Les missions

Observer le Terre

POURQUOI OBSERVER LA TERRE

L’observation de la Terre depuis l’Espace a transformé notre connaissance de la planète.
Comme l’a rappelé Thomas Pesquet à son retour de l’espace : « La Terre est un vaisseau spatial avec 7 milliards de passagers…et on n’a pas de plan B ». Or, pour la préserver, il faut l’observer.

La planète Terre vit sous le regard constant des satellites qui l’observent, étudient ses caractéristiques physiques, son atmosphère, ses océans, ses terres émergées et fournissent des mesures indispensables pour la météorologie, l’océanographie, l’étude du changement climatique, l’aménagement du territoire, la sécurité des citoyens et bien d’autres usages.


Pourquoi observer la Terre © ESA (en anglais)

COMMENT OBSERVER DE LA TERRE

L’Espace est un endroit privilégié pour observer notre planète. Le domaine le plus largement couvert par les satellites d’observation de la Terre, et le plus ancien historiquement, reste celui de l’imagerie, qu’elle soit optique ou radar.

En simplifiant beaucoup, un satellite d’observation de la Terre est comme un très gros appareil photo d’environ 1 à 2 tonnes placé sur une orbite dite polaire  à 600-800 km au-dessus de nos têtes.

Son fonctionnement standard contient les étapes suivantes :

  • Recevoir la liste des zones à photographier qui sont envoyées par le centre de contrôle
  • Prendre les images des zones programmées
  • Stocker ces images dans sa mémoire de bord
  • Les retransmettre au sol quand il passe au-dessus d’un centre de réception.

En simplifiant un peu moins, on peut distinguer différents types de capteurs associés à des performances qui sont adaptées à chaque mission :

Imagerie optique

Ces satellites en imagerie optique sont équipés de capteurs passifs qui vont capter la lumière émise par la terre dans différentes bandes de fréquence correspondant aux différentes couleurs du spectre visible (typiquement rouge, bleu et vert) et parfois infra rouge. Les images optiques dans le spectre visible ne peuvent être acquises que de jour, elles sont sensibles aux nuages, aux brouillards, à la pollution et aux fumées. La prise en compte de la météo est indispensable car les nuages masquent la prise de vue.

Imagerie optique

Imagerie Radar

Les principaux capteurs actifs sont des systèmes appelés « radar ». Dans ce cas, le satellite émet un signal vers la Terre, ce signal est réfléchi par les objets à la surface de la Terre, puis enregistré par le capteur du satellite. Il existe différents types de radar, pour observer les terres ou les mers.

L’image radar est constituée du résultat de la réflexion des ondes envoyées sur les objets au sol :

Imagerie Radar
  • Une surface lisse, homogène et horizontale va créer une réflexion opposée à la source d’émission, donc un faible signal reçu par l’antenne du satellite, se traduisant par des zones sombres ou noires sur l’image
  • Une surface rugueuse produira une réflexion diffuse, avec une partie captée par l’antenne du satellite, se traduisant par des zones grises plus ou moins claires sur l’image
  • Un objet anguleux avec des faces homogènes produisant de fortes réflexions de la source d’émission, se traduira par un « spot » très visible et blanc sur l’image.

Le signal radar traverse les nuages et permet donc de voir quelle que soit la météo !

Une image satellite, c’est quoi ?

Une image acquise par un satellite (optique ou radar) est très similaire à la photographie prise par un smartphone: elle est composée de millions de pixels.

Une image utilise beaucoup de stockage : Une seule image Pléiades en couleur représente 20×20 km au sol. Elle est constituée de 3 images monochromes acquises dans 3 longueurs d’ondes différentes. Chaque pixel fait 50 cm de large. Chaque image monochrome est constituée de 40 000 lignes et 40 000 colonnes donc un total 1 600 millions de pixels.

Chaque satellite est caractérisé par deux spécificités :

La fauchée (ou couloir-couvert) :

elle correspond à l’emprise au sol des images acquises par les satellites. Une large fauchée permet d’avoir une plus grande zone couverte lors d’une prise de vue.

Fauchée d'un satellite

La résolution

elle correspond à la taille du pixel de l’image et mesure donc la capacité à montrer des détails. Par exemple, une résolution à 50 cm va permettre d’identifier plus de détail qu’une résolution à 1,5 m.

