Sentinel-3

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Sentinel-3
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Maquette du satellite

Caractéristiques
Organisation Agence spatiale européenne
Domaine Océanographie
Statut en développement
Masse 1250 kg
Lancement 2015 (3A), 2017 (3B)
Lanceur Rokot (3A), Vega (3B)
Durée de vie 7,5 ans
Orbite Orbite héliosynchrone
Altitude 814 km
Programme Copernicus
Principaux instruments
SLSTR Radiomètre imageur
OLCI Spectromètre imageur
SRAL Radar altimètre
MWR Radiomètre microondes

Sentinel-3 est une série de satellites d'observation de la Terre de l'Agence spatiale européenne développée dans le cadre du programme Copernicus dont les deux premiers exemplaires doivent être mis en orbite en 2015 et 2017. L'objectif du programme est de fournir aux pays européens des données complètes et actualisées leur permettant d'assurer le contrôle et la surveillance de l'environnement. Les satellites Sentinel-3 constituent une des composantes spatiales de ce programme qui comprend également notamment les Sentinel-1 (observation radar tout temps) et Sentinel-2 (observation optique haute résolution). Les Sentinel-3 doivent mesurer en particulier des grandeurs caractérisant les processus dynamiques affectant les océans : hauteur des vagues des océans, vitesse des vents, température des océans et sa couleur reflet du processus de photosynthèse.

Le satellite Sentinel-3 d'une masse de 1,2 tonne emporte quatre instruments. Il doivent en configuration opérationnelle circuler par paire sur une orbite héliosynchrone pour permettre un recueil des données avec une périodicité de 1 à 2 jours. Les deux premiers satellites de la série doivent être lancés respectivement par la fusée Rockot en 2015 et le lanceur européen Vega en 2017.

Contexte[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Copernicus (programme) et Sentinel (satellite).
Logo des satellites Sentinel-3.

Les satellites Sentinel-3 font partie du programme Copernicus financé par l'Union européenne qui comprend d'une part un volet spatial géré par l'Agence spatiale européenne d'autre part différents instruments au sol recueillant des données in situ au sol, le traitement des données ainsi que la restitution de celles-ci sous forme de services adaptés aux besoins des utilisateurs. L'objectif est de mettre à disposition des pays européens de manière normalisée et continue des informations sur le sol, les océans, le traitement de l'urgence, l'atmosphère, la sécurité et le changement climatique. Le programme est en cours de mise en place.

Le segment spatial du programme repose en 2015 sur les instruments de nombreux satellites européens aux caractéristiques hétérogènes dont le plus emblématique était ENVISAT qui a cessé ses opérations en 2012. Pour remplacer et normaliser le recueil des données l'Agence spatiale européenne a décidé de développer 7 familles de satellites ou d'instruments :

  • Les satellites Sentinel-1 doivent fournir une imagerie radar tout-temps, jour et nuit, à des fins d'observation du sol et des océans. Sentinel-1A a été lancé le 3 avril 2014. Le lancement de Sentinel-1B est prévu en 2016.
  • Les satellites Sentinel-2 qui fournissent l'imagerie optique haute résolution permettant l'observation des sols (utilisation des sols, végétation, zones côtières, fleuves, etc.) ainsi que le traitement des situations d'urgence (catastrophes naturelles,...). Le premier exemplaire a été placé en orbite en juin 2015.
  • Les satellites Sentinel-3 doivent fournir la hauteur des vagues et la vitesse du vents, des données optiques et altimétrique sur les océans et continents. Le lancement du premier satellite Sentinel-3 était prévu fin 2015.
  • Sentinel-4 est constitué par des instruments embarqués comme charge utile sur les satellites météorologiques géostationnaires Météosat de Troisième Génération (MTG) de EUMETSAT. Ils fournissent des données sur la composition de l'atmosphère. Le premier doit être lancé en 2018.
  • Sentinel-5 : ces instruments fournissent également des données sur la composition de l'atmosphère. Ils doivent être embarqués comme charge utile sur les satellites météorologiques polaires MetOp de deuxième génération (EPS-SG) développés par EUMETSAT. Le premier satellite doit être lancé en 2019.

