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satellite d'observation

La Terre
La Terre

Satellite artificiel permettant d'obtenir des vues de la Terre depuis l'espace par des techniques variées (photographie dans le visible ou l'infrarouge, imagerie radar, etc.).

Les satellites d'observation de la terre

L'observation de la Terre est devenue l'un des champs d'application privilégiés des satellites (→ satellite artificiel). Des dizaines d'engins spatiaux scrutent désormais en permanence l'atmosphère ou la surface de notre planète à des échelles variées.

Ces satellites couvrent les besoins de la météorologie, de la climatologie, de l'océanographie, de la cartographie, de l'agriculture, de l'aménagement du territoire, de la gestion des ressources naturelles, du renseignement militaire, etc.

Météorologie

Les bulletins météorologiques diffusés par les chaînes de télévision nous ont rendu familières les images de la couverture nuageuse transmises par des satellites. Avec les télécommunications, la météorologie a été l'une des toutes premières applications des satellites, qui se sont rapidement révélé des outils irremplaçables pour suivre le déplacement et l'évolution des systèmes nuageux. Dès 1960, les États-Unis lancèrent le premier satellite météorologique, TIROS 1 (Television and InfraRed Observation Satellite). Placé en orbite à 700 km d'altitude, cet engin de 120 kg fonctionna pendant 78 jours et transmit près de 25 000 vues de la surface terrestre prises par ses deux caméras de télévision. Chaque image couvrait environ 1 000 km2 et montrait des détails de l'ordre du kilomètre.

Les satellites météorologiques se répartissent en deux catégories : des satellites géostationnaires, qui conservent une position pratiquement fixe par rapport à la Terre, dans le plan de l'équateur, à quelque 36 000 km d'altitude, permettant l'observation continue d'une région très étendue, mais toujours la même ; et des satellites à défilement, généralement placés en orbite quasi polaire, héliosynchrone (c'est-à-dire dont le plan conserve toujours la même orientation par rapport à la direction Terre-Soleil), entre 600 et 900 km d'altitude, qui survolent de manière répétitive l'ensemble du globe en repassant toujours à la même heure solaire au-dessus d'une région donnée.

Les satellites météorologiques géostationnaires ont pour mission principale la surveillance des phénomènes à développement rapide (orages, cyclones, nappes de brouillard) et la mesure de leurs déplacements. Ils permettent notamment d'alerter désormais suffisamment à l'avance les populations menacées par le passage d'un cyclone. Ils fournissent également la seule base de données disponible pour l'étude du rôle de la couverture nuageuse à l'échelle mondiale. Ils ont enfin une mission accessoire de collecte de données émanant de plates-formes de mesures situées dans des zones d'accès difficile. Depuis les années 1980 a été mis en place un système de veille météorologique mondiale composé de cinq satellites géostationnaires répartis autour du Globe : deux GOES (États-Unis), un Météosat (Europe), un GMS (Japon) et un Insat (Inde).

Engagé dès les années 1970 par l'Agence spatiale européenne (ESA), le programme Météosat est, depuis 1987, financé et administré par l'organisation intergouvernementale Eumetsat, mais l'ESA continue de superviser la construction des satellites, lancés par des fusées Ariane. Trois satellites préopérationnels ont été mis en orbite, de 1977 à 1988, suivis de quatre satellites opérationnels, de 1989 à 1997. Leur relève doit être progressivement assurée par des satellites Météosat de seconde génération (MSG, 3 prévus), plus performants et aptes à fournir des images toutes les 15 minutes dans 12 bandes spectrales différentes, au lieu d'une image toutes les demi-heures dans 3 canaux seulement pour les satellites antérieurs ; le premier représentant de cette nouvelle génération de Météosat, MSG1, a été lancé avec succès le 27 août 2002 ; positionné à 0° de longitude en 2003, il prendra la relève de Météosat 7 pour couvrir l'Europe, l'Afrique, l'océan Atlantique et l'océan Indien, avec une durée de vie opérationnelle espérée de sept ans.

