Brevet FR2769991A1 — publié le 19990423

La présente invention se rapporte à un procédé de catalogage d'objets spatiaux et à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Les objets spatiaux, plus particulièrement présents dans une tranche d'altitude comprise entre 200 et 1500 km, se décomposent en deux classes principales: - les satellites (de télécommunications, d'observation radar ou optique, d'expérimentation scientifique, d'écoute électronique, ...) - les débris, constitués eux-mêmes d'objets d'origines très diverses - poussières d'alumine générées par la combustion des propergols solides ( 1 à 10 microns) - écailles de peinture et d'isolant thermique, produites par des atomes d'oxygène, la radiation solaire, et les poussières d'alumine, - particules secondaires générées par la collision de débris avec des engins spatiaux - fragments résultant d'expérimentation délibérées, comme par exemple des explosions de charges pyrotechniques - fragments résultant d'accidents - étages supérieurs de lanceurs abandonnés en orbite - engins spatiaux ayant terminé leur cycle de vie. Les satellites font l'objet d'une surveillance et d'un contrôle permanent par un ensemble de moyens, maîtrisés principalement par les USA, la Russie, et dans une certaine mesure, par l'Europe (ESA), et sont pratiquement tous déjà répertoriés. Les débris, en revanche, ne sont répertoriés que très partiellement, seuls les gros débris (de taille supérieure à quelques dizaines de centimètres) sont connus de façon quasi exhaustive. Par ailleurs, les débris spatiaux (gros, mais aussi petits, jusqu'à une taille inférieure au millimètre), font peser à moyen terme une menace redoutable pour les systèmes spatiaux en orbite basse (inférieure à 1000-1500 km). La probabilité de destruction d'un satellite opérationnel par un débris atteindra d'ici quelques années des valeurs difficilement compatibles avec les moyens financiers et économiques mis en jeu dans le lancement d'une charge utile, problème maintenant identifié par les compagnies d'assurances. Plusieurs incidents graves ont déjà été identifiés, I'un des derniers concernant le satellite Cerise de LESTA percuté par un débris d'Ariane en juillet 1996. Les débris sont également à même de compromettre la viabilité à terme de missions habitées (stations orbitales...). La surveillance des débris est donc un enjeu stratégique pour l'industrie spatiale dès maintenant. L'évaluation de la menace constituée par les débris spatiaux est effectuée actuellement à l'aide de différentes techniques: - les moyens optiques permettent de détecter les gros débris, dans des conditions très limitatives de météorologie; les projets de téiescopes spatiaux permettraient d'accroître le champ d'observation vers les petits débris, de façon moins dépendante des conditions atmosphériques, mais pour un coût très élevé; - des moyens mécaniques, sont utilisés, consistant à mettre en place en orbite des panneaux de grande surface permettant de dénombrer les impacts de débris et d'évaluer leurs dimensions; ces techniques sont coûteuses, longues (plusieurs années d'essais sont nécessaires pour accumuler une information exploitable), et très parcellaires (elles ne fournissent de l'information que sur un domaine trés limité de l'espace); - les techniques les plus appropriées sont les techniques radar, capables de fournir une information précise en temps réel, indépendamment des conditions atmosphériques. La difficulté dans ce domaine est la petite taille des particules à détecter (jusqu'à iO3 ou même 10-5 m2) et le volume de surveillance (toute la couche de 200 à 1500 km d'altitude). Les systèmes actuellement en place sont constitués de deux réseaux de surveillance radar (aux USA, et en Russie), qui permettent d'entretenir un catalogue des débris (taille, paramètres orbitaux, origine...) mis à disposition de certains autres acteurs du domaine (par exemple l'ESA et le CNES en Europe). Ces moyens ne permettent actuellement pas la détection d'objets de taille inférieure à 10 cm. Les moyens existants ou en développement en France et en Europe pour la surveillance ou la trajectographie d'objets spatiaux (ex. Armor, Graves, radars du FGAN en Allemagne) fournissent un bilan radar très inférieur au bilan nécessaire pour détecter les objets d'intérêt. Les seuls moyens radar connus actuellement, capables de détecter les débris de petite taille se situent aux USA. Il