Caractéristiques d'un satellite: l'orbite et sa fauchée

Dans la section précédente, nous avons vu que les capteurs peuvent être placés sur différentes plates-formes. Bien que les plates-formes terrestres ou aéroportées soient utilisées, ce sont les satellites qui fournissent la majeure partie des données recueillies par télédétection de nos jours. Certaines caractéristiques propres aux satellites en font des instruments particulièrement utiles pour l'acquisition d'information sur la surface de la Terre.

La trajectoire effectuée par un satellite autour de la Terre est appelée orbite. L'orbite d'un satellite est choisie en fonction de la capacité des capteurs qu'il transporte et des objectifs de sa mission. Le choix d'une orbite est déterminé par l'altitude (la hauteur du satellite au-dessus de la surface de la Terre), l'orientation et la rotation du satellite par rapport à la Terre. Certains satellites ont une altitude très élevée et regardent toujours la même région de la surface de la Terre, ils ont une orbite géostationnaire. Ces satellites géostationnaires ont une altitude d'environ 36 000 kilomètres et se déplacent à une vitesse qui correspond à celle de la Terre, donnant ainsi l'impression qu'ils sont stationnaires. Cette configuration orbitale permet au satellite d'observer et d'amasser continuellement de l'information sur une région spécifique. Les satellites de communication et d'observation des conditions météorologiques sont situés sur de telles orbites. L'altitude élevée de certains satellites météorologiques leur permet d'observer les nuages et les conditions qui couvrent un hémisphère complet de la Terre.

D'autres plates-formes spatiales suivent une orbite allant pratiquement du nord au sud ou vice versa. Cette configuration, combinée à la rotation de la Terre (ouest-est), fait qu'au cours d'une certaine période, les satellites ont observé la presque totalité de la surface de la Terre. Ce type d'orbite est appelé orbite quasi polaire à cause de l'inclinaison de l'orbite par rapport à une ligne passant par les pôles Nord et Sud de la Terre. La plupart des satellites sur orbite quasi-polaires ont aussi une orbite héliosynchrone; de cette façon, ils observent toujours chaque région du globe à la même heure locale solaire. Pour une latitude donnée, la position du Soleil dans le ciel au moment où le satellite survole une certaine région au cours d'une saison donnée sera donc toujours la même. Cette caractéristique orbitale assure des conditions d'illumination solaire similaires, lorsqu'on recueille des données pour une saison particulière sur plusieurs années ou pour une région particulière sur plusieurs jours. Ceci est un facteur important lorsqu'on compare deux images successives ou lorsqu'on produit une mosaïque avec des images adjacentes, puisque les images n'ont pas à être corrigées pour tenir compte de l'illumination solaire.

De nos jours, la plupart des plates-formes satellitaires sont placées sur orbite quasi-polaire. Elles se déplacent donc vers le nord d'un côté de la Terre, et vers le sud dans l'autre moitié de leur orbite. Ces deux types de passage du satellite se nomment respectivement orbite ascendante et orbite descendante. Si l'orbite est aussi héliosynchrone, l'orbite ascendante du satellite se fait du côté ombragé de la Terre, tandis que l'orbite descendante se fait du côté éclairé par le Soleil. Les capteurs qui enregistrent l'énergie solaire réfléchie par la Terre ne recueillent donc de l'information qu'au cours leur orbite descendante, lorsque le Soleil illumine la Terre. Les capteurs actifs qui possèdent leur propre source d'illumination ou les capteurs passifs qui enregistrent l'énergie émise par la planète (l'énergie infrarouge thermique par exemple) peuvent amasser des données autant lors des orbites ascendantes que descendantes de leurs satellites.

Lorsqu'un satellite est en orbite autour de la Terre, le capteur "observe" une certaine partie de la surface. Cette surface porte le nom de couloir-couvert ou fauchée. Les capteurs sur plate-forme spatiale ont une fauchée dont la largeur varie généralement entre une dizaine et une centaine de kilomètres. Pour les satellites à orbite quasi-polaire, le satellite se déplace selon une trajectoire nord-sud. Cependant, vue de la Terre, la trajectoire du satellite semble avoir une composante vers l'ouest à cause de la rotation de la Terre. Ce mouvement apparent du satellite permet à la fauchée du capteur d'observer une nouvelle région à chacun des passages consécutifs du satellite. L'orbite du satellite et la rotation de la Terre travaillent donc de concert, permettant une couverture complète de la surface de la planète après un cycle orbital complet.

