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Topex/Poséidon, six mois après le lancement

Philippe Escudier (Cnes, France)

Mission d'océanographie spatiale destinée à déterminer la circulation des océans, Topex/Poséidon a été réalisé et est exploité en coopération franco-américaine.
L'ensemble des éléments mis en oeuvre a été optimisé pour obtenir les mesures de topographie océanique les plus précises possibles. Ainsi cette mission doit être la mission de référence pour les futures séries de satellites altimétriques.

L'orbite choisie pour Topex/Poséidon, originale, a une altitude de 1300 km environ pour diminuer les effets de frottement sur le satellite et une inclinaison de 66° pour couvrir la majeure partie des océans et permettre une mesure précise de l'effet des marées en explorant toutes les heures locales possibles.

Des systèmes de mesure redondants sont mis en oeuvre pour assurer la meilleure précision possible et permettre de valider des technologies nouvelles qui pourront être utilisées dans le futur. Une mission altimétrique demande un système de trajectographie assuré pour Topex/Poséidon par Doris (Cnes), le laser (Nasa) et GPS (Nasa) et un système radar altimètre assuré par un altimètre bifréquence (Nasa), l'altimètre expérimental Poséidon (Cnes) et le radiomètre TMR (Nasa).

Après un lancement sans problème le 10 août 1992 par Ariane, vol 52, le premier mois de la mission a été utilisé pour mettre en route et tester les instruments. Les 5 mois suivants ont été dévolus à la vérification de la précision des mesures effectuées ainsi qu'au réglage des algorithmes de traitement. Cette phase s'est terminée par une réunion de l'ensemble des scientifiques associés au projet du 22 au 25 février à Los Angeles.

Compte tenu des résultats obtenus, il a été décidé formellement de débuter la phase opérationnelle de mesures pour une durée de 3 à 5 ans.

Les données correspondantes seront mises à la disposition de la communauté scientifique dans son ensemble dès le mois de juillet 1993.

 

Le circuit des informations

Toutes les mesures collectées par les instruments sont envoyées au sol via le système de satellites relais TDRSS 3 fois par jour.


Ces mesures reçues au JPL sont utilisées pour assurer le contrôle du satellite. Les mesures des instruments français sont extraites et envoyées journellement au Cnes à Toulouse où sont effectués le contrôle de ces instruments et le traitement des données. L'élaboration des produits GDR est faite en parallèle au JPL (GDR Topex) et au Cnes (GDR Poséidon). Les données traitées sont échangées entre les deux centres de façon à ce que l'ensemble soit distribué à tous les scientifiques.


Le traitement effectué sur les données est considérable. Il faut calculer la trajectoire du satellite avec une précision de quelques centimètres à partir des mesures d'orbitographie et de modèles théoriques du mouvement du satellite en orbite. En parallèle, il faut corriger les mesures brutes de l'altimètre des effets perturbateurs liés à l'instrument lui-même, liés à la traversée de l'atmosphère (ionosphère et troposphère), et liés à la réflexion sur la surface des vagues. Les logiciels utilisés pour le contrôle et le traitement des données à Toulouse représentent environ un million de lignes de code.
Les commandes devant être envoyées aux instruments sont élaborées à Toulouse pour les instruments français puis envoyées directement à Doris, ou transmises au JPL pour être envoyées aux instruments via TDRSS et le satellite.


Le fonctionnement de cette coordination opérationnelle est bon. Dans des situations d'urgence quelques heures ont été suffisantes pour détecter un problème au JPL, l'analyser à Toulouse, générer les commandes nécessaires et les envoyer aux instruments.

Le satellite

Le satellite d'environ 2,5 tonnes remplit parfaitement sa mission. Six manoeuvres ont été effectuées pour rejoindre l'orbite définitive qui a été atteinte le 21 septembre 1992. Depuis cette date, des manoeuvres de maintien de l'orbite sont régulièrement réalisées pour maintenir la trace de l'orbite sur la grille d'observation.


Les batteries du satellite avaient causé quelques inquiétudes au moment du lancement du fait de la défaillance de batteries analogues utilisées par d'autres missions.
Des mesures conservatives ont été mises en oeuvre (contrôle de la charge, limitation du courant de charge en sortie d'éclipse) et leur état ne présente actuellement aucune anomalie.


Le seul problème de plate-forme notable a concerné le contrôle d'attitude. La précision du pointage de l'antenne altimètre n'était pas conforme aux spécifications en début de mission. Ceci a pour effet d'augmenter le bruit de mesure et d'induire des erreurs qui ne peuvent être que partiellement corrigées. Après modification du logiciel de bord, ceci a été amélioré au début du cycle 8 (décembre 92) et complètement corrigé en janvier 93.

Les systèmes de trajectographie

Doris a été mis en route le 16 août 1992 et fournit depuis environ 6000 mesures par jour. La précision des mesures est légèrement meilleure que celle de Doris/Spot 2, elle est de l'ordre de 0.5 mm/s. Une campagne intensive de poursuite par mesures laser a été effectuée. L'utilisation conjointe des mesures Doris et laser a permis d'obtenir une précision de calcul d'orbite remarquable. Le récepteur GPS expérimental embarqué à bord du satellite a, lors de ses périodes de fonctionnement, confirmé les potentialités de ce système pour la trajectographie précise des satellites. La précision du calcul d'orbite est un des points majeurs de cette mission qui la distingue de toutes les précédentes. Cette précision est en effet indispensable à une mesure absolue et globale du niveau des océans et de ses variations qui est un des principaux objectifs visés. La présence de 3 systèmes performants et indépendants a permis des progrès considérables dans ce domaine. La précision du calcul d'orbite est aujourd'hui meilleure que 10 cm, ceci étant vérifié notamment par l'écart entre les résultats obtenus avec les différents systèmes.

Les systèmes radars altimétriques

L'altimètre Nasa, instrument principal, fonctionne de manière tout à fait conforme aux prévisions. Il est l'héritier direct des altimètres déjà utilisés pour les missions Seasat et Geosat. La principale amélioration a été l'adjonction d'une mesure à 5.3 GHz à la mesure primaire à 13.65 GHz pour assurer la correction de propagation dans l'ionosphère.
L'altimètre Poséidon du Cnes est un instrument expérimental ayant pour but de démontrer les qualités des technologies nouvelles utilisées.

Comme les deux altimètres utilisent la même antenne ils ne peuvent fonctionner simultanément.

L'altimètre français totalisait 23 jours de fonctionnement au 1er février.
Les traitement des données reçues montre que cet instrument fonctionne parfaitement. Il effectue des mesures sur la totalité des océans survolés ainsi que sur certaines terres émergées (glaces, déserts par exemple).
La précision des mesures de hauteur de l'océan est de 2 à 3 cm, fonction de la taille des vagues.
La correction de l'effet ionosphérique effectuée grâce aux mesures Doris a une bonne précision. L'écart quadratique moyen entre la correction bifréquence de l'altimètre Nasa et cette correction est inférieur à 2 cm.

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