La Dynamique Spatiale

1. La Dynamique Spatiale Un outil pour la métrologie de l’espace et du temps

2. Concepts • Systèmes de référence • Dynamique des sondes spatiales • Dynamique des vols en formation

3. Concepts • Systèmes de référence • Dynamique des sondes spatiales • Dynamique des vols en formation

4. Introduction Les satellites artificiels tournent autour de la Terre Spoutnik mis en orbite le 4 octobre 1957 Les sondes spatiales voyagent dans le système solaire et au-delà • Les corps dans l’espace sont en mouvement les uns par rapport aux autres : • Un objet lâché sans vitesse retombe sur Terre, • La Lune tourne autour de la Terre qui tourne elle-même autour du Soleil

5. Mécanique céleste et dynamique spatiale • Mécanique céleste : modélisation et calcul du mouvement des corps célestes (Newton, XVIIeme) • Dynamique spatiale : étude des mouvements (et de leurs causes) des satellites artificiels et sondes spatiales (Brouwer, 1959) • Etude du mouvement étude des forces qui modifient ce mouvement

6. Les causes du mouvement En l’absence de gravité, un projectile doté d’une vitesse initialesuit un mouvement rectiligne et uniforme vitesse mouvement Si on ajoute la gravité d’un autre corps massique, celle-ci incurve la trajectoire du projectile… mouvement …d’autant plus que sa vitesse est faible, sa distance est proche, et que la masse du corps est importante. le mouvement du « projectile » nous renseigne sur les corps qu’il « survole » vitesse gravité gravité gravité gravité C’est ce qu’ont montré Kepler et Newton

7. Les causes du mouvement (suite) Mais si on va dans le détail (c’est notre métier !) les choses se compliquent… • Il faut aussi prendre en compte : • la forme complexe des corps « survolés », • leurs déformations au cours du temps (marées, gravité à long terme), • le freinage par l’atmosphère, • les pressions de radiation (solaire directe et albédo, IR planètes), • les « poussées thermiques » • … On modélise des effets jusqu’à 1012 fois plus faibles que le terme principal de gravité.

8. Les observations La confrontation du mouvement modéliséaux observations permet de tester (c’est là que les ennuis commencent…) et d’améliorer les modèles dynamiques. Ressemblants ? Vous avez dit ressemblants ? Dynamique Observation On ne se contente pas de modéliser le mouvement, on l’observe… • Les principaux types d’observation sont : • des mesures de distance entre des stations (terrestres ou planétaires)et les sondes spatiales : radar ou laser • des mesures de vitesses radiales entre des stations et les sondes :effet Doppler • parfois (de plus en plus) des mesures d’accélérations non gravitationnelles : accéléromètres spatiaux.

9. Récapitulons Dynamique de mouvement (reliée à l’environnement) Observations (reliée à l’environnement) Stations terrestres • Données sur l’environnement de la sonde • Données sur l’environnement du lien observationnel • Connection entre repères terrestres et célestes

10. Terre, dis moi comment je bouge et je te dirai qui tu es !

11. Quelques résultats marquants • Détermination des grandes longueurs d’onde des champs de gravité de la Terre, de la Lune et de Mars méthodes spécifiques développées à l’OCA pour les variations temporelles lentes • Modèles de densités atmosphériques modèles DTM de l’OCA • Test de certains aspects de la gravitation : observation de l’effet Lens-Thirring une thèse à l’OCA • Matérialisation de systèmes de références terrestres et célestes l’OCA est centre d’analyse pour les observations laser

12. Concepts • Systèmes de référence • Dynamique des sondes spatiales • Dynamique des vols en formation

13. Rotation Position des points sur la Terre Position des corps dans l’espace Repère de Référence Céleste (ICRS) Repère de Référence Terrestre (ITRS) Paramètre d’orientation de la Terre (EOP) Notre domaine d’activité

14. Repère de Référence Terrestre • Le Repère de Référence terrestre : • réalise un système de référence géocentrique sans mouvement d’ensemble par rapport à la croûte terrestre • est matérialisé par des données de positions et vitesses à une époque de référence (ainsi que des séries temporelles de coordonnées en tant que sous-produit) • repose sur la combinaison de solutions individuelles calculées par les 4 techniques de géodésie spatiale (GPS, DORIS, SLR, VLBI)

