3 instruments à bord dédiés à l’observation du champ magnétique

Chacun des 3 satellites de la constellation de la mission SWARM emporte 3 instruments dédiés à l’observation du champ magnétique.

Les 3 instruments sont :

• Le magnétomètre ASM (Absolute Scalar Magnetometer). Il mesure la force du champ magnétique avec grande précision. Ses mesures servent à étalonner l’instrument VFM. C’est un instrument absolu : ses paramètres internes ne changent pas au cours du temps.

• L’instrument de mesure de champ électrique EFI (Electrical Field Instrument). Il est composé de deux sous-systèmes : LP (Langmuir Probe) et TII (Thermal Ion Imager). Cet instrument mesure la densité des électrons, leur température et le potentiel électrique du satellite. Il mesure les caractéristiques du déplacement des ions et de leur vitesse avec une grande précision afin de déterminer quel est le champ électrique autour de la Terre.

• Le magnétomètre VFM (Vector Field Magnetometer). C’est l’instrument principal de la mission. Il produit des mesures de grande précision de la magnitude et la direction du champ magnétique, c’est-à-dire son vecteur. L’orientation de ce vecteur est déterminée par le sous-système appelé Star Tracker Assembly, qui fournit des données concernant l’attitude du satellite.

Des magnétomètres révolutionnaires

La précision scalaire absolue de l'ASM est en effet meilleure que 65 pT, ce qui représente un millionième de la grandeur à mesurer. Ces instruments ASM fournissent les données d'intensité de champ de référence de la mission, et servent à calibrer les données vectorielles du champ fournies par l'association des instruments VFM couplés aux caméras stellaires STR. En raison de son rôle crucial pour la mission, l'ASM est entièrement redondé sur SWARM (redondance froide).

Conçu par le CEA-Leti à Grenoble et fourni par le CNES, qui a par ailleurs contribué à la spatialisation de cet instrument, ce magnétomètre scalaire de nouvelle génération améliore les performances et supprime les limitations des sondes à résonnance magnétique nucléaire (RMN) à précession de protons utilisées pour les missions Ørsted et CHAMP (sondes des magnétomètres scalaires Overhauser du CEA-Leti, développés en collaboration avec le CNES pour Ørsted).

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement du magnétomètre scalaire (ASM) est basé sur la spectroscopie atomique de l'Hélium 4.

Il exploite l'effet Zeeman, le signal étant amplifié par une technique de pompage optique des atomes d'Hélium 4. Cette technologie innovante lui confère une sensibilité et des performances inégalées, identiques en tout point de l'orbite.

Ces mesures sont absolues, c'est-à-dire sans dérive ni biais, en raison du principe de la mesure, ce qui permet d'utiliser ce magnétomètre en tant que référence magnétique pour la mission SWARM. Véritable condensé de technologies, le défi majeur résidait dans la qualification pour l'utilisation spatiale de ses composants, dont notamment une source laser à fibre et un moteur piézoélectrique a-magnétique. Ces technologies ont été embarquées pour la première fois sur SWARM.

Le choix et la qualification de matériaux a-magnétiques a également été un challenge, le PEEK pur (un polymère non chargé) a ainsi été sélectionné. C'est la première fois que ce matériau était utilisé dans une application spatiale pour réaliser entièrement une structure mécanique complexe, incluant des capteurs composés de nombreuses pièces dont une partie mobile et des vis contribuant à la tenue mécanique.

L'ASM fournit en routine un jeu de mesures par seconde. Cependant, il est aussi capable de fournir des mesures scalaires à une fréquence de 250 Hz. Cette faculté a été exploitée en début de vie pour analyser le contenu spectral du champ magnétique au-delà de 1 Hz, jusqu’alors mal connu.

Des mesures vectorielles absolues

Grâce à un concept innovant, cet instrument permet également de réaliser des mesures vectorielles absolues, autrement dit de mesurer de manière absolue les composantes du champ magnétique selon trois directions perpendiculaires. Ceci en fait le premier instrument capable de réaliser des mesures scalaires et vectorielles simultanément au même point, avec une excellente stabilité. SWARM offre ainsi une opportunité unique de valider ce concept dans l'environnement spatial.

Les données vectorielles expérimentales de l'ASM peuvent  être comparés pour validation avec celles, nominales, du VFM. Les résultats permettent aussi de vérifier la qualité des données nominales de la mission, et ouvrent des perspectives particulièrement intéressantes pour les futures missions de magnétométrie spatiale. Celles-ci pouvant alors s'affranchir de la nécessité d'embarquer à la fois un magnétomètre scalaire absolu et un magnétomètre vectoriel relatif.

Un "observatoire terrestre automatique" dérivé de l'ASM

Un des modèles d'ingénierie de l'ASM a été adapté pour réaliser un prototype de magnétomètre automatique destiné aux observatoires terrestres. Le mode vectoriel a été optimisé pour obtenir des performances comparables à celles des magnétomètres à saturation de flux actuellement utilisés dans ces installations.

Ce prototype a l'avantage d'offrir une stabilité qui évite de le calibrer pendant un an, alors que les équipements actuels des observatoires nécessitent une calibration plusieurs fois par semaine.

