Satellite artificiel

Modèle:Voixhgxhsqdezfdsfr homonymes [[FichTHFGDGRTGRFGRTGRRGFGDGier:GOES O from above.jpg|thumb|Le satellite météorologique [[Geostationary Operational Environmental

Principes physiques

Mise en orbite

Le « canon de Newton » : au-delà d'une certaine vitesse le boulet ne retombe plus au sol.

Un objet lancé de la surface de la Terre décrit une trajectoire parabolique qui le ramène au sol sous l'influence de la gravité terrestre (cas A sur le schéma). Plus la vitesse initiale de l'objet est importante, plus le point de chute est éloigné (cas B). Lorsqu'une certaine vitesse est atteinte, l'objet chute mais sans jamais atteindre le sol du fait de la courbure de la Terre (cas C). Pour que l'objet conserve indéfiniment sa vitesse, il faut toutefois que celui-ci se déplace dans le vide au-dessus de l'atmosphère, là où aucune force de traînée (frottement) ne s'exerce : à cette altitude, en application du principe d'inertie, aucune énergie n'est en effet nécessaire pour dfdfsddsfdsdfs son mouvement.

Pour qu'un objet soit satellisé autour de la Terre, il faut que sa vitesse radiale par rapport au centre de la Terre (la vitesse d'injection) soit de 7 700 mètres par secoGFDGFGDGDFDGKKKKKKKKKKKKJHBDSDD§§§§§§È!ÀKJHHTRYRTYT Y

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nde pour une orbite circulaire à 200 km au-dessus de la Terre (au-dessous de cette altitude la traînée est trop importante). Si on communique une vitesse supérieure à un satellite circulant à la même altitude, l'orbite devient elliptique (cas D sur le schéma) : le point de l'ellipse le plus rapproché de la Terre est le périgée et le point le plus éloigné est l'apogée. Si la vitesse dépasse 11 kilomètres par seconde (cas E), le satellite échappe à l'attraction terrestre : c'est la vitesse de libération de la Terre qu'il est nécessaire de communiquer à une sonde spatiale poudgggrdrr qu'elle puisse être envoyée vers d'autres planètes du Système solaire.

La vitesse de satellisation minimale est proportionnelle à la gravité — et donc à la masse — du corps céleste autour duquel le satellite doit orbiter : un objet qui décolle du sol lunaire a besoin d'une vitesse horizontale beaucoup plus faible pour être satellisé (4 fois plus faible que pour la Terre : 1,7 km/s).

Relation entre vitesse d'injection et orbite (apogée) pour un périgée fixé à 200 km

Périgée (km)	Vitesse d'injection (km/s)	Remarque	Apogée atteint (km)	Type d'orbite
200	7,78	Vitesse minimale de satellisation	200	Basse (orbite circulaire)
200	8		1 000	Basse
200	9,2		10 000	Moyenne
200	10,2		36 000	Géosynchrone
200	10,8		380 000	Lune
200	11	Vitesse de libération	Infini	Interplanétaire

Les trois lois de Kepler

La Terre se trouve à l'emplacement d'un foyer de l'orbite elliptique du satellite dont la vitesse croît d'autant plus que la Terre est proche.

La trajectoire d'un satellite artificiel ou naturel est régie par les trois lois formulées par Johannes Kepler s'appliquant au déplacement d'un objet gravitant autour d'un corps céleste :

• loi I : l’orbite du satellite a la forme d’une ellipse dont un des deux foyers se trouve au centre du corps céleste (par exemple la Terre) autour duquel il gravite ; une orbite circulaire est un cas particulier de l’ellipse dont les deux foyers sont confondus au centre de la Terre. La forme de l'ellipse peut être définie par :
  • la distance r_p du point de l'orbite le plus proche de la Terre (le périgée) au centre de la Terre,
  • la distance r_a du point de l'orbite le plus éloigné de la Terre (l'apogée) au centre de la Terre.

  On utilise généralement à leur place :

  • le demi-axe a défini par la formule 2 a = r_p + r_a ,
  • l'excentricité e qui définit l'allongement de l'ellipse et peut être calculée par la formule e = 1 - r_p/a. Elle prend une valeur comprise entre 0 et 1 : 0 correspond à une orbite circulaire et plus la valeur est proche de 1, plus l'orbite est allongée ;
• loi II : le satellite se déplace d’autant plus vite qu’il est proche du corps céleste ; plus précisément la droite qui joint le centre du corps céleste au satellite balaie toujours une aire égale dans un intervalle de temps donné ;
• loi III : le carré de la période de rotation du satellite autour du corps céleste varie comme le cube de la longueur du grand axe de l’ellipse. Si l’orbite est circulaire, le grand axe est alors le rayon du cercle.

