ORBITES DES SATELLITES ET APPLICATIONS

MISSIONS SPATIALES ET ORBITES D'APPLICATIONS

Il n'est pas question de dresser un catalogue exhaustif de toutes les missions spatiales qui ont été réalisées jusqu'à ce jour. Nous limiterons à faire ressortir, dans leur classement, la relation étroite entre la mission et l'orbite, avec un survol des principales contraintes associées.

En quelque sorte, c'est une première ébauche " très modeste " de l'analyse de mission, en phase A.

GLOSSAIRE PARTICULIER A CETTE PAGE

TYPES D'ORBITE

APPLICATION DES SATELLITES

Autres liens vers des sites de classification d'orbites :

http://www.educnet.education.fr/orbito/orb/orbito/orbit1.htm

I LES MISSIONS COMMERCIALES :

C'est certainement le domaine qui offre le plus de débouchés, avec l'utilisation des ondes électromagnétiques sous dans toutes les gammes de longueur d'onde des télécommunications.

1°) ORBITE GEOSTIONNAIRE :

De rayon 42164 km ( voir cours ), cette orbite qui laisse un satellite fixe au dessus d'un point choisi de l'équateur est idéale pour toutes les applications suivantes, qui "arrosent" une région dont le contour est défini dans des accords internationaux:

On ne compte plus les réseaux internationaux ou nationaux comme le géant américain INTELSAT, ses concurrents comme l'européen EUTELSAT ou ARABSAT lié aux pays de langue arabe.

a) Radiodiffusion TV ou radio :

Citons pour mémoire les satellites ASTRA, AUTELSAT I, II, III, TELECOM 2A, 2B, etc...

Avantages : accessibilité par "paraboles", qualité numérique, large gamme de chaînes, télécommunications planétaires quasiment instantanées

b) Téléphonie et transmission de données :

En plein développement actuellement, la téléphonie par "mobile", utilise de gros géostationnaires de relais associés à une constellation de petits satellites, qui peuvent être "vus" de n'importe quel point du globe, par 2 correspondants.

La transmission de données en instantané devient vitale, que ce soit pour la bourse, les échanges bancaires, Internet et le haut débit avec l'ADSL.

Des opérations chirurgicales sont maintenant possibles à distance avec dans l'échange des données, images et commandes de systèmes automatiques. C'est la télé-médecine, tout comme le télé-enseignement ou bien d'autres activité s'exerçant à distance. On citera aussi les vidéoconférences ou les forums de discussion.

c) Météorologie :

Il suffit de penser aux images de notre planète vue par Météosat qui stationnaire à 0°, pour comprendre l'utilité de la surveillance de l'Europe à partir d'un point fixe. Cependant, la météo demande aussi des satellites en orbite basse ( voir plus loin ).

La famille actuelle des Météosat en est à la génération 7. Ils envoient des photos et des données météorologiques toutes les 30 mn.

L'organisation internationale WMO ( World Meteorological Organisation) centralise le réseau satellitaire météo, composé de 6 satellites géostationnaire et de 4 satellites en orbite polaire.

EX : Satellites NOAA ou METEOR

Actuellement, la France est excellemment placée sur ce marché, avec le lanceur Ariane 5 et la masse maximale en géostationnaire est de l'ordre de 6000 kg.

2°) ORBITES POLAIRES :

Essentiellement utilisée par les satellites météorologiques, ces orbites basses, permettent de "revoir" les masses d'air des pôles, environ 15 fois par jour, ce qui permet d'intégrer les données mesurées dans les logiques de prédiction.

Dans cette catégorie, on trouve les orbites à périgée gelé, terme qui signifie simplement qu'on empêche la dérive de w et donc du périgée dans le plan orbital.

3°) ORBITES POLAIRES A DEFILEMENT : Ce sont toujours des LEO ( Low Earth Orbit ou Satellite à Orbite Basse )

a) Météorologie : (satellites Big LEO)

Essentiellement destinées aux satellites météorologiques, les satellites gravitent en circulaire vers 850 km du sol, sur une inclinaison de 102° qui leur assure l'héliosynchronisme. Le survol d'un même lieu a lieu toutes les 24 h.

