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1 avril 2014 2 01 /04 /avril /2014 21:07

 

Sentinel-1 - Copernicus - Soyouz VS07Une grande première : le logo Copernicus sur la coiffe du lanceur Soyouz VS 07 en Guyane française.
Le premier satellite Sentinel bientôt en orbite. Crédit image : ESA

 

Anges gardiens

C’est une grande première européenne qui doit avoir lieu jeudi 3 avril 2014 au Centre Spatial Guyanais, très exactement à 18h02 heure de Guyane (soit 23h02 heure de Paris ou 21h02 UTC) : la fusée Soyouz VS07 doit mettre sur orbite Sentinel-1A, le premier satellite construit spécifiquement pour le programme européen d'observation de la Terre Copernicus. Avec Galileo, Copernicus, anciennement appelé GMES (pour Global Monitoring for Environment and Security) est un des deux grands programmes spatiaux de l’Union Européenne.

L’objectif de Copernicus, démarré en 1998 à Baveno en Italie, est de doter l’Union Européenne d'un accès continu, indépendant et fiable aux données d'observation de la Terre pour les applications environnementales et pour la sécurité des citoyens.

 

Satellite radar

La charge utile de Sentinel-1A est un instrument radar capable de voir la surface de la Terre de jour comme de nuit, même en présence de nuages, en pouvant discerner des détails de l’ordre de 5 à 25 mètres, selon le mode acquisition utilisé. Sentinel-1A doit poursuivre la mission démarrée par le satellite Envisat, qui est tombée en panne en mars 2012.

Avec cet instrument, le satellite Sentinel-1A va fournir des données d’observation de la Terre utilisée par des missions de surveillance de l’environnement : surveillance de la surface des mers (courants et vents de surface), suivi de la fonte des glaces et de la dérive des glaces de mer, détection des marées noires et suivi du mouvement des navires, mesure de l’humidité des sols. Dans le domaine des risques, il sera très utile en cas d’inondations, de tremblement de terre ou de glissements de terrain.

 

Copernicus - Sentinel-1 en orbite - ESA - ECCopernicus devient une réalité : la satellite Sentinel-1 et son radar en orbite autout de la Terre
(vue d’artiste). Crédit image : ESA

 

L’année prochaine, Sentinel-1A sera rejoint en orbite par son frère jumeau Sentinel-1B, sur une position à 180 degrés pour permettre une fréquence d’observation élevée : une fois opérationnel, le système de deux satellites radar permettra de cartographier l'intégralité de la surface de la Terre en six jours.

 

Sentinelles de la Terre, sentinelles dans l’éther

Le programme Copernicus comporte toute une famille de satellites Sentinel qui seront lancés dans les années qui viennent pour constituer la constellation de satellites Copernicus. Le satellite optique Sentinel-2 assurera la surveillance des terres émergées et le suivi de la végétation. Les charges utiles de Sentinel-3 sont spécialisées pour l’étude de l'environnement marin (altimétrie, température, couleur de l’eau).

Dans le domaine de la météorologie et du climat, Sentinel-4 et Sentinel-5 mesureront la composition de l'atmosphère.

Avec un accord signé en février 2008, la commission européenne, qui finance Copernicus et organise la fourniture des données et des services associés, a délégué à l’Agence Spatiale Européenne (ESA) la responsabilité technique de l’infrastructure spatiale (l’ensemble des satellites Sentinel).

C’est Thales Alenia Space qui a assuré la maîtrise d’œuvre du satellite Sentinel-1 et fournit la plateforme Prisma. Le radar est conçu et fabriqué par Astrium Defence and Space (ex Astrium Satellites).

 

Copernicus - Sentinel-1 - Test Radar - TAS CannesEn janvier 2014, le satellite Sentinel 1 en essais de compatibilité électromagnétique dans la salle
anéchoïde de Thales Alenia Space à Cannes. Le radar en bande C, construit par Airbus Espace, est complètement déployé. La taille des personnes donne une idée de l'échelle. Crédit image : ESA

 

Satellites plus petits

Comparé à Envisat avec ses 8200 kilogrammes et ses dix instruments, Sentinel-1A est beaucoup plus petit : Sentinel-1A a une masse de 2200 kg, dont 930 kg pour la charge utile. 

Sentinel-1 sera placé sur une orbite polaire héliosynchrone à 693 km d’altitude et 98,19° d’inclinaison et fera le tour de la Terre en 98,74 minutes. Le cycle orbital se répète tous les douze jours.

