Le satellite de télécommunications Artemis de l’ESA arrive enfin à destination – chronique d’un sauvetage remarquable

The Artemis recovery team
L'équipe d'Artemis
19 février 2003

ESA INFO 04-2003. Dans la soirée du vendredi 31 janvier 2003, après une dernière manœuvre de correction de trajectoire, Artemis est enfin arrivé à destination sur l’orbite géostationnaire. Cet épisode marque la fin d’une remarquable opération de sauvetage qui a duré 18 mois.

Le chemin tout à fait inhabituel parcouru par le satellite pour rejoindre l’orbite géostationnaire s’est révélé long et semé d’embûches. La mission a toutefois pu être sauvée grâce aux compétences exceptionnelles d’une équipe d’ingénieurs et de spécialistes de l’Agence spatiale européenne, d’Alenia Spazio, maître d’œuvre, de Telespazio, chargé de la conduite opérationnelle du satellite à partir du centre de contrôle de Fucino, et d’Astrium, concepteur du système de propulsion ionique. C’est ce système expérimental – conçu à l’origine pour corriger « par petites touches » la position du satellite et non pour un exercice de sauvetage – qui a joué un rôle décisif en hissant Artemis sur une distance de 5000 km jusqu’à l’altitude souhaitée.

En raison d’un dysfonctionnement de l’étage supérieur d’Ariane-5, le satellite de télécommunications Artemis de l’ESA n’a pas été injecté sur l’orbite elliptique prévue, mais sur une orbite plus basse dont l’apogée (le point le plus éloigné de la Terre) se situait à 17 487 km seulement au lieu des 35 853 km de l’orbite de transfert géostationnaire visée. Une équipe de spécialistes de l’ESA et de l’industrie a promptement réagi en enclenchant une série de procédures de contrôle innovantes pour sauver le véhicule et en tentant d’audacieuses manœuvres qui non seulement ont parfaitement réussi mais se sont aussi révélées extrêmement efficaces. Consommant presque toute sa réserve d’ergols chimiques, le satellite est parvenu à s’échapper de l’orbite où il était exposé aux dangereux rayonnements de la ceinture de Van Allen pour se mettre en sécurité sur une orbite circulaire à 31 000 km d’altitude quelques jours seulement après son lancement.

Une longue route jusqu’à l’orbite géostationnaire

Le centre de contrôle de Fucino

Depuis lors, les opérations de sauvetage se sont poursuivies sans relâche, à l’aide cette fois des deux paires de moteurs ioniques dont le satellite est équipé par souci de redondance. Ces moteurs de conception nouvelle utilisent du gaz ionisé, en l’occurrence du xénon, en remplacement de la propulsion chimique classique. Ils ont été conçus initialement pour contrôler l’inclinaison du satellite en délivrant une poussée perpendiculaire au plan de l’orbite. Les manœuvres de sauvetage exigeaient cependant que la poussée soit délivrée dans le plan de l’orbite afin de diriger le satellite vers sa position géostationnaire définitive. Cette opération a pu être réalisée en faisant pivoter le satellite dans le plan de l’orbite de 90 degrés par rapport à son orientation nominale.

Tirant le meilleur parti de la configuration de vol du satellite, de nouvelles stratégies ont été définies non seulement pour rehausser l’orbite, mais aussi pour contrebalancer l’augmentation naturelle de l’inclinaison du satellite. Ces stratégies ont nécessité la mise en place de nouveaux modes de contrôle, d’un nouveau réseau de stations et de nouvelles procédures de pilotage.

Le nouveau système de pilotage des propulseurs ioniques repose sur des modes de commande qui n’avaient encore jamais été utilisés sur un satellite de télécommunications ainsi que sur de nouvelles fonctions de traitement des données de télécommande, de télémesure et autres. Au total, il a fallu modifier environ 20 % du logiciel de commande initial du satellite. Grâce au système de contrôle reprogrammable embarqué, ce travail a pu être effectué en téléchargeant depuis le sol des modules de correction du logiciel de bord représentant l’équivalent de 15 000 mots, ce qui correspond à la plus importante reprogrammation d’un logiciel de vol qui ait jamais été effectuée sur un satellite de télécommunications.

