Télémétrie laser sur satellites

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Description de l'expérience

La technique de télémétrie laser sur satellites est basée sur la mesure ultra précise du temps aller retour d'une impulsion laser de la terre à un satellite artificiel.
Les satellites utilisés doivent être munis de réflecteurs laser qui sont des dispositifs optiques simples réfléchissant la lumière dans la direction incidente.

Une station de télémétrie laser est composée essentiellement :

d'un laser à impulsions courtes (<= 100 picosecondes) et à haute cadence (>= 10 hertz),
d'un télescope de poursuite de satellites pour recevoir la lumière laser réfléchie par le satellite,
d'un chronomètre ou d'un dateur de très haute précision,
d'une horloge ultra précise permettant de dater les tirs laser à 100 nanosecondes
et d'un ou de plusieurs ordinateurs pour piloter l'ensemble de l'instrumentation.

Satellite géodésique français Stella (doc. CNES)

Station de télémétrie laser satellites de l’OCA (doc. OCA)

Les mesures effectuées sur les différents satellites sont traitées en station et disséminées ensuite par l'intermédiaire des réseaux informatiques internationaux vers une base de données commune à l'ensemble des stations.

Ces données, éventuellement complétées par d'autres mesures issues de techniques diverses (VLBI, GPS, DORIS, marégraphes, gravimètres, etc.), pourront alors être exploitées par tout groupe scientifique impliqué dans des programmes de recherches.

Programmes scientifiques

Cette technique, qui est certainement l'une des plus précises aujourd'hui (1 cm) offre l'avantage d'être à la fois très simple au niveau du concept, et de fournir des mesures par rapport au centre des masses de la terre. Elle permet ainsi de définir un système de référence terrestre absolu au centimètre près. Parmi les principales applications scientifiques, qui ont toutes trait à l'étude de la terre et de son environnement proche (géodésie, physique du globe, océanographie, etc.), on peut citer :

- Le positionnement absolu des stations déterminé à partir de la connaissance d'orbites. Cette localisation faite dans un référentiel lié au centre des masses de la terre atteint une précision de l'ordre du centimètre. L'application principale en est l'étude de la

tectonique globale (dérive des continents, rebond postglaciaire) à la précision de quelques millimètres par an, et la sismogénèse.

- L'orbitographie de haute précision pour la mesure de l'orbite et l'étalonnage des altimètres radar des satellites océanographiques Ers-1, Ers-2, Topex/Poséidon, Jason ou Envisat. Ces programmes qui ont débuté il y a quelques années seulement, ont pris un essor très important,en raison de l'intérêt porté aux résultats de la recherche océanographique (courants océaniques, climat, niveaux des océans et des calottes polaires, cartographie des fonds marins, etc.).

- L'étude des forces qui perturbent les trajectoires des satellites (satellites géodésiques tels que starlette, stella, gfz1,...) permet, par exemple, de mesurer le champ de gravité terrestre et son évolution, d'affiner le géoïde (voir illustration ci-dessous), ou encore de modéliser les marées.

Cette illustration représente le géoïde qui est par définition la surface de référence équipotentielle.
Dans ce cas, seule la différence par rapport à un ellipsoïde théorique de référence est représentée, avec une échelle augmentée volontairement pour mieux visualiser les variations.
Une telle connaissance est fondamentale pour accéder aux phénomènes de géophysique interne de notre planète.

(doc. CNES)

Coopérations scientifiques nationales et internationales

Il existe actuellement une quarantaine de sites d'observations à travers le monde (un seul en France). Ceux-ci sont regroupés autour de trois organisations, EUROLAS (sur l'initiative des groupes européens, étendus par la suite aux anciens pays du groupe soviétique), NASA pour les stations exploitées ou financées par la NASA, et WPLTN pour les stations asiatiques et australienne.
En 1997 la communauté laser (stations, centres de données et chercheurs) a décidé la création d'un organisme international (International Laser Ranging Service - ILRS site ) afin de coordonner l'ensemble des activités des différents groupes.

Les coopérations sont nombreuses et fructueuses, tout d'abord au sein du GRGS (regroupement de divers organismes français impliqués en géodésie spatiale et en océanographie, tels que le CNES, l'IGN, l'INSU/CNRS, le Bureau des Longitudes, l'ENS, etc.), mais aussi avec d'autres organismes européens (DGFI à Munich, université de Delft, GFZ à Potsdam, ou NERC en Angleterre) ou américains (NASA).

L'équipe de Grasse fournit un nombre considérable de données (plus de 2000 orbites par an), et sa participation aux programmes des satellites océanographiques est tout à fait fondamentale et reconnue par la communauté scientifique internationale.

Perspectives

La complexité et la lourdeur des équipements font que la répartition géographique des mesures à la surface du globe n'est pas aussi régulière qu'il le faudrait.

De plus, il y a un intérêt scientifique certain de pouvoir déplacer une station laser sur des sites d'étalonnage des satellites océanographiques. Ces sites, obligatoirement à proximité de la mer et de la trace des satellites, doivent être équipés de plusieurs instruments indépendants les uns des autres (récepteur GPS, balise DORIS, marégraphe, gravimètre, et si possible station laser), afin d'effectuer des intercomparaisons entre les mesures issues de ces instruments et les mesures simultanées de l'altimètre embarqué sur le satellite.

C'est pourquoi un projet de développement d'une station de télémétrie laser ultra mobile (FTLRS - French Transportable Laser Ranging System) avait été soutenu et financé par le CNES, l'INSU et l'IGN dans les années 1990. Le résultat final est un instrument de 300 kg réparti en dix containers répondant aux normes du fret aérien. Deux personnes suffisent pour mettre en oeuvre l'instrument, dont l'activité est pilotée par le Groupe Missions et Performance Laser.

Deux campagnes d'observations de 6 mois chacune sur les satellites franco-américains Topex/Poséidon et Jason (pour la 2ème campagne) se sont déroulées avec succès en 1996 et 2002 sur le site d'étalonnage d'Ajaccio, en Corse.
Les données acquises par cet instrument sur de nombreux satellites sont largement dans les critères de qualité requis par la communauté laser au sein de l'ILRS.
Sa reconnaissance internationale laisse envisager d'autres campagnes, dont la prochaine est prévue en Crête courant 2003.

FTLRS en campagne et en direct (webcam).