Un outil pour la métrologie de l’espace et du temps

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1 Un outil pour la métrologie de l’espace et du temps
La Dynamique Spatiale Un outil pour la métrologie de l’espace et du temps

2 Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation
Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

3 Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation
Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

4 Un objet lâché sans vitesse retombe sur Terre,
Introduction Les corps dans l’espace 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 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 Mécanique céleste et dynamique spatiale
Mécanique céleste : modélisation et calcul du mouvement des corps célestes (Newton, XVIIeme) Dynamique spatiale : étude des mouvements (et de leurs causes) des satellites artificiels et sondes spatiales (Brouwer, 1959) Etude du mouvement étude des forces qui modifient ce mouvement

6 Les causes du mouvement
En l’absence de gravité, un projectile doté d’une vitesse initiale suit un mouvement rectiligne et uniforme vitesse mouvement Si on ajoute la gravité d’un autre corps massique, celle-ci incurve la trajectoire du projectile… vitesse mouvement gravité C’est ce qu’ont montré Kepler et Newton …d’autant 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 qu’il « survole »

7 Les causes du mouvement (suite)
Mais si on va dans le détail (c’est 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 l’atmosphère, les pressions de radiation (solaire directe et albédo, IR planètes), les « poussées thermiques » … On modélise des effets jusqu’à 1012 fois plus faibles que le terme principal de gravité.

8 On ne se contente pas de modéliser le mouvement, on l’observe…
Les observations On ne se contente pas de modéliser le mouvement, on l’observe… Les principaux types d’observation 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 d’accélérations non gravitationnelles : accéléromètres spatiaux. La confrontation du mouvement modélisé aux observations permet de tester (c’est là que les ennuis commencent…) et d’améliorer les modèles dynamiques. Ressemblants ? Vous avez dit ressemblants ? Dynamique Observation

9 Récapitulons Dynamique de mouvement (reliée à l’environnement)
Observations (reliée à l’environnement) Stations terrestres Données sur l’environnement de la sonde Données sur l’environnement du lien observationnel Connection entre repères terrestres et célestes

10 dis moi comment je bouge
Terre, dis moi comment je bouge et je te dirai qui tu es !

11 Quelques résultats marquants
Détermination des grandes longueurs d’onde des champs de gravité de la Terre, de la Lune et de Mars  méthodes spécifiques développées à l’OCA pour les variations temporelles lentes Modèles de densités atmosphériques  modèles DTM de l’OCA Test de certains aspects de la gravitation : observation de l’effet Lens-Thirring  une thèse à l’OCA Matérialisation de systèmes de références terrestres et célestes  l’OCA est centre d’analyse pour les observations laser

12 Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation
Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

13 Paramètre d’orientation
Position des points sur la Terre Repère de Référence Terrestre (ITRS) Paramètre d’orientation de la Terre (EOP) Rotation Repère de Référence Céleste (ICRS) Position des corps dans l’espace Notre domaine d’activité

14 Repère de Référence Terrestre
Le Repère de Référence terrestre : réalise un système de référence géocentrique sans mouvement d’ensemble 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)

15 Orientation de la Terre
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 => (xp,yp) Les Paramètres d’Orientation 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

16 Résultats 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, l’atmosphère et sur les continents) : en marron Feissel M., Le Bail K., Berio P. et al., 2006

17 Combinaison au niveau des mesures
Notre Activité Notre activité s’articule autour de la méthodologie, le traitement des données et l’interprétation des résultats Méthodes d’estimation 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 Traitement des données accessibilité et visualisations des résultats selon les standards OV

18 Centre d’Analyse de l’ILRS (International Laser Ranging Service)
Notre groupe est devenu officiellement le 8ème Centre d’Analyse de l’ILRS 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, l’IGN 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 Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation
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20 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 d’observations et d’informations Besoin minimal : Système de poursuite performant Manœuvres (pointage) limitées Cassini Pioneer 10 & 11

21 
Cassini Mesure de l’effet 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 Pioneer 10 & 11

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24 La dynamique de Pioneer
Masse : 250 kg Distance : jusqu’à 80 UA (distance Soleil-Terre = 1 UA) Vitesse : km/s = 2.5 UA / an Accélération gravi (>30 UA) : quelques 10-6 ms-2 Pression de radiation (>30 UA) : < ms-2 Les observations de vitesses radiales des sondes peuvent être comparées à la trajectoire modélisée à partir de la dynamique connue Cela ne fonctionne pas !!  Il est nécessaire d’ajouter une accélération empirique de ~ ms-2, constante, dirigée vers le Soleil (ou la Terre) : Anomalie Pioneer

25 Allo Huston, je crois que nous avons un problème d’accélération empirique…

26 Résultats du JPL

27 Confirmés par nos analyses (Groupe Anomalie Pioneer)
GAP : Modélisation LKB OCA/GEMINI ONERA Instrumentation : IOTA OCA/ARTEMIS SYRTE

28 PIONEER10 Vitesse orbitale de la Terre ==> ~500 000 Hz
RMS=8.4 mHZ ap=-8.35x /- 1.5x10-12 m/s2 RMS=5.26mHZ ap=-8.34x /- 1.1x10-12 m/s2 A1y=0.49 +/- 0.1 Hz A1/2y=1.53x10-2 +/- 6x10-4 Hz A1d=2.5x10-4 +/- 1x10-4 Hz Vitesse orbitale de la Terre ==> ~ Hz Vitesse de la sonde ==> ~ Hz Vitesse de rotation de la Terre ==> ~7500 Hz

29 Interprétations possibles
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.

30 En observant une plus grande proportion des trajectoires :
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 l’ensemble 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) D’accéléromètres permettant de mesurer les effets non gravitationnels Propositions du GAP à l’AO Cosmic Vision (ESA)

31 Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation
Concepts Systèmes de référence Dynamique des sondes spatiales Dynamique des vols en formation

32 r1 , < r2  Particularité de la dynamique des vols en formation:
J K r2 r1  Particularité de la dynamique des vols en formation: , < Problématique spécifique aux vols en formation : Éviter les collisions Eviter la dispersion Contrôler la distance Reconfigurer de façon optimale la formation

33 Différentes problématiques :
GRACE ‘follow-on’ : trouver les configurations les plus sensibles aux champ de gravité LISA : minimiser les variations d’angles et distances entre les satellites SIMBOL-X : modéliser les mouvements relatifs avec de très fortes excentricités et perturbés par la pression de radiation solaire

34 Différentes paramétrisations pour étudier le mouvement relatif
Coordonnées cartésiennes Eléments orbitaux différentiels Les éléments orbitaux locaux

35 Les éléments orbitaux locaux (Fontdecaba, 2007)
Dans le cas d’orbites individuelles circulaires et non perturbées, la trajectoire relative est une ellipse : al : semi-major axis el = 1 - (bl/al)2 : excentricity il : inclination l : longitud of ascending node l: longitud of perigee Ml : anomaly R T N al  l Ml il bl Dans le cas d’orbites individuelles elliptiques et/ou perturbées, on peut considérer des éléments orbitaux osculateurs.

36 Merci

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39 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 jusqu’en 2002 (80 UA du Soleil). Pioneer 11 observée jusqu’en 1990 (30 UA du Soleil). Problème : il faut ajouter une accélération empirique très significative aux accélérations d’origine connue pour expliquer les observations : anomalie Pionner ==> observé à la fois sur P10 et P11

40 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 l’espace (modèle dynamique) de la position des stations sur Terre (repère terrestre) de la rotation de la Terre dans l’espace (repère terrestre / repère céleste) Inversement, les observations doivent pouvoir nous donner des informations sur les repères de référence

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