Le système Météosat
Comment rester pendant 18 ans le programme spatial européen le plus connu, non seulement des spécialistes mais aussi du grand public? Rester à l'écoute des utilisateurs, perfectionner l'outil de production et améliorer le service, ces trois recettes de marketing qui ont fait leurs preuves dans le secteur privé ont été appliquées avec succès au programme Météosat.
Le système Météosat est un système autonome et indépendant, conçu pour les météorologues. Un satellite géostationaire, stabilisé par rotation à 100 tours/minute, est équipé d'un radiomètre qui prend des images de la Terre toutes les demi-heures. Le satellite embarque également une charge utile de télécommunications pour la transmission des données image à la station sol principale, la diffusion des images traitées aux utilisateurs et la collecte de données. En plus de la station principale située dans l'Odenwald en Allemagne, les installations au sol comprennent essentiellement le centre de contrôle des opérations et le centre de traitement des données, tous deux à l'ESOC. Une station complémentaire pour la mesure de distance est installée à Kourou en Guyane française. Ce système permet l'observation de la Terre et de sa couverture nuageuse, le traitement des images pour en extraire les informations météorologiques, la diffusion d'images et la collecte de données sur l'environnement.
Le système Météosat
L'expérience acquise sur la série des satellites Météosat et le dialogue continuel avec les utilisateurs ont permis d'affiner les missions du système Météosat au cours des années.
La prise d'image, mission essentielle
A l'origine,
il était prévu d'observer la Terre et sa couverture
nuageuse dans le spectre visible (0,4-1,1 micrometers) et dans le spectre
infrarouge thermique (10,5-12,5 micrometers). De cette manière, on
disposait d'un jeu de deux images, l'une correspondant à
ce que voit l'oeil humain et l'autre sensible à la
température de la scène observée. Peu
après l'approbation du programme, les
météorologues ont demandé à disposer
d'une image infrarouge supplémentaire correspondant
à la bande d'absorption de la vapeur d'eau (5,7-7,1 micrometers).
Après des études de faisabilité concluantes,
le radiomètre est modifié pour inclure le canal
vapeur d'eau et fournir trois images.
L'image visible, la plus détaillée, consiste en une mosaïque de 5000 points par 5000 lignes. Les images en infrarouge thermique et vapeur d'eau comprennent chacune 2500 points par 2500 lignes. Cependant, lorsque le canal infrarouge vapeur d'eau est en fonctionnement, l'image visible est réduite de 5000 à 2500 lignes.
Il faut attendre le programme Météosat opérationnel pour que les deux images en infrarouge et l'image visible soient obtenues simultanément avec le maximum de définition.
Vue explosée du satellite
Traitement des images
Les images reçues du satellite par la
station sol de l'Odenwald sont transmises à l'ESOC.
Là, elles sont d'abord traitées pour corriger les
déformations géométriques. En effet, le
satellite n'est pas parfaitement géostationnaire, il ne
tourne pas exactement à 100 tours à la minute et
son axe de rotation n'est pas rigoureusement perpendiculaire au
plan de l'équateur terrestre. Les données image
sont ensuite calibrées pour prendre en compte le gain
optique du radiomètre et la sensibilité des
détecteurs. Après corrections
géométriques et radiométriques, les images
sont prêtes à la diffusion aux utilisateurs.
Vue du radiomètre
Les données images sont aussi traitées pour en extraire les paramètres météorologiques: champs de vents à différentes altitudes, températures de surface de la mer, cartes de la hauteur des sommets des nuages, cartes de distribution des nuages, cartes du contenu en vapeur d'eau de la haute troposphère et bilans radiatifs.
Diffusion des images
Images et informations
météorologiques sous forme de cartes sont
transmises aux utilisateurs de Météosat. Pour cela,
la charge utile du satellite offre deux canaux de diffusion dont
la couverture radioélectrique est quasi-
hémisphérique (42% du globe terrestre).
Les images retransmises par la station de l'Odenwald en direction du satellite sont diffusées, soit en numérique à destination des services météorologiques, soit au standard WEFAX (Weather facsimile) pour une utilisation beaucoup plus large (560 utilisateurs étaient recensés en Europe et en Afrique dès 1983).
A la demande des utilisateurs, les images du satellite américain GOES-Est (70 degrees Ouest), et du satellite japonais GMS (150 degrees Est) sont également retransmises par le Centre de Météorologie Spatiale (CMS) installé à Lannion en France; l'ensemble des images retransmises couvrent les deux tiers du globe.
