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JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 2007
La Dynamique Spatiale
Un outil pour la métrologie de l’espace et du temps
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20072
Concepts
Systèmes de référence
Dynamique des sondes spatiales
Dynamique des vols en formation
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20073
Concepts
Systèmes de référence
Dynamique des sondes spatiales
Dynamique des vols en formation
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20074
Les corps dans l’espace sont en mouvement les uns par rapport aux autres :• Un objet lâché sans vitesse retombe sur Terre,• La Lune tourne autour de la Terre qui tourne elle-même autour du Soleil
Introduction
Les satellites artificiels tournent autour de la Terre
Spoutnik mis en orbite le 4 octobre 1957
Les sondes spatiales voyagent dans le système solaire et au-delà
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20075
• Dynamique spatiale : étude des mouvements (et de leurs causes) des satellites artificiels et sondes spatiales (Brouwer, 1959)
Mécanique céleste et dynamique spatiale
• Mécanique céleste : modélisation et calcul du mouvement des corps célestes (Newton, XVIIeme)
• Etude du mouvement étude des forces qui modifient ce mouvement
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20076
Les causes du mouvement
En l’absence de gravité, un projectile doté d’une vitesse initialesuit un mouvement rectiligne et uniforme
vitesse
mouvement
C’est ce qu’ont montré Kepler et Newton
…d’autant plus que sa vitesse est faible, sa distance est proche, et que la masse du corps est importante.le mouvement du « projectile » nous renseigne sur les corps qu’il « survole »
Si on ajoute la gravité d’un autre corps massique, celle-ci incurve la trajectoire du projectile…
vitess
e
mouvement
gravité
gravité
gravité
gravité
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20077
Les causes du mouvement (suite)
Mais si on va dans le détail (c’est notre métier !) les chosesse compliquent…
Il faut aussi prendre en compte :• la forme complexe des corps « survolés »,• leurs déformations au cours du temps (marées, gravité à long terme),• le freinage par l’atmosphère,• les pressions de radiation (solaire directe et albédo, IR planètes),• les « poussées thermiques »• …
On modélise des effets jusqu’à 1012 fois plus faibles que le terme principal de gravité.
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20078
Les observations
Les principaux types d’observation sont :• des mesures de distance entre des stations (terrestres ou planétaires)et les sondes spatiales : radar ou laser• des mesures de vitesses radiales entre des stations et les sondes :effet Doppler• parfois (de plus en plus) des mesures d’accélérations non gravitationnelles : accéléromètres spatiaux.
On ne se contente pas de modéliser le mouvement, on l’observe…
La confrontation du mouvement modéliséaux observations permet de tester (c’est là que les ennuis commencent…) et d’améliorer les modèles dynamiques.
Ressemblants ?Vous avez dit
ressemblants ?
Dynamique Observation
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 20079
• Données sur l’environnement de la sonde• Données sur l’environnement du lien observationnel• Connection entre repères terrestres et célestes
Récapitulons
Dynamique de mouvement(reliée à l’environnement)
Observations (reliée à l’environnement)
Stations terrestres
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Terre, dis moi comment je bouge
et je te dirai qui tu es !
