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Doris, le géomètre de l’espace

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Il y a 20 ans, le Cnes, l'Institut Géographique National et le Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale développaient Doris, un instrument destiné à mesurer avec une grande précision à la fois la trajectoire du satellite et sa localisation au sol. Peu connu du public, cet instrument est un véritable succès technique et scientifique, faisant de Doris un système de référence international au même titre que les techniques GPS, la télémétrie laser ou l'interférométrie à très longue base.

Doris sur le satellite CryoSat-2. Cet instrument fonctionne dans les deux sens et permet une orbitographie de précision mais aussi la détermination du géoïde terrestre. Crédits Esa / S. Corvaja

Doris est bien plus qu'un simple instrument. Il s'agit d'un système qui fonctionne un peu comme le GPS à la différence que les émetteurs sont au sol et le récepteur à bord du satellite. Une cinquantaine de balises, dont on connaît la position avec une très grande précision, sont utilisées comme points de référence à la surface de la Terre. Réparties aux quatre coins du globe, elles envoient en permanence des signaux radiofréquence vers les satellites équipés de récepteurs Doris.

Ces balises au sol émettent un signal daté à l'aide d'une horloge atomique. Le satellite reçoit et analyse simultanément les signaux de plusieurs balises. Connaissant la vitesse de propagation des ondes radio, il en déduit sa position par rapport à chacune d'elles et l'effet Doppler lui permet de déterminer sa vitesse. A l'inverse, le système permet également grâce à cet effet Doppler de localiser des points au sol avec la même précision.

Une carrière loin d’être terminée

Lorsque le Cnes le place à titre expérimental sur le satellite Spot-2 en janvier 1990, son antenne a tout de suite montré son potentiel pour des missions altimétriques de mesure des océans ou des glaces, et d'étude de la forme et des mouvements de la Terre. Il effectuera sa première mission opérationnelle sur Topex-Poséidon (1992-2006) et sera utilisé sur de nombreux autres satellites des filières Spot et Jason.

Doris (au premier plan, sur Jason-2) permet de déterminer l’orbite avec une précision de l’ordre du centimètre de n’importe quel satellite qu’il l’embarque. Le système est basé sur la mesure du décalage Doppler des signaux émis. © Cnes / Thales Alenia Space

Depuis ses débuts en 1992, le système a sans cesse été amélioré puisque, en ce qui concerne la partie réceptrice (sur le satellite) la masse et la consommation électrique ont été fortement diminuées et sa précision s'améliore au fur et à mesure du cumul de son exploitation par les différents satellites. Il continuera d'être utilisé dans le futur. Il est d'ailleurs utilisé sur le satellite CryoSat-2 qui sera lancé le 25 février 2010 pour une mission d'étude des glaces polaires et le sera sur la mission franco-chinoise d'océanographie HY-2A, la mission franco-indienne Sara/Altika et les satellites d'altimétrie Sentinelle-3, Jason-3 et SWOT.

Il faut savoir où sont les satellites

La position des satellites dans l'espace est un paramètre très important pas seulement pour des applications scientifiques ou de géo-localisations. La principale raison est qu'après le lancement d'un satellite, il faut pouvoir communiquer avec lui pendant toute la durée de sa vie. On se doute bien que les scientifiques ont besoin de connaître la position et l'orientation des satellites d'observation de la Terre pour savoir de quel point du globe ils sont en train de mesurer les paramètres.

On le sait moins, on a également besoin de connaître la position des satcom à tout moment car l'orbite géostationnaire est très encombrée et chaque satellite se voit attribuer une position très précise dont il ne doit pas s'écarter. Cela nécessite une surveillance en continu. Une autre raison est la nécessité, pour les liaisons radio, télévisées et téléphoniques, ascendantes comme descendantes, de garder les stations émettrices et réceptrices au sol dans le champ de leurs antennes. Ce qui n'est pas si facile. Rester dans l'axe d'un satellite de 5 mètres situé à 36.000 kilomètres revient à viser un objet de 5 millimètres placé à 36 kilomètres...

Doris n'est pas le seul moyen qu'utilise l'Europe pour connaître la position de ses satellites. Il existe d'autres systèmes basés sur l'utilisation de réflecteurs laser (à chaque orbite, on lance un rayon laser en direction du satellite. Ce rayon est renvoyé dans la direction incidente, ce qui permet de mesurer la distance. Les satellites embarquent parfois, également, des senseurs stellaires, sortes de caméras permettant la détermination, par reconnaissance des étoiles visibles, du positionnement et de l'orientation avec une très grande précision.

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