Période et vitesse orbitale d'un satellite artificiel terrestre

Les lois de Kepler permettent de calculer à partir des caractéristiques de son orbite la période de révolution, qui est l'intervalle de temps compris entre deux passages consécutifs d'un satellite par un point de son orbite, ainsi que la vitesse orbitale, qui correspond à la vitesse du satellite par rapport au centre de la planète (le référentiel utilisé garde une orientation fixe dans l'espace) :

Type d'orbite Type d'orbite 102 min 35 786 km 35 786 km 23 h 56 min 3,1 km/s 3,1 km/s

Période orbitale P du satellite (en secondes)

$P=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}},$ avec $\mu =398600,\!4418\;{\mbox{km}}^{3}\cdot {\mbox{s}}^{-2}$ (paramètre gravitationnel standard pour la Terre)

• pour une orbite elliptique de 36 000 km (42 378 km d'apogée depuis le centre de la Terre) sur 200 km (6 578 km de périgée depuis le centre de la Terre), le demi-axe a est égal à 24 478 km et la période P est d'environ 38 113 secondes ;
• la formule fonctionne également pour une orbite circulaire, a étant alors remplacé par le rayon de

Paramètres de l'orbite d'un satellite

Paramètres orbitaux d'un satellite artificiel : ascension droite du nœud ascendant ☊, inclinaison i, argument du périgée ω.

Paramètres orbitaux : demi-grand axe a, argument du périgée ω, anomalie vraie ν.

Six paramètres sont utilisés pour fournir la position et la trajectoire d'un satellite dans l'espace :

• l'orbite d'un satellite est un plan. Si l'on ne tient pas compte des perturbations naturelles auxquelles elle est soumise et en l'absence de manœuvres du satellite, le plan d'orbite est fixe dans l'espace. Ce plan peut être défini par deux paramètres : l'inclinaison i et la longitude (ou ascension droite) du nœud ascendant ☊ ;
• trois paramètres – l'excentricité e et le demi-grand axe a de l'ellipse ainsi que l'argument du périgée ω – permettent de décrire la trajectoire en forme d'ellipse dans le plan d'orbite ;
• un dernier paramètre permet de situer le satellite sur son orbite : on peut par exemple prendre le temps t écoulé depuis le passage au périgée.

Plans et droites de référence

Les paramètres de l'orbite sont définis dans un référentiel constitué de plusieurs plans et de droites :

• la trajectoire de la Terre autour du Soleil s'inscrit dans un plan, dit plan de l'écliptique, passant par le centre du Soleil ;
• le plan de l'équateur terrestre est le plan passant à la latitude de l'équateur ;
• à l'équinoxe de printemps, le 21 mars, le plan de l'équateur terrestre coupe le plan de l'écliptique selon une ligne dite ligne des équinoxes passant par le Soleil. Cette droite qui désigne à l'infini le point vernal est fixe dans le Système solaire ;
• l'orbite d'un satellite coupe le plan de l'équateur en deux points appelés nœud ascendant lorsque le satellite passe de l'hémisphère sud à l'hémisphère nord et nœud descendant. La ligne reliant les deux points est appelée ligne des nœuds.

Orientation du plan de l'orbite

L'inclinaison i du plan de l'orbite du satellite (entre 0 et 180 degrés) est l'angle que fait le plan de l'orbite avec le plan de l'équateur. Lorsque i = 90° l'orbite du satellite survole les pôles (orbite polaire) ; si i = 0, le plan de l'orbite se situe dans le plan de l'équateur. L'orbite est dite directe lorsque i est inférieur à 90° et rétrograde sinon.

La longitude du nœud ascendant ☊ (ou ascension droite du nœud ascendant) est l'angle entre la direction du point vernal et la ligne des nœuds, dans le plan de l'écliptique. Si le plan de l'orbite coïncide avec la droite des équinoxes, la longitude du nœud ascendant est nulle.

Caractéristiques de la trajectoire dans le plan d'orbite

Dans le plan défini par les paramètres précédents, l'orbite est décrite par trois paramètres. La forme de l'ellipse que parcourt le satellite est fournie par deux informations :

• le demi-grand axe a, c'est-à-dire la moitié de la distance qui sépare le périgée de l'apogée ;
• l'excentricité e de l'ellipse décrite par le satellite. Si e = 0, le satellite a une orbite circulaire.

L'argument du périgée ω est l'angle formé par la ligne des nœuds et la direction du périgée (la droite passant par la Terre et le périgée de la trajectoire du satellite), dans le plan orbital. La longitude du périgée est la somme de la longitude du nœud ascendant et de l'argument du périgée.

Position du satellite sur son orbite

La position du satellite sur sa trajectoire peut être fournie de deux manières :

• en spécifiant le temps t écoulé depuis son passage au périgée. t = 0 indique que le satellite est à son périgée ;
• en indiquant l'angle ν (dit anomalie vraie) formé par les droites allant du centre de la Terre vers d'une part le périgée et d'autre part la position du satellite. ν = 0° indique que le satellite se trouve à son périgée.

Perturbations naturelles de l'orbite

Les satellites d'observation de la Terre comme CALIPSO utilisent la déformation de l'orbite engendrée par l'aplatissement du globe terrestre.

La trajectoire d'un satellite artificiel autour d'un corps céleste n'est pas complètement stable. Elle est modifiée par plusieurs phénomènes naturels dont l'influence est variable selon le corps céleste et la position du satellite. Si celui-ci tourne autour de la Terre, les phénomènes perturbateurs sont dans l'ordre décroissant d'influence :

• l'aplatissement du corps céleste à ses pôles et le renflement équatorial ;
• les autres irrégularités du champ de gravité ;
• la résistance de l'atmosphère (en orbite basse) ;
• l'attraction de la Lune ;
• l'attraction du Soleil ;
• la pression de rayonnement.

