thumb|Maquette du satellite ERS-2 (), lancé en 1995.

Un satellite d'observation de la Terre est un satellite artificiel utilisé pour effectuer des observations géophysiques et géographiques de la Terre depuis l'orbite terrestre. L'observation de la Terre est un des principaux domaines d'application de l'activité spatiale avec les télécommunications, la navigation par satellite et l'utilisation militaire. Pour remplir leurs objectifs ces satellites embarquent deux types d'instrumentation : des instruments de télédétection qui permettent des observations à distance en analysent le rayonnement électromagnétique (lumière visible ou autres longueurs d'ondes) émis ou renvoyé par le sol ou l'atmosphère terrestre et des instruments de mesure in situ (dans l'environnement immédiat du satellite) qui mesurent par exemple le champ magnétique ou le champ gravitationnel

Les domaines d'application des satellites d'observation de la Terre sont très variés : météorologie, inventaire des ressources naturelles, géodésie, étude et modélisation du climat, prévention et suivi des catastrophes naturelles, gravimétrie

Définition

L'observation de la Terre est un des grands domaines d'application de l'activité spatialeParmi les autres grands domaines d'applications non scientifiques figurent notamment les télécommunications, la navigation et, en ce qui concerne les satellites à des fins scientifiques, les télescopes spatiaux et les sondes d'exploration du système solaire.. Les satellites circulant sur une orbite terrestre présentent l'avantage de permettre l'obtention à fréquence régulière de données portant sur de grandes surfaces. La juxtaposition de ces informations permet de disposer d'une représentation complète du globe tout en s'affranchissant des frontières politiques. Les satellites d'observation de la Terre recueillent des caractéristiques géophysiques et géographiques statiques et dynamiques de la Terre. Ce sont la composition et l'évolution de l'atmosphère, les caractéristiques de la surface (terres émergées et océans) la structure interne de notre planète (champ magnétique, champ de gravité) ..

D'un point de vue technique, il existe trois grandes familles de satellites d'observation de la Terre : les satellites météorologiques, caractérisés par une résolution spatiale moyenne et qui circulent soit sur une orbite géostationnaire, soit sur une orbite polaire (environ ), les satellites de télédétection à moyenne résolution et les satellites à haute résolution, qui répondaient initialement à des besoins militaires (satellites de reconnaissance ou satellites espions), mais qui sont désormais également utilisés à des fins civiles.

La majorité des satellites d'observation de la Terre font partie de la catégorie des satellites de télédétection, dont les instruments analysent les ondes électromagnétiques (lumière visible, ultraviolet, infrarouge, ) émises soit par l'objet observé, soit par renvoi d'un train d'ondes émis par le satellite. Typiquement, les instruments utilisés sont des caméras, spectromètres, radars, radiomètres SPOT ou METEOSAT entrent dans cette catégorie des satellites de télédétection. Dans le domaine de la télédétection, on distingue les techniques d'imagerie spatiale, qui reposent sur la prise d'images dans le domaine optique (lumière visible, infrarouge et ultraviolet) depuis l'espace par des équipements installés à bord de satellites artificiels, et les techniques qui reposent sur l'observation des micro-ondes à l'aide de radars et celle des ondes radio. Les satellites d'observation de la Terre peuvent également effectuer des mesures in situ (de leur environnement immédiat), comme GOCE, qui mesure le champ gravitationnel terrestre, ou SWARM, qui mesure le champ magnétique terrestre. Ils utilisent des instruments comme le magnétomètre, des récepteurs passifs comme les réflecteurs laser, GPS et accéléromètres, ou des détecteurs d'ions ou d'atomes neutres D'un point de vue technique, cette catégorie de satellites regroupe à la fois des satellites civils et militaires. Un même satellite peut emporter à la fois des instruments de télédétection et de mesure in situ.

Historique

Premiers satellites météorologiques

La météorologie constitue la première application spatiale civile de l'observation de la Terre. Le premier satellite d'observation de la Terre est lancé en 1959 soit seulement deux ans après la mise en orbite du premier satellite artificiel Spoutnik 1. Cette année-là les États-Unis placent en orbite le satellite expérimental Vanguard-2. Celui-ci utilise un scanner optique pour réaliser des images de la couverture nuageuse qui sont transmises par radio. Le premier satellite météorologique opérationnel, TIROS-1, qui est placé en orbite par la NASA en 1960, fournit avec une fréquence quotidienne des images des formations nuageuses et constitue un jalon important de la prévision météorologique.

Satellites de reconnaissance

Dès 1959, les États-Unis lancent les premiers satellites de reconnaissance (« satellites espions »), qui mettent en œuvre le même type d'équipement que les satellites d'observation de la Terre civils. Le programme Corona regroupe la première génération de ces satellites. Les images sont réalisées à l'aide d'appareils utilisant un film argentique qui, après usage, est transféré dans une capsule larguée par le satellite et récupérée au sol après une rentrée atmosphérique. Cette technique fournit des images à haute résolution (contrairement aux images filmées par des caméras et transmises par radio), mais le délai entre la prise d'image et son utilisation est long et il est nécessaire de lancer de nouveaux satellites avec une cadence élevée. L'Union soviétique dispose d'un programme similaire reposant sur les mêmes choix techniques.

