L’histoire de la navigation

des Sous-marins Nucléaires Lanceurs d'Engins français

1 Introduction

Le système de navigation des SNLE français, à base de gyroscopes "mécaniques", fut une aventure scientifique, technique et industrielle exaltante et de très haut niveau. Cette aventure s'est terminée avec l'installation de viseur stellaire sur les missiles MSBS (M51) qui a réduit le besoin de précision des informations de navigation pour le tir. Il a alors été possible d'installer un système à gyroscope laser de coût très inférieur.

Le programme de système de navigation pour SNLE français se déroule avec une grande similitude par rapport au programme US (ref.9) : Gyroscopes à roulement à billes, puis paliers à gaz, puis gyroscope à suspension électrostatique . La centrale française a intégré dès l'origine un gyroscope moniteur (PGM). Le calculateur AE51M a eu dès l'origine les performances minimales nécessaire. Les raisons d'évolutions exposées de manière détaillées dans le document : augmentation de la portée missile, réduction de la fréquence de recalage furent les mêmes pour le programme français.

Il n'est pas nécessaire de paraphraser le contenu de l’encyclopédie. Il est important de raconter le contexte de la conception initiale et de rendre hommage à ses auteurs. Il est permis bien entendu, aux acteurs de la DCN qui ont vécu cette aventure, de s’exprimer en contactant le site pour ajouter leurs anecdotes. Certains points renvoient à des articles de la revue « Navigation » de l’Institut Français de Navigation. La revue « Navigation » a interrompu sa parution, les numéros parus sont accessibles sur BNF/gallica (voir bibliographie ci-après pour toutes les références).

Les informations rapportées ici sont celles qui ne sont pas couvertes par le secret technique ou de défense. En effet, comme indiqué ci-après, les travaux théoriques de 1963 ont ensuite été rendus publics dans les années 2000. Par ailleurs, l'apparition des viseurs stellaires pour missiles balistiques a rendu les systèmes inertiels "mécaniques" de très haute précision embarqués sur SNLE obsolètes, compte-tenu de leur coût.

Le présent texte rapporte la mémoire d'un des acteurs de cette aventure. L'historien qui voudrait bien s’y intéresser pourrait trouver les documents officiels échangés dans les archives de la DGA à Châtellerault, dans la partie STCAN/section Navigation et Projecteurs de 1960 à 1970.

2 Conception initiale

Á l’époque origine du programme Cœlacanthe fut fait un état de l'existant. Il existait bien une centrale inertielle conçue pour les frégates F67. Ses performances n’étaient pas du tout au niveau du besoin.

A la fin des années 1950, les connaissances sur les centrales inertielles de navigation se limitaient à un cours sur la navigation inertielle dispensé à Supaero (A10) et publié en 1962 (ref 1).
Le document a été revu en 1967 et 1991 par J. C. Radix (ref. 2 et 3). S'agissant essentiellement des applications aéronautiques, les aspects liés à la grande précision et à la durée de mission n'étaient pas traités. Des cours de formation furent ensuite présentés (et rendus publics) dans les années 2000 : cours Techniques Inertielles ARC010 de Supaero, cours de Robert Guiziou à l'Ecole de l'air (ref. 4).

En 1963, la base théorique sur laquelle proposer une réalisation de centrale inertielle de navigation pour sous-marin de type SNLE était donc entièrement à étudier et à rédiger par la section Navigation du STCAN.

Une mission de l’équipe STCAN aux USA, sur sous-marin stratégique, permit de se faire une idée de l'œuvre à accomplir et de la dimension des gyroscopes et des centrales (mission rapportée par l'IGM Jacques Barriac).

Dans le même temps, l’amiral Rickover, père de la marine nucléaire des USA, déclarait à la commission de la défense du Sénat à Washington : « La France réussira à réaliser la propulsion nucléaire des sous-marins, mais jamais elle n’atteindra les performances de navigation nécessaires pour une localisation opérationnelle qui rendrait sa force de dissuasion crédible ». Cette déclaration sera suivie par un embargo des USA sur un transfert de connaissance dans ce domaine. L’historique des systèmes US et l’état de l’art en 1977 a été rapportée en 1977 (ref.9).

