SMAP (satellite)

La mission SMAP est proposée en 2001 sous l’appellation Hydros (Hydrosphere State) dans le cadre du programme de la NASA Earth System Science Pathfinder Competed Missions Program par Dara Entekhabi chercheur au Massachusetts Institute of Technology. Plusieurs études destinées à réduire le risque de ce projet sont menées jusqu'à l'annulation du projet en 2005 à la suite de réductions budgétaires au sein de la NASA. En 2007 le projet, rebaptisé Soil Moisture Active and Passive mission (SMAP) est une des quatre missions recommandées par le comité du Conseil national de la recherche des États-Unis en charge des sciences de la Terre et des applications spatiales. SMAP reprend les principaux objectifs et caractéristiques de Hydros. La durée de la mission primaire qui était de deux ans pour Hydros est portée à trois ans. Le projet est piloté par le Jet Propulsion Laboratory qui développe également la plateforme. Le Centre de vol spatial Goddard réalise les instruments. Après validation de la phase de conception en 2008, le projet entre dans la phase de formulation. La revue de conception critique est franchie en juillet 2012 et l'intégration du satellite débute en mai 2013s[3].

Le satellite SMAP doit effectuer des mesures d'humidité du sol de la surface terrestre, ainsi que de leur état (gel-dégel). Placé sur une orbite héliosynchrone, SMAP réalise une couverture quasi complète du globe terrestre et repasse au-dessus de la même zone tous les 2 à 3 jours. Les mesures de SMAP seront couplées avec des modèles hydrologiques pour en déduire les conditions d'humidité au sol dans la zone racinaire. Ces mesures permettront aux utilisateurs de la communauté scientifique de[1] :

• Comprendre les processus qui lient l'eau et les cycles énergétiques et carbonés.
• Estimer de façon globale la quantité d'eau et les flux d'énergie à la surface du sol terrestre.
• Quantifier le flux net de carbone dans les régions polaires.
• Améliorer les capacités de prévision météorologiques et climatiques.
• Développer les capacités de prévision des inondations et de gestion des sécheresses.

Schéma du satellite. 1 : réflecteur parabolique de 6 mètres de diamètre - 2 : Cornet d'alimentation du réflecteur - 3 : Panneaux solaires - 4 : Antennes radio en bande S et X - 5 : Plateforme du satellite - 6 : Mécanisme rotatif du réflecteur - 7 : Mat supportant le réflecteur (en position dépliée).

Le satellite en position couchée peu avant son assemblage avec son lanceur.

SMAP est un satellite stabilisé sur 3 axes. Sa plateforme sans ses appendices (réflecteur utilisée par les instruments, antenne radar, antennes de télécommunications, ...), est un parallélépipède haut de 1,5 mètres pour une section de 0,9 x 0,9 mètres. Sous la coiffe de son lanceur le satellite en position repliée tient dans une volume de 1,7 x 1,9 x 4,7 mètres. Dans l'espace, les dimensions hors tout du satellite sont de 9,7 x 7,1 x 6,8 mètres. La masse totale au lancement est de 944 kilogrammes dont 81 kilogrammes d'ergols et 151 kilogrammes pour les instruments et le réflecteur. Son énergie est produite par trois panneaux solaires utilisant des cellules photovoltaïques à l'arséniure de gallium d'une superficie totale de 7 m² qui produisent début de mission 2000 Watts stockés dans quatre batteries lithium-ion d'une capacité totale de 78 A-h (50 A-h + 3 x 9 A-h). L'énergie produite permet d'alimenter les équipements et instruments qui absorbent au maximum 1450 Watts[3].

Pour contrôler son orientation SMAP dispose de deux capteurs solaires grossiers utilisés juste après la séparation du satellite avec son lanceur, plusieurs capteurs solaires plus précis et un viseurs d'étoiles qui lui fournit une mesure précise à un dixième de degré près. L'orientation du satellite est maintenue à l'aide quatre roues de réaction de manière à ce que l'axe de rotation des instruments soit pointé vers la surface de la Terre et les panneaux solaires soient dirigés vers le Soleil. Tous les deux ou trois mois, le satellite utilise ses huit petits-moteurs-fusées à ergols liquides (hydrazine) de 4,5 Newtons de poussée pour corriger les dérives de son orbite. Ces manœuvres périodiques, qui gèlent l'orbite, permettent aux équipes au sol de rapprocher les données collectées entre deux périodes. La propulsion est également utilisée pour désaturer les roues de réaction[4] - [3].

Les données scientifiques sont transmises aux stations terriennes en bande X avec un débit de 130 mégabits par seconde. Les télémesures qui comprennent les données sur l'état de santé du satellite sont de leur côté transmises en bande S à des débits plus faible (2 et 513 kilobits par secondes. Les télécommandes élaborées par le centre de contrôle sont reçues en bande S avec un débit de 2 et 64 kilobits par seconde. Le transpondeur de la bande S est également utilisé pour déterminer l'orbite précise de SMAP par mesure de l'effet Doppler par des stations de suivi au sol (le satellite ne dispose pas de récepteur GPS). Le fonctionnement du satellite est contrôlé par un ordinateur monocarte radiodurci RAD750[3].

