Satellite artificiel

Un satellite artificiel est un objet fabriqué par l'homme, envoyé dans l'espace à l'aide d'un lanceur et gravitant autour d'une planète ou d'un satellite naturel comme la Lune. La vitesse imprimée par la fusée au satellite lui permet de se maintenir pratiquement indéfiniment dans l'espace en décrivant une orbite autour du corps céleste. Celle-ci, définie en fonction de la mission du satellite, peut prendre différentes formes - (héliosynchrone, géostationnaire, elliptique, circulaire - et se situer à des altitudes plus ou moins élevées classifiées en orbite basse, moyenne ou haute.

Le premier satellite artificiel Spoutnik I est lancé par l'URSS en 1957. Depuis cette époque, plus de 5 500 satellites artificiels ont été placés en orbite (2007)[1][N 1]. Les satellites jouent désormais un rôle important à la fois sur les plans économique, militaire et scientifique. Ils trouvent leur utilité dans de nombreux domaines : recherche scientifique (observation astronomique, microgravité, altimétrie,....), télécommunications, positionnement, observation de la Terre, prévision météorologique, océanographie, renseignement militaire, etc... Les satellites artificiels sont en particulier devenus des instruments incontournables sur des sujets emblématiques comme notre compréhension de l'univers physique, la modélisation des changements climatiques et la mise en place de la société de l'information.

Le satellite artificiel est composé d'une charge utile, définie spécifiquement pour la mission qu'il doit remplir, et d'une plateforme souvent standardisée assurant les fonctions de support comme la fourniture d'énergie, la propulsion, le contrôle thermique, le maintien de l'orientation et les communications. Le satellite est suivi par un centre de contrôle au sol, qui communique avec lui grâce à un réseau de stations terrestres; celui-ci vérifie le fonctionnement du satellite et lui envoie des instructions (paramètres d'exécution de la mission, dépannage, récupération des données collectées). Pour remplir sa mission le satellite doit se maintenir sur une orbite de référence en orientant ses instruments de manière précise : des interventions sont nécessaires à intervalles réguliers pour corriger les perturbations naturelles de l'orbite générées, dans le cas d'un satellite terrestre, par les irrégularités du champ de gravité, l'influence du Soleil et de la Lune ainsi que la trainée créée par l'atmosphère qui subsiste en orbite basse.

Les progrès techniques permettent aujourd'hui de mettre en orbite des satellites plus lourds (jusqu'à 6 tonnes et demi pour les satellites civils), capables de remplir des missions toujours plus sophistiquées (satellites scientifiques), avec une grande autonomie. La durée de vie d'un satellite, variable selon le type de mission, peut atteindre 15 ans. Les avancées de l'électronique permettent également de concevoir des micro-satellites capables d'effectuer des missions élaborées.

La construction de satellites a donné naissance à une industrie très spécialisée mais les instruments les plus complexes sont encore souvent réalisés par des laboratoires de recherche. La conception d'un satellite, difficilement reproductible lorsqu'il ne s'agit pas d'un satellite de télécommunications, est un processus qui peut s'étaler sur une dizaine d'années dans le cas d'un satellite scientifique. Les coûts de fabrication qui peuvent monter à plusieurs centaines de millions € et ceux de lancement (de l'ordre de 20 000$/kg) limitent aujourd'hui le développement de cette activité qui, hormis le secteur des télécommunications très rentable pour les opérateurs, est subventionnée pour l'essentiel par les budgets de recherche des États.

Mise en orbite

Un objet lancé à l'horizontale à la surface de la Terre décrit une trajectoire parabolique qui le ramène au sol sous l'influence de la gravité terrestre (cas A sur le schéma). Plus la vitesse initiale de l'objet est importante plus le point de chute est éloigné (cas B). Lorsqu'une certaine vitesse est atteinte, l'objet chute mais sans jamais atteindre le sol du fait de la courbure de la Terre (cas C). Pour que l'objet conserve indéfiniment sa vitesse Il faut toutefois que celui-ci se déplace dans le vide au-dessus de l'atmosphère, la où aucune force de trainée (frottement) ne s'exerce : à cette altitude en application du principe d'inertie aucune énergie n'est en effet nécessaire pour maintenir son mouvement.

