Envisat : Un déluge de données entre Terre et ciel

Palle Sørensen, responsable du secteur sol de la mission Envisat, veille à ce que les dispositifs d'émission et de réception au sol - ordinateurs, antennes, logiciels, réseaux de communication, et surtout les équipes de contrôle -, soient opérationnels. Dans la salle de contrôle, jusqu'à 50 ingénieurs et scientifiques sont à leur poste sur de longues consoles, devant des douzaines d'écrans d'ordinateurs et un écran géant présentant des photos, données et graphiques. C'est ainsi qu'ils doivent piloter Envisat, le satellite de surveillance de l'environnement, depuis le centre européen d'opérations spatiales (ESOC) à Darmstadt. L'Agence spatiale européenne (ESA) placera Envisat en orbite au début de 2002 et ne le quittera pas des yeux pendant toute une décennie.

Le tout nouveau satellite, le plus grand et le plus complexe jamais construit par les Européens, est leur plus grande fierté. Il doit accomplir 14 révolutions par jour autour de la Terre et balayer toute la surface terrestre à la recherche de délits à l'égard de l'environnement et de changements climatiques. Envisat arrive exactement au bon moment. Il mesurera et analysera les gaz à effet de serre dans l'atmosphère, localisera les responsables de détériorations de l'environnement, identifiera les courants marins et la prolifération des algues et ne cessera de scruter le trou de la couche d'ozone.

Ses dix instruments comptent parmi les plus sophistiqués des capteurs actuels. Ils sont en mesure d'identifier et de signaler simultanément les moindres modifications de phénomènes naturels et anthropiques observés sur les terres émergées, dans l'eau et dans l'air. Les scientifiques peuvent en déduire des modèles opérationnels pour les changements climatiques et même améliorer les prévisions de séismes, éruptions volcaniques et inondations.

Ces modèles nécessitent une haute précision. Si le satellite survole un seul et même endroit pendant plusieurs jours, on peut déterminer peu à peu des erreurs de mesure. Envisat peut donc 'voir', à 800 km d'altitude, si le niveau du sol baisse de quelques millimètres, comme par exemple à Venise qui, d'après les toutes dernières données satellites, menace de s'enfoncer dans la mer d'un côté, ou si le niveau du sol s'élève, comme à l'approche d'une éruption volcanique.

Pour réaliser ces observations, l'orbite du satellite doit être la plus précise possible. "L'altitude d'Envisat est la plus exacte que nous connaissions", dit M. Sørensen. Ses collaborateurs sont occupés 24 heures sur 24 à orienter le champ d'exploration du satellite vers la Terre sur des orbites précises. "Si nous ne réglons pas correctement l'orbite d'Envisat, nous rencontrons de gros problèmes. C'est pourquoi nous avons simulé toute éventualité."

Un des instruments d'Envisat illustre parfaitement ce problème : le radar à synthèse d'ouverture de deuxième génération (ASAR) qui se présente comme une grande planche sur la partie inférieure du satellite. Il émet un signal radar faible vers la Terre et reçoit la réflexion de ce signal en provenance de la surface de la Terre. A partir de là, il est possible de calculer la profondeur des glaciers, de constater la déforestation des régions tropicales et même de détecter la moindre trace d'hydrocarbures en haute mer. Mais en volant à presque 20 000 km/h, ce n'est pas chose facile. Si le satellite perd son angle de prise de vue exact vers la Terre, la réflexion du signal radar émis disparaît dans le vide.

"Il faut tenir compte de la présence de différents champs gravitationnels, d'un reliquat minimal d'atmosphère, du vent solaire. Tout ceci fait varier considérablement la fréquence de nos corrections", explique M. Sørensen, "nos corrections étant celles réalisées automatiquement à bord du satellite": Envisat est équipé d'environ 50 calculateurs de bord indépendants les uns des autres. Ces calculateurs identifient l'attitude de manière entièrement automatique et commandent sans relâche les instruments gyroscopiques et aimants permettant au satellite de conserver un pointage exact. "L'altitude est une question de survie", ajoute M. Sørensen.

