Jason est une famille de trois satellites d'altimétrie satellitaire développés conjointement par la NASA et le CNES pour étudier la circulation océanique et les interactions entre les océans et l'atmosphère. L'objectif de ces missions est d'améliorer les prévisions d'évolution du climat et de surveiller des phénomènes océaniques comme El Niño ou les zones de tourbillons océaniques. Pour remplir ces objectifs, ces engins spatiaux emportent des équipements permettant de mesurer avec une très grande précision la hauteur de la mer. Ces satellites, qui ont pris la suite de TOPEX/Poseidon, sont placés en orbite respectivement en 2001 (Jason-1), 2008 (Jason-2) et 2016 (Jason-3). Cette famille de satellites doit être remplacée à compter de 2020 par un nouveau modèle Sentinel-6A développé par l'Agence spatiale européenne.
Les satellites qui circulent sur une orbite terrestre basse ont une masse d'environ . Ils utilisent la plate-forme PROTEUS pour minisatellites développée par le CNES et Alcatel Space (devenue Thales Alenia Space) réalisée dans le Centre spatial de Cannes - Mandelieu.
Contexte : la poursuite de la mission TOPEX/Poseidon
Lancée en , TOPEX/Poseidon, qui est développé conjointement par la NASA et le CNES, est la première mission spatiale à avoir fourni une vue d'ensemble de la circulation océanique et de ses échanges avec l'atmosphère grâce à une mesure très précise de la hauteur des océans. La mission est une réussite exceptionnelle, mais il est nécessaire de développer un remplaçant pour compléter la collecte des données afin de disposer des séries temporelles longues pour leur intégration dans les modèles océaniques et climatiques. TOPEX/Poseidon démontre la faisabilité de la mesure du niveau des océans depuis un satellite, la nouvelle mission n'est plus expérimentale mais est opérationnelle. Les responsables des deux agences spatiales donnent leur accord en 1996 pour une nouvelle mission mais, confrontés à un climat économique dégradé, ils posent comme contrainte que son coût soit réduit.
Plusieurs solutions sont mises en œuvre pour y parvenir :
Grâce aux avancées technologiques notamment dans le domaine de l'électronique, la masse des instruments est fortement réduite ainsi que leur consommation électrique. La masse du satellite est divisée par 5. Les instruments sont dérivés des instruments de TOPEX/Poseidon. Une plate-forme générique PROTEUS, produite à plusieurs exemplaires identiques, ce qui permet de limiter son coût, est utilisée.
+Comparaison des caractéristiques de TOPEX/Poseidon et Jason-1 Satellite TOPEX/Poseidon Jason-1Masse du satellite Plate-forme Charge utile Altimètre Puissance électrique Consommation plate-forme Consommation charge utile Consommation altimètre
Les responsables américain et français choisissent comme nom de baptême de la nouvelle mission Jason, héros de la mythologie grecque célèbre pour avoir poursuivi une quête maritime avec un équipage composé de forts personnalités (les Argonautes). Outre que le nom s'écrit de la même manière en anglais et en français, le contexte de la quête, le caractère multinational du projet et le rôle de la mer sont à l'origine de ce choix.
Objectifs des missions Jason
L'objectif principal des missions Jason est de mesurer avec une très grande précision la hauteur de la surface des océans avec les objectifs suivants« Jason 1, successeur de TOPEX/Poséidon », dans BT , décembre 1998 : assurer un service opérationnel en fournissant, moins de trois heures après la mesure, des estimations de la hauteur des vagues et de la vitesse du vent ainsi qu'une estimation préliminaire du « relief » de l'océan. permettre la continuité du système d'altimétrie spatiale. étudier les océans et leur influence sur les changements climatiques. mesurer de manière globale le niveau de la mer et ses variations.
Les données de Jason sont traitées dans le cadre du programme européen Mercator Océan. Ces missions spatiales font partie du programme Earth Observing System qui regroupe un ensemble de satellites de la NASA chargés de collecter des données sur de longues périodes sur la surface de la Terre, la biosphère, l'atmosphère terrestre et les océans de la Terre.
Principes de fonctionnement
Le niveau de la mer varie par rapport à son niveau moyen selon le lieu et dans le temps en fonction de la température de l'eau, de sa salinité et de la pression atmosphérique. Ces caractéristiques résultent elles-mêmes principalement de phénomènes météorologiques ainsi que de la présence de courants océaniques et de tourbillons. L'altimétrie satellitaire vise à mesurer la hauteur instantanée de la mer, c'est-à-dire la différence par rapport à son niveau moyen à l'aide d'un radar embarqué sur un satellite artificiel. L'onde radar émise par le satellite se réfléchit sur la surface de la mer et est renvoyée vers le satellite. Celui-ci mesure le temps aller-retour et analyse la forme d'onde reçue, permettant respectivement de déterminer la distance entre le satellite et la surface de la mer ainsi que la rugosité de la surface, qui découle de la hauteur des vagues. L'altitude de la surface de la mer est ensuite déduite de la différence entre l'altitude du satellite et la distance mesurée.
Cette équation simple met en évidence l'importance de réaliser un calcul d'orbite très précis afin de déterminer sans ambiguïté l'altitude de la surface de la mer. À cet effet l'altitude du satellite est calculée de façon extrêmement précise à partir du suivi permanent de la trajectoire réalisé depuis le sol par des stations de poursuite. Par ailleurs, des équipements embarqués permettent d'atteindre une précision de l'ordre du centimètre : ce sont la télémétrie laser, le système DORIS, techniques développées par le CNES et l'exploitation des signaux GPS. La mesure de l'altimètre radar doit de son côté prendre en compte les erreurs introduites par l'ionosphère et la présence notamment de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Ces phénomènes sont déterminés respectivement par l'utilisant de deux fréquences radar (à partir de Jason-2) et la mise en œuvre d'un radiomètre.