Pour qu'un objet soit satellisé autour de la Terre il faut que sa vitesse horizontale par rapport au centre la Terre (la vitesse d'injection) soit de 7 700 mètres par seconde (pour une orbite circulaire à 200 km au-dessus de la Terre). Si on communique une vitesse supérieure à un satellite circulant à la même altitude, l'orbite devient elliptique (Cas D sur le schéma) : le point de l'ellipse le plus rapproché de la Terre est le périgée et le point le plus éloigné est l'apogée. Si la vitesse dépasse 11 km par seconde (cas E), le satellite échappe à l'attraction terrestre : c'est la vitesse de libération de la Terre qu'il est nécessaire de communiquer à une sonde spatiale pour qu'elle puisse être envoyée vers d'autres planètes du système solaire.

La vitesse minimale de satellisation est proportionnelle à la gravité du corps céleste et donc à sa masse : un objet qui décolle du sol lunaire a besoin d'une vitesse horizontale beaucoup plus faible pour être satellisé (4 fois plus faible que la Terre : 1,7 km/s).

Relation entre vitesse d'injection et orbite (apogée) pour un périgée fixé à 200 km [2].

Un objet lancé à l'horizontale à la surface de la Terre décrit une trajectoire parabolique qui le ramène au sol sous l'influence de la gravité terrestre (cas A sur le schéma). Plus la vitesse initiale de l'objet est importante plus le point de chute est éloigné (cas B). Lorsqu'une certaine vitesse est atteinte, l'objet chute mais sans jamais atteindre le sol du fait de la courbure de la Terre (cas C). Pour que l'objet conserve indéfiniment sa vitesse Il faut toutefois que celui-ci se déplace dans le vide au-dessus de l'atmosphère, la où aucune force de trainée (frottement) ne s'exerce : à cette altitude en application du principe d'inertie aucune énergie n'est en effet nécessaire pour maintenir son mouvement.

Pour qu'un objet soit satellisé autour de la Terre il faut que sa vitesse horizontale par rapport au centre la Terre (la vitesse d'injection) soit de 7 700 mètres par seconde (pour une orbite circulaire à 200 km au-dessus de la Terre). Si on communique une vitesse supérieure à un satellite circulant à la même altitude, l'orbite devient elliptique (Cas D sur le schéma) : le point de l'ellipse le plus rapproché de la Terre est le périgée et le point le plus éloigné est l'apogée. Si la vitesse dépasse 11 km par seconde (cas E), le satellite échappe à l'attraction terrestre : c'est la vitesse de libération de la Terre qu'il est nécessaire de communiquer à une sonde spatiale pour qu'elle puisse être envoyée vers d'autres planètes du système solaire.

La vitesse minimale de satellisation est proportionnelle à la gravité du corps céleste et donc à sa masse : un objet qui décolle du sol lunaire a besoin d'une vitesse horizontale beaucoup plus faible pour être satellisé (4 fois plus faible que la Terre : 1,7 km/s).

Relation entre vitesse d'injection et orbite (apogée) pour un périgée fixé à 200 km [2] :

Les 3 lois de Kepler

La trajectoire d'un satellite artificiel ou naturel est régie par les 3 lois formulées par Kepler s'appliquant au déplacement d'un objet gravitant autour d'un corps céleste  :

Période et vitesse orbitale d'un satellite artificiel terrestre

Les lois de Kepler permettent de calculer à partir des caractéristiques de son orbite la période orbitale qui est l'intervalle de temps compris entre deux passages consécutifs d'un satellite par un point de son orbite, ainsi que la vitesse orbitale qui correspond à la vitesse du satellite par rapport au centre de la planète (le reférentiel utilisé garde une orientation fixe dans l'espace) :

