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Les futures missions altimétriques

Dossier - Découvrir l'altimétrie
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L'altimétrie spatiale est une technique permettant de mesurer des hauteurs par satellite. Elle utilise le temps mis par un faisceau radar pour faire l'aller-retour satellite-surface.

  
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L'altimétrie a, en grande partie grâce à Topex/Poséidon, démontré son utilité et sa capacité à s'intégrer dans les modèles les plus divers. Son futur, au-delà de la pérennité des missions actuelles, passe par des solutions permettant une meilleure couverture spatiale et temporelle, afin, en particulier, d'étudier de façon plus suivie les turbulences méso-échelles.

À moyen terme, sont aujourd'hui évoquées des missions altimétriques qui pourront "balayer" la surface océanique et en fournir une description à des échelles de quelques dizaines de kilomètres, avec une fréquence de passages de quelques jours au-dessus du même point. On étudie également des constellations de micro-satellites dédiés, de faible coût (AltiKa, Wittex). En particulier, Jason-2, embarquera à son bord (en plus d'un instrument de référence Poséidon, Poséidon-3) un instrument expérimental, WSOA, interféromètre altimétrique : des bras, portant des antennes altimètres permettraient d'obtenir simultanément plusieurs mesures qui, seules ou combinées, fourniraient de façon continue une couverture spatiale très étendue (200 km de fauchée). Le satellite d'observation des glaces de l'Esa Cryosat fonctionne également sur ce principe. La succession d'Envisat est pour l'instant à l'étude. À plus long terme, l'objectif est de pouvoir suivre les variations océaniques assez rapides (moins de 10 jours) à une échelle inférieure à la centaine de kilomètres.

Au-delà de 2010, les solutions "classiques" sont toujours envisagées pour des missions opérationnelles. C'est ainsi que la Noaa et le Département de la Défense des États-Unis envisagent de lancer une mission altimétrique dans le cadre du futur programme océanographique et météorologique NPoess.

  •  1 - AltiKa
AltiKa, projet développé par le Cnes, est un altimètre en bande Ka (35 GHz), intégrable à bord d'un micro-satellite, ou en passager secondaire d'autres missions. L'utilisation de la bande de fréquences Ka permet une meilleure observation des glaces, des pluies, ainsi que des zones côtières, des terres (forêts,...), et de la hauteur des vagues.

Le projet AltiKa s'inscrit dans le volet opérationnel de l'altimétrie satellitaire, conjointement à Jason-2, où ces observations se doivent d'être assurées par une constellation de satellites, dont un de référence, i.e., Jason-2, puis d'autres plates-formes. La constellation pourra répondre aux exigences des applications identifiées, en apportant une description :

Pour la mésoéchelle en plein océan
En zone côtière
Pour la prévision saisonnière
Pour les études climatiques, en collaboration avec les autres moteurs climatiques de la géosphère (couplage océan-atmosphère, modèles bio-géochimique, impact sur la biosphère etc.)

Il s'agit donc de mettre en place une mission avec des exigences de description et de précision aussi bonnes que les missions actuelles, mais à moindre coût. D'où l'idée de micro-satellite (faible coût de conception, de lancement...). La plate-forme serait mise sur une orbite entre 500 et 800 km, et pèserait moins de 100 kg, avec une charge utile comprenant :

Un altimètre mono-fréquence en bande Ka (35,75 GHz, moins de 20 kg et consommation - Un radiomètre bi-fréquences (22 et 37 GHz)
Une antenne partagée par l'altimètre et le radiomètre
Le système orbitographique Doris
Un réflecteur laser

Le développement d'un altimètre en bande Ka a été mené par Alcatel en 1998-2000 sur une base technologique des altimètres Poséidon 1 et Poséidon 2. Les avantages d'un tel altimètre sont :

