Defense Meteorological Satellite Program

À la fin des années 1950, au tout début de l'ère spatiale, les États-Unis développent dans l'urgence le programme de satellites de reconnaissance Corona pour faire face à la menace soviétique. Mais la qualité des prises de vue de ces satellites dépend de la couverture nuageuse des régions survolées. Les photos prises par les satellites Corona étaient prises sur un film argentique qui était éjecté dans une petite capsule pour être renvoyé au sol. Compte tenu de ce processus, le cout des photos inexploitables à cause de la couverture nuageuse, était énorme. Il était donc nécessaire de disposer d'un système de satellite météorologique capable de collecter les données sur la couverture nuageuse des régions à photographier (principalement le territoire de l'Union soviétique, de la Chine et de leurs alliés) si on voulait tirer le meilleur partie de ce nouveau système[1].

Le colonel Tom Haig, premier directeur du programme DMSP.

En 1961 l'agence spatiale civile américaine, la NASA, développe un prototype de satellite météorologique pour couvrir à la fois les besoins civils et militaires dans le cadre d'un programme baptisé National Operational Meteorological Satellite System (NOMSS). Mais le sous-secrétaire d’État chargé de l'Armée de l'Air Joseph V. Charyk, qui a également la responsabilité de l'agence de renseignement NRO, n'est pas convaincu par le planning et le cahier des charges défini par la NASA. Le satellite météorologique expérimental de la NASA TIROS, lancé l'année précédente ne fournissait qu'une vue oblique de la Terre par orbite et le projet NOMSS mis sur pied par la NASA pour lui succéder ne pourrait pas aboutir avant deux ou trois ans. Pour pouvoir répondre aux besoins des Corona dont le premier lancement est attendu en 1962, il décide le développement rapide d'un programme de satellites météorologiques qui ne doit toutefois constituer qu'une solution temporaire. Le programme est baptisé DSAP (Defense Systems Applications Program) et sera plus tard rebaptisé DMSP (Defense Meteorological Satellite Program)[2].

Le premier satellite DMSP (vue d'artiste).

Le développement par les militaires à cout serré de quatre satellites météorologiques stabilisés par rotation est mis sur pied en juin 1961. Il est prévu que le programme dure 22 mois et que le premier satellite soit lancé 9 mois après son démarrage. La direction du projet est confiée au lieutenant-colonel Thomas O. Haig, un météorologiste et ingénieur électricien de formation, qui pose comme condition d'avoir les mains entièrement libres pour passer commande auprès des fournisseurs et ne pas avoir à subir les lourdes procédures de l'armée. Le projet est rattaché à celui du satellite de reconnaissance Corona et est donc couvert par le secret entourant tous les projets de l'agence de renseignement NRO. La conception débute fin juillet 1961. Le satellite construit par Radio Corporation of America (RCA) est dérivé du satellite météorologique expérimental TIROS que RCA a mis au point pour la NASA[3].

Plus léger que le satellite TIROS-1, le premier satellite DMSP a la forme d'un polyèdre à 11 faces de 45 kilogrammes haut de 58,4 centimètres avec un diamètre de 53 centimètres. Il est stabilisé par rotation à une vitesse de 12 tours par minute qui est maintenue à l'aide de petits moteurs-fusées à propergol solide. Son axe de rotation est maintenu perpendiculaire au plan orbital dans lequel il circule grâce à un dispositif très simple utilisant le champ magnétique terrestre (un courant électrique circule à la demande dans une boucle faisant le tour du cylindre et génère ainsi un couple de forces). L'énergie est fournie par des cellules solaires réparties à la surface du satellite. Une caméra à tube vidicon placée sur la face verticale du cylindre prend une photo de la Terre à chaque rotation. La prise d'image est déclenchée par un capteur d'horizon de Terre infrarouge qui permet de déterminer à quel moment l'objectif de la caméra fait face à la surface. Le satellite circule sur une orbite héliosynchrone à une altitude de 833 kilomètres en passant au-dessus des régions aux alentours de midi (heure solaire). Chaque image couvre 2,2 millions km². Les photos prises chaque jour assurent une couverture de l'ensemble du territoire aux latitudes supérieures à 60°. Cette couverture décroit aux latitudes plus basses et n'atteint plus que 55% au niveau de l'équateur. Les images sont enregistrées sur un magnétophone à bande et transmises par radio aux stations terriennes lors de leur survol par le satellite. La durée de vie des satellites est de quelques mois (ce qui était la norme à cette époque)[4].

