Les satellites Diadème – Partie 3

Le programme scientifique des satellites D-1C et D-1D

Le programme scientifique des satellites D-1C et D-1d constitue la suite logique d’une succession d’efforts accomplis par le CNES et un certain nombre d’organismes français spécialisés, en vue de faire progresser la géodésie spatiale et, en particulier, d’obtenir des résultats importants tant sur le plan de la triangulation européenne qu’en matière de potentiel de pesanteur.

D-1A avait déjà permis de procéder à des expériences préliminaires de géodésie par étude de l’effet Doppler et par photographie sur fond d’étoiles. D-1C et D-1D donneront de surcroît la possibilité de procéder, grâce à des réflecteurs embarqués, à des expériences de géodésie par télémétrie laser, méthode qui est sans doute la plus précise en ce domaine ; en tout cas ils permettront une comparaison ou une combinaison des diverses méthodes.

Depuis le 24 janvier 1965, date à laquelle une équipe du service la d’Aéronomie du C.N.R.S., installée à l’Observatoire de Haute-Provence, a réussi à recevoir au sol des échos émis par laser et réfléchis par le satellite BEACON EXPLORER B (c’était d’ailleurs la première fois qu’une telle expérience était réalisée hors des Etats-Unis), cette équipe a poursuivi une série de mesure systématiques avec divers satellites américains BEACON EXPLORER B et C et GEOS.

Les satellites D-1C et D-1D sont évidemment plus modestes que le satellite GEOS qui, stabilisé par gradient de gravité, comporte outre cataphotes et émetteurs Doppler un flash lumineux télécommandé, ce qui améliore grandement les photographies sur fond d’étoiles.

Cependant D1-C et D-1D, outre l’expérience que leur construction et leur mise en œuvre complète donnent aux équipes françaises, ont leur intérêt propre : leurs orbites ont pu être optimisées (inclinaison, hauteur de l’apogée, moment de lancement) pour obtenir les meilleures conditions de visibilité simultanée par les trois points du triangle géodésique Saint-Michel, Stephanion, Colomb-Béchar. Cette expérience de triangulation au moyen de laser se fera, à notre connaissance, pour la première fois.

D’autre part les orbites choisies, peu inclinées par rapport à l’équateur (40°), apporteront sur le potentiel terrestre des renseignements complémentaires de ceux fournis par les satellites américains placés sur orbites polaires.

D’ailleurs l’intérêt du programme scientifique D-1C et D-1d a été reconnu par le Smithsonian Astrophysical Observatory des Etats-Unis qui participera aux mesures et avec lequel les résultats scientifiques seront librement échangés. D-1C et D-1D joueront ainsi leur rôle pour une meilleure connaissance de la Terre.

1 – La géodésie spatiale

La géodésie est une science qui cherche à déterminer, d’une part, la forme de la Terre, par la construction d’un polyèdre circonscrit à la surface du globe (géodésie géométrique), d’autre part, l’intensité et les fluctuations du champ de pesanteur terrestre (géodésie gravimétrique).

On utilise des réseaux de triangulation au sol. L’emploi de satellites permet, en premier lieur, d’améliorer considérablement l’intérêt et la précision des mesures obtenues grâce à des réseaux de triangulation beaucoup plus vastes, dont les côtés n’ont plus 30, mais de 1 000 à 2 000 km et pour lesquels la présence de mers et d’océans ne constitue plus un obstacle.

En second lieu, l’analyse des variations d’orbite des satellites fournit par elle-même des renseignements sur le champ de pesanteur terrestre et, inversement, ces derniers peuvent aider à l’établissement des prévisions d’éphémérides de satellites.

2 – Les expériences de géodésie de D-1C et de D-1D

Trois sortes d’expériences de géodésie vont être tentées avec les satellites D-1C et D-1D :

– une expérience de mesure d’effet Doppler, par étude des signaux de fréquences très stables émis par le satellite et reçues au sol ;

– une expérience de télémétrie dlaser, par mesure de la distance de 3 stations au satellite ;

– une expérience de photographie du satellite sur fond d’étoiles, ce qui permettra d’obtenir la direction du satellite par rapport à la station d’observation.

Les données obtenues feront l’objet de traitements très divers et rendront, entre autres, possibles :

– la détermination, grâce aux mesures laser ou Doppler, de la trajectoire du satellite et l’évaluation des possibilités d’utilisation de ces méthodes pour une trajectographie fine (à quelques mètres ou dizaines de mètres près) ;

– la fixation, à l’aide des données laser, d’une base de triangulation européenne très longue (cent fois supérieure à une base de triangulation classique) ;

– l’orientation de ce triangle de base par mesure des directions du satellite à partir des photographies sur fond d’étoiles ;

– la solution de problèmes de triangulation (calcul, sur la base des coordonnées connues de 2 stations, de celles d’une 3^ème station) ;

– l’étude du champ de pesanteur terrestre par observation des déformations de l’orbite du satellite, au cours de ses passages successifs au-dessus des stations ;

– la détermination de la position du centre de masse de la Terre par rapport au triangle observé, dont les sommets auront des positions connues dans le Système européen compensé ;

– la comparaison des diverses méthodes entre elles et de leurs résultats avec ceux de la géodésie classique.

