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N° 50–2002: Artemis, bilan un an après le lancement

12 juillet 2002

Une mission en passe d'être sauvée, une première mondiale dans l'espace et la démonstration de la capacité des ingénieurs européens à trouver des solutions à des problèmes inédits : tel est le bilan du satellite ARTEMIS un an après son lancement.

En effet, ARTEMIS est sain et sauf et se dirige lentement mais sûrement vers sa position normale sur l'orbite géostationnaire, propulsé par des moteurs ioniques qui n'avaient pas été conçus à cette fin. Une liaison laser a été établie pour la première fois dans l'espace, inaugurant ainsi avec succès un nouveau mode de transmission de données entre satellites. Le satellite que l'on pouvait croire perdu a donc de bonnes chances de pouvoir remplir sa mission de télécommunications de pointe.

Il y exactement un an, 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

Depuis lors, les opérations de sauvetage se poursuivent 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 dernier à l'aide du système de propulsion ionique.

Depuis le début de ces manœuvres, les contrôleurs 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'est 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. Un an après son lancement, Artemis, vaillamment entraîné par ses propulseurs ioniques qui délivrent une poussée très modeste de seulement 15 mN, s'est élevé de plus de 1 500 km. Il a gagné en moyenne 15 km d'altitude par jour.

Deux des quatre moteurs ioniques (ceux situés sur le panneau sud) ne peuvent pas être utilisés pour le moment pour différentes raisons. Le rehaussement d'orbite se poursuit donc à l'aide d'un seul moteur situé sur le panneau nord. L'introduction d'un biais de roulis a permis d'obtenir une élévation d'altitude de 15 km par jour. Ayant encore quelque 3000 km à parcourir, le satellite devrait mettre environ 200 jours pour atteindre l'altitude voulue, ce qui signifie que ses charges utiles de télécommunications devraient pouvoir être mises en service début 2003.

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) sont opérationnelles et que leurs performances correspondent aux résultats des tests réalisés avant le lancement. Autrement dit, leur fonctionnement est 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.

Mais 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 est presque parfaite : le taux d'erreur de bits est supérieur à 10-9, ce qui signifie que le nombre de bits transmis par erreur est au maximum de un sur un milliard.

Prochaines étapes

Pour les différentes raisons qui viennent d'être évoquées, le transfert vers l'orbite géostationnaire prendra plus de temps que prévu et l'on s'attend maintenant à ce qu'Artemis atteigne sa position nominale début 2003. Une fois le satellite mis à poste, ses charges utiles seront exploitées de la manière suivante :

·La charge utile en bande L sera exploitée par Eutelsat pour des applications commerciales ;

·La charge utile de navigation contribuera au fonctionnement du Service complémentaire géostationnaire européen de navigation EGNOS ;

·Le système de liaison optique SILEX livrera des données à Spot Image au moins cinq fois par jour ;

·Envisat fera appel au relais de données en bande Ka sur un minimum de dix orbites par jour.

Artemis a démontré jusqu'à présent sa très grande robustesse. Il s'est avéré possible de faire fonctionner bon nombre de ses sous-systèmes en-dehors des valeurs spécifiées et même selon des modes qui n'avaient pas été envisagés avant le lancement. De tels résultats n'auraient pas pu être obtenus sans les formidables efforts déployés par les équipes industrielles participant aux opérations de sauvetage : Alenia Spazio, maître d'œuvre du satellite, le consortium Altel (Alenia Spazio/Telespazio) qui en assure la conduite opérationnelle, et Astrium, responsable du système de propulsion ionique et du contrôle d'attitude et d'orbite du satellite.

Pour tout complément d'information, veuillez contacter :

Gotthard Oppenhäuser

Chef du projet Artemis

ESA/ESTEC

Téléphone : + 31 (0)71 565 3168

Télécopie : + 31 (0)71 565 4093

e-mail : gotthard.oppenhauser@esa.int

ESA, Bureau des relations avec les médias

Téléphone : +33 (0)1 53 69 71 55

Télécopie : +33 (0)1 53 69 76 90

Pour plus d’information:

Gotthard Oppenhäuser, ESA, Chef du projet Artemis
Tel: +31.(0)71.565.3168
Fax: +.31.(0)71.565.4093

ESA, Bureau des relations avec les médias
Tel: +33.(0)1.5369.7155
Fax: +33(0)1.5369.7690


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