Ces forces sont faibles par rapport à la force d'attraction de la planète. Leur ordre de grandeur par rapport à cette dernière est de 10^-3 (1000 fois plus faible) pour l’aplatissement de la Terre et 10^-4 en orbite basse (150 km) pour les forces de frottement de l'atmosphère, 10^-6 pour les autres irrégularités du champ de gravité, 10^-7 pour l'attraction de la Lune, 10^-8 pour l'attraction du Soleil et 10^-9 pour la pression de rayonnement.

Aplatissement du corps céleste à ses pôles

La Terre n'a pas une forme parfaitement sphérique : ses pôles sont légèrement aplatis, tandis que l'équateur présente un renflement. Ces déformations induisent des modifications du plan de l’orbite. Ce mouvement, la précession nodale, est d'autant plus important que l'inclinaison de l'orbite est différente de 90° et proche de la Terre.

Cette perturbation, la plus importante que subit le satellite, modifie à la fois l'ascension droite du nœud ascendant Ω et l'argument du périgée ω. Pour maintenir l'orbite, il est nécessaire de consommer beaucoup de carburant. Aussi les satellites en orbite basse, plutôt que de les corriger, soit exploitent les modifications d'orbite induites (satellite en orbite héliosynchrone) soit sont placés sur des orbites ayant des inclinaisons pour lesquelles cette perturbation est nulle (i = 90° et 63°26').

Autres irrégularités du champ de gravité

Le champ de gravité terrestre présente d'autres irrégularités que celles dues aux déformations au pôle et à l'équateur : elles sont liées à des variations de densité (réplétions) du sous-sol terrestre (croûte et manteau). Celles-ci sont particulièrement nombreuses sur la Lune. Pour les satellites terrestres, les variations du champ de gravité finissent par perturber l'orbite avec un ordre de grandeur beaucoup moins important que celui dû à l'aplatissement du globe terrestre.

Résistance de l'atmosphère

Si le corps céleste autour duquel gravite le satellite possède une atmosphère (Terre, Mars, Vénus), celle-ci exerce une force de traînée proportionnelle au carré de la vitesse du satellite et à la densité de l'atmosphère : la vitesse du satellite est progressivement réduite. Si l'orbite est elliptique, le premier effet de la résistance de l'atmosphère est de la rendre circulaire (l'apogée est modifié et le périgée reste invariant), puis l'orbite circulaire est elle-même progressivement abaissée. Le satellite finit par être détruit en rentrant dans les couches les plus denses de l'atmosphère. Dans le cas d'un satellite tournant autour de la Terre sur une orbite circulaire, sa durée de vie moyenne est égale (compte tenu de l'effet d'un vent solaire moyen détaillé plus loin) à :

• quelques jours pour une orbite de 200 km ;
• quelques semaines à 300 km ;
• quelques années à 600 km ;
• un siècle à 800 km (c'est l'orbite des satellites de télédétection, comme la famille SPOT) ;fdsfdsfdsfd
• plusieurs siècles à 1 000 km (ce sont les orbites des constellations des satellites de télécommunications, comme ceux de Globalstar et d'Iridium) ;
• un million d'années à 36 000 km (ce sont les satellites géostationnaires, ou ceux qui terminent leur service opérationnel et sont désorbités, vers une orbite de rebut).

L'orbite des satellites artificiels circulant sur une orbite basse est généralement maintenue au-dessus de 300 km pour que leur durée de vie ne soit pas trop brève. Posfdsdsfgdfghdgsgdsgdfgfdgsgfgfdgfgdfgdfggfdgdgfdfgddfdfhdfhdfhgdfhgghdhgfdgfhdghfgdfghdfgghfghdgdfghfhgfdghfdghdfghfhgdfdghghd

fdhfdhfdhfhffdfhhffhfur certaines applications (satellite de renseignement, application scientifique), une orbite plus basse peut être choisie de manière temporaire ou permanente pour améliorer la précision de l'observation : le satellite doit alors emporter une grande quantité de carburant pour conserver cette orbite sinon sa durée de vie est particulièrement brève. Les satellites espions américains KH-9 construits dans les années 1980 peuvent ainsi descendre à une altitude de 118 km. On peut réduire la traînée des satellites orbitant à basse altitude en leur donnant une forme aérodynamique, comme dans le cas du satellite GOCE qui, pour affiner notre connaissance du champ de gravité, parcourt une orbite circulaire de 250 km.

Le vent solaire, qui est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons éjectés de la haute atmosphère du Soleil, peut augmenter temporairement la traînée. Ce flux varie en vitesse et en température au cours du temps en fonction de l'activité solaire. Celle-ci suit un cycle de 11 ans. Lors des éruptions solaires, le réchauffement de l'ionosphère entraîne la dilatation vers le haut des couches supérieures de l'atmosphère. Entre 300 et 500 km, la densité peut être multipliée par 10 : la force de traînée augmente en proportion et certains satellites peuvent ainsi perdre plus de 10 km en quelques jours. Ces effets sont particulièrement gênants pour les satellites d’observation de la Terre tels que Spot, dont la position doit être connue avec une grande précision.

Attraction de la Lune et du Soleil

Les deux astres ont une influence sur la trajectoire d'un satellite artificiel. Le Soleil, malgré sa masse, a une influence plus faible que la Lune du fait de son éloignement. La perturbation est d'autant plus forte que l'altitude de l'apogée est élevée : elle est nulle pour les satellites en orbite basse et faible pour les satellites géostationnaires.

