Satellites : de Kepler au GPS
Michel Capderou
Springer
PréfaceV
Avant-proposXVII
1 Géométrie de l'ellipse1
1.1 Définition et propriétés1
1.1.1 Les coniques1
1.1.2 Définition et propriétés de l'ellipse2
1.1.3 Applications de la définition3
1.1.4 Déduction des propriétés7
1.1.5 Excentricité et aplatissement13
1.2 Applications et autres caractéristiques16
1.2.1 Longueur de l'arc d'ellipse16
1.2.2 Rayon de l'ellipse17
1.2.3 Rayon de courbure de l'ellipse19
2 Géodésie23
2.1 Ellipsoïde terrestre23
2.1.1 Différentes définitions de la latitude23
2.1.2 Coordonnées cartésiennes. Grande normale28
2.1.3 Rayon de courbure29
2.1.4 Rayon de l'ellipse29
2.1.5 Degré en latitude, degré en longitude30
2.1.6 Longueur d'arc de méridien32
2.2 Altitude par rapport à l'ellipsoïde34
2.2.1 Définition de l'altitude géodésique et du nadir34
2.2.2 Latitude liée à l'altitude géodésique35
2.2.3 Détermination de l'altitude géodésique et du nadir35
2.3 Aperçu historique41
2.3.1 Avant les Lumières41
2.3.2 Une affaire française42
2.3.3 La géodésie dynamique47
3 Géopotentiel49
3.1 Notions préliminaires49
3.1.1 Référentiels d'étude49
3.1.2 Rappels sur le travail et le potentiel50
3.2 Champ et potentiel de gravitation52
3.2.1 Gravitation52
3.2.2 Théorème de Gauss53
3.2.3 Gravité et pesanteur55
3.3 Calcul du géopotentiel57
3.3.1 Détermination du potentiel élémentaire57
3.3.2 Obtention du potentiel par intégration58
3.3.3 Harmoniques sphériques60
3.3.4 Développement du potentiel au degré 261
3.3.5 Développement du potentiel à des degrés supérieurs64
3.4 Champ et potentiel de pesanteur pour l'ellipsoïde65
3.4.1 Calcul du champ et du potentiel65
3.4.2 Champ de pesanteur à la surface67
3.4.3 Formule de Clairaut69
3.4.4 Formule de Somigliana71
3.5 Géoïde72
3.5.1 Anomalies de gravité72
3.5.2 Satellites et géodésie73
3.5.3 Évolution des modèles de potentiel terrestre76
3.5.4 Évaluation de la constante d'attraction géocentrique79
3.6 Annexe : systèmes de référence terrestre82
3.6.1 Référence céleste82
3.6.2 Référence terrestre82
3.7 Annexe : fonctions de Legendre84
4 Mouvement képlérien87
4.1 Accélération centrale87
4.1.1 Accélération dans le cas général87
4.1.2 Propriétés de l'accélération centrale88
4.1.3 Mouvement à accélération centrale89
4.2 Accélération newtonienne90
4.2.1 Équation de la trajectoire90
4.2.2 Discussion du type de trajectoire91
4.3 Mouvement képlérien : trajectoire et période93
4.3.1 Définition93
4.3.2 Trajectoires du mouvement périodique94
4.3.3 Période - Anomalie moyenne M97
4.3.4 Loi horaire98
4.4 Temps en fonction de la position - les trois anomalies99
4.4.1 Expression t = t (...) - Anomalie vraie v99
4.4.2 Expression t = t (r) - Anomalie excentrique E100
4.4.3 Relation entre les anomalies102
4.5 Position en fonction du temps - le problème de Kepler105
4.5.1 Méthodes de résolution du problème de Kepler105
4.5.2 Méthode numérique de résolution par itération106
4.5.3 Autres méthodes de résolution111
4.6 Représentation des anomalies112
4.6.1 Représentation des anomalies v(M) et E(M)112
4.6.2 Équation du centre112
4.6.3 Récapitulation sur les anomalies117
4.7 Intégrales premières du mouvement125
4.7.1 Lois de conservation125
4.7.2 Remarque sur l'énergie127
4.8 Note historique : astronomie et attraction universelle130
4.8.1 Les lois de Kepler130
4.8.2 Newton et l'attraction universelle133
5 Satellite en orbite képlérienne137
5.1 Le Problème à deux corps137
5.2 Paramètres orbitaux139
5.2.1 Repérer le satellite dans l'espace139
5.2.2 Éléments képlériens142
5.2.3 Paramètres orbitaux adaptés143
5.3 Période képlérienne144