Objectifs[modifier | modifier le code]

Les caractéristiques des satellites de cette série doivent permettre de répondre aux objectifs suivants[1] :

  • Topographie de la surface : fournir la hauteur des vagues et la vitesse du vent au-dessus des océans avec un niveau d'exactitude et de précision équivalent à ce que réalisait l'instrument RA-2 d'Envisat avec toutefois une extension des zones mesurées aux eaux côtières, à la glace de mer, aux rivières et à leurs affluents ainsi qu'aux lacs.
  • Déterminer la température des océans et des eaux côtières avec un un niveau d'exactitude et de précision équivalent à celui de l'instrument AASTR d'Envisat soit 0,3 kelvin et avec une résolution spatiale inférieure au kilomètre
  • Mesurer le rayonnement en lumière visible et en proche infrarouge des océans, îles, eaux côtières avec une précision spatiale inférieure à 0,3 km soit un niveau de performance équivalent à celui de l'instrument MERIS d'Envisat et avec une périodicité de visite de 2 à 3 jours pour les océans et de 1 à 2 pour les terres, la banquise et les glaciers. Ces performances doivent être équivalentes à celles des instruments MERIS et AATSR d'Envisat et à l'instrument Vegetation du satellite SPOT.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Sentinel-1 est un satellite parallélépipédique de long de 3,7 m avec une section de dimension maximale 2,2 c 2,2 m en position repliée . Sa masse au lancement est de 1 250 kg dont xxx kg pour la charge utile et 90 kg kg d'hydrazine. Le satellite utilise une nouvelle plate-forme dérivée de celles des PRIMA et de PROTEUS. Le satellite est stabilité 3 axes. La détermination de l'orientation est obtenue grâce à des viseurs d'étoiles multi-têtes complété par 8 senseurs solaires grossiers, de magnétomètres et un récepteurs GPS à 24 canaux. Pour modifier son orientation, le satellite a recours à quatre roues de réaction, des magnéto-coupleurs pour désaturer ceux-ci et à de petits propulseurs brulant de l'hydrazine. Un rétro réflecteur laser un récepteur Doris sont également utilisés pour déterminer la position qui est connue avec une précision de 3 cm après retraitement des données collectées par l'ordinateur embarqué[2].

Les panneaux solaires orientables sont constitués de cellules photovoltaïques à l'arséniure de gallium triple jonction et ont une superficie de 10 m². Ils fournissent 2,1 kW en fin de vie alors que la consommation moyenne est de 1,4 kw. L'énergie est stockée dans des batteries Li-ion d'une capacité de 160 ampères-heures. Le satellite dispose d'une capacité de stockage des données de 384 gigabits (une journée de données représente 170 gigabits). Les échanges de données se font en bande X avec un débit effectif de 2 x 280 mégabits/seconde. Les commandes et paramètres de fonctionnement du satellite sont transmis en bande S avec un débit de 64 kilobits pour la voie montante et de 1 mégabits pour la voie descendante. Le satellite est conçu pour une durée de vie minimale de 7,25 ans avec un objectif de 12 ans[2].

Instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

OLCI[modifier | modifier le code]

OLCI (Ocean and Land Color Instrument) est un instrument optique dédié à la couleur des océans et des Terres émergées pour assurer notamment une surveillance de l’état des océans (courant, vie marine…) et des zones côtières (pollution, courant…). Cet instrument permettra une meilleure prévision des changements et une meilleure gestion de ses ressources. C’est une version évoluée du spectromètre imageur MERIS qui vole sur Envisat. Il assurera donc la continuité des données, avec cependant, des performances supérieures. Il en aura la même résolution (300 m) mais sa fauchée sera plus large (1250 km) et il sera capable de distinguer 21 couleurs (ou bandes spectrales), contre 15 pour MERIS.

Au-dessus des Terres, ces données permettront aux scientifiques de déterminer des paramètres géophysiques de la surface, de classifier des zones (par exemple forêt, désert, zone brulée, cultivée, inondée etc.) et d'en surveiller leur étendue et leur évolution. Au-dessus des mers, la mesure de la couleur permet de déterminer la présence de certains constituants, comme par exemple la concentration en plancton, la présence de chlorophylle dans l'eau, le transport de sédiments, la présence de pollution et d'autres paramètres encore.