Faible poids, et faible consommation.
Rapport signal sur bruit meilleur que Poséidon 2 (sur la bande Ku), avec une perspective de bruit divisé par par 2 (donc inférieur au centimètre). La largeur de bande d'émission, plus large (500 MHz en Ka au lieu de 320 MHz en Ku) permet une plus grande résolution verticale (30 cm au lieu de 50 cm).
Lobe d'antenne moins large, et tache au sol plus petite. Associés à une fréquence d'impulsion plus élevée, cela permettrait d'avoir des mesures précises s'approchant plus des limites terre/océan (jusqu'à 5 km des côtes) donc une meilleure description des processus côtiers et des étendues d'eau continentales (mers fermées, grands lacs, grands fleuves).
Faible atténuation par l'ionosphère (donc pas besoin d'un altimètre bi-fréquence). Lors des fortes perturbations ionosphériques, le système Doris pourrait apporter les éléments nécessaires à une correction.
Meilleure description de l'état de mer qu'en bande Ku. En effet, la longueur d'onde de 8 mm permet une meilleure description des pentes des petites facettes de la surface de la mer (ondes capillaires etc.), et une mesure plus précise du coefficient de rétro-diffusion par mer calme ou moyenne.
Plus faible pénétration de l'onde électromagnétiquequ'en bande Ku sur la neige et la glace (moins d'un centimètre en Ka, pour 5 m en Ku sur neige). Cela permettrait de mieux mesurer les accumulations de neige en regard des effets de vieillissement de la glace dans les couches superficielles des calottes polaires. De plus, la taille des particules de glaces se transformant serait mesurable. Associée à la meilleure résolution spatiale, la bande Ka permettrait donc une meilleure surveillance des glaces de mer et continentales.

© Legos

Par contre, la bande Ka présente un inconvénient majeur : sa forte atténuation en présence d'eau (liquide ou vapeur) dans la troposphère. Le radiomètre permettra de mesurer les retards de propagation de l'onde liée au contenu en vapeur d'eau dans la troposphère. Cependant, les cellules de pluie, souvent denses et fréquentes dans les tropiques restent un facteur limitant, puisque l'onde radar peut être atténuée de 2 dB sous fortes précipitations. Typiquement, s'il pleut plus de 1,5 mm/h, les échos retour ne seront pas exploitables (en dessous de 3 mm/h, les échos en bande Ku ne sont pratiquement pas perturbés). Cependant, des études d'impact ont été menées à partir de 7 ans de données TMR de T/P, montrant que des précipitations supérieures à 1,5 mm/h n'apparaissent globalement que 10% du temps. Cela laisse donc une disponibilité de 90% à la mesure AltiKa (en cas d'orbite héliosynchrone, il faudrait aussi tenir compte de la fréquence des épisodes pluvieux, se produisant plutôt entre 6-12 h et 18-24 h sous les tropiques).

Inversement, on peut penser que ce seuil de 1,5 mm/h permettra de mieux cartographier les cellules de pluies sur océan, qui restent une des grandes inconnues du bilan hydrique globale, et en établir une climatologie plus fiable.

  •  2 - Wittex
Wittex est un concept proposé par une équipe du Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory. Plusieurs scénarii sont proposés, mettant en jeu des micro-satellites (au moins 3) à faible coût, dédiés spécifiquement à l'altimétrie, et lancés par un seul lanceur. Tous les scénarii visent à produire une couverture spatiale et temporelle meilleure que 75 km et 10 jours, et cela en conjonction avec un satellite précis de la classe T/P-Jason.
  •  3 - Altimétrie par GPS
L'un des projets pour avoir la couverture maximale possible pour les données altimétriques est de profiter des signaux émis par les satellites du type GPS (et dans le futur son équivalent civil européen Galileo). L'idée est qu'un satellite en orbite basse va pouvoir récupérer les signaux issus de plusieurs satellites après réflexion sur la surface de l'océan, signaux qui seraient analysés pour en déduire la hauteur de mer. Ce concept n'est pour le moment qu'à l'étude.
Plus d'information
  •  4 - NPoess
Décidée par plusieurs agences gouvernementales des États-Unis, en partenariat avec Eumetsat, cette constellation de satellites en orbite polaire observera l'atmosphère, les océans, les terres et l'environnement spatial.

La constellation Npoess consistera en trois satellites embarquant entre 10 et 12 capteurs, dont un altimètre. Ils fourniront ainsi un grand nombre de données pour la surveillance globale de la Terre, les prévisions météorologiques et climatiques à long terme.