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L'observation des satellites artificiels

Les éléments orbitaux d'un satellite (IV)

Pour déterminer la trajectoire d'un objet il faut disposer d'un cadre de référence. Nous connaissons le plan équatorial de la Terre et le plan de l'écliptique mais tous deux subissent un mouvement de précession par rapport aux étoiles. Pour pouvoir les utiliser sans erreur afin de localiser un objet céleste, il faut tenir compte du jour de l'observation et se référer à une époque standard, par exemple J2000.0.

Le tracé de l'orbite d'un satellite se définit dans les trois dimensions et requiert donc plusieurs éléments pour la définir dans l'espace. Ils ont été défini au XVIIe siècle par Johannes Kepler à qui l'on doit les trois lois du mouvement orbital. Cette théorie décrit le mouvement newtonien entre deux corps ponctuels, c'est-à-dire l'interaction variant en fonction inverse du carré de leur distance (1/r2). Ce mouvement négligeant les interactions avec les autres corps, il s'applique uniquement à un système isolé non perturbé. Il représente donc une situation idéale sans déviation, effet relativiste, etc. Mais en première approximation, ce mouvement de base suffit pour décrire les mouvements orbitaux entre deux astres et établir des éphémérides qui n'exigent pas la plus haute précision.

Si le cercle est la seule orbite fermée avec l'ellipse, pourquoi les planètes et les satellites orbitent-ils sur des orbites elliptiques et non pas circulaires ?

En 1609, Kepler démontra mathématiquement que les planètes orbitaient autour du Soleil sur des ellipses. Pourquoi pas un cercle ? La trajectoire des planètes et des satellites seraient un cercle s'ils se déplaçaient de façon rigoureusement orthogonale par rapport à l'axe planète-Soleil ou planète-satellite sans subir la moindre perturbation. Or tous les corps célestes sont pratiquement en interactions mutuelles les uns avec les autres de façon plus ou moins prononcée, les faisant dévier de leur trajectoire. On fait donc référence à l'ellipse par abus de langage, en faisant en réalité une grossière approximation car en toute rigueur aucune de ces trajectoires n'est vraiment elliptique, mais bien plus complexe.

Johannes Kepler

L'influence des autres corps peut toutefois être prise en compte à travers ce qu'on appelle le problème à trois corps. Rien qu'en ce qui concerne la Lune, Ernest Brown au XIXe siècle avait relevé près de 1500 inégalités. A l'époque des "Principia", Newton avait déjà considéré que ce problème lui donnait "'mal de tête" et on ne traitait pas encore le cas général à N corps !

Néanmoins, même dans ce cas, la plupart des logiciels et des algorithmes de calculs des orbites des satellites gravitant autour de la Terre par exemple font la main-basse sur les anomalies secondaires et ne tiennent compte que de l'influence gravitationnelle de la Terre (on ignore les inégalités produites par la Lune, le Soleil et les autres planètes).

A consulter : Types of orbits, ESA

Les éléments orbitaux

Les éléments orbitaux ou paramètres utilisés pour établir les prévisions sont :

- la taille de l'orbite (a)

- l'excentricité orbitale (e)

- l'inclinaison orbitale (i)

- la longitude du noeud ascendant de l'orbite (Ω)

- l'argument du périgée(ω)

- l'anomalie moyenne (ν)

- l'époque.

Trois paramètres conditionnent la visibilité d'un satellite depuis une station donnée :

- L'altitude du satellite

- L'inclinaison de l'orbite sur l'équateur terrestre

- La latitude du lieu de l'observateur.

Les passages des satellites sont prédits avec une grande précision à partir de ces éléments dits Képleriens qui caractérisent leur orbite. Ce sont les fameux "TLE" ou "Two Line Elements". Il s'agit de fichiers plats (.txt) constitués de deux lignes de paramètres commençant soit par un numéro d'ordre soit directement par l'identificateur WDCRS ou NORAD du satellite.

