Suivi de satellites : Un guide complet

La capacité de suivre avec précision les satellites est cruciale pour un large éventail d'applications, allant de la garantie de la sécurité des opérations spatiales à la facilitation de la recherche scientifique et des communications. Ce guide offre un aperçu complet des méthodes, des technologies de suivi de satellites et de leur importance dans le paysage spatial moderne. Comprendre ces méthodes est essentiel pour toute personne impliquée dans l'exploration spatiale, la communication par satellite ou la connaissance de la situation spatiale (SSA).

Pourquoi suivre les satellites ?

Le suivi des satellites ne se résume pas à savoir où se trouve un satellite ; c'est un composant essentiel de :

Évitement des collisions : Avec un nombre croissant de satellites et de débris spatiaux en orbite, le suivi permet aux opérateurs de prédire et d'éviter les collisions potentielles, prévenant ainsi des événements catastrophiques qui pourraient générer encore plus de débris.
Planification de mission : Des données de suivi précises sont essentielles pour planifier les manœuvres des satellites, optimiser les fenêtres de communication et programmer les activités d'observation de la Terre.
Connaissance de la situation spatiale (SSA) : Le suivi contribue à une meilleure compréhension de l'environnement spatial, y compris la localisation et le comportement de tous les objets en orbite.
Recherche scientifique : Les données de suivi peuvent être utilisées pour étudier la mécanique orbitale, améliorer les modèles de détermination d'orbite et mener des recherches sur l'atmosphère terrestre et son champ gravitationnel.
Protection des actifs : Connaître la position et la trajectoire de votre satellite vous permet de le protéger contre les menaces potentielles, y compris les interférences intentionnelles.
Application du droit et des traités spatiaux : Le suivi contribue à la surveillance et à la vérification de la conformité avec les lois et traités spatiaux internationaux.

Principes fondamentaux des orbites des satellites

Avant d'aborder les méthodes de suivi spécifiques, il est important de comprendre les bases des orbites des satellites. Les satellites gravitent autour de la Terre en suivant des trajectoires prévisibles régies par les lois de Kepler sur le mouvement planétaire et la loi de la gravitation universelle de Newton. Ces lois décrivent la forme de l'orbite (elliptique), la vitesse du satellite (plus rapide lorsqu'il est plus proche de la Terre) et la relation entre la période orbitale et la taille de l'orbite.

Plusieurs paramètres orbitaux définissent la forme et l'orientation de l'orbite d'un satellite :

Demi-grand axe (a) : La moitié du plus grand diamètre de l'orbite elliptique.
Excentricité (e) : Décrit la forme de l'ellipse (0 pour un cercle, proche de 1 pour une ellipse très allongée).
Inclinaison (i) : L'angle entre le plan orbital et l'équateur terrestre.
Ascension droite du nœud ascendant (Ω) : L'angle entre l'équinoxe vernal et le point où l'orbite traverse l'équateur du sud au nord.
Argument du périastre (ω) : L'angle entre le nœud ascendant et le point de l'orbite le plus proche de la Terre (périastre).
Anomalie vraie (ν) : L'angle entre le périastre et la position actuelle du satellite.

Ces paramètres, ainsi que l'époque (le moment où les paramètres sont valides), décrivent complètement l'orbite d'un satellite à un instant donné. Les ensembles d'éléments à deux lignes (TLE) sont un format courant pour représenter ces paramètres orbitaux et sont largement utilisés pour prédire les positions des satellites.

Méthodes de suivi des satellites

Diverses méthodes sont employées pour suivre les satellites, chacune ayant ses forces et ses limites. Ces méthodes peuvent être globalement classées en :

Suivi par radar
Suivi optique
Suivi par télémesure
Interférométrie
Télémétrie laser (SLR)

Suivi par radar

Le radar (détection et télémétrie par radio) est une méthode largement utilisée pour le suivi des satellites, en particulier pour les objets en orbite terrestre basse (LEO). Les systèmes radar émettent des ondes radio et détectent les signaux réfléchis par les satellites. En mesurant le délai et le décalage de fréquence des signaux réfléchis, le radar peut déterminer la distance, la vitesse et la position du satellite.

Types de systèmes radar :

Radars au sol : Situés à la surface de la Terre, ces radars peuvent suivre les satellites lorsqu'ils passent au-dessus. Des exemples incluent les radars du Réseau de surveillance spatiale des États-Unis (SSN) et les radars exploités par d'autres pays comme le radar EISCAT en Europe et l'Association Spaceguard du Japon.
Radars spatiaux : En orbite autour de la Terre, ces radars ont un champ de vision plus large et peuvent suivre des satellites dans différents plans orbitaux. Des exemples incluent des charges utiles radar expérimentales sur des satellites utilisés pour la recherche en SSA.
Radars à balayage électronique : Ces systèmes radar avancés utilisent plusieurs antennes pour diriger électroniquement le faisceau radar, permettant un balayage rapide du ciel et le suivi de plusieurs objets simultanément.