Pression de radiation

Les photons émis par le Soleil exercent une pression faible — de l'ordre de 10⁻⁵ Pa autour de la Terre — mais continue sur les objets qu'ils rencontrent. La force exercée est proportionnelle à la surface exposée (l'incidence et le caractère réfléchissant de la surface exposée ont une incidence sur cette force).

Types d'orbite des satellites artificiels terrestres

Le plan d'une orbite héliosynchrone présente toujours le même angle par rapport à la direction du Soleil.

Les orbites des satellites terrestres peuvent avoir de nombreuses formes et orientations : certaines sont circulaires ou au contraire en forme d'ellipse très allongée. Elles peuvent se situer à basse altitude juste au-dessus de l'atmosphère terrestre (250 km) ou dépasser 30 000 km. L'orbite d'un satellite artificiel est choisie pour répondre au mieux aux besoins de la mission. La plupart des satellites utilisent un des quatre types d'orbite suivants :

• l’orbite géostationnaire (ou de Clarke) est une orbite circulaire située dans le plan de l'équateur à une altitude de 35 786 km du sol (le rayon de l'orbite est donc de 42 164 km). À cette altitude la période de révolution du satellite correspond exactement à la période de rotation de la Terre, soit 23 heures, 56 minutes et 4 secondes. Vu de la Terre, un satellite géostationnaire semble immobile dans le ciel : c’est l’orbite parfaite pour les satellites de télécommunications et pour certains satellites d’observation (météo) qui doivent couvrir une zone fixe. Trois satellites géostationnaires suffisent pour l'ensemble de la surface du globe terrestre. La mise à poste d'un satellite géostationnaire nécessite, du fait de l'altitude, un lanceur puissant. Pour les télécommunications la distance franchie par un signal transitant par ce type de satellite crée un délai perceptible par un usager. Les satellites de télécommunications qui ne suivent pas ce type d'orbite sont appelés satellites à défilement ;
• l’orbite polaire est une orbite circulaire basse (par convention entre 300 et 1 000 km d’altitude) dont l'inclinaison, proche de 90°, la fait passer au-dessus ou près des pôles. Un satellite situé sur une orbite polaire passe régulièrement au-dessus de tous les points de la surface grâce à la rotation de la Terre. Les orbites polaires sont généralement des orbites héliosynchrones : ce type d'orbite conserve un angle constant avec la direction Terre-Soleil c'est-à-dire que le plan d'orbite tourne de 360° par an. Les orbites héliosynchrones permettent de passer toujours à la même heure solaire locale au-dessus d'un lieu donné : l'éclairage identique des prises de photo du lieu permet de faire ressortir les changements. Cette caractéristique en fait une orbite idéale pour des satellites d’observation de la Terre. La rotation du plan d'orbite se fait naturellement en utilisant les perturbations de l'orbite générées par l'aplatissement du globe terrestre. L'orbite midi/minuit est un cas particulier d'orbite héliosynchrone où l'heure solaire fixe de passage est aux environs de midi ou minuit pour les longitudes équatoriales. L'orbite crépusculaire, d'une manière similaire, est une orbite héliosynchrone dont l'heure solaire fixe de passage coïncide avec le lever ou le coucher du Soleil ;

Les catégories d'orbite selon l'altitude (schéma à l'échelle).

Les cinq points de Lagrange du système Terre-Soleil.

Traces au sol d'une orbite héliosynchrone et d'une orbite Molnia sur 24 heures.

• l'orbite basse se situe juste au-dessus de l'atmosphère terrestre à une altitude où la traînée ne freine pas trop la vitesse du satellite (par convention l'orbite basse se situe à une altitude inférieure à 2 000 km). Une fusée a besoin de moins de puissance pour placer un satellite sur ce type d'orbite. Elle est utilisée par les satellites scientifiques qui explorent l'espace lointain. Le télescope Hubble, par exemple se situe sur une orbite de 610 km. On trouve également sur ce type d'orbite les satellites de radioamateur et les constellations de téléphonie mobile ou de télédétection terrestre, telle que l'A-train ;
• l'orbite moyenne culmine généralement à une altitude de 20 000 km avec une période de 12 heures. L'orbite située en dehors de l'atmosphère terrestre est très stable. Les signaux envoyés par le satellite peuvent être reçus sur une grande partie de la surface du globe terrestre. C'est l'altitude retenue pour les satellites de navigation comme le système GPS. Un peu plus bas, à 8 063 km, est prévue la constellation de satellites O3b pour la distribution d'Internet ;
• l'orbite haute a un apogée qui se situe à une altitude supérieure à l'orbite géostationnaire. La Russie utilise ce type d'orbite pour certains de ses satellites de télécommunications : l'orbite de Molnia se caractérise par une orbite très excentrique avec un apogée de 40 000 km pour un périgée de 500 km. L’inclinaison de 63,4° permet d'échapper aux perturbations d'orbite découlant de l'aplatissement du globe. L'orbite de Molnia permet une couverture 24 h sur 24 du territoire de la Russie avec une constellation de trois satellites. Cette orbite est utilisée car la Russie ne peut lancer de satellites géostationnaires depuis ses bases spatiales toutes situées à des latitudes trop élevées et les satellites géostationnaires ne peuvent pas couvrir la fraction du territoire russe située à une latitude supérieure à 81° ;
• les orbites autour des points de Lagrange constituent une catégorie à part. Un point de Lagrange est une position de l'espace où les champs de gravité de deux corps célestes se combinent de manière à fournir un point d'équilibre à un troisième corps de masse négligeable, tel que les positions relatives des trois corps soient fixes. Le système Terre-Soleil dispose de cinq points de Lagrange dont deux (L₁ et L₂) se trouvent à relativement faible distance de la Terre (1,5 million de kilomètres). Un satellite positionné à un de ces points a besoin de très peu d'énergie pour se maintenir à poste et contrôler son orientation. L2, situé à l'opposé du Soleil par rapport à la Terre, permet d'observer les étoiles lointaines sans être perturbé par une lumière parasite. Plusieurs télescopes spatiaux ont été ou vont être positionnés près de L2 dont Planck et Herschel en 2009, Gaia en 2013 et le télescope spatial James-Webb en 2021.