s'agit d'une part du radar Haystack du MIT Orbital debris environment characteristics obtained by means of the Haystack radar , E.G. Stansbery et al., Proc. of the First European Conference on Space Debris, Darmstadt, 5-7 avril 1993, pp. 323327, radar de trajectographie en bande X, de très forte puissance d'émission, utilisé pour des expériences en 1990-1992 en beam park mode : le faisceau radar est pointé dans une direction de l'espace donnée pendant une longue durée, et permet la détection des débris passant dans le cône étroit éclairé par le faisceau. L'observation au cours du temps permet d'obtenir une information statistique sur la densité des débris, et une estimation grossière de certains de leurs paramètres statistiques. Ce procédé nécessite néanmoins l'immobilisation du radar pour toute la période d'observation, ce qui nécessiterait pour un emploi opérationnel l'utilisation d'un radar dédié très coûteux. Un autre procédé est décrit dans ( Radar detection of centimersized orbital debris: preliminary Arecibo observations at 12.5 cm wavelength , T.W. Thompson et al., Geophysical Research Letters, Vol. 19, N" 3, feb. 7. 1992, pp. 257-259), et a été mis en oeuvre lors d'une expérimentation en 1989 sur le site d'Arecibo (Pcrto-Rico). II consiste à utiliser en bistatique le radiotélescope d'Arecibo (antenne pointée au zénith, de 305 m de diamètre), illuminé pour la durée de l'expérience par un émetteur très puissant (400 kW), puis à recevoir les échos renvoyés par les débris grâce à une antenne passive de 30 m de diamètre pointée dans une direction intersectant le faisceau émis aux altitudes d'intérêt. Cette expérimentation a permis de détecter certains débris de petite taille, et de recouper les mesures avec les modèles existants. Elle a été reproduite à échelle réduite sur le site de Goldstone (Californie). Sa mise en oeuvre nécessite l'utilisation spécifique du radiotélescope à des fins non compatibles avec le maintien de ses missions normales. Ces deux procédés permettent donc de façon complémentaire d'obtenir certaines informations sur les débris de petites tailles (de l'ordre du millimètre). Ils nécessitent en revanche tous deux d'immobiliser des moyens particulièrement complexes et coûteux, qui doivent interrompre leurs missions normales pendant les essais. L'élaboration d'un système opérationnel de surveillance des débris selon l'un ou l'autre de ces principes est techniquement envisageable mais à un coût très élevé. Par ailleurs, I'Europe ne dispose à l'heure actuelle d'aucun moyen indépendant de surveillance des débris, et le coût d'un système relevant de l'un ou l'autre de ces principes ne paraît pas abordable à court terme. La présente invention a pour objet un procédé permettant de détecter, localiser et de déterminer les paramètres principaux (position, vitesse, dimensions, nature...) de petits débris spatiaux, et ce, de façon peu onéreuse, sur de longues périodes d'observations (au moins plusieurs mois, par exemple), sans perturber le fonctionnement normal d'installations importantes ayant d'autres missions (telles que des radiotélescopes). La présente invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention, qui puisse comporter des moyens existants, en ne nécessitant que des modifications peu onéreuses de ces moyens, qui soient combinés à des moyens simples et également peu onéreux, tout en présentant des caractéristiques de détection de débris spatiaux au moins aussi bonnes que celles des systèmes existants. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'on émet à l'aide d'au moins un émetteur radar un faisceau dirigé vers au moins une zone de l'espace dont l'altitude est celle de la trajectoire probable des débris à détecter, cette zone se trouvant dans le faisceau d'une antenne réceptrice de très grande taille, munie d'un récepteur passif fonctionnant dans la bande de fréquences du radar, à relever les caractéristiques des échos renvoyés par les obstacles spatiaux illuminés par le faisceau radar, et après traitement des signaux reçus et extraction des paramètres caractéristiques des débris, à exploiter les données ainsi obtenues. Le dispositif conforme à l'invention comporte au moins un émetteur radar et une antenne de réception de très grandes dimensions munie d'un récepteur passif d'ondes radar, un dispositif de commande de pointage commun à l'émetteur radar et à l'antenne de réception, une horloge de référence reliée à chaque fois par un dispositif de synchronisation à l'émetteur radar et au récepteur passif, des circuits de traitement de signal reliés à la sortie du récepteur passif et suivis d'un dispositif d'exploitation de données, et ces circuits de traitement comportant avantageusement des circuits d'extraction de paramètres. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, dont la figure unique est un blocdiagramme d'un dispositif conforme à l'invention. Le dispositif 1 représenté schématiquement sur la figure unique est du type bistatique, c'est-à-dire qu'il comporte deux stations au sol, I'une émettrice, L'autre réceptrice. Toutefois, il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à l'emploi d'une seule station émettrice, et qu'il peut en comporter plusieurs, afin d'améliorer la qualité des résultats obtenus, en particulier afin de déterminer avec plus de précision les trajectoires des objets détectés. La mise en oeuvre de plusieurs stations émettrices apparaîtra de façon évidente à l'homme de l'art à la lecture de la description qui suit. Par ailleurs, ces stations émettrices peuvent être toutes identiques ou bien différentes. Dans ce dernier cas, on peut par exemple faire varier les polarisations de leurs faisceaux d'émission afin de mieux discriminer les objets diélectriques des objets conducteurs, et donc de déterminer avec une meilleure précision leurs dimensions. Les objets en question peuvent aussi bien être des objets utiles , c'est-à-dire en particulier des satellites, qui sont pratiquement tous déjà répertoriés, et qui peuvent être facilement détectés par des moyens classiques, mais surtout des objets dangereux (pour ces objets utiles), et qui sont lesdits débris. Le dispositif de l'invention permet de détecter ces objets dangereux lorsqu'ils passent dans le faisceau de son émetteur, même s'ils sont très petits, c'est-à-dire d'une dimension inférieure au centimètre. Le dispositif 1 comporte un émetteur radar référencé 2 dans son ensemble, et un récepteur référencé 3 dans son ensemble. Le récepteur 3 comporte essentiellement une antenne de réception 4 de très grandes dimensions (par exemple de 7 000 m2 de surface), qui est avantageusement celle d'un radiotélescope, et est associée à un, et de préférence à deux ou plusieurs capteurs auxiliaires passifs 4A, 48 disposés à proximité de son foyer, en plus du capteur principal habituel 4C du radiotélescope, ces capteurs étant suivis de circuits électroniques de traitement décrits ci-après. L'émetteur 2 est un émetteur existant, par exemple un radar de trajectographie ou un dispositif assurant la liaison montante d'un système de transmission par satellite, ou bien un dispositif dédié assurant la fonction d'émetteur radar. Son antenne d'émission est référencée 5 et elle est reliée à des circuits d'émission 5A connus en soi. Cet émetteur 2 doit avoir une puissance relativement élevée, par exemple une puissance moyenne de 2 kW, et sa fréquence d'émission est adaptée à la bande passante de l'antenne de réception, et est avantageusement située dans la bande L ou la bande S, c'est-à-dire comprise entre environ 1 et 3,5 Ghz dans le cas du radiotélescope de Nançay. La distance entre l'émetteur 2 et le récepteur 3 est avantageusement comprise entre 50 et 500 km environ. Le faisceau de l'antenne 5 de l'émetteur est orienté de façon à intersecter celui de l'antenne 4 à une altitude comprise entre environ 200 et 1 500 km par exemple. Dans une configuration tristatique (2 émetteurs, 1 récepteur), les émetteurs peuvent également être distants entre eux et par rapport au récepteur d'environ 50 à 500 km. Dans le récepteur 3, le capteur 4C est relié à un récepteur classique de radiotélescopie 6, lui-meme relié à des circuits classiques de traitement (non représentés, car ne faisant pas partie de l'invention). Les capteurs 4A et 4B (et éventuellement d'autres capteurs) sont reliés à un récepteur de signaux radar 7. Le récepteur 7 est relié à un circuit 8 de numérisation, lui-même relié à un dispositif 9 d'enregistrement de données. La sortie du dispositif 9 est reliée d'une part à un démodulateur 1 0 (assurant par exemple une démodulation synchrone d'amplitude et de phase), et d'autre part à une entrée d'un dispositif 11 d'extraction et de sélection de paramètres des objets produisant les échos captés par les capteurs 4A, 48. Ce dispositif il fonctionne avantageusement selon