Les paramètres de l'orbite d'un satellite

Six paramètres sont utilisés pour fournir la position et la trajectoire d'un satellite dans l'espace[3]  :

Les paramètres de l'orbite sont définis dans un référentiel constitué de plusieurs plans et de droites  :

L'inclinaison i du plan de l'orbite du satellite (entre 0 et 180 degrés) est l'angle que fait le plan de l'orbite avec le plan de l'équateur. Lorsque i=90° et 180° l'orbite du satellite survole les pôles (orbite polaire); si i=0 le plan de l'orbite se situe dans le plan de l'équateur. L'orbite est dite directe lorsque i est inférieur à 90° et rétrograde sinon.

La longitude du nœud ascendant (ou ascension droite du nœud ascendant) est l'angle entre la direction du point vernal et la ligne des nœuds, dans le plan de l'écliptique. Si le plan de l'orbite coïncide avec la droite des équinoxes la longitude du nœud ascendant est nulle.

Dans le plan défini par les paramètres précédents, l'orbite est décrit par trois paramètres. La forme de l'ellipse que parcourt le satellite est fournit par deux informations :

L'argument du périgée ω est l'angle formé par la ligne des nœuds et la direction du périgée (la droite passant par la Terre et le périgée de la trajectoire du satellite), dans le plan orbital. La longitude du périgée est la somme de la longitude du nœud ascendant et de l'argument du périgée.

La position du satellite sur sa trajectoire peut être fournie de deux manières :

Les perturbations naturelles de l'orbite

La trajectoire d'un satellite artificiel autour d'un corps céleste n'est pas complètement stable. Elle est modifiée par plusieurs phénomènes naturels dont l'influence est variable selon le corps céleste et la position du satellite. Si celui-ci autour de la Terre, les phénomènes perturbateurs sont dans l'ordre décroissant d'influence :

Les modifications de la trajectoire du satellite dues au satellite peuvent être utilisées pour donner une forme particulière à l'orbite (satellite d'observation sur orbite héliosynchrone) mais généralement elles doivent être corrigées par des manœuvres orbitales périodiques dès que les écarts ne sont plus compatibles avec la mission.

La Terre n'a pas une forme parfaitement sphérique : ses pôles sont légèrement aplatis tandis l'équateur présente un renflement. Ces déformations ont pour conséquence de modifier la position du plan de l'orbite . Ce mouvement, la précession nodale, est d'autant plus importante que l'inclinaison de l'orbite est différente de 90° et que l'orbite est proche de la Terre.[4]

Cette perturbation, la plus importante que subit le satellite, modifie à la fois l'ascension droite du nœud ascendant ☊ et l'argument du périgée ω. Pour maintenir l'orbite, il est nécessaire de consommer beaucoup de carburant. Aussi les satellites en orbite basse, plutôt que de les corriger, soit exploitent les modifications d'orbite induites (voir satellite héliosynchrone) soit sont placés avec des inclinaisons où la perturbation est nulle (i = 90° et 63°26').

Le satellite GOCE, dont l'orbite est particulièrement basse (250 km), a une forme aérodynamique pour limiter sa trainée

Si le corps céleste autour duquel gravite le satellite possède une atmosphère (Terre, Mars, Vénus, ...) celle-ci exerce une force de trainée proportionnelle à la vitesse du satellite et à la densité de l'atmosphère : la vitesse du satellite est progressivement réduite. Si l'orbite est elliptique le premier effet de la résistance de l'atmosphère est de la rendre circulaire (l'apogée est modifiée et le périgée reste invariant) puis l'orbite circulaire est elle-même progressivement abaissée.[5]. Le satellite finit par être détruit en rentrant dans les couches les plus denses de l'atmosphère. Dans le cas d'un satellite tournant autour de la Terre sur une orbite circulaire sa durée de vie moyenne est égale à (compte tenu de l'impact d'un vent solaire moyen détaillé plus loin) :