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200711
Quelques résultats marquants
• Détermination des grandes longueurs d’onde des champs de gravité de la Terre, de la Lune et de Mars méthodes spécifiques développées à l’OCA pour les variations temporelles lentes
• Modèles de densités atmosphériques modèles DTM de l’OCA
• Test de certains aspects de la gravitation : observation de l’effet Lens-Thirring une thèse à l’OCA
• Matérialisation de systèmes de références terrestres et célestes l’OCA est centre d’analyse pour les observations laser
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200712
Concepts
Systèmes de référence
Dynamique des sondes spatiales
Dynamique des vols en formation
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200713
Notre domaine d’activité
Position des points sur la
Terre
Repère de Référence Terrestre (ITRS)
Repère de Référence Céleste (ICRS)
Position des corps dans l’espace
Paramètre d’orientationde la Terre (EOP)
Rotation
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200714
Le Repère de Référence terrestre :• réalise un système de référence géocentrique sans mouvement d’ensemble par rapport à la croûte terrestre• est matérialisé par des données de positions et vitesses à une époque de référence (ainsi que des séries temporelles de coordonnées en tant que sous-produit)• repose sur la combinaison de solutions individuelles calculées par les 4 techniques de géodésie spatiale (GPS, DORIS, SLR, VLBI)
Repère de Référence Terrestre
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200715
L'orientation de la terre est la rotation entre la croûte terrestre (le repère terrestre) et un trièdre géocentrique lié aux quasars (repère céleste géocentrique):
• la précession-nutation de l'axe de figure de la Terre dans l'espace => les écarts au pôle céleste (dy,de) ou (dX,dY) • l'angle de rotation de la Terre autour du pôle céleste intermédiaire => la différence (UT1-UTC) ou (UT1-TAI) • le mouvement du pôle céleste intermédiaire par rapport à la croûte terrestre => (xp,yp)
Les Paramètres d’Orientation de la Terre :
• sont obtenus par combinaison des solutions des 4 techniques de géodésie spatiale (laser, GPS, DORIS, VLBI)• se matérialisent par des séries temporelles
Orientation de la Terre
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200716
Confrontation du mouvement du géocentre mesuré avec des modèles
géophysiques
Série temporelle du géocentre déterminé par SLR (solution GEMINI, en rouge) et DORIS (LEGOS, en bleu)
Modèle géodynamique globale (redistribution des masses dans les océans, l’atmosphère et sur les continents) : en marron
Résultats
Feissel M., Le Bail K., Berio P. et al., 2006
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200717
Traitement des données accessibilité et visualisations des résultats selon les standards OV
Notre Activité
Notre activité s’articule autour de la méthodologie, le traitement des données et l’interprétation des résultats
Méthodes d’estimation et de représentation des séries temporelles
Coulot D., Berio P. et al., 2007
SLR
VLBI
GPS
DO
RIS
Mesures
Combinaison au niveau des mesures
ITRF et EOP
Ex : combinaison multi-techniques
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200718
Centre d’Analyse de l’ILRS (International Laser Ranging Service)
Notre groupe est devenu officiellement le 8ème Centre d’Analyse de l’ILRS depuis le 22 Octobre 2007
• Il y a actuellement 2 centres aux USA, 3 en Allemagne, 1 en Italie, 1 en Australie et 1 en France
• Centre de traitement opérationnel (solution position+eop chaque semaine)
• En collaboration étroite avec le GRGS, l’IGN et le CNES
• Ressources humaines: 2 ETP dont un SO astronome.
• Evolution : vers un service journalier de calcul des paramètres de rotation de la terre
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200719
Concepts
Systèmes de référence
Dynamique des sondes spatiales
Dynamique des vols en formation
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200720
Dynamique des sondes aux frontières du système solaire
Satellite proche de la Terre :• Modèles dynamiques complexes• Observations nombreuses et variées information sur environnement terrestre
Sonde loin de la Terre et des planètes :• Modèle dynamique plus simple permet de tester la dynamique(lois de la gravitation) aux confins dusystème solaire• Difficulté : on manque parfois d’observations et d’informations
Besoin minimal : • Système de poursuite performant• Manœuvres (pointage) limitées
• Cassini• Pioneer 10 & 11
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200721
Cassini
• Mesure de l’effet Doppler (vitesse radiale) selon 3 fréquences• Absence totale de manœuvre et arrêt des autres instruments durant 1 moisautour de la conjonction Terre-Soleil-Cassini
Observation du décalage Doppler lié à la courbure et au retard gravitationnel des ondes électromagnétiques
Bertotti et al, 2002
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200722
Pioneer 10 & 11
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200723
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200724
• Masse : 250 kg• Distance : jusqu’à 80 UA (distance Soleil-Terre = 1 UA)• Vitesse : 12-13 km/s = 2.5 UA / an• Accélération gravi (>30 UA) : quelques 10-6 ms-2
• Pression de radiation (>30 UA) : < 10-10 ms-2
La dynamique de Pioneer
Cela ne fonctionne pas !!