En revanche, dans le même temps, les Britanniques négocièrent l'acquisition de différentes composantes majeures de la force sous-marine nucléaire stratégique avec les USA, au prix de leur perte d'indépendance en matière de dissuasion.

Dès 1963, la section Navigation du STCAN dirigée par l'ICGM François Bailly (section de 3 à 4 ingénieurs) fut capable de proposer une architecture système d’une CIN (centrale inertielle de navigation) et les ordres de grandeur des précisions recherchées.

Les travaux théoriques réalisés au STCAN par ailleurs concernaient les modes de fonctionnement, le problème de navigation près du pôle Nord, la préparation de la programmation informatique pour les machines disponibles à l'époque. Sur la base de ces travaux théoriques, la direction du programme Cœlacanthe retint la solution technique proposée et confia à Sagem son développement et sa réalisation. Cette décision fut très importante, compte-tenu du montant financier à engager.

A cette époque, Sagem disposait d'accords de coopération avec la société américaine Kearfott, ce qui lui avait permis de bénéficier d’importants transferts de connaissance. Mais, brutalement, les Etats-Unis mettent l'embargo sur toutes les informations susceptibles d'aider la France dans ce domaine.

Sagem avait développé ,avec la société Ferranti, un calculateur AE51 qui fut utilisé pour la centrale inertielle du Concorde. Une version spécifique AE51M en fut dérivée pour piloter la CIN des SNLE.

La petite équipe du STCAN/navigation pilota finalement avec succès la conduite de cette opération et réussit avec Sagem à respecter les engagements de performances et de délais. Cependant, François Bailly, chef de l’équipe, y laissa sa santé.

Les réflexions sur la fiabilité et la sûreté de fonctionnement conduisirent ensuite à retenir un ensemble redondant à 3 plateformes CIN et à introduire au centre des cardans une plateforme de calibration périodique des gyroscopes (PGM). En 1968, l’équipe STCAN (IPA Jacques Barriac et IPETA Pierre Bechet) fut « mutée pour emploi » à la société Sagem. Ces ingénieurs menèrent des développements d'équipements de navigation inertielle jusqu’à leur départ en retraite de la société Sagem.

 Hormis la centrale inertielle, la navigation nécessita également des développements de périscope de visée astrale (PVA), de radionavigation et de navalisation d'horloge de haute précision. Ces derniers sont traités ici en l'état actuel de la connaissance des archives. La description technique des centrales inertielles est développée dans l'encyclopédie précitée.

3 Des débuts difficiles pour les exploitants des centrales inertielles

L’encyclopédie (vol. 4, p.170) mentionne des difficultés d’exploitation. Si, à l’issue de son commandement, le premier commandant du Redoutable (CF Louzeau) exprima la réussite de sa mission, il insista cependant sur les progrès nécessaires pour assurer la sérénité de l'exploitation du système (choix de la centrale pilote, décision de remonter près de la surface pour effectuer un recalage (périscopique ou radioélectrique) (revue Navigation - Janv. 1973- ref 5). En effet, les capacités informatiques - et le calcul en virgule fixe en particulier - furent un point faible important. Les calculs sur les lignes trigonométriques lorsque le sous-marin montait en latitude atteignaient leurs limites. Il fut toutefois heureusement possible de résoudre cette difficulté car la portée du missile M1 et la situation de guerre froide orientaient plutôt les patrouilles de SNLE vers la Norvège.

Une épigraphe de Pierre Bechet figurait en tête de la notice de la CIN : « Il n’est que de s’y rendre pour le perdre ». Cette épigraphe exprimait la difficulté technique particulière de la navigation inertielle proche du pôle.

