SATELLITE EARTH OBSERVATION SYSTEM

Abstract: 1. An earth observation system of the type comprising a set of a least three attitude stabilized satellites positioned on either geostationary or geosynchronous orbits ; characterized in that at least one of said satellites (1) is positioned on a geostationary orbit, in that at least two other geosynchronous satellites (10) are positioned substantially on one and the same synchronous anti-equatorial orbit of the same average longitude as said geostationary orbit, on which they are suitably offset as to anomalies, and in that these geostationary and geosynchronous structurally identical satellites are provided with similar scanning (1a, 10a) and transmission (1b, 10b) means adapted to ensure in combination with ground reception and processing means (15, 16, 17), the coverage of a large portion of the terrestrial globe including in particular the arctic and antarctic polar zones, as well as a stereographic exploration of a limited zone corresponding to the field simultaneously covered by at least two of said satellites.

Description: SYSTEME D'OBSERVATION TERRESTRE PAR SATELLITES L'invention concerne les satellites terrestres et plus particulièrement les satellites d'observation destinés par exemple à la prévision météorologique. Les satellites terrestres utilisés en particulier pour une observation météorologique globale sont positionnés sur des orbites circulaires si- tuees dans le plan de l'équateur et à une altitude telle que la période de révolution soit égale à la période de rotation de la terre. Dans ces conditions, le satellite occupe une position fixe par rapport à la terre de latitude égale a zero, de longitude pouvant être choisie quelconque et d'altitude voisine de trente six mille kilomètres, l'orbite correspondante est dite géostationnaire. A partir de ce satellite, la surface visible de la terre est une calotte sphérique définie par le cône dont le sommet est au centre de la terre, l'axe dirigé vers le satellite et la demi-ouverture est de 81 . Toutefois, en raison de l'inclinaison des rayons de visée en bordure de la calotte sphérique, l'observation s'effectue habituellement à l'intérieur d'un cône dont la demi-ouverture est d'environ 60 . En plaçant un nombre approprié de satellites géostationnaires à des longitudes convenablement réparties, il est possible d'obtenir une image de l'ensemble de la terre, sauf des zones situées aux latitudes supérieures à 81 et dans des conditions d'observation difficiles dans les zones situées entre 60 et 81 de latitude. Les satellites du réseau G.A.R.P. (Global Atmospheric Research Program) placé sous l'égide de l'Organisation Mondiale Météorologique sont bien représentatifs d'un tel mode d'observation. I1 doit etre mentionné à cet égard que la plupart de ces satellites sont stabilisés gyroscopiquement ; c'est le cas de METEOSAT pour l'Europe,de SMS et GOES pour les Etats-Unis d'Amérique et de GMS pour le Japon. Tous ces satel- lites sont munis de dispositifs à balayage séquentiel permettant une exploration ligne à ligne de la surface à observer, gracie à un miroir orientable. L'impossibilité d'observer les régions polaires dont il a été fait mention précédemment constitue un inconvé- nient préjudiciable en raison du rôle économique important de ces régions, notamment du point de vue des transports aériens et maritimes de la pêche hauturiere et de l'influence particulièrement importante des masses d'air froid se déplaçant des régions polaires vers les régions tempérées. Une solution consiste à observer les zones polaires au moyen de satellites dits à défilement; de tels réseaux ont été réalisés avec des satellites en orbites basses, d'altitudes situées entre 500 et 1500 kilomètres, d'inclinaison voisine de 900. Ces satellites tels que ERTS, LANDSAT, ITOS, TIROSydont le but n'est pas précisément l'observation météorologique mais plus généralement l1observation terrestre.répon- dent à cet objectif. Toutefois, ces satellites ne peuvent observer que d'étroites bandes de terre à chaque révolution et l'image qu'ils fournissent est un long ruban dont la largeur est de quelques centaines de kilomètres au maximum. il faut à l'aide d'un traitement mathématique approprié reconstituer une image globale dont les