L'orbite des satellites artificiels circulant sur une orbite basse est généralement maintenue au-dessus de 300 km pour que leur durée de vie ne soit pas trop brève. Pour certaines applications (satellite de renseignement, application scientifique), une orbite plus basse peut être choisie de manière temporaire ou permanente pour améliorer la précision de l'observation : le satellite doit alors emporter une grande quantité de carburant pour conserver cette orbite sinon sa durée de vie est particulièrement brève. Les satellites espions américains Keyhole 9 construits dans les années 1980 pouvaient ainsi descendre à une altitude de 118 km[6][N 2]. On peut réduire la trainée des satellites orbitant à basse altitude en leur donnant une forme aérodynamique comme dans le cas du satellite GOCE qui pour affiner notre connaissance du champ de gravité parcourt une orbite circulaire de 250 km[7].

Le champ de gravité terrestre présente d'autres irrégularités que celles dues aux déformations au pôle et à l'équateur : elles sont liées à des variations de densité (réplétions). Celles-ci sont particulièrement nombreuses sur la Lune. Les variations de graviter finissent par perturber l'orbite selon un ordre de grandeur, qui sur Terre, est beaucoup plus faible que celui du à l'aplatissement du globle terrestre.

Les deux astres ont une influence sur la trajectoire d'un satellite artificiel. Le Soleil malgré sa taille a une influence plus faible que la Lune du fait de son éloignement. La perturbation est d'autant plus forte que l'altitude de l'apogée est élevée : elles est nulle pour les satellites en orbite basse et faible pour les satellites géostationnaires,.

Articles détaillés : Vent solaire et Météorologie de l'espace#Effets sur les satellites et les lanceurs.

Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Ce flux varie en vitesse et en température au cours du temps en fonction de l'activité solaire. Celle-ci suit un cycle de 11 ans.

Lors des éruptions solaires ou lors d’orages magnétiques, le réchauffement de l’ionosphère entraine la dilatation vers le haut des couches supérieures de l'atmosphère. Entre 300 et 500 km la densité peut être multipliée par 10 [8] : certains satellites peuvent ainsi perdre plus de 10 km en quelques jours. Ces effets sont particulièrement gênants pour les satellites d’observation de la Terre tels que Spot, dont la position doit être connue avec une grande précision.

Les différents types d'orbite des satellites artificiels terrestres

Le plan d'une orbite héliosynchrone présente toujours le même angle par rapport à la direction du Soleil

Les orbites des satellites terrestres peuvent avoir de nombreuses formes et orientations : certaines sont circulaires ou au contraire en forme d'ellipse très allongée. Elles peuvent se situer à basse altitude juste au-dessus de l'atmosphère terrestre (250 km) ou se situer à une altitude de l'ordre de 36 000 km comme celles des satellites géostationnaires. L'orbite d'un satellite artificiel est choisie pour répondre au mieux aux besoins de la mission. La plupart des satellites utilisent un des quatre types d'orbite suivants[9] :

Les catégories d'orbite selon l'altitude (schéma à l'échelle)

Les 5 points de Lagrange du système Terre-Soleil

Traces au sol d'une orbite héliosynchrone et d'une orbite Molnyia sur 24 heures

L'orbite haute a une apogée qui se situe à une altitude supérieure à l'orbite géostationnaire. La Russie utilise ce type d'orbite pour certains de ses satellites de télécommunications : l'orbite de Molniya se caractérise par une orbite très excentrique avec un apogée de 40 000 km pour un périgée de 500 km. L' inclinaison de 63,4° permet d'échapper aux perturbations d'orbite découlant de l'aplatissement du globe. L'orbite de Molniya permet une couverture 24h sur 24 du territoire de la Russie avec une constellation de 3 satellites. Cette orbite est utilisée car la Russie ne peut lancer de satellites géostationnaires depuis ses bases spatiales toutes situées à des latitudes trop élevées et les satellites géostationnaires ne peuvent pas couvrir la fraction du territoire russe située à une latitude supérieure à 81°[10].