3.1 La participation du LRBA de Vernon

Le LRBA de Vernon qui avait une compétence de longue date, en particulier pour la navigation-guidage des premières fusées françaises contribua largement à la réussite du programme initial destiné au SNLE Redoutable, puis à la refonte M4, puis à l'intégration du GSE. Une équipe spécialisée avait ainsi développé des outils de suivi technique des composants inertiels.
À l’issue de chaque patrouille, Jean Deveaux se rendait à Brest pour recevoir des informations et ramener des documents techniques concernant le comportement des centrales. Après examen, la configuration de composants pour la sortie suivante était diffusée par le LRBA à DCN Brest.

3.2 Un atelier spécifique pour atteindre le très haut niveau de précision

L’arsenal de Brest, avec le support du LRBA et de l’industriel Sagem installa un atelier permettant de contrôler à terre les composants inertiels et de les stocker dans les conditions requises.

3.3 La visée stellaire périscopique

3.4 La radionavigation des années 70

Les sous-marins en plongée accèdent avec des antennes immergées à faible profondeur aux signaux de fréquences faibles (Omega, Loran). La couverture Omega est mondiale mais sa précision est assez faible. La couverture Loran C est limitée, ce qui justifia le lancement du programme Loran C national entrepris lors de la refonte M4.

3.5 L'horloge de haute précision (VHH)

Le système de navigation ainsi que d'autres systèmes du bord (communications, ...) nécessitaient une horloge qui puisse conserver une très haute précision et de la stabilité pendant la durée de la patrouille. Du matériel existait à terre mais il fut nécessaire de le navaliser pour lui faire supporter l'environnement du sous-marin.

3.6 Le système de transfert d'azimut (STA)

Compte tenu de la précision angulaire recherchée, il a fallu mesurer l'impact de la déformation du sous-marin lors de ses variations d'immersion et sa rémanence. L'information d'azimut est émise par rapport à un miroir de référence de la CIN utilisée. Le missile prend alors en compte cette valeur par rapport à son propre miroir de référence. Au moyen d'un dispositif de rayon lumineux orientable, le STA mesure l'angle entre les miroirs de référence au moyen d'un diasporamètre.

4 La refonte M4

En 1979, Pierre Faurre rapporta de Stanford, où il étudia avec le professeur Kalman, les théories sur le filtrage optimal. Il entre à la société Sagem puis en devient le président en 1986 (ref. 10 et 11).

Le SGN est un terrain privilégié pour utiliser le filtrage optimal. La modélisation statistique des grandeurs en évolution est déjà avancée et il est possible d’utiliser les redondances existantes dans le système. Cet axe de développement répondait parfaitement à la demande des opérationnels. Le travail était suivi de près par Pierre Faurre. Le travail du LRBA fut salué par l'attribution à l'IPA Jean Deveaux d'un prix de l'académie des sciences (Prix 6949 le 11 décembre 1978) pour l'étude et la réalisation d'un système global de Navigation. La classification confidentielle du sujet ne permet toutefois d'accéder au contenu présenté. Le document US (ref1) insiste sur l'intéret  du filtrage optimal et rappelle que ce fut une des premières utilisations d'ampleur.

4.1 Le développement du Loran C national

Le caractère local du système amena les pays à créer des chaînes régionales de radionavigation. La France s'est ainsi dotée d'un système national de radionavigation LORAN C. Le système est présenté par Bernard Canu dans les revues Navigation n°126 et 127- (voir bibliographie ref. 7).

4.2 La visée stellaire périscopique revisitée

A l'occasion de la refonte du missile M4, les progrès possibles sur le matériel et le logiciel ont conduit à concevoir un nouvel équipement baptisé MRA2 (Moyen de Recalage Astral). Cet équipement est évoqué dans le document de Claude Kaiser déjà cité :

L’évolution marquante du PVA (Périscope de Visée Astrale) comme moyen de recalage des Centrales Inertielles de Navigation (CIN) est la suppression de l’opérateur humain dans la boucle de pointage des étoiles, ce qui conduit à développer un nouvel équipement, appelé Moyen de Recalage Astral (MRA), entièrement automatisé, réalisé complètement par la SAGEM qui, entre temps, avait acquis les activités optiques de la SOPELEM. Ce MRA intégré dans le Système Global de Navigation détermine la meilleure estimation de navigation par filtrage de Kalman des informations élaborées par la CIN, la radio-navigation, le loch (et ultérieurement le GPS).