Avec ses satellites Insat, l'Inde dispose depuis 1982 de satellites destinés à la fois aux télécommunications et à la surveillance météorologique. Le 12 septembre 2002, elle a mis en orbite son premier satellite géostationnaire ayant une mission exclusivement météorologique, Metsat 1 ; celui-ci doit remplacer le satellite Insat 1D en poste à 74° de longitude est depuis 1990.

Complémentaires de leurs homologues géostationnaires, les satellites météorologiques en orbite polaire ont plutôt pour mission de fournir les données quantitatives nécessaires à la compréhension de la dynamique de l'atmosphère et de l'océan superficiel. Ils sont principalement équipés de radiomètres opérant dans l'infrarouge ou les hyperfréquences pour reconstituer la distribution de température et d'humidité dans l'épaisseur de l'atmosphère. Ils disposent également de radiomètres imageurs permettant de déterminer la température superficielle des océans, la couverture neigeuse des continents, l'étendue des glaces de mer, etc. Depuis 1969, la Russie dispose, avec ses satellites polaires Meteor, d'un réseau opérationnel de météorologie spatiale bien adapté à l'étendue de son territoire. L'Europe, quant à elle, développe le programme Metop, qui comprendra trois satellites, lancés à quatre ans d'intervalle à partir de 2005 et placés en orbite polaire à basse altitude pour favoriser les prévisions météorologiques à moyen et long termes.

Télédétection

Dès les années 1960, la surface terrestre a commencé à faire l'objet d'observations depuis l'espace à bord des premiers vaisseaux spatiaux pilotés, notamment lors des vols américains Mercury et Gemini. L'intérêt des images satellitaires a été clairement établi pour de nombreuses applications : cartographie, aménagement du territoire, étude du couvert végétal ou neigeux, inventaire des cultures et des forêts, suivi de la croissance urbaine, exploration minière ou pétrolière, surveillance de la pollution côtière ou marine, hydrologie, océanologie… On a mis notamment en évidence l'utilité de la technique d'imagerie multibande, qui consiste à prendre des vues d'une région donnée simultanément dans plusieurs gammes de longueurs d'onde, chacune faisant ressortir certains traits particuliers de la zone observée.

L'imagerie optique et infrarouge

Le lancement du satellite américain Landsat 1, le 23 juillet 1972, a marqué un tournant dans le développement des applications spatiales. Pour la première fois, un engin spatial était entièrement voué à l'observation de la Terre à des fins civiles. Satellisé à 900 km d'altitude, sur une orbite quasi polaire héliosynchrone, Landsat 1 emportait un ensemble de trois caméras de télévision fournissant des couleurs dans le domaine visible, et une chambre multibande à balayage prenant des vues en continu dans quatre domaines de longueurs d'onde (trois dans le visible, un dans le proche infrarouge). Il photographiait sous sa trajectoire une bande de terrain large de 185 km et couvrait la totalité de la surface terrestre en 18 jours. Les plus fins détails visibles (la résolution des images) mesuraient 80 m sur les vues en couleurs et 40 m sur celles en noir et blanc.

Landsat 1 a fonctionné pendant huit ans. Six autres satellites de la même famille ont été lancés pour lui succéder et améliorer progressivement la qualité du service fourni. La mise en orbite de Landsat 6, en 1993, échoua, mais le satellite le plus récent, Landsat 7, lancé en 1999, fournit des images ayant une résolution de 30 m en couleurs et de 15 m en noir et blanc.

Parmi les pays autres que les États-Unis ayant développé des satellites de télédétection, la France a, depuis les années 1980, montré son savoir-faire avec la filière Spot (Satellites pour l'observation de la Terre), dont le représentant le plus récent et le plus performant, Spot 5, a été mis en orbite en 2002.

