Orbitographie

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L'orbitographie, dans le domaine de l'astronautique, est la détermination des éléments orbitaux d'un satellite artificiel.

Les termes correspondants en anglais sont orbitography et orbit determination.

Deux problèmes célèbres d'orbitographie sont :

  • problème de Lambert : connaissant deux évènements (position et date){P1,t1} et {P2,t2} déterminer le mouvement.
  • problème de Gauss : connaissant 3 positions P1,P2,P3 déterminer l'orbite, puis le mouvement.

(Histoire des sciences : Gauss en 1801 se fait connaître pour avoir retrouvé Cérès, à partir de données parcellaires recueillies en janvier 1801).

Problème de Gauss[modifier | modifier le code]

On le traite de nos jours, avec les vecteurs, inventés par Gibbs vers 1890.

Les 3 vecteurs OP1 , OP2 , OP3 définissent le plan de la trajectoire (avec surabondance, donc méthode des moindres carrés pour améliorer). D'où le vecteur perpendiculaire à ce plan , k . Soit à trouver la direction du périgée , i ; la direction orthogonale j : = i/\k complète le trièdre.

  • Théorème de Gibbs : le vecteur de Gauss-Gibbs, G , donne la direction de j,

avec G := OP1 ( r2-r3) + permutation circulaire.

Soient la demi-ellipse et sur elle, Po, le périgée, H le point de l'ellipse tel que OH // j , B le point du petit axe, et A l'apogée : on peut pour vérification, calculer les 4 vecteurs de Gibbs correspondants à 3 parmi 4 de ces positions. Cela permet d'acquérir de "l'intuition".

Le théorème de Gibbs permet donc d'accéder à l'angle \theta_1 :=(OPo,OP1), ainsi que les deux autres. Soient 3 équations type p = r1 + e . r1.cos\theta_1 , qui permettent, par moindres carrés de trouver p et e ; ce qui achève la détermination de l'orbite. Il faut évidemment au moins une date pour finir le problème du mouvement.

Remarque : l'intuition de Gauss était que 2e = ||G||/aire-triangle(P1P2P3). C'est exact (théorème 2 de Gibbs, laissé en exercice).

Remarque : n'a été traité que le cas de 3 points se succédant sur une demi-ellipse : si le décalage temporel atteint plus que la demi-période, il convient de faire attention à la disposition des 3 points.

  • Démonstration du théorème de Gibbs :

On appelle vecteur excentricité le vecteur e : = OC/a, C étant le centre de l'ellipse. Ce vecteur est donc e = -e i .

On rappelle que c'est un invariant (SO4) du problème de Kepler :

e := r/r + Lo/\v/mGM ; (Lo := moment cinétique)

et en particulier, comme vu plus haut : p-r = e.r.

Calculer G.e : il vient (p-r1)(r2-r3) + perm-cir = 0 .

FIN de démonstration.

  • théorème 2 de Gibbs :

Soit A : = r1/\r2 + permut.cir ; alors e = ||G||/||A||.

Encore une fois, pour se donner un peu d'intuition calculer les 4 cas particuliers indiqués précédemment. Puis passer à la démonstration.

  • théorème 3 de Gibbs :

Soit enfin le vecteur-volume des aires pondérées : V : = (r1/\r2). r3 + permut.cir.

Alors p = ||V||/||A||.

Le vérifier d'abord sur les 4 cas. Le démontrer ensuite.

  • On peut ensuite calculer le vecteur vitesse en chacun des 3 points via le vecteur-excentricité.

Problème de Lambert[modifier | modifier le code]

remarquable travail en 1760 : déterminer le mouvement connaissant deux évènements.

Plummer (an introductory treatise on dynamical astronomy , 1960, ed Dover) donne la solution analytique de ce problème. Pollard (Celestial Mechanics, 1966, ed Prentice-Hall) y fait référence. Guiziou ([1]) propose l'élégante solution suivante : se ramener au problème de Gauss.

Plus précisément, soit P1 et P3 les 2 points. On définit le point P2 par : OP2 := k ( OP1 + OP3), avec k pour le moment indéterminé. On est ainsi ramené au problème de Gauss-Gibbs. Il n'y a qu'un seul k qui donne une durée (t3-t1) pour décrire l'arc d'ellipse de P1 en P3 : on résout numériquement l'équation t3-t1 = f(k) ce qui donne k et achève le problème.

Référence[modifier | modifier le code]

Droit français : arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.

Voir aussi[modifier | modifier le code]