L'expérience TIPO (Télémétrie Inter-Planétaire Optique) est un projet de télémétrie par laser une voie (aller simple), expérience nouvelle qui ne connaît pas de projet directement concurrent.

Le principe de l'expérience Tipo est basé sur l'émission d'impulsions lumineuses depuis la Terre par une station de télémétrie laser, en direction du satellite. Ces impulsions sont datées au sol et à bord du satellite, respectivement dans le référentiel de l'horloge terrestre et dans celui de l'horloge embarquée. On tire de ces dates une information de variation du temps de propagation des impulsions lumineuses entre l'orbiteur et la Terre. Ce temps de propagation est lié à la distance, à l'indice de réfraction du milieu traversé et au champ de gravité. Le temps de propagation, ou la distance séparant le véhicule spatial de la Terre, sont donc déduits de la différence entre les dates de départs et d'arrivée des impulsions lumineuses.

La technique de télémétrie laser une voie proposée ici est donc prédisposée à réaliser des mesures jusqu'à plusieurs milliards de kilomètres sans impliquer un équipement difficile, tant au sol que dans l'espace. Les performances sont très liées à celles des horloges utilisées et les progrès menés ces dernières années dans ce domaine rendent cette technique de télémétrie optique une voie très attrayante. Dans un avenir proche, on s'attend à disposer d'horloges spatiales ayant des exactitudes relatives en fréquence de 10-16 et donc à atteindre des exactitudes en distance absolue métriques et des exactitudes en distance relative sub-centimétriques sur plusieurs jours d'intégration.

Cette télémétrie optique une voie permet d'envisager des mesures de distances à l'échelle du système solaire (jusqu'à plusieurs milliards de kilomètres) car le bilan de liaison sur l'aller simple ne varie qu'à la puissance 2 de la distance à comparer à 4 pour la télémétrie usuelle 2 voies (aller-retour). L'équipement spatial, constitué d'une horloge, d'un dateur, et d'un bloc optique de réception, est implémenté à bord de l'orbiteur martien.

Le projet a été proposé en réponse à "l'Annoncement of Oportunity for scientific payloads on board the CNES Mars 2007 Orbiter".

Objectifs

TIPO a été proposé dans le cadre du programme de retour d'échantillon Martien : projet Premier du CNES-NASA. Le programme Martien a été stoppé.Les objectifs TIPO sont décrits ici, dans ce cadre là et sont les suivants :

-- Mise à disposition d'un moyen complémentaire de navigation de l'orbiteur

L'expérience Tipo est capable de fournir une information sur les variations de distance radiale avec une précision centimétrique sur le court terme et de donner un positionnement dans le plan perpendiculaire à l'axe de visée avec une exactitude de 300 m à une distance de 10.exp(8) Km (soit 3.10.exp(-9) rad). Cette télémétrie optique une voie peut être obtenue aussi bien durant la phase de croisière de la sonde que pendant la phase en orbite martienne. Une quarantaine de stations laser dans le monde pourraient potentiellement participer à ce projet. Cette large couverture au sol contrebalance le fait que l'expérience, tout comme la télémétrie laser classique, est tributaire des conditions météorologiques. Le projet est basé sur des principes de fonctionnement différents de la télémétrie micro-onde s'appuyant sur le "Deep Space Network" et améliore donc le niveau de confiance global des moyens de navigation. Il pourra être envisagé dans le futur de résoudre en temps réel la position de l'orbiteur à la réception des impulsions lumineuses après un seul délai de propagation Terre-orbiteur martien. Pour ce fait, les dates de départ des impulsions seront transmises simultanément avec les impulsions laser. Cette information serait nominalement transférée par lien micro-onde mais pourrait également, pour une stratégie d'autonomie, être transmise directement par des codes temporels appliqués sur les impulsions lumineuses.

-- Orbitographie de la planète Mars, étude du champ de gravité local et global martien

L'analyse du champ de gravité martien est divisée en deux parties. La première porte sur l'analyse aux petites longueurs d'onde pour l'étude des mascons, des volcans..., et la seconde sur l'analyse à l'échelle de la planète, en particulier pour la détermination de la masse de Mars, le freinage atmosphérique...

L'oscillateur au Rubidium permet d'envisager les deux analyses alors que l'oscillateur à Quartz ne peut autoriser que la première sur des longueurs d'onde spatiales n'excédant pas 1000 Km. A comparer à la télémétrie laser terrestre, les précisions mises en jeux sur le court terme sont similaires (centimétrique) mais la couverture est très différente: elle est locale, mais répartie en plusieurs lieux disposés plus ou moins uniformément autour du globe pour la télémétrie laser terrestre, et très globale (suivi complet de l'orbiteur entre les occultations) pour la télémétrie Tipo. Cette analyse du champ de gravité ne peut se faire que lorsque la normale du plan de l'orbite du véhicule martien n'est pas pointée en direction de la Terre.