Les orbites autour des points de Lagrange constituent une catégorie à part. Un point de Lagrange est une position de l'espace où les champs de gravité de deux corps céleste se combinent de manière à fournir un point d'équilibre à un troisième corps de masse négligeable, tel que les positions relatives des trois corps soient fixes. Le système Terre-Soleil dispose de 5 points de Lagrange dont 2 (L1 et L2) se trouvent à relativement faible distance de la Terre (1,5 millions de km). Un satellite positionné à un de ces points a besoin de très peu d'énergie pour se maintenir à poste et contrôler son orientation. L2, situé à l'opposé du Soleil par rapport à la Terre, permet d'observer les étoiles lointaines sans être perturbé par une lumière parasite[11]. Plusieurs télescopes spatiaux ont été ou vont être positionnés près de L2 dont Planck et Herschel en 2009, Gaia en 2011 et le James Webb Space Telescope en 2013.

La trace au sol

La trace au sol d'un satellite est la projection au sol de sa trajectoire selon une verticale qui passe par le centre du corps céleste autour duquel il tourne. Sa forme détermine les portions de surface balayées par les instruments du satellite et les créneaux de visibilité du satellite par les stations terrestres.

Le dessin de la trace résulte à la fois du du déplacement du satellite sur son orbite et de la rotation de la Terre. Cette dernière entraîne une déformation vers l'ouest de la trace par rapport à la trajectoire [12] :

Historique

Les précurseurs

La première mention d'un satellite artificiel figure dans la nouvelle "the Brick Moon" de Edward Everett Hale (1869). Jules Verne évoque également cette idée dans "les 500 Millions de la Bégum" (1879). En 1903 Constantin Tsiolkovsky (1857–1935) publie "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (Exploration de l'espace au moyen d'engins à réaction), qui constitue le premier ouvrage scientifique sur l'utilisation de fusées pour le lancement des engins spatiaux. Dans cet ouvrage il indique la vitesse minimale que doit atteindre un objet pour qu'il se place en orbite autour de la Terre (8 km/s) et préconise l'utilisation d'une fusée à plusieurs étages avec des moteurs à propergols liquides.

En 1928 le slovène Herman Potočnik (1892–1929) dans son unique ouvrage "Das Problem der Befahrung des Weltraums" (La problématique du vol spatial) décrit les moyens à mettre en œuvre pour permettre à l'homme de s'établir de manière permanente dans l'espace. Il décrit comment des vaisseaux spatiaux placés en orbite peuvent être utilisés pour des observations d'observation pacifiques et militaires de la surface de la Terre ; il montre l'intérêt de l'apesanteur pour les expériences scientifiques. Le livre décrit le fonctionnement des satellites géostationnaires (évoqués pour la première fois par Tsiolkovsky) et explore le problème des communications entre le sol et les satellites par le biais de la radio. Mais l'ouvrage n'évoque jamais l'utilisation des satellites pour relayer les télécommunications et comme système de radiodiffusion.

En 1945 l'écrivain de science-fiction Arthur C. Clarke (1917-2008) décrit en détail l'utili sation de satellites de télécommunications pour les communications de masse. Clarke passe en revue les contraintes logistiques d'un lancement de satellite, les orbites possibles ainsi que d'autres aspects permettant la création d'un réseau de satellites couvrant le globe en mettant en avant les avantages de disposer d'un système de télécommunications planétaire. Il suggère également l'utilisation de 3 satellites en orbite géostationnaire, nombre suffisant pour couvrir l'ensemble de la planète.