différentes parties correspondent à des dates de prise de vue différentes, ce qui est un inconvénient rédhibitoire en matière de météorologie. Pour réaliser une observation globale de la terre suivant le principe de la solution précitée, il faut utiliser deux types de satellites, l'un géostationnaire et l'autre à défilement. Les inconvénients résultant de cette solution sont nombreux, entre autres - les distances d'observation : 36 000 km pour l'un et environ 1000 km pour l'autre nécessitent des dispositifs de prise de vue différents. - les modes d'observation de l'axe de visée, lequel, dans un cas, doit rester fixe par rapport à la terre, c'est-à-dire faire un tour en 24 heures, et, dans l'autre cas, doit rester asservi à la verticale locale donc faire entre 10 et 20 tours par jour, ce qui nécessite des systèmes de contrôle d'attitude différents. - la direction du soleillqui avec un satellite géostationnaire oscille annuellement d'environ +23 4 autour du plan équatorial du véhicule alors qu'un satellite à défilement fait à chaque orbite une révolution de 360" par rapport à la direction du rayonnement solaire, necessite donc des systèmes de captage d'énergie solaire et des systèmes de régula tion thermique totalement différents. La présente invention concerne un système d'observation terrestre par satellites qui non seulement ne présente aucun des inconvénients précités mais, encore, autorise éventuellement une exploration de type stéréographique, comme cela sera exposé en détail plus loin. Un tel système conforme à l'invention comporte au moins deux satellites, structurellement identiques, mais dont, l'un est en orbite géostationnaire à environ 36000km, tandis que l'autre est en orbite géosynchrone, c'est-à-dire sur une orbite circulaire de rayon de 36 000 km environ mais dont le plan optimal est le symétrique du plan de l'équateur par rapport au plan de l'écliptique, ce qui conduit à une orbite d'inclinaison i = 23,4 x 2 = 46,8 et à une ascension droite du noeud ascendant Q = 00. Une telle orbite est alors dénommée "anti-équatoriale". Suivant d'autres caractéristiques de l'invention - les images retransmises au sol permettent, après traitement convenable, d'observer environ 42 % de la surface terrestre pour le satellite géostationnaire et au moins une fois par jour environ 61 % pour le satellite géosynchrone en orbite "anti-équatoriale" - l'utilisation simultanée de trois ou quatre satellites géostationnaires convenablement décalés en longitude et d'un satellite géosynchrone en orbite anti-équatoriale suffit à obtenir une image de la quasi-totalité de la terre, au moins par 24 heures - de même, l'utilisation simultanée de seulement trois satellites en orbites géosynchrones"anti-equatoriale" décalés de 120 d'anomalie permet d'obtenir pratiquement en permanence des images de 61 % du globe terrestre - dans une autre configuration, l'utilisation de deux satellites, l'un géostationnaire, l'autre géosynchrones et visant un point commun de la surface terrestre permet, moyennant un traitement convenable des images,d'obtenir une exploration stéréographique particulièrement utile pour l'ap préciationde l'épaisseur de couches nuageuses. L'invention sera de toute manière bien comprise dans la suite du présent exposé qui va donc décrire, à titre d'exemple et à l'appui des dessins annexés, les différentes possibilités résultant de la mise en oeuvre de l'invention. Sur ces dessins la figure 1 est une vue schématique représentant un satellite géostationnaire positionné au solstice d'hiver, la situation au solstice d'été étant bien entendu symétrique la figure 2 est une vue schématique représentant les régions du planisphère, vues par un réseau de quatre satellites géostationnaires la figure 3 est une vue schématique représentant la trajectoire d'un satellite géosynchrone en configuration sensiblement anti-équatoriale la figure Q est une vue schématique représentant la trace terrestre de la trajectoire d'un satellite géosynchrone anti-équatoriale la figure 5 est une vue schématique représentant la zone de visibilité d'un satellite géostationnaire unique, positionné selon L = O et 1 = 0 la figure 6 est une vue schématique représentant la région du planisphere vue par l'observation conjointe d'un satellite géosynchrone