15. Orientation de la Terre • L'orientation de la terre est la rotation entre la croûte terrestre (le repère terrestre) et un trièdre géocentrique lié aux quasars (repère céleste géocentrique): • la précession-nutation de l'axe de figure de la Terre dans l'espace => lesécarts au pôle céleste (dy,de) ou (dX,dY) • l'angle de rotation de la Terre autour du pôle céleste intermédiaire => la différence (UT1-UTC) ou (UT1-TAI) 
 • le mouvement du pôle céleste intermédiaire par rapport à la croûte terrestre => (xp,yp) • Les Paramètres d’Orientation de la Terre : • sont obtenus par combinaison des solutions des 4 techniques de géodésie spatiale (laser, GPS, DORIS, VLBI) • se matérialisent par des séries temporelles

16. Résultats • Confrontation du mouvement du géocentre mesuré avec des modèles géophysiques • Série temporelle du géocentre déterminé par SLR (solution GEMINI, en rouge)et DORIS (LEGOS, en bleu) • Modèle géodynamique globale (redistribution des masses dans les océans, l’atmosphère et sur les continents) : en marron Feissel M., Le Bail K., Berio P. et al., 2006

17. Notre Activité • Notre activité s’articule autour de la méthodologie, le traitement des données et l’interprétation des résultats • Méthodes d’estimation et de représentation des séries temporelles Ex : combinaison multi-techniques Mesures SLR DORIS Combinaison au niveau des mesures ITRF et EOP VLBI GPS Coulot D., Berio P. et al., 2007 • Traitement des données • accessibilité et visualisations des résultats selon les standards OV

18. Centre d’Analyse de l’ILRS (International Laser Ranging Service) • Notre groupe est devenu officiellement le 8ème Centre d’Analyse • de l’ILRS depuis le 22 Octobre 2007 • Il y a actuellement 2 centres aux USA, 3 en Allemagne, 1 en Italie, 1 en Australie et 1 en France • Centre de traitement opérationnel (solution position+eop chaque semaine) • En collaboration étroite avec le GRGS, l’IGN et le CNES • Ressources humaines: 2 ETP dont un SO astronome. • Evolution : vers un service journalier de calcul des paramètres de rotation de la terre

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20. Dynamique des sondes aux frontières du système solaire • Satellite proche de la Terre : • Modèles dynamiques complexes • Observations nombreuses et variées information sur environnement terrestre • Sonde loin de la Terre et des planètes : • Modèle dynamique plus simple permet de tester la dynamique(lois de la gravitation) aux confins dusystème solaire • Difficulté : on manque parfois d’observations et d’informations • Besoin minimal : • Système de poursuite performant • Manœuvres (pointage) limitées • Cassini • Pioneer 10 & 11

21. Cassini Observation du décalage Doppler lié à la courbure et au retard gravitationnel des ondes électromagnétiques  Bertotti et al, 2002 • Mesure de l’effet Doppler (vitesse radiale) selon 3 fréquences • Absence totale de manœuvre et arrêt des autres instruments durant 1 moisautour de la conjonction Terre-Soleil-Cassini

22. Pioneer 10 & 11

24. Masse : 250 kg Distance : jusqu’à 80 UA (distance Soleil-Terre = 1 UA) Vitesse : 12-13 km/s = 2.5 UA / an Accélération gravi (>30 UA) : quelques 10-6 ms-2 Pression de radiation (>30 UA) : < 10-10 ms-2 La dynamique de Pioneer Les observations de vitesses radiales des sondes peuvent être comparées à la trajectoire modélisée à partir de la dynamique connue Cela ne fonctionne pas !!  Il est nécessaire d’ajouter une accélération empirique de ~8.5 10-10 ms-2, constante, dirigée vers le Soleil (ou la Terre) : Anomalie Pioneer

25. Allo Huston, je crois que nous avons un problème d’accélération empirique…

26. Résultats du JPL

27. Confirmés par nos analyses (Groupe Anomalie Pioneer) • GAP : • Modélisation • LKB • OCA/GEMINI • ONERA • Instrumentation : • IOTA • OCA/ARTEMIS • OCA/GEMINI • ONERA • SYRTE