L'ensemble des hauteurs de mer ainsi déterminées le long de la trajectoire du satellite tous les permet d'obtenir une « image » de la surface des océans. Sur une durée de plusieurs années, le satellite altimétrique donne donc accès à une cartographie évolutive de la surface des océans avec une précision meilleure que .
Caractéristiques techniques
Les trois satellites Jason sont des minisatellites ayant une masse d'environ .
Le satellite est composé de deux cubes superposés : Le premier de dimension : x x est constitué par la plate-forme PROTEUS pour minisatellite développée par le CNES et Alcatel Space. Celle-ci comprend toutes les servitudes (télécommunications, propulsion, énergie, système de contrôle d'attitude...). Les panneaux solaires sont attachés de chaque côté en position repliée au lancement. Le second cube (dimension x x ) comprend l'ensemble des instruments utilisés pour recueillir les données. Les antennes de l'altimètre et du radiomètre sont attachés sur l'une des faces et à son sommet.
Plate-forme
PROTEUS est une plate-forme stabilisée sur 3 axes conçue pour des missions en orbite terrestre basse de satellite dont la masse totale est environ dont pour la plate-forme hors ergols. Ses principales caractéristiques sont les suivantes :
Dimensions : cube de de côté. Énergie : panneaux solaires d'une superficie de 9,5 m2 disposant d'un degré de liberté et fournissant pour Jason-1 à pour Jason-3 en fin de vie théorique. Contrôle d'attitude : le satellite est stabilisé sur 3 axes avec une précision de pointage de 0,15° (Jason-3). Les capteurs fins utilisés pour déterminer l'orientation du satellite sont deux viseurs d'étoiles trois axes et trois gyromètres deux axes. Les capteurs grossiers sont des magnétomètres trois axes et 8 capteurs solaires disposant d'un champ optique de 4 pi. L'orientation est corrigée à l'aide de quatre roues de réaction qui sont désaturées à l'aide de magnéto-coupleurs. Propulsion : moteurs-fusées à ergols liquides brûlant de l'hydrazine avec un Delta-v d'environ . Masse d'hydrazine emportée (Jason-3) Stockage des données : 500 mégabits pour les données télémétriques et 2 gigabits pour les données scientifiques Télécommunications en bande S avec un débit maximal de 800 kilobits/s Durée de vie : 3 ans pour les consommables, 5 ans résistance à l'usure et aux radiations
Charge utile
Les trois satellites Jason ont une charge utile légèrement différente. Cinq instruments sont toutefois communs.
Deux instruments sont utilisées pour recueillir les données altimétriques : L'altimètre-radar Poseidon-2 développé par Thales Alenia Space mesure la distance entre la surface de l'océan et le satellite. Il s'agit d'un radar bi-fréquence ( en bande C et en bande Ku) qui permet de mesurer la topographie de la surface de l'océan, de calculer la vitesse des courants océaniques ainsi que de mesurer la hauteur des vagues et la vitesse des vagues. Poseidon-2 dérive de l'instrument Poseidon-1 installé à bord de TOPEX/Poseidon. Par rapport à ce dernier les principales modifications sont les suivantes. Il dispose d'une deuxième fréquence en bande C qui permet de corriger les effets de l'ionosphère, la taille de l'antenne est réduite mais la puissance de l'émission est augmentée, le système de génération de signal utilise une puce qui permet de sélectionner la fréquence d'ondes et d'avoir une meilleure maîtrise de la phase, le processeur utilisé est durci contre les rayonnements. Le radiomètre à micro-ondes JMR/AMR développé par le JPL mesure les caractéristiques de l'atmosphère qui influent sur les données fournies par l'altimètre. À cet effet, il mesure la réflexion de micro-ondes sur la surface de l'océan dans trois longueurs d'onde : l'émission en mesure la quantité de vapeur d'eau présente dans la colonne d'air traversée par les émissions radar. l'émission en fournit la correction à apporter liée aux nuages ne produisant pas de précipitations. l'émission en permet de mesurer l'influence du vent sur la surface de la mer.
Trois équipements permettant de déterminer avec une grande précision la position du satellite. Combiné avec la mesure de l'altimètre, ces données permettent d'en déduire la hauteur du niveau de la mer : le système de trajectographie DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) du CNES mesure la distance entre le satellite et des stations terrestres dédiées. Un récepteur GPS fourni par le JPL, Un rétroréflecteur laser LRA (Laser Retroreflector Array) également fourni par le JPL.
La mission Jason-1 Historique
La réflexion sur la mission Jason-1 démarre en . En , la NASA et le CNES signent un protocole d'accord pour donner une suite à la mission TOPEX/Poseidon qui est développée conjointement par les deux agences spatiales. La plate-forme PROTEUS est qualifiée en . L'intégration du satellite s'achève à l'automne 1999.
Le segment sol est constitué du centre PGGS (Proteus Generic Ground Segment) chargé du suivi de la plateforme, basé à Toulouse, du centre de contrôle du satellite POCC (Project Operation Control Center) basé à Pasadena situé en Californie et du centre SSALTO (Altimetric and Orbitography Multi-Mission Center) situé à Toulouse et chargé des calculs d'orbite et de la trajectographie. Les stations terriennes utilisées pour les échanges de données et le suivi du satellite sont situées à Issus Aussaguel (CNES, France), à Fairbanks en Alaska, à Wallops Island (Virginie) et à Hartebeesthoek (CNES, Afrique du sud)
Déroulement de la mission