L'objectif principal de la méthode d'arcs courts consiste à obtenir, dans une région donnée, la plus grande exactitude possible sur la trajectoire des satellites. Dans le cadre des missions altimétriques, c'est la composante radiale de l'orbite du satellite qui nécessite d'être déterminée avec la plus grande exactitude : en effet, c'est la connaissance précise de l'altitude du satellite (proche de la distance radiale) qui permet d'utiliser pleinement les mesures altimétriques et d'accéder ainsi à la hauteur de la mer au-dessus d'une surface de référence (ellipsoïde). Cet effort d'exactitude en matière de trajectographie a été relié, dans un premier temps, à la calibration des altimètres du satellite TOPEX/Poseidon : une exactitude équivalente à la précision des altimètres (2-3 cm) est recherchée.
A ces fins, une méthode de trajectographie a été mise en place à Grasse [Bonnefond, 1990], à partir des travaux initiaux conduits aux GRGS/Toulouse [Biancale et Bergé, 1989]. L'amélioration locale de la trajectoire est ici entreprise de façon purement géométrique, en faisant certaines hypothèses sur le comportement de l'orbite à très court terme (quelques minutes). Cette méthode n'est certes pas nouvelle en géodésie spatiale [Sinclair, 1989 ; Hauck, 1988], mais c'est plutôt son cadre d'application qui est novateur. Il s'agit ici de mettre en place un processus automatique permettant d'améliorer l'orbite des satellites artificiels (dans une région donnée) à chaque fois que la configuration géométrique du satellite, vis-à-vis du réseau de stations de télémétrie LASER (Satellite LASER Ranging), le permet.
La difficulté essentielle dans le développement de cette méthode consiste à réunir à un instant donné une somme d'informations à caractère géodésique pour permettre ensuite d'effectuer les calculs géométriques. La recherche et la garantie d'une grande exactitude sur la position radiale d'un satellite artificiel de la Terre (à un instant donné) passe nécessairement par une excellente connaissance des paramètres utilisés et de leur influence sur la détermination de l'arc d'orbite court.
Dans un concept géométrique, le paramètre essentiel est la configuration de l'arc de trajectoire considéré ( Figure1 et Figure2). Cette notion regroupe à la fois le nombre des stations, leur répartition géographique par rapport au survol du satellite (donc par rapport à son altitude et à sa trace au sol), le nombre, la qualité et la répartition des mesures de télémétrie LASER disponibles, ainsi que le nombre et la nature des paramètres à déterminer (corrections d'orbite).
Fig. 1. Repère de référence pour la méthode d'arc courts.
Fig. 2. Dérivées partielles normalisées (des composantes R,T,N par rapport à la distance station-satellite) pour le passage de calibration de TOPEX/Poseidon à Lampédusa (Ndeg. 222) et pour deux stations de télémétrie LASER : Lampédusa (7544) proche de la trace du satellite ((a), à droite) et Helwan (7831) éloignée de la trace ((b), à gauche).
La mesure de distance station-satellite par télémétrie LASER a atteint aujourd'hui une grande précision (2 cm) et est calibrée (en externe ou en interne) à un niveau supérieur (probablement inférieur à 1 cm) [Degnan, 1993]. Aussi, en s'appuyant sur cette donnée essentielle, la méthode d'arcs courts peut apporter aujourd'hui, pour des passages largement observés, la qualité d'un positionnement radial de niveau centimétrique en absolu. L'exemple trivial du passage d'un satellite exactement à la verticale d'une station de télémétrie LASER permet de bien appréhender le principe de cette méthode : il y a dans ce cas précis un report quasi-direct de la qualité de l'observation de télémétrie LASER sur le calcul de la position radiale du satellite. Ce cas de figure a notamment permis d'établir le budget d'erreur.
Il est bien évident que ce cas idéal ne se rencontre pas souvent en pratique. Cependant, la méthode présentée ici permet d'évaluer, pour chaque cas rencontré, le facteur d'écart (en précision) par rapport au cas idéal ; ceci permet alors de déterminer un critère objectif qui permet de sélectionner les arcs dont l'ajustement garantit le niveau d'exactitude recherché. Cette sélection et les critères associés sont l'apport original de cette méthode.
A titre d'application, cette méthode a été utilisée pour la calibration des altimètres radar TOPEX (ALT, NASA) et Poseidon (SSALT, CNES) du satellite TOPEX/Poseidon lors des survols des deux sites de calibration (respectivement Harvest et Lampédusa) [Christensen et al.; Ménard et al.]. La prise en compte automatique de la géométrie des passages vis-à-vis des stations de télémétrie LASER, différente pour les deux sites, a permis d'obtenir des orbites de qualités équivalentes : l'analyse de la dispersion des biais altimétriques (~3 cm) et des différentes comparaisons d'orbite effectuées pendant cette période (~2 cm), montrent que la principale cause d'erreur dans la calibration ne provient sûrement plus du calcul d'orbite. Ce travail, en collaboration avec les équipe du CNES et du JPL (SOD/CNES, F. Nouel ; CALVAL, Y. Ménard et P. Vincent ; JPL/NASA, E.J. Christensen et B.J. Haines), avait d'ailleurs permis d'obtenir une première détermination du biais de l'altimètre Poseidon dés la fin de la campagne de calibration (SWT-TOPEX/Poseidon, JPL, Californie, Février 1993).
Cette méthode a aussi été appliquée en Méditerranée pour le calcul de surfaces moyennes et de la mise en évidence de l'évolution du niveau moyen.
Pricipale publication :
Bonnefond, P., P. Exertier, P. Schaeffer, S. Bruinsma, and F. Barlier, Satellite Altimetry From a Short-Arc Orbit Technique: Application to the Mediterranean, J. Geophys. Res., Vol. 100, C12, 25365-25382, 1995.
Références :
Christensen, E.J., B.J. Haines, S.J. Keihm, C.S. Morris, R.A. Norman, G.H. Purcell, B.G. Williams, B.C. Wilson, G.H. Born, M.E. Parke, S.K. Gill, S.K. Shum, B.D. Tapley, R. Kolenkiewicz and R.S. Nerem, Calibration of TOPEX/POSEIDON at Platform Harvest, J. Geophys. Res. (Oceans), TOPEX/Poseidon Special Issue, Vol. 99, No. C12, Pages 24,465-24,485, 1994.
Degnan, J.J., Millimeter Accuracy Satellite Laser Ranging: A Review, Contribution of Space Geodesy to Geodynamics: Technology, Geodynamics series, 25, pp 133-162, 1993.
Biancale, R., et M. Bergé, Evaluation des potentialités de la méthode des arcs courts, rapport interne du GRGS/Toulouse, 1989.
Bonnefond, P., Modélisation des Erreurs de Trajectographie pour l'Étude de la Calibration d'Altimètres Radar en Méditerranée, mémoire de soutenance, diplôme d'ingénieur de l'École Nationale des Arts et Industrie de Strasbourg, 24 Octobre, 1990.
Hauck, H., A Short-arc Technique With Orbit Control, Manuscripta Geodaetica, 13, 319-322, 1988.
Ménard, Y., E. Jeansou, and P. Vincent, Calibration of the TOPEX/POSEIDON Altimeters Additional Results at Harvest, J. Geophys. Res. (Oceans), TOPEX/Poseidon Special Issue, Vol. 99, No. C12, Pages 24,487-24,504, 1994.
Sinclair, A.T., The Determination of Orbit Correction by Short-arc Technique, With Application to ERS-1,Manuscripta Geodaetica, 14, 238-246, 1989.
Retour à
la page d'accueil