Vue d'artiste d'un satellite Sentinel 6 d'altimétrie spatiale. © ESA, P. Carril

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Copernicus : les prochains satellites Sentinel surveilleront mieux la Terre

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Démarré il y a quatre ans avec Sentinel 1A, le programme Copernicus est déjà considéré comme une grande réussite, notamment grâce à son principe d'accès libre aux données. Aujourd'hui, l'ESA et la Commission européenne réfléchissent à de nouvelles missions, pour améliorer les services et compléter ces familles de satellites surveillant notre environnement. Yvan Baillion, responsable des affaires futures dans les domaines de la science, de l'observation de la Terre et du Système solaire chez Thales Alenia Space (qui réalise les satellites Sentinel 1 et 3), nous explique les pistes suivies.

Copernicus, le programme d'observation de la Terre de l'Union européenne, fête ses 20 ans et reste unique au monde. Il est né sous le nom de GMES, à Baveno en Italie, lors d'une conférence tenue en mai 1998. Il a été décidé de doter l'Europe d'un accès continu, indépendant et fiable aux données d'observation de la Terre afin de disposer d'une vue globale de l'état de notre planète pour des applications environnementales, au bénéfice des politiques environnementales et pour la sécurité des citoyens.

Copernicus n'est pas seulement utile aux scientifiques pour les aider à mieux comprendre le fonctionnement et l'avenir de la machine climatique. L'accès libre et gratuit aux données des satellites du programme a aussi ouvert une nouvelle ère. En rendant la grande majorité de ses données (analyses, prévisions et cartes) gratuitement disponibles, Copernicus contribue au développement de nouvelles applications innovantes et de services répondant aux besoins de groupes spécifiques d'utilisateurs. Ceux-ci couvrent une variété d'activités économiques, culturelles, ou récréatives.

Les dégâts de l’ouragan Matthew à Haïti : un exemple de carte produite par le service de cartographie d’urgence du programme européen Copernicus. © Commission européenne

Aujourd'hui, la composante spatiale de Copernicus compte six familles de satellites et instruments, dont les deux premiers satellites des familles 1, 2 et 3 sont déjà en orbite, ainsi que le précurseur de Sentinel-5 et des missions contributives.

  • Sentinel 1 : famille de satellites chargée des observations radar de jour et de nuit des terres émergées et des océans ;
  • Sentinel 2 : famille de satellites chargée de l'observation optique de moyenne résolution des terres émergées ;
  • Sentinel 3 : famille de satellites chargée de l'observation des océans et des surfaces terrestres par optique multispectrale, infrarouge et altimétrie ;
  • Sentinel 4 : un instrument embarqué à bord de Météosat de troisième génération. Un spectromètre UV chargé de l'étude de la pollution atmosphérique depuis l'orbite géostationnaire ;
  • Sentinel 5 : l'instrument Tropomi chargé de l'étude de la chimie de l'atmosphère depuis l'orbite basse. Embarqué à bord du satellite Metop NG. Un précurseur sur un satellite dédié (Sentinel-5p) a été lancé l'an dernier ;
  • Sentinel 6 : famille de satellites altimétriques de référence chargée de suivre quotidiennement l'élévation du niveau des mers et océans. Relais des satellites Jason.

L'Agence spatiale européenne, responsable de la composante spatiale de Copernicus, et la Commission européenne qui finance, réfléchissent à une extension de ces familles et même à une augmentation de leur nombre. Dans ce contexte, « six nouvelles familles de satellites sont à l'étude », nous explique Yvan Baillion, responsable des affaires futures dans les domaines de la science, de l'observation de la Terre et du Système solaire chez Thales Alenia Space. L'ESA et l'UE devront « prioriser leur choix et étaler dans le temps la mise en service de ces nouvelles capacités ». D'abord parce que la Commission européenne « ne pourra probablement pas financer en même temps ces six nouvelles missions ». D'autre part, le déploiement de ces futurs satellites devra tenir compte de « la mise en place de la préférence européenne dans le domaine de l'accès à l'espace », laquelle garantit que les institutions européennes confieront à Arianespace un certain nombre de lancements annuels pour Ariane et Vega. De ce fait, « tous ne pourront évidemment pas être lancés en même temps ».