La compétition entre les différents systèmes d'imagerie spatiale se joue désormais sur des critères tels que la résolution des images, la précision géométrique des prises de vues, les bandes spectrales utilisées, la possibilité de vision stéréoscopique, la capacité d'acquisition, etc. Selon les applications envisagées, on privilégie la largeur de prise de vues ou la résolution. En cartographie spatiale, l'apport de la très haute résolution (métrique ou submétrique) est déterminant, mais les satellites fournissant ce type d'images ont généralement, en contrepartie, l'inconvénient de ne photographier au sol à chaque révolution qu'une bande d'une dizaine de kilomètres de largeur. Aux États-Unis, deux sociétés privées commercialisent aujourd'hui des images à très haute résolution : Space Imaging, celles du satellite Ikonos 2, lancé en 1999 (1 m de résolution en noir et blanc, 4 m en couleurs) et DigitalGlobe, celles du satellite Quickbird 2, mis en orbite en 2001 (0,6 m en noir et blanc, 2,5 m en couleurs). Deux autres firmes, Orbimage et Resource 21, devraient bientôt pénétrer à leur tour ce marché avec leurs propres satellites. En-dehors des États-Unis et de la France, plusieurs pays développent des programmes de satellites d'observation de la Terre dans le domaine optique ou infrarouge : notamment, le Japon (programme Alos), l'Inde (Cartosat), Israël (Eros) et la Chine en partenariat avec le Brésil (CBERS).

L'imagerie radar

Les satellites d'observation scrutant la Terre en lumière visible souffrent d'un handicap. Leur regard ne peut traverser les nuages et ils sont inopérants la nuit. Pour s'affranchir de cette contrainte, il faut recourir à des satellites dotés de capacités radar. Le satellite émet des ondes radar vers la zone qu'il survole et enregistre les échos ; les informations reçues sont transformées en images. Le premier satellite civil d'observation de la Terre équipé d'un radar fut le satellite océanographique américain Seasat, en 1978. Depuis, des systèmes d'imagerie spatiale radar ont été développés aux États-Unis, en Russie, au Japon, au Canada et en Europe.

L'Agence spatiale européenne a développé, avec succès, le programme ERS (European Remote sensing Satellite), qui comprend deux satellites, lancés en 1991 et en 1995 respectivement et placés en orbite polaire héliosynchrone à quelque 780 km d'altitude. Pesant 2,4 t, ils emportent, entre autres instruments scientifiques, un radar à synthèse d'ouverture, un altimètre radar, un radiomètre à balayage et un rétroréflecteur laser permettant des observations permanentes, par tous les temps, des océans, des terres émergées et des glaces polaires ainsi que des mesures de géodésie spatiale. Les données recueillies favorisent une meilleure compréhension des interactions entre l'atmosphère et les océans, une surveillance de la végétation, des glaces polaires, de la pollution des côtes, etc. Au Canada, le programme Radarsat constitue, lui aussi, un succès, illustré à ce jour par deux satellites : Radarsat 1, lancé en 1995, auquel est venu s'ajouter en 2001 Radarsat 2, dont les images ont une résolution allant de 3 m pour des scènes de 25 km2 à 100 m pour des scènes de 500 km2.

Océanographie

Occupant 70 % de la surface de la Terre, les océans ont un rôle géochimique, biologique et économique considérable. En recueillant de façon régulière sur de longues périodes et sur l'ensemble du globe des données sur leur température de surface, les courants qui les traversent, la hauteur des vagues, etc., les satellites contribuent à une meilleure connaissance des océans et à la mise au point des modèles mathématiques aptes à rendre compte de la circulation océanique générale.

