PROBA-3

Les premières études (phase A) au sein de l'Agence spatiale européenne portant sur le développement d'une mission expérimentale destinée à mettre au point le vol de formation de très haute précision débutent en 2005 au sein du CDF. La revue préliminaire de conception a lieu fin 2012 et le projet est entré dans une phase de spécifications détaillées (phase C/D/E1) en juillet 2014[3]. La revue de projet s'est terminée en 2018.

Deux missions spatiales européennes ont jusque là effectué des démonstrations de vol en formation. D'une part la mission TanDEM-X de l'agence spatiale allemande DLR comprenait deux gros satellites d'observation de la Terre (1350 kg) emportant un radar et capables de maintenir une formation avec une distance relative de 250 à 500 mètres avec une précision de 10 mètres en utilisant un système de navigation reposant sur le GPS. D'autre part la mission suédoise PRISMA comprenant deux petits satellites (95 et 50 kg) capables de se maintenir à une distance relative de 2 mètres avec une précision de l'ordre du décimètre en utilisant à la fois des systèmes de navigation optique et radio. La mission développée par l'agence spatiale européenne vise à un degré de précision de l'ordre du millimètre[4].

Proba-3 se compose de deux engins spatiaux indépendants, stabilisés sur trois axes : le Coronagraph Spacecraft (CSC) et le Occulter Spacecraft (OSC). Les deux engins spatiaux voleront l'un près de l'autre sur une orbite hautement elliptique autour de la Terre, avec un apogée à 60500 km d'altitude[3] - [5] - [6].

Le long de l'arc d'apogée, lorsque le gradient de gravité est nettement plus faible, les deux engins spatiaux acquièrent de manière autonome une configuration de formation, de sorte que le CSC reste à une position fixe dans l'ombre projetée par l'OSC. Le CSC abrite un coronographe qui pourra alors observer la couronne solaire sans être aveuglé par la lumière intense de la photosphère. Compte tenu du diamètre du disque occulteur de l'OSC et des régions d'observation de la couronne prévues, le CSC doit se trouver à environ 150 mètres de l'OSC, et maintenir cette position avec une précision millimétrique, tant longitudinalement que latéralement. L'objectif scientifique est d'observer la couronne jusqu'à environ 1,1 rayon solaire dans le domaine des longueurs d'onde visibles.

Outre le vol en formation pour la coronographie, certaines manœuvres de démonstration de vol en formation (manœuvres de reciblage et de redimensionnement) seront tentées pendant la phase d'apogée de l'orbite, ainsi qu'une expérience de rendez-vous spatial[6].

L'acquisition et le contrôle de la formation sont réalisés à bord grâce à un ensemble d'équipements de métrologie et d'actionneurs. L'équipement de métrologie comprend un système à base de laser fournissant une estimation de la position relative de haute précision, un capteur à base visuelle avec une précision plus grossière mais un champ de vision plus large, et un capteur de position d'ombre fournissant la précision la plus fine lorsque le CSC est à proximité de la position cible dans le cône d'ombre.

Après l'arc d'apogée, la formation est brisée par des manœuvres exécutées par les satellites. Les 2 satellites sont placés sur une trajectoire relative qui assure l'absence de risque de collision lors du passage au périgée, lorsque l'altitude du vaisseau spatial descend à 600 km, sans besoin de corrections. Le long de la phase de périgée de l'orbite, les 2 satellites acquièrent des données GNSS pour en déduire une estimation précise de leur position et vitesse relative qui se propage pendant quelques heures jusqu'à la réacquisition de la métrologie avant le prochain arc d'apogée.

Le CSC et l'OSC échangent des données de capteurs et des commandes par le biais d'une liaison intersatellite radiofréquence afin de coordonner leurs activités.

Proba-3 est un projet géré par l'Agence spatiale européenne. Le développement industriel des satellites et du segment sol est mené par SENER Aerospace[11] - [12] qui coordonne les travaux d'une équipe centrale avec Airbus Defence and Space, Qinetiq Space, GMV et Spacebel.

Le coronographe est développé pour l'ESA par un consortium dirigé par le Centre spatial de Liège (CSL) en Belgique, composé de 15 entreprises et instituts de cinq États membres de l'ESA[12] - [13].

Le DARA est fourni par l'institut PMOD en Suisse[9].

Les tests du système de capteurs basés sur la vision de la mission ont été effectués au centre technique ESTEC de l'ESA, aux Pays-Bas, en mars 2021. Le système permettra aux deux engins spatiaux de voler en formation précise. Les essais ont donné des résultats prometteurs[14]

Les objectifs principaux de la mission sont de mettre au point différentes techniques permettant le vol en formation de haute précision d'une constellation de satellites. Les composants qui doivent être mis au point sont principalement[4]. :

• les algorithmes de contrôle du vol en formation
• les techniques de mesure
• les techniques de vol autonome robustes.

Les satellites initialement solidaires doivent atteindre leur orbite finale en effectuant plusieurs manœuvres après avoir été placés en orbite par leur lanceur. Ils atteignent leur orbite opérationnelle qui est une orbite elliptique haute de 60 530 km d'apogée et de 600 km de périgée avec une inclinaison orbitale de 59°. Les deux satellites sont alors séparés et se mettent dans une configuration en tandem. L'objectif de la mission est de maintenir une distance de 144 mètres quasi invariante durant des périodes de 6 heures ou plus : l'écart doit être inférieur à quelques millimètres et quelques secondes d'arc. Après lancement, une période de mise en route de trois mois doit permettre de vérifier le fonctionnement des systèmes en particulier celui du système anti-collision (Collision Avoidance Manoeuvre CAM) qui intervient si les satellites se rapprochent trop dangereusement. Une fois déclarés opérationnels, les deux satellites enchainent des manœuvres de vol en formation et des séances d'observation du Soleil avec le coronographe. Les données fournies par le coronographe sont stockées dans la mémoire de 16 gigabits jusqu'à ce que celle-ci soit pleine, puis sont transmises à la station de Redu en Belgique[15].