Les futures missions possibles

Le choix des missions retenues « devrait être annoncé à l'été 2019 », avant la conférence ministérielle de l'Agence spatiale européenne de fin 2019 en vue « d'un premier lancement à partir de 2025 ».

Les missions envisagées sont les suivantes :

  • Une mission de surveillance du dioxyde de carbone produit par l'activité humaine ;
  • Une mission Land and Vegetation en complément de Sentinel 2. Cette mission disposerait d'un canal d'observation dans l'infrarouge thermique, ce qui permettrait de suivre le bilan hydrique des cultures ;
  • Une mission pour prendre la suite de CryoSat. PICE (Polar ICE and snow topography) réaliserait des mesures de l'épaisseur de la glace et de la hauteur de la neige qui la recouvre. À la différence de CryoSat, PICE disposera en effet d'une bande de fréquences supplémentaire pour différencier la neige de la glace ;
  • Une mission d'observation hyper-spectrale en extension de Sentinel 2 avec plus de 200 bandes spectrales, contre une dizaine aujourd'hui. Avec un nombre aussi élevé de bandes, l'information devient plus riche et permet de nouvelles applications comme la détection de maladies dans les plantes. Ce capteur hyper-spectral fournit également des informations précises sur le sol et même sur le type de roches ;
  • Une mission micro-ondes avec un instrument imageur micro-ondes passif servant à détecter les concentrations de glace de mer et à déterminer de façon grossière la température de surface des océans. La mesure de la température de l'eau, actuellement prise sur un kilomètre avec une précision de 0,2° avec Sentinel-3 sera étendue à des spots de 10 km avec une précision légèrement moindre (0,5°) mais exploitable même en cas de couverture nuageuse, ce qui n'est pas le cas avec Sentinel-3. Ensemble, la température de l'eau et la mesure de la concentration des glaces de mer permettent de tracer des routes sûres pour les navires ;
  • Autre besoin, une mission radar spécifique en bande L complémentaire de Sentinel 1 qui utilise un radar à synthèse d'ouverture. Avec la bande L en complément de la bande C utilisé sur Sentinel-1, on pourra mieux interpréter les différents échos, en distinguant plus clairement la neige de la glace ou en ayant une mesure de l'humidité des sols.

Initialement, lorsque les familles Sentinel sont annoncées, l'ESA et l'UE décident de les doter chacune de quatre satellites et instruments pour garantir la continuité des données, jusqu'en 2030. Cette continuité est « un des principaux atouts de Copernicus ». Il faut comprendre qu'une rupture dans la continuité et la disponibilité des données « crée pour les scientifiques des incertitudes qui nuisent aux résultats et pénalisent fortement les modèles de prédiction du changement climatique ». Par ailleurs, les utilisateurs des données de Copernicus ont fait savoir qu'ils ne souhaitent pas que les méthodes soient bousculées car les produits et services s'appuient sur les données actuelles et les chaînes de traitement sont complexes et coûteuses à développer.

Garantir la continuité des données

Aujourd'hui, au-delà de cet horizon de 2030, « cette continuité n'est pas encore garantie » et il est temps d'engager une réflexion sur « la génération suivante des satellites des familles 1, 2 et 3 ». Le retour d'expérience des communautés scientifiques et des utilisateurs de Copernicus a « mis en avant un certain nombre de besoins qu'étudient l'ESA et l'UE » avec comme priorité « la garantie de la continuité des données et des fréquences de revisite quotidienne, voire horaire pour certains services ». Le calendrier sera probablement discuté lors de la prochaine ministérielle de l'ESA en 2019 avec un début du développement possible en 2022 et les premiers lancement dès 2028.