Bien qu’identiques, D-1C et D-1D seront placés sur des orbites différentes, ce qui aura pour effet de diversifier légèrement leur vocation scientifique. Le choix des éléments d’orbite des satellites D-1C et D-1D est le fruit d’un compromis entre plusieurs impératifs contradictoires :

– nécessité d’un périgée assez élevé (supérieur à 500 km), pour diminuer l’importance des frottements et donc pouvoir faire des expériences de géodésie dynamique ;

– nécessité d’un apogée assez élevé (supérieur à 1 500 km) pour pouvoir obtenir des observations laser simultanées à partir de 3 stations ;

– nécessité d’une inclinaison sur l’équateur assez grande (supérieure à 40 degrés) pour favoriser également les observations laser simultanées. Étant donné le lieu du tir et les performances du lanceur, toute augmentation du périgée ou de l’inclinaison sur l’équateur aboutit à une diminution de l’altitude de l’apogée. Une étude d’optimisation a permis de désigner le choix le plus judicieux. D-1C devant avoir l’apogée le plus haut se prêtera mieux à la télémétrie laser simultanée à partir de 3 stations, c’est-à-dire à la géodésie de position ; D-1D, en revanche, grâce à une élévation, même relativement légère, de son périgée par rapport à celle de son jumeau (55 km), subira dans la thermosphère un frottement sensiblement réduit, ce qui le rendra plus apte à des expériences de géodésie dynamique ; il convient en effet d’éliminer au maximum les effets, du reste encore mal connus, de ce frottement.

Ces expériences de géodésie et de trajectographie seront réalisées en collaboration avec l’Observatoire de Paris, l’Institut Géographique National, le Bureau des Longitudes, le Service d’Aéronomie du C.N.R.S., l’Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA) et la Marine Nationale.

2.1 – Les mesures d’effet Doppler

a/ Principe de l’expérience

Lorsqu’un mobile émet une onde entretenue, la fréquence de l’onde reçue en un point fixe est modifiée : tel est l’effet Doppler bien connu. La variation de fréquence est proportionnelle au rapport entre la vitesse du mobile et celle de la propagation de l’onde.

Il s’ensuit que si l’on embarque à bord d’un satellite un émetteur de fréquence connue et si l’on parvient à mesurer la fréquence de l’onde reçue au sol, on en déduira aisément la vitesse radiale du satellite par rapport à la station de réception. Toutefois, les ondes sont légèrement perturbées par leur passage à travers l’ionosphère ; cette perturbation étant inversement proportionnelle à la fréquence de l’onde, il est possible de l’éliminer en utilisant non pas une seule, mais deux émissions de fréquence rigoureusement multiples l’une de l’autre. C’est ainsi qu’à bord des satellites D-1C et D-1D se trouve, comme sur DIAPASON, un oscillateur à 4,999 MHz qui engendre, par multiplication de fréquences, deux ondes à 149,970 et 399,920 MHz. Au sol, les émissions sont reçues par des antennes spéciales et les fréquences sont mesurées par comptage de cycles sur des durées de 10 secondes.

b/ Stations Doppler

Trois stations de réception des fréquences 150 et 400 MHz sont placées au sommet du triangle, à savoir à saint-Michel de Provence, à Stephanion près de Corinthe (Grèce) et à Colomb-Béchar (Algérie).

Les récepteurs Doppler de Stephanion relèvent du CNES, ceux de l’Observatoire  de Haute-Provence et de Colomb-Béchar, du Service Technique des Constructions et Armes Navales. Les équipements des deux types de stations sont assez différents ; les performances atteintes dans la mesure des fréquences sont de l’ordre de 0,1 hertz et l’on peut espérer obtenir une précision d’une dizaine de mètres sur la position du satellite ou d’une des stations.

2.2 – La télémétrie laser

a/ Principe de l’expérience

On mesure le temps de propagation aller et retour d’une impulsion lumineuse émise par un laser situé à terre et réfléchie par le satellite. L’impulsion est de très courte durée (10 nanosecondes) et de très grande énergie (30 mégawatts, soit 3,5 10¹⁸ photons de longueur d’onde 6 943 Å). Les rétroréflecteurs du satellite renvoient l’impulsion de lumière en direction de la station. En moyenne, 2 500 photons sont récupérés par le télescope chargé de les collecter et qui est solidaire du laser. On parvient à mesurer la durée de propagation à 10 nanosecondes près (10^-8 s).