Trace au sol

La trace au sol d'un satellite est la projection au sol de sa trajectoire selon une verticale qui passe par le centre du corps céleste autour duquel il tourne. Sa forme détermine les portions de surface balayées par les instruments du satellite et les créneaux de visibilité du satellite par les stations terrestres.

Le dessin de la trace résulte à la fois du déplacement du satellite sur son orbite et de la rotation de la Terre. Cette dernière entraîne une déformation vers l'ouest de la trace par rapport à la trajectoire :

• lorsque l'orbite est circulaire, la déformation est d'autant plus forte que l'orbite est haute. Dans le cas particulier d'un satellite géostationnaire, la trace se réduit à un point ;
• un satellite non géostationnaire dont l'orbite est circulaire et parallèle à l'équateur (inclinaison=0°) aurait une trace droite dont la longueur dépend de son altitude ;
• lorsque l'orbite est elliptique, la trace est particulièrement décalée si le satellite est proche de son périgée. La déformation diminue lorsque le satellite survole des latitudes élevées pour devenir nulle s'il survole les pôles (vitesse de rotation de la Terre nulle en ce lieu) ;
• l'inclinaison i de l'orbite détermine les latitudes entre lesquelles évolue la trace : plus l'inclinaison est forte, plus les latitudes balayées par la trace sont importantes ;
• un satellite dont l'orbite est directe recoupe des méridiens de plus en plus orientaux si la composante est-ouest de sa vitesse angulaire est supérieure à 15° 2' 30' et, dans le cas inverse (orbite rétrograde), recoupe des méridiens de plus en plus occidentaux ;
• dans le cas des satellites d'observation héliosynchrones, ce décalage de la trace joue un rôle important dans la prise d'images, puisqu'il est souvent demandé à ces satellites d'observer le même lieu à des intervalles rapprochés. La fréquence de passage au-dessus d'un point du globe est donc une caractéristique de l'orbite du satellite. Les satellites Spot balayent ainsi les mêmes lieux tous les cinq jours.

Historique

Les précurseurs

La première mention d'un satellite artificiel figure dans la nouvelle The Brick Moon de Edward Everett Hale (1869). Jules Verne évoque également cette idée dans Les 500 millions de la Bégum (1879). En 1903, Constantin Tsiolkovsky (1857–1935) publie Исследование мировых пространств реактивными приборами (« Exploration de l'espace au moyen d'engins à réaction »), qui constitue le premier ouvrage scientifique sur l'utilisation de fusées pour le lancement des engins spatiaux. Dans cet ouvrage, il indique la vitesse minimale que doit atteindre un objet pour qu'il se place en orbite autour de la Terre (8 km/s) et préconise l'utilisation d'une fusée à plusieurs étages avec des moteurs à propergols liquides.

En 1928, le Slovène Herman Potočnik (1892–1929), dans son unique ouvrage Das Problem der Befahrung des Weltraums (« La Problématique du vol spatial »), décrit les moyens à mettre en œuvre pour permettre à l'homme de s'établir de manière permanente dans l'espace. Il décrit comment des vaisseaux spatiaux placés en orbite peuvent être utilisés pour des observations pacifiques et militaires de la surface de la Terre ; il montre l'intérêt de l'apesanteur pour les expériences scientifiques. Le livre décrit le fonctionnement des satellites géostationnaires (évoqués pour la première fois par Tsiolkovsky) et explore le problème des communications entre le sol et les satellites par le biais de la radio. Mais l'ouvrage n'évoque jamais l'utilisation des satellites pour relayer les télécommunications et comme système de radiodiffusion.

En 1945, l'écrivain de science-fiction Arthur C. Clarke (1917-2008) décrit en détail l'utilisation de satellites de télécommunications pour les communications de masse. Clarke passe en revue les contraintes logistiques d'un lancement de satellite, les orbites possibles ainsi que d'autres aspects permettant la création d'un réseau de satellites couvrant le globe en mettant en avant les avantages de disposer d'un système de télécommunications planétaire. Il suggère également l'utilisation de trois satellites en orbite géostationnaire, nombre suffisant pour couvrir l'ensemble de la planète.

Les premiers satellites

Spoutnik 1, le premier satellite artificiel (1957).

Le premier satellite artificiel, Spoutnik 1, est lancé par l'URSS le 4 octobre 1957 et constitue le point de départ de la course à l'espace entre l'URSS et les États-Unis. Spoutnik 2, lancé le 3 novembre 1957 place en orbite pour la première fois une créature vivante, la chienne Laïka. Les États-Unis, dont le programme spatial a pris du retard, placent en orbite leur premier satellite (Explorer 1) le 31 janvier 1958. En juin 1961, trois ans et demi après Spoutnik 1, l'US Air Force détecte près de 115 satellites en orbite autour de la Terre. Les premiers satellites sont utilisés pour des études scientifiques. Les variations de l'orbite de Spoutnik 1 permettent de mieux connaître la densité des couches atmosphériques supérieures.