Ce prototype, développé en collaboration avec le CEA-Leti, le CNES et l'IPGP a été testé à l'observatoire magnétique de l'IPGP à Chambon-La-Forêt, dans le Loiret. La validation de cet instrument est une opportunité pour envisager d'installer des observatoires terrestres dans des zones lointaines difficiles d'accès, permettant de compléter les mesures de la constellation SWARM.

Une constellation de satellites

La mission SWARM est constituée d'une constellation de 3 satellites semblables destinés à étudier le champ magnétique terrestre.

Pour optimiser l'utilisation des 3 satellites et obtenir les résultats voulus avec la mission SWARM la constellation de satellites est répartie comme telle :

• 2 satellites volant côte à côte (séparation en longitude à l'équateur de l'ordre de 150 km) en orbite polaire basse à une altitude de 460 km en début de vie, suivant une inclinaison de 87,35°.
• 1 satellite en orbite polaire haute à une altitude de 530 km en début de vie, suivant une inclinaison de 87,95°.
• 2 plans orbitaux avec deux inclinaisons quasi-polaires permettant une dérive de l'heure locale.
• Une couverture quasi-globale.

Trois satellites identiques

• Dimensions : 9,1 mètres de long (y compris le mât déployable de 4 mètres), 1,5 mètre de large, 0,85 mètre de haut.
• Masse totale de chaque satellite : 473 kg au lancement.
• Durée nominale de la mission : 4 ans.
• Orbite : Les satellites sont sur des orbites quasi polaires. Deux d'entre eux naviguent en tandem, passant naturellement d'une altitude de 460 km initialement à 300 km en fin de mission. Le troisième, à une altitude initiale de 530 km, est sur une orbite qui produit une dérive relative de l'heure locale.
• Charge Utile : Magnétomètre vectoriel (VFM) couplé à une caméra stellaire (STR), magnétomètre scalaire absolu (ASM), Instrument champ électrique (EFI), accéléromètre (ACC), rétro-réflecteur laser (LRR) et GPS.
• Consommation : instruments : 50 W, plateforme : 140 W.
• Volume de données fourni par jour et par satellite : 1,8 Gbit.
• Capacité de stockage des données : 2 x 16 Go.

Paramètres orbitaux

Les 3 satellites suivent des orbites non héliosynchrones, quasi polaires, quasi-circulaires avec les paramètres suivants :

• SWARM-A
  • Altitude (en début de vie (Begin Of Life : BOL) : 460 km
  • Altitude (en fin de vie (End Of Life : EOL) : ~300 km
  • Excentricité : ~0
  • Inclinaison (BOL) : 87,35°
  • RAAN (Right ascension of Ascending Node) : X
• SWARM-B
  • Altitude (BOL) : 460 km
  • Altitude (EOL) : ~300 km
  • Excentricité : ~0
  • Inclinaison (BOL) : 87,35°
  • RAAN : X + 1,4°
• SWARM-C
  • Altitude (BOL) : 530 km
  • Altitude (EOL) : ~480 km
  • Excentricité : ~0
  • Inclinaison (BOL) : 87,95°
  • RAAN : Y

Une constellation de boussoles

Sur chacun des satellites de la mission SWARM, le champ magnétique est mesuré par la combinaison de trois instruments : un magnétomètre vectoriel relatif (VFM, pour Vector Field Magnetometer), qui mesure les composantes du champ magnétique selon trois directions perpendiculaires ; une caméra stellaire (STR), qui restitue l'attitude de ce champ dans l'espace ; et un magnétomètre absolu (ASM pour Absolute Scalar Magnetometer) qui mesure l'intensité du champ de manière absolue avec une extrême précision.

Boussoles spatiales

Chacun des satellites de la constellation SWARM est équipé d'un dispositif d'instruments comparable à une boussole en trois dimensions, capable de fournir des mesures précises à la fois de l'intensité et de la direction du champ magnétique. En outre, un accéléromètre et un instrument de mesure du champ électrique fournissent des informations supplémentaires sur l'état de l'environnement ionosphérique dans lesquels ils évoluent.

Pourquoi une constellation ?

Au début de leur vie en orbite, les trois satellites se trouvent relativement près les uns des autres. Deux d'entre eux volent en tandem à la même altitude (environ 460 km initialement) selon une inclinaison de 87,35° ; cette altitude décroît naturellement jusqu'à 300 km environ en fin de mission.

Le troisième satellite est positionné à une altitude plus élevée (530 km au début de la mission), avec une inclinaison légèrement différente (87,95°).

Les orbites des satellites dérivent et, de fait, le satellite le plus haut croise la trajectoire des deux autres, selon un angle de 90°, au cours de la troisième année d'exploitation. Ainsi, des données sont acquises simultanément à des altitudes et heures locales différentes, ce qui aide à discerner les effets des différentes sources du champ magnétique.