Lancement du premier satellite DMSP-1 en mai 1962 par une fusée Scout (échec).

Le premier exemplaire est lancé le 25 mai 1962 depuis la base de Vandenberg (Californie) par la fusée de la NASA Scout mais le quatrième étage est victime d'une défaillance. Le deuxième tir, qui a lieu le 23 aout, est un succès. Les données recueillies par ce satellite joueront un rôle notable durant la crise des missiles de Cuba qui se produit 2 mois plus tard en fournissant des informations précieuses pour l'organisation des vols de reconnaissance au-dessus de Cuba. Le satellite cesse de fonctionner le 23 mars 1965[5].

La fusée Scout manquant de fiabilité (3 échecs totaux et un échec partiel sur les 5 premiers lancements), les responsables du programme décident d'utiliser pour les lancements suivants un nouveau lanceur, baptisé Thor-Burner, obtenu à partir de composants pré-existants. La fusée développée sous l'égide de l'Armée de l'Air combine un missile balistique Thor (1^er étage) désaffecté[Note 1] et un étage à propergol solide Star 20 développé par United Technology Corporation. La centrale à inertie du missile est remplacée par une équipement de guidage développé par Bell Telephone Laboratory et une section contenant des propulseurs à gaz froid pour le contrôle d'attitude est ajoutée au sommet du premier étage pour maintenir l'axe de l'étage Star 20 aligné lors de sa mise à feu. Cette première version, baptisée Burner I, effectue son premier vol en 1965. Dès 1966 une version plus puissante (Burner II) est utilisée pour les satellites DMSP. Elle est dotée d'un deuxième étage à propergol solide Star 37 développé par Boeing et d'un troisième étage également à propergol solide. Ces deux étages seront agrandis à deux reprises (version IIA et ISS) pour faire face à l'augmentation de la masse des satellites DMSP[6] - [7].

En attendant la mise au point de la Thor Burner, un lanceur Thor-Agena, plus puissant (mais plus cher) et permettant d'emporter deux satellites, est utilisé pour placer en orbite quatre satellites DMSP respectivement les 19 janvier et 17 juin 1964. La Thor Burner est finalement prête et lance son premier satellite DMSP le 19 janvier 1965 mais le satellite ne parvient pas à se séparer du lanceur. Le vol suivant, qui a lieu le 18 février, est par contre un succès[8].

Dès septembre 1962 Charyk annonce à Haig que le programme de satellite météorologique de la NASA (Nimbus ex NOMSS) prend du retard et que les satellites DMSP vont devoir répondre aux besoins des militaires un an de plus. Mais la société RCA exige pour gérer le segment terrestre du programme un montant qui absorbe pratiquement entièrement le budget accordé pour cette année supplémentaire. Haig négocie avec ses supérieurs la prise en charge par le personnel de l'Armée de l'Air du segment terrestre qu'il pense pouvoir assurer pour un huitième du cout avancé par RCA. Il sélectionne deux anciens sites de la défense anti-aérienne Nike dans les états du Maine (près de la base aérienne de Loring) et de Washington (près de la baseaérienne de Fairchild) pour y installer les stations terriennes assurant la liaison avec les satellites. Il récupère deux antennes abandonnées et fait l'acquisition de deux antennes radar de 12 mètres de diamètre. Il recrute deux équipes parmi le personnel du Strategic Air Command pour gérer les stations terriennes. Un centre de contrôle de mission des satellites est installé dans l'immeuble du service météorologique de l'Armée de l'Air sur la base aérienne d'Offutt dans l'état du Nebraska. Le premier satellite contrôlé par les équipes de Haig est le troisième DMSP lancé le 19 février 1963[9].