HELIOSYNCHRONISME signifie que le satellite survole les nœuds de son orbite toujours à la même heure, ce qui permet de mieux suivre l'évolution des paramètres thermodynamiques en les comparant aux relevés du jour précédent à la même heure.

a) Télédétection et observation( ou surveillance) de la Terre : IMAGERIE SPATIALE

Ce sont les satellites d'imagerie spatiale, civile ( comme la famille SPOT ) ou militaire avec HELIOS. Sur orbites héliosynchrones, ils ont des missions variées :

Images et cartographie par exemple pour l'IGN, par exemple Spot 4 avec une caméra infrarouge et Spot 5 fournissent une résolution de 2,5 m sur un champ de 60 km de côté. Pour Hélios la résolution est de l'ordre de 1 m.

Surveillance des pollutions, inondations, conséquences de grands incendies, évaluation des déforestations de la fonte des glaciers ou de la banquise

Gestion des ressources humaines, régionales ou planétaires

Observation des mers et océans

Missions scientifiques d'étude de l'atmosphère ou de la biosphère, des interactions entre écosystèmes....

Surveillance militaire soit par l'imagerie, soit dans des longueurs d'onde permettant de repérer des activités souterraines légales ou illégales .....

En imagerie commerciale, des américains ont même réussi à descendre la résolution vers 10 cm.

CONTRAINTES :

1- Ces orbites quasi polaires demandent des azimuts de tir absolu plus grands que 90° et des tirs quasi polaires. L'entraînement de la Terre devient pénalisant, ce qui conduit à une vitesse de tir relative plus grande que l'absolue. Une base de tir de latitude élevée est souhaitable, soit en URSS soit avec les USA à Vanderberg.

2- La précision de pointage des appareils de prise de vue impose un SCA de très grande précision, pour maîtriser les mouvements de rotation du satellite qui résultent des perturbations externes ou internes.

3- La masse en orbite est limitée actuellement à quelques tonnes typiquement 4 à 5 tonnes.

4°) ORBITES CIRCULAIRES BASSES :

a) TELEPHONIE :

Les radio-amateurs utilisent souvent de petits satellites en orbite basse sur des durées limitées.

b) EXPERIMENTATION DE MATERIEL NOUVEAU :

Même si l'ambiance spatiale peut être simulée à Terre, rien ne vaut l'ambiance réelle du vide spatial ou tout simplement du vol, pour qualifier un matériel nouveau.

c) ESPIONNAGE ET RENSEIGNEMENT :

De petits satellites sont sur des orbites très basses, avec une durée de vie de quelques jours, destinés à des photographies de haute résolution, avec quelquefois récupération des pellicules, par des avvions dans l'atmosphère. Car rien ne vaut l'argentique. Les russes ont été les champions de ce genre de satellites avec la série des cosmos, pratiquement 1 par jour, à une certaine époque.

5°) ORBITE GTO :

C'est une orbite elliptique intermédiaire classique, du type périgée 200 km apogée 35786 km pour les vols Ariane I, II, III, IV et 560 km-35786 km pour la nouvelle famille Ariane 5.

Elle permet le transfert d'un satellite du niveau bas vers le niveau élevé géostationnaire. Voir cours

Elle a même été utilisée comme orbite de parking, pour la mission Giotto vers la comète de Halley.

6°) ORBITE DE TYPE MOLNYA :( Voir exercice)

Souvent utilisée par les soviétiques, cette orbite de période égale à la moitié du jour sidéral ( environ 12 h), très excentrique ( Périgée vers 600 km, apogée vers 40000 km ), cette orbite servait aux télécommunications domestiques.

Sa grande particularité est une inclinaison de 63°.4 qui annule la dérive du périgée dans le plan orbital, du moins celle due à J2( constance de l'argument nodal du périgée w)

7°) Orbite SSTO dite SUPERSYNCHRONE :

Utilisée pour optimiser une mise à poste géostationnaire, lorsque l'orbite de départ est fortement inclinée sur l'équateur.