Un design original

Les trois satellites SWARM ont une forme trapézoïdale, inhabituelle pour des satellites, avec un long mât déployé dès leur mise en orbite. Ce design original répond à plusieurs défis : réduire la traînée aérodynamique sur ces orbites basses, rendre la charge utile la plus compacte possible pour pouvoir embarquer les trois satellites dans la coiffe du lanceur Rockot, mais aussi répondre aux exigences de propreté magnétique inhérentes à la mission.

Développé pour le compte de l'ESA par un consortium industriel conduit par EADS-Astrium GmbH, chaque satellite mesure environ 9 mètres de long, mât compris, et affiche une surface frontale d'environ 1 m², ceci afin de réduire la traînée aérodynamique et la quantité de propergol gaz nécessaire à son maintien à poste.

Le mât est pointé dans le sens opposé au vol. En effet, l'instrument de mesure du champ électrique (EFI), placé sur la face avant du corps du satellite, doit pouvoir sonder le plasma ionosphérique sans être gêné par le sillage du satellite.

Lorsque le mât est déployé, le satellite n'a plus aucun élément mobile. En particulier, les panneaux solaires sont fixes, ceci afin de ne pas perturber les mesures effectuées par l'accéléromètre installé au centre du satellite.

Enfin, chacun des magnétomètres scalaires absolus (ASM) a été installé en bout de mât, afin d'être éloigné au maximum des perturbations magnétiques générées par les équipements du corps du satellite. Le banc optique qui supporte le magnétomètre à saturation de flux (VFM), ainsi que les trois senseurs stellaires sont quant à eux montés sur la partie médiane du mât.

Contexte

L'étude détaillée du champ magnétique terrestre reste l'une des clés privilégiées pour étudier le système Terre dans son ensemble et permet également de faire évoluer des applications plus larges, comme la technologie spatiale, les systèmes de navigation et de guidage, ou l'exploitation des ressources.

Être capable de prédire son évolution à l'échelle de la durée des systèmes exposés aux forts orages magnétiques (comme les lignes de haute tension) ou aux rayonnements (comme les satellites) est aussi un enjeu, d'autant que l'anomalie de l'Atlantique Sud continue de s'étendre et de se creuser. 

La mission SWARM a pour objectif de procéder à l'étude la plus complète jamais entreprise du champ magnétique et de l'environnement ionosphérique terrestres. Cette constellation de trois satellites mesure l'intensité, la direction et les variations du champ magnétique terrestre, et de manière complémentaire, le champ électrique, la densité et les vents thermosphériques.

Les principaux objectifs sont de mieux caractériser et comprendre :

• Le champ magnétique principal et le mécanisme dynamo par lequel il est engendré dans le noyau de la Terre.
• La dynamique du noyau et la façon dont celui-ci interagit avec le manteau.
• Les sources aimantées du champ magnétique lithosphérique.
• Les hétérogénéités de la conductivité électrique dans le manteau.
• Les courants électriques circulant dans l'ionosphère et la magnétosphère, et l'influence du Soleil sur ces derniers.
• Le rôle du champ magnétique et des couplages entre l'ionosphère et la magnétosphère dans l'apport d'énergie dans la thermosphère.
• Le signal magnétique produit par les marées et courants océaniques.

SWARM est la première mission de ce type constituée de plusieurs satellites. Elle prend la relève du satellite allemand CHAMP (2000-2010), qui embarquait une instrumentation comparable, et du satellite danois Ørsted, lancé en 1999, dont le magnétomètre scalaire continue de fournir des données.

Ces données, de même que celles des observatoires magnétiques terrestres qui enregistrent les variations du champ à travers le monde, permettent d’encore  mieux tirer parti de la mission SWARM, notamment pour ce qui concerne l'évolution à long terme du champ principal.

Discerner et comprendre les différentes sources du champ magnétique terrestre

Pour bien étudier le champ magnétique terrestre, il est crucial d'adopter une stratégie d'observation, qui permette d'identifier les contributions de ses différentes sources. La constellation de trois satellites constituant la mission SWARM a été optimisée dans ce but. Il est ainsi possible d'étudier le signal provenant du noyau, du manteau, de la lithosphère, de l'ionosphère et de la magnétosphère, et des courants océaniques.

Le noyau

En étudiant le champ principal, il est possible de "voir" la dynamique du noyau et la façon dont la géodynamique fonctionne, afin de progresser dans notre capacité à prédire l'évolution du champ principal (et donc celle de la fameuse anomalie de l'Atlantique Sud), sur peut-être quelques dizaines d'années.

Le manteau

À partir des données de SWARM, il est également possible de progresser dans la construction de modèles en trois dimensions de la conductivité électrique du manteau terrestre. Ces modèles sont importants pour mieux connaître la nature et l'état thermodynamique des roches constituant le manteau, en complément des informations fournies par l'étude des ondes sismiques et du champ de gravité de la Terre.

La lithosphère

La lithosphère est l'enveloppe terrestre rigide de surface. Elle comprend la croûte terrestre et une partie du manteau supérieur. Jusqu'à une certaine profondeur, à partir de laquelle la température atteinte fait disparaître toute aimantation, les roches qui la composent sont souvent aimantées. La distribution et l'intensité de cette aimantation donnent des informations précieuses sur la géologie, l'activité tectonique et l'histoire du champ magnétique.