A partir d'octobre 1983, cette mission est étendue à la retransmission des messages météorologiques en provenance des plates-formes de collecte de données et toute station de réception WEFAX peut alors recevoir ces messages collectés et relayés par le satellite.
L'orbite géostationnaire est soumise à de multiples perturbations qui obligent à mesurer régulièrement la distance du satellite aux stations sol. Jusqu'en 1989, ces mesures utilisent les techniques classiques de modulation et mobilisent les deux canaux de diffusion huit fois par jour. Les nouvelles techniques, modulation à bande étalée et code pseudo- aléatoire, permettent d'effectuer les mesures de distance sans avoir à interrompre la mission de diffusion, sa disponibilité devient permanente, le gain obtenu est supérieur à une heure par jour.
En septembre 1995, à la demande d'Eumetsat, la nouvelle organisation chargée d'établir, maintenir et opérer les systèmes européens opérationnels de météorologie satellitaire, la diffusion des images numériques est partiellement encryptée.
Collecte des données
Les données d'environnement
mesurées localement sont transmises automatiquement par
des plates-formes de collecte de données (DCP) et
relayées par le satellite. Après leur acquisition
par la station de l'Odenwald et leur remise en forme par le
centre de traitement installé à l'ESOC, elles sont
envoyées aux utilisateurs par lignes
téléphoniques, télex ou encore par courrier.
Ces modes de distribution bien adaptés à
l'environnement européen présentent de nombreuses
déficiences pour certains utilisateurs non
européens dont les moyens de
télécommunications sont moins
développés. L'introduction de la retransmission
des messages météorologiques aux stations WEFAX,
en 1983, remédie à cette situation.
Les plates-formes peuvent être soit fixes, soit mobiles. Les plates-formes fixes, situées à l'intérieur de la zone de couverture Météosat, assurent une couverture régionale; les mobiles, installées sur bateau, bouée, ballon stratosphérique ou avion, font appel au système international CGMS (Coordination of Geostationary Meteorological Satellites) comprenant les satellites américains GOES-Est et GOES-Ouest, japonais GMS et européen Météosat, assurent la couverture mondiale.
Les plates-formes les plus courantes transmettent leurs messages à heure fixe; d'autres, dites d'alerte, envoient un message d'alarme dès que certaines conditions d'environnement sont atteintes, sans attendre leur créneau horaire. D'autres encore peuvent être interrogées pour transmettre leurs messages à la demande, ces dernières furent rapidement abandonnées car trop chères.
La mission s'est donc développée autour des plates- formes à heure fixe. Aujourd'hui, près de 1100 plates-formes sont enregistrées auprès de Météosat.
Distribution des données météorologiques
L'Organisation Météorologique Mondiale dispose de
son propre système de télécommunication,
le SMT (Système Mondial de
Télécommunications) qui relie tous les services
météorologiques du monde entre eux. Une
étude effectuée en 1983 révèle que
ce système présente certaines lacunes et identifie
les besoins de moyens complémentaires pour la distribution
des données météorologiques (MDD) en
Afrique.
Considérant la position privilégiée du satellite au-dessus du golfe de Guinée et les relations étroites entre les météorologues européens et africains, la mission du programme Météosat opérationnel est élargie pour fournir huit canaux réservés à la distribution des messages météorologiques. Actuellement, trois canaux sont utilisés par les services météorologiques de France, d'Italie et du Royaume- Uni pour distribuer leurs messages météorologiques à leurs homologues africains.
Planning
Archivage des images
Il ne faut pas oublier la source de
données météorologiques et d'environnement
que constitue les archives Météosat grâce aux
images qui se sont accumulées au cours des années.
Fin novembre 1995, plus d'un million d'images enregistrées
sur bande magnétique et plus de 50 000 images sur film
photographique sont disponibles.
L'un des objectifs du programme préopérationnel est de vérifier la viabilité du satellite et son adéquation aux missions qui lui sont dévolues. En effet, Météosat est le premier satellite géostationnaire d'observation de la Terre construit par l'industrie européenne; les solutions techniques retenues pour sa réalisation demandent à être confirmées avant de s'engager dans un programme opérationnel.
Météosat F1, F2 et P2
Météosat F1
lancé le 23 novembre 1977 répond positivement
à la question essentielle que l'on peut raisonnablement
se poser, en fournissant sa première image seize jours
plus tard, le 9 décembre. Cette performance demande
cependant à être confirmée par le
comportement à long terme du satellite.