Que se passe-t-il si ce vaisseau spatial de huit tonnes se met en position oblique? "Nous ne l'envisageons pas", dit M. Sørensen, très compréhensif, "car la position oblique est impossible. Si le satellite sort de l'orbite, nous le voyons tout de suite sur les instruments ou au panneau solaire car celle-ci ne fournit plus assez d'électricité."

M. Sørensen travaille depuis dix ans sur ce projet. Il a prévu l'infrastructure, a acheté le matériel et testé d'innombrables logiciels. Après de nombreuses séries d'essais et de simulations sans fin, il est sur le point de récolter les fruits de son travail : "ce n'est pas la première fois que nous faisons ce genre de choses", annonce-t-il fièrement.

Dans les cas critiques, les ingénieurs au sol ont exactement 400 minutes pour agir. Le satellite peut accomplir quatre révolutions autour de la Terre sans électricité solaire. "Au-delà, c'est la fin, le satellite serait perdu", dit M. Sørensen, pensif, mais ajoute aussitôt : "nous avons prévu toutes les procédures; il existe, pour toute situation, des règles et des scénarios précis; nous avons simulé plusieurs fois toute éventualité. En particulier, le décrochage du panneau solaire peu de temps après le lancement a été simulé des centaines de fois. Tous les cas d'urgence et toutes les erreurs possibles sont mémorisés dans les systèmes informatiques et peuvent être mis en place à tout moment."

Les ingénieurs de Darmstadt interviennent régulièrement et selon ce qui est prévu, toutes les fois qu'une correction de l'orbite est nécessaire. L'orbite du satellite doit être rectifiée tous les dix jours, estime le responsable du secteur sol. "Nous bénéficions d'une grande expérience dans ce domaine ", dit M. Sørensen, en faisant référence au relais en orbite parfaitement réussi avec le satellite de télécommunications Artemis. L'équipe Envisat est particulièrement fière de ce système, car sans Artemis, le transfert des données en provenance d'Envisat serait problématique.

Envisat collecte une telle quantité de données que même ses deux disques durs de 160 gigabits seraient saturés après quelques minutes. C'est pourquoi le satellite décharge son stock de données à la Terre après chaque révolution autour de la planète, lorsqu'il passe au-dessus de la station sol de l'ESA à Kiruna, au nord de la Suède. Il a exactement dix minutes pour vider ses mémoires de bord, avant de disparaître immédiatement à l'horizon. Si la station de Kiruna est hors service, une deuxième station est disponible dans les glaces éternelles de Svalbard en Norvège.

Autre solution possible en dehors de ces gigantesques réceptacles au sol : Artemis. Ce satellite de télécommunications placé à haute altitude au-dessus de l'Europe servira de station relais. Comme Artemis se trouve à une altitude 45 fois supérieure à celle d'Envisat, il est en contact visuel avec ce dernier pendant presque trois quarts d'heure à chaque révolution. Il peut donc télécharger tranquillement toutes les données dont Envisat voudrait se débarrasser. Ensuite, Artemis transmet ces données à la station sol qui se situe toujours dans son champ de vision.

Un énorme flux de données arrive sans discontinuer directement au centre de traitement de données de l'ESA, l'ESRIN, situé en Italie, à Frascati près de Rome. Au cours de sa vie, Envisat collectera un petabit de données, c'est-à-dire un 1 avec 15 zéros derrière ou l'équivalent du contenu des disques durs d'un million de PC. Les experts en logiciels ont développé des centaines de programmes pour que les informations précieuses provenant du satellite soient disponibles le plus efficacement et le plus rapidement possible.

A priori, aucun utilisateur ne bénéficiera d'un traitement de faveur. Les données traitées à l'ESRIN seront transmises directement à six centres de traitement et d'archivage de données en Angleterre, Allemagne, Italie, France, Suède et Espagne. Ainsi, tous les participants recevront les mêmes informations en même temps et un archivage fiable à long terme sera assuré.