A consulter : TLE des satellites (CelesTrak) - TLE de 5000 satellites (2006)

Paramètres standards des TLE

TLE de ISS (ZARYA) téléchargés de CelesTrak le 15 juin 2022:

1 25544U 98067A 22166.52417639 .00007077 00000+0 13180-3 0 9990 2 25544

51.6445 344.8229 0004279 240.9172 215.6663 15.50012970344927

Détail (en bleu ciel les données variables dans le temps):

ID NORAD............ ID Int'l WDCRS............. Epoque (Année=2022, Jour=166.52)..........................

25544U                 98067A                         20170.01341708

1re dérivée (vitesse angul.moyenne (rev/jr²)........... 2e dérivée (rev/jr³)..................... Coef.ballistique

.00007077                                                          00000-0                                    17209-4 0

N°orbite............ ID............... Inclinaison (°)......... Asc.Dr.Noeud Ascendant (°)...... Excentricité

9990                 25544           51.6445                  344.8229                                   0.0004279

Argument du périgée (°)....... Anomalie moyenne (°).................................... Révolutions/jour

240.9172                             215.6663                                                        15.50012970344927

Au cours du temps ces paramètres orbitaux fluctuent, y compris l'inclinaison orbitale. C'est la raison pour laquelle ces valeurs sont données pour une orbite bien précise, dans notre exemple pour l'orbite N° 9990 aux alentours du 15 juin 2022 et doivent de temps en temps être mises à jour. Pour un satellite quelconque en orbite LEO les TLE ne sont valables et donc précis que durant 5 jours. Une documentation détaillée sur ces paramètres est disponible sur le site de CelesTrak.

Ces paramètres sont également disponibles sur le site Spacelink de la NASA par exemple ou sur demande auprès du Goddard Space Flight Center de la NASA ou encore du GEODSS américain. Ils sont également disponibles dans la plupart des logiciels de simulation (voir plus bas).

Restrictions

Par le passé la NASA (GSFC/OIG) publiait également les "Satellite Situation Reports" qui reprenaient les données de plus de 25000 satellites (le dernier fichier interim téléchargeable contenant environ 700 TLE date de 1977 !).

Malheureusement pour la communauté des amateurs, depuis mars 2005, pour des raisons de sécurité nationale (cf. US Public Law 108-136 section 913), le gouvernement américain a limité l'accès des TLE aux seules personnes intéressées. Cela signifie que les astronomes amateurs par exemple n'ont plus accès à la base de données mais bien les radioamateurs qui en ont besoin dans le cadre de leur activité pour communiquer par satellite (cf. AMSAT). CelesTrak a suivi cette recommandation émanant des autorités militaires.

Cependant, pour une période au départ temporaire mais qui est aujourd'hui définitive, le site Space-Track permet toujours au grand public et moyennant inscription d'obtenir les derniers TLE. Profitez de cette dernière opportunité car il est possible que cette "fenêtre" se referme un jour.

Rappelons que la base des TLE contient près de 100 millions de records (10 millions de records s'ajoutent chaque année), ce qui signifie que même les débris inférieurs à 1 cm sont enregistrés... !

A consulter : Graphique interactif de la position de chaque satellite artificiel actif

Position Temps-réel des satellites AMSAT au-dessus de l'Europe

A télécharger : The Debris Assessment Software, NASA

Prédictions des passages

Plusieurs sites Internet vous proposent de consulter en ligne les prédictions de passage des satellites. Les meilleurs d'entre eux restent bien évidemment ceux de la NASA. D'autres sites vous permettent de recevoir par e-mail les prévisions pour les satellites de votre choix, sans oublier les forums de discussions.