Lancement de Météosat-F1 en novembre 1977
Lancement de Météosat P2 (Ariane 401)
Les performances du satellite en orbite sont donc analysées pour détecter les défauts patents aussi bien que les imperfections non décelables lors des essais au sol. De m ême, certaines faiblesses de conception sont mises en évidence lors de l'utilisation intensive du satellite. Corrections et améliorations sont étudiées et éventuellement introduites sur les modèles suivants.
Météosat F1 met en évidence l'impact du vent solaire sur les satellites géostationnaires, phénomène qui n'avait pas encore été étudié par les scientifiques européens. Les protections thermiques du satellite sont composées de couches de mylar aluminisé qui se chargent électrostatiquement sous l'effet du vent solaire. Lorsque les charges accumulées sont trop importantes, une décharge électrique se produit et les interférences électromagnétiques ainsi générées perturbent le bon fonctionnement du satellite. Leurs conséquences sont facilement corrigées par télécommande mais une ou deux images sont perdues et ce comportement n'est pas acceptable pour un système opérationnel. Les satellites suivants sont corrigés en conséquence: toutes les parties métalliques sont mises à la masse, le blindage du câblage est renforcé et les circuits électroniques sont modifiés pour les rendre tolérants aux perturbations électromagnétiques.
Sur Météosat F1, quelques lignes d'image sont systématiquement perdues à des instants bien précis. Cette anomalie, sans influence sur la valeur météorologique des images obtenues, est due à la coïncidence entre l'impulsion solaire qui pilote l'horloge interne et la phase du signal d'horloge reconstitué. Il est à noter qu'aucun essai effectué au sol n'avait permis de détecter cette perturbation qui dépend de la conjonction de plusieurs paramètres dont la position exacte du satellite sur son orbite. Les satellites suivants sont équipés d'un circuit d'anticoïncidence pour éviter la répétition de ce dysfonctionnement.
La panne de Météosat F1 qui réduit la mission du satellite à la collecte de données le 24 novembre 1979, soit deux ans et un jour après son lancement, est encore dans toutes les mémoires. Le disjoncteur électronique du circuit de puissance principal se met à osciller, ce qui rend vaine toute tentative pour le réenclencher. Tous les satellites ultérieurs sont équipés de sécurités supplémentaires destinées à court-circuiter chaque disjoncteur. Cette interruption prématurée de deux des trois missions ne remet pas en cause la conception du satellite dont la durée de vie spécifiée est de trois ans avec une probabilité de survie de 50%. Le satellite continue d'assurer la mission de collecte de données jusqu'à ce qu'il soit mis définitivement hors service en octobre 1984, soit après plus de 6 ans en orbite.
Météosat F1 est équipé d'une batterie qui fournit l'énergie électrique nécessaire pour traverser les éclipses lorsque les panneaux solaires du satellite sont dans l'obscurité. Une amélioration notable apportée aux satellites suivants est l'ajout d'une deuxième batterie qui permet de laisser sous tension tous les sous-systèmes pendant les éclipses et ainsi de reprendre plus rapidement la mission en sortie d'éclipse. De plus, cette deuxième batterie offre une marge de sécurité appréciable pour le contrôle thermique pendant les éclipses. Une autre amélioration est l'introduction d'un mode de charge lent pour maintenir les batteries normalement chargées sans l'intervention des opérateurs.
Alors que Météosat F1 est lancé par la fusée américaine Thor-Delta 2914, les satellites suivants sont mis en orbite par le lanceur européen Ariane. Ce changement nécessite le renforcement de la structure du satellite, l'abandon du moteur d'apogée américain Aérojet pour le moteur européen Mage et une nouvelle optimisation des tuyères du système de contrôle d'attitude.
Pour étudier plus en détail le phénomène de décharges électrostatiques observé sur Météosat F1, deux expériences sont embarquées sur Météosat F2. L'une permet de mesurer le flux d'électrons et leur énergie dans la gamme de 50 eV à 20 keV, l'autre de surveiller le niveau du bruit radioélectrique et d'identifier les décharges électrostatiques.
Météosat F2, lancé en juin 1981, assure les missions de prise d'image et de diffusion pendant sept ans, jusqu'à la mise en service de Météosat P2 en juin 1988. La mission de collecte de données, défaillante sur ce satellite, est poursuivie par Météosat F1 et reprise plus tard par le satellite américain GOES-4. Météosat F2 est mis hors service et retiré de l'orbite géostationnaire en décembre 1991, soit plus de dix ans après son lancement.
Le satellite Météosat P2 ne bénéficie pas entièrement du programme d'amélioration puisque ce deuxième modèle de qualification a été intégré avant m ême le premier modèle de vol Météosat F1. Par contre, il embarque l'expérience LASSO qui permet la synchronisation d'horloges atomiques avec une précision meilleure que 10 nanosecondes.
