Une orbite géostationnaire (en abrégé GEO, ) est une orbite terrestre circulaire (excentricité nulle) caractérisée par une période orbitale (durée d'une orbite) égale à la période de rotation de la planète Terre et une inclinaison orbitale nulle (donc une orbite dans le plan équatorial). Cette orbite est fréquemment utilisée par des satellites terrestres car elle leur permet de rester en permanence au-dessus du même point de l'équateur : dans cette position, le satellite est visible depuis tous les points de l'hémisphère terrestre qui lui fait face, et inversement les instruments du satellite peuvent observer en permanence cet hémisphère.
Ces propriétés de l'orbite géostationnaire sont exploitées en particulier par les satellites de télécommunications qui peuvent ainsi servir de relais permanent entre des stations émettrices et des stations réceptrices pour des liaisons téléphoniques, informatiques ou la diffusion de programmes de télévision, et les satellites météorologiques qui peuvent enregistrer en permanence l'évolution des nuages et températures sur une grande partie de la surface de notre planète.
Dans le cas de la Terre, l'orbite géostationnaire se situe à une altitude de au-dessus de la surface ; on parle couramment de satellites à . L'orbite géostationnaire est un cas particulier de l'orbite géosynchrone caractérisée par une période orbitale égale à la période de rotation de la Terre mais sans contrainte sur l'inclinaison.
Caractéristiques
En plus de la caractéristique de l'orbite géosynchrone qui fait qu'un corps se trouvant sur cette orbite possède une période de révolution très exactement égale à la période de rotation de la Terre sur elle-même ( et ), l'orbite géostationnaire s'inscrit dans le plan équatorial de la Terre. Cette propriété supplémentaire fait que tout corps en orbite géostationnaire paraît immobile par rapport à tout point de la Terre.
Cette caractéristique est particulièrement importante pour les satellites de télécommunications ou de diffusion de télévision. La position du satellite semblant immobile, un équipement de réception muni d'une antenne fixe pointant dans la direction du satellite géostationnaire suffira pour capter ses émissions. Pour la couverture de l'Europe, c'est principalement Eutelsat qui assure cette mission avec de nombreux satellites en orbite. Cette orbite est également utilisée pour l'observation de la Terre depuis une position fixe dans l'espace. C'est le cas pour les satellites météorologiques géostationnaires, dont les Meteosat pour l'Europe.
Les satellites géostationnaires sont nécessairement situés à la verticale ("au zénith") d'un point de l'équateur ou, en d'autres termes, situés dans le plan équatorial de la Terre, et à l'altitude requise. On entend parfois parler abusivement de « satellite géostationnaire au-dessus de l'Europe » : il faut entendre par là « satellite en orbite géostationnaire visible depuis l'Europe ».
Historique Un concept inventé par les écrivains de science-fiction
En 1929, Herman Potočnik décrit les caractéristiques d'une orbite géosynchrone et du cas particulier de l'orbite géostationnaire terrestre dont il envisage l'utilisation par les stations spatiales. Dans la littérature populaire, l'orbite géostationnaire est mentionnée pour la première fois dans la littérature populaire par George O. Smith dans la nouvelle du recueil de nouvelles mais Smith ne fournit pas de détail. L'écrivain de science-fiction britannique Arthur C. Clarke est véritablement le premier à populariser et détailler le concept dans un article intitulé publié en 1945 dans le périodique Wireless World. Dans l'introduction, Clarke reconnaît le lien avec l'ouvrage de Smith et a reconnu qu'il est donc possible que les nouvelles de cet auteur l'aient influencé de manière subconsciente lorsqu'il a exposé les principes des satellites de télécommunications en orbite géosynchrones. L'orbite, que Clarke a été le premier décrit comme étant particulièrement adaptée pour les satellites de télécommunications (relais et diffusion) est parfois désignée comme l'orbite de Clarke. Une constellation de satellites placés sur cette orbite est également appelée ceinture de Clarke. Techniquement l'orbite est appelée soit orbite géostationnaire soit orbite géostationnaire équatoriale (dans ce dernier cas en anglais).
Le premier satellite géostationnaire
La première génération de satellites géostationnaires a été conçue en 1959 par Harold Rosen alors qu'il était employé par la société Hughes Aircraft. Inspiré par le premier satellite artificiel , son objectif était d'utiliser le satellite géostationnaire pour permettre une couverture globale des communications. Les systèmes de télécommunications de l'époque, qui reposaient sur la radio à haute fréquence et les câbles sous-marins ne permettaient que simultanées entre l'Europe et les États-Unis.
À l'époque, c'est-à-dire au début de l'ère spatiale, on considérait que les fusées disponibles n'avaient pas la puissance requise pour placer un satellite sur une orbite géostationnaire et que de toute façon la durée de vie de ce dernier, du fait de sa complexité, était trop courte pour justifier les dépenses engagées. Aussi les recherches dans le domaine des communications spatiales portaient à l'époque sur le développement de constellations de satellites en orbite basse ou moyenne. Le premier de ces projets fut la série des ballons réflecteur Echo en 1960, suivis par le satellite en 1962. Malgré les limites de ces projets (faiblesse du signal renvoyé et difficulté à maintenir une liaison continue) qui auraient pu être résolues en utilisant un satellite géostationnaire, le management de Hughes, qui considérait que le concept était irréalisable, refusait d'y consacrer les fonds nécessaires. Rosen dut les menacer de passer chez le concurrent Raytheon pour que Hughes change d'avis.
