Un satellite météorologique en détail

Pour décrire ce qu'est un satellite météorologique, nous allons prendre l'exemple d'un satellite GOES, un satellite du système météorologique américain. Le système GOES est la base du système météorologique aux Etats-Unis; il représente un élement-clé de la modernisation du programme météorologique de la NOAA, l'agence météorologique américaine. Un ensemble de satellites et de systèmes au sol contribuent à la mission et permettent de fournir des images et des données diverses qui sont à la base d'un flot continu et fiable d'informations météo qui servent à la prévision et au grand public. Les missions GOES (GOES pour "Geostationary Operational Environmental Satellite") sont des satellites géostationnaires. La série N à P représente la nouvelle génération de ces satellites, qui permettent d'étendre le système GOES. Le premier satellite GOES a été lancé en 1974. Les GOES récents sont également équipés pour participer aux systèmes de secours et signaux d'urgence ainsi que pour observer et prévoir les évènements énergétiques du Soleil. Le satellite GOES-13, à l'Est et le GOES-11, à l'Ouest couvrent plus de 50% de la surface terrestre. Le satellite GOES-O qui sert de base à notre description, qui a été renommé GOES-14 une fois en orbite, a été lancé en juin 2009. Il a été ensuite placé sur une orbite de parking d'où il peut être rendu opérationnel en moins de 24 heures afin de remplacer un satellite du système qui viendrait à se dégrader ou à épuiser son carburant. Les GOES opèrent sur l'orbite géostationnaire, à 35800 km d'altitude (comme leur vitesse sur l'orbite est égale à celle de la rotation de la Terre, ils semblent fixes dans un même point de l'espace. Un satellite GOES coûte -pour le satellite même, les instruments et le lancement- aux alentours de 378 millions d'euros

un satellite GOES (légendes en anglais). site 'Amateur Astronomy' sur la base d'un document NASA

Caractéristiques techniques

Un satellite GOES mesure 8,2 m (26ft) par 2,25m (7ft 4 pouces) par 3,37m (11ft) et pèse, en orbite, 2180kg (4806 livres). Il possède un moteur d'apogée à carburant liquide, d'une poussée de 490 newtons ainsi que 12 thrusters à carburant mixte d'une poussée de 9 newton chaque. Le satellite se base sur le design éprouvé de la marque Boeing, le corps à trois axes stabilisés 601. Le contrôle de l'attitude se fait par un système de contrôle inertiel stellaire par le biais de trois suiveurs stellaires et d'une unité de référence inertielle ("Hemispherical Inertial Reference Unit" ou HIRU). Ceux-ci surveillent et calculent l'attitude du satellite. 4 roues à réaction sont utilisées pour transmettre les commandes en mode normale et les 12 thrusters servent à contrôler la vitesse ainsi que la position sur l'orbite. Un GOES possède un seul panneau solaire, de type aile; il est constitué de cellules solaires à double-jonction à l'arsénide de gallium. Il alimente 24 batteries cellulaires au nickel-hydrogène de 123 ampères/h. Pour ce qui est des télécommunications, le satellite GOES est équipé des antennes et pods suivants: 2 dipôles pour bande S/L, 1 dipôle pour bande L, 1 dipôle UHF, une antenne omni, 1 pod bande L et 1 pod bande S. Le taux de transfert pour ce qui est des commandes envoyées au satellite est de 2000 bps et le taux de télémétrie peut être soit de 4000 soit de 1000 bps. Un GOES est conçu, au départ, pour durer 10 ans. Il emporte désormais 14 ans de carburant

Dans les satellites de télécommunications, GPS ou militaires, on utilise des tubes à chaleur pour réguler la température et garantir le fonctionnement des systèmes. Un "tube à chaleur", "heat pipe" en anglais, est un système simple qui, en l'absence de mouvement convectif en micro-gravité, peut transférer de la chaleur d'un point qui est chaud à un endroit plus froid et plus éloigné sans aucune pompe mécanique. Un heat pipe est habituellement un tube fermé dont on retire l'air et dans lequel on introduit, dans un vide partiel, une petite quantité de liquide. Une partie de ce liquide est en contact avec la partie chaude d'un système; il s'évapore alors en vapeur en absorbant cette chaleur. Cette vapeur, à son tour, se condense en liquide lorsqu'elle arrive au contact de la surface froide du dispositif et elle se défait donc de la chaleur latente qu'elle transporte. Le liquide revient ensuite au contact de la chaleur via un processus dit "action capillaire" produit par les interactions entre les molécules du liquide et par l'attraction exercée sur elles par la surface du tube. Le circuit liquide-vapeur n'a donc pas besoin de pièces mobiles et le refroidissement peut donc se faire indéfiniment

Les satellites de l'orbite terrestre, d'une façon générale, emportent, pour leurs manoeuvres, du carburant (de l'éthanol liquide). Un triple système de scellement est appliqué aux valves de carburant au moment de la construction du satellite

Instruments

Chaque satellite GOES emporte deux instruments principaux, un dispositif de prise de vues (dit "Imager") et un dispositif de sondages atmosphériques (dit "Sounder"). Il dispose également de l'ensemble "Space Environment Monitor" qui, avec l'imageur solaire dans les rayons X ("Solar X-ray Imager") comporte plusieurs instruments de détection des particules chargées ainsi que des capteurs dans les rayons X et l'extrême ultraviolet. La série des GOES emporte aussi un émetteur de secours sur la fréquence 406 MHz avec transpondeur Search and Rescue. Les GOES, d'une façon générale, sont maintenant des plateformes stables qui permettent l'utilisation optimale de leurs instruments améliorés. Un transpondeur spécialisé permet de participer aux services "Emergency Manager's Weather Information Network" (EMWIN; un réseau météorologique réservé aux gestionnaires des situations d'urgence)

