Orbite héliosynchrone

Le plan d'orbite d'un satellite artificiel héliosynchrone se présente toute l'année sous le même angle par rapport au soleil.

Un satellite héliosynchrone repasse quotidiennement au-dessus d'un lieu à une heure solaire identique.

Une orbite héliosynchrone désigne une orbite géocentrique légèrement rétrograde dont on choisit l'altitude et l'inclinaison de façon à ce que l'angle entre le plan d'orbite et la direction du soleil demeure quasiment constant. Un satellite placé sur une telle orbite passe au-dessus de la surface terrestre à la même heure solaire locale. Cette orbite est utilisée par une grande partie des satellites qui effectuent des observations photographiques en lumière visible, car l'éclairement solaire du lieu observé sera peu variable d'un cliché à l'autre : satellites météorologiques, satellite de reconnaissance, satellite de télédétection, etc. Il s'agit d'une orbite polaire basse (entre 200 et 1 680 km) et de périodicité courte (décrite toutes les 88 à 120 minutes)^[1].

Principe

Pour une orbite d'altitude donnée et d'inclinaison $i\neq 0,90,180$ ⁰, la non-homogénéité du champ gravitationnel terrestre (voir bourrelet équatorial), induit une précession de l'orbite. Un choix judicieux de l'inclinaison permet donc à l'orbite d'effectuer une rotation de 360 degrés en une année, gardant ainsi un angle constant entre son plan orbital et l'axe Soleil-Terre. Une telle orbite est appelée orbite héliosynchrone.

L'orbite midi/minuit est un cas particulier de l'orbite héliosynchrone où l'heure solaire fixe de passage est de midi pour la partie de la terre éclairée par le soleil et de minuit pour l'autre moitié. L'orbite crépusculaire, d'une manière similaire, est une orbite héliosynchrone dont l'heure solaire de passage coïncide avec le lever et le coucher du Soleil. Une telle orbite permet une exposition constante du satellite au soleil et ainsi de simplifier grandement des difficultés d'échange thermiques et d'alimentation électrique par panneaux solaires. De plus, une telle orbite permet d'observer des zones de très faible luminosité sans être gêné par la lumière provenant directement du soleil.

Au fur et à mesure que l'altitude du satellite augmente, l'inclinaison requise augmente ce qui, pour une orbite rétrograde, implique que le satellite ne survolera plus les hautes latitudes. Les orbites héliosynchrones typiques sont inclinées à 98°, ce qui assure une bonne couverture du globe terrestre.

L'orbite héliosynchrone est également possible autour de certaines autres planètes, comme Mars, dont l'aplatissement est le double de celui de la Terre. La sonde Mars Global Surveyor survole ainsi Mars à 14 heures sur une orbite quasi-phasée de 88 orbites en 7 sols (elle se décale de 59 kilomètres à l'est à chaque cycle).

Éléments techniques

L'équation décrivant la vitesse de déplacement de la ligne des nœuds due au bourrelet équatorial est donné par^[1] :

${\dot {\Omega }}=-{\frac {3}{2}}J_{2}\left({\frac {R_{e}}{p}}\right)^{2}{\sqrt {\frac {\mu }{a^{3}}}}\cos(i)$

où

$J_{2}$ est le second facteur de forme dynamique terrestre (1,08×10−3) ;
$R_{e}$ est le rayon équatorial terrestre (6 378,14 km) ;
$\mu$ est le paramètre gravitationnel standard de la Terre (398 600,440 km³ / s²) ;
$p$ est le demi latus rectum de l'orbite ;
$a$ est le demi grand axe de l'orbite ;
$i$ est l'inclinaison de l'orbite (en radians).

Pour une orbite héliosynchrone, un tour complet doit être effectué en 1 année sidérale, et le taux de précession doit donc être égal à $\Omega _{h}=2\pi /(365,256\cdot 24\cdot 60\cdot 60)=1.9910\cdot 10^{-7}$ rad/s. Ainsi, en supposant une orbite circulaire (i.e., $p=a$ ), l'inclinaison de l'orbite est donnée par :