Le satellite SARAL

Le satellite SARAL est constitué de :

• Une plateforme IMS-2 (Small Satellite Bus) : développée par l'agence spatiale indienne ISRO, cette plateforme est conçue pour des satellites de masse environ 500 kg au lancement
• Une charge utile développée par le CNES constituée des instruments suivants :
  • Un altimètre-radiomètre AltiKa, (contribution CNES)
  • Un système DORIS de détermination précise d'orbite (contribution CNES)
  • Un instrument LRA (Laser Retro-reflector Array) permettant de calibrer précisément les autres instruments par l'analyse de tirs laser effectués à partir du sol et réfléchis à bord par un ensemble de miroirs (contribution CNES)
  • L'instrument Argos-3

Les principales caractéristiques du satellite SARAL :

Le satellite a été placé en orbite par un lanceur PSLV fourni par l'ISRO, et lancé depuis la principale base de lancement de l'ISRO, le Satish Dhawan Space Centre, SHAR SRIHARIKOTA (13°43.2N ; 80°13.8E), à 100 km au Nord de Chennai.

L’instrument AltiKa

L'instrument AltiKa est composé d'un altimètre laser mono-fréquence en bande Ka et d'un radiomètre bi-fréquence pour corriger les mesures altimétriques des effets de la traversée de la troposphère humide.

Pourquoi utiliser la bande Ka ?

La bande Ka étant inédite vis-à-vis des applications en altimétrie spatiale, il a été nécessaire de faire un bilan du problème de l'interaction de l'onde électromagnétique dans cette bande de fréquences avec le milieu environnant. Les paragraphes suivants présentent donc le résumé des études réalisées concernant respectivement l'ionosphère et la troposphère.
 

Impact sur l'ionosphère

La bande Ka est de ce point de vue très favorisée par rapport aux bandes C et Ku, étant donnée la dépendance des effets ionosphériques en fonction de l'inverse du carré de la fréquence. On a en fait les résultats suivants :

• Atténuation ionosphérique : négligeable
• Rotation Faraday : négligeable
• Distorsions du chirp : négligeables (B/f ~1,4 % contre 2,3% en bande Ku et 6% en bande C)
• Biais distance : le délai typique sera de 0,02 ns (soit 3 mm en distance), avec des valeurs maximum (très rares) de 0,25 ns (soit 4 cm en distance)

En résumé, l'ionosphère peut être négligée la plupart du temps, et un recours à une information externe (cartes ionosphériques déduites d'autres systèmes spatiaux) peut être utilisé dans les cas extrêmes.
 

Impact sur la troposphère

Les effets sont globalement plus contraignants qu'en bande Ku. Ils sont à chiffrer en termes de délai et d'atténuation.
 

Délai

Le retard troposphérique peut atteindre 15 à 20 ns aller-retour, et une correction de ce délai est donc absolument nécessaire.

Deux solutions sont envisageables :

• Un recours à un modèle ou des informations extérieures à la mission
• La présence à bord d'un système de mesure

Ce système de mesure consisterait en un radiomètre micro-ondes. Compte-tenu de la qualité de l'altimètre et des objectifs mission, il a été jugé nécessaire (et suffisant) d'implanter un radiomètre bi-fréquences (24/37 GHz). C'est également le choix qui a été fait sur des missions telles que Geosat Follow-on, ERS-2, ENVISAT...
 

Atténuation

Il s'agit ici de l'atténuation subie par l'altimètre en bande Ka. Cette atténuation participe au dimensionnement de l'instrument au travers du bilan de liaison. Les sources potentielles d'atténuation sont l'air (gaz), les nuages ou brouillard (particules d'eau), la glace, ainsi que les précipitations de pluie (ou de grêle ou de neige).

Le bilan des atténuations à prendre en compte est :

• Air : La bande Ka (à 35,75 GHz) est dans une fenêtre de propagation de l'eau. Malgré cela, l'atténuation totale (liée à la teneur O2 + H2O) est une fonction dépendant fortement de l'humidité, avec des valeurs variant de 0.4 à 2,1 dB quand l'humidité varie de 7,5 à 50 g/m³.
• Nuages : les atténuations typiques vont de 0,05 à 0.2 dB pour les altocumulus et les altostratus, de 0,2 à 0,4 dB pour les stratus, nimbostratus et stratocumulus, et de 0,2 à 0,7 dB pour les cumulus et les cumulonimbus. Des atténuations plus élevées sont possibles (allant même jusqu'à 2 à 8 dB) mais sont trop rares pour être prises en compte dans notre cas.
• Brouillard : grâce à une épaisseur généralement très faible, l'atténuation à prendre en compte ne dépasse pas 0,1 dB.
• Glace : l'atténuation spécifique à prendre en compte en bande Ka étant de qq 10-3 dB/km/(g/m³), l'atténuation totale est négligeable.
• Grêle : les modèles d'atténuation sont complexes en bande Ka (lié à la taille des grêlons et à la présence éventuelle d'une couche liquide en surface). Le phénomène est heureusement suffisamment rare pour être négligé.
• Pluie et neige : les atténuations spécifiques (en dB/km) à prendre en compte en fonction du taux précipitant. L'atténuation totale à prendre en compte au niveau de la pluie ne dépasse pas 1,8 dB (dans 95% des cas), ou 1,2 dB (dans 90% des cas). Du point de vue d'AltiKa, on aura donc trois cas de figure vis-à-vis de la pluie :
  • S’il ne pleut pas du tout, le fonctionnement sera nominal.
  • S’il pleut plus de (typiquement) 1,5 mm/h, les données seront absentes ou dégradées.
  • S’il pleut moins que cette valeur (soit environ 5% du temps), l'écho pourra être inversé en utilisant un algorithme spécifique, qui donnera au passage des informations supplémentaires liées à la pluie.

Bilan global : en faisant la somme (plus ou moins corrélée suivant les termes) de toutes les contributions présentées, l'atténuation à prendre en compte pour le dimensionnement de l'instrument a été fixée dans une fourchette de 2,5 à 3 dB. Le contributeur principal n'est pas toujours la pluie pour les taux de disponibilité considérés, la vapeur d'eau étant un contributeur généralement plus important.
 

Caractéristiques

L'instrument AltiKa présente les principales caractéristiques suivantes :