Les 6 bandes supplémentaires d’OLCI, réparties dans toute la bande spectrale entre 390 et 1040 nm, permettront d’améliorer la qualité des mesures en apportant des corrections atmosphériques plus fines.

OLCI est un spectromètre imageur avec un champ de vue qui s'étend sur 68,6 degrés, transversalement à la trace au sol du satellite. Il est couvert par 5 cameras élémentaires qui sont disposées en éventail dans un plan vertical perpendiculaire au vecteur vitesse du satellite (à la direction de déplacement du satellite). Chaque caméra à un champ de vue de 14,2 degrés.

À la différence de MERIS, le champ de vue d’OLCI est décalé vers l’ouest de 12,6 degrés de façon à éviter les phénomènes de réflexion du Soleil sur la mer, qui perturbent beaucoup les images d’Envisat.

SLSTR[modifier | modifier le code]

SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) est un deuxième instrument optique dédié à la mesure de la température de surface des océans et des Terres émergées. Cet instrument surveillera l’impact de l’évolution du climat sur la température des océans et améliorera les prévisions météorologiques grâce à une meilleure compréhension du couplage océan/atmosphère. La mise en commun des données récoltées par ces 2 instruments permettra une surveillance globale de la végétation afin de définir son état et mieux gérer son développement. Cette mission avait été initiée par l’instrument Végétation, installé sur des satellites SPOT développé par Aerospatiale, maintenant, Thales Alenia Space, dans les années 1990[3].

Il s’agit d’une version évoluée du radiomètre AATSR qui volait sur Envisat.

SLSTR est un radiomètre infrarouge à double visée. Son rôle est de mesurer avec une très grande précision la température de surface des océans et des Terres émergées. Il a une fauchée très large de 1 400 kilomètres et peut couvrir la Terre en à peu près 2 jours. Il peut obtenir une cartographie des températures de l'océan avec une précision extrême de 0,1 degré.

SLSTR regarde sous le satellite et à l'arrière. La même zone est ainsi observée sous deux angles différents ce qui permet aux scientifiques - en combinant les deux images - de corriger les effets perturbateurs de l'atmosphère et d'obtenir des mesures très précises de la température. Ces mesures continues et couvrant l'ensemble des océans, sont alors utilisées par les météorologues et les climatologues dans leurs prévisions à court ou long terme.

SLSTR comporte 9 canaux dans le visible et l’infrarouge (3 dans le visible et le proche infrarouge, 3 dans l’infrarouge SW et 3 dans l’infrarouge MW). C’est deux de plus que pour l’AATSR qui en comporte 7. L’ensemble des bandes spectrales couvrent le domaine de 0,556 µm à 12,5 µm. De façon à garantir l’exactitude des mesures radiométriques, les détecteurs infrarouges de SLSTR seront refroidis en permanence de façon que leur température reste stable à quelque 80 kelvins.

SRAL[modifier | modifier le code]

SRAL (Sar Radar Altimeter) est un radar altimètre, l’instrument principal de la mission topographique de Sentinel-3 dont l’objectif est de fournir des données opérationnelles non seulement sur le plein océan mais aussi sur les zones côtières, les glaces ou encore sur les eaux continentales comme les lacs et rivières[4].

SRAL est une version évoluée d’altimètre qui intègre la plupart des fonctionnalités de SIRAL-2, l'instrument scientifique principal du satellite CryoSat-2 (qui sera lancé début 2010) et de L'altimètre Poséidon-3 embarqué sur le satellite Jason-2.

Il intègre notamment le mode « SAR – haute résolution » de SIRAL-2 ainsi que les derniers algorithmes de poursuite de terrain dits « en boucle ouverte » de Poseidon-3 ce qui lui confère une grande souplesse d’emploi et autorise une augmentation significative des zones accessibles à la mesure.

A l’image de Poseidon-3, le SRAL est bi-fréquence : il émet séquentiellement des impulsions en bande Ku et en bande C ce qui permet d’estimer le retard de propagation des ondes radiofréquences dans l’ionosphère et d’améliorer ainsi la connaissance des distances.