5.4 Annexe : rotation du solide - angles d'Euler et de Cardan147
6 Satellite en orbite réelle (perturbée)151
6.1 Forces perturbatrices151
6.1.1 De l'orbite idéale à l'orbite réelle151
6.1.2 Ordre de grandeur des forces perturbatrices152
6.1.3 Potentiel152
6.1.4 Perturbations et altitude du satellite153
6.2 Méthode des perturbations : présentation159
6.2.1 Propagation d'orbite : méthodes numérique et analytique159
6.2.2 Principe de la méthode163
6.2.3 Mise en place des crochets de Lagrange164
6.2.4 Propriétés des crochets de Lagrange166
6.3 Méthode des perturbations : résolution167
6.3.1 Calcul des coordonnées167
6.3.2 Calcul des crochets de Lagrange170
6.3.3 Équations de Lagrange171
6.3.4 Éléments orbitaux métriques et angulaires173
6.3.5 Cas des paramètres mal définis175
6.3.6 Éléments de Delaunay176
6.4 Résultat du traitement des perturbations (terme en J2)177
6.4.1 Expression du potentiel perturbateur (terme en J2)177
6.4.2 Variation des éléments orbitaux180
6.5 Résultat du traitement des perturbations (cas général)183
6.5.1 Cas du potentiel terrestre (terme en Jn)183
6.5.2 Cas du potentiel terrestre complet189
6.5.3 Autres forces perturbatrices dérivant d'un potentiel190
6.5.4 Forces perturbatrices ne dérivant pas d'un potentiel190
6.5.5 Différentes définitions de la période191
6.6 Annexe : étude du frottement atmosphérique193
6.6.1 Présentation de l'atmosphère terrestre193
6.6.2 Densité atmosphérique194
6.6.3 Modèles atmosphériques195
6.6.4 Calcul du frottement atmosphérique. Notion de deltaV195
6.6.5 Influence du frottement sur l'orbite198
6.6.6 Calculs simplifiés pour une orbite excentrique. Aérofreinage198
6.7 Note historique : premières déterminations des harmoniques Jn201
6.7.1 Première détermination de J2 par satellite201
6.7.2 Première détermination de J3 par satellite202
6.7.3 Premières déterminations des Jn, jusqu'à J14202
6.8 Note historique : succès du calcul des perturbations203
6.8.1 Le retard du retour de la comète de Halley203
6.8.2 La découverte de Neptune par Le Verrier204
6.8.3 L'avance au périhélie de Mercure205
6.9 Note astronomique : perturbations et Système solaire208
6.9.1 La question de la stabilité du Système solaire208
6.9.2 Précession des équinoxes210
6.9.3 La Terre vue comme un satellite211
6.10 Annexe : constantes astronomiques214
6.10.1 Les systèmes d'unités214
6.10.2 Les constantes astronomiques215
6.11 Annexe : sphère d'influence217
6.11.1 Attractions terrestre et solaire217
6.11.2 Détermination de la sphère d'influence219
6.12 Annexe : points de Lagrange220
6.12.1 Problème des trois corps restreint220
6.12.2 Étude simplifiée pour les points L1 et L2221
6.12.3 Points de Lagrange et sphère d'influence223
6.12.4 Les cinq points de Lagrange223
6.12.5 Points de Lagrange en astronomie224
6.12.6 Satellites artificiels aux points de Lagrange225
6.13 Annexe : trigonométrie sphérique228
6.13.1 Établissement des relations de Gauss228
6.13.2 Les quinze relations pour le triangle sphérique228
7 Mouvements relatifs orbite / Terre / Soleil233
7.1 Mouvement de l'orbite233
7.1.1 Variations séculaires - cas simplifié233
7.1.2 Variations séculaires - jusqu'au terme en J4238
7.1.3 Cas de « blocage » des mouvements de précession241
7.1.4 Calcul effectif de la période et de l'altitude243
7.2 Mouvements de la Terre246
7.2.1 Mouvement de la Terre autour du Soleil246
7.2.2 Mouvement de la Terre autour de l'axe des pôles247
7.2.3 Mouvement des pôles249
7.2.4 Mouvement orbite / Terre250
7.3 Mouvement apparent du Soleil251
7.3.1 Sphère céleste et coordonnées251
7.3.2 Angle horaire253
7.3.3 Équation du temps253
7.3.4 Temps solaire257