L'analyse de l'aimantation des fonds océaniques, par exemple, a donné des éléments clés pour comprendre l'histoire de ces fonds et déterminer la séquence des inversions du champ magnétique terrestre. En analysant le signal provenant de ces sources, SWARM permet de combler les lacunes, qui empêchaient d'avoir une cartographie complète, à toutes les échelles spatiales, de ce signal particulièrement riche en informations.

L'ionosphère et la magnétosphère

L'ionosphère est la partie supérieure de l'atmosphère en partie ionisée par le rayonnement ultra-violet solaire. Elle s'étend de 60 km à 800 km. De par sa nature même, l'ionosphère est donc un très bon conducteur électrique du côté jour, particulièrement en certains lieux comme le long de l'équateur magnétique. Se dilatant tous les matins et se contractant tous les soirs, elle se déplace dans le champ magnétique principal, provoquant l'apparition de courants électriques et d'un signal magnétique associé. Des courants nettement plus complexes et irréguliers, alimentés depuis la magnétosphère en suivant les lignes du champ magnétique principal, la parcourent également.

Tous ces courants produisent des signaux magnétiques, parfois très intenses, que les satellites SWARM peuvent détecter. Il en est de même des courants électriques associés à la circulation de particules chargées dans la magnétosphère, à bien plus grande distance (typiquement 3 à 5 rayons terrestres). Pour l'identification et l'analyse des signaux produits par ces courants, la constellation adoptée pour SWARM est également très adaptée.

La présence d'un accéléromètre et les mesures in situ des caractéristiques électriques du plasma ionosphérique, permettent en outre d'étudier l'impact de ces courants en termes, par exemple, d'apport d'énergie dans la thermosphère.

Comprendre la façon dont fonctionnent les courants couplés entre l'ionosphère et la magnétosphère, et l'influence de l'activité solaire sur ces courants, constitue un défi majeur pour mieux appréhender l'environnement proche de la Terre.

Déroulé du projet

La mission SWARM a été placée sur orbite par un lanceur Rockot depuis le cosmodrome de Plessetsk au nord de la Russie le 22 novembre 2013 à 12h02 UTC (13h02 CET), avec une séparation simultanée des trois satellites.

Les 3 satellites ont été injectés simultanément, sur une orbite quasi-polaire, à une altitude de 490 km. Plusieurs manœuvres orbitales ont été ensuite réalisées afin de positionner les satellites sur leur orbite cible, à 460 km d'altitude pour le tandem SWARM-A et B et 530 km pour SWARM-C. Cette configuration opérationnelle a été atteinte 4 mois après le lancement.

L'ESOC (European Space Operations Centre), à Darmstadt en Allemagne, supervise la mission via la station principale de réception de Kiruna en Suède (des stations complémentaires seront également utilisées en début de vie). La phase délicate de lancement et de début de vie dure environ trois jours, au cours desquels les mâts sont déployés et les équipements critiques de la plate-forme sont activés. Puis, les différents instruments scientifiques sont activés successivement. La recette en vol, d'une durée de trois mois, a ensuite pour but de vérifier que tout fonctionne correctement, avec les performances attendues. L'ESRIN (European Space Research Institute), installé à Frascati en Italie, assure la gestion et la distribution des données scientifiques, le traitement et l'archivage étant effectués au Royaume-Uni.

Organisation

Entre le CNES et l'ESA

En proposant pour la mission SWARM un instrument ayant des capacités uniques et des performances inégalées, le CNES a joué pleinement son rôle de vecteur d'innovation, à la fois vis-à-vis de l'ESA, afin de répondre aux exigences de fiabilité et de disponibilité posées par l'agence spatiale européenne, mais aussi vis-à-vis du CEA-Leti, en permettant au prototype de magnétomètre développé par le laboratoire de "gagner ses galons" pour le vol spatial.

La responsabilité du CNES a été de fournir à l'ESA les six magnétomètres absolus qui équipent chacun des trois satellites SWARM, ainsi que les algorithmes associés.

L'agence spatiale française a également apporté son support au maître d'œuvre du satellite, EADS-Astrium GmbH, pour l'intégration et les tests des magnétomètres sur les satellites. Enfin, le CNES est responsable de la validation des données de niveau 1b des magnétomètres absolus.

De son côté, l'ESA est responsable du développement, des tests, du lancement et de l'exploitation de la constellation SWARM. L'agence spatiale européenne, chargée de la diffusion des données SWARM, s'engage également à fournir au CNES un accès à toutes les données nécessaires pour valider les données des magnétomètres, notamment les mesures vectorielles du champ magnétique.

Entre le CNES et le CEA-Leti

Le CNES a confié la réalisation des magnétomètres ASM au CEA-Leti, mais s'est largement impliqué pour aider le Leti tout au long du développement, afin notamment de garantir la maîtrise des procédés de fabrication, assurer la reproductibilité des performances sur les différents modèles de vol et vérifier l'aptitude des nombreuses technologies innovantes embarquées dans ces instruments à résister aux conditions spatiales sur la durée de la mission.