L'observation spatiale des océans a commencé véritablement en 1978 avec le lancement du satellite américain Seasat 1. Bien que celui-ci n'ait fonctionné que trois mois, il a fourni une riche moisson de données pour l'étude des courants océaniques. Des avancées significatives ont été obtenues ensuite notamment grâce au satellite franco-américain Topex-Poséidon, placé le 10 août 1992 sur une orbite circulaire à 1 330 km d'altitude, inclinée de 66° sur l'équateur. Avec ses deux altimètres radar, permettant de mesurer la hauteur des vagues et la vitesse du vent, son radiomètre permettant de déterminer la quantité de vapeur d'eau atmosphérique et ses trois instruments d'orbitographie précise, l'engin, toujours opérationnel en 2002, a permis de suivre en détail le phénomène El Niño, d'observer la variabilité surprenante des océans, de suivre des ondes océaniques de plusieurs milliers de kilomètres de large poussées par les vents, de mettre en évidence une hausse du niveau de la mer de un millimètre par an… Le succès de la mission a incité le Centre national d'études spatiales, en France, et la NASA, aux États-Unis, à la poursuivre à l'aide d'un nouveau satellite, Jason 1, qui a été lancé le 7 décembre 2001.

Climatologie, surveillance de l'environnement

Ce sont les données recueillies par un satellite météorologique américain, Nimbus 7, qui ont pour la première fois attiré l'attention, en 1985, sur la diminution alarmante de la teneur en ozone de la stratosphère (le « trou d'ozone »). Depuis lors, les préoccupations relatives à la protection de l'environnement et aux incidences des activités humaines sur l'évolution du climat ont conduit à développer de nombreux programmes spatiaux.

L'observation de la Terre depuis l'espace offre la possibilité d'étudier à l'échelle globale et de façon continue l'atmosphère, les océans et les terres émergées, avec l'espoir de mieux comprendre leurs interactions complexes qui sont à la base des mécanismes du climat. Les missions spatiales représentent désormais une composante majeure des programmes internationaux de recherche visant à décrire, comprendre et modéliser les processus essentiels qui régissent le système géosphère-biosphère et à mieux apprécier l'influence des activités humaines sur le climat.

Dans le prolongement du programme ERS, l'ESA a développé le satellite européen d'observation de la Terre et de surveillance de l'environnement Envisat, lancé en 2002, qui apporte une contribution essentielle au programme GMES (Initiative de surveillance mondiale pour l'environnement et la sécurité).

Défense

Si l'observation de la Terre depuis l'espace connaît de nombreuses applications civiles, elle joue aussi un rôle important pour les besoins de la défense.

Aux États-Unis, l'US Air Force dispose de son propre réseau de satellites météorologiques, DMSP (Defense Meteorological Satellites Program). Lors de la guerre du Golfe, en 1991, ces engins ont aidé à la planification des opérations militaires, permis d'évaluer certains risques particuliers tels que les tempêtes de sable et permis également de détecter et de suivre les fumées des puits de pétrole incendiés.

Les satellites sont devenus des outils précieux pour recueillir des renseignements d'ordre tactique ou stratégique. Cette application, la reconnaissance, permet aux responsables militaires et au gouvernement des puissances qui y ont recours d'obtenir discrètement des informations sur les équipements militaires et les grands équipements technologiques des autres pays, et de surveiller les mouvements de troupes et de matériels, les zones de conflits, etc. Tous les grands conflits des dernières décennies (guerres israélo-arabes, guerre Irak-Iran, conflit d'Afghanistan, guerres du Golfe et de Yougoslavie…) ont été étroitement surveillés par des satellites de reconnaissance photographique. Aujourd'hui, les satellites les plus performants fournissent des images sur lesquelles on peut distinguer des détails d'une dizaine de centimètres seulement.