Avantages du suivi par radar :

Capacité tout temps : Le radar peut fonctionner dans toutes les conditions météorologiques, y compris par temps nuageux et dans l'obscurité.
Longue portée : Les systèmes radar puissants peuvent suivre des satellites à des distances considérables.
Mesures précises de la distance et de la vitesse : Le radar fournit des mesures précises de la distance et de la vitesse, qui sont cruciales pour la détermination de l'orbite.

Inconvénients du suivi par radar :

Résolution angulaire limitée : Le radar a une résolution angulaire inférieure à celle du suivi optique, ce qui rend plus difficile le suivi de petits objets ou la résolution d'objets rapprochés.
Besoins en puissance : Les systèmes radar nécessitent une puissance importante pour fonctionner, en particulier pour le suivi à longue portée.
Écho de sol et interférences : Les signaux radar peuvent être affectés par l'écho de sol, les interférences atmosphériques et le brouillage intentionnel.

Exemple : Le Réseau de surveillance spatiale des États-Unis (SSN) est un réseau mondial de capteurs radar et optiques qui suit plus de 20 000 objets en orbite. Le SSN utilise des systèmes radar tels que le Perimeter Acquisition Radar Attack Characterization System (PARCS) et le Space Fence pour surveiller les satellites et les débris spatiaux.

Suivi optique

Le suivi optique consiste à utiliser des télescopes et des caméras pour observer et suivre les satellites. Les capteurs optiques mesurent la position angulaire d'un satellite par rapport aux étoiles de fond. Ces mesures, combinées à des données de temps précises, sont utilisées pour déterminer l'orbite du satellite.

Types de systèmes de suivi optique :

Télescopes au sol : Ces télescopes vont des petits télescopes automatisés aux grands observatoires de recherche. Des exemples incluent la station optique au sol de l'ESA à Tenerife, en Espagne, et les sites GEODSS (Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance) exploités par l'U.S. Air Force.
Télescopes spatiaux : Les télescopes en orbite tels que le télescope spatial Hubble et les télescopes dédiés à la SSA offrent des vues dégagées de l'espace et peuvent suivre des satellites difficiles à observer depuis le sol.
Capteurs électro-optiques (EO) : Ces capteurs utilisent des détecteurs électroniques tels que les CCD (Dispositifs à transfert de charge) ou les CMOS (Semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire) pour capturer des images de satellites.

Avantages du suivi optique :

Haute résolution angulaire : Les télescopes optiques offrent une haute résolution angulaire, permettant le suivi de petits objets et la résolution d'objets rapprochés.
Détection passive : Le suivi optique est une technique de détection passive, ce qui signifie qu'il n'émet aucun signal qui pourrait interférer avec d'autres satellites ou être détecté par des adversaires.
Rentable pour les petits objets : Des télescopes relativement plus petits peuvent être utilisés pour suivre des objets, offrant une solution rentable pour la SSA.

Inconvénients du suivi optique :

Dépendant de la météo : Le suivi optique est limité par les conditions météorologiques telles que la couverture nuageuse, la pluie et le brouillard.
Limitations diurnes : Le suivi optique au sol est généralement limité aux observations nocturnes, bien que des techniques spécialisées puissent être utilisées pour suivre les satellites pendant les heures crépusculaires.
Effets atmosphériques : L'atmosphère terrestre peut déformer les images, réduisant la précision des mesures de suivi optique. Des techniques d'optique adaptative peuvent être utilisées pour atténuer ces effets.

Exemple : Le Space Surveillance Telescope (SST) est un télescope optique au sol développé par l'U.S. Air Force pour détecter et suivre de petits objets dans l'espace lointain. Le SST a un large champ de vision et est capable de balayer rapidement de vastes zones du ciel.

Suivi par télémesure

Le suivi par télémesure repose sur la réception et l'analyse des signaux radio transmis par le satellite lui-même. Ces signaux contiennent des données sur la santé, l'état et la position du satellite. En surveillant ces signaux, les stations au sol peuvent suivre le satellite et évaluer ses performances.

Composants du suivi par télémesure :

Émetteurs de satellite : Les satellites sont équipés d'émetteurs qui diffusent des données de télémesure vers les stations au sol.
Stations au sol : Les stations au sol dotées de grandes antennes reçoivent et traitent les signaux de télémesure. Ces stations font souvent partie d'un réseau mondial, comme le Deep Space Network (DSN) de la NASA ou le réseau européen de poursuite spatiale (ESTRACK).
Traitement du signal : Les signaux reçus sont traités pour extraire les données de télémesure, qui incluent des informations sur la position, l'attitude, la température, les niveaux de puissance du satellite et d'autres paramètres.