et d'un satellite géostationnaire la figure 7 est une vue schématique représentant en perspective les moyens utilisés pour l-a mise en oeuvre de l'invention conjointement en exploration équatoriale et polaire ; et la figure 8 est une vue schématique représentant en perspective les moyens utilisés pour la mise en oeuvre l'invention en exploration équatoriale stéréographique. La figure 1 représente un satellite 1 en position géostationnaire à environ 3b CGC kr, dans le plan de l'équa- teur d 12 heures locales au so stice d'hiver, l'angle i du plan de l'écuateur avec le plan de l'écliptique est de 23,4 environ. On sait que pour ce satellite la surface visible de la terre est une calotte sphérique déjà définie, dont le demiangle d'ouverture est de 81", d'où les points limites de visibilité tv' et tv'', indiqué sur cette figure 1. On sait égale ment que les points de visibilité pratique doivent être rapprochés de l'équateur en t ' et top" pour éviter les observa p p tions trop rasantes d'uninteret pratique très réduit, le demiangle d'ouverture correspondant étant d'environ 60". La figure 2 montre sur un planisphère les zones vues par quatre satellites géostationnaires repérés a, 2, 3 et 4, équirépartis en longitude. La visibilité est bonne pour les regions équatoriales et tropicales, partielle pour les zones tempérée et nulle pour les zones polaires. I1 doit être précisé que l'observation terrestre s'effectue pratiquement par balayage séquentiel ligne par ligne , telle que lî...l n' et que ceci est réalisé à bord de chaque satellite à partir de la rotation de celui-ci ou bien par déplacement du dispositif optique, lorsque le satellite est stabilisé selon trois axes. Conformément à la mise en oeuvre principale de l'invention, un satellite géosynchrone repéré ao selon la figure 3 est mis en place sur une orbite dont le plan est sensiblement symétrique du plan de l'équateur par rapport au plan de l'écliptique dans une configuration anti-équatoriale, ce qui conduit à une trajectoire en 8 semblable à celle dont la trace repérée sy est représentée sur la figure 4. Des moyens de prise de vue issus à la fois du satellite géostationnaire 1 et du satellite géosynchrone 10 qui comporte un système de balayage ligne semblable à celui dudit satellite géostation nairepermettentiaprès transmissionau sol, l'examen d'une zone terrestre beaucoup plus importante que celle pouvant être observée par le satellite géostationnaire seul, disposé à la même longitude de référence, c'est-à-dire en 1. En effet, si l'on suppose selon la figure 3 que le satellite géosynchrone 10 dispose de ses propres moyens d'exploration de la surface terrestre et de ses moyens propres de transmission au sol de ses informations, identiques en cela à ce que comporte le satellite géostationnaire repéré ", de la sorte, conformément aux lois de la mécanique, ce satellite 10 va osciller en 24 heures de part et d'autre du plan équatorial et sa trace sur la terre sera représentée par la courbe repérée Osy de la figure 4. Les sommets étant situés à 46,8 de latitude nord et sud. De la sorte et en supposant les satellites 1 et 10 positionnés à 0 heure en 0 (longitude = 0, latitude = O), on peut déduire les heures de positionnement du satellite 10 dans la journée, le satellite 1 restant toujours au même point 0. I1 est toujours possible d'établir exactement les équations de cette trace qui sont Longitude L = Arc sinus (sin i sin O) Latitude 1 = Arc tangente (cos i tg e) - e où i = inclinaison et # = 15,C4 t, t = temps en heure. Ces relations sont valables pour o < < 90 . Pour 90 < # < 180 il faut changer 1 en -1. Pour 1800 < < 36 il faut changer L en -L. Comme il a été indiqué précédemment à l'appui de la figure 2, la zone pratique de visibilité t d'un satellite p géostationnaire peut généralement être considérée comme inférieure à 60 , tandis que, selon la flgure 5, la zone situee entre t p - 60 et t v - 810 reste une zone difficilement observable dépendant en tout état de cause des moyens mis en oeuvre pour effectuer cette observation. Par contre la zone lImite vue par un satellite géosynchrone positionné comme il vient d'être indiqué et qui est représentée par le tracé repéré tl sur la figure 6, peut permettre l'observation quasi-totale de la terre au moins