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Principe de positionnement des satellites

Une détermination très précise de la position du satellite en orbite est une des conditions essentielles de la qualité des données altimétriques. Le système Doris, basé sur l'effet Doppler, contribue à ce délicat exercice d'orbitographie.

Que ce soit pour un satellite ou un point au sol, localiser consiste à calculer des coordonnées de position (éventuellement des vitesses) en 3 dimensions dans un repère donné. Naturellement, le repère choisi est lié à la Terre car il s'agit d'étudier l'océan, la croûte solide, les glaces... L'origine du repère est le centre des masses de la Terre, ou géocentre.

Pour la localisation dans l'espace, il y a une difficulté car le satellite est en mouvement sur une trajectoire déterminée par les conditions de lancement et un ensemble de forces qui s'exercent sur le satellite. Les principales sont l'attraction gravitationnelle de la Terre qui le maintient en orbite et les forces de surface (pression des photons du vent solaire, frottement de l'atmosphère...). C'est pourquoi la connaissance du champ de gravité de la Terre et de l'environnement du satellite est déterminante pour appréhender les écarts de la trajectoire réelle du satellite par rapport à l'orbite elliptique décrite par les lois de Képler.

Localiser suppose aussi de disposer d'une technique d'observation géodésique.

L'effet Doppler. Crédits Cnes/CLS.
L'effet Doppler. Crédits CLS.

L'effet Doppler

L'antenne réceptrice du système Doris à bord des satellites reçoit les rayonnements émis par le réseau de stations terrestres. Lorsque le récepteur et la source se déplacent l'un par rapport à l'autre, la longueur d'onde à la réception diffère de la longueur d'onde à l'émission : c'est l'effet Doppler.

Quand le satellite se rapproche de l'émetteur, la fréquence du signal reçu par les instruments Doris à bord du satellite est plus élevée que celle du signal émis, et moins élevée quand il s'en éloigne. Si les fréquences des signaux reçus et émis sont égales, l'émetteur se trouve sur la perpendiculaire à la trace du satellite au sol. Sur un tracé de la fréquence reçue par le satellite en fonction du temps, la pente de la courbe au point de proximité maximale (point TCA : Time of Closest Approach) permet de calculer la distance entre la balise émettrice et le satellite.

La précision du calcul d'orbite est d'autant meilleure que l'on dispose de temps à cette opération.

Le calcul d'orbite

La détermination précise de l'orbite n'est pas instantanée. Elle nécessite le traitement de mesures et la prise en compte de l'environnement du satellite (manœuvres, forces physiques gravitationnelles et de frottements atmosphériques...). Le calcul d'une orbite consiste à ajuster un modèle de trajectoire par minimisation des écarts entre les mesures de vitesses relatives obtenues par Doris et celles prédites par le modèle de trajectoire. La précision de ce calcul s'accroît avec l'accumulation de mesures donc avec le temps consacré : la précision est de 10 cm RMS sur l'orbite radiale pour les données à trois heures, de 4 cm RMS pour les données à trois jours, et de 2.5 cm pour les données à 30 jours, avec l'objectif de descendre jusqu'à 1 cm.

Positionnement de haute précision

À partir du moment où la position du satellite est bien définie sur son orbite, son système récepteur peut être utilisé pour permettre la localisation d'une balise Doris n'appartenant pas au réseau de balises de référence mais placée en un endroit nécessitant une surveillance temporaire (volcans, failles géologiques...). Ce système convient pour des objets immobiles ou se déplaçant très lentement et trouve ses applications dans des disciplines comme la géophysique et la géodésie (Voir Autres applications géophysiques).

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