7.3.5 Déclinaison259
7.3.6 Jour julien, date julienne261
7.4 Géosynchronisme262
7.4.1 Définition262
7.4.2 Calcul de l'orbite263
7.4.3 Satellites géostationnaires264
7.4.4 Dérive de l'orbite géostationnaire265
7.4.5 Maintien à poste268
7.4.6 Satellites géosynchrones en orbite très excentrée274
7.5 Héliosynchronisme275
7.5.1 Définition275
7.5.2 Constante d'héliosynchronisme276
7.5.3 Calcul de l'orbite - cas circulaire277
7.5.4 Calcul de l'orbite - cas elliptique280
7.5.5 Satellites héliosynchrones282
7.5.6 Maintien sur orbite284
8 Trace du satellite285
8.1 Position du satellite sur son orbite285
8.1.1 Étude du mouvement avec les angles d'Euler285
8.1.2 Position du satellite en coordonnées cartésiennes288
8.1.3 Position du satellite en coordonnées sphériques288
8.2 Trace du satellite289
8.2.1 Équation de la trace289
8.2.2 Latitude maximale atteinte290
8.3 Trace du satellite en orbite circulaire291
8.3.1 Équation de la trace du satellite291
8.3.2 Décalage équatorial292
8.3.3 Inclinaison apparente295
8.3.4 Angle de la trace avec un méridien298
8.3.5 Vitesse du satellite et de sa trace299
8.3.6 Équation de la trace avec élimination du temps303
8.4 Annexe : Éléments orbitaux NORAD305
8.4.1 Présentation de l'organisme NORAD305
8.4.2 Les « Deux Lignes NORAD » (TLE)305
8.4.3 Décodage des lignes NORAD306
8.4.4 Conditions d'utilisation310
8.5 Annexe : Projections cartographiques311
8.5.1 Définitions et propriétés311
8.5.2 Classement des projections (type, aspect)312
8.5.3 Description de trois projections313
9 Orbite et mission321
9.1 Classement par type d'orbite321
9.2 Satellites classés par mission322
9.2.1 Les premiers satellites324
9.2.2 Satellites pour la géodésie326
9.2.3 Satellites pour l'environnement physique terrestre328
9.2.4 Satellites pour la météorologie et l'étude du climat336
9.2.5 Satellites pour la télédétection et la surveillance356
9.2.6 Satellites pour l'océanographie359
9.2.7 Satellites pour la navigation361
9.2.8 Satellites pour les communications361
9.2.9 Satellites pour l'astronomie, l'astrophysique381
9.2.10 Satellites pour la physique fondamentale390
9.2.11 Satellites technologiques391
9.2.12 Satellites à mission spécifiquement militaire392
9.2.13 Satellites avec présence humaine395
9.2.14 Satellites non scientifiques396
9.3 Annexe : le retard dans la programmation des missions spatiales397
10 Orbite par rapport au Soleil : heure, passage, éclipse399
10.1 Cycle par rapport au Soleil399
10.1.1 Heure de passage399
10.1.2 Calcul du cycle Cs400
10.1.3 Cycle Cs et caractéristiques de l'orbite402
10.1.4 Cycle et heure de passage au noeud ascendant406
10.2 Passage pour un satellite héliosynchrone407
10.2.1 Passage à une latitude donnée407
10.2.2 Choix de l'heure locale au noeud ascendant411
10.2.3 Calcul de la dérive de l'heure locale417
10.3 Angle du plan orbital avec le Soleil (angle bêta)420
10.3.1 Position de la normale au plan orbital420
10.3.2 Angle bêta421
10.4 Étude de l'éclipse pour les orbites circulaires424
10.4.1 Durée de l'éclipse424
10.4.2 Orbite LEO héliosynchrone427
10.4.3 Orbite LEO héliosynchrone crépusculaire427
10.4.4 Orbite MEO433
10.4.5 Orbite GEO433
10.5 Conditions générales d'éclipse solaire435
10.5.1 Établissement général des conditions d'éclipse435
10.5.2 Critère d'éclipse437
11 Orbite par rapport à la Terre : phasage, altitude439
11.1 Contrainte de phasage439
11.1.1 Définition du phasage439
11.1.2 Calcul du cycle de phasage CT440
11.1.3 Triplet de phasage442
11.2 Phasage pour les satellites LEO héliosynchrones443
11.2.1 Méthode pour l'obtention du phasage443
11.2.2 Module de phasage443
