Colloque « Espace et éducation »

Mise à poste des satellites géostationnaires

Sébastien Fourest, Cnes

Problématique : livrer un satellite

Notre point de départ est l'orbite de transfert délivrée par le lanceur, cela détermine différents facteurs dont l'inclinaison, celle d'Ariane, par exemple, est de 7 degrés alors que celle de Longue marche est de 26 degrés. La cible visée étant une inclinaison nulle, plus cette dernière est faible, moins la correction à apporter est importante. Les altitudes de périgée peuvent varier de 200 à 6 000 kilomètres selon le lanceur et celles d'apogée d'au moins 36 000 kilomètres.

Le point d'arrivée est l'orbite géostationnaire : le satellite est fixe par rapport à un observateur terrestre et tourne toujours autour de la Terre à la même vitesse de rotation que celle-ci.

L'orbite doit être circulaire et équatoriale. Le satellite a une longitude bien précise demandée par le client, ce qui implique la réalisation de manœuvres, notamment pour corriger l'inclinaison du plan initial fourni par le lanceur. Le nœud est l'intersection entre le plan de l'orbite et l'équateur. Pour optimiser les manœuvres, nous faisons en sorte que le lanceur nous place sur une orbite dans laquelle l'apogée est confondu avec le nœud.


Effet d'une manœuvre sur l'inclinaison de l'orbite. Cnes.

Les contraintes

Le satellite doit pouvoir communiquer avec le sol. Pendant sa mise à poste, il balaie toutes les longitudes à la surface du globe. Une seule station ne suffit donc pas pour le suivre en permanence. Il en faut au moins trois. Elles servent les besoins de localisation. Les antennes calculent un temps d'aller-retour du message entre elles-mêmes et le satellite, cela rend possibles des mesures de distance et les mesures de radiofréquence permettent d'effectuer des mesures angulaires. Nous en faisons le plus souvent possible avant de déterminer les manœuvres à effectuer et maîtriser la suite des opérations. Nous devons également recevoir des informations du satellite, il s'agit de la télémesure. Ces données sont destinées aux experts et les informent sur la pression des réservoirs, l'état des batteries et des panneaux solaires, l'altitude, etc. Ces besoins sont relativement fréquents. Ils doivent être satisfaits au minimum toutes les 6 heures. Nous devons aussi émettre des informations vers le satellite pour préparer la manœuvre, lui envoyer les commandes de changement d'attitude.

Le but est d'essayer de faire coïncider les manœuvres du satellite avec les visibilités des stations. Nous devons également éviter les interférences. Les satellites autour de la Terre sont très nombreux et il convient de ne pas brouiller les émissions de ceux qui sont déjà à poste.

D'autres contraintes sont liées aux caractéristiques du satellite. La durée des manœuvres doit être limitée, tout comme leur nombre. Il n'est pas possible d'allumer et d'éteindre à l'infini le moteur. Certaines contraintes sont géométriques comme l'éblouissement des capteurs utilisés pour connaître la position du satellite dans l'espace et l'orienter. Si le Soleil passe devant le capteur Terre ou stellaire, il devient inopérant et nous ne pouvons pas faire les manœuvres. Nous devons donc faire des calculs pour que les capteurs soient toujours opérationnels.

Il existe également des contraintes thermiques. Le satellite ne doit pas être dirigé n'importe comment par rapport au Soleil. D'autres contraintes sont liées aux opérations. Une durée minimale est nécessaire entre deux manœuvres pour restituer l'orbite et effectuer toutes les procédures au sol. Une durée maximale existe également pour que la mise à poste ne dure pas trop longtemps étant donné le coût élevé de la mobilisation des stations au sol, du réseau et des équipes.

Il convient donc de trouver une stratégie qui respecte toutes ces contraintes. Elle est élaborée durant les 6 mois à 1 an qui précèdent la mission. Nous élaborons également des stratégies de secours : nous essayons de prévoir tous les cas de panne possibles pour être en mesure de les pallier.


Exemple de stratégie : orbites intermédiaires - éléments de contrainte. © Cnes.