 

Sur Sentinel-1, un bel instrument pour les Jules : CSAR

CSAR, c’est le nom du radar embarqué par sentinel 1. SAR signifie « Synthetic aperture Radar » ou radar à synthèse d’ouverture, un peu comme une barre de son. Une différence majeure : la fréquence. Une bonne chaîne HIFI, c’est 20 Hz à 20 kHz. La fréquence de CSAR est un million de fois plus élevée qu’une fréquence audio moyenne : il fonctionne avec une fréquence centrale de 5,405 GHz (bande C, soit 5,5 cm de longueur d’onde). C’est environ deux fois la fréquence utilisée dans un four à micro-onde ou dans les nouveaux réseaux mobiles 4G.

 

Friture sur la ligne : ce n’est pas un poisson d’avril

Pour la petite histoire, il faut savoir que les Etats-Unis ont demandé que la prochaine conférence de l’UIT (Union Internationale des Télécommunication), la WRC-15 (World Radio Conference 2015) qui se tiendra à Genève en novembre 2015, que la totalité de la bande 5,25 GHz – 5,57 GHz soit entièrement allouée aux applications terrestres RLAN (Radio Local Access Network, en clair le Wifi). Une telle décision entraînerait des perturbations importantes et limiterait les capacité d’acquisition de Sentinel-1.

Le spectre de fréquence, de plus en plus encombré et convoité, fait l’objet de batailles acharnées entre les opérateurs terrestres et les opérateurs satellites, dans le domaine de l’observation de la Terre, la science (on a déjà parlé sur le blog Un autre regard sur la Terre des difficultés rencontrées par la mission SMOS) ou les télécommunications

CSAR offre quatre modes de fonctionnement illustrés sur la figure suivante : Stripmap,  Interferometric Wide-Swath Mode, Extra-Wide-Swath Mode et Wave Mode. Selon les modes, la largeur de la zone couverte varie entre 20 km et 400 km et la résolution spatiale entre 5 et 20 mètres.


Sentinel-1 - CSAR - Modes d'acquisition et résolutionLes modes d’acquisition du radar CSAR des satellites Sentinel-1. Illustration extraite du document
ESA SP-1332/1 « Sentinel 1 : ESA’s Radar Observatory Mission for GMES Operational Services ».
Crédit image : ESA

 

A titre de comparaison, le Radar ASAR d’Envisat fonctionnait également en bande C sur une fréquence de 5,331 GHz.La résolution spatiale atteignait 30 mètres en mode Image ou Alternating Polarisation et 150 mètres en mode Wide Swath. Les quatre images suivantes sont des extraits d’images prises le radar ASAR d’Envisat.

 

ENVISAT - ASAR - Gibraltar - 05-04-2012 - 22h27 - WSM Envisat - ASAR - Eoliennes - Mer du nord - 25-02-11 - 10h17
ENVISAT - ASAR - Istambul - 07-04-2012 - 8h20 - WSM Envisat - ASAR - 22-03-12 - 01h28 - IMM

Quatre extraits d’images acquises par le radar ASAR du satellite Envisat. En haut à gauche, le détroit
de Gibraltar. A droite, à l'est de Londres, éoliennes en mer du nord. En bas à gauche, Istambul et le
détroit du Bosphore, A droite : navires au large de Pusan en Corée du sud.
Source : MIRAVI, crédit image : ESA.

 

A titre de comparaison, l’image suivante est une image simulée de Sentinel-1 obtenue à partir d’une programmation particulière du satellite canadien Radarsat-2, lancé en décembre 2007 et qui fonctionne à la même fréquence.

 

ESA - Sentinel-1A - Image CSAR - Port de VancouverSimulation d’image du radar CSAR de Sentinel-1 obtenue à partir de données du satellite Radarsat-2.
Le port de Vancouver au Canada. Crédit image : MDA

 

Hosted payloads : des charges utiles auxiliaires pour des missions plus spécialisées

Après les satellites « couteau suisse » de grande taille comme Envisat, dans le domaine de l’observation de la Terre, la tendance est aux missions plus compactes et plus spécialisées.

C’est peu connu et c'est une révélation exclusive du blog Un autre regard sur la Terre : à côté de l’imposant instrument radar, Sentinel-1 emporte également une charge utile expérimentale très particulière.

Hosted payload, en anglais, ou charge utile auxiliaire : il s’agit d’une tendance venue des Etats-Unis. Elle est surtout exploitée aujourd’hui sur les gros satellites de télécommunications. Par exemple, le Département de la Défense américain (DOD) a installé sur un satellite commercial une charge utile expérimentale appelée CHIRP pour la détection de départs de missiles balistique.

En Europe, Sentinel-1A va être un des premiers satellites en orbite basse à emporter une « hosted payloads ». Il s’agit d’un instrument expérimental très particulier destiné à détecter les poissons au voisinage de la surface.

 

Aide à la pêche par satellite

J’ai déjà évoqué sur le blog Un autre retard sur la Terre comment les données d’observation de la Terre pouvaient aider les pêcheurs à identifier les zones propices à la pêche.

