Altimètre Poseidon

Financement et réalisation

L’itération Poseidon-2 (Jason-1) a été développée par Alcatel Alenia Space (aujourd’hui Thales Alenia Space) à partir de Poseidon-1 qui était à bord du satellite TOPEX/Poseidon. Poseidon-2 a été financé par le CNES.

Poseidon-3 (Jason-2) a été développé par Thales Alenia Space à partir du modèle précédent et a été financé par le CNES. Poseidon-3B a été également développé par Thales Alenia Space mais financé cette fois par EUMETSAT.

Caractéristiques techniques

Instrument principal de la mission, Poseidon est un altimètre petit, léger et de faible consommation, il est aussi d'une grande fiabilité. C'est un radar qui émet des ondes à deux fréquences différentes (13.6 et 5.3 GHz, pour permettre la détermination du contenu en électrons de l'atmosphère) et analyse le signal réfléchi par la surface. Le temps de trajet aller-retour de l'onde est estimé très précisément afin de calculer la distance satellite - surface, moyennant quelques corrections.

C’est un altimètre radar de type solid-state. Ce type de radar peut envoyer des pulses d’énergie plus longs et moins coûteux en énergie que la technologie précédente, les radars de type magnétron.

Les domaines de transmission du radar Poseidon (itérations 2, 3 et 3B) sont :

• Bande C : centrée sur 5,3 GHz, largeur 320/100 MHz,
• Bande Ku : centrée sur 13,575 GHz, largeur 320 MHz.

La durée des pulses transmis est de 105,6 µs.

La fréquence de répétition des pulses est de :

• Pour Poseidon-2 : 300 Hz en bande C et 1800 Hz en bande Ku,
• Pour Poseidon-3 et 3B : fréquence entrelacée de 2060 Hz entre bande C et bande Ku.

Les masses et la consommation des instruments sont :

• Poseidon-2 : 2x25 kg (2 exemplaires à bord par redondance), 70 W,
• Poseidon-3 : 60kg, 80W,
• Poseidon-3B : 70 kg, 78 W.

Couplage entre Poseidon-3 et le système DORIS

Poseidon-3 et Poseidon-3B sont couplés au navigateur DIODE, basé sur le système de positionnement DORIS, afin d'améliorer notamment l'acquisition de mesures près des côtes. DIODE (Détermination Immédiate d'Orbite par Doris Embarqué) est une famille de programmes de calcul d'orbite embarqué en temps réel, qui traitent les mesures Doppler élaborées par un récepteur Doris embarqué à bord d'un satellite.

Dans le cadre des projets Jason-2 et Jason-3, il a été demandé à Diode de délivrer aux utilisateurs un "Bulletin géodésique" qui fournit des informations nouvelles sur la position du satellite : latitude, longitude et altitude par rapport au géoïde notamment. L'altimètre Poseidon-3 a pu bénéficier de ces informations dans deux modes de fonctionnement expérimentaux qui modifient chacun une des principales phases de fonctionnement de l'altimètre. Comme tous les radars, l'altimètre doit d'abord rechercher et accrocher la cible (c'est la phase d'Acquisition), puis il doit la suivre (c'est la phase de Poursuite) :

• 1er mode : grâce à l'information d'altitude contenue dans le bulletin géodésique Diode et transmise à l'altimètre, le premier mode expérimental permet de réduire significativement la plage de recherche dans laquelle est attendu l'écho retour. En réduisant ainsi le temps de la phase d'Acquisition, Poseidon-3 permet d’augmenter la production de données utiles lors des transitions terre mer et l'amélioration de l'altimétrie en zone côtière. La Poursuite du signal utile s'effectue ensuite de façon classique comme sur Poséidon-2 (mais amélioré pour être plus robuste sur les eaux continentales).
• 2e mode : ce mode expérimental modifie la boucle de poursuite. En effet, la distance prévue de la cible est directement calculée par l'altimètre, en combinant d'une part l'information d'altitude délivrée par Doris/Diode, et d'autre part l'altitude d'un pseudo Modèle Numérique de Terrain de la trace survolée par Jason enregistré dans la mémoire bord de l'altimètre. En fonction de la qualité de ce pseudo MNT, et des variations naturelles de surface (marées...), la précision du positionnement de l'écho retour dans la fenêtre de réception de l'altimètre est de quelques mètres. L'exploitation combinée du message Diode et de l'altitude du pseudo MNT permet de piloter directement le positionnement de la fenêtre de réception afin d'assurer la poursuite de n'importe quelle cible, indépendamment de la forme de l'écho retour. Ainsi ce mode peut s'avérer très utile pour le tracking de zones d'intérêt spécifiques, comme les rivières et les lacs (qui ne sont pas toujours suffisamment bien couverts par les altimètres usuels).