chaque période de 2' heures en association avec des satellites géostationnaires et cette observation peut être transmise au sol à laide des moyens de transmission usuels en ce domaine. Dans une autre configuration et pour une zone plus réduite, l'association d'un satellite géostationnaire et d'-r satellite géosynchrone peut permettre l'exploration en stéreo graphie d'une partie terrestre et ceci peut être mis à profit pour apprécier l'épaisseur de couches nuageuses, par exemple. La mise en oeuvre pratique oe l'invention ressort de l'examen de la figure 7 et de la figure 8. Dans la première application selon la figure 7 et en premier lieu, il est connu que la position précise d'un satellite sur une orbite à altitude constante est connue au sol en permanence et que la direction de l'axe moyen de visée est calculée au sol à partir des informations d'attitude que le satellite envoie en permanence au sol. Ces informations permettent toujours de déterminer la position angulaire d'un trièdre lié au satellite par rapport à un trièdre lié à la terre. La loi de balayage, c'est-à-dire le positionnement du faisceau explorateur en fonction du temps est connue car la loi de déplacement du miroir du satellite est également con nueo L'exploration de la surface terrestre que peuvent fournir conformément à l'invention les deux satellites repérés 1 et 10 sur la figure 7 nécessite,d'une part, des moyens d'exploration la et 10a présents normalement sur les satellites mêmes et, d'autre part, des moyens de transmission à bord des mêmes satellites et qui peuvent être fournis par des antennes lb et lob dont l'orientation peut être obtenue non exclusivement mais avantageusement par application de la demande de brevet franÇais de la Demanderesse déposée le 13 mars 1979 @ous le N 79 G6 4. Les moyens d'exploration par balayage a ou 10a peuvent mettre en oeuvre soit un premier système résultant de la rotation du satellite utilisé pour sa stabilisation propre, soit un deuxième système résultant d'un dispositif séquentiel ligne par ligne lorsque le satellite est stabilisé selon trois axes. Les informations issues du balayage lignes sont reçues au sol à travers une antenne 15 et les siax sont traités par des installations au sol comportant essentiellement une chaîne de réception et une chaîne de traitement schématisées en 16 et 17 sur cette figure 7. I1 doit être noté que la chaîne de transmission présentement indiquée peut être de nature diffe'rert directe ou indirecte en ce sens que les deux satellites peuvent etre reliés eux-mêmes par voie hertzienne et en ce cas > e seule antenne est utilisée pour les liaisons sol de même que les deux satellites peuvent être reliés à un troisième satellite de liaison sol pouvant comporter de plus les dispositifs de traitement des données. Si l'on considère selon la figure 7 les deux satellites 1 et 10 en orbite respective selon Ost et Osy à l'instant Oheureoù leurscoordonnées connuesprojetéessur la terre sont indiquées par longitude 1 = O et latitude L = O, leur balayage lignes va les conduire à explorer toute la zone t p et tl de la figure 6 et la transmission des données au sol permet, après correction éventuelle des déformations de lignage résultant notamment de la translation en latitude du satellite 10, de reconstituer une image convenable de toute cette région. Selon la figure 8, le processus d'exploration stéréographique que permet l'exploration conjointe des balayages lignes synchrones des deux satellites I et 10, ressort de la mise en oeuvre des systèmes de balayage lc ei lOc et des antennes îd et 10d transmettant à l'antenne au sol 18 les informations, lesquelles sont traitées par les chaînes de réception et de traitement schématisées en 19 et 20 de telle sorte qu'il soit possible de faire des observations de l'épais- seur de la couche atmosphérique, ce qui necessitait antérieurement des images beaucoup plus complexes et délicates à mettre en oeuvre. I1 doit toutefois être noté que ce procédé d'exploration stéréographique est, pour des raisons évidentes d'éloignement de l'équateur du satellite géosynchrone 10, limité angulairement à une valeur p de l'ordre de 30 de part et d'autre dudit équateur. L'invention vise l'utilisation conjointe d'au moins deux satellites stabilisés dont l'un