28. PIONEER10 RMS=8.4 mHZ ap=-8.35x10-10 +/- 1.5x10-12 m/s2 RMS=5.26mHZ ap=-8.34x10-10 +/- 1.1x10-12 m/s2 A1y=0.49 +/- 0.1 Hz A1/2y=1.53x10-2 +/- 6x10-4 Hz A1d=2.5x10-4 +/- 1x10-4 Hz Vitesse orbitale de la Terre ==> ~500 000 Hz Vitesse de la sonde ==> ~200 000 Hz Vitesse de rotation de la Terre ==> ~7500 Hz

29. Effet classique (mais subtil !) non pris en compte dans les modèles ? Source de gravité cachée Pression de radiation Poussée thermique Modification de la gravitation ? ==> doit être compatible avec les observations (très précises) dans le système solaire. Interprétations possibles

30. Comment trancher entre effets gravitationnels et effets non gravi ? • En observant une plus grande proportion des trajectoires : • Les résultats actuels correspondent aux données les plus récentes (les plus loin du Soleil) • Sur l’ensemble de la trajectoire les effets gravitationnels et non gravitationnels ont des signatures différentesun effort de réhabilitation des observations anciennes est en cours à la NASA • En équipant les futures sondes • De systèmes de positionnement précis (doppler, VLBI, laser) • D’accéléromètres permettant de mesurer les effets non gravitationnels • Propositions du GAP à l’AO Cosmic Vision (ESA)

31. Concepts • Systèmes de référence • Dynamique des sondes spatiales • Dynamique des vols en formation

32. Particularité de la dynamique des vols en formation: K r1 J N I r2  T R • Éviter les collisions • Eviter la dispersion • Contrôler la distance • Reconfigurer de façon optimale la formation Problématique spécifique aux vols en formation : , r1 r2  < <

33. Différentes problématiques : GRACE ‘follow-on’ : trouver les configurations les plus sensibles aux champ de gravité LISA : minimiser les variations d’angles et distances entre les satellites SIMBOL-X : modéliser les mouvements relatifs avec de très fortes excentricités et perturbés par la pression de radiation solaire

34. Différentes paramétrisations pour étudier le mouvement relatif Coordonnées cartésiennes Eléments orbitaux différentiels Les éléments orbitaux locaux

35. Les éléments orbitaux locaux (Fontdecaba, 2007) N il al: semi-major axis el = 1 - (bl/al)2 : excentricity il : inclination l : longitud of ascending node l: longitud of perigee Ml : anomaly Ml T  l bl al R • Dans le cas d’orbites individuelles circulaires et non perturbées, la trajectoire relative est une ellipse : • Dans le cas d’orbites individuelles elliptiques et/ou perturbées, on peut considérer des éléments orbitaux osculateurs.

36. Merci

39. Pioneer 10 et Pioneer 11 lancées en 1972 et 1973 par la NASA Objectif : exploration du système solaire (Jupiter, Saturne). Suivi des trajectoire par mesure de vitesse Doppler. Pioneer 10 observée jusqu’en 2002 (80 UA du Soleil). Pioneer 11 observée jusqu’en 1990 (30 UA du Soleil). Problème : il faut ajouter une accélération empirique très significative aux accélérations d’origine connue pour expliquer les observations : anomalie Pionner==> observé à la fois sur P10 et P11 PRESENTATION DU PROBLEME

40. Systèmes de référence • Fondamentalement, le mouvement des corps célestes estmodélisé et calculé dans un repère dit inertiel, relié aux astreséloignés. • La plupart des observations relient le corps observé à des stations terrestrerattachées à la Terre en mouvement (translation et rotation) parrapport au repère inertiel céleste • Pour interpréter les observations il faut tenir compte • de la position du corps dans l’espace (modèle dynamique) • de la position des stations sur Terre (repère terrestre) • de la rotation de la Terre dans l’espace (repère terrestre / repère céleste) Inversement, les observations doivent pouvoir nous donnerdes informations sur les repères de référence