Détermination des manœuvres

Une manœuvre correspond à un incrément de vitesse : nous communiquons une impulsion au satellite à son apogée pour l'accélérer. La vitesse à l'apogée est connue par des formules dérivant des lois de Kepler. L'accélération du satellite augmente sa période de révolution et donc diminue sa vitesse angulaire de rotation autour de la Terre et la différence de longitude au niveau du sol entre deux manœuvres.

Trouver une stratégie pour la mise à poste consiste à trouver une série de longitudes auxquelles effectuer les manœuvres ainsi que le nombre d'orbites qui vont s'écouler entre chaque manœuvre pour respecter les visibilités des stations, les interférences et les impératifs de la mission. Le but est d'apporter le satellite à une longitude bien déterminée. Nous effectuons généralement trois ou quatre manœuvres. Les longitudes auxquelles elles sont effectuées sont déterminées par les visibilités des stations, les interférences et la faisabilité de la mise à poste. Le délai entre deux manœuvres doit être d'au moins deux révolutions, mais il ne doit pas être trop important non plus pour des questions de précision et pour éviter une mise à poste trop longue.

Entre deux manœuvres, le satellite tourne sur son orbite pendant un certain nombre de jours pendant lesquels la Terre tourne également sur elle-même. Le satellite n'est alors plus situé à la même longitude. Des formules permettent de connaître l'incrément que nous devons donner au satellite.

Nous devons également connaître les jours et heures pendant lesquels il est possible de tirer, soit le créneau de tir. Le lanceur part d'un point de la Terre à un moment donné duquel dépend la position de l'orbite par rapport au Soleil et donc les problèmes thermiques et d'éblouissements solaire et lunaire. Il existe un certain nombre de dates dans l'année auxquelles il n'est pas possible de tirer pour des raisons de protection thermique du moteur. Nous essayons d'élargir le créneau de tir en négociant les contraintes et en trouvant d'autres solutions.

Les opérations

Elles comportent trois phases essentielles.

La préparation de la mission correspond à la phase de détermination de la stratégie, de calcul des créneaux et de mise en place du segment sol. Elle dure généralement entre 6 mois et 1 an.

Le lancement lui-même par la fusée intervient ensuite. Nous ne faisons qu'y assister. Il dure entre moins de 45 minutes et 10 heures, voire plus pour Ariane.

La mise à poste dure, quant à elle, 10 à 15 jours durant lesquels nous sommes en permanence d'astreinte. Nous faisons alors les calculs en temps réel.

Le centre de calcul est rattaché au réseau qui gère toutes les stations reliées à la surface du sol pour établir le contact avec le satellite. Nous sommes aussi en contact avec le centre d'orbitographie pour connaître à tout moment l'emplacement du satellite. Le centre de contrôle envoie les télécommandes au satellite. Les spécialistes font du monitoring pour observer en permanence " l'état de santé " du satellite. Une personne coordonne l'ensemble de l'équipe.

Lorsque la mise à poste ne se passe pas exactement comme prévu, nous effectuons des restitutions d'orbite après chaque manœuvre pour savoir où est le satellite. Nous adaptons la stratégie et recalculons les manœuvres suivantes. Nous faisons ensuite des prévisions opérationnelles pour nous assurer que les nombreuses contraintes sont toujours satisfaites. Nous calculons également les calibrations des gyromètres, nous suivons la masse du satellite et la calibration du moteur.

Le travail de mise à poste de satellites géostationnaires se trouve au carrefour de plusieurs disciplines scientifiques. La mécanique car le satellite est soumis aux lois de Kepler, la physique par rapport à la propulsion et les bilans de radiofréquence entre le satellite et le sol, la géométrie dans l'espace par rapport aux contraintes, l'informatique qui est notre outil de travail et l'astronomie par rapport aux positions et révolutions des systèmes Terre-Lune-Soleil.

 

Actes du séminaire national - Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle : enjeux et implications 15 et 16 décembre 2004

Mis à jour le 15 avril 2011
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