Image réalisée par SPOT
Image réalisée par Pléiades

Crédit Airbus Defence & Space
L’illustration présente la même zone à une résolution de 1,5m à gauche (SPOT6) et 0,5m à droite (Pléiades 1A)

A chaque mission, ses caractéristiques

Les satellites d’observation de la Terre varient selon les instruments d’imagerie (optique ou radar), la résolution des capteurs, de leurs caractéristiques spectrales et de la largeur de la fauchée. Tous ces paramètres sont configurés au début de la phase de définition de la mission en fonction de l’application attendue du satellite.

Quelques exemples :

Fauchée Altitude Résolution
290 km 786 km 20 m Satellite européen Sentinel 2
60 km 694 km 1,5 m Satellites français SPOT 6 et SPOT 7
20 km 694 km 50 cm Satellites français Pléïades 1A et 1B
14 km 620 km 30 cm Satellite américain Worldview-4
Pléiades Néo (satellites français qui seront lancés en 2020)
< 30 cm Satellites militaires: Impossible à savoir car l’information est confidentielle

Tu peux noter que plus le satellite a une bonne résolution, plus sa fauchée est étroite et son altitude faible. Les 3 caractéristiques sont liées !

En résumé : Pour avoir une bonne résolution, il faut être bas en altitude et donc la fauchée devient étroite. Si la fauchée est étroite, la fréquence et la capacité d’acquisition d’images sur une zone donnée diminue.

Mais les utilisateurs veulent aussi de la réactivité c’est-à-dire des images le plus rapidement possible. Par exemple, dans le domaine de la défense, le délai entre la demande et la livraison de l’image doit être le plus court possible (et la résolution la meilleure possible !).
Pour que le système reste performant, il faut alors jouer sur d’autres paramètres :

  • Plus de satellites : Pour une meilleure optimisation, les 4 satellites d’observation Français (Pléiades 1A, Pléiades 1B, SPOT6 et SPOT7) sont placés sur la même orbite, à 90° les uns des autres.  Le premier satellite qui passe prendra la photo (si la météo est bonne !)
  • Plus de réactivité : Afin de réduire les délais notamment celui entre l’acquisition de l’image par le satellite et sa livraison à la station sol, il faut avoir un réseau de nombreuses stations au sol bien situés et notamment près des pôles.
  • Plus d’agilité : L’agilité est la capacité d’un satellite à s’orienter vite pour une prise de vue afin de pouvoir viser la zone souhaitée. Suivant les utilisations, il est possible de prendre une image en Nadir (c’est-à-dire juste sous le satellite) ou bien avec un angle pouvant atteindre un maximum de 45deg (à droite ou à gauche mais aussi en avant ou en arrière !)
Déplacements par gyroscopes

Les gyroscopes permettent des manœuvres rapides dans toutes les directions pour le ciblage de plusieurs zones d’intérêt lors d’une même orbite.

Agilité pour images 3D

L’agilité des satellites permet d’acquérir des paires ou des triplets d’images au-dessus de zones d’intérêt afin d’obtenir des images en 3D

Autres outils de mesure

Au-delà de l’imagerie, d’autres satellites d’observation recouvrent de nombreux domaines et techniques associées : mesure de hauteurs de glaces ou d’océans avec des altimètres, sondage atmosphérique avec des spectromètres ou des lidars, mesure de vitesse de vents avec des scateromètres. Pour en découvrir plus, découvre les usages des satellites pour l’environnement.

Quelques exemples de satellites d’observation

Sentinel-2 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 ont été mis en orbite en 2015 et 2017.

SPOT 7 and SPOT 6 sont des satellites d’observation d’Airbus Defence and Space. La video illustre l’agilité et la réactivité de ces satellites.

  • Cnesmag Imagerie spatiale
  • VidéoC’est pas sorcier : Sabine et Jamy se penchent sur les missions de ces satellites d’observation. En s’appuyant sur les magnifiques clichés de notre Terre vue de l’espace, ils nous font découvrir la multitude des tâches qui leur incombent.
  • Deux exemples de satellites d’observation de l’environnement non-imageurs :
    • Microarb pour cartographier les sources du CO2 : principal gaz à effet de serre
    • Merlin (Methane Remote Sensing Lidar Mission) pour mesurer la concentration en méthane atmosphérique

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