Certains composants du magnétomètre ont dû être entièrement qualifiés pour le vol spatial, car rien n'était disponible "sur étagère", du fait des besoins spécifiques de l'instrument. Principaux éléments concernés par cet effort de "spatialisation" : le laser à fibre inclus dans le boîtier électronique de commande de l'instrument, le moteur piézoélectrique chargé de commander la sonde de mesure, ainsi que divers matériaux (dont le PEEK), composants et procédés.

Par ailleurs, les experts du CNES sont intervenus à plusieurs reprises pour réaliser des analyses d'ingénierie lors des phases de conception et des expertises sur anomalies lors des phases d'intégration et essais. Le partenariat très ouvert noué entre le laboratoire du CEA et le CNES, a permis de poser les bases d'une coopération exemplaire où chaque partie a pu livrer le meilleur de son savoir-faire.

Entre le CNES et l'IPGP

L'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), assure l'expertise scientifique sur les magnétomètres. L'IPGP est chargé de la phase de validation scientifique des données fournies par les magnétomètres ASM, un travail qui bénéficie à l'ensemble de la communauté scientifique impliquée dans SWARM, l'IPGP jouant par ailleurs un rôle majeur dans l'exploitation scientifique de l'ensemble de la mission.

Entre le CNES et les laboratoires de recherche

Enfin, via son comité scientifique TOSCA (Terre, Océan, Surface Continentale, Atmosphère), le CNES soutient la recherche sur le magnétisme terrestre dans les laboratoires français et la communauté scientifique impliquée dans la mission SWARM. Après le lancement, le CNES continue son rôle de soutien à la mission, via son Programme d’Accompagnement de la Recherche Spatiale (PARS).

Liens externes

Pour aller plus loin, voici des liens vers des sites externes que vous pouvez consulter :

• Site STEREO de la NASA

Sites des instruments de STEREO :

• PLASTIC
• S/WAVES
• SECCHI
• IMPACT

Sites des laboratoires : 

• LESIA (Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique). Depuis 2025 le LESIA est devenu le LIRA : Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation)
• IAS (Institut d’Astrophysique Spatiale)
• Institut d’Optique
• IRAP (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie)
• NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)

Instruments embarqués

Chaque satellite STEREO est équipé des quatre ensembles instrumentaux suivants :

• PLASTIC (PLAsma and SupraThermal Ion and Composition) étudie le vent solaire et les processus héliosphériques.
• STEREO/WAVES (S/WAVES) est un instrument qui suit les sursauts radio interplanétaires et étudie la genèse et l'évolution des perturbations radio qui vont du Soleil à la Terre. Le LESIA est le Principal Investigateur de cet instrument (depuis 2025 le LESIA est devenu le LIRA : Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation).
• SECCHI (Sun-Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation) est un ensemble d'instruments de télédétection constitués d'un imageur dans l'ultraviolet extrême, deux coronographes en lumière blanche, un imageur héliosphérique. Ces instruments étudient l'évolution en 3 dimensions des éjections de masse coronales (CMEs). L'IAS est impliqué dans le programme STEREO aussi bien au niveau du hardware (télescope imageur EUVI) qu'au niveau de l'analyse des données (thèse co-financée par le CNES) sur l'inversion des données. L'Institut d’Optique Gradutate School a réalisé les miroirs des télescopes EUVI.
• IMPACT (In situ Measurements of PArticles and CME Transients) comprend sept instruments : un analyseur d'électrons du vent solaire (SWEA : solar wind electron analyzer), un magnétomètre, une matrice de détecteurs de particules mesurant les ions et électrons accélérés lors les éjections de masse coronale. L'IRAP a développé les détecteurs SWEA pour les deux satellites de la mission, hors unité de traitement numérique.

Segment sol

Un réseau de stations terrestres, mis en place par la NOAA, reçoit en permanence des données de STEREO. Une antenne du CNES, inutilisée depuis plusieurs années, a été remise à niveau à cette occasion et vient compléter ce premier réseau mondial de météo de l'espace.

Contexte

Le projet STEREO est la troisième mission du programme scientifique international de l'étude des relations Soleil-Terre STP (Solar Terrestrial Probes Program). C'est un ensemble de deux satellites de la NASA dont les instruments ont été conçus et réalisés par des scientifiques Américains et Européens.

La mission STEREO a pour but de fournir des informations originales sur les éruptions solaires et leurs effets sur l'environnement terrestre. Afin d'obtenir des images stéréoscopiques des éruptions, un satellite précède la Terre dans sa rotation autour du Soleil, et l'autre la suit. Les images obtenues par les satellites sont combinées avec les données "in situ", ainsi qu'avec des données d'observatoires au sol, et de satellites en orbite basse pour suivre en trois dimensions le stockage d'énergie magnétique, l'éjection puis la trajectoire de la matière coronale dans le milieu interplanétaire. Lorsque l'éjecta atteint l'orbite de la Terre, les magnétomètres et les instruments de mesure du plasma installés à bord des satellites STEREO permettent de caractériser la matière éjectée et de relier sans ambiguïté ces mesures à leur source solaire.

Déroulé du projet

Les deux satellites STEREO ont été lancés avec succès par un lanceur DELTA II depuis Cape Canaveral, USA, le 25 octobre 2006.