Elle est très excentrique, pouvant " grimper " à plus de 100000 km de la terre. Plutôt que d'expliquer ses propriétés, je préfère ne ps me répéter et vous renvoyer la rubrique qui lui est dédiée sur ce site.

( Voir rubrique spéciale )

II MISSIONS SCIENTIFIQUES :

C'est aussi un domaine en pleine expansion, tant la demande est grande, soit en connaissances de notre planète, soit pour notre environnement dans le système solaire.

Les orbites sont diverses circulaires basses, elliptiques excentrées, hyperboliques d'évasion vers les planètes,

1°) MISSIONS INTERPLANETAIRES :

Loin de moi l'idée de rappeler toutes les missions américaines, soviétiques et dernièrement européennes à la découverte des planètes. Voir cours dédié.

C'est l'occasion de pratiquer l'orbite hyperbolique d'évasion par rapport à la Terre enchaînant avec une orbite elliptique de transfert héliocentrique qui amène une masse de quelques centaines de kg vers une planète choisie.

Parmi les missions les plus spectaculaires, citons:

Missions Pioneer ou Voyager	Missions des années 1970 de visite des planètes hautes du système solaire
Ulysses	Avec tremplin gravitationnel survol des pôles du Soleil
SOHO	Sonde d'observation disposée au point de Lagrange L1du système Terre-Soleil
Galiléo vers Jupiter et son environnement	Avec tremplin gravitationnel sur Vénus, la Terre 2 fois
Rosetta vers une comète lointaine	Avec tremplins gravitationnel
Giotto vers la comète de Halley	Première traversée de la queue d'une comète.
CASSINI	Fin 2004, le module Huygens de la sonde Cassini (lancée en 1997) plongera dans l’atmosphère "prébiotique" de Titan, mystérieux satellite de Saturne.

2°) GPS ET CONSTELLATIONS : Voir cours dédié

Apparu dans la dernière décennie, le GPS ( Global Positionning System ), est un système de positionnement utilisant plusieurs satellites d'une constellation, pour affiner la position.

Un navigateur ( avion, bateau, satellite, véhicule terrestre ou simplement un randonneur peuvent connaître leur vitesse et position. Le GPS est même utilisé en agriculture pour piloter en automatique un labour de champs immenses.

Le GPS est intégré aux navigateurs notamment sur les avions ou les navires.

L'URSS avait développé GLONASS, constellation de 24 satellites évoluant sur 3 plans à une altitude de 19 100 kilomètres.

Les USA possèdent le GPS actuel( qui présente cependant un inconvénient de taille, car c’est un système militaire qui dépend du bon vouloir de l’armée américaine ).

Et l'EUROPE met en place, à partir de 2005, le système GALILEO, pour garantir son indépendance et aussi pour les retombées économiques d’une technologie aux applications civiles innombrables. Le système devrait être opérationnel en 2008. GALILEO utilisera une constellation de 30 satellites de 700 kg chacun, disposés sur trois plans inclinés à 56° sur l'équateur à 23 500 km d'altitude. La constellation sera gérée par un réseau mondial de stations terrestres. Les satellites émettront sur plusieurs fréquences allant de 1164 à 1591 MHz, y compris certaines fréquences utilisées par le système GPS, comme la fréquence L1. La compatibilité avec GLONASS est prévue.

PRECISION ATTENDUE :

Les performances du GPS "civil" sont largement suffisantes pour les randonnée ou la plaisance, mais pas pour des applications qui demandent une précision de l’ordre du mètre, voire du centimètre, un GPS dit "différentiel", beaucoup plus coûteux, doit alors être utilisé . Après 2008 avec Galileo et le GPS 2 les performances s’approcheront de ce "super GPS".