Par exemple, les différents capteurs du satellite Envisat ont été utilisés pour cette application étonnante : en combinant les données de l’instrument AATSR (température de surface), de MERIS (couleur de l’eau) et de RA (radar altimétrique), il est possible de localiser les fronts thermiques, cartographier les zones riches en phytoplancton et évaluer les courants de surfaces : ces trois paramètres, interprétés par des spécialistes, peuvent servir à élaborer des cartes de zones « propices à la pêche ». Plusieurs compagnies de pêche au thon tropical utilisent ce type d’information, dans l'océan Indien, l'Atlantique ou le Pacifique.

 

Instrument révolutionnaire pour la pêche au SAR

La charge utile auxiliaire de Sentinel-1 va beaucoup plus loin : équipé d’un radiomètre de nouvelle génération, elle est destinée à étudier si on peut localiser précisément des espèces de poissons déterminées.

Baptisé SAR-C, le nom de l’instrument fait référence au sar commun (Diplodus sargus, Linneaus, 1758), un poisson de mer ou d'eau saumâtre de la famille des sparidés.

 

Sar à bandes

Le sar est recherché pour sa bonne qualité gustative. Il en existe en fait plusieurs espèces qu’on reconnaît à la forme des bandes sombres qui ornent leurs flancs, allongée (en forme de L, en forme de C (pour le sar commun, C-band SAR en anglais), voire plus rarement en forme de X (on parle alors de SAR Bande X ou X-band SAR en anglais).

On trouve le sar commun en Atlantique, de la Bretagne jusqu'au Sénégal, ainsi qu'en Méditerranée. On comprend mieux pourquoi les essais du satellite Sentinel-1A ont été réalises à Cannes, à proximité de la mer Méditerranée.

Je n’ai pas trouvé d’illustration de SAR bande C, mais les images suivantes montrent un exemple de SAR bande L et surtout un très beau spécimen de SAR bande X.

 

SAR - Bande L - Bande XDeux exemples d'images de SAR. En haut, SAR bande L. En bas, SAR bande X.
Crédit image : Gédéon, d’après une illustration créée par Citron / CC-BY-SA-3.0

 

Loi de poisson : application à bord des satellites

Un dernier clin d’œil lié à l’actualité du jour : si vous vous intéressez aux probabilités et aux statistiques, vous connaissez certainement la loi de poisson.

Il s’agit d’une loi de probabilité discrète qui décrit le comportement du nombre d'évènements se produisant dans un laps de temps fixé, quand ces évènements se produisent avec une fréquence moyenne connue et indépendamment du temps écoulé depuis l'évènement précédent.

Saviez-vous qu’elle est utilisée pour le calcul de fiabilité des satellites et plus généralement des systèmes constitués de composants élémentaires. Elle sert par exemple à estimer le MTBF : Mean Time Between Failures ou temps moyen entre deux pannes.

 

Fiabilité et durée de vie : l’anchois dans la date

Dans les systèmes non réparables comme les satellites, le travail des ingénieurs de conception consiste à éviter la panne et à prévoir des redondances si jamais elle se produit. On met en oeuvre par exemple des methodes comme l’AMDEC pour « Analyse des Modes de Défaillance des Effets et de leur Criticité ».

La loi de Poisson s’applique assez bien à ce type de problématique, au moins pendant la phase de maturité de l’équipement (hors période de début et de fin de vie).

Selon la distribution de Poisson, la probabilité qu’une variable de moyenne m prenne la valeur x entière, est égale à :

f(x) = e-m.mx / x!

avec : m = NλT, N : Nombre d’équipements, λ : taux de défaillance, T : période sur laquelle on souhaite évaluer la probabilité de défaillance. 

 

On obtient ainsi la probabilité d’obtenir 0, 1, 2, ... défaillances durant l’intervalle de temps T, par exemple pour dimensionner un nombre de pièces de rechanges (quand on peut réparer), prévoir des redondances ou estimer la durée de vue d’un système en opération.

Pour Sentinel-1A, la durée de vie prévue est de sept ans.

 

En savoir plus :

 


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Publié par Gédéon - dans Copernicus-GMES
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commentaires

cazaux 02/04/2014 09:52

Bravo pour cette excellente page,trés technique mais pleine d'humour et de clins d'oeil.
Merci Gil, continue

Gédéon 02/04/2014 14:32


La loi de poisson, c'était incontournable pour le 1er avril... Le SAR pour la pêche au sar, aussi


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  • Ingénieur dans le domaine de l'observation de la Terre.
Bénévole de l'association Planète Sciences Midi-Pyrénées
  • Ingénieur dans le domaine de l'observation de la Terre. Bénévole de l'association Planète Sciences Midi-Pyrénées

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