Le programme "provisoire" DMSP est prolongé plusieurs années de suite, au fur et à mesure que le lancement du premier satellite météorologique opérationnel Nimbus est repoussé (il volera finalement mi-1965). Début 1965 le programme DMSP dispose de plusieurs satellites en orbite ce qui permet d'effectuer deux passes par jour au-dessus du territoire soviétique, l'une le matin vers 7 heure locale, l'autre vers 11 heure locale. Le programme est chargé désormais de couvrir à la fois les besoins stratégiques (satellites de reconnaissance) et tactiques (couverture météorologique locale au niveau du champ de bataille)[10].

Les excellents résultats du programme obtenus pour un faible cout, permettent aux responsables militaires d'obtenir en 1965 un changement de statut du programme. En septembre 1965 il perd son caractère provisoire pour devenir un programme permanent officiel existant parallèlement au programme de satellite météorologique mené par la NASA. Son existence ne sera désormais plus remise en question qu'épisodiquement par la Cour des comptes (Bureau of the Budget devenu plus tard Office of Management and Budget). En conséquence les représentants militaires qui participaient au programme de la NASA se retirent de celui-ci et la gestion des DMSP est transférée entièrement à l'Armée de l'Air. À compter de décembre 1972 les données recueillies par les satellites militaires seront communiquées de manière régulière au service météorologique "civil" de la NOAA. L'existence du programme, resté secret depuis sa création, sera dévoilée durant une conférence de presse donnée en mars 1973 par le sous-secrétaire de l'Armée de l'Air et le directeur de la NRO[11].

Jusque là la gestion du programme DMSP était partagé entre la NRO chargée de concevoir et faire développer les satellites et l'Armée de l'Air qui effectuait les lancements, gérait la constellation en orbite et interprétait les photos pour en extraire les informations météorologiques. En juillet 1965 l'ensemble des tâches est transféré à l'Armée de l'Air. Dans les faits cette réorganisation se traduit par des changements très modestes. Le service chargé du programme doit simplement déménager tout en restant dans le même bâtiment. Par contre elle se traduit par une chaine de commandement plus complexe. Le programme est désormais supervisé par quatre directions différentes. Mais John E. Kulpa, qui en avril 1965 a succédé à Haig à la tête du programme, bénéficie en fait de cette imbroglio hiérarchique. Chacun des responsables dont il dépend, est persuadé que c'est un des autres responsables auquel le programme doit rendre des comptes ce qui lui laisse les coudées libres pour gérer le projet.

Un DMSP-5A est assemblé avec son lanceur Thor-Burner II en position horizontale.

La sixième version (DSAP-5A dont le premier exemplaire est lancé en 1970) introduit une refonte ne profondeur des instruments. Pour sa conception, les responsables du programme prennent en compte pour la première fois les attentes des opérateurs chargées d'exploiter les images fournies par le satellite. En conséquence l'albédo est désormais fourni avec les images. Pour parvenir aux performances souhaitées le satellite n'est plus stabilisé par rotation mais stabilisé 3 axes. Le satellite plus haut a une masse qui atteint 104 kilogrammes[12].

Lancement du premier satellite DMSP-5D par une fusée Thor (1980).