L’installation du nouveau logiciel de vol a été achevée fin décembre 2001 et les modifications ont pu ensuite être validées en utilisant le simulateur du satellite comme banc d’essai. Après la caractérisation des quatre moteurs, dernière étape des activités préparatoires, les manœuvres de rehaussement d’orbite ont pu démarrer le 19 février 2002 à l’aide du système de propulsion ionique.

Dès le début de ces manœuvres, les contrôleurs de vol ont dû faire face à des situations inédites de tous genres car la nouvelle stratégie ne pouvait être testée dans des conditions réalistes que sur le satellite lui-même. A la différence des essais de recette habituellement effectués avant le vol, aucun banc d’essai n’était disponible pour reproduire avec exactitude ce type de scénario.

Grâce à la très grande souplesse et à la redondance inhérentes à la conception du système, les manœuvres de rehaussement d’orbite ont pu être menées à un rythme régulier bien qu’inférieur aux possibilités théoriques. Artemis, vaillamment entraîné par ses propulseurs ioniques qui délivrent une poussée très modeste de seulement 15 mN, a gagné en moyenne 15 km d’altitude par jour. Effort comparable à celui d’un petit canot à moteur qui remorquerait un gros cargo!

Vérification du fonctionnement des charges utiles

Plusieurs mois se sont écoulés entre l’arrivée du satellite sur son orbite d’attente et le début des opérations de rehaussement. Cet intervalle a été mis à profit pour effectuer la recette des charges utiles et vérifier leur bon fonctionnement.

Les essais sur les charges utiles ont été réalisés en novembre/décembre 2001. Ces essais ne pouvaient être effectués que tous les cinq jours, lorsque le faisceau de l’antenne de la liaison de connexion d’Artemis atteignait la station d’essai de l’ESA basée à Redu (Belgique). Les équipes se sont heurtées à d’autres contraintes liées au fait que certaines fréquences de fonctionnement des équipements ne peuvent être utilisées que lorsque la position du satellite sur orbite est nominale ou quasi-nominale.

Il a néanmoins été possible de démontrer que toutes les charges utiles (relais de données en bandes S et Ka et liaison optique, charge utile pour la navigation et les communications mobiles en bande L) étaient opérationnelles et que leurs performances correspondaient aux résultats des tests réalisés avant le lancement. Autrement dit, que leur fonctionnement était en tous points conforme aux spécifications.

On a également pu vérifier le bon fonctionnement du système de poursuite en boucle fermée de l’antenne inter-satellites en bande Ka. Cette antenne a acquis un signal émis par la station de Redu et a maintenu la liaison automatiquement pendant qu’Artemis dérivait lentement dans l’espace.

Une première mondiale, bien avant d’arriver à destination

SPOT 4 image of Lanzarote in the Canaries
Première image transmise par laser optique entre Spot 4 et Artemis

L’évènement le plus spectaculaire a été la démonstration du fonctionnement du système SILEX. Après avoir subi avec succès une première série d’essais de recette guidés depuis la station sol optique de l’ESA à Tenerife, le système a permis d’établir une liaison optique entre Artemis et le satellite SPOT 4. Le 30 novembre 2001, pour la première fois dans l’histoire des télécommunications par satellite, des images prises par un satellite gravitant à basse altitude ont été transmises par laser à un satellite situé sur une orbite (quasi) géostationnaire, qui les a ensuite envoyées au centre de traitement des données de Toulouse.

Toutes les tentatives d’établissement de la liaison optique -- 26 au total -- ont été couronnées de succès. La transmission n’a jamais été interrompue avant la fin de la durée programmée et sa qualité était presque parfaite : le taux d’erreur de bits s’est avéré supérieur à 10-9, ce qui signifie que le nombre de bits transmis par erreur est au maximum de un sur un milliard.

La propulsion ionique au secours du satellite

Après les activités fébriles de correction d’orbite dans les jours qui ont suivi le lancement, il est apparu difficile de s’habituer à la lenteur de la progression du satellite autorisée par la propulsion ionique. Pour tous ceux qui ne participaient pas aux opérations, cette lente ascension d’Artemis a dû sembler monotone et sans histoire, ce qui ne fut absolument pas le cas, comme peuvent en témoigner les responsables des opérations et les ingénieurs chargés de maintenir un régime continu de montée!