4.3 L’évolution du SGN avec l’arrivée du GSE

L’Encyclopédie présente (V6 – p.338) l’historique et les caractéristiques du GSE (gyroscope à suspension électrostatique).

La conception technique du GSE fût présentée dans la revue « Navigation » n°126 4/1984 (P. Leger et F. Bihan – ref. 8). L’encyclopédie évoque une performance (quelques 10^-6 degré/heure) au-delà de l’objectif fixé. Cet équipement a donc atteint les performances souhaitées et permit une fréquence de recalage plus faible, avec il est vrai, un coût élevé.

La présentation, en 1977 du développement du GSE US (ref. 9) exprime la complexité introduite par la précision recherchée (vecteur d’état du système à plus de 80 paramètres). La partie française n’a pas communiqué sur ce sujet.
La présentation indique que le GSE US a atteint ses performances en développement et démarre en fabrication de série. Elle indique par ailleurs (page 413), que, compte-tenu des performances du système le périscope de visée astrale est débarqué, ce qui peut apparaître comme hâtif.

5 Nouvelle révolution : Le missile M51 avec viseur stellaire

Le missile balistique n'a cessé d'évoluer pour maintenir la crédibilité de la dissuasion française au niveau mondial. Le développement d'un viseur stellaire sur les missiles, lui permettant de recaler son vol pour atteindre la cible (en particulier le cap dont l'erreur influait de plus en plus avec l'allongement de portée), fut réussi et l'équipement put être installé sur le missile M51. Cette évolution a modifié le besoin en précision de données de navigation sur les SNLE. Parallèlement, les centrales de navigation à gyroscopes Laser progressèrent, permettant le remplacement des SGN/GSE à moindre coût. Le programme d’installation et d’adaptation est présenté par le ministère des Armées sous l’appellation composante embarquée du système d’armes de dissuasion (CESAD) propre au missile M51 (https://www.defense.gouv.fr/dga/adaptation-au-m51-snle ).

Le missile US TRIDENT , si l'on s'en tient aux informations publiques, dispose également d'un viseur stellaire.

IGA (2s) François Bihan

6 Bibliographie

1. J. Carpentier, J.-C. Radix, J. Bouvet, and G. Bonnevalle - Navigation Par Inertie (Inertial Navigation) - Dunod Paris 1962.
   
   

2. Radix (JC) La Navigation par inertie / par Jean-Claude Radix - Presses Universitaires de France. Paris - 1967
   
   

3. Radix (J.C.) -   Systèmes inertiels à composants liés « strap-down » - Cépaduès éditions (1991).
   
   

4. Guiziou R. - https://mecaspa.cannes-aero-patrimoine.net/mecaniq/techniques_inertielles/centrale_inertielle/centrale_inertielle.htm
   
   

5. Bernard Louzeau – La navigation des sous-marins nuclaéaires lanceur d’engins - https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bd6t53401331/f78.item
   
   

6. Claude Kaiser - Le centre de calcul Cœlacanthe 1963-1970
   https://cedric.cnam.fr/~claude/haliotis/format%20a5/3a5_1%20%20article%20ccc.pdf
   

7. Bernard Canu - Revue Navigation n°126 et 127 -
   n°126 : https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bd6t53442322/f16.item

   n°127 : https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bd6t53401242/f15.item
   

8. P. Leger et F. Bihan – le GSE – Revue Navigation n°126 (1984) https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bd6t53442322/f72.item
   
   

9. B. McKelvie et H. Galt, Jr. - Evolution du système de navigation pour les sous-marins lanceurs d’engins balistiques de la flotte américaine (SSBM)
   - https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bd6t5340128k/f41.item
   

10. Pierre Faurre – Système de navigation à inertie hybride optimisé – Navigation- n°70 - https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bd6t5340009z/f31.item
    

11. Pierre Faurre et al. — Navigation inertielle hybride optimale, Dunod (1970)

7 Liste des acronymes