Les premiers satellites de reconnaissance photographique ont été lancés au début des années 1960, par les États-Unis et l'ex-URSS. Les Américains utilisèrent d'abord des satellites Discoverer, dotés d'une caméra à haute résolution dont le film revenait au sol dans une capsule munie d'une rétrofusée, qui pouvait être récupérée à l'aide d'un avion pendant sa descente en parachute ; et des satellites SAMOS (Satellite And Missile Observation System), équipés pour transmettre leurs images par radio chaque fois qu'ils survolaient les États-Unis. À partir de 1971, ils disposèrent de satellites Big Bird, évoluant entre 160 et 250 km d'altitude et recueillant d'une part des images à moyenne résolution transmises au sol par radio, d'autre part des images à haute résolution (quelques décimètres) envoyées au sol dans des capsules récupérables, chaque satellite disposant de six capsules larguées successivement à des intervalles de trois à quatre semaines. Depuis la fin des années 1970, les Big Bird sont remplacés par les engins de la famille Key Hole (KH), à l'orbite plus haute (plus de 300 km) qui leur confère une durée de vie plus longue (deux ans environ). Ils transmettent leurs images au sol sous forme numérisée (donc, sans aucune dégradation) et possèdent, par ailleurs, des détecteurs opérant dans l'infrarouge.

Dans l'ensemble du programme spatial de l'ex-URSS, les satellites de reconnaissance photographique constituent, de loin, la famille la plus nombreuse : plusieurs centaines ont été lancés depuis 1962 dans le cadre du programme Cosmos. À la différence des Américains, les Soviétiques, jusque dans les années 1980, ont utilisé exclusivement la technique de récupération des clichés obtenus par leurs satellites. Cette procédure leur permettait d'obtenir des clichés de très bonne qualité avec des caméras classiques, à défaut de maîtriser les technologies optiques et électroniques nécessaires à la transmission au sol d'images par radio. Mais, comme les satellites concernés avaient un périgée très bas (pour accroître la résolution des images), leur durée de vie était très courte (une douzaine de jours, en moyenne), et il fallait donc en lancer beaucoup pour assurer une surveillance permanente. Il a fallu attendre 1983 pour que l'ex-URSS dispose de satellites de reconnaissance photographique ayant une durée de vie de plusieurs mois et capables de transmettre leurs images par radio.

La France, forte de l'expérience acquise avec les plates-formes Spot, a développé les satellites Hélios. Décidé en 1986, réalisé en coopération avec l'Italie et l'Espagne, chacun des trois pays disposant sur son territoire de ses propres installations de réception et de traitement des images, le programme Hélios 1, développé en synergie avec Spot 4, comporte deux satellites, lancés respectivement en 1995 et en 1999. La continuité du service sera assurée par le programme Hélios 2, engagé en 1995 et auquel sont venues se joindre en 2001 l'Allemagne et la Belgique. Celui-ci comportera également deux satellites, mais qui bénéficieront de plusieurs améliorations : l'adjonction d'un moyen d'observation infrarouge autorisera la surveillance nocturne et la détection des activités sur les sites observés, les prises de vues seront plus nombreuses et les images obtenues présenteront une meilleure résolution. Le lancement du premier satellite, Hélios 2A, est prévu en 2004.

Comme dans le domaine civil, l'observation radar est indispensable pour assurer une surveillance « tous temps » et de jour comme de nuit. De 1967 à 1988, l'URSS a ainsi lancé des satellites – dénommés Rorsat (Radar Ocean Reconnaissance SATellite) par les Américains – pour localiser les bâtiments des flottes militaires adverses et suivre leurs déplacements en mer. Les États-Unis utilisent, pour leur part, depuis 1988, de gros satellites Lacrosse (15 t environ), dont les images radar auraient une résolution de 1 à 5 m pour une largeur couverte de 20 km. En Europe, l'Allemagne développe une constellation de cinq satellites d'imagerie radar, SAR-Lupe, dont la mise en orbite est prévue entre 2005 et 2007, et l'Italie a engagé le programme Cosmo-Skymed (4 satellites d'imagerie radar, lancés entre 2005 et 2007), dont les images doivent faire l'objet d'un échange avec celles qu'obtiendra la France grâce à son programme Pléiades (2 satellites d'imagerie optique, lancés en 2007 et 2009).

Voir également satellite naturel.