Avantages du suivi par télémesure :

Mesure directe de la position du satellite : Les données de télémesure incluent souvent des mesures directes de la position du satellite, obtenues à partir de systèmes de navigation embarqués tels que le GPS ou les viseurs d'étoiles.
Surveillance continue : Le suivi par télémesure permet une surveillance continue de la santé et de l'état du satellite, permettant aux opérateurs de détecter et de réagir aux anomalies en temps réel.
Haute précision : Les données de télémesure peuvent fournir des informations de position très précises, surtout lorsqu'elles sont combinées avec d'autres méthodes de suivi.

Inconvénients du suivi par télémesure :

Dépendance de la coopération du satellite : Le suivi par télémesure dépend de la transmission de signaux par le satellite, ce qui peut ne pas être possible si le satellite fonctionne mal ou si l'opérateur désactive intentionnellement l'émetteur.
Couverture limitée : Les stations au sol ont des zones de couverture limitées, de sorte qu'un satellite peut ne pas être à portée d'une station au sol à tout moment.
Vulnérabilité aux interférences : Les signaux de télémesure peuvent être affectés par les interférences d'autres sources radio.

Exemple : Le Deep Space Network (DSN) de la NASA est un réseau mondial de grandes antennes qui soutient les missions de vaisseaux spatiaux interplanétaires. Le DSN suit les vaisseaux spatiaux en recevant et en analysant leurs signaux de télémesure, fournissant des données cruciales pour la navigation et les opérations de mission.

Interférométrie

L'interférométrie combine les signaux de plusieurs antennes pour atteindre une résolution angulaire plus élevée que celle qu'une seule antenne peut fournir. Cette technique est utilisée pour suivre les satellites en mesurant la différence de temps d'arrivée ou de phase des signaux reçus à différentes antennes.

Types d'interféromètres :

Interféromètres radio : Ces interféromètres utilisent des ondes radio pour suivre les satellites. Des exemples incluent le Very Large Array (VLA) aux États-Unis et l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili.
Interféromètres optiques : Ces interféromètres utilisent la lumière visible pour suivre les satellites. L'interférométrie optique est plus difficile que l'interférométrie radio en raison des longueurs d'onde plus courtes de la lumière, mais elle peut fournir une très haute résolution angulaire.

Avantages de l'interférométrie :

Haute résolution angulaire : L'interférométrie offre une très haute résolution angulaire, permettant le suivi de petits objets et la résolution d'objets rapprochés.
Précision améliorée : En combinant les signaux de plusieurs antennes, l'interférométrie peut améliorer la précision des mesures de suivi des satellites.

Inconvénients de l'interférométrie :

Systèmes complexes : Les interféromètres sont des systèmes complexes et coûteux à construire et à exploiter.
Traitement des données : L'interférométrie nécessite des techniques de traitement de données sophistiquées pour combiner les signaux de plusieurs antennes.
Sensibilité aux effets atmosphériques : La turbulence atmosphérique peut affecter la précision des mesures d'interférométrie, en particulier aux longueurs d'onde optiques.

Exemple : Le Very Long Baseline Array (VLBA) est un réseau de radiotélescopes situés à travers les États-Unis. Le VLBA est utilisé pour suivre les satellites et autres objets célestes avec une très grande précision.

Télémétrie laser sur satellite (SLR)

La télémétrie laser sur satellite (SLR) est une technique très précise pour déterminer la distance entre une station au sol et un satellite. Les stations SLR transmettent de courtes impulsions de lumière laser vers des satellites équipés de rétroréflecteurs. Les rétroréflecteurs renvoient la lumière laser vers la station au sol, et le temps nécessaire à la lumière pour voyager jusqu'au satellite et revenir est mesuré. Cette mesure de temps, combinée à la vitesse de la lumière, est utilisée pour calculer la distance au satellite.

Composants des systèmes SLR :

Émetteur laser : L'émetteur laser génère de courtes impulsions de lumière laser.
Télescope : Le télescope est utilisé pour viser le faisceau laser sur le satellite et pour collecter la lumière réfléchie.
Rétroréflecteurs : Les satellites sont équipés de rétroréflecteurs, qui sont des miroirs spéciaux qui réfléchissent la lumière dans la direction d'où elle vient.
Système de chronométrage : Le système de chronométrage mesure le temps que met la lumière laser pour aller jusqu'au satellite et revenir avec une très grande précision.