11.2.3 Diagramme de phasage444
11.2.4 Phasage défini par le triplet de phasage445
11.2.5 Phasage sur un jour455
11.3 Phasage pour les satellites LEO non héliosynchrones455
11.3.1 Obtention du triplet de phasage455
11.3.2 Phasage, altitude et inclinaison461
11.4 Phasage pour les satellites MEO et HEO462
11.5 Grille de phasage462
11.5.1 Construction de la grille de phasage462
11.5.2 Intervalle de grille463
11.5.3 Sous-cycle de phasage467
11.5.4 Grilles de référence470
11.5.5 Points de grille de phasage472
11.6 Maintien sur orbite du satellite phasé478
11.7 Indice de phasage482
11.7.1 Définition de l'indice de phasage482
11.7.2 Phasage parfait ou imparfait483
11.7.3 Exemples d'utilisation de l'indice de phasage484
11.7.4 Indice de phasage et caractéristiques d'orbite486
11.8 Variation de l'altitude488
11.8.1 Altitude et paramètres orbitaux488
11.8.2 Altitude au cours d'une révolution490
11.8.3 Variation de l'altitude sur une longue période494
11.9 Orbite gelée495
11.9.1 Définition de l'orbite gelée495
11.9.2 Détermination des paramètres gelés495
11.9.3 Altitude du satellite pour une orbite gelée498
11.10 Altitude et frottement atmosphérique500
12 Vue depuis le satellite503
12.1 Fauchée des instruments503
12.1.1 Repère orbital local503
12.1.2 Modes de balayage504
12.2 Géométrie de vue pour la fauchée506
12.2.1 Définition des angles506
12.2.2 Relations entre les angles508
12.2.3 Fauchée au sol509
12.2.4 Latitudes vues et recouvrement en latitude510
12.3 Déformation des pixels512
12.3.1 Calcul des indices de déformation512
12.3.2 Déformation des pixels - satellites LEO513
12.3.3 Déformation des pixels - satellites GEO517
12.4 Trace des fauchées pour un satellite LEO517
12.4.1 Fauchée orthogonale517
12.4.2 Fauchée à lacet variable524
12.4.3 Fauchée conique526
12.4.4 Superposition de trace531
12.5 Vue depuis un satellite GEO531
12.5.1 Conditions géométriques simplifiées532
12.5.2 Correspondance entre pixels et coordonnées géographiques538
13 Échantillonnage spatio-temporel et angulaire547
13.1 Direction cible-satellite548
13.1.1 Étude de la direction de visée du satellite549
13.1.2 Cas des satellites géostationnaires551
13.1.3 Vue locale553
13.1.4 Durée de visibilité - satellites LEO555
13.1.5 Durée de visibilité - satellites HEO560
13.2 Direction cible-Soleil563
13.2.1 Étude de la direction de visée du Soleil563
13.2.2 Lever et coucher du Soleil, midi TSV565
13.3 Géométrie Soleil-cible-satellite567
13.3.1 Angles de la géométrie Soleil-cible-satellite567
13.3.2 Réflexion spéculaire (Sun glint)568
13.4 Étude illustrée de l'échantillonnage571
13.4.1 Tableaux mensuels d'échantillonnage571
13.4.2 Étude du nombre quotidien de passages583
14 Satellites pour la navigation (GPS)589
14.1 Principe général du GPS589
14.1.1 Principe du positionnement dans le cas idéal589
14.1.2 Principe du positionnement dans le cas réel590
14.1.3 Détermination de la vitesse de l'utilisateur593
14.1.4 Perturbations du signal et de la mesure595
14.1.5 Considérations géométriques et précision des mesures597
14.1.6 Position sur la Terre : coordonnées géographiques599
14.1.7 Principe du DGPS (GPS différentiel)600
14.2 Système Navstar/GPS601
14.2.1 Mise en place du système602
14.2.2 Segment spatial603
14.2.3 Segment de contrôle607
14.2.4 Segment utilisateur610
14.2.5 Vue locale610
14.2.6 Le système Navstar/GPS et les autres612
14.3 Système Glonass613
14.3.1 Les trois segments613
14.3.2 Vue locale - tableau de visibilité614
14.4 Système Galileo618
14.4.1 Une affaire européenne618
14.4.2 Les trois segments618
14.5 Système Compass619