Au début des années 1970 l'architecture du satellite qui dérive toujours de celle de TIROS, ne permet plus de répondre aux nouveaux besoins. La durée de vie de chaque satellite est trop brève (en moyenne moins d'un an) car la taille est insuffisante pour introduire suffisamment de composants redondants. Une refonte complète de la plateforme est décidée sous l'appellation DSAP-5D1. Pour répondre aux nouveaux besoins le satellite, dont la masse a doublé (500 kg)et est donc plus coûteux. Le bureau chargé du contrôle du budget fédéral, l'OMB, intervient en 1972 pour demander une nouvelle fois la fusion des projets de satellites météorologiques civils et militaires. Un compromis est trouvé autour d'une plateforme commune aux versions civile et militaire à partir de la version DSAP-5D2. Le développement de la version 5D1 beaucoup plus complexe prend un retard de deux ans. Les deux premiers satellites de la série ont un comportement erratique en orbite et pour la première fois depuis le début du programme seule une couverture météorologique partielle est assurée en 1977 et 1978. Mais le lancement réussi des deux derniers satellites de la série en 1978 et 1979 rétablit temporairement la situation. Mais en 1979 les quatre satellites 5D1 en orbite tombent successivement définitivement en panne. Le cinquième et dernier satellite de la série est lancé en urgence en juillet 1980 mais les deux derniers étages du lanceur ne parviennent pas à se séparer et le satellite retombe dans l'Océan Pacifique. Pour la première fois depuis le milieu des années 1960, il n'existe plus aucun satellite militaire pour assurer la couverture météorologique et l'Armée doit se tourner vers les services civils de la NOAA[Note 2]. Bien que les satellites de la NOAA n'aient pas été conçus pour répondre au cahier des charges des militaires en particulier au niveau de la résolution spatiale et des canaux infrarouges, les données d'origine "civile" parviennent à répondre aux besoins de la NRO jusqu'au lancement des premiers satellites 5D2 soit de la mi-1980 à 1983. C'est un démenti cinglant des arguments avancés par les militaires devant le Congrès américain pour justifier l'existence d'une famille de satellites météorologiques dédiés à leurs besoins. Une enquête menée en interne sur l'origine des échecs répétés de la série des 5D1 met en cause des restrictions budgétaires et une mauvaise gestion du projet fragilisé par la rotation rapide de ses responsables mais passe à côté di rôle joué par la complexité de la nouvelle série et les exigences particulièrement élevées concernant la précision du pointage[13].

Schéma du DMSP 5D2.

Le développement de la version 5D2, qui doit reposer sur une plateforme commune aux satellites civils et militaires a été lancé dans les années 1970 mais le projet prend du retard. La succession rapide des responsables ne facilitent pas l'avancée du projet. La masse de la nouvelle version du satellite atteint plus de 800 kg et on doit abandonner le lanceur « militaire » Thor-Burner, après avoir repoussé cette décision durant 16 mois qui nécessite d'opter pour le lanceur "civil" Atlas-E « civils ».

Finalement en décembre 1982 le premier satellite de la série 5D2 est mis en orbite rapidement suivi par deux autres satellites. Une nouvelle version 5D-3 commence à être élaborée à la fin des années 1970, mais le projet ne dispose de suffisamment de fonds qu'au milieu des années 1980. Six exemplaires du nouveau satellite, qui dépasse 1 tonne, sont commandés et le premier est livré en 1990. Cette série est la dernière du programme DMSP[14].

RCA qui avait construit tous les satellites DMSP, plombée par ses déboires dans le domaine de l'électronique grand public, est rachetée en 1986 par General Electric qui demantèle l'entreprise et revend en particulier la division Astro-Electronics chargée de la fabrication des satellites. Celle-ci finit par être absorbée en 1995 par Lockheed Martin[15].

Les satellites de la série DSAP-1 (Defense Satellite Application Program Block 1) également désignée P-35 constituent les premiers satellites météorologiques militaires opérationnels. Ils constituent une version à la fois plus légère et plus compacte du satellite météorologique expérimental TIROS. Une fois placé en orbite ils sont mis en rotation à environ 12 tours par minute grâce à de petits propulseurs. L'axe de rotation est maintenu perpendiculaire au plan orbital en utilisant le champ magnétique terrestre. La caméra embarquée est déclenchée à chaque fois que la rotation du satellite la fait pointer vers la Terre. L'image prise, couvrant une superficie d'environ 2 millions km², est enregistrée sur bande puis retransmise aux stations terrestres. Le satellite circule sur une orbite polaire héliosynchrone. La couverture est de 100 % dans l'hémisphère nord au-dessus de 60° de latitude et de 55 % au niveau de l'équateur. Le lanceur Scout utilisé initialement manquant de fiabilité est abandonné au profit du lanceur Thor-Burner-1. Deux lancements intermédiaires seront effectués par une Thor-Agena capable de placer simultanément deux satellites en orbite. Le satellite qui pèse entre 45 et 55 kg est alimenté en électricité par des cellules solaires qui couvrent la surface du satellite[19].