Avantages de la SLR :

Haute précision : La SLR est l'une des méthodes les plus précises pour déterminer les distances des satellites, avec des précisions de quelques millimètres.
Indépendante de la coopération du satellite : La SLR ne dépend pas de la transmission de signaux par le satellite, elle peut donc être utilisée pour suivre des satellites non coopératifs ou des débris spatiaux.
Étalonnage d'autres systèmes de suivi : Les données SLR peuvent être utilisées pour étalonner et valider d'autres systèmes de suivi de satellites, tels que les radars et les télescopes optiques.

Inconvénients de la SLR :

Dépendant de la météo : La SLR est limitée par les conditions météorologiques telles que la couverture nuageuse, la pluie et le brouillard.
Nombre limité de satellites : Seuls les satellites équipés de rétroréflecteurs peuvent être suivis par SLR.
Coût élevé : Les stations SLR sont coûteuses à construire et à exploiter.

Exemple : Le Service international de télémétrie laser (ILRS) est un réseau mondial de stations SLR qui suivent des satellites à des fins scientifiques et géodésiques. L'ILRS fournit des données pour la détermination d'orbite, les études sur la rotation de la Terre et la surveillance des changements du niveau de la mer.

Détermination et prédiction d'orbite

Les données obtenues par les méthodes de suivi des satellites sont utilisées pour déterminer et prédire les orbites des satellites. La détermination d'orbite consiste à estimer les paramètres orbitaux d'un satellite sur la base de mesures de suivi. La prédiction d'orbite consiste à utiliser ces paramètres pour calculer la position future du satellite.

Techniques de détermination et de prédiction d'orbite :

Moindres carrés en batch : C'est une méthode classique de détermination d'orbite qui consiste à minimiser la différence entre les mesures de suivi observées et les valeurs prédites par un modèle d'orbite.
Filtrage séquentiel : Cette méthode utilise un filtre de Kalman pour estimer les paramètres orbitaux de manière récursive, en mettant à jour l'estimation à chaque nouvelle mesure de suivi reçue.
Perturbations spéciales : Ces méthodes utilisent l'intégration numérique pour propager l'orbite du satellite, en tenant compte des effets de diverses perturbations telles que le champ de gravité non sphérique de la Terre, la traînée atmosphérique et la pression de radiation solaire.
Perturbations générales : Ces méthodes utilisent des approximations analytiques pour modéliser les effets des perturbations sur l'orbite du satellite.

Défis du suivi des satellites

Le suivi des satellites fait face à plusieurs défis :

Débris spatiaux : La quantité croissante de débris spatiaux en orbite représente une menace importante pour les satellites opérationnels. Le suivi des débris spatiaux est difficile en raison de leur petite taille, de leurs formes irrégulières et de leurs trajectoires imprévisibles.
Petits satellites : La prolifération de petits satellites, tels que les CubeSats, rend plus difficile le suivi de tous les objets en orbite.
Satellites manœuvrants : Les satellites qui effectuent des manœuvres fréquentes peuvent être difficiles à suivre car leurs orbites changent constamment.
Satellites non coopératifs : Le suivi des satellites non coopératifs, tels que les satellites hors service ou les satellites espions, est difficile car ils ne transmettent pas de données de télémesure.
Effets atmosphériques : L'atmosphère terrestre peut déformer les signaux optiques et radar, réduisant la précision des mesures de suivi des satellites.
Fusion de données : Combiner les données de différents capteurs de suivi pour améliorer la précision et la fiabilité de la détermination d'orbite est une tâche complexe et difficile.

L'avenir du suivi des satellites

L'avenir du suivi des satellites impliquera probablement le développement de technologies de suivi plus avancées, telles que :

Systèmes radar avancés : Des systèmes radar plus puissants et plus sensibles avec une résolution angulaire améliorée.
Capteurs spatiaux : Déploiement accru de capteurs radar et optiques spatiaux pour une surveillance continue de l'environnement spatial.
Intelligence artificielle (IA) et apprentissage automatique (ML) : Algorithmes d'IA et de ML pour le suivi automatisé, la détermination d'orbite et la détection d'anomalies.
Techniques de fusion de données améliorées : Des techniques plus sophistiquées pour combiner les données de différents capteurs afin d'améliorer la précision et la fiabilité de la détermination d'orbite.
Collaboration mondiale : Coopération internationale et partage de données accrus pour améliorer la connaissance de la situation spatiale.

Conclusion

Le suivi des satellites est une capacité cruciale pour garantir la sécurité et la durabilité des opérations spatiales. En comprenant les diverses méthodes de suivi, les technologies et les défis, nous pouvons mieux protéger nos actifs spatiaux, permettre la recherche scientifique et promouvoir une utilisation responsable de l'environnement spatial. Alors que le nombre de satellites et de débris spatiaux en orbite continue de croître, l'importance du suivi des satellites ne fera qu'augmenter dans les années à venir. Un investissement continu dans la recherche et le développement de technologies de suivi avancées est essentiel pour maintenir un environnement spatial sûr et durable pour tous.