Il est nécessaire d’ajouter une accélération empirique de ~8.5 10-10 ms-2, constante, dirigée vers le Soleil (ou la Terre) : Anomalie Pioneer
Les observations de vitesses radiales des sondes peuvent être comparées à la trajectoire modélisée à partir de la dynamique connue
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200725
Allo Huston, je crois que nous
avons un problème d’accélération empirique…
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200726
Résultats du JPL
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200727
Confirmés par nos analyses (Groupe Anomalie Pioneer)
GAP :Modélisation• LKB• OCA/GEMINI• ONERAInstrumentation :• IOTA • OCA/ARTEMIS• OCA/GEMINI• ONERA• SYRTE
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200728
PIONEER10
RMS=8.4 mHZ ap=-8.35x10-10 +/- 1.5x10-12 m/s2
RMS=5.26mHZ ap=-8.34x10-10 +/- 1.1x10-12 m/s2 A1y=0.49 +/- 0.1 Hz A1/2y=1.53x10-2 +/- 6x10-4 Hz A1d=2.5x10-4 +/- 1x10-4 Hz
Vitesse orbitale de la Terre ==> ~500 000 HzVitesse de la sonde ==> ~200 000 HzVitesse de rotation de la Terre ==> ~7500 Hz
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200729
• Effet classique (mais subtil !) non pris en compte dans les modèles ?– Source de gravité cachée– Pression de radiation– Poussée thermique
• Modification de la gravitation ?
==> doit être compatible avec les observations (très précises) dans le système solaire.
Interprétations possibles
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200730
Comment trancher entre effets gravitationnels et effets non gravi ?
• En observant une plus grande proportion des trajectoires :• Les résultats actuels correspondent aux données les plus récentes (les plus loin du Soleil)• Sur l’ensemble de la trajectoire les effets gravitationnels et non gravitationnels ont des signatures différentes un effort de réhabilitation des observations anciennes est en cours à la NASA
• En équipant les futures sondes • De systèmes de positionnement précis (doppler, VLBI, laser)• D’accéléromètres permettant de mesurer les effets non gravitationnels Propositions du GAP à l’AO Cosmic Vision (ESA)
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200731
Concepts
Systèmes de référence
Dynamique des sondes spatiales
Dynamique des vols en formation
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 2007
Problématique spécifique aux vols en formation :
• Éviter les collisions• Eviter la dispersion• Contrôler la distance• Reconfigurer de façon optimale la formation
R
T
N
I
J
K
r2
r1
Particularité de la dynamique des vols en formation:
r1 r2,<<
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200733
Différentes problématiques :
LISA : minimiser les variations d’angles et distances entre les satellites
GRACE ‘follow-on’ : trouver les configurations les plus sensibles aux champ de gravité
SIMBOL-X : modéliser les mouvements relatifs avec de très fortes excentricités et perturbés par la pression de radiation solaire
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200734
Différentes paramétrisations pour étudier le mouvement relatif
Eléments orbitaux différentielsCoordonnées cartésiennes
Les éléments orbitaux locaux
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 2007
Les éléments orbitaux locaux (Fontdecaba, 2007)
al : semi-major axis
el = 1 - (bl/al)2 : excentricity
il : inclination
l : longitud of ascending node
: longitud of perigee
Ml : anomaly
R
T
N
al
l
Ml
il
bl
• Dans le cas d’orbites individuelles circulaires et non perturbées, la trajectoire relative est une ellipse :
• Dans le cas d’orbites individuelles elliptiques et/ou perturbées, on peut considérer des éléments orbitaux osculateurs.
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200736
Merci
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200737
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200738
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200739
PRESENTATION DU PROBLEME
• Pioneer 10 et Pioneer 11 lancées en 1972 et 1973 par la NASA
• Objectif : exploration du système solaire (Jupiter, Saturne).
• Suivi des trajectoire par mesure de vitesse Doppler.
• Pioneer 10 observée jusqu’en 2002 (80 UA du Soleil).
• Pioneer 11 observée jusqu’en 1990 (30 UA du Soleil).
• Problème : il faut ajouter une accélération empirique très significative aux accélérations d’origine connue pour expliquer les observations : anomalie Pionner==> observé à la fois sur P10 et P11
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200740
Systèmes de référence
• Fondamentalement, le mouvement des corps célestes estmodélisé et calculé dans un repère dit inertiel, relié aux astreséloignés.• La plupart des observations relient le corps observé à des stations terrestrerattachées à la Terre en mouvement (translation et rotation) parrapport au repère inertiel céleste
Pour interpréter les observations il faut tenir compte • de la position du corps dans l’espace (modèle dynamique)• de la position des stations sur Terre (repère terrestre)• de la rotation de la Terre dans l’espace (repère terrestre / repère céleste)
Inversement, les observations doivent pouvoir nous donnerdes informations sur les repères de référence
JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 200741