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L'observation des satellites artificiels

Les éléments orbitaux d'un satellite (IV)

Pour déterminer la trajectoire d'un objet il faut disposer d'un cadre de référence. Nous connaissons le plan équatorial de la Terre et le plan de l'écliptique mais tous deux subissent un mouvement de précession par rapport aux étoiles. Pour pouvoir les utiliser sans erreur afin de localiser un objet céleste, il faut tenir compte du jour de l'observation et se référer à une époque standard, par exemple J2000.0.

Le tracé de l'orbite d'un satellite se définit dans les trois dimensions et requiert donc plusieurs éléments pour la définir dans l'espace. Ils ont été défini au XVIIe siècle par Johannes Kepler à qui l'on doit les trois lois du mouvement orbital. Cette théorie décrit le mouvement newtonien entre deux corps ponctuels, c'est-à-dire l'interaction variant en fonction inverse du carré de leur distance (1/r2). Ce mouvement négligeant les interactions avec les autres corps, il s'applique uniquement à un système isolé non perturbé. Il représente donc une situation idéale sans déviation, effet relativiste, etc. Mais en première approximation, ce mouvement de base suffit pour décrire les mouvements orbitaux entre deux astres et établir des éphémérides qui n'exigent pas la plus haute précision.

kepler. Peinture à l'huile de 1620, Collegium Wilhelmitanum, Strasbourg (F).

Si le cercle est la seule orbite fermée avec l'ellipse, pourquoi les planètes et les satellites orbitent-ils sur des orbites elliptiques et non pas circulaires ?

En 1609, Kepler démontra mathématiquement que les planètes orbitaient autour du Soleil sur des ellipses. Pourquoi pas un cercle ? La trajectoire des planètes et des satellites seraient un cercle s'ils se déplaçaient de façon rigoureusement orthogonale par rapport à l'axe planète-Soleil ou planète-satellite sans subir la moindre perturbation. Or tous les corps célestes sont pratiquement en interactions mutuelles les uns avec les autres de façon plus ou moins prononcée, les faisant dévier de leur trajectoire. On fait donc référence à l'ellipse par abus de langage, en faisant en réalité une grossière approximation car en toute rigueur aucune de ces trajectoires n'est vraiment elliptique, mais bien plus complexe.

Johannus Kepler

L'influence des autres corps peut toutefois être prise en compte à travers ce qu'on appelle le problème à trois corps. Rien qu'en ce qui concerne la Lune, Ernest Brown au XIXe siècle avait relevé près de 1500 inégalités. A l'époque des "Principia", Newton avait déjà considéré que ce problème lui donnait "'mal de tête" et on ne traitait pas encore le cas général à "n corps" !

Néanmoins, même dans ce cas, la plupart des logiciels et des algorithmes de calculs des orbites des satellites gravitant autour de la Terre par exemple font la main-basse sur les anomalies secondaires et ne tiennent compte que de l'influence gravitationnelle de la Terre (on ignore les inégalités produites par la Lune, le Soleil et les autres planètes).

Les éléments orbitaux

Les éléments orbitaux ou paramètres utilisés pour établir les prévisions sont :

- la taille de l'orbite (a)

- l'excentricité orbitale (e)

- l'inclinaison orbitale (i)

- la longitude du noeud ascendant de l'orbite (Ω)

- l'argument du périgée(ω)

- l'anomalie moyenne (ν)

- l'époque.

Trois paramètres conditionnent la visibilité d'un satellite depuis une station donnée :

- L'altitude du satellite

- L'inclinaison de l'orbite sur l'équateur terrestre

- La latitude du lieu de l'observateur.

Les passages des satellites sont prédits avec une grande précision à partir de ces éléments dits Képleriens qui caractérisent leur orbite. Ce sont les fameux "TLE" ou "Two Line Elements". Il s'agit de fichiers plats (.txt) constitués de deux lignes de paramètres commençant soit par un numéro d'ordre soit directement par l'identificateur WDCRS ou NORAD du satellite.

Paramètres standards des TLE

TLE de ISS téléchargés de CelesTrak le 19 octobre 2003:

1  25544U     98067A      03292.09467593    .00015017     00000-0    17052-3    0     6640 

2  25544       51.6295     115.7387    0006568    53.3077    88.0982    15.62553968280366  

Détail:

ID NORAD............ ID Int'l WDCRS............. Epoque (Année=2003, Jour=292.09)...

25544U                  98067A                         03292.09467593

1ere dérivée (vitesse angul.moyenne (rev/day²).......... 2e dérivée (rev/day³)........ Coef.ballistique

-.00015017                                                             00000-0                           17052-3 0

N°orbite............ ID............... Inclinaison (°)......... Asc.Dr.Noeud Ascendant (°)...... Excentricité

6640                 25544           51.6295                  115.7387                                   0006568

Argument du périgée (°)....... Anomalie moyenne (°).................................... Révolutions/jour

53.3077                               88.0982                                                         15.62553968280366

Au cours du temps ces paramètres orbitaux fluctuent, y compris parfois l'inclinaison orbitale. Dans le cas de la station spatiale ISS par exemple, seules l'époque et la vitesse angulaire moyenne varient. C'est la raison pour laquelle ces valeurs sont données pour une orbite bien précise, dans notre exemple pour l'orbite N° 6640 et doivent de temps en temps être mises à jour. Une documentation détaillée sur ces paramètres est disponible sur le site de CelesTrak.