En 1961, Rosen et son équipe étaient parvenus à réaliser un prototype de satellite : de forme cylindrique, celui-ci avait un diamètre de pour une hauteur de et une masse de . Il était suffisamment léger et petit pour pouvoir être placé sur une orbite géostationnaire par les lanceurs existants. Il était stabilisé par rotation (spinné) et disposait d'une antenne dipolaire produisant une onde en forme de galette. En aout 1961, la construction d'un premier satellite opérationnel put être lancée. Le premier exemplaire, , fut perdu à la suite d'une défaillance de l'électronique, mais réussit à atteindre l'orbite géosynchrone en 1963. Malgré l'inclinaison orbitale de son orbite (son inclinaison n'était pas nulle, il oscillait en latitude) qui nécessitait de modifier de manière continue le pointage des antennes terrestres, il fut capable de retransmettre les émissions de télévisions et permit au président américain John F. Kennedy d'appeler le premier ministre du Nigeria Abubakar Tafawa Balewa depuis un navire le .
Le premier satellite placé en orbite géostationnaire fut , lancé par une fusée Delta D en 1964. Grâce à une bande passante élargie, ce satellite fut à même de retransmettre en Amérique les Jeux olympiques d'été de Tokyo (Japon).
Utilisation contemporaine
En 2021, il y avait circulant sur une orbite géostationnaire ou géosynchrone (ces derniers sont très minoritaires). Ces satellites servent principalement de relais de communications (satellite de télécommunications) ou assurant des tâches de télédétection (satellite météorologique, satellite d'alerte avancée).
Satellites de télécommunications
L'avantage des satellites de télécommunications circulant en orbite géostationnaire est qu'ils sont visibles sur une grande partie de l'hémisphère qui leur fait face : de 81° de latitude nord à 81° de latitude sud (les régions proches des pôles sont donc exclues) et sur en longitude de part et d'autre de la position du satellite (ce qui exclut une frange à l'est et à l'ouest). Pour les stations terrestres qui émettent et reçoivent les signaux, le satellite semble fixe dans le ciel et l'antenne peut être pointée de manière permanente dans la même direction, ce qui réduit fortement sa complexité et donc son coût. Toutefois, l'altitude élevée du satellite génère un délai (latence) perceptible dans le temps de transmission de la communication. Le signal met pour aller de son émetteur terrestre au satellite et la même durée pour revenir au récepteur. Ce délai constitue une gêne pour toutes les applications sensibles à la latence. C'est le cas notamment de la téléphonie et des applications informatiques. Aussi les satellites de télécommunications circulant sur une orbite géostationnaire sont utilisés principalement par des applications unidirectionnelles comme la diffusion de chaines de télévision.
Satellites météorologiques
Les satellites météorologiques en orbite géostationnaire peuvent suivre de manière continue l'évolution des phénomènes météorologiques qui se développent sur l'hémisphère qui leur fait face soit environ 40 % de la surface terrestre. Ils emportent des spectromètres et des caméras qui recueillent des images principalement dans les spectres visibles et infrarouges. Ils constituent une source d'informations idéale pour les phénomènes météorologiques à grande échelle dans le domaine de la météorologie, l'hydrologie et l'océanographie. Les images répétitives fournies (fréquence de l'ordre de quelques minutes pour les satellites les plus récents) permettent d'identifier dès leur apparition et de suivre le développement des phénomènes météorologiques tels que les ouragans, tempêtes, tornades et crues violentes ainsi que les variations des conditions météorologiques au fil de la journée. Par contre, du fait de leur altitude, la résolution spatiale des images collectées est faible (au mieux quelques centaines de mètres) par rapport aux satellites circulant sur une orbite basse. Aussi ces données sont complétées par des images recueillies par des satellites circulant en orbite polaire. Les satellites météorologiques sont développés par les agences nationales des principales puissances spatiales (États-Unis, Europe, Chine, Inde, Japon). En 2019, il existait météorologiques sur cette orbite.
Cycle de vie des satellites en orbite géostationnaire terrestre
Lancement en orbite géostationnaire
Le placement d'un satellite en orbite géostationnaire est une opération complexe qui peut prendre plusieurs semaines sinon plusieurs mois. Après avoir quitté l'atmosphère au sommet d'un lanceur, le satellite est accéléré jusqu'à être sur l'orbite de transfert géostationnaire. Cette opération est généralement menée par le dernier étage du lanceur. Cette orbite de transfert est au plus bas (périgée) à environ d'altitude et au plus haut (apogée) à . C'est généralement à ce stade que se termine le contact entre la société de lancement et le satellite qui, en même temps, est séparé du dernier étage de son lanceur. Le satellite doit alors terminer sa mise en orbite en utilisant sa propre propulsion (ergols ou ions) pour terminer la circularisation de son orbite à d'altitude en tout point.
Maintien à poste
L'orbite géostationnaire d'un satellite n'est pas stable car elle est perturbée par plusieurs forces. Les plus importantes sont les irrégularités gravitationnelles et du potentiel géodynamique de la Terre, la pression de radiation solaire et l'attraction lunaire. L'orbite est modifiée dans le sens est-ouest mais aussi nord-sud (variation de l'inclinaison). Le maintien en position géostationnaire nécessite donc des manœuvres de correction d'orbite dans les deux directions nord-sud et est-ouest. Compte tenu de l'encombrement de l'orbite géostationnaire terrestre, les conventions internationales exigent que le satellite soit maintenu dans sa position avec un écart maximum compris entre à dans les deux directions, soit de 35 à au niveau de l'orbite.
Fin de vie