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JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 2007 La Dynamique Spatiale Un outil pour la métrologie de lespace et du temps.

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1 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 2007 La Dynamique Spatiale Un outil pour la métrologie de lespace et du temps

2 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

3 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

4 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Les corps dans lespace sont en mouvement les uns par rapport aux autres : Un objet lâché sans vitesse retombe sur Terre, La Lune tourne autour de la Terre qui tourne elle-même autour du Soleil Introduction Les satellites artificiels tournent autour de la Terre Spoutnik mis en orbite le 4 octobre 1957 Les sondes spatiales voyagent dans le système solaire et au-delà

5 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Dynamique spatiale : étude des mouvements (et de leurs causes) des satellites artificiels et sondes spatiales (Brouwer, 1959) Mécanique céleste et dynamique spatiale Mécanique céleste : modélisation et calcul du mouvement des corps célestes (Newton, XVII eme ) Etude du mouvement étude des forces qui modifient ce mouvement

6 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Les causes du mouvement En labsence de gravité, un projectile doté dune vitesse initiale suit un mouvement rectiligne et uniforme vitesse mouvement Cest ce quont montré Kepler et Newton …dautant plus que sa vitesse est faible, sa distance est proche, et que la masse du corps est importante. le mouvement du « projectile » nous renseigne sur les corps quil « survole » Si on ajoute la gravité dun autre corps massique, celle-ci incurve la trajectoire du projectile… vitesse mouvement gravité

7 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Les causes du mouvement (suite) Mais si on va dans le détail (cest notre métier !) les choses se compliquent… Il faut aussi prendre en compte : la forme complexe des corps « survolés », leurs déformations au cours du temps (marées, gravité à long terme), le freinage par latmosphère, les pressions de radiation (solaire directe et albédo, IR planètes), les « poussées thermiques » … On modélise des effets jusquà fois plus faibles que le terme principal de gravité.

8 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Les observations Les principaux types dobservation sont : des mesures de distance entre des stations (terrestres ou planétaires) et les sondes spatiales : radar ou laser des mesures de vitesses radiales entre des stations et les sondes : effet Doppler parfois (de plus en plus) des mesures daccélérations non gravitationnelles : accéléromètres spatiaux. On ne se contente pas de modéliser le mouvement, on lobserve… La confrontation du mouvement modélisé aux observations permet de tester (cest là que les ennuis commencent…) et daméliorer les modèles dynamiques. Ressemblants ? Vous avez dit ressemblants ? Dynamique Observation

9 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Données sur lenvironnement de la sonde Données sur lenvironnement du lien observationnel Connection entre repères terrestres et célestes Récapitulons Dynamique de mouvement (reliée à lenvironnement) Observations (reliée à lenvironnement) Stations terrestres

10 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Terre, dis moi comment je bouge et je te dirai qui tu es !

11 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Quelques résultats marquants Détermination des grandes longueurs donde des champs de gravité de la Terre, de la Lune et de Mars méthodes spécifiques développées à lOCA pour les variations temporelles lentes Modèles de densités atmosphériques modèles DTM de lOCA Test de certains aspects de la gravitation : observation de leffet Lens-Thirring une thèse à lOCA Matérialisation de systèmes de références terrestres et célestes lOCA est centre danalyse pour les observations laser

12 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

13 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Notre domaine dactivité Position des points sur la Terre Repère de Référence Terrestre (ITRS) Repère de Référence Céleste (ICRS) Position des corps dans lespace Paramètre dorientation de la Terre (EOP) Rotation

14 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Le Repère de Référence terrestre : réalise un système de référence géocentrique sans mouvement densemble par rapport à la croûte terrestre est matérialisé par des données de positions et vitesses à une époque de référence (ainsi que des séries temporelles de coordonnées en tant que sous-produit) repose sur la combinaison de solutions individuelles calculées par les 4 techniques de géodésie spatiale (GPS, DORIS, SLR, VLBI) Repère de Référence Terrestre