A partir de la recette du nouveau mode de contrôle d’attitude, effectuée en février, et à compter du démarrage des opérations de rehaussement d’orbite au moyen des propulseurs ioniques, la charge de travail est devenue exténuante. Pratiquement chaque semaine a apporté son lot de nouveaux problèmes à résoudre. Malgré leur caractère généralement mineur, les anomalies constatées ont obligé les ingénieurs à mener des enquêtes qui ont parfois donné lieu à des interruptions de poussée efficace ayant pour effet de ralentir encore la progression du satellite.

L’équipe chargée des opérations ne s’est pas contentée de surveiller avec minutie et d’optimiser le fonctionnement des propulseurs ioniques. Elle a également pu étudier toute une gamme de techniques de contrôle d’attitude afin d’orienter le satellite de manière à ce qu’il tire le meilleur parti possible de l’impulsion délivrée par son système de propulsion ionique. La planification et la mise en séquences des changements de modes de fonctionnement du satellite, notamment la mise à jour régulière des paramètres critiques, ainsi que la gestion des contacts avec le réseau de stations au sol, ont généré une charge de travail constante et considérable.

En octobre, le satellite a subi sa troisième et dernière période d’éclipses depuis son lancement. En phase d’éclipse, l’ombre de la Terre masque le Soleil pendant quelque deux heures par orbite. Pour des raisons de puissance et de contrôle d’attitude, Artemis a dû être orienté vers la Terre et son système de propulsion ionique désactivé. Toutes ces manœuvres ont exigé beaucoup de temps et d’effort.

Etapes finales

Artemis and SPOT 4 communicating via the SILEX system
Artemis et Spot 4 communiquant par le système SILEX

Une fois ces difficultés surmontées, les équipes ont concentré toute leur attention sur l’élaboration de la procédure de mise à poste et la préparation des premières opérations sur l’orbite géostationnaire. A quelques centaines de kilomètres au-dessous de l’orbite visée, il faut plusieurs semaines à un satellite qui dérive pour accomplir le tour de la Terre. Il était donc important d’éviter un surcroît de manœuvres en ajustant le niveau de dérive de manière à atteindre la position prévue (21,5 degrés Est) juste à l’arrivée sur l’orbite géostationnaire.

Ces ajustements d’orbite ont été effectués en activant, pour la première fois depuis le lancement, les petits propulseurs chimiques. La première poussée a été menée à bien en décembre, suivie de deux poussées supplémentaires en janvier. Ces mesures ont eu pour effet de ralentir le niveau de dérive de quelques degrés par jour, alors que le satellite survolait une dernière fois l’Europe pour gagner son poste de travail définitif.

A l’issue de la dernière manœuvre, exécutée le 31 janvier, l’émotion était à son comble. Le satellite a quitté le mode de contrôle d’attitude qui avait permis au système de propulsion ionique d’exercer pleinement son effet sur une si longue durée, pour s’orienter vers la Terre en vue de son exploitation nominale. Le réseau de stations à la surface du globe qui avait participé au pilotage du satellite a pu cesser d’intervenir.

Le satellite est maintenant en mesure de fonctionner comme prévu. Il dispose d’une quantité suffisante d’ergols chimiques pour assurer dix ans de service opérationnel.

Artemis était attendu avec impatience par une vaste communauté d’utilisateurs. Pendant les premières semaines de présence du satellite sur son orbite nominale, il a été procédé à une vérification détaillée de ses charges utiles en faisant appel aux moyens d’essai en orbite du centre de Redu, en Belgique. Toutes les charges utiles sont en parfait état de fonctionnement et la première liaison optique avec SPOT-4 a été établie.

Le satellite peut donc être mis à la disposition de ses premiers utilisateurs : SPOT-4, Envisat, EGNOS et Eutelsat/Telespazio. Un essai préparatoire sera également mené avec la mission d’observation de la Terre ADEOS-II de la NASDA. Par ailleurs, Artemis pourrait être utilisé, à une date ultérieure, par le Véhicule de transfert automatique (ATV) et le laboratoire Columbus, deux éléments de la Station spatiale internationale.

Artemis a servi, pendant son sauvetage, à tester des applications qui constituent des « premières » technologiques : première liaison optique inter-satellites ; première reprogrammation majeure des systèmes de bord d’un satellite de télécommunications ; premier transfert sur orbite géostationnaire au moyen d’un système de propulsion ionique ; orbite de dérive la plus longue jamais décrite dans un cadre opérationnel. Mais il offrira également une occasion de promouvoir les services européens de relais de données. Un avenir prometteur pour cette incroyable mission!

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