Voici quelques sites Internet de référence:

CelesTrak - Heavens-Above - Spot The Station - ISS Tracker - Privateer

Stellarium web - Space-Track - In-the-Sky - JSatTrak

Suivi des flashes : SatFlare - ISS - Iridium - Starlink 5 train

Localisation du JWST : The Sky Live - N2YO

Position d'ISS en temps réel

(Spot the Station)

Position des satellites en

temps réel (Heavens-Above)

Position des satellites

en temps réel (Privateer)

Cliquez sur l'image pour accéder aux positions en temps-réel.

Le site "Spot the Station" de la NASA affiche la position de la station ISS en temps réel et "Privateer" permet également d'afficher les satellites en temps différé de quelques heures. La plupart des autres logiciels dont Celestrak et Heavens-Above vous proposent une fenêtre de visibilité d'un à dix jours, y compris pour des dates passées ou futures.

Vous pouvez donc aussi rechercher le passage d'un satellite dans le passé ou le futur. Mais au-delà de 3 mois dans le passé, l'incertitude sur les TLE ne permet pas de trouver le satellite avec précision.

Pour les personnes intéressées, le Dr T.S. Kelso de Celestrak propose une version bêta "Césium" de Celestrak (2022) présentée ci-dessous qui permet de localiser les passages passés ou futurs des satellites pour un lieu déterminé. Tous les points affichés sont des satellites évoluant devant une carte du ciel. Mais pour les dates très lointaines dans le passé, le résultat n'est pas garanti à 100%. Même chose pour les prévisions de passage à plus de 5 jours dans le futur qui risquent d'être erronées pour les satellites en orbite basse. Mais du fait qu'il s'agit d'une version bêta qui n'est pas totalement financée, l'interface devrait être amélioré.

Notons qu'il existe également un outil pour localiser les passages passés de la station ISS, ISS Tracker.

La version bêta "Césium" de Celestrak (2022) permet de localiser les passages passés ou futurs des satellites pour un lieu déterminé. A gauche, la visualisation en 3D. Tous les points affichés sont des satellites évoluant devant une carte du ciel. A droite, la visualisation en 2D. Il suffit d'indiquer le lieu d'observation, de modifier l'incrément du temps (1 sec, 1 minute, 1 hour, 1 day, 1 week, etc) et de déplacer la ligne du temps pour se placer à la date et l'heure convenue. Dans la visualisation 3D, on peut sélectionner le secteur du ciel dont les coordonnées s'affichent en azimut (l'azimut est mesuré depuis le Nord = 0° dans le sens rétrograde ou celui des aiguilles d'une montre, l'Est = 90°, le Sud = 180°, etc) et en élévation. On peut également agrandir la zone cible pour tenter de localiser le satellite parmi les étoiles. Les deux interfaces peuvent encore être améliorés mais ce projet manque de financement. Avis aux sponsors.

Bref, si vous avez observé un point lumineux mobile suspect et ne parvenez pas à l'identifier, utilisez les logiciels présentés ci-joints le plus rapidement possible, idéalement dans les heures oui les jours qui suivent l'observation pour avoir une chance de l'identifier.

Les logiciels et applis

La plupart des programmes vous présentent simplement la trajectoire du satellite au-dessus de la surface terrestre avec ses coordonnées d'azimut et d'élévation. Mais pour l'astronome amateur c'est parfois insuffisant et certainement pour le radioamateur.

Pour ceux qui préfèrent utiliser les coordonnées équatoriales dans l'éventualité où le ciel étoilé vous intéresse également, il existe de nombreux logiciels d'astronomie dont les versions récentes utilisent entre autres l'algorithme SGP4 pour calculer les perturbations orbitales et établir les prévisions de visibilité des satellites pour afficher leur trajectoire devant la voûte céleste. La précision est de l'ordre de quelques minutes d'arc.

Outre les logiciels précités, vous pouvez également localiser les satellites, y compris le JWST grâce à Stellarium, The Sky Live ou N2YO.