  • Sentinel 1 : augmentation du temps de la revisite avec une plus grande couverture, ce qui peut être réalisé par différentes méthodes, comme augmenter le temps de fonctionnement du radar (aujourd'hui, il ne fonctionne pas en permanence sur l'orbite) ou ajouter des satellites. L'ajout de la bande L fait aussi partie des extensions possibles de cette mission ;
  • Sentinel 2 : l'idée est également d'améliorer la revisite de façon à fournir des données encore plus régulièrement. Aujourd'hui, les satellites Sentinel 2 survolent chaque point du Globe tous les 5 jours, ce qui est jugé insuffisant par les utilisateurs, qui souhaiteraient plutôt tous les 3 jours (c'est la demande la plus importante). Autre demande récurrente : améliorer la résolution spatiale, qui est de 10 mètres aujourd'hui ;
  • Sentinel 3 : le scénario à l'étude est de scinder la mission en deux satellites distincts, l'un avec la mission optique (couleur de l'eau et température de surface) et l'autre avec la mission micro-onde/altimétrie. L'idée est d'éviter les compromis qui ont été faits avec la première génération de satellites pour une question d'optimisation des coûts en mettant les deux missions sur le même satellite. Avec le recul, on se rend compte que les missions de Sentinel 3 ne répondent pas parfaitement à tous les besoins du fait de ce compromis. L'intérêt pour la mission de la couleur d’eau va grandissant. Un taux de revisite de seulement une heure est demandé par certains utilisateurs. Cela nécessiterait un satellite en orbite géostationnaire.

Enfin, dernière piste de réflexion, les missions contributives ou l'achat de données à des prestataires privés. Actuellement, l'ESA « recense les missions qui pourraient contribuer à Copernicus » en listant les avantages et les inconvénients comme « la perte de l'indépendance de l'accès à la donnée et le risque élevé de rupture de la continuité des données ». Typiquement, ces missions sont des satellites d'observation de la Terre développés pour d'autres objectifs mais qui sont susceptibles d'apporter une contribution utile à Copernicus. On peut citer en exemple des missions nationales comme SWOT, Merlin et Microcarb, commerciales comme Planet ou Radarsat, et des missions d'organismes publics comme Eumetsat ou la NOAA par exemple.

Pour en savoir plus

Avec Copernicus, l'Europe veut surveiller la Terre

Article de Rémy Decourt publié le 6 janvier 2014

Avec Copernicus, l'Union européenne mise sur la continuité des données afin d'aider les scientifiques à mieux comprendre le fonctionnement et l'avenir de la machine climatique. Il s'agit également d'éclairer les décideurs politiques sur la réalité du changement climatique, pour mieux l'anticiper et s'y adapter.

Voilà quelques semaines, la Commission européenne a adopté son budget pour la période 2014-2020 et voté le financement du programme Copernicus, nouvelle dénomination du programme européen d'observation de la Terre GMES (surveillance mondiale pour l'environnement et la sécurité). Après plusieurs années d'incertitudes et d'atermoiements, ce système européen d'observation de la Terre s'est vu allouer un budget de 3,79 milliards d'euros.

Cet ambitieux programme a pour objectif de doter l'Europe d'un accès continu, indépendant et fiable aux données dans les domaines de l'environnement et de la sécurité, à savoir la surveillance du milieu marin, de l'atmosphère, des terres et du changement climatique, ainsi que l'appui aux interventions d'urgence et la sécurité. Copernicus exploitera des données provenant de capteurs in situ, comme des bouées, des ballons ou des sondes atmosphériques, mais aussi de satellites. On y reviendra.

Carte mondiale du couvert végétal réalisée à partir des données de l'instrument Meris d'Envisat. Le programme Copernicus doit assurer la continuité dans le relevé des données scientifiques, notamment dans le domaine environnemental. © Esa

Service d’observation de la Terre dans la durée

Un des principaux atouts de ce programme est qu'il tient compte des besoins des utilisateurs en offrant des services opérationnels dans tous les domaines cités ci-dessus, mais surtout qu'il s'inscrit dans la durée, voire ad vitam æternam. En d'autres termes, avec ce programme, l'Union européenne veut corriger une des faiblesses des programmes d'observation de la Terre qui ne s'inscrivent pas dans la durée, à l'exception des satellites météorologiques d'Eumetsat. En effet, les données fournies au moyen des services existants soit ne couvrent pas l'ensemble des paramètres climatiques, soit ne sont pas fournies sur une base continue et durable, notamment parce que la durée de vie du service ou de l'infrastructure d'observation est limitée en raison de contraintes budgétaires ou techniques.