Il est aussi certain que GPS et Galiléo seront fortement associés à la téléphonie mobile. Aujourd’hui, une puce GPS est déjà intégrée à certains téléphones mobiles aux US et lorsque un numéro d'urgence est composé, l’utilisateur est immédiatement localisé.

2°) ASTRONOMIE SPATIALE ET VERIFICATIONS DES GRANDS PRINCIPES :

1 - ASTRONOMIE :

Le besoin de précision dans l'analyse de tous les types de rayonnement, ont conduit les astrophysiciens à utiliser des télescopes en orbite, tel HUBBLE ou IRAS pour le rayonnement infra rouge.

Le télescope Hubble est un instrument optique américain et européen permettant d’observer la lumière dans les domaines visible, infrarouge et ultraviolet. Il est placé en orbite autour de la Terre à une altitude de 580 km évitant ainsi les perturbations dues à l’atmosphère terrestre.

Tout dernièrement une cartographie fine des fluctuations du rayonnement primordial émis lors du big-bang, a conforté la théorie.

L'atmosphère, outre les perturbations qu'elle apporte dans la transmission des ondes, est opaque à certains rayonnements, ce qui justifie l'usage de l'espace.

2- INTERFEROMETRIE GRANDE BASE :

Il est aussi envisagé, c'est un grand espoir pour les astronomes et les physiciens, d'utiliser des sondes spatiales pour réaliser des expériences d'interférométrie grande base. Ceci pour mettre en évidence notamment l'existence d'ondes gravitationnelles et valider ainsi cet aspect de la théorie de la relativité.

NB :d'après un article ---> Lisa (Laser Interferometer Space Antenna), projet de la NASA-ESA pourrait en 2010 être le premier observatoire spatial à tenter de prouver l’existence des ondes gravitationnelles, prévues par la théorie de la relativité générale. Pour cela, trois satellites, placés en triangle face au Soleil, évolueront à une distance de cinq millions de kilomètres les uns des autres ! Ils serviront de base à des mesures interférométriques. Les distances seront soigneusement mesurée grâce à des faisceaux laser entre satellites.

3°) GEODESIE OU ETUDE DES OCEANS :

Cette discipline utilise les mesures de distance pour évaluer les mouvements de l'écorce terrestre, évaluer les altitudes, le niveau des océans ( TOPEX-POSEIDON) et les anomalies de gravité qui déforment la surface moyenne des océans. La précision radiale de l'orbite du satellite TOPEX/POSEIDON en altimétrie spatiale, est voisine de 2 cm.

Le système DORIS (composé d'un réseau de stations émettrices, de récepteurs à bord de satellites, d'un centre de réception et de traitement des données et de stations dites de localisation) a permis de mesurer les mouvements relatifs de plusieurs plaques, notamment les plaques Afrique et Antarctique. Les récepteurs sont à bord de plusieurs satellites SPOT 2,4 et 5 , Topex-Poséidon , Jason 1 et Envisat .

Pour la mission Topex-Poséidon, l'erreur sur l'altitude est inférieure à 3 cm /1300 km, avec Jason1, la précision pourrait être centimétrique.

CONTRAINTES :

Ces satellites doivent connaître avec une extrême précision leur position en temps réel. Les instruments DORIS disposent du système de détermination d'orbite à bord, DIODE (Détermination Immédiate d'Orbite par DORIS Embarqué), calculant en temps réel la position et la vitesse du satellite.
La connaissance au mètre près d'une orbite est maintenant possible.

Sur les derniers récepteurs embarqués sur Jason 1, Envisat et SPOT 5, les premiers résultats de DIODE autorisent en temps réel une qualité métrique.

AMELIORATION DE LA CONNAISSANCE DU CHAMP DE GRAVITE TERRESTRE :

Les satellites artificiels réagissent aux irrégularités du champ de gravité, la connaissance de leurs orbites avec précision permet d'analyser les perturbations. Les millions de données DORIS de poursuite des satellites SPOT 2, SPOT 3 et TOPEX/POSEIDON intégrées dans les modèles de gravité comme le modèle américain EGM-96 ou le modèle européen GRIM-5.