Premier satellite mis en orbite par un lanceur national

Pays	Année du lancement	Premier satellite (signification du nom)
Union soviétique	1957	Spoutnik 1 (compagnon)
États-Unis	1958	Explorer 1 (explorateur)
France	1965	Astérix (personnage de bande dessinée)
Japon	1970	Ōsumi (nom d'une province japonaise)
Chine	1970	Dong Fang Hong I (Orient rouge)
Royaume-Uni	1971	Prospero X-3 (personnage de Shakespeare)
Inde	1980	Rohini (personnage de la mythologie hindoue)
Israël	1988	Ofeq 1 (horizon)
Ukraine	1992	Strela (flèche)
Iran	2009	Omid 1 (espoir)
Corée du Nord	2012	Kwangmyŏngsŏng 3 numéro 2
Corée du Sud	2013	STSAT-2C

La multiplication des domaines d'application

Telstar 1, premier satellite de communication (1962).

Mariner 9, en se plaçant en orbite autour de Mars en 1971, est le premier satellite artificiel à orbiter autour d'un autre corps céleste que la Terre.

Les satellites d'observation militaire apparaissent dès le début de la conquête spatiale : les satellites américains de la série Corona (premier lancement en juin 1959) permettent d'observer les installations militaires russes que les batteries anti-aériennes protègent de mieux en mieux des avions espions. Ils sont très complexes (les photos prises sont envoyées sur Terre dans une capsule qui doit être récupérée en vol) et il faut 20 lancements avant le premier vol réussi. Le premier satellite d'alerte avancée destiné à détecter le lancement d'un missile stratégique est le Midas américain, dont le premier vol réussi remonte à mai 1960.

TIROS-1, lancé le 1^er avril 1960, inaugure les satellites destinés à l'observation météorologique. Le satellite américain Landsat-1, lancé le 23 juillet 1972, est le premier satellite affecté à l'observation de la Terre et plus particulièrement à l'évaluation des récoltes céréalières. Le satellite GEOS-3, lancé le 9 avril 1975, inaugure l'utilisation d'un radar depuis l'espace. Lancé le 30 mai 1971, le satellite Mariner 9 est le premier satellite mis en orbite autour d'une autre planète (Mars). Le télescope spatial Hubble, lancé en 1990, est le premier observatoire de cette dimension mis en orbite.

Les satellites de télécommunications première application commerciale

En 1960, le premier satellite de télécommunications Echo est placé en orbite basse. C'est un satellite passif qui se contente de renvoyer les signaux, contrairement à Telstar 1 mis en orbite 1962 qui les amplifie : pour recevoir le signal de ce dernier il faut malgré tout une antenne de plusieurs dizaines de mètres. À l'époque, seuls les États-Unis maîtrisent la technologie permettant de créer un système de télécommunications spatial. L'organisation Intelsat est mise en place pour rentabiliser l'investissement américain en faisant bénéficier ses adhérents de la prestation américaine en échange de leur contribution. Le satellite Early Bird (1965), lancé pour le compte d'Intelsat, est le premier satellite de télécommunications placé en orbite géostationnaire. La capacité des satellites de télécommunications, limitée initialement à 300 circuits téléphoniques, va augmenter en profitant des progrès de l'électronique pour atteindre 200 000 circuits à la fin du XX^e siècle.

Les satellites Symphonie (1974-1975), fruits d'une coopération franco-allemande, sont les premiers satellites de télécommunications réalisés en Europe. Plusieurs innovations sont introduites : la stabilisation trois-axes en orbite géostationnaire et le recours à un système de propulsion biergol pour la manœuvre de circularisation géosynchrone et le maintien à poste.

Des opérateurs internationaux (Inmarsat affecté aux communications maritimes, Interspoutnik pour les pays de l'Est), régionaux (Eutelsat opérateur européen, Arabsat…), nationaux et privés (Astra) sont créés dans les années 1970-1980 pour mutualiser les moyens nécessaires à la mise en place de réseaux de satellites dédiés tandis qu'Intelsat assure une couverture mondiale. La Russie, handicapée à la fois par la latitude de ses bases de lancement et celle d'une grande partie du pays, n'adopte pas le système des satellites géostationnaires qui s'est généralisé mais met en place un système reposant sur des satellites en orbite moyenne fortement elliptique. Dans les années 1990-2000, la rentabilité de l'activité, qui s'est diversifiée (télévision directe, Internet, messagerie), s'accroît fortement : en conséquence les organisations internationales (Intelsat) et régionales (Eutelsat) sont progressivement privatisées tandis que les opérateurs privés se multiplient. L'activité fait partie des secteurs les plus touchés par la bulle Internet de la fin des années 1990 : plusieurs opérateurs mettent en place des projets de constellations (de 10 à 70 satellites) en orbite basse (Iridium, Globalstar…) pour lancer entre autres la téléphonie par satellite. Mais la rentabilité n'est pas au rendez-vous et les projets sont arrêtés ou leurs objectifs sont revus à la baisse. Les trois quarts des revenus proviennent aujourd'hui de la télévision par satellite en pleine expansion sur tous les continents.