Landsat-1, premier satellite destiné à l'observation de la surface terrestre

Toutefois, au début de l'ère spatiale de 1957 à 1966, l'observation de la Terre depuis l'espace à des fins civiles n'est pas considérée comme un objectif important. C'est en analysant les de la Terre prises par les astronautes des programmes Mercury et Gemini de l'agence spatiale américaine (la NASA) que certaines personnes familières avec les principes physiques à l'origine des émissions d'ondes électromagnétiques, découvrent que ces images pouvaient fournir une grande quantité d'informations inédites. Le premier programme de construction de satellites d'observation de la Terre civil est annoncé en par la NASA. Malgré l'opposition des militaires américains, le programme EROS () est confié à la NASA. Celle-ci, malgré les obstacles dressés par le département de la Défense et le (ancêtre de l) développe le satellite ERTS, rebaptisé , qui est placé en orbite le . Celui-ci est équipé d'un nouveau type de capteur expérimental, le senseur multispectral (MSS), qui s'avère bien supérieur à la caméra également embarquée qui était initialement l'instrument principal. MSS fournit des vues distinctes de la même région dans quatre longueurs d'ondes (rouge, vert et deux bandes spectrales situées dans l'infrarouge), permettant de mesurer la déforestation, le rendement des cultures, l'extension des déserts et de cartographier des structures géologiques inaccessibles comme les glaciers et les calottes glaciaires..

Landsat 1 est le premier d'une série de satellites rattachés au même programme et aux performances croissantes avec notamment l'instrument Enhanced Thematic Mapper Plus capable de prendre des images dans huit bandes spectrales avec une résolution spatiale de 20 mètres. Des programmes et instruments similaires sont développés par la suite comme la série des satellites français SPOT (1986-2014)et ou l'instrument japonais Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer capable de fournir des images dans 14 bandes spectrales distinctes et embarqué à bord du satellite Terra de la NASA (lancé en 2000).

Diversification des instruments

Au cours de la décennie 1980 les performances des instruments existants s'améliorent et de nouveaux capteurs sont mis au point tels que les imageurs hyperspectraux capables de fournir des images dans un très grand nombre de bandes spectrales, les spectromètres multi-angulaires qui combinent les prises de vue prises sous différents azimuts et les radars embarqués. Les systèmes à micro-ondes actifs utilisés depuis le début du pour détecter des objets mouvants sont installés à bord de satellites à compter des années 1980 : ils émettent des impulsions et mesurent les ondes réfléchies. Le radar à synthèse d'ouverture est une variante de cette technologie qui permet d'obtenir des images de nuit ou de jour à travers une couverture nuageuse en mesurant le temps mis par le signal émis et réfléchi pour revenir et en déduire la position, l'altitude et les propriétés d'absorbance de la surface de la Terre. Les applications de ces radars embarqués sur satellites s'est considérablement diversifiée avec par exemple la réalisation d'altimètres capables de mesurer la hauteur de la surface des océans avec une précision de quelques millimètres et de diffusomètres mesurant la rugosité de la surface.

Miniaturisation et constellation

Principales caractéristiques

Les principales caractéristiques définissant un satellite d'observation de la Terre sont son orbite (altitude, inclinaison orbitale, fréquence d'observation de la même région pour les satellites non géostationnaires), les types d'instruments qu'il embarque, leur résolution spatiale (du centimètre à plusieurs dizaines de kilomètres), leurs caractéristiques radiométriques (nombre et type de bandes spectrales observées ), la taille de leur champ de vue ou champ d'observation (de quelques kilomètres à quelques milliers de kilomètres).

Orbites

Orbite héliosynchrone

La majorité des satellites d'observation de la Terre circulent sur une orbite héliosynchrone. Sur cette orbite, ils survolent la surface à basse altitude (~700 à ) avec sur une inclinaison orbitale élevée (environ 90°) qui les fait survoler les pôles. Ils circulent dans un plan orbital qui est maintenu perpendiculaire à l’axe joignant le Soleil et la Terre. Cette caractéristique est obtenue en exploitant la dérive du plan orbital générée par le bourrelet équatorial de la Terre. Il en découle que le satellite survole les régions toujours à la même heure solaire (par exemple 6 heures du matin et du soir) et que l'ensemble de la planète peut être observée (sous réserve que l'instrument ait une largeur de fauchée suffisante). Pour les satellites d'observation de la Terre, l'orbite héliosynchrone présente plusieurs avantages : une altitude peu élevée, qui permet une bonne résolution spatiale, des conditions d'éclairement constantes d'une observation à l'autre, qui permet d'identifier plus facilement les changements, et pour les satellites météorologiques l'horaire régulier des relevés, qui permet de synchroniser les mises à jour des modèles de prévision..

Orbite géostationnaire