15 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre L'orientation de la terre est la rotation entre la croûte terrestre (le repère terrestre) et un trièdre géocentrique lié aux quasars (repère céleste géocentrique): la précession-nutation de l'axe de figure de la Terre dans l'espace => les écarts au pôle céleste (dy,de) ou (dX,dY) l'angle de rotation de la Terre autour du pôle céleste intermédiaire => la différence (UT1-UTC) ou (UT1-TAI) le mouvement du pôle céleste intermédiaire par rapport à la croûte terrestre => (x p,y p ) Les Paramètres dOrientation de la Terre : sont obtenus par combinaison des solutions des 4 techniques de géodésie spatiale (laser, GPS, DORIS, VLBI) se matérialisent par des séries temporelles Orientation de la Terre

16 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Confrontation du mouvement du géocentre mesuré avec des modèles géophysiques Série temporelle du géocentre déterminé par SLR (solution GEMINI, en rouge) et DORIS (LEGOS, en bleu) Modèle géodynamique globale (redistribution des masses dans les océans, latmosphère et sur les continents) : en marron Résultats Feissel M., Le Bail K., Berio P. et al., 2006

17 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Traitement des données accessibilité et visualisations des résultats selon les standards OV Notre Activité Notre activité sarticule autour de la méthodologie, le traitement des données et linterprétation des résultats Méthodes destimation et de représentation des séries temporelles Coulot D., Berio P. et al., 2007 SLR VLBI GPS DORIS Mesures Combinaison au niveau des mesures ITRF et EOP Ex : combinaison multi-techniques

18 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Centre dAnalyse de lILRS (International Laser Ranging Service) Notre groupe est devenu officiellement le 8ème Centre dAnalyse de lILRS depuis le 22 Octobre 2007 Il y a actuellement 2 centres aux USA, 3 en Allemagne, 1 en Italie, 1 en Australie et 1 en France Centre de traitement opérationnel (solution position+eop chaque semaine) En collaboration étroite avec le GRGS, lIGN et le CNES Ressources humaines: 2 ETP dont un SO astronome. Evolution : vers un service journalier de calcul des paramètres de rotation de la terre

19 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

20 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Dynamique des sondes aux frontières du système solaire Satellite proche de la Terre : Modèles dynamiques complexes Observations nombreuses et variées information sur environnement terrestre Sonde loin de la Terre et des planètes : Modèle dynamique plus simple permet de tester la dynamique (lois de la gravitation) aux confins du système solaire Difficulté : on manque parfois dobservations et dinformations Besoin minimal : Système de poursuite performant Manœuvres (pointage) limitées Cassini Pioneer 10 & 11

21 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Cassini Mesure de leffet Doppler (vitesse radiale) selon 3 fréquences Absence totale de manœuvre et arrêt des autres instruments durant 1 mois autour de la conjonction Terre-Soleil-Cassini Observation du décalage Doppler lié à la courbure et au retard gravitationnel des ondes électromagnétiques Bertotti et al, 2002

22 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Pioneer 10 & 11

23 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre

24 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Masse : 250 kg Distance : jusquà 80 UA (distance Soleil-Terre = 1 UA) Vitesse : km/s = 2.5 UA / an Accélération gravi (>30 UA) : quelques ms -2 Pression de radiation (>30 UA) : < ms -2 La dynamique de Pioneer Cela ne fonctionne pas !! Il est nécessaire dajouter une accélération empirique de ~ ms -2, constante, dirigée vers le Soleil (ou la Terre) : Anomalie Pioneer Les observations de vitesses radiales des sondes peuvent être comparées à la trajectoire modélisée à partir de la dynamique connue

25 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Allo Huston, je crois que nous avons un problème daccélération empirique…

26 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Résultats du JPL

27 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Confirmés par nos analyses (Groupe Anomalie Pioneer) GAP : Modélisation LKB OCA/GEMINI ONERA Instrumentation : IOTA OCA/ARTEMIS OCA/GEMINI ONERA SYRTE