Plusieurs milliers de scientifiques du monde entier trouveront dans ces centres des informations brutes pour la recherche climatique, la prévention des catastrophes, les prévisions météorologiques et l'observation de l'environnement. Grâce aux moyens de transmission très rapides, les données seront disponibles souvent au bout de trois heures seulement, comme par exemple les analyses de l'instrument de mesure de la couche d'ozone, GOMOS, indiquant l'état du trou d'ozone presque plus rapidement que la météo du jour.

Les données contrôlées prennent un peu plus de temps. Aucun chercheur ne prendrait un chiffre au sérieux sans avoir en même temps les valeurs des erreurs de mesure sous les yeux. En science, ceci est plein de bon sens. Tant que l'on ne connaît pas le résultat, on ne peut pas estimer à combien se montent les erreurs de mesure à rajouter ni dans quelle proportion elles faussent le résultat. Les spécialistes de Frascati ont donc développé quatre niveaux de qualité pour la sécurité des données, afin de répondre à tous les souhaits des utilisateurs.

Dans les cas nécessitant le maximum de précision, il peut s'écouler parfois un mois avant que l'ESRIN ne fournisse les données. C'est la durée nécessaire pour qu'Envisat revienne exactement sur la même orbite au-dessus de la même zone de la Terre et confirme sa précision de mesure.

Les instituts scientifiques participant à la mission reçoivent les données à prix coûtant, c'est-à-dire environ au prix de copie, à condition que ces données soient utilisées à des fins scientifiques et publiées intégralement. Ce cercle de participants regroupe tous les chercheurs qui ont proposé leurs idées à une commission scientifique et dont les projets ont été sélectionnés. Tout au long de ces nombreuses années de préparation, une vaste communauté d'observation de la Terre s'est créée, regroupant plusieurs milliers de participants en Europe et dans le monde entier. Pour cette communauté, le centre de données européen ESRIN sera le coordinateur de la répartition des données.

Envisat est intéressant aussi pour l'économie. D'après les analystes, l'observation de l'environnement pourrait devenir un jour une branche de l'économie du même ordre que la navigation par satellite. Tout porte à le croire : comme pour le GPS, c'est à partir de l'offre existante que se développera l'imagination des utilisateurs.

Pour sonder le marché de données vendables, deux consortiums reçoivent des fichiers sélectionnés de la mission Envisat : EMMA sous l'égide de la société italienne Eurimage et SARCOM sous la direction de la société française SPOT. Ceci est intéressant en particulier pour la navigation en haute mer. En effet, les données Envisat permettront par exemple aux navires d'éviter les eaux agitées et les vents extrêmes et de contourner précisément les limites supposées de la banquise. Grâce à des informations sur l'eau riche en plancton, les cargos pourront éviter de remplir leurs ballasts au mauvais endroit et d'être forcés à faire demi-tour par les autorités portuaires.

Il est prévu aussi de mettre à la disposition du tout un chacun les données provenant de trois instruments : ASAR, MERIS et AATSR, sur Internet et sur CD-ROM. Avant d'organiser ses vacances, chacun pourra tenir compte de prévisions régionales sur le rayonnement ultraviolet extrême ou de mises en garde contre des tapis d'algues toxiques sur certaines plages. Et les organisateurs de loisirs pourront bientôt consulter une carte spéciale où seront indiqués les meilleurs vents et les meilleures vagues.

Les dix années à venir s'annoncent houleuses pour les gestionnaires de données de Frascati tout comme pour ceux qui sont aux commandes du satellite depuis Darmstadt. "Nous devons tout commander et gérer", dit M. Sørensen, mais sinon, dit-il d'un air satisfait, notre tâche, c'est du "travail quotidien". Sa révélation : "Entre-temps, nous travaillons déjà sur la génération postérieure à la prochaine génération de satellites de surveillance de l'environnement. Ils seront beaucoup plus petits ", nous dit-il, non sans un soupçon de soulagement dans la voix.

Note aux rédacteurs: cet article fait partie d'une série de notes d'information consacrées au programme Envisat et à ses utilisations. Toutes les photos relatives à ces articles sont disponibles sur le site web de l'ESA, sous "Image gallery".