Parmi les applications pour mobiles (tablettes et smartphones), citons Orbitrack, ISS Detector et Heavens-Above (qui exige un navigateur html5) présentés ci-dessous. Pour les tablettes, Celestron propose sur Google Play ou l'AppStore l'appli "SkyPortal", un logiciel de planétarium gratuit (dont voici une copie d'écran) qui exploite la puce GPS pour afficher le ciel local en temps réel, y compris les satellites artificiels.

Puisqu'il existe un version pour mobile d'Orbitrack, citons également la version Orbitrack pour PC ou Mac (dont voici une copie d'écran). Ce programme tourne sous Windows 7 et supérieure ou Mac OS et exige l'installation préalable d'un émulateur Android pour PC ou Mac tel que Bluestacks et un compte Google qui permet d'installer l'application à partir de Google Play. Toutefois elle facturée 5.49 €.

Citons également NOVA for Windows de Northern Lights Software Associates (NLSA) téléchargeable gratuitement depuis fin 2017 (le S/N à encoder est NLD-8554457) qui dispose d'un mode "radar" permettant de connaître les coordonnées équatoriales du satellite que vous surveillez et de l'attendre à l'affût derrière une étoile. Il fonctionne sur toutes les plates-formes Windows jusqu'à la version 7.

Bien que "Nova" soit très utile pour localiser les satellites artificiels visibles au-dessus de l'horizon, il s'agit avant tout d'un logiciel pour radioamateur capable de piloter des antennes sur différents satellites de communication (cf. la revue en anglais de quelques logiciels de simulation).

Les logiciels WXTrack et Orbitron ont également acquis une belle réputation grâce à une interface en haute résolution et en supportant la plupart des rotors d'antenne.

A consulter : La réception des satellites

Ci-dessus, la projection rectangulaire de Nova for Windows et en dessous à gauche son mode radar. A droite, Starry Night Pro.

Notons qu'à l'heure de l'informatique beaucoup de télescopes sont asservis électroniquement par ordinateur et disposent des TLE ou peuvent lire ces fichiers. Ils sont dès lors capables de localiser et suivre les satellites artificiels en temps réel. Celestron et Meade parmi d'autres constructeurs proposent ce type de console pour tous leurs télescopes, y compris sur les petits instruments.

De même, le logiciel SkyTrack de Brent Boshart connecté à une interface ASCOM est capable de piloter la monture de la plupart des télescopes motorisés et/ou GoTo équipés ou non d'un GPS sur n'importe quel satellite et astre du ciel. Ce logiciel fonctionne sur tous les OS Windows. SkyTrack est proposé à 9$ et la version démo est valable 30 jours.

A voir : Tracking Satellites with SkyTrack Part 1 - Part 2

Quelques logiciels de poursuite de satellites. Ci-dessus à gauche, FireCapture (2022) dont la version 2.7.07 connectée à un instrument d'astronomie peut suivre automatiquement les planètes, le Soleil, la station ISS ou d'autres objets customisés. Ce logiciel permet également l'acquisition d'images au moyen d'une caméra CCD ou de tout photocapteur supportant l'interface ASCOM. Au centre, SkyTrack (2022). A droite, WXTrack (2003). Ci-dessous à gauche, Satellite Tracker (2013) adapté au télescope Meade LX200. A droite, l'ancien WinOrbit (2000).

Des logiciels de planétarium tels Stellarium (gratuit), SkyMap Pro ou Starry Night Pro parmi d'autres peuvent également afficher la trajectoire des satellites devant les étoiles pour n'importe quel lieu et n'importe quelle époque et simultanément piloter une lunette ou un télescope à condition qu'ils disposent des deux lignes de TLE et de l'interface électronique (ASCOM ou propriétaire) vers l'ordinateur. Ces mêmes lunettes ou télescopes reliés à des logiciels d'acquistion d'image comme FireCapture permettent également de suivre en temps réel le déplacement des satellites dont celui de la station ISS depuis la version 2.7.07 sortie en 2022.

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