Bientôt la quille !

C’est bientôt la fin d’une époque : treize ans après son lancement en mai 2002, le satellite SPOT 5 va prendre sa retraite.

L’aventure a commencé en février 1986 avec le lancement du satellite Spot 1, et même plusieurs années avant si on prend en compte tous les travaux préparatoires. Le 5^ème exemplaire de la famille SPOT prouve qu’elle méritait bien son nom en forme de boutade « Satellite Pour Occuper Toulouse » un peu ironique.

En 2015, on peut constater au contraire que le succès est au rendez-vous dans la région Midi-Pyrénées, avec une filière industrielle compétitive sur le marché internationale, un des deux leaders mondiaux de la commercialisation d’images satellite, de nombreux laboratoires de recherche spécialisés et une myriade de sociétés de services dans le domaine de l’observation de la Terre. Toulouse, capitale européenne du spatial, est peut-être d’abord capitale de l’observation de la Terre. Tous ceux qui ont participé de près ou de loin à cette belle aventure sont certainement émus par ce départ en retraite.

Le satellite SPOT 5 immortalisé par Pleiades-1A en février 2012. Depuis le 2 avril,
SPOT 5 s'est un tout petit peu rapproché de l'orbite dePleiades...
Crédit image : CNES – Airbus Defence and Space

Portrait de famille

L’image précédente n’est pas un selfie : c’est un portrait du satellite SPOT 5 réalisé par le satellite Pleiades-1A en février 2012, deux mois après son lancement. Réussir une telle image est une prouesse qui montre l’agilité du satellite Pleiades : il a pivoté sur lui–même depuis son orbite à 694 km d’altitude pour pointer son télescope vers son illustre prédécesseur situé à environ 120 kilomètres plus haut.

Réalisé pour les 10 ans de SPOT 5, ce portrait symbolise un changement d’époque, de génération de satellite et de modèle de financement :

L’agilité : Pleiades est le premier satellite « agile » construit en Europe : alors que SPOT 5 utilisait un miroir pivotant pour viser sa cible, c’est désormais tout le satellite qui se déplace.
La miniaturisation : SPOT 5 pesait trois tonnes au lancement. La masse de Pleiades en début de vie n’est que d’environ 1000 kg. Spot 6 et Spot 7 ne pèsent que 800 kg avec des performances accrues et une capacité d’acquisition similaire. La consommation d’énergie est pratiquement divisée par 2.
Le financement : alors que les satellites SPOT 1 à 5, comme les deux satellites Pleiades, ont été pratiquement intégralement financés par de l’argent public, SPOT 6 et SPOT 7 sont le résultat d’un investissement exclusivement privé, une première mondiale. Difficile de dire quel est le bon équilibre entre le public et le privé. La vente récente de SPOT 7 à l’Azerbaïdjan montre que le débat n’est pas clos.

Caractéristiques, allure générale et taille des satellites SPOT 5, Pleiades et SPOT 6. Infographie réalisée par Gédéon à partie d’images fournies par
Airbus Defence and Space

Première de couverture

Le portait réalisé par Pleiades fait surtout prendre conscience SPOT 5 a doublé en 2012 sa durée de vie nominale et qu’il s’approche de la fin de carrière avec un beau bilan.

Le site d’Airbus Defence and Space le résume en quelques chiffres :

SPOT 5 a acquis plus de 11 833 000 images de la Terre : 24 % sans aucune couverture nuageuse et 36 % avec moins de 10 % de couverture nuageuse.
Cela représente une surface totale de plus de 42 600 000 000 km².
120 millions de km² de mosaïque SPOTMaps 2.5, d’une résolution de 2,5 m, ont été produits par les équipes d’Airbus Defence ansd Space
124 millions de km² de paires stéréoscopiques ont été acquises avec l’instrument HRS (Haute Résolution Stéréo). Ces couples stéréo ont permis de produire 80 millions de km² du modèle Elevation30 (Reference3D).
Plus de 1500 clients dans 120 pays ont utilisé les images SPOT 5.
Jusqu’à 32 stations de réception directe à travers le monde exploitées simultanément.

La première image officielle de SPOT 5 acquise le 7 mai 2002, trois jours après
le lancement : le port d’Eleusis en Grèce.
Crédit image : CNES – Distribution Airbus Defence and Space

SPOT stoppe ? Pas encore…

La fin du mois de mars 2015 marque donc l’arrêt de l’exploitation commerciale de Spot 5 : il n’y aura plus de nouvelles images fournies aux clients de la branche géo-information d’Airbus Defence and Space. On parle surtout des premières images des satelllites. Très peu des dernières... les toutes dernières images "commerciales" ont été acquises le 29 mars 2015, comme le montrent les deux copies d’écran suivantes correspondant à des recherches d’images Spot 5 en Indonésie et en Russie. Si vous trouvez la « vraie dernière image en catalogue », merci de poster un petit commentaire à la fin de cet article.

Deux copies d’écran illustrant une recherche d’images Spot 5 dans le catalogue
d’Airbus Defence and Space à la fin du mois de mars 2015.