Son principe est la détection d'impulsions laser contrôlées par les dites horloges et la mesure du temps qui sépare les impulsions successives. Il embarque aussi une expérience (le premier modèle était monté sur Météosat F2) pour mesurer le flux d'électrons et leur énergie dans la gamme de 30 à 300 keV.
Météosat P2 est lancé le 15 juin 1988. Il assure la mission Météosat jusqu'au lancement de MOP-1, premier satellite du programme opérationnel, en 1989, puis est gardé comme satellite de réserve. En collaboration avec l'agence américaine NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), il est déplacé en juin 1991 à 50 degrees Ouest, puis pour pallier le manque d'un de leurs satellites GOES, est repositionné à 75 degrees Ouest en janvier 1993. Les opérations correspondantes effectuées par l'ESOC sont connues sous les sigles de ADC (Atlantic Data Coverage) et XADC (Extended Atlantic Data Coverage). Il est finalement mis hors service et retiré de l'orbite géostationnaire en novembre 1995, à la fin du programme Météosat opérationnel.
Jeu d'images: VIS, IR et WV
L'avènement du Programme Météosat opérationnel apporte des modifications importantes pour améliorer la qualité des images et permettre la mission de distribution de données météorologiques.
Une qualité essentielle d'un service opérationnel étant sa disponibilité, la redondance du radiomètre est augmentée: quatre détecteurs visibles au lieu de deux, deux détecteurs vapeur d'eau au lieu d'un seul et les électroniques des chaînes images ainsi que celles qui commandent le balayage sont doublées.
L'amélioration des données images porte sur les trois types de résolution: spatiale, temporelle et radiométrique. L'image visible est toujours à résolution maximum, l'image vapeur d'eau est disponible en permanence et les données des images visibles et vapeur d'eau sont codées sur 256 niveaux de gris au lieu de 64. Ces modifications nécessitent en outre le doublement de la cadence numérique des données image.
Pour profiter au maximum de l'amélioration des images, le contrôle des interférences électromagnétiques devient plus sévère.
Le système de calibration comprend maintenant deux corps noirs pour obtenir une calibration vraie, plutôt que relative, y compris en cas de pollution sévère de l'optique froide.
La mission MDD conduit à introduire un troisième canal de diffusion qui est obtenu par le partage d'un des deux canaux originels.
Pour permettre le maintien en orbite de plusieurs satellites et leurs opérations, chaque satellite utilise des fréquences différentes pour ses liaisons de servitude. Par contre, pour assurer la transparence vis-à- vis des utilisateurs chaque liaison de mission ne doit avoir qu'une seule fréquence, et pour éviter tout risque d'interférences chaque liaison peut maintenant être mise en marche ou arr êtée à la demande.
MOP-1 est lancé le 6 mars 1989. Suite à certaines difficultés observées pour synchroniser l'ensemble des convertisseurs de tension du système d'alimentation, un relais est rajouté sur les satellites suivants.
Il permet de sélectionner le mode de fonctionnement, synchronisé ou non, des alimentations qui est optimum pour la qualité des images. En 1992, après la mise en service de MOP-2, MOP-1 devient satellite de réserve puis est mis hors service et retiré de l'orbite géostationnaire à la fin du programme Météosat opérationnel en novembre 1995.
On observe sur MOP-2, lancé le 2 mars 1991, une déformation géométrique variable des images infrarouges et vapeur d'eau. La recherche de l'origine de ce défaut oblige à développer de nouveaux algorithmes dont la précision est le centième de pixel (élément d'image); à titre de comparaison le traitement de l'image se fait alors avec une précision de l'ordre d'un tiers de pixel. L'anomalie est due aux microvibrations induites par le mécanisme de balayage du radiomètre qui font tourner l'une des trois lentilles du bloc optique. Le mode de fixation des lentilles par sertissage, procédé classique en optique, est alors remis en cause, bien qu'il ait fait ses preuves sur les quatre satellites précédents. En parallèle, l'ESOC développe et met en oeuvre un logiciel qui corrige les effets de l'anomalie. Fin novembre 1995, MOP-2 est toujours le satellite principal qui assure la mission Météosat, sa fin de vie nominale est actuellement prévue pour avril 1997, soit après plus de six ans en orbite.