Les points sur la surface de la Terre qui se trouvent directement en dessous de la trajectoire du satellite sont appelés les points nadir. On définit le cycle de passage du satellite comme étant la période de temps nécessaire pour que le satellite revienne au-dessus d'un point nadir pris au hasard. Le satellite aura alors effectué un cycle orbital complet. La période de temps nécessaire pour compléter un cycle orbital complet varie d'un satellite à l'autre. La durée du cycle orbital ne doit pas être confondue avec la période de revisite. Avec les capteurs orientables, les instruments peuvent observer une surface avant et après les passages de l'orbite au-dessus de la cible, ce qui permet une période de revisite beaucoup plus courte que le cycle orbital. La période de passage au nadir est un facteur important pour plusieurs applications de la télédétection, spécialement lorsque des images fréquentes sont nécessaires (par exemple : pour surveiller la dispersion lors d'un déversement d'hydrocarbures ou pour mesurer l'ampleur d'une inondation). Les satellites à orbite quasi-polaire ont une couverture plus fréquente des régions de latitude élevée par rapport à la couverture des zones équatoriales. Cette plus grande couverture est due à l'élargissement, vers les pôles, de la zone de chevauchement entre deux fauchées adjacentes.

Le saviez-vous?

« On prévoit un ciel partiellement nuageux et une possibilité d'averse »

...La plupart des images satellitaires que vous voyez à la télévision lors des prévisions météorologiques sont des images provenant de satellites géostationnaires. Ces satellites ont une couverture très large et montrent les conditions météorologiques et nuageuses à l'échelle continentale. Les météorologues utilisent ces images afin de déterminer quelle direction les systèmes météorologiques prendront. La capacité de ces satellites de fournir plusieurs images de la même région permet de surveiller de près l'évolution du temps.

... L'orbite des satellites doit être corrigée occasionnellement. La friction causée par l'atmosphère terrestre est la principale cause de cette déviation du satellite de son orbite initiale. Afin de corriger la trajectoire, un centre de contrôle sur Terre envoie des instructions au satellite pour le replacer sur son orbite. La plupart des satellites ont une longévité de quelques années. À la fin de sa vie utile, un satellite peut simplement cesser de fonctionner adéquatement ou souffrir d'une trop grande déviation de son orbite, ce qui le rend inutilisable.

Question éclair

1. Quels sont les avantages des capteurs placés à bord des satellites par rapport aux capteurs placés à bord d'un avion? Ces capteurs sur plate-forme spatiale ont-ils des désavantages?
La réponse est....

2. Un satellite à orbite quasi-polaire et héliosynchrone passe au-dessus de l'équateur terrestre à la même heure solaire locale tous les jours. La vitesse orbitale du satellite fait en sorte que tous les autres points nadirs situés le long de cette orbite sont visités un peu avant ou un peu après cette heure. Pour un capteur enregistrant l'énergie dans la partie visible du spectre d'énergie, quels sont les avantages et les désavantages d'un passage au-dessus de l'équateur (heure solaire locale) a) tôt le matin, b) autour de midi, et c) au milieu de l'après-midi?
La réponse est....

Question éclair - réponse

1 : Les capteurs à bord des satellites "observent" une portion de la surface de la Terre qui est généralement beaucoup plus large que les capteurs placés à bord d'un avion. De plus, les satellites tournent continuellement autour de la Terre, ce qui facilite l'acquisition de données de façon systématique et répétitive pour étudier les changements dans le temps. La position géométrique d'un satellite par rapport à la Terre peut être calculée de façon assez précise, ce qui facilite la correction des images satellitaires et leur positionnement sur une grille géographique. Cependant, les capteurs placés à bord d'un avion ont la flexibilité de pouvoir acquérir des données à la surface de la Terre n'importe où et n'importe quand (si les conditions météo le permettent), tandis que les capteurs spatioportés sont limités à des acquisitions de données à des endroits et à des moments déterminés par leur orbite.

2 : Lors d'un passage du satellite au-dessus de l'équateur tôt le matin, le Soleil est bas dans le ciel, ce qui est avantageux pour accentuer les effets topographiques; par contre, cette situation a aussi pour effet de créer beaucoup d'ombres dans les régions à fort relief. Un passage autour de midi permet une illumination maximale et uniforme puisque le Soleil est au point le plus élevé dans le ciel. Cette situation est avantageuse pour observer les surfaces peu réfléchissantes, mais peut aussi causer une saturation des capteurs pour les surfaces très réfléchissantes comme la glace. Il peut aussi se produire un phénomène de réflexion spéculaire pour les surfaces planes, ce qui complique l'interprétation des données. Pour un passage au milieu de l'après-midi, les conditions d'illumination sont plus modérées. Cependant, le phénomène de réchauffement solaire de la surface, maximal à cette période de la journée, peut rendre plus difficile l'enregistrement de l'énergie réfléchie. Afin de minimiser tous ces effets, la plupart des satellites possédant des capteurs d'énergie visible et infrarouge ont une heure solaire locale de passage au-dessus de l'équateur qui est au milieu de la matinée.