Désormais, ce sont les satellites SPOT 6 et SPOT 7 qui vont prendre le relais pour les images optiques à haute résolution, en complément de la très haute résolution assurée par les deux satellites Pleiades.

Comparaison entre les images de SPOT 5 et celles de SPOT 6 et SPOT 7. La résolution
est nettement améliorée, l’emprise au sol reste identique (60 km).
Crédit image : Airbus Defence and Space .

Un sursis de quelques mois pour une expérimentation avant la désorbitation

Pourtant, SPOT 5 ne va pas prendre immédiatement sa retraite définitive. Il est en bonne santé et contient encore plus d’ergols qu’il n’en faut pour effectuer la manœuvre de désorbitation.

Cette désorbitation est prévue en octobre. En attendant le grand plongeon, SPOT 5 va faire un saut plus petit en se prêtant à une expérience technologique destinée à préparer l’arrivée du premier satellite européen Sentinel-2 dont le lancement est prévu actuellement le 12 juin.

Cette expérience appelée « Take 5 » et proposée par le CESBIO (Centre d’Etude Spatiale de la Biosphère) a déjà été menée après l’arrêt de l’exploitation commerciale du satellite SPOT 4 en janvier 2013. L’expérience SPOT 4 Take 5 a été menée du 31 janvier au 19 juin 2013. Grâce au soutien financier de l’Agence Spatiale Européenne, SPOT 5 va prolonger cette expérimentation sur une période plus longue.

Le diagramme suivant est un exemple de résultat obtenu sur un site de test en Belgique pendant l’expérience SPOT 4 Take 5. Il illustre ce qu’on pourrait appeler « la revisite effective » en tenant compte de la difficulté à acquérir des images optiques lorsque la couverture nuageuse est trop importante.

Revisite théorique et revisite effective : résultats obtenus sur un site en Belgique
et un site au Maroc pendant l’expérience SPOT 4 Take 5.
Plus de détails sur le site du CESBIO.

Les barres manquantes le long de l’axe horizontal correspondent à des images totalement nuageuses qui n’ont pas été traitées. L’axe vertical indique le rapport entre le nombre de pixels nuageux (en rouge) et le nombre de pixels exploitables (en bleu). L'exemple en Belgique correspond pratiquement au pire cas observé (avec l'Alsace et le Gabon) sur les 45 sites de SPOT4 (Take5). L’illustration du bas, au Maroc, montre une situation beaucoup plus favorable.

Pour information, lorsque les deux satellites Sentinel-2 seront opérationnels, ils offriront une période de revisite de 5 jours. Actuellement, Landsat-8, seul en opération depuis la panne de Landsat-7, ne passe que tous les seize jours au-dessus de la même région : c’est insuffisant pour le suivi régulier de la végétation et de l’agriculture.

La resolution des images multispectrales de SPOT 5 (10 mètres), identique à celle de Sentinel-2, explique l’intérêt de l'expérience.

2 avril 2015 : le CNES à la manœuvre

Afin que SPOT 5 puisse prendre le relais en se déguisant en Sentinelle, deux manœuvres effectuées par les équipes du CNES au Centre Spatial de Toulouse dans la matinée du jeudi 2 avril 2015 (vers 5h30 et 6h20 UTC) ont permis d’abaisser l’orbite de SPOT 5 de quelques kilomètres.

Même si la variation d’altitude paraît faible, cela va modifier considérablement les caractéristiques de l’orbite de SPOT 5 : le cycle orbital de SPOT 5 est actuellement de 26 jours. Sur sa nouvelle orbite, il pourra désormais passer au-dessus d’un même point de la Terre tous les 5 jours, soit une répétitivité identique à celle qu'offriront les deux satellites Sentinel-2 opérés conjointement. Techniquement, on passe d'une cycle avec (14 + 5/26) orbites par jour à un cycle de (14+1/5) orbites par jour.

L'image suivante montre l'évolution des traces au sol. J'ai fait cette simulation sur un cycle de 1000 orbites. Les traces descendantes (passage de jour) sont mises en évidence. Avant la manoeuvre (couleur bleue), au bout de 369 orbites (26 jours), SPOT 5 repasse au dessus du même point. Après la maneouvre (couleur rouge), le cycle se repète après seulement 70 orbites (5 jours). Magique ? Non, il y a un prix à payer : sur le nouvelle orbite, le satellite, avec son champ de vue de 120 km et sa capacité de dépointage, ne couvre plus toute la surface de la Terre.

Projection au sol des traces de Spot 5 sur une journée, avant et après la manœuvre
destinée à préparer l’expérience Spot 5 take 5. Sur cette simulation, le décalage en
longitude est arbitraire

L'expérience SPOT 5 Take 5 proprement dite se déroulera du 8 avril au 8 septembre 2015, un période couvrant presque tout l’été et particulièrement intéressante pour le suivi de l’évolution de la végétation et des parcelles agricoles. Alors que SPOT4 Take 5 portait sur 45 sites à observer, la nouvelle expérience couvrira 150 sites.