Domaines d'utilisation

Les satellites sont de deux types. Les satellites d'application, les plus nombreux, sont mis en œuvre pour prendre en charge les télécommunications sur de vastes territoires et observer la Terre (observation, géo-positionnement, télédétection, reconnaissance militaire). Leur service ne devant pas s'interrompre, ils nécessitent des redondances en orbite et des remplacements par de nouvelles générations. Les satellites scientifiques, quant à eux, ont un éventail très vaste de missions allant de l'étude du milieu spatial à celle de l'espace lointain par des télescopes spatiaux.

Les atouts du satellite

Une grande partie du spectre électromagnétique est filtrée par l'atmosphère terrestre et ne parvient pas jusqu'au sol ; seuls des télescopes montés sur des satellites permettent d'étudier les rayonnements gamma et X riches en informations cosmologiques mais qui sont complètement absorbés par l'ionosphère. Une partie du rayonnement ultraviolet est interceptée par l'ozone tandis que le rayonnement infrarouge est absorbé par la vapeur d'eau et le gaz carbonique contenu dans l'atmosphère. Dans le domaine du rayonnement visible, le télescope spatial s'affranchit des perturbations atmosphériques et de la pollution lumineuse auxquels sont confrontés les télescopes terrestres.

Le satellite est dans une position idéale pour observer la Terre. Placé sur une trajectoire adaptée, il dispose d'un champ d'observation qui peut embrasser un hémisphère terrestre entier ; il peut également, avec des instruments récents, descendre à une résolution de quelques décimètres. Il est capable de photographier périodiquement à la même heure solaire une zone de la surface terrestre avec une régularité de métronome, permettant de mettre en évidence rapidement les changements intervenus.

Dans le domaine des télécommunications un seul satellite peut assurer le relais entre des stations dispersées sur un continent entier ou transmettre à partir de sa seule antenne des émissions télé ou radio à tous les récepteurs individuels de plusieurs pays : il remplace une infrastructure terrestre lourde très coûteuse et susceptible d'être rapidement frappée par l'obsolescence technique. L'échec financier de la téléphonie par satellite, vaincue par les progrès du GSM, démontre que cet avantage n'est pas toujours décisif.

Enfin, un satellite est le meilleur moyen d'étudier les conditions régnant dans l'espace : flux de particules, champs électriques et magnétiques.

Les satellites scientifiques

Fichier:Gravity Probe B.jpg

Le satellite Gravity Probe B, qui doit vérifier certaines des prédictions de la relativité générale.

Les satellites scientifiques regroupent les satellites affectés aux études scientifiques depuis l'espace. On retrouve dans cette catégorie les premiers satellites comme Spoutnik 1 dont les émissions radio ont permis d'étudier les couches atmosphériques supérieures. Les premières briques de l'Europe spatiale ont été posées à la demande des scientifiques qui sont à l'origine des organismes européens de l'ELDO et de l'ESRO.

L'étude de la Terre et de l'espace proche

On trouve dans cette catégorie des satellites dont les missions portent sur la géodésie (niveau des océans, par TOPEX/Poséidon), la géodynamique (étude de la tectonique des plaques), la modélisation du fonctionnement de la biosphère (devenue un enjeu vital dans le cadre de la théorie du réchauffement climatique).

La recherche en physique fondamentale

L'espace est également un lieu idéal pour vérifier certaines théories physiques dans lesquelles la gravité est en jeu. On peut citer la vérification du principe d'équivalence par les satellites Microscope et STEP ou la recherche d'ondes gravitationnelles par (Lisa).

Les satellites d'astronomie

Les satellites d'astronomie, qui sont des télescopes en orbite, permettent d'observer l'espace lointain avec une résolution qui dépasse celles des observatoires terrestres les plus puissants (Hubble). Tout le spectre électromagnétique est aujourd'hui étudié par des télescopes spatiaux : rayonnement X (XMM-Newton), gamma (INTEGRAL), infrarouge (télescope ISO). La fin de la décennie 2000 est fertile en nouveaux instruments (pour l'Europe Herschel, Planck). L'absence d'atmosphère permet la détection d'exoplanètes situées dans des systèmes stellaires extérieurs (CoRoT).

Les satellites de télécommunications

Les satellites de télécommunications sont utilisés pour transmettre des informations d'un point à l'autre de la Terre, notamment les communications téléphoniques, la transmission de données (par exemple Thuraya), les communications par satellite et les programmes télévisés. C'est le seul domaine qui génère des revenus très supérieurs aux dépenses. Les clients sont des sociétés privées ou d'anciens organismes internationaux privatisés qui disposent généralement d'une flotte de satellites en orbite. Le domaine est le plus grand utilisateur de l'orbite géostationnaire.

Les principales flottes de satellites de télécommunications sont celles :

• d'Intelsat, couvrant tous les pays du monde pour les communications générales ;
• d'Inmarsat, pour les communications maritimes ;
• d'Eutelsat (Hot Bird, Atlantic Bird 3, W1,2,3, etc.) et de la SES ou Société européenne de satellites, (Astra 1 et 2), pour l'Europe ;
• d'Arabsat couvrant depuis les années 1980 l'ensemble des pays de la Ligue arabe.