L’objectif de la mission était de placer ces deux satellites à deux positions différentes, suffisamment écartées sur une orbite héliocentrique superposée à l’orbite de la Terre autour du Soleil, afin de pouvoir construire des images stéréoscopiques des éruptions solaires, d’où le nom du projet.

Pour atteindre ces positions et cette configuration, les deux satellites ont d’abord été lancés ensemble sur une orbite terrestre très excentrique avec un périgée proche de la Terre et un apogée derrière la Lune. Pour écarter les deux satellites et les placer en orbite héliocentrique, chacun a procédé à une assistance gravitationnelle de la Lune, deux mois après le lancement pour l’un et trois mois après le lancement pour l’autre. Petit à petit, les deux satellites ont été écartés pour être situés en 2009 à 90° l’un de l’autre sur leur orbite héliocentrique, c’est-à-dire aux points de Lagrange L4 et L5 de la Terre.

La mission qui devait durer 2 ans initialement et donc se terminer en 2008 est toujours en cours. D’ailleurs, un nouvel écartement des satellites a été effectué en 2011 pour les placer à 180° l’un de l’autre. La NASA a perdu le contact avec STEREO-B en 2016 et c’est avec STEREO-A que la mission continue aujourd’hui, mais sans possibilité de construction d’images stéréoscopiques.

Organisation

Plusieurs équipes scientifiques françaises, soutenues par le CNES, ont contribué à la réalisation des instruments de STEREO.

Le principal investigateur de l’instrument STEREO/WAVES ou S/WAVES en abrégé est membre du LESIA (depuis 2025 le LESIA est devenu le LIRA : Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation). Les équipes ont hérité pour la conception de l’instrument de l’expérience acquise sur ISEE, Ulysses, WIND, FAST et Cassini.

L’IAS, l’Institut d’Astrophysique Spatiale ainsi que l’Institut d’Optique Graduate School ont participé à la réalisation de composants de l’imageur en extrême ultra-violet SECCHI (Sun Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation) dont les données sont disponibles au pôle de données et services MEDOC. SECCHI était placé sous la responsabilité du Naval Research Laboratory de Washington.

L’IRAP, l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie a développé les détecteurs SWEA (Solar Wind Electron Analyser) pour les deux satellites. Une version plus récente de l’instrument se trouve d’ailleurs à bord de la sonde martienne MAVEN de la NASA. Ils font partie de l’ensemble instrumental IMPACT (In situ Measurements of PArticles and CME Transients), placé sous la responsabilité de l’Université de Californie à Berkeley.

Le quatrième instrument, PLASTIC (PLAsma and SupraThermal Ion and Composition) était placé sous la responsabilité de l’Université du New Hampshire et n’a pas eu de participation des laboratoires français.

Liens externes

Pour aller plus loin, voici des liens vers des sites externes que vous pouvez consulter :

• Site de SPOT World Heritage
• Site d’orthorectification des images SPOT
• Film explicatif des expériences Take Five
• Site l’ESA des archives des expériences Take Five
• Page SPOT-5 sur le site eoPortal de l’ESA

SPOT World Heritage

Le projet Spot World Heritage a permis de constituer la base d'images la plus complète pour la mission des satellites SPOT 1 à 5, soit environ 23 millions de scènes réparties sur l’ensemble du globe et sur une profondeur temporelle de 30 ans.

Les images d’archives des satellites SPOT 1 à 5, qui étaient jusqu’à lors accessibles via Airbus DS le sont désormais via le site SWH dédié et bientôt GEODES.

Le CNES a travaillé depuis 2013 sur la conservation de ce patrimoine en procédant au traitement en masse de toute l’imagerie SPOT-1 à 5 afin de constituer une base d’images la plus complète possible.

Environ 23 millions de scènes en niveau L1A (correction radiométrique, pas d’orthorectification) ont ainsi pu être produites et cataloguées.

Depuis juin 2021, un catalogue en ligne développé par le CNES permet à tout utilisateur de télécharger gratuitement les images proposées.

Pour ce faire, il suffit de créer un compte et de respecter la licence ETALAB 2.0. La mention du projet SWH – CNES doit accompagner les images récupérées.

Toujours dans l’objectif d’une facilitation d’accès et d’utilisation de la donnée, des évolutions pourront être programmées : un traitement à la demande pourra permettre de retraiter les images au niveau L1C (produit ortho-rectifié exprimé en réflectance au sommet de l’atmosphère).

Aujourd’hui un site connexe est déjà disponible afin d’orthorectifier les images L1A, mais sans recalage géographique. Les produits de type THR, et des corrections atmosphériques pour atteindre le niveau L2A sont également à l’étude

SPOT-4 et SPOT-5 Take Five

À partir de fin janvier 2013, le satellite SPOT-4, en fin de vie, s’est offert une dernière mission : Take Five.

L'orbite de SPOT-4 a été abaissée de 2,5 km pour le positionner sur une orbite à forte revisite (5 jours), afin de préparer les algorithmes, méthodes et applications de la mission pour la composante optique du programme Copernicus, Sentinel-2.