28 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre PIONEER10 RMS=8.4 mHZ a p =-8.35x /- 1.5x m/s 2 RMS=5.26mHZ a p =-8.34x /- 1.1x m/s 2 A 1y =0.49 +/- 0.1 Hz A 1/2y =1.53x /- 6x10 -4 Hz A 1d =2.5x /- 1x10 -4 Hz Vitesse orbitale de la Terre ==> ~ Hz Vitesse de la sonde ==> ~ Hz Vitesse de rotation de la Terre ==> ~7500 Hz

29 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Effet classique (mais subtil !) non pris en compte dans les modèles ? –Source de gravité cachée –Pression de radiation –Poussée thermique Modification de la gravitation ? ==> doit être compatible avec les observations (très précises) dans le système solaire. Interprétations possibles

30 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Comment trancher entre effets gravitationnels et effets non gravi ? En observant une plus grande proportion des trajectoires : Les résultats actuels correspondent aux données les plus récentes (les plus loin du Soleil) Sur lensemble de la trajectoire les effets gravitationnels et non gravitationnels ont des signatures différentes un effort de réhabilitation des observations anciennes est en cours à la NASA En équipant les futures sondes De systèmes de positionnement précis (doppler, VLBI, laser) Daccéléromètres permettant de mesurer les effets non gravitationnels Propositions du GAP à lAO Cosmic Vision (ESA)

31 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

32 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 2007 Problématique spécifique aux vols en formation : Éviter les collisions Eviter la dispersion Contrôler la distance Reconfigurer de façon optimale la formation R T N I J K r2r2 r1r1 Particularité de la dynamique des vols en formation: r1r1 r2r2, <<

33 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Différentes problématiques : LISA : minimiser les variations dangles et distances entre les satellites GRACE follow-on : trouver les configurations les plus sensibles aux champ de gravité SIMBOL-X : modéliser les mouvements relatifs avec de très fortes excentricités et perturbés par la pression de radiation solaire

34 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Différentes paramétrisations pour étudier le mouvement relatif Eléments orbitaux différentielsCoordonnées cartésiennes Les éléments orbitaux locaux

35 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre 2007 Les éléments orbitaux locaux (Fontdecaba, 2007) a l : semi-major axis e l = 1 - (b l /a l ) 2 : excentricity i l : inclination l : longitud of ascending node : longitud of perigee M l : anomaly R T N alal l MlMl ilil blbl Dans le cas dorbites individuelles circulaires et non perturbées, la trajectoire relative est une ellipse : Dans le cas dorbites individuelles elliptiques et/ou perturbées, on peut considérer des éléments orbitaux osculateurs.

36 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Merci

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39 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre PRESENTATION DU PROBLEME Pioneer 10 et Pioneer 11 lancées en 1972 et 1973 par la NASA Objectif : exploration du système solaire (Jupiter, Saturne). Suivi des trajectoire par mesure de vitesse Doppler. Pioneer 10 observée jusquen 2002 (80 UA du Soleil). Pioneer 11 observée jusquen 1990 (30 UA du Soleil). Problème : il faut ajouter une accélération empirique très significative aux accélérations dorigine connue pour expliquer les observations : anomalie Pionner ==> observé à la fois sur P10 et P11

40 JSOCA - Valbonne - 5,6 novembre Systèmes de référence Fondamentalement, le mouvement des corps célestes est modélisé et calculé dans un repère dit inertiel, relié aux astres éloignés. La plupart des observations relient le corps observé à des stations terrestre rattachées à la Terre en mouvement (translation et rotation) par rapport au repère inertiel céleste Pour interpréter les observations il faut tenir compte de la position du corps dans lespace (modèle dynamique) de la position des stations sur Terre (repère terrestre) de la rotation de la Terre dans lespace (repère terrestre / repère céleste) Inversement, les observations doivent pouvoir nous donner des informations sur les repères de référence

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