Ces paramètres sont également disponibles sur le site Spacelink de la NASA par exemple ou sur demande auprès du Goddard Space Flight Center de la NASA ou encore du GEODSS américain. Ils sont également disponibles dans la plupart des logiciels de simulation (voir plus bas).

Restrictions

Par le passé la NASA (GSFC/OIG) publiait également les "Satellite Situation Reports" qui reprennaient les données de plus de 25000 satellites. Malheureusement pour la communauté des amateurs, depuis mars 2005, pour des raisons de sécurité nationale (cf. US Public Law 108-136 section 913), le gouvernement américain a limité l'accès des TLE aux seules personnes intéressées. Cela signifie que les astronomes amateurs par exemple n'ont plus accès à la base de données mais bien les radioamateurs qui en ont besoin dans le cadre de leur activité pour communiquer par satellite (cf. AMSAT). CelesTrak a suivi cette recommandation émanant des autorités militaires.

Cependant, pour une période temporaire mais qui semble définitive depuis quelques années, le site Space-Track permet toujours au grand public et moyennant inscription d'obtenir les derniers TLE. Profitez de cette dernière opportunité car il est possible que cette "fenêtre" se referme définitivement.

Rappelons que la base des TLE contient près de 70 millions de records (10 millions de records s'ajoutent chaque année), ce qui signifie que même les débris inférieurs à 1 cm sont enregistrés... !

A voir : Graphique interactif de la position de chaque satellite artificiel actif

Position Temp-réel des satellites AMSAT au-dessus de l'Europe

TLE des satellites (CelesTrak) - TLE de 5000 satellites (2006) - Space-Track

TLE de la station ISS - ISS Fan Club

Prédictions des passages

Plusieurs sites Internet vous proposent de consulter en ligne les prédictions de passage des satellites Iridium et bien d'autres. Les meilleurs d'entre eux restent bien évidemment ceux de la NASA. D'autres sites vous permettent de recevoir par e-mail les prévisions pour les satellites de votre choix, sans oublier les forums de discussions.

Voici quelques sites Internet de référence:

Satellite Tracking (NASA) - Heavens-Above - Spaceweather - CelesTrak

Connectez-vous au Human Space Flight de la NASA

Position d'ISS en temps réel

La Station Spatiale Internationale

Cliquer sur l'image pour accéder aux positions en temps-réel.

Les logiciels

La plupart des programmes vous présentent simplement la trajectoire du satellite au-dessus de la surface terrestre avec ses coordonnées d'azimut et d'élévation, tel WinOrbit présenté ci-dessous. Mais pour l'astronome amateur c'est parfois insuffisant et certainement pour le radioamateur.

Pour ceux qui préfèrent utiliser les coordonnées équatoriales dans l'éventualité où le ciel étoilé vous intéresse également, il existe de nombreux logiciels d'astronomie dont les versions récentes utilisent entre autres l'algorithme SGP4 pour calculer les perturbations orbitales et établir les prévisions de visibilité des satellites pour afficher leur trajectoire devant la voûte céleste. La précision est de l'ordre de quelques minutes d'arc. Il existe également des interfaces en ligne tel SatFlare.

A télécharger auprès de la NASA : The Debris Assessment Software

SkyMap Pro

logiciel d'astronomie

WXTrack

logiciel de poursuite satellite

WinOrbit

logiciel de poursuite satellite

Plus récents et plus complets que WinOrbit qui tourne sous Windows 3.1 ou 98, citons WXTrack et Orbitron qui ont acquis une belle réputation grâce à une interface en haute résolution et en supportant la plupart des rotors d'antenne.

Parmi les produits commerciaux citons NOVA for Windows de Northern Lights Software Associates (NLSA) qui dispose d'un mode "radar" permettant de connaître les coordonnées équatoriales du satellite que vous surveillez et de l'attendre à l'affût derrière une étoile.

Bien que "Nova" soit très utile pour localiser les satellites artificiels visibles au-dessus de son horizon, il s'agit avant tout d'un logiciel pour radioamateur capable de piloter des antennes sur différents satellites de communication (cf. la revue en anglais de quelques logiciels de simulation).

A consulter : La réception des satellites

Ci-dessus, la projection rectangulaire de Nova for Windows et en dessous à gauche son mode radar. A droite, Starry Night Pro.

Notons qu'à l'heure de l'informatique beaucoup de télescopes sont asservis électroniquement par ordinateur et disposent des TLE ou peuvent lire ces fichiers. Ils sont dès lors capables de localiser et suivre les satellites artificiels.

Celestron et Meade parmi d'autres constructeurs proposent ce type de console pour tous leurs télescopes, y compris sur les petits instruments tandis que le logiciel Satellite Tracker de Brent Boshart pour en citer un est capable de piloter la monture équatoriale d'un télescope Meade LX200 sur n'importe quel satellite.

Le logiciel de poursuite Satellite Tracker pour Meade LX200

Des logiciels de planétarium tels Stellarium (gratuit), SkyMap Pro ou Starry Night Pro peuvent également afficher la trajectoire des satellites devant les étoiles pour n'importe quel lieu et n'importe quelle époque et simultanément piloter un télescope à condition qu'ils disposent des deux lignes de TLE et de l'interface électronique (ASCOM ou propriétaire) vers l'ordinateur.

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