SPOT-4 a ainsi permis de combiner une répétitivité équivalente à celle de Sentinel-2 avec une large fauchée (120 km en bi-instrument), une résolution du même ordre de grandeur et 4 bandes spectrales.

Ce sont 42 sites dont 16 en France qui ont été systématiquement imagés pendant une durée de 4 mois.

Les niveaux 1A ont été produits par SPOT Image, les niveaux supérieurs ont été produits par le centre de production MUSCATE du CNES.

Suite au succès de l'expérimentation Take Five sur SPOT-4, une nouvelle édition, cofinancée par l'ESA, a été décidée sur SPOT-5.

Cette expérimentation de fin de vie avait pour objectif, comme la précédente, de préparer l'arrivée des satellites Sentinel-2 de l'ESA. Il s'agissait de mettre SPOT-5 sur une orbite à forte répétitivité (5 jours) et d'acquérir environ 150 sites prédéfinis tous les 5 jours pendant 5 mois, soit 30 acquisitions de chaque site, afin de suivre l'évolution de la végétation et des cultures d'été.

Le 2 avril 2015, l'orbite de SPOT5 a été abaissée de 2,5 km afin de rallier une orbite à 820 km avec une répétitivité de 5 jours.

Après une période intense de préparation, les images Take Five ont été programmées par les ingénieurs mission depuis le CMP SPOT pendant toute la durée de l'opération (jusqu'à début septembre 2015). Les premières images ont été rendues publiques le 8 avril 2015.

Un petit film pour expliquer l’expérience Take Five :

Take-5 : l'expérience pour préparer la mission spatiale "Sentinel 2"

 Aujourd’hui les images des expériences Take 5 sont accessibles sur les portails THEIA et  GEODES.

Projet SPIRIT

Le projet SPIRIT, porté par le CNES, Spot Image, IGN Espace et le LEGOS, visait à approfondir la compréhension du relief dans les zones polaires. À l’occasion de la quatrième Année polaire internationale, l’instrument HRS embarqué sur le satellite Spot 5 a capturé des paires d’images stéréoscopiques couvrant de nombreux glaciers situés dans ces régions. Grâce à ces données, des images en haute résolution ainsi que des modèles numériques de terrain ont été mis à disposition de la communauté glaciologique.

Etude de la perte de masse des glaciers

L’analyse des données du projet SPIRIT a permis de recalculer avec précision la contribution des glaciers d’Alaska à l’élévation du niveau de la mer entre 1962 et 2006, et de montrer que la fonte des glaciers d’Alaska a contribué à une élévation moyenne du niveau de la mer de 0,12 mm/an sur cette période. Les données montrent également une forte variabilité régionale : si quelques glaciers comme certains des Chugach Mountains s’épaississent encore, la majorité s’amincissent, avec des cas spectaculaires comme le glacier Columbia, qui a perdu jusqu’à 400 m d’épaisseur depuis 1980.

Pour en savoir plus :

2007-2009 : Spot 5 dresse une topographie des glaces pour la 4ème année polaire internationale

Instruments de SPOT-1 à SPOT-4

Chaque satellite jusqu'à SPOT-4 est constitué de deux instruments imageurs (HRV et HRVIR pour SPOT-4) capables d'acquérir de manière indépendante des "scènes" couvrant une zone géographique de 60x60 km. Deux modes alternatifs d'acquisition des images sont possibles :

• Panchromatique, noir et blanc, avec une résolution spatiale de 10 m qui fait de SPOT un des systèmes des plus avancé en termes de résolution puisqu'il permet de détecter des objets au sol d'une taille de 10 m. Ce qui rend compatible ces données avec la cartographie allant jusqu'au 1/50 000.
• Multispectral, couleur, avec une résolution spatiale de 20 m acquis simultanément dans trois bandes : vert, rouge et proche infrarouge (HRV) ou moyen infrarouge (HRVIR).

Chaque instrument peut acquérir des images sur une zone au sol de 950 km de large par programmation du dépointage des miroirs hors de la trace du satellite. Cette capacité de dépointage augmente la fréquence d'observation d'un site par le satellite (4 à 11 fois par cycle de 26 jours, en fonction de la latitude).

Les deux instruments peuvent aussi fonctionner simultanément. Dans ce cas les images acquises couvrent une zone à la surface de la terre de 117 km de large en visée verticale.

Instruments de SPOT-5

Le satellite SPOT-5 est constitué de deux nouveaux instruments HRG dérivés des instruments HRVIR de SPOT-4 qui offrent une meilleure résolution : 2,5 à 5 mètres en mode panchromatique et 10 mètres en mode multispectral.

SPOT-5 embarque un nouvel instrument de prise de vue HRS fonctionnant en mode panchromatique qui pointe à la fois vers l'avant et vers l'arrière du satellite ce qui permet de restituer le relief.

L’instrument Vegetation

L’instrument  Vegetation de l’Agence Spatiale Européenne, qui avait pour but de suivre quotidiennement le développement du couvert végétal sur l’ensemble de notre planète était embarqué à bord des satellites SPOT-4 (Vegetation-1) et SPOT-5 (Vegetation-2).