La précision radiale de TOPEX/POSEIDON, capitale en altimétrie spatiale, atteint alors 2 cm.

4°) MICROGRAVITE :

Voir le cours dédié.

En résumé, si le satellite en chute libre n'est soumis à aucune vibration ou aucune force extérieure autre que le champ de gravité, il est en apesanteur et on parle alors de gravité 0. Cependant, l'ambiance générale est celle d'une microgravité, ne serait-ce que parce un freinage résiduel est toujours présent.

Cette ambiance permet des expériences nouvelles :

Fabrication de médicaments homogènes. Biologie et physiologie humaine ou animale.

En ambiance froide : Etude de supraconductivité, de superfluidité

Etude de l'influence des rayons cosmiques

Expériences de mécanique des fluides, de combustion ...

Elaboration de matériaux nouveaux, de cristaux parfaits. Avec les nouvelles matières intéressant les technologies modernes :

Les Polymères
Les Verres et Céramiques.
Les métaux et alliages métalliques
Les semi-conducteurs

Etc....

III STATIONS ORBITALES :

Les russes nous ont longtemps habitués au concept de STATION ORBITALE avec la fameuse station MIR.

La communauté internationale a donc rapidement pris la décision, prévenant la fin de vie de MIR, de construire la STATION SPATIALE INTERNATIONALE ( ISS en anglais ).

http://www.spacenews.be/dossiers/iss/iss05.html

Avec une durée de vie de 15 à 20 ans, une station orbitale est un laboratoire idéal d'expérimentation, dans tous les domaines et plus particulièrement en microgravité( voir plus haut).

C'est probablement ce genre de construction modulaire, autour de la Terre ou de la lune, qui servira de base d'envol vers la planète Mars, qui apparaît comme la première candidate à une future exploration habitée de planète.

IV AUTRES DENOMINATIONS :

1°) ORBITES PHASEES :

Cette dénomination apporte une propriété supplémentaire à une orbite, celle de survoler au bout d'un temps fini, le même point physique de la Terre. Ce qui peut être intéressant, pour des comparaisons d'images, un suivi d'évolution ....

On démontre alors que la période orbitale satellite doit être dans un rapport rationnel avec la période sidérale de la Terre.

Voir cours.

NB : En imagerie spatiale, les orbites sont héliosynchrones et phasées.

CONTRAINTE CAPITALE : Malgré les perturbations, il faut veiller à maintenir une période très précise, donc un demi grand axe a constant

2°) ORBITES A PERIGEE GELE :

Les perturbations orbitales font dériver le périgée dans son plan. Le périgée d'une orbite est dit gelé notamment lorsqu'on souhaite, pour une orbite polaire ou quasi polaire, fixer le périgée au-dessus du pôle.

CONTRAINTE : On montre après un calcul assez fin, qu'il faut donner, à une orbite quasi circulaire, une très légère excentricité, bien choisie, au départ.

3°) ORBITES DE PARKING ou D'ATTENTE :

On appelle ainsi, des orbites intermédiaires, où un satellite, ou une sonde interplanétaire sont injectées par le lanceur, avant restitution d'orbite ou vérifications préliminaires de position, en attente d'une injection précise dans un plan particulier, notamment pour les transferts translunaires ou interplanétaires....

4°) ORBITES DE DERIVE :

On désigne ainsi des orbites elliptiques ou quasi circulaires, intermédiaires entre la GTO et la géostationnaire finale, lors d'une mise à poste d'un satellite géostationnaire. Pourquoi de "dérive" ? Tout simplement, parce qu'avec des décalages de période, on peut rapprocher l'apogée de la longitude de stationnement finale, juste avant la mise à poste fine.

Le mieux est d'aller consulter le cours dédié.

5°) ORBITES SYNCHRONES :

Qualificatif donné aux orbites elliptiques (équatoriales ou pas ) ou circulaires( non équatoriales ) de période identique à la période sidérale de la Terre.

Guiziou Robert octobre 2007, sept 2011