Les satellites de télécommunications première application commerciale

En 1960 le premier satellite de télécommunications Echo est placé en orbite basse. C'est un satellite passif qui qui se contente de renvoyer les signaux contrairement à Telstar 1 mis en orbite 1962 qui les amplifie : pour recevoir le signal de ce dernier il faut malgré tout une antenne de plusieurs dizaines de mètres. A l'époque seul les Etats-Unis maitrise la technologie permettant de créer un système de télécommunications spatial. L'organisation Intelsat est mise en place pour rentabiliser l'investissement américain en faisant bénéficier ses adhérents de la prestation américaine en échange de leur contribution. Le satellite Early Bird (1965), lancé pour le compte d'Intelsat, est le premier satellite de télécommunications placé en orbite géostationnaire. La capacité des satellites de télécommunications, limitée initialement à 300 circuits téléphoniques va augmenter en profitant des progrès de l'électronique pour atteindre 200 000 circuits à la fin du 20ème siècle.

Les satellites Symphonie (1974-1975)[18], fruits d'une coopération franco-allemande, sont les premiers satellites de télécommunications réalisés en Europe. Plusieurs innovations sont introduites : la stabilisation trois-axes en orbite géostationnaire et le recours à un système de propulsion biergol pour la manœuvre de circularisation géosynchrone et le maintien à poste.

Des opérateurs internationaux (Inmarsat dédié aux communications maritimes, Interspoutnik pour les pays de l'Est), régionaux (Eutelsat opérateur européen, Arabsat, ...) , nationaux et privés (Astra) sont créés dans les années 1970-1980 pour mutualiser les moyens nécessaires à la mise en place de réseau de satellites dédiés tandis qu'Intelsat assure une couverture mondiale. La Russie handicapée à la fois par la latitude de ses bases de lancement et celle d'une grande partie du pays n'adopte pas le système des satellites géostationnaires qui s'est généralisé mais met en place un système reposant sur des satellites en orbite moyenne fortement elliptique. Dans les années 1990-2000 les organisations internationales et régionales sont progressivement privatisées tandis que les opérateurs privés se multiplient. En effet la rentabilité de l'activité, qui s'est diversifiée (télévision directe, internet, messagerie), s'est fortement accrue. L'activité fait partie des secteurs les plus touchés par la bulle internet de la fin des années 1990 : plusieurs opérateurs mettent en place des projets de constellations (de 10 à 70 satellites) en orbite basse (Iridium,..) pour lancer entre autres la téléphonie par satellite. Mais la rentabilité n'est pas au rendez-vous et les projets sont arrêtés ou leurs objectifs sont revus à la baisse. Les trois quart des revenus proviennent aujourd'hui de la télévision par satellite en pleine expansion sur tous les continents[19].

Les satellites de télécommunications

Les satellites de télécommunications sont utilisés pour transmettre des informations d'un point à l'autre de la Terre, notamment les communications téléphoniques, la transmission de données (par exemple Thuraya), les communications par satellite et les programmes télévisés[21]. C'est le seul domaine qui génére des revenus très supérieurs aux dépenses. Les clients sont des sociétés privées ou d'anciens organismes internationaux privatisés qui disposent généralement d'une flotte de satellites en orbite. Le domaine est le plus grand utilisateur de l'orbite géostationnaire.

Les principales flottes de satellites de télécommunications sont celles :

• d'Intelsat, couvrant tous les pays du monde pour les communications générales,
• d'Inmarsat, pour les communications maritimes,
• d'Eutelsat (Hot-Bird, Atlantic Bird 3, W1,2,3, etc.) et de la SES ou Société Européenne de Satellites, (Astra 1 et 2), pour l'Europe.
• d'Arabsat couvrant depuis les années 1980 l'ensemble des pays de la Ligue arabe.

Les satellites dits de diffusion directe sont en forte progression depuis une dizaine d'années : ils émettent des bouquets de chaînes payants et cryptés, ainsi que des centaines de chaînes TV&Radio en clair et gratuites, qui peuvent être reçues sur une antenne, de type parabole, domestique de petite dimension (< 60 cm) et de faible prix, grâce à la forte puissance d'émission des satellites de diffusion.