On vérifie que le sertissage des lentilles du radiomètre est satisfaisant sur MOP-3 (lancé le 20 novembre 1993). Les images infrarouges et vapeur d'eau sont géométriquement correctes mais présentent une instabilité radiométrique. L'analyse de l'anomalie qui a duré presque deux ans conclut à la rupture de la suspension du bloc optique refroidi. Cette suspension, réalisée en fibres de verre pour assurer l'isolation thermique entre le bloc optique et le reste du radiomètre, est l'un des éléments critiques du satellite. L'ESOC, en coopération avec l'industrie, développe un logiciel qui compense les effets de l'anomalie. MOP-3 est considéré comme satellite de réserve, sa fin de vie nominale est actuellement prévue pour mars 2001, plus de sept ans après son lancement.
Programme de transition Météosat (MTP)
MTP,
réplique des satellites de la série MOP,
bénéficie de lentilles serties et collées
pour éviter l'anomalie de MOP-2; en outre, les
procédures de fabrication des brins de suspension du bloc
optique refroidi sont revues et leurs critères
d'acceptabilité sont modifiés pour éviter
la répétition de l'anomalie de MOP-3. Ce satellite
doit être lancé mi-1997.
Amélioration du service
Finalement, l'ESOC chargé
des opérations et de l'extraction des paramètres
météorologiques est en fin de chaîne en
contact permanent avec les utilisateurs et à ce titre
responsable du service rendu. Au cours des années
Météosat, il a toujours su réagir en temps
réel pour maintenir les missions. Il a adapté ses
moyens de contrôle au nombre et type de satellites en
orbite, perfectionné sans cesse ses moyens de calcul ainsi
que l'expertise de son personnel pour fournir
régulièrement les paramètres
météorologiques en quantité et
qualité croissantes et ce malgré les
particularités propres à chaque satellite.
Il n'est malheureusement pas possible dans cet article de décrire de manière exhaustive tout ce travail d'améliorations effectué par l'ESOC. Seulement trois exemples sont rapportés ci-dessous pour en illustrer la compétence et le professionnalisme.
La station de l'Odenwald est équipée originellement d'une antenne de 15 m pour contrôler le satellite Météosat F1. Après le lancement de Météosat F2 en juin 1981, quand il est clair que ce nouveau satellite ne peut pas supporter la mission de collecte de données, une nouvelle antenne de réception, de 10 m, est installée en quelques mois, elle permet de poursuivre la mission de collecte de données grâce à Météosat F1. Plus tard, quand ce satellite qui ne peut plus être maintenu à poste est définitivement retiré du service, en octobre 1984, cette antenne est adaptée pour recevoir les messages de collectes de données via le satellite américain GOES-4 pr êté à l'ESA par la NOAA.
En préparation à la mission ADC, une nouvelle antenne de 13,5 m est installée début 1991. A partir de ce moment, l'ESOC avec trois antennes peut assurer la mission Météosat sur l'Europe, opérer un deuxième satellite au-dessus de l'Atlantique et maintenir jusqu'à deux satellites supplémentaires en réserve.
Le traitement des données images devient subitement inadéquat lorsque l'anomalie du satellite MOP-2 est détectée. L'ESOC en collaboration avec l'industrie, développe un nouveau logiciel opérationnel qui corrige les effets de la rotation de la lentille, ses performances sont telles que les images MOP-2 ainsi traitées sont de meilleure qualité que les images des satellites précédents traitées avec l'ancien logiciel. Paradoxalement, on peut dire que cette anomalie se traduit par l'amélioration de la qualité géométrique de l'image.
Image composite: MOP-2 et ADC
Dernière image reçue par l'ESA
L'anomalie de MOP-3 oblige de nouveau l'ESOC à faire développer un nouveau logiciel qui compense les variations radiométriques des images infrarouges et vapeur d'eau; les images ainsi corrigées permettent l'extraction des paramètres météorologiques avec une qualité comparable à ceux extraits des images des autres satellites. De m ême que l'anomalie de MOP-2 a conduit à de meilleures images, on s'attend à des retombées bénéfiques de l'anomalie de MOP-3 pour la calibration des images infrarouges et vapeur d'eau.
Dix-huit ans après le lancement du premier satellite, le
programme Météosat opérationnel
s'achève
Souhaitons à Eumetsat, qui reprend le
contrôle et l'exploitation des satellites, le m ême
succès que l'ESA qui a su défricher et faire
fructifier, au profit des utilisateurs, les capacités des
satellites.
Que MTP, le prochain et dernier satellite de la série Météosat, en soit le premier par le mérite et fournisse les bons et loyaux services auxquels nous sommes habitués.
Enfin, que les prochains satellites Météosat Seconde Génération, en cours de développement, soient les dignes successeurs des satellites actuels et perpétuent le succès de la famille Météosat.
ESA Bulletin Nr. 85.