire à l’intersection entre l’axe de rotation de la Terre et la voute céleste). Enfin, il est possible d’utiliser un système de positionnement par satellites GNSS (GNSS pour Global Navigation Satellite Systems comme le GPS américain). Néanmoins, ces quatre techniques ont des inconvénients majeurs : le compas magnétique est très sensible aux perturbations électromagnétiques, le gyrocompas est très couteux et relativement encombrant, les signaux des satellites GNSS peuvent être facilement brouillés ou être usurpés, et enfin les étoiles ne peuvent être utilisées que de nuit sous un ciel clair.

Comme alternative à ces techniques, les stratégies de navigation inspirées de la nature sont particulièrement intéressantes, mais aussi vectrices d’innovations car peu connues. La fourmi Cataglyphis, par exemple, peut estimer son cap en plein désert grâce à sa boussole optique, associée à une région de son œil sensible à la polarisation du ciel. Cette polarisation du ciel, invisible pour l’œil humain, est liée au phénomène de diffusion de Rayleigh, à l’origine de la couleur bleue du ciel et qui fait apparaître un motif de polarisation du ciel qui peut être utilisé pour localiser le nord céleste.

Les informations de degré et d’angle de polarisation du ciel sont largement exploitées dans le monde animal, mais actuellement peu étudiées par l’homme de l’art. Des études ont également montré que certains oiseaux migrateurs comme le Passerin indigo ou le Bruant des prés calibrent leur boussole magnétique en observant la rotation céleste durant la nuit, mais aussi de jour en utilisant la polarisation du ciel.

Une caméra qui détecte les motifs de polarisation du ciel

En s’inspirant du vivant, cette étude a permis le développement d’une méthode optique bio-inspirée qui permet de trouver un des deux pôles célestes (celui de l’hémisphère nord ou sud) pendant la journée. Cette méthode, appelée SkyPole, est basée sur la rotation du motif de polarisation de la lumière du ciel. Les chercheurs impliqués ont utilisé une caméra sensible à la lumière polarisée, dite polarimétrique, pour mesurer la rotation du degré de polarisation de la lumière du ciel de jour. Ils ont ensuite appliqué une différence successive d'images prises à différents instants avec la caméra polarimétrique afin de déterminer la position du pôle Nord céleste dans le ciel. Cette position permet de calculer la latitude et le vrai cap nord de l'observateur par rapport au nord géographique avec une précision de quelques degrés sur la base uniquement d’informations visuelles.

SkyPole est la première méthode exploitant exclusivement des informations issues du motif de polarisation du ciel pour se géolocaliser et trouver son cap par rapport au véritable nord, le nord géographique. Ainsi, presque 300 ans plus tard, SkyPole revisite le sextant, un instrument de navigation datant de 1730 et co-inventée indépendamment par deux personnes : John Hadley (1682-1744) un mathématicien anglais, et Thomas Godfrey (1704-1749), un inventeur américain. SkyPole représente ainsi une première étape vers le développement d’un sextant « polarimétrique » et fait également l’objet d’un dépôt de brevet à la Société d’Accélération de Transfert de Technologies Sud-Est.

Figure : Vue panoramique du ciel prise par caméra polarimétrique mettant en évidence les symétries (lignes blanches) du motif de polarisation se croisant au pôle céleste (point blanc plus brillant). Les lignes résultent du traitement par la méthode SkyPole.

Crédits : © Thomas Kronland-Martinet, Léo Poughon et Stéphane Viollet