Brevet FR2849428A1 — publié le 20040702

SATELLITE DE MESURE A LASER DE PARAMETRES ATMOSPHERIQUES EN ORBITE BASSE DESCRIPTION L'invention concerne un satellite d'Observation, à vocation météorologique ou climatologique, de mesure de paramètres atmosphériques comportant une plate-forme ayant une face Terre faisant 10 face à la terre lorsque le satellite est en orbite à une altitude donnée et un dispositif de mesure à laser de paramètres atmosphériques constitué d'un laser de puissance donnée qui émet des impulsions laser dans l'atmosphère et d'un dispositif de réception comprenant 15 une surface collectrice ayant une surface donnée fixée sous la face Terre et qui reçoit un flux lumineux réfléchi par l'atmosphère. Les satellites d'observation à vocation météorologique mesurent divers paramètres atmosphériques tels que la densité en aérosols, les vents, etc. notamment au moyen d'un dispositif de mesure à laser appelé LIDAR qui sonde l'atmosphère depuis son orbite. Le bilan radiométrique du dispositif de 25 mesure est proportionnel à la puissance du laser embarqué et à la surface du collecteur de photons (surface collectrice). Il est inversement proportionnel au carré de l'altitude du satellite. L'obtention d'un bilan radiométrique satisfaisant passe par une 30 puissance laser élevée et/ou une surface collectrice SP 21760 GP importante, ce qui implique des équipements coteux à fabriquer et à mettre en orbite. La présente invention a pour objet un satellite de mesure de paramètres atmosphériques qui 5 permet une amélioration du bilan radiométrique du satellite par une optimisation des paramètres qui concourent à ce bilan. Ce but est atteint, conformément à l'invention, par le double fait que: 1sa plate-forme présente une forme 10 allongée dans le sens du vecteur vitesse du satellite, 2- cette plate-forme allongée reçoit sur sa face Terre une surface collectrice constituée de plusieurs collecteurs 15 distincts, et ce afin d'optimiser la combinaison de l'altitude du satellite, de la puissance du laser et de l'aire de la surface collectrice. Grâce à cette caractéristique, pour un même 20 volume interne du satellite, la section droite du satellite (également appelée le maître couple) est diminuée de sorte qu'il est possible de définir une combinaison optimisée de l'altitude du satellite, de la puissance du laser embarqué et de la surface 25 collectrice. En effet, cette conception permet d'abaisser l'altitude du satellite à consommation de carburant constante, l'augmentation de la densité de l'air étant compensée par une meilleure pénétration. Cette réduction d'altitude permet alors de réduire la 30 puissance du laser et/ou la surface collectrice, ce qui permet une importante réduction du cot du satellite. SP 21760 GP Compte tenu de la forme allongée du satellite, la face Terre présente, elle aussi, une forme allongée. On dispose sur cette face plusieurs récepteurs (miroirs) distincts, plus petits que le 5 miroir unique des satellites connus, mais dont la surface totale est égale, voir supérieure, à la surface de ce miroir unique. Les multiples surfaces collectrices (miroirs des télescopes) étant plus petites, leur fabrication est plus simple. Enfin le 10 satellite peut être lancé par un lanceur moins cher. Le dispositif de mesure à laser est un dispositif dont le principe est connu en soi. Dans un tel dispositif, le laser émet une série d'impulsions très brèves à des longueurs d'onde fixes et étroites. 15 On mesure ensuite le signal rétrodiffusé par les différentes couches de l'atmosphère. Enfin, la plate-forme peut présenter une forme générale parallélépipédique, éventuellement avec des pans coupés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. 25 Sur ces figures: la figure 1 est une vue générale en perspective d'un satellite conforme à l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en perspective d'un satellite conforme à la présente invention; SP 21760 GP - la figure 3 illustre le principe de fonctionnement d'un dispositif de mesure laser à absorption différentielle; - la figure 4 est une courbe d'absorption 5 du faisceau laser par la vapeur d'eau en fonction de sa longueur d'onde. On a représenté sur la figure 1 un satellite d'observation atmosphérique conforme à l'art 10 antérieur. Il comporte une plate-forme 4 parallélépipédique sensiblement cubique. La plate-forme comporte une face Terre 6 de forme sensiblement carrée qui fait face à la terre lorsque le satellite est sur son orbite. Un dispositif de mesure à laser est fixé à la plate-forme 4. Ce dispositif comprend un laser, situé dans le volume interne du satellite et par conséquent non visible sur la figure, qui émet des impulsions laser dans l'atmosphère. Une surface 20 collectrice 12 fixée sous la face Terre 6 reçoit un flux lumineux réfléchi par l'atmosphère. Cette surface est constituée par un miroir sphérique principal qui concentre le flux lumineux sur un miroir secondaire 14 fixé au sommet d'un trépied 16. Le miroir secondaire 25 renvoie le flux vers un récepteur (non représenté) situé dans le satellite. Le satellite se déplace selon une direction perpendiculaire à l'une de ses faces latérales, en l'occurrence la face 18, comme schématisé par le 30 vecteur vitesse V. Compte tenu de la forme sensiblement parallélépipédique de la plate-forme 4, la surface SP 21760 GP frontale de la face 18 est importante relativement au volume du satellite. La résistance du satellite à la pénétration dans l'air est relativement élevée parce que le maître couple, qui est égal à la surface de la 5 face 18, est grand. En conséquence il est nécessaire de placer le satellite en orbite à une altitude élevée à laquelle l'air est suffisamment raréfié pour que sa résistance, et par suite la consommation de carburant des moteurs du satellite qui est directement liée à 