Un opérateur attend le satellite en un endroit du ciel prédit par des éphémérides ; lorsqu’il aperçoit le satellite dans son viseur, il le maintient avec précision à la croisée des fils du réticule et tire des rafales d’impulsions (1 coup par seconde). Cette visée optique du satellite exige évidemment que celui-ci soit éclairé par le Soleil ey que l’observatoire soit dans la nuit. Les mesures ne sont donc possibles qu’au début et à la fin de la nuit. la magnitude de D-1C variera entre 8 et 11 selon sa distance à l’observateur.

L’instant d’émission est détecté par une cellule photoélectrique, celui de réception par un photomultiplicateur. Des faux signaux peuvent être reçus, donnant ainsi des valeurs de distances erronées. Ils peuvent être dus à des photons parasites provenant du fond du ciel ou à des impulsions de bruit parasites émanant du photomultiplicateur. Pour les éliminer, on place avant le photomultiplicateur une série de filtres dont un filtre interférentiel de largeur 18 Å qui ne laisse passer rigoureusement que la longueur d’onde du laser. D’autre part comme la distance du satellite est approximativement connue par les éphémérides, on ne tient compte que des photoélectrons émis dans un intervalle de temps restreint pendant lequel peut normalement apparaître l’écho.

b/ Equipements de télémétrie laser

Un équipement de télémétrie laser comporte une tourelle de poursuite, avec ensemble émetteur et un dispositif électronique de réception. La tourelle renferme essentiellement :

– une lunette de poursuite,

– un émetteur laser à rubis,

– un télescope collecteur de photons, suivi d’une série de filtres servant à éliminer le bruit du ciel nocturne,

– un photomultiplicateur (un minimum de 200 photons est nécessaire pour donner lieu à un photoélectron détectable).

L’ensemble électronique de réception est composé principalement d’une horloge, d’un chronographe et d’une baie de comptage.

c/ Stations laser

Comme les stations Doppler, les stations laser sont respectivement installées à Saint-Michel de Provence, à Stephanion e à Colomb-Béchar. Les 2 premières appartiennent au Service d’Aéronomie du C.N.R.S., la troisième, à l’Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA).

2.3 – Poursuite optique. Chambre photographique de l’Observatoire de Nice

La chambre photographique de poursuite installée à l’Observatoire de Nice est destinée à photographier des satellites de faible magnitude (de 9 à 11) tels que D-1C et D-1D. Le satellite poursuivi se présente comme un point immobile sur la plaque photographique, tandis que les étoiles, dont la position connue par ailleurs permet  de déterminer la direction du satellite, apparaissent sous forme de traces. Ces étoiles de référence sont en nombre restreint (4 à 10 environ) par suite du champ réduit de la chambre photographique.

2.4 – Conditions de fonctionnement des stations et synchronisation

Pour la télémétrie laser et la poursuite otique, il faut que la station se trouve dans l’obscurité afin que le satellite, qui doit lui-même être éclairé pa le Soleil, soit visible. Il convient, de surcroît, que le. ciel soit clair et dégagé.

Pour les expériences de géodésie par laser à partir des 3 stations, il est indispensable que ces conditions soient respectées simultanément sur un arc d’orbite de quelques degrés. Les passages répondant à ces impératifs sont assez rares (dans la proportion de 1 sur 23) et conditionnent en grande partie le choix du créneau de tir.

Les mesures effectuées seront utilisées simultanément au stade du traitement des observations. Il est donc nécessaire que les stations visent au m^me instant des points de l’espace très proches. La précision des mesures laser étant de 1,5 m, il convient que le satellite ne se déplace pas d’une distance supérieure entre les moments où les stations font leurs observations, ce qui impose une synchronisation au dis millième de seconde près (équivalent à 80 cm de course du satellite).

Pour obtenir cette très sévère synchronisation, les stations d’observation ont été dotées d’oscillateurs atomiques. Les horloges atomiques des stations sont recalées et comparées mensuellement au moyen d’une horloge atomiques de référence qui est transportée par avion de station en station. Cette horloge itinérante est elle-même comparée, avant et après chaque voyage, à une horloge atomique du Bureau International de l’Heure de Paris.

Les oscillateurs atomiques utilisés dans toutes les stations sont à vapeur de rubidium et fonctionnent par pompage optique.

2.5 – Traitement des données

Les observations des différentes stations, enregistrées sous diverses formes (ruban perforé ou bandes imprimées) sont transmises par télex ou par voie postale au CNES à Brétigny. A partir des documents ainsi obtenus, la Division Mathématiques du CNES élabore des cartes perforées à l’intention des différents organismes intéressés. Leur traitement sera assuré par le Bureau des Longitudes (principalement pour l’expérience Doppler) et par le Service d’Aéronomie (pour l’expérience laser).

Source : Revue CNES « La recherche spatiale » – Volume VI – N°2 – Février 1967.