un critère statistique (maximum de vraisemblance). Le démodulateur 10 est suivi successivement d'un circuit 12 de compression d'impulsions, d'un circuit 13 d'intégration Doppler, d'un circuit 14 de régulation de fausse alarme et d'un circuit 15 de détection dont la sortie est reliée à une autre entrée du dispositif 11. La sortie du dispositif 11 est reliée à un dispositif 16 d'exploitation des paramètres extraits par le dispositif 11. Ce dispositif 16 peut avoir plusieurs fonctions, selon ce que l'on désire faire avec lesdits paramètres: calcul d'orbites, calcul de dimensions d'objets détectés, catalogage, mémorisation, établissement de statistiques, etc. On notera qu'aussi bien la démodulation des signaux issus du récepteur 7 que le traitement numérique peuvent être effectués en temps réel aussi bien que de façon différée. Le dispositif 1 comporte en outre une horloge de référence 17 de très haute stabilité (par exemple celle d'un système GPS). Cette horloge 17 est reliée par un premier dispositif de synchronisation 18 à l'émetteur 5A, et par un second dispositif de synchronisation 19 au récepteur 7. Le dispositif 1 comporte également un dispositif 20 de commande de pointage relié aux antennes 4 et 5. Les circuits et dispositifs 7 à 20 étant bien connus en soi, ne seront pas décrits chacun en détail. L'homme de l'art pourra facilement les réaliser à la lecture de la présente description. Comme précisé ci-dessus, L'antenne 4 est avantageusement celle d'un radiotélescope, car une telle antenne présente un gain très élevé. En Europe, on peut par exemple utiliser soit celle du radiotélescope d'Effelsberg (prés de Bonn, en Allemagne), soit celle de Nançay en France. Cette dernière a une surface d'antenne de 7 000 m2, une ouverture angulaire de 4' en Est-Ouest et de 22' en Nord-Sud. Elle présente un gain d'environ 59 dB en bande L. En l'associant à un radar de trajectographie d'une puissance moyenne de 2 kW, on peut par exemple obtenir, après traitement numérique, un rapport signal/bruit d'environ 21 dB pour des débris ayant une surface équivalente radar de 10-3 m2 gravitant à une altitude d'environ 500 km. Le radiotélescope peut être utilisé en permanence pour le fonctionnement pour lequel il a été prévu à l'origine. Les capteurs 4A et 48 ne perturbent en rien ce fonctionnement. Les échos radar éventuels, provenant des signaux de l'émetteur 2 et se réfléchissant sur des débris, sont superposés aux signaux utiles habituels du radiotélescope, mais peuvent être situés dans une autre bande de fréquences. Le dispositif 20 de pointage asservit le faisceau de l'émetteur 2 dans une direction intersectant le faisceau de l'antenne 4 (mais l'altitude du point d'intersection peut être variable), ce dernier étant contrôlé pratiquement uniquement en vue de sa mission principale de radioastronomie. L'horloge de référence 17 assure, avec les circuits 18, 19, la synchronisation du récepteur 7 avec les signaux de l'émetteur 2. Cette horloge de référence peut par exemple être celle d'un système GPS. Le récepteur 7 assure la démodulation cohérente des signaux reçus par les capteurs 4A, 4B. Les signaux démodulés sont numérisés (en 8), puis traités de façon appropriée par la chaîne de traitement 9 à 16. Ce traitement permet, en particulier, d'améliorer par intégration le rapport signal/bruit des échos renvoyés par les débris passant dans le lobe de l'antenne d'émission, de détecter ces échos avec un taux de fausses alarmes constant, puis d'estimer certains des paramètres de ces débris tels que leur Surface Equivalente Radar, leur position et leur vitesse. Ces deux derniers paramètres permettent, dans certains cas, de remonter aux paramètres orbitaux. Cette détermination peut être facilitée par un montage tri statique (à deux émetteurs distants l'un de l'autre et un récepteur). Ainsi, cette utilisation parallèle de l'antenne de réception permet d'effectuer des relevés de paramètres de débris sur de très longues périodes (plusieurs mois ou années) sans perturber le fonctionnement normal du radiotélescope. A ce sujet, on notera que la disponibilité d'un radiotélescope, tel que celui de Nançay, est d'environ 77 % du temps, le reste du temps étant consacré à des opérations de maintenance ou de positionnement mécanique du faisceau. Un calcul simplifié montre qu'environ 90 % des objets situés dans la tranche d'altitude considérée (entre 200 et 1 500 km), soit environ 