10 cette résistance, ne soit pas pénalisante. Typiquement, l'altitude du satellite sera de 450 km. Cela implique de prévoir un laser de puissance élevée en limite de faisabilité compte tenu de la technologie actuelle. En outre, la réalisation d'un tel laser est le principal 15 facteur de cot. Il est possible également d'augmenter la surface collectrice du miroir 12. Mais sa fabrication devient alors complexe et coteuse. On a représenté sur la figure 2 un satellite d'observation atmosphérique conforme à 20 l'invention. Il comporte une plate-forme 20 dont la forme, contrairement à celle de la plate-forme 4 de l'art antérieur, n'est pas sensiblement cubique, mais nettement allongée dans le sens du déplacement du satellite, c'est-à-dire dans le sens du vecteur vitesse 25 V. En d'autres termes, la plate-forme 20 présente une forme allongée selon une direction tangente à l'orbite du satellite. Par suite, pour un volume interne constant du satellite, la surface de la face frontale 22 est nettement inférieure à celle de la face 18 du 30 satellite de l'art antérieur. Sa surface pourra représenter 50% ou moins de la surface de la face 18. SP 21760 GP Le maître couple, qui est égal à la surface de la face frontale et la résistance à la pénétration dans l'atmosphère, qui est proportionnelle au maître couple, sont alors réduits dans la même proportion. La plate-forme peut présenter une simple forme parallélépipédique à six faces. Toutefois, dans l'exemple représenté, elle comporte deux pans inclinés 23 qui lui donnent une forme générale de cercueil. Cette forme permet une meilleure logeabilité en 10 position verticale sous la coiffe du lanceur. D'autres formes sont envisageables sans sortir du cadre de l'invention. On pourrait, par exemple, bomber la face frontale 22 afin d'améliorer encore l'aérodynamisme du satellite. La face Terre 24, au lieu d'être sensiblement carrée, comme dans l'art antérieur, présente la forme d'un rectangle allongé dont la longueur est nettement supérieure à la largeur. La largeur de la face 18 peut être inférieure aux côtés de 20 la face 6. Dans l'exemple représenté, la surface collectrice est constituée par deux miroirs 26. Chacun de ces miroirs est plus petit que le miroir 12 de l'art antérieur, mais leur surface totale est équivalente. A la place des miroirs, on pourrait utiliser également 25 des lentilles. Le fait que les miroirs ou les lentilles sont plus petits rend leur fabrication plus simple. Cette conception du satellite permet une réduction d'altitude de 15 % au moins qui autorise une diminution de la puissance du laser de plus de 30 % à 30 bilan radiométrique équivalent. SP 21760 GP Le satellite de l'invention peut être équipé de divers types de dispositifs de mesure à laser. De préférence il comporte un dispositif à absorption différentielle, généralement désigné par 5 l'acronyme DIAL (DIfferential Absorption Lidar), dont le principe est illustré sur la figure 3. L'absorption différentielle de rayonnements lasers par la vapeur d'eau permet une mesure précise et sélective du profil vertical de l'humidité absolue de l'atmosphère. Le laser 30 émet deux impulsions à des longueurs d'onde très voisines. L'une, Li, est émise au centre de la courbe sur un pic d'absorption de la vapeur d'eau (Fig. 4), tandis que l'autre, L2, est émise sur un bord de la courbe dans un creux o l'absorption est 15 négligeable ou réduite de manière importante. Lorsque les impulsions se propagent dans l'atmosphère, une partie de leur énergie est réfléchie vers le récepteur 32 par les particules en suspension dans l'atmosphère, typiquement des aérosols ou des 20 hydrométéorites, et par les molécules des gaz qui constituent le mélange atmosphérique. La longueur de l'impulsion laser transmise définit le volume réfléchissant. La distance de ce volume est déterminée très précisément par la durée du trajet de l'impulsion 25 laser de l'émetteur (le laser 30) au volume réfléchissant 34 et du retour au récepteur 32. L'émission quasi-simultanée des longueurs d'ondes centrée Ll et excentrée L2 permet de calculer ces valeurs à l'aide d'équations simplifiées. 30 SP 21760 GP REVENDICATIONS 1. Satellite d'Observation, à vocation météorologique ou climatologique, de mesure de 5 paramètres atmosphériques comportant une plate-forme (20) ayant une face Terre (24) faisant face à la terre lorsque le satellite est en orbite à une altitude donnée et un dispositif de mesure à laser de paramètres atmosphériques constitué d'un laser de puissance donnée 10 qui émet des impulsions laser dans l'atmosphère et d'un dispositif de réception comprenant une surface collectrice (26) ayant une surface donnée fixée sous la face Terre (24) et qui reçoit un flux lumineux réfléchi par l'atmosphère, caractérisé en ce que la plate-forme 15 (20) présente une forme allongée dans le sens du vecteur vitesse V du satellite et en ce que sa surface collectrice (26) est constitué de plusieurs collecteurs (26) distincts, afin d'optimiser la combinaison de l'altitude du satellite, de la puissance du laser et de 20 l'aire de la surface collectrice (26). 2. Satellite selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de mesure à laser est un dispositif à laser à absorption différentielle. 25 3. Satellite selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les collecteurs sont des miroirs (26) ou des lentilles. SP 21760 GP 4. Satellite selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plate-forme (20) présente une forme généralement parallélépipédique. 5. Satellite selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plate-forme (20) présente deux pans coupés (23). 6. Satellite selon l'une des revendications 10 1 à 5, caractérisé en ce que la face frontale (22) de la plate-forme (20) est profilée afin d'améliorer l'aérodynamisme du satellite. SP 21760 GP