Un décalage en longitude permet d’avoir un angle de vue similaire à celui possible lorsque les deux futurs Sentinel-2 seront en opération : un seul Sentinel-2 a une revisite de 10 jours. SPOT 5 Take 5 ne peut pas donner exactement le même point de vue. Par contre, la possibilité d’observer certains sites à la verticale va être très utile pour les opérations d’étalonnage que l’ESA va bientôt réaliser sur le premier Sentinel-2.

Sur Dailymotion, un film de Thierry Gentet expliquant l’intérêt de l’expérience Take 5.

Un peu de technique et quelques chiffres pour une utilisation pédagogique à l’école…

S’intéresser au changement d’orbite de Spot 5 à l’occasion de l’expérience Take 5 est une bonne occasion de mettre en pratique quelques principes et lois de la mécanique spatiale de manière très concrète :

Les lois de Kepler, déjà présentées sur le blog Un autre regard sur la Terre et rappelées à l’occasion du calendrier du mois de janvier : elles permettent ici de relier la période de rotation du satellite à l’altitude de son orbite : le carré de la période est proportionnel à la puissance cube du demi-grand axe de l’orbite
La formule de Tsiokovski, qui permet de calculer la quantité de carburant nécessaire pour une manœuvre de changement de vitesse orbitale (le fameux delta V de la formule de Tsiolkovski), donc de changement d’orbite. Ici, il s’agit d’un freinage qui va baisser l’altitude de l’orbite et, paradoxalement, lui donner une vitesse plus élevée.

Premier petit plongeon pour SPOT 5

L’orbite de départ est l’orbite classique des satellites SPOT 1 à 5 (héliosynchrone et quasi-circulaire).

Dans le jargon de la mécanique spatiale, la manœuvre de changement d’orbite est appelée un transfert de Hohmann, avec deux poussées. La première met le satellite sur une orbite intermédiaire elliptique, la seconde circularise la nouvelle orbite.

Dans un prochain article, je donnerai quelques chiffres caractérisant les manœuvres réalisées par les équipes du CNES. La future manœuvre de désorbitation mettra en jeu des variations de vitesse et des quantités d’ergols beaucoup plus importantes. Cette désorbitation fera également l’objet d’un nouvel article en automne.

Les caractéristiques et les variations du cycle orbital sur une orbite héliosynchrone ne sont pas des notions très intuitives. C’est le moins que l’on puisse dire… Cela méritera également un article plus détaillé sur le sujet. Voici simplement une illustration que j’ai retrouvée dans un vieux manuel de référence (guide des utilisateurs des données SPOT) et qui aide, à mon avis, à comprendre cette notion de cycle de 26 jours et de sous-cycle de 5 jours.

Exemple de calendrier de passage du satellite SPOT 1 au–dessus de l’Europe et
mettant en évidence le cycle de 26 jours et le sous-cycle de 5 jours. Les deux points
de couleur montre le cycle de 26 jours.
Extrait du « Guide des utilisateurs de données SPOT ».

Olivier Hagolle a également écrit un billet très clair sur le blog du CESBIO pour expliquer comment on passe d'un cycle de 26 jours à un cycle de 5 jours en descendant l’orbite de quelques kilomètres. Il explique aussi l’origine du choix du cycle de 26 jours.

En attendant des explications plus détaillées sur les orbites SSO (Sun-Synchronous Orbit), je vous invite à jouer un peu avec les lois de Kepler et l’équation de Tsiolkovski pour estimer des ordres de grandeur (changement d’altitude, de variation de vitesse et de quantité d’ergols). Il vous manque une information : l’impulsion spécifique du système de propulsion de Spot 5, environ 220 secondes.

A mon avis, cela peut donner lieu à quelques travaux pratiques motivants au lycée.

Remerciements :

Je remercie Florian Delmas, Jean-Marc Walter, Sylvia Sylvander et Helène de Boissezon (CNES) et Olivier Hagolle (chercheur et blogueur du CESBIO), qui ont très aimablement fourni des détails techniques qui m’ont permis d’écrire cet article du blog Un autre regard sur la Terre.

En savoir plus :

Sur le blog Un autre regard sur la Terre, d’autres articles sur SPOT 5 et la famille SPOT :
Sur le site du CNES, une page sur les missions SPOT et, sur le site des missions scientifiques du CNES, des informations plus détaillées sur les satellites Spot, avec en particulier des informations sur le retrait du service de SPOT 4 en janvier 2013.
Sur Dailymotion, un film de Thierry Gentet sur l’expérience Take 5.
Sur le site du CESBIO, un article sur l’expérience Take 5 et des résultats de l’expérience SPOT 4 Take 5.
Sur le site d’Airbus Defence and Space, la galerie d’images des satellites SPOT 1 à 5 et le catalogue Geostore pour accéder à la liste des images archivées.
Sur le site de l’ESA, en anglais, les pages sur l’observation de la Terre, une présentation des missions Sentinel et un zoom sur Sentinel-2.
Les données de l’expérience Spot 4 Take 5 sur le serveur du pôle thématique THEIA ou sur le serveur de distribution du CNES.
A visualiser sur Google Earth (format Kmz), sur le site du CESBIO, la liste des sites sélectionnés pour l’expérience Take 5.

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