14.5.1 Les trois segments619
14.5.2 Système expérimental Beidou-1620
14.6 Systèmes d'augmentation623
14.7 Les systèmes régionaux625
14.7.1 Le système IRNSS627
14.7.2 Le système QZSS627
14.8 Utilisation du GPS hors localisation629
14.8.1 Radio-occultation629
14.8.2 Étude de la troposphère grâce aux stations de base630
14.8.3 Autres applications630
14.9 Note historique : le premier système630
14.9.1 Le système Transit630
14.9.2 Le système soviétique633
14.10 Annexe : GPS et plaques tectoniques633
15 Satellite de Mars635
15.1 Présentation de la planète Mars635
15.1.1 Mars et l'exploration spatiale635
15.1.2 Géographie de Mars641
15.2 Grandeurs géodésiques et astronomiques645
15.2.1 Données géodésiques645
15.2.2 Données astronomiques645
15.2.3 Longitude aréocentrique et jour martien648
15.2.4 Déclinaison653
15.2.5 Équation du temps656
15.3 Satellite en orbite réelle657
15.3.1 Satellite en orbite képlérienne657
15.3.2 Accélérations perturbatrices657
15.3.3 Variations séculaires des éléments orbitaux660
15.4 Orbites remarquables662
15.4.1 Aréosynchronisme662
15.4.2 Héliosynchronisme665
15.5 Trace du satellite668
15.5.1 Représentation de la trace668
15.5.2 Inclinaison apparente675
15.5.3 Vitesse du satellite et de sa trace en orbite circulaire675
15.6 Orbite par rapport au Soleil : passage, heure, éclipse676
15.6.1 Heure de passage pour un satellite héliosynchrone677
15.6.2 Étude de l'éclipse678
15.7 Orbite par rapport à Mars : phasage, altitude681
15.7.1 Phasage681
15.7.2 Altitude688
15.8 Vue depuis le satellite691
15.8.1 Géométrie de vue et déformation des pixels692
15.8.2 Trace des fauchées pour un satellite LMO692
15.8.3 Prise de vue et inclinaison apparente694
15.8.4 Vue pour un satellite SMO695
15.9 Échantillonnage spatio-temporel et angulaire695
15.9.1 Étude illustrée de l'échantillonnage699
15.9.2 Réflexion spéculaire (Sun glint)700
15.10 Satellites naturels701
15.10.1 Phobos et Déimos701
15.10.2 Exploration spatiale703
15.10.3 Vue et échantillonnage703
15.11 Note historique : Kepler et la planète Mars704
15.11.1 Calcul de la période de révolution704
15.11.2 Autres calculs à propos de Mars et de la Terre707
16 Satellite d'autres corps célestes709
16.1 Planètes du Système solaire710
16.1.1 Présentation des planètes710
16.1.2 Exploration spatiale des planètes713
16.2 Grandeurs géodésiques et astronomiques (planètes)721
16.2.1 Données géodésiques et astronomiques721
16.2.2 Satellite en orbite képlérienne725
16.2.3 Cartes géographiques725
16.3 Satellite de planète en orbite réelle726
16.3.1 Accélérations perturbatrices726
16.3.2 Classification des satellites726
16.4 Trace du satellite d'une planète729
16.4.1 Satellite de Mercure730
16.4.2 Satellite de Vénus732
16.4.3 Satellite de l'astéroïde Eros736
16.4.4 Satellite des astéroïdes Vesta et Cérès738
16.4.5 Satellite de planète géante741
16.5 Satellites naturels du Système solaire745
16.5.1 Présentation des satellites naturels745
16.5.2 Exploration spatiale des satellites naturels746
16.6 Grandeurs géodésiques et astronomiques (satellites naturels)747
16.6.1 Données géodésiques et astronomiques747
16.6.2 Satellite en orbite képlérienne748
16.6.3 Cartes géographiques748
16.7 Satellite de satellite naturel en orbite réelle748
16.7.1 Accélérations perturbatrices748
16.7.2 Classification des satellites749
16.8 Trace du satellite d'un satellite naturel754
16.8.1 Satellite de la Lune754
16.8.2 Satellite d'Europe et de Ganymède764
16.8.3 Satellite de Titan765
16.8.4 Satellite de Triton769
16.9 Note historique : Kepler et le Système solaire770
17 Planches couleur773
Bibliographie807
Index813