Contexte

Dans sa définition initiale comme dans son planning à long terme, le programme SPOT est fondé sur la continuité du service aux utilisateurs du monde entier.

SPOT est une famille de satellites au compromis couverture au sol/résolution inégalée, qui trouve son point d'orgue avec SPOT-5 (2,5 m couleur sur une zone de 60 km x 60 km), et sa descendance dans Pléiades.

Ces caractéristiques ont une reconnaissance internationale par le biais de l'activité de SPOT Image, ou par des biais plus marginaux.

On peut citer parmi eux son utilisation pour la Charte internationale de catastrophe majeures, où la famille SPOT a été la plus sollicitée de la flotte internationale disponible pour intervenir sur zone (SPOT était sollicité pour 3 activations sur 4 en moyenne, Pléiades a pris la relève ensuite).

Grâce à l'acquisition de deux "scènes" avec des angles de visée différents, lors de passages successifs du satellite, des couples stéréoscopiques sont constitués, permettant la perception du relief et la création de MNT (Modèles Numérique de Terrain).

Les points forts de SPOT tels que la résolution spatiale, la répétitivité de la prise de vue, la programmation d'acquisition et les possibilités stéréo font de ce système le programme le plus avancé actuellement pour acquérir des informations géographiques parfaitement à jour.

Beaucoup d'applications opérationnelles tirent bénéfice des données SPOT dans des domaines tels que : le suivi de la végétation, l'agriculture, la forêt, les sols, la géologie, l'érosion, l'exploration pétrolière et minéralogique, les ressources en eau, l'aménagement du territoire urbain et rural, le génie civil, ou la surveillance de l'environnement.

Déroulé du projet

Le programme SPOT

Décidé en 1977 par la France, SPOT est le premier programme européen dédié à l'observation de la Terre, d'où son nom : « Satellites Pour l’Observation de la Terre». Entre 1986 et 2002, 5 satellites SPOT sont lancés depuis Kourou :

• SPOT-1 est lancé le 22 février 1986 par Ariane-1
• SPOT-2 est lancé le 22 janvier 1990 par Ariane-4
• SPOT-3 est lancé le 26 septembre 1993 par Ariane-4
• SPOT-4 est lancé le 23 mars 1998 par Ariane-4 : il emporte notamment l’instrument Vegetation-1
• SPOT-5 est lancé le 3 mai 2002 par Ariane-4 : il emporte notamment l’instrument Vegetation-2

La mission de ces 5 satellites est aujourd’hui terminée :

• Novembre 2003 : fin de mission pour SPOT-1
• Juillet 2009 : fin de mission pour SPOT-2
• Novembre 1996 : fin de mission pour SPOT-3
• Juillet 2013 : fin de mission pour SPOT-4
• Mars 2015 : fin de mission pour SPOT-5

SPOT-6 et SPOT-7

Deux autres satellites SPOT-6 et SPOT-7 ont été lancés à bord d’un lanceur indien PSLV les 9 septembre 2012 et 30 juin 2014 au profit d’Airbus Defence And Space mais le CNES ne participe pas à ces deux nouvelles missions.

SPOT World Heritage

En 2014, le CNES annonce la création du programme SPOT World Heritage qui vise à rendre accessible au public les images acquises par les satellites SPOT-1 à SPOT-5 de tout le globe (Résultats de SPOT).

SPOT-4 et SPOT-5 Take Five

À partir de fin janvier 2013 et jusqu’à sa désorbitation en juin 2013, SPOT-4 s'offre une nouvelle mission : Take five.

Pour cette nouvelle mission, l'orbite de SPOT-4 a été abaissée de 2,5 km pour le positionner sur une orbite à forte revisite (5 jours), afin de préparer les algorithmes, méthodes et applications de la mission pour la composante optique du programme Copernicus, Sentinel-2.

Suite au succès de l’expérience SPOT-4 Take Five, une expérience similaire a été organisée pour SPOT-5 à partir du 2 avril 2015 et jusqu’à sa désorbitation en décembre 2015 (Résultats de SPOT).

Organisation

Le CNES a démarré le programme SPOT le 19 septembre 1977. Le Centre Spatial de Toulouse était en charge de ce développement. Pour le suivi au sol, ce sont entre autres les infrastructures de l’agence spatiale suédoise d’Esrange, près de Kiruna qui sont utilisées. En tout, 43 stations terriennes sur 5 continents ont suivi et suivent les satellites SPOT.

Les satellites SPOT-1 à SPOT-5 ont été conçus par le CNES et ont été construits par d’anciennes entités industrielles devenues aujourd’hui Airbus Defence and Space et Thales Alenia Space.

Les satellites SPOT-6 et SPOT-7 ont été financés par Spot Image, puis conçus et construits par une entité industrielle devenue aujourd’hui Airbus Defence and Space.

Avant 2015, c’était la société Spot Images qui distribuait les données des satellites SPOT. Aujourd’hui cette société se nomme Airbus DS Geo.

Le 23 juin 2015 le CNES inaugure le site d’accès libre aux données des satellites SPOT, appelé SPOT World Heritage.