-- Etude du milieu interplanétaire

L'éloignement important entre les porteuses micro-ondes utilisées pour la navigation et la porteuse optique de Tipo permet d'améliorer la mesure du contenu électronique (TEC) le long du trajet Terre-Mars. La mesure est une mesure différentielle du temps de propagation des signaux en bandes X et/ou S et des impulsions optiques. La stabilité de l'oscillateur spatial n'est mise à l'épreuve que sur le très court terme et la sensibilité de la mesure ne dépend pas du choix de l'oscillateur entre le rubidium et le Quartz.

-- Etude de la propagation des ondes électromagnétiques

-- Mesure du paramètre Gamma de la relativité générale

Ce paramètre est déduit de la variation du temps de propagation des ondes électromagnétiques générée par la modification du champ de gravité le long de la traversée (délai Shapiro). Le champ de gravité en question est principalement le champ de gravité solaire et la variation du champ est engendrée par le déplacement relatif du faisceau laser par rapport au Soleil tout au long de la course des planètes Terre et Mars. Le délai Shapiro est maximal lorsque la distance entre le faisceau laser et le centre du Soleil est minimale (1 rayon solaire) et vaut alors environ 120 µs (soit 36 Km en distance). La sensibilité de la mesure est maximale lorsque la dérivée du délai Shapiro est maximale, c'est à dire pendant les phases de conjonction de Mars avec le Soleil. Une conjonction solaire avec Mars, à 2 rayons solaires, aura lieu en décembre 2008 et une autre, plus éloignée, en 2010. Une première estimation du bilan d'erreur permet d'envisager une amélioration de près de 2 ordres de grandeur sur ce paramètre Gamma en utilisant l'oscillateur au rubidium. Bien que l'oscillateur à quartz ne soit pas suffisamment stable sur le moyen terme pour apporter une amélioration sur la connaissance de Gamma, il permettrait de valider le concept de la mesure et l'analyse des bruits.

Délai Shapiro: le paramètre est déduit de la variation du temps de propagation des impulsions lumineuses générée par la modification du champ de gravité le long de la traversée

-- Mesure des atmosphères martienne et solaire

Pendant les phases d'occultation de l'orbiteur par la planète Mars, le faisceau laser travers l'atmosphère martienne ce qui engendre une modification du temps de propagation du faisceau entre la Terre et la sonde martienne. Les délais mis en jeux atteignent quelques nanosecondes lorsque la distance du faisceau par rapport à la surface de la planète s'annule. La durée de la mesure est de l'ordre de quelques dizaines de secondes. En s'appuyant sur l'orbite de l'orbiteur pendant cette phase de mesure, l'analyse de la modification du temps de propagation permet d'extraire certains paramètres de l'atmosphère martien. Parce que les durées d'analyses sont courtes (quelques dizaines de secondes), les performances de ce sondage atmosphérique sont les mêmes quel que soit l'oscillateur. Ce sondage laser peut également être appliqué lors des phases de conjonction solaire pour l'analyse du milieu proche du Soleil.

-- Validation de la télémétrie interplanétaire optique, expériences futures

Cette expérience est une première dans le monde et est très novatrice. Le savoir-faire acquis en France, dans le domaine de la télémétrie par laser, des horloges spatiales (PHARAO), et du transfert de temps optique (T2L2), nous place dans une position de leader pour ce type de projet spatial. Les progrès spectaculaires réalisés dans le domaine des horloges ces dernières années et les progrès futurs attendus laissent envisager que cette télémétrie optique une voie pourrait devenir une méthode de mesure directe de premier ordre dans le système solaire. Des horloges spatiales (actuellement en développement) ayant des exactitudes en fréquence relative de 10-16 et mieux permettront une télémétrie exacte sub-métrique et différentielle millimétrique sur plusieurs jours d'intégration donnant accès à de nombreuses expériences scientifiques à l'échelle du système solaire comme par exemple :

• Principe d'équivalence
• effet Einstein
• Mesure de Gamma au niveau de 10.exp(-7)
• Détermination de masses de planètes, d'astéroïdes
• Navigation
• ...

Principe

L'expérience TIPO (Télémétrie Inter-Planétaire Optique) est un projet de télémétrie par laser une voie (aller simple), expérience nouvelle qui ne connaît pas de projet directement concurrent.