Les satellites de cette série, qui ont une masse d'environ 1 200 kg hors étage Star-37, disposent d'une version améliorée du bus des DMSP-5D2. Les deux premiers exemplaires comportent un étage à propergol solide Star-37XFP pour la mise orbite alors que les suivants propulsés par des lanceurs plus puissants en sont dépourvus. Les instruments suivants sont installés sur les satellites de cette sous-série sauf le premier qui dispose d'instruments spécifiques[29]. :

• Caméra météorologique OLS
• Sondeur et imageur micro-ondes SSMIS
• Imageur de limbre dans l'ultraviolet SSULI
• Imageur spectrographe ultraviolet SSUSI
• Mesure du plasma thermique SSI/ES-3
• Spectromètre pour particules précipitantes SSJ/5
• Détecteur de menace laser SSF

• (en) Dwayne A. Day, « Dark clouds: The secret meteorological satellite program : part 1 The RAND Corporation and cloud reconnaissance », sur thespacereview.com, avril à juin 2022 2ème partie :The Radio Corporation of America and the Army’s reconnaissance satellite 3ème partie : The National Reconnaissance Office finally builds top secret weather satellites 4ème partie : The Air Force finally gets its weather satellite
  Très long article fouillé en quatre parties sur la génèse des satellites DMSP et le développement des premières séries.
• (en) R. Cargill Hall, A History of the Military Polar Orbiting Meteorological Satellite Program, septembre 2001, 56 p. (lire en ligne)
  Histoire du programme DMSP par un historien de la NRO.
• (en) « DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) Block 5D », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 15 janvier 2022)
  Page consacrée aux séries 5D des satellites DMSP et plus particulièrement aux caractéristiques et aux résultats scientifiques de la série 5D3.
• (en) Robert S. Wacker, The need for a continuously updated Department of Defense enviroronmental requirements document, avril 2009, 36 p. (lire en ligne)
  Plaidoyer pour la tenue d'un cahier des charges régulièrement mis à jour des exigences concernant les données fournies par les militaires aux satellites environnementaux.
• (en) US Air Force - Technology Development and Plan System Engineering Division, The Defense Meteorological Satellite Program sensors : an historical Overview, mars 1992, 28 p. (lire en ligne)
  Synthèse actualisée en 1992 des caractéristiques des instruments embarqués sur les satellites DMSP depuis le début du programme et de leur comportement.
• (en) NOAA DOD, Comparison of the Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) and the NOAA Polar-orbiting Operational Environmental Satellite (POES) Program, octobre 1985, 431 p. (lire en ligne)
  Comparaison technique des caractéristiques des programmes météorologiques militaires (DMSP) et civils (POES) en 1985.
• (en) GAO, Weather Satellites Economies Available by Converging Government Meteorological Satellites, avril 1987, 70 p. (lire en ligne)
  Rapport de 1987 de la Cour des Comptes des Etats-Unis (GAO) portant sur les économies qui pourraient être obtenues par la convergence des programmes météorologiques militaires et civils.
• (en) Larry J. Paxton, Robert K. Schaefer, Yongliang Zhang, Hyosub Kil et John E. Hicks, « SSUSI and SSUSI-Lite: Providing Space Situational Awareness and Support for Over 25 Years », Johns Hopkins APL Technical Digest, Applied Physics Laboratory (université Johns-Hopkins), vol. 34, n^o 3,‎ 2018, p. 388-400 (lire en ligne)
  Caractéristiques de l'instrument SUSSI.

• WSF-M et EWS successeurs des satellites DMSP.
• NPOESS