Types d'orbites des satellites

Introduction

Dans le cadre des communications par satellites, nous employons des termes tels que géostationnaire, orbite polaire, etc. Cette page nous permet d'éclairer quelque peu ces différentes notions.

Nous avons vu dans l'introduction que le satellite artificiel est un engin que l'homme a placé en orbite autour d'un astre. Ces orbites ne sont pas toutes semblables, et peuvent former selon les lois de la gravitation des cercles ou des ellipses.
Nous tenterons donc de classer les satellites selon l'altitude à laquelle ils évoluent, ou en fonction du type d'orbite sur laquelle ils ont été placés (géosynchrones, géostationnaires, etc.).

Les orbites...

Lorsque nous parlons d'une orbite, nous devons prendre en considération six facteurs appellés COE (Classical Orbital Elements), ou encore éléments de Kepler:

• la demi-longueur du grand axe de l'ellipse (nous permet de déterminer la taille de l'orbite).
• l'excentricité (nous permet de déterminer la forme de l'orbite).
• l'inclinaison (nous permet de détermine qu'une orbite est équatoriale, polaire, etc)
• la longitude du nœud ascendant (β dans le shéma, mesuré par rapport à i).
• l'argument du périgée (la position angulaire du périgée, nous permet de déterminer l'orientation de l'orbite dans son plan).
• l'anomalie vraie (nous permet de déterminer la position exacte du satellite sur l'orbite).

A l'intersection des plans de l'orbite du satellite et du plan de l'équateur se trouve la ligne des nœuds (les deux nœuds sont les points où l'orbite franchit le plan de l'équateur).

• le nœud ascendant est le nœud où le satellite passe de l'hémisphère Sud à l'hémisphère Nord
• le nœud descendant est le nœud où le satellite passe de l'hémisphère Nord à l'hémisphère Sud

Le périgée est le point de la trajectoire du satellite le plus proche du centre de la Terre, par rapport au nœud ascendant et dans la direction du mouvement du satellite.
L'apogée est le point de la trajectoire du satellite le plus éloigné du centre de la Terre.

La valeur de i (l'inclinaison par rapport au plan de l’équateur) nous permet aussi de différencier les orbites :

• i = 0° ou 180° : nous sommes face à une orbite équatoriale car le plan de rotation du satellite est confondu avec celui de l'équateur.
• i = 90° : orbite polaire, qui permet au satellite de survoler les pôles Nord et Sud.
• 0° < i < 90° : orbite prograde (orbite directe).
• 90° < i < 180° : orbite rétrograde (orbite indirecte).

Si la distance entre le centre de la terre et le satellite est plus ou moins constante au long de sa trajectoire orbitale, nous pouvons considérer que l'orbite est circulaire. Dans le cas où la distance varie de manière sinusoidale, l'orbite est elliptique.

La vitesse des satellites placés sous orbite elliptique n'est pas constante, mais varie en fonction de la position sur l'orbite. Ils n'occupent pas une position fixe par rapport à la terre (contrairement aux satellites géostationnaires), ce qui implique l'utilisation d'antennes mobiles, et de systèmes de suivi. Ils présentent cependant l'avantage de pouvoir desservir des zones éloignées de l'équateur sous un angle relativement élevé, les signaux à transmettre traversant ainsi une couche d'atmosphère plus étroite lorsqu'il se trouvent à leur périgée.

Ce type de satellite est utilisé depuis 1967 par le système russe Molnya qui assure des télécommunications pour la Sibérie.

Classement des satellites par altitude

Il existe différent types d'orbites d'intérêt pour les Satcom, en fonction de l'altitude à laquelle évoluent les satellites.

Les satellites de la première catégorie (LEO) sont surtout affectés par la traînée atmosphérique. Les satellites LEO et MEO sont des satellites à défilement, car la vitesse de déplacement sur l'orbite n'est pas identique à la vitesse de rotation de la terre. Ces satellites sont visibles durant un moment, puis disparaissent sous l'horizon un certain laps de temps avant de revenir au dessus de l'horizon selon une autre direction qu'au tour précédent.
La poursuite de tels satellites n'est pas facile, c'est pourquoi ils se présentent sous la forme de constellations de satellites.

Exemples de satellites LEO : IRIDIUM, GLOBALSTAR.

Les satellites placés à une altitude plus élevée (GEO, HEO) sont affectés par la pression de radiation solaire et des forces issues d'autres corps célestes.

Sa vitesse étant inversement proportionnelle à son altitude, elle est donc minimale lorsque le satellite est à l’apogée de son orbite (point de la trajectoire le plus éloigné de la Terre) et maximale lorsqu’il se trouve à son périgée.

Classement des satellites par types d'orbites

Plus la distance entre le centre de la terre et le satellite (a) est élevée, plus la vitesse de ce dernier est faible : un satellite d’observation en orbite basse peut effectuer le tour du globe en 1 h 20 min.

L'orbite géosynchrone

La vitesse angulaire de rotation est égale à celle de la Terre (soit 15°/hr). Un satellite géosynchrone, placé sur une orbite circulaire à près de 35 800 km d’altitude (cf 3ème loi de Kepler), décrit une révolution complète en 24Hr. En combinant le mouvement du satellite avec la rotation de la terre, vu d'un point fixe de la terre, la trajectoire du satellite apparait sous la forme d'un 8. Plus l'inclinaison de l'orbite est importante, plus l'ouverture du 8 est importante.

L'orbite géostationnaire

Un satellite géostationnaire est un satellite géosynchrone dont le plan de l'orbite est confondu avec celui de l'équateur (inclinaison i = 0°). Généralement, les satellites qualifiés de géostationnaires sont en réalité des satellites géosynchrones dont le mouvement apparent du 8 est très réduit. Ces derniers sont souvent utilisés dans une fonction de relais de communications (téléphone et télévision), mais également pour des tâches militaires d'observation de zones spécifiques, puisqu'ils ont la particularité d'avoir une position relative fixe. L'avantage de cette position quasi fixe est un effet Doppler très faible, le suivi de la trajectoire par l'antenne (tracking) n'est pas nécessaire pour de petites antennes, et 42,4% de la surface terrestre sont couverts par un seul satellite.
Les désavantages de ce type de satellite proviennent de l'altitude élevée (35780 km) qui entraine un délai de propagation important (+-0,25s) et une atténuation de trajet énorme (+-200dB).

L'orbite semi-synchrone

L'orbite de type semi-synchrone (rotation = 12h, inclinaison = 55°) est surtout utiliséé dans les systèmes d'aide à la navigation (GPS).

L'orbite hélio-synchrone

Ce type d'orbites, aussi appellé solaire-synchrone, possède une ligne des nœuds fixe par rapport au Soleil (rotation = 90 min, inclinaison = 95°). Ces orbites sont utilisées lorsque le satellite comporte des panneaux solaires qui nécessitent une illumination constante.

L'orbite gelée

Orbite où l'on essaie de garder constant (geler) l'un des paramètres COE.

L'orbite Molniya

Orbite répondant aux besoins en communications de l'ex-Union Soviétique (rotation = 12h, inclinaison = 63,4°, excentricité = +- 0,7). L'inclinaison critique rend l'argument du périgée quasi-constant (270°) et maintient l'apogée au-dessus des régions les plus septentrionales de la Russie (la Sibérie).

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