Le principe de l'expérience Tipo est basé sur l'émission d'impulsions lumineuses depuis la Terre par une station de télémétrie laser, en direction du véhicule martien. Ces impulsions sont datées au sol et à bord du véhicule, respectivement dans le référentiel de l'horloge terrestre et dans celui de l'horloge embarquée. On tire de ces dates une information de variation du temps de propagation des impulsions lumineuses entre l'orbiteur et la Terre. Ce temps de propagation est lié à la distance, à l'indice de réfraction du milieu traversé et au champ de gravité. Le temps de propagation, ou la distance séparant le véhicule spatial de la Terre, sont donc déduits de la différence entre les dates de départs et d'arrivée des impulsions lumineuses.

Principe de TIPO : La distance entre la Terre et le véhicule spatial est déduite de la différence entre les dates de départ et d'arrivée d'une impulsion lumineuse.

Les dates enregistrées à bord de l'orbiteur sont téléchargées vers la Terre par les moyens de communication usuels de l'orbiteur. Le flux de données est de l'ordre de 100 octets par seconde. La position est calculée à posteriori, après unification des dates sol et espace. Une résolution directe du positionnement, en temps réel à bord de l'orbiteur, est toutefois possible si l'information des dates de départ est transmise simultanément aux impulsions lumineuses. Les impulsions sont émises avec des codes temporels pseudo-aléatoires de façon à ce que les dates enregistrées à bord de l'orbiteur en provenance simultanée de plusieurs stations laser puissent être attribuées à la station émettrice. Des observations menées en réseau à l'aide de plusieurs stations de télémétrie par laser permettront de mesurer la position angulaire du véhicule et donc et positionner le véhicule dans le plan perpendiculaire à l'axe de visé par résolution de la géométrie du système, avec une exactitude de 200 m pour une distance de 100 Millions de kilomètres.

Cette télémétrie optique une voie permet d'envisager des mesures de distances à l'échelle du système solaire (jusqu'à plusieurs milliards de kilomètres) car le bilan de liaison sur l'aller simple ne varie qu'à la puissance 2 de la distance à comparer à 4 pour la télémétrie usuelle 2 voies (aller-retour). L'équipement spatial, constitué d'une horloge, d'un dateur, et d'un bloc optique de réception, est implémenté à bord de l'orbiteur martien.

La technique de télémétrie laser une voie proposée ici est donc prédisposée à réaliser des mesures jusqu'à plusieurs milliards de kilomètres sans impliquer un équipement difficile, tant au sol que dans l'espace. Les performances sont très liées à celles des horloges utilisées et les progrès menés ces dernières années dans ce domaine rendent cette technique de télémétrie optique une voie très attrayante. Dans un avenir proche, on s'attend à disposer d'horloges spatiales ayant des exactitudes relatives en fréquence de 10-16 et donc à atteindre des exactitudes en distance absolue métriques et des exactitudes en distance relative sub-centimétriques sur plusieurs jours d'intégration.

Instrument Sol

On dispose d'une station laser au sol capable d'émettre des impulsions de très courte durée et de les dater dans le référentiel de l'horloge sol.

Le segment sol est donc une station de télémétrie par laser mais légèrement modifiée pour opérer en émission uniquement.

Synoptique de l'instrument Sol

Pour satisfaire les besoins de filtrage temporel à bord de l’orbiteur, les tirs laser sont émis avec une relation de phase imposée par rapport à l’horloge sol (code temporel pseudo-aléatoire). Cette spécificité est propre à ce projet et n’est pas employée en télémétrie par laser usuelle.

-- Laser à impulsions

La cadence nominale des tirs laser est de 10 Hz. La longueur d’onde est celle du laser Nd : YAG (1064 nm) doublé en fréquence, c’est à dire 532 nm (vert).

-- Téléscope

Il permet d’envoyer l’énergie lumineuse en direction du véhicule.

-- Horloge

Elle fournit le signal de référence pour la datation de départ.
Tout comme l'horloge spatiale, deux options sont envisagées :
- un oscillateur au rubidium Perkin Elmer ayant les performances de stabilité mesurées en racine de TVar (variance d’Allan modifiée en version temporelle) dans des conditions où la température fluctue de +/– 2.5 °K :

- un oscillateur à quartz OUS ONG (C-MAC) ayant les performances :

La caractéristique de stabilité de l’oscillateur au rubidium peut être maintenue à jusqu’à t ~ 1 jour, à condition de soustraire la dérive en fréquence de l’oscillateur. Cette soustraction n’est possible que si l’on dispose d’un suivi à long terme de l’oscillateur. La performance de stabilité sur la journée, combinée à cette télémétrie métrique, permet d’obtenir au final l’équivalent d’un oscillateur ayant une exactitude en fréquence relative de 10-14.

Instrument Spatial

A bord du véhicule spatial se trouve un équipement capable de détecter ces impulsions et de les dater dans le référentiel de l'horloge de l’orbiteur. Le temps de propagation de l'impulsion laser est déduit de la différence entre les dates de départ au sol et d'arrivée à bord du véhicule spatial.