Son rôle est de déterminer avec une très grande précision la distance entre le satellite et la surface d’intérêt, afin de déduire la hauteur (ou la variation de hauteur) de cette dernière. À titre d’exemple, les variations locales de hauteurs des océans peuvent atteindre plusieurs mètres. La précision visée est de l’ordre du centimètre, ce qui représente une performance remarquable pour une mesure prise à partir d’une orbite à 815 km.

Sur le long terme, l’analyse de ses données (calibrées, moyennées et comparées à celles issues d’autres missions…) va aussi permettre de mettre en évidence les évolutions du niveau moyen des mers voisines du millimètre ce qui en fait un outil particulièrement bien adapté au suivi de l’impact du réchauffement climatique.

Cet instrument, fournit également d'autres types de mesures, qui sont destinées aux météorologues, comme la hauteur des vagues ou l'intensité des vents à la surface de la mer de façon à améliorer la qualité des prédictions marines et à mieux anticiper les évolutions de certains phénomènes météorologiques extrêmes comme les cyclones.

MWR[modifier | modifier le code]

MWR (Microwave Radiometer) est un radiomètre micro-onde, sur 23,8 et 36,5 GHz, permettant de mesurer la topographie de la surface des océans avec un niveau de qualité équivalent aux données fournies par les altimètres à bord d’Envisat. La mission couvrira également une topographie des glaces et de la surface des océans aux abords des zones côtières. Ces mesures permettront en outre de mieux surveiller l’impact des changements climatiques (fonte des glaces, montée du niveau de la mer…), d’améliorer la sécurité maritime ainsi que les prévisions météorologiques par une meilleure compréhension du couplage océan/atmosphère.

Compte tenu de la largeur limitée du champ de prise de vues, l'ESA prévoit un satellite récurrent, Sentinel-3B, permettant de disposer de la couverture du globe en deux jours au lieu de quatre.

La fonction du radiomètre consiste à mesurer la quantité d'eau dans l'atmosphère traversée par les échos radar de SRAL et d’apporter une correction à ces mesures.En effet, la vapeur d'eau ou l’eau en suspension dans l’atmosphère, ralentit les ondes électromagnétiques. Ce phénomène peut être interprété comme un rallongement de la distance entre le satellite et la surface et donc dégrader la précision des mesures de l’altimètre, ce qui est évité avec le MWR.

De telles corrections sont seulement possibles au-dessus de l’océan, car le bruit de fond y est stable, ce qui constitue une condition nécessaire pour la mesure du bruit émis par l’atmosphère et liée à la quantité d’eau.

A contrario, au-dessus des surfaces de glace et de terre où les mesures de MWR ne peuvent pas être employées, les corrections seront basées sur des modèles et des données météorologiques globales de l’humidité atmosphérique.

Développement des satellites[modifier | modifier le code]

Choix du constructeur[modifier | modifier le code]

Les satellites Sentinel_3 sont réalisé par Thales Alenia Space[5], dans l'établissement de Cannes, suite à un contrat de 305 M€[6], signé le 14 avril 2008 en présence de Dominique Bussereau, Secrétaire d'État auprès du ministre d'État, ministre de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du territoire, chargé des Transports, pour une mission d'océanographie ainsi que de surveillance de la végétation sur les terres émergées, un lancement prévu en 2013/2014[7],[8]; et 2016 pour Sentinel-3B avec Vega[9].

Point d'étape à fin 2009[10][modifier | modifier le code]

  • Thales Alenia Space et l’Agence Spatiale Européenne ont finalisé le cadre contractuel de la phase C/D. Le calendrier du programme est consolidé permettant d'envisager une « revue finale d’acceptation » (le satellite sera alors déclaré prêt pour le lancement) en décembre 2012 pour un tir prévu au premier semestre 2013, en fonction notamment de la disponibilité du lanceur Vega.
  • les revues de définition préliminaire des différents éléments du satellite (la plateforme, les équipements, les instruments) sont terminées, ainsi que les premières revues de définition détaillée de certains équipements du satellite. Celles des instruments auront lieu courant 2010.