Il faut comprendre qu'une rupture dans la continuité et la disponibilité des données crée pour les scientifiques des incertitudes qui nuisent aux résultats et pénalisent fortement les modèles de prédiction du changement climatique. L'exemple le plus récent est la perte du satellite Envisat de l'Esa, survenue au printemps 2012. La rupture dans la fourniture des données qui en a résulté a mis en danger la continuité de services opérationnels alimentés gratuitement par les observations d'Envisat. On citera par exemple les services d'alerte Polar View de suivi des icebergs, glaciers et banquises, ou encore les services de l'Agence européenne pour la sécurité maritime (AESM, suivi des pollutions marines, du trafic maritime, etc.).

Sentinel 1A, le premier satellite de la composante spatiale de Copernicus, en avril 2014 par Arianespace. © Rémy Decourt

La composante spatiale de Copernicus

Pour y parvenir, le programme Copernicus inclut donc une composante spatiale qui s'appuie sur cinq familles de satellites et instruments comptant chacune quatre membres. En termes plus simples, Copernicus est prévu pour durer les 40 prochaines années et couvrir un champ très large des besoins scientifiques. Dans le détail, on compte trois familles de satellites (Sentinel 1, 2 et 3) et deux d'instruments (Sentinel 4 et 5) embarqués sur des satellites d'Eumetsat, Météosat de troisième génération pour Sentinel 4 et Metop de deuxième génération pour Sentinel 5.

La composante spatiale de Copernicus. De gauche à droite et de haut en bas, les satellites Sentinel 1, 2 et 3 et les deux instruments embarqués sur Météosat de troisième génération (Sentinel 4) et Metop de deuxième génération (Sentinel 5). © Esa

Sentinel 1 assurera la continuité des mesures radars SAR recueillies par les satellites ERS et Envisat. Sentinel 2 sera un satellite optique conçu pour des observations en mode spectral. Sentinel 3 se consacrera à la surveillance de la Terre et à l'océanographie opérationnelle. Sentinel 4 sera dédié à l'étude de la pollution atmosphérique en orbite géostationnaire. Quant à Sentinel 5, il est destiné à l'étude de la chimie atmosphérique en orbite basse.

Financement des satellites C et D des Sentinel dans le flou

Au niveau industriel, l'Agence spatiale européenne, qui met en œuvre Copernicus, a confié à Thales Alenia Space la maîtrise d'œuvre des satellites des familles Sentinel 1 et 3, et Airbus Défense et Espace (anciennement Astrium) s'est vu confié celles de Sentinel 2 et des deux instruments Sentinel 4 et 5 dédiés à l'atmosphère.

Seule incertitude, malgré la nécessité de garantir la continuité des données, le financement des satellites C et D des Sentinel, bien qu'il semble acquis, n'est toujours pas sécurisé. Or, l'industrie tire la sonnette d'alarme. S'il ne fait guère de doute que ces deux séries de satellites se feront, donner le feu vert trop loin dans le temps risque d'augmenter le coût de ces satellites en créant une rupture dans la chaîne de fabrication des modèles A, B, C et D de chaque famille Sentinel.

Sentinel 1A sera le premier satellite à être lancé. Son lancement, par un lanceur Soyouz depuis Kourou est prévu le 3 avril 2014 (23 h 02 mn 26 s, heure de Paris). Il sera suivi de Sentinel 3A et 2A dans le courant de l'année 2015 par deux lanceurs Rockot depuis le cosmodrome de Plessetsk, dans le nord de la Russie.

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