Les satellites dits de diffusion directe sont en forte progression depuis une dizaine d'années : ils émettent des bouquets de chaînes payants et cryptés, ainsi que des centaines de chaînes TV&Radio en clair et gratuites, qui peuvent être reçues sur une antenne, de type parabole, domestique de petite dimension (< 60 cm) et de faible prix, grâce à la forte puissance d'émission des satellites de diffusion.

Les satellites d'observation

Le A-train une constellation de six satellites franco-américains d'observation de la Terre, en orbite héliosynchrone.

Les satellites de télédétection observent la Terre, dans un but scientifique (température de la mer, manteau neigeux, sécheresse…), économique (ressources naturelles, agriculture…) ou militaire (rôle majeur dans les guerres contemporaines ; ils sont plus couramment désignés sous le nom de satellites-espions). Le spectre d'observation est vaste : optique, radar, infrarouge, ultraviolet, écoute de signaux radioélectriques. La résolution atteint actuellement moins d'un mètre pour certaines gammes de fréquence. Celle-ci dépend de la technologie employée mais aussi de l'altitude du satellite : une bonne résolution exige une orbite basse, en général héliosynchrone, utilisée par exemple par les satellites d'observation de la Terre de la famille SPOT. L'orbite géostationnaire, fixe, est préférée pour la surveillance permanente en temps réel, comme dans le cas du programme de veille météorologique mondiale et ses familles de satellites météorologiques, dont l'européen METEOSAT.

Les satellites radars peuvent analyser, par des techniques interférométriques, des variations de quelques millimètres de certaines structures. Ils sont utiles pour examiner les mouvements des plaques continentales, particulièrement avant ou après un séisme, ou les variations d'épaisseur de la banquise.

Les satellites de localisation et de navigation

Ces satellites permettent de connaître la position d'objets à la surface de la Terre, dans les airs (avions, missiles) et dans l'espace. Exemples : DORIS, le système américain GPS, le futur système européen Galileo, le système russe GLONASS ou encore le chinois COMPASS.

Dans cette catégorie, se situe également le système Argos de positionnement d'objets mobiles, datant de 1978 et emporté par les satellites météorologiques américains et l'européen MetOp.

Les satellites militaires

Les besoins des militaires sont à l'origine des premiers satellites d’observation : dès 1959, dans le cadre de la guerre froide, les États-Unis et l’URSS ont développé des satellites militaires d’observation, que l’on appelle couramment et abusivement « satellites-espions » (les premiers d’entre eux furent la série des Discoverer). Ils permettaient d'observer les ressources militaires de l’ennemi dans des zones peu accessibles. Aujourd'hui les conflits modernes y font largement appel et ne pourraient certainement plus s'en passer, employant différents types de satellites militaires :

• les satellites de reconnaissance (par exemple Helios), qui utilisent les techniques optiques, infrarouges, radars pour obtenir des images des installations stratégiques (installations militaires, champs de bataille…). Ces satellites parfois dotés de capacités hors normes (résolution de quelques centimètres, capacité à descendre à basse altitude, masse de plus de dix tonnes) ont contribué à défricher les techniques utilisées aujourd'hui par les satellites d'observation civile ;
• les satellites de télécommunications utilisés pour les liaisons militaires généralement chiffrées (par exemple satellites du programme Syracuse) ;
• les satellites d'écoute des télécommunications et des signaux radars qui déploient des antennes dont le diamètre pourrait atteindre plus de 100 mètres (satellites américains Mentor) ;
• les satellites de suivi des flottes marines (RORSAT) qui repèrent les navires de guerre grâce aux émissions radar ;
• les satellites d'alerte précoce équipés de senseurs infrarouges (série des satellites américains DSP) permettant de détecter la chaleur émise par le lancement d'un missile balistique ;
• les satellites de navigation utilisés dans le cadre des opérations militaires (constellation GPS avec un usage mixte civil/militaire) pour le guidage précis des missiles de croisière, des obus et le positionnement des unités de tous types;
• les satellites météorologiques affectés aux missions militaires.

L'étude des autres corps célestes du système solaire

Les agences spatiales les plus avancées ont lancé dès le début de l'ère spatiale des engins spatiaux pour explorer le système solaire à l'aide d'instruments scientifiques. Ces sondes spatiales n'étaient capables dans un premier temps que d'un simple survol des planètes étudiées car la mise en orbite autour d'un corps céleste éloigné nécessite une navigation d'une grande précision et une masse plus ou moins importante d'ergols. Le progrès des techniques spatiales et la puissance croissante des lanceurs ont permis de placer certains de ces engins en orbite d'abord autour de la Lune et des planètes proches (Mars, Vénus), puis de corps célestes plus lointains (Jupiter, Saturne, Vesta, Cérès) ou difficilement accessibles, comme Mercure profondément enfoncé dans le puits gravitationnel du Soleil ou les comètes et astéroïdes au champ gravitationnel irrégulier. En se plaçant sur une orbite le plus souvent polaire la sonde spatiale peut mener une étude prolongée de l'ensemble du corps céleste. Ces recherches peuvent être suivies d'une mission de dépose d'un engin spatial de type atterrisseur (statique) ou rover (mobile) à la surface du corps céleste pour une étude in situ.

Fiche d'identité d'un satellite

Diagramme du satellite d'observation de la Terre Spot 5.

Le capteur CCD du télescope Kepler (95 mégapixels) fait partie de la charge utile

Un satellit