Début de la réalisation de Sentinel-3B[modifier | modifier le code]

Dans le cadre du programme GMES (Global Monitoring for Environment and Security), un contrat est attribué à Thales Alenia Space en décembre 2009, pour un montant estimé à 270 millions d’euros, par l’Agence spatiale européenne (ESA) pour la réalisation de deux satellites complémentaires Sentinel-1B et Sentinel-3B. La réalisation de Sentinel-3B sur ses sites français et italien débute en mars 2010[11].

CLS choisie pour expertiser la partie altimétrique de la mission[modifier | modifier le code]

En avril 2010, CLS (Collecte Localisation Satellites) est choisie par Thales Alenia Space pour expertiser la partie altimétrique de la mission. CLS sera chargée de la définition et du prototypage des algorithmes de traitement des instruments associées à cette mission principalement les deux instruments micro-ondes de la charge utile topographique (SRAL et MWR)[12].

ACRI-ST choisie pour la composante optique de la mission[modifier | modifier le code]

En avril 2010 également, ACRI-ST[13], une société de R&D basée à Sophia Antipolis est retenue pour l’expertise couleur et surface de la mission, de la définition des algorithmes de traitement de OLCI et le prototypage de tous les algorithmes de deux instruments optiques (OLCI et SLSTR)[14].

Déroulement des missions[modifier | modifier le code]

Les satellites Sentinel-3 en configuration opérationnelle circulent par paire pour garantir une fréquence de visite suffisamment rapprochée : moins de 2 jours pour l'instrument OLCI et moins d'un jour à l'équateur pour l'instrument SLSTR. L'orbite héliosynchrone retenue fait passer les satellites au-dessus du nœud descendant à 10 heures locales. Les deux premiers satellites de la série doivent être lancés respectivement par la fusée Rockot en 2015 et le lanceur européen Vega en 2017/

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Sentinel-3 Mission Requirements Traceability Document (MRTD) 2011, p. 5
  2. a et b Sentinel-3 : ESA’s Global land and Ocean Mission for GMeS Operational services 2011, p. 31-46
  3. « Entretien avec Hervé Roquet : Rôle de SLSTR dans MyOcean », « en ligne. »
  4. « Entretien avec Marc Deschaux-Beaume, chef de projet de l’altimètre SRAL chez Thales Alenia Space », en ligne
  5. « Thales Alenia Space va fournir le 3ème satellite environnemental du programme GMES, Sentinelle 3 », 14 avril 2008, dans « www.thalesgroup.com. »
  6. Christian Lardier, « Trois sentinelles pour observer la Terre », dans Air & Cosmos, N° 2121, 18 avril 2008
  7. Daniel Gorelick, rédacteur pour America.gov, « Comprendre les océans », « en ligne. »
  8. http://www.aviso.oceanobs.com/en/missions/future-missions/sentinel-3/index.html
  9. http://www.arianespace.com/news-press-release/2011/news-press-releases-fr-11/12-14-2011-Vega-Premiers-contrats-FR.pdf
  10. Rémy Decourt, « Yvan Baillion, responsable du programme pour Thales Alenia Space, fait le point sur l'état d'avancement de Sentinelle-3 », 21 janvier 2010, « en ligne sur le site du programme. »
  11. Thales Alenia Space débute la réalisation des satellites environnementaux Sentinelle 1B et 3B
  12. CLS pour la performance de la mission Topographie
  13. Site web de ACRI-ST
  14. ACRI-ST pour la composante optique de la mission

Documents de référence[modifier | modifier le code]

  • (en) Mark R. Drinkwater & Helge Rebhan, Sentinel-3 : Mission Requirements Document, ESA,‎ , 67 p. (lire en ligne)
    Cahier des charges des satellites Sentinel-3
  • (en) Craig Donlo, Sentinel-3 Mission Requirements Traceability Document (MRTD), ESA,‎ , 234 p. (lire en ligne)
    Cahier des charges détaillé des satellites Sentinel-3
  • (en) Craig Donlo, Sentinel-3 : ESA’s Global land and Ocean Mission for GMeS Operational services, ESA,‎ , 98 p. (lire en ligne)
    Présentation détaillée de la mission, des équipements et des charges utiles des satellites Sentinel-3

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]