Synoptique de l'instrument spatial

L’instrumentation spatiale est constituée d’un bloc électronique relié à un bloc optique de réception des impulsions par une liaison coaxiale.

-- Le bloc électronique

Il est situé dans l’orbiteur. Ce bloc regroupe la datation numérique, le vernier, l’horloge, le filtrage temporel, la synthèse de fréquence, le calculateur et le convertisseur. Il est divisé en trois éléments :

• L'horloge
- Rubidium : 220 x 155 x 120 mm3, masse : 6 kg, consommation : 22 Watts ou
- Quartz : 100 x 100 x 100 mm3, masse : 1 kg, consommation : 5 Watts

• La chronométrie : 220 x 155 x 20 mm3, masse : 2 kg, consommation : 8 Watts
• Le convertisseur : 220 x 155 x 20 mm3, masse : 1 kg, consommation : 4 Watts

-- Le bloc optique

Le télescope, le filtrage spectral et la photo-détection linéaire constituent le bloc optique. Il est fixé sur une des faces externes de l’orbiteur. Le champ de vue nécessaire à bord de l’orbiteur est de 1° et est centré sur l’axe optique du télescope. Pendant les phases d’observation, le télescope est pointé en direction de la Terre avec une exactitude de 0.2°. Le télescope étant fixé sur la structure de l'orbiteur, l’attitude de ce dernier est contrôlée pour satisfaire le pointé en direction de la Terre. Le calcul du bilan de liaison conduit à un rapport signal sur bruit compris entre 0,8 et 5, en fonction de la distance entre la Terre et l’orbiteur. La densité d’énergie reçue est de quelques dizaines de photons par m² et par impulsion laser. Ces valeurs du rapport signal sur bruit imposent la mise en place d’un système de filtrage temporel. Le rapport signal sur bruit de la liaison implique une optique spatiale de réception de 100 mm d’ouverture pointée en direction de la Terre avec une exactitude de 0,2°. Ce bloc optique se présente sous la forme d’un cylindre de 110 mm de diamètre et de 150 mm de long et pèse 2 kg.

-- Volume, poids, consommation de l'instrument spatial

Les ressources en terme de masse, de volume et de consommation électrique dépendent de l’oscillateur choisi, à savoir : rubidium ou quartz.
- Horloge à Rubidium : Le poids global de l'instrument spatial est d'environ 11 Kg, la consommation globale est de 30 W, et le volume de 8 litres.
- Horloge à Quartz : Le poids global de l'instrument saptial dans cette configuration est d'approximativement de 6 Kg, la consommation glogale est de 17 W, et le volume de 5 litres.

Coopérations scientifiques et projets proches

- Industriel Perking Elmer : pour les Horloges atomiques

- Coopération internationale: projet ASTROD
Une coopération avec the National Tsing Hua University est envisagée. Le concept d’ASTROD représente 3 sondes en orbite autour du soleil équipées d’un transpondeur optique.
Les objectifs scientifiques :
· Détection des ondes gravitationnelles.
· Astro dynamique.
· Physique fondamentale.

- Coopération avec l'équipe JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA: Projet LATOR
L’expérience, appelée Test de la Relativité par Astrométrie Laser (LATOR), consisterait à regarder la façon dont la gravité du Soleil dévie la course de rayons laser émis par les deux mini satellites. La gravité dévie les rayons lumineux car elle déforme l’espace au travers duquel la lumière passe. Une analogie fréquemment utilisée pour expliquer cette déformation de l’espace-temps consiste à considérer l’espace comme un matelas de mousse qui se déforme localement sous le poids des objets qui s’y trouvent. Ces creux dans le « matelas » amènent tout objet (même une particule de lumière sans masse) frôlant les bords du « creux » à dévier légèrement de sa course. LATOR va renouveler cette même expérience avec une précision 1 milliard de fois supérieure à celle d’Eddington, et 30 000 fois meilleure que la plus précise mesure jamais faite jusqu’alors (à l’aide des signaux envoyés par la sonde Cassini lors de son voyage vers Saturne).

- Réseaux de stations laser internationales: station laser
On dispose de 2 stations laser en France (MéO, laser ultra-mobile) qui seraient toutes deux capables de participer à ce projet de télémétrie interplanétaire optique. De plus, la communauté française a en charge le fonctionnement d'une station laser de la NASA à Tahiti, dans le cadre d'une convention CNES-NASA. Il y a dans le monde une quarantaie de stations laser qui représentent un potentiel très important. Bien que les techniques optiques ne soient pas tout le temps, ce réseau mondial est la garantie d'un flux continu de mesures en mode opérationnel.