9 000 débris, pourraient être catalogués au terme d'une période de 18 mois. Bien entendu, dans certains cas, comme par exemple pour le calibrage du système, on peut pointer, pendant un laps de temps relativement court, L'antenne de radioastronomie dans une direction bien déterminée, sans rapport avec sa mission principale, pour observer un objet particulier, qui peut être une cible de référence servant à ce calibrage. Le procédé de l'invention présente plusieurs avantages par rapport à ceux existant. Par rapport aux procédés mettant en oeuvre uniquement des radars tels que ceux disponibles en Europe, il permet d'améliorer la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur, donc permet de détecter des débris si petits que ces radars ne peuvent absolument pas les détecter. Par rapport au procédé mettant en oeuvre le radiotélescope d'Arecibo, il procure une sensibilité du meme ordre de grandeur, mais sans perturber le fonctionnement habituel du radiotélescope, et ce, pour de très longues durées d'observation. Par rapport au procédé mettant en oeuvre le radar Haystack, il permet d'obtenir des résultats sensiblement équivalents (en termes de statistiques effectuées sur des petits débris, pendant de longues durées d'observation), mais en immobilisant un émetteur ayant une PIRE beaucoup moins élevée (grâce au très grand gain de l'antenne du radiotélescope). II est à remarquer que l'émetteur 2 utilisé par l'invention, bien qu'étant asservi au récepteur 7 et bien qu'étant dédié à la mission de surveillance des débris pendant toute la durée d'observation, peut entre un émetteur seul (et non pas un radar complet comme le Haystack). L'invention permet donc de mettre en oeuvre divers types d'émetteurs, par exemple celui d'une liaison montante de communications par satellite, ou bien un matériel dédié, et ce, pour un coût très inférieur à celui d'un système tel que celui utilisant le Haystack. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection, de localisation et de détermination des paramètres principaux de petits débris spatiaux, caractérisé en ce que l'on émet à l'aide d'au moins un émetteur radar un faisceau dirigé vers au moins une zone de l'espace dont l'altitude est celle de la trajectoire probable des débris à détecter, cette zone se trouvant dans le faisceau d'une antenne réceptrice de très grande taille, munie d'un récepteur massif fonctionnant dans la bande de fréquences de l'émetteur radar, à relever les caractéristiques des échos renvoyés par les obstacles spatiaux illuminés par le faisceau radar, et après traitement des signaux reçus et extraction des paramètres caractéristiques des débris, à exploiter les données ainsi obtenues. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne réceptrice est celle d'un radiotélescope. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'émetteur radar fonctionne dans une bande de fréquences comprise entre 1 et 3,5 Ghz environ. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur est celui d'un radar de trajectographie. 5. Dispositif de détection, de localisation et de détermination des paramètres principaux de petits débris spatiaux, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un émetteur radar (2) et une antenne de réception de très grandes dimensions (4) munie d'un récepteur passif d'ondes radar (4A, 4B, 7), un dispositif de commande de pointage (20) commun à l'émetteur radar et à l'antenne de réception, une horloge de référence (17) reliée à chaque fois par un dispositif de synchronisation (18, 19) à l'émetteur radar et au récepteur passif, et des circuits de traitement de signal (8 à 15) reliés à la sortie du récepteur passif et suivis d'un dispositif d'exploitation de données (16). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les circuits de traitement comportent des circuits d'extraction de paramètres (11). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les circuits d'extraction de paramètres fonctionnent selon un critère statistique. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'exploitation de données comporte l'un au moins des dispositifs suivants: dispositif de calcul d'orbites, dispositif de calcul de dimensions d'objets détectés, dispositif de catalogage, dispositif de mémorisation, dispositif d'établissement de statistiques. 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux émetteurs radar émettant selon des polarisations différnntes.