Une précision cependant : ces deux modes probatoires sont en cours d'étude et de mise au point. On attend beaucoup de leur validation à venir, mais en attendant, les modes de fonctionnements validés sur Poséidon-2 restent les modes opérationnels de Poséidon-3.

Cette nouvelle fonctionnalité d'interaction entre l'instrument Doris et l'altimètre Poseidon-3 devrait s'avérer "gagnant-gagnant" en permettant, d'une part, d'étendre les capacités de l'altimètre aux zones côtières et aux "eaux continentales" et d'autre part, d'élargir le spectre des opportunités d'embarquement, et contribuer ainsi à augmenter le nombre d'instruments Doris volant sur différentes orbites. La performance du système DORIS est en effet améliorée par l'augmentation du nombre d'instruments Doris volant sur différentes orbites. En retour, cette "constellation Doris" contribuera à un meilleur positionnement du réseau de balises, permettant une meilleure maîtrise du "Système de Référence Terrestre" indispensable aux missions altimétriques.

Radiomètre JMR/AMR/AMR-2

Les satellites de la famille Jason emportent un radiomètre microondes. Il est utilisé pour détecter la vapeur d’eau dans l’atmosphère sur la ligne de visée de l’altimètre Poseidon, vers le nadir (à la verticale sous le satellite). Celle-ci est responsable de sur-estimations et de sous-estimations dans les mesures d’altitude par l’altimètre. Les mesures du radiomètre permettent de retirer cette erreur de mesure de l’altimètre.

La même complémentarité de mesures est utilisée entre les modèles plus récents de l’altimètre Poseidon et du radiomètre AMR à bord des satellites de la gamme Sentinel-6/Jason-CS, Poseidon-4 et AMR-C.

Les radiomètres JMR (Jason Microwave Radiometer), AMR (Advanced Microwave Radiometer), AMR-2 et AMR-C (Advanced Microwave Radiometer for Climate) sont des itérations du même système, prenant comme modèle au départ celui qui se trouvait à bord du satellite TOPEX/Poseidon, le radiomètre TMR (TOPEX Microwave Radiometer).

Les radiomètres de la gamme JMR/AMR prennent des mesures dans 3 canaux de fréquence :

• Canal 23,8 GHz : détecteur principal de vapeur d’eau,
• Canal 34 GHz : permet d’estimer une correction de la mesure de vapeur d’eau en détectant les nuages qui ne sont pas sources d’averses,
• Canal 18,7 GHz : permet d’estimer une correction de la mesure de vapeur d’eau en détectant l’augmentation de l’émission de la surface de l’eau provoquée par le vent.

Les modèles AMR et AMR-2 sont composés de deux sous-systèmes :

• ESA (Electronics Structure Assembly), développé par le Jet Propulsion Laboratory,
• RSA (Reflector Structure Assembly), développé par ATK Space Systems.

Réflecteur laser LRA

Le réflecteur laser LRA (Laser Retroreflector Array) est installé sous chaque satellite, c’est-à-dire son côté faisant face au nadir. Il se présente sous la forme d’un cône bardé de 8 catadioptres (miroirs en coins de cube), ayant la chacun la capacité de renvoyer un rayon lumineux dans la même direction que le rayon lumineux incident. Cela permet aux stations de suivi au sol de pointer un rayon laser vers le satellite et d’en mesurer la distance en mesurant le temps mis par le rayon laser, renvoyé par le LRA pour revenir à la station émettrice.

En complément des données fournies par les récepteurs des systèmes de positionnement GPS et DORIS à bord, cela permet aux équipes de suivi de connaître précisément la position et l’orbite des satellites Jason à tout moment.

Dosimètre LPT

À bord des satellites Jason-2 et 3 se trouvent des exemplaires du dosimètre LPT (Light Particle Telescope), développé par la JAXA. Ses mesures viennent compléter les mesures de radiations fournies par l’instrument CARMEN, également à bord (CARMEN-2 pour Jason-2, CARMEN-3 pour Jason-3).

L’instrument LPT est composé de deux sous-systèmes :

• LPT-E (E pour Electrical) : Il est installé à l’intérieur du satellite. Il est chargé de l’alimentation électrique de l’instrument.
• LPT-S (S pour Sensors) : Il est installé à l’extérieur du satellite et pointe vers le zénith (à l’opposé des autres instruments). Il est constitué de 4 senseurs comptant chacun un type particulier de particules qui les frappent.

Les données observationnelles fournies par le LPT permettent de connaître l’environnement radiatif dans lequel évolue chaque satellite et ainsi de corriger les erreurs de mesures des autres instruments que ces radiations induisent sur elles.