est en orbite géostationnaire et l'autre en orbite géosynchrone ; ladite orbite géosynchrone pouvant etre avantageusement, mais non exclusivement anti-équatoriale, c' est-à-dire dans une configuration selon laquelle son plan est le symétrique du plan de l'équateur par rapport au plan de l'écliptique, des moyens de balayage lignes étant prévus sur lesdits satellites pour fournir au sol, après traitement convenable des images soit des régions polaires, soit de type stéréographique de la région équatoriale. Il est bien évident qu'il peut etre choisi une orbite différente de celle dénommée anti-équatoriale, c'est-àdire une orbite subanti-équatoriale dans la mesure où l'incli naison choisie est inférieure à celle retenue pour ladite orbite anti-équatoriale. De même, l'invention nécessite la mise en oeuvre d'au moins deux satellites l'un de type géostationnaire, l'autre de type géosynchrone, mais il est non moins évident que ces deux dits satellites pourraient être mis en oeuvre conjointement avec un nombre quelconque d'autres satellites de type géosynchrone et/ou de type géostationnaire dans le cas, notamment,où une couverture d'observation totale de la surface terrestre serait nécessaire. I1 est bien entendu, d'ailleurs, que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter des équivalences dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de ladite invention, lequel est défini dans les revendications annexées.

Claims: REVENDICATIOr4S 1. Système d'observation terrestre par satellites, caractérisé en ce qu'il comporte : au moins un premier satellite (I) stabilise' sur une orbite géostationnaire (Ost) et portant des moyens d'observation terrestre (la) ainsi que des moyens de mesure d'attitude et des moyens de liaison (lb,15) directs ou indirects avec la terre ; au moins un second satellite (le) stabilisé sur une seule orbite géosynchrone (Osy) sensiblement anti-équatoriale et portant des moyens d'observation terrestres (10a) ainsi que des moyens de mesure d'attitude et des moyens de liaison (lob, 15) directs ou indirects avec la terre ; et des moyens de traitement (16,17) de ces informations ; l'lancement de ces satellites et de ces moyens étant tel qu'il est possible d'obtenir au sol, et après traitement convenable, une représentation de la partie terrestre observée. 2. Système d'observation terrestre par satellites selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orbite géosynchrone (Osy) est exactemeng anti-équatoriale. 3. Système d'observation terrestre par satellites selon la revendicaticn 1, caractérisé en ce que l'orbite géosynchrone (Osy) est subanti-équatoriale. 4. Système d'observation terrestre par satellites selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement (16,17) des informations sont situes au sol. 5. Système d'observation terrestre par satellites selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement (16,17) des informations sont situ@s au moins en partie sur l'un des satellites. 6. Syst@me d'observation terrestre par satellites sel@ l'@@@ qu@@@ @@que des revendicati@as @@ 3, caractérisé en ce @@ les @en@ de traitement (16, 17) des informations sont sit@@@ a@ @@@in@ en partie sur un satellite intermédiaire. 7. Système d'observation terrestre par satellites selon l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisé en ce que la représentation de la partie terrestre correspond en totalité à la région équatoriale ainsi qu'aux régions polaires. 8. Système d'observation terrestre par satellites selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la représentation de la partie terrestre correspond à la région équatoriale vue en exploration stéréographique. 9. Système d'observation terrestre par satellites selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux satellites géosynchrones situés sur la même orbite ou sur des orbites suffisamment voisines et convenablement décalées en anomalie pour pouvoir observer simultanément et sous des angles peu différents, une même portion de la terre de façon à pouvoir en effectuer une reproduction stéréographique.

Inventors: MORTELETTE, ANDRE, Mortelette, André
Applicants: SOCIETE NATIONALE INDUSTRIELLE AEROSPATIALE
Application year: 1980
Main classification: B64G1
IPC codes: G01W1, B64G1, G01V3, H04B7, B64G3