• le Imager et le Sounder: les deux instruments procèdent à des mesures régulières de l'atmosphère, de la couverture nuageuse, des températures océaniques et des surfaces continentales dans le visible à haute résolution ou dans l'infrarouge. Ils fournissent aussi des profiles en termes de température et d'humidité de l'atmosphère. La localisation, en termes de pixels d'image, atteint 1,5 km pour l'altitude à laquelle le satellite opére, soit 35800 km. Un scanner flexible permet de l'imagerie à petite échelle de superficie qui permet aux météorologues de prendre des images d'aires spécifiques, localisées comme celles des zones météo à problème. La technique d'imagerie et de sondage simultanés ou indépendants leur permet de disposer, pour améliorer leurs prévisions, de mesures multiples des phénomènes météo. Le capteur image et le sondeur transmettent leurs données en continu aux stations au sol qui les traitent et les redirigent à destination aux services météo localisés aux Etats-Unis et dans le monde, y compris à destination de la communauté scientifique internationale. Le système avancé de contrôle de l'attitude du satellite via des suiveurs stellaires permet un système amélioré "Image Navigation and Registration" (INR; navigation et enregistrement image) qui améliore les images et leur localisation ainsi que celles des données obtenues par le sondeur et donc leur utilisation. Le support amélioré sur lequel sont fixés l'imageur et le sondeur améliore la capacité de pointage et contribue aussi à la navigation et à la localisation des images, ce qui permet, par exemple, de localiser plus facilement les tempêtes importantes et autres évènements météo d'importance. Le support isole également l'imageur et le sondeur des déformations thermiques subies par le satellite. On a également ajouté des protections thermiques à la structure du miroir secondaire des deux instruments et la température à laquelle ils fonctionnent a été abaissé du fait que la conception générale du satellite réduit l'impact du vent solaire sur celui-ci. Le "Data Collection System" (DCS; système de collecte des données) a été amélioré via l'ajout de plateformes de collecte des données ("Data Collection Platforms", DCPs) de 300 et 1200 bps. Avec l'émetteur-récepteur plus puissant, plus de plateformes, ainsi, peuvent utiliser le lien en même temps. Les satellites GOES sont également dotés d'un taux de tranmission digital spécifique, le "Low Rate Information Transmission" (LRIT) pour la distribution des données, qui permet une transmission compatible avec les standards de l'Organisation Météorologique Internationale, l'OMI, ainsi que l'alimentation du "National Weather Service" américain à un taux plus élevé
• le Space Environment Monitor (SEM; littéralement "surveillance de l'environnement spatial"): le SEM consiste en deux magnétomètres, un capteur de particules énergétiques ("Energetic Particle Sensor", EPS) (qui comprend un détecteur de protons à haute énergie et un détecteur alpha ("High-Energy Proton and Alpha Detector, HEPAD), un détecteur d'électrons magnétosphériques ("Magnetosphere Electron Detector", MAGED), un détecteur d'électrons et protons énergétiques et détecteur alpha ("Energetic Proton Electron and Alpha Detector", EPEAD) et d'un détecteur de protons magnétosphériques ("Magnetosphere Proton Detector", MAGPD). Le SEM comporte aussi un capteur de rayons-X énergétiques ("Energetic X-Ray Sensor", XRS) et des capteurs dans l'extrême-ultraviolet ("Extreme Ultraviolet, EUV). Les instruments du SEM ont des capacités améliorées de mesure des particules chargées. Les instruments sont utilisés pour pratiquer des mesures, sur l'orbite, de l'environnement magnétique et en termes de particules ainsi que des mesures, au niveau du Soliel de l'émission totale en rayons X et du spectre extrême-ultraviolet de celui-ci. Pour ce qui est du "Solar X-ray Imager" (SXI; imageur solaire dans les rayons X), l'instrument peut prendre une image du disque solaire dans son entier par minute. La NOAA et l'US Air Force utilisent ces données pour élaborer des prévisions de la "météo solaire" et la surveillance des évènements énergétiques qui ont lieu au Soleil (flares, particules énergétiques, courants de vent solaire, éjections coronales de masse). Cette possibilité à surveiller et prévoir l'activité solaire présente un intérêt pour les activités que cette énergie peut perturber: vols spatiaux habités, routes aériennes de haute altitude et polaires, opérations et utilisation des systèmes militaires et civils de télécommunications radio et satellite, systèmes de navigation, réseaux électriques, recherche scientifique. Le SXI comporte un système automatique de détection des flares solaires, une faculté de transmission, par minute, d'images à exposition multiple et une mémoire programmable flexible pour l'imageur

Pour ce qui est du partenariat entre la NOAA et la NASA, les deux agences ont signé, en 1983, un accord qui prévoyait la conception et la construction des satellites GOES. L'agence météorologique prend en charge le programme et elle énonce les exigences techniques, fournit les fonds, distribue les données pour ce qui est des Etats-Unis et elle détermine quand les satellites doivent être remplacés. La NASA se joint à la NOAA pour étudier, concevoir et construire chaque satellite GOES. Le centre du Goddard Space Flight de la NASA, à Greenbelt, dans le Maryland, lui, prend en charge la construction proprement dit, l'intégration et les tests du satellite, de ses instruments et des équipements au sol spécifiques. La NOAA et la NASA assurent ensemble la distribution des données venant des satellites GOES