Les principaux sous-systèmes de SMAP ne bénéficient pas d'une redondance. Toutefois certains composants physiques existent en double comme l'émetteur en bande X, le transpondeur en bande S, la centrale à inertie, les moteurs-fusées, certains mécanismes d'ouverture de valves et la plupart des résistances chauffantes et des thermostats. Certaines sous-systèmes peuvent se substituer à d'autres en cas de défaillance : c'est la cas par exemple des capteurs solaires qui peuvent déterminer l'orientation du satellite à la place des viseurs d'étoiles (avec une précision bien plus faible)[3].

Le déploiement du réflecteur est testé au sol.

SMAP emporte deux instruments scientifiques qui partagent le même réflecteur parabolique de 6 mètres de diamètre : un radiomètre passif fonctionnant en bande L (Micro-onde) permettant de mesurer avec une grande précision l'humidité du sol (3%) mais une résolution spatiale de 40 kilomètres et un radar à ouverture réelle utilisant plusieurs faisceaux polarisés en bande L dans la bande de fréquence 1,20–1,41 GHz qui permettent d'obtenir une résolution spatiale de 3kilomètre au détriment de la précision de la mesure. Pour recueillir les signaux les deux instruments partagent le même réflecteur de 6 mètres de diamètre.

Réflecteur

Trace au sol du signal radio collecté par le réflecteur. Sa rotation permet de collecter des données sur une largeur de 1000 km.

Pour répondre aux exigences de précision et de résolution spatiale tout en effectuant des mesures sur l'ensemble du globe tous les trois jours, SMAP utile une antenne rotative de 6 mètres de diamètre qui représente une première par sa compacité (au lancement) et sa légèreté. Cette antenne est constituée d'un treillis métallique déployable qui sous la coiffe du lanceur occupe un espace de seulement 30 sur 120 centimètres. L'antenne est fixée au satellite par une poutre déployée en orbite longue de 5 mètres. Après déploiement la surface de l'antenne obtenue s'écarte de seulement quelques millimètres de sa valeur nominale. L'ensemble constituée par l'antenne et la poutre pèse 58 kilogrammes[3].

L'angle de visée de l'antenne est dépointé par rapport à l'axe nadir du satellite. La poutrelle qui maintient l'antenne est fixée sur une une plateforme qui est mise en rotation à la vitesse de 14,6 tours par minute autour de l'axe. Ce mouvement imprimé à l'antenne permet à son faisceau d'effectuer un balayage conique qui permet après intégration d'obtenir une fauchée de 1000 kilomètres. Ce réflecteur est développé par la société américaine Northrop Grumman[5] - [3].

SMAP est lancé par une fusée Delta II 7320-10C qui décolle le 31 janvier 2015 depuis la base de Vandenberg. La satellite est placé sur une orbite héliosynchrone crépusculaire (le satellite coupe l'équateur à 6 heures du matin et du soir) à une altitude de 685 kilomètres. L'inclinaison orbitale est de 98,1°. Le 24 février 2015 le satellite déploie son réflecteur de 6 mètres de diamètre[6]. Le 7 juillet 2015, le radar cesse d'émettre un signal. Après enquête, la NASA annonce que l'anomalie provient du dispositif d'alimentation électrique basse tension de l'amplificateur haute puissance du radar. La nature et la source de l'anomalie demeurent toutefois incomprises[7]. Après plusieurs tentatives infructueuses pour corriger l'anomalie la NASA renonce le 2 septembre 2015 à remettre en service le radar. Le radiomètre n'est pas affecté par cette panne et la NASA décide de poursuivre la mission avec uniquement cet instrument. La perte du radar affecte la résolution spatiale des mesures : celle-ci est de 40 kilomètres pour le radiomètre et de 9 km (humidité du sol) et 3 kilomètres (zones de gel/dégel) pour le radar. Par contre la précision de mesure du radiomètre est meilleure[8].

SMAP continue de recueillir des données courant 2023.

SMAP collecte ses données de manière quasi continue. Celles-ci sont stockées dans une mémoire de masse et transmises aux satellites TRDS et aux stations terriennes du Near Space Network (NASA) en deux à trois sessions à chaque orbite. Les données sont étalonnées et traitées automatiquement par le Jet Propulsion Laboratory et de manière plus accessoire (données géophysiques de niveau 4) par le centre de vol spatial Goddard. Les opérations du satellite (corrections d'orbite, surveillance des paramètres de fonctionnement, ...) sont réalisées par le centre de contrôle hébergé par le Jet Propulsion Laboratory. Les données finales sont stockées dans deux centres d'archives de la NASA qui sont chargés de les mettre à disposition du public[4] - [3].

L'exploitation d'un an de données produites par SMAP a débouché sur une meilleure compréhension des processus à l'oeuvre dans la couche superficielle du sol (les cinq premiers centimètres) qui bien que contenant une partie infime de l'eau présente sur Terre (0,001% du volume total) jouent un rôle majeur crucial pour l'agriculture, la météorologie, le climat et même la diffusion des maladies. Ces données on permis de confirmer la théorie selon laquelle l'assèchement de cette couche contribuait à accentuer les périodes chaudes et les vagues de chaleur. Elles ont permis d'estimer que, en moyenne, un septième de l'eau présente dans cette couche superficielle était conservée au bout de trois jours. Ce pourtant est plus important dans les régions les plus sèches[9].

• Carte de l'humidité du sol réalisées à l'aide des données collectées par SMAP
• Cartes de l'humidité du sol de l'ensemble de la planète réalisée à partir de données collectées entre le 2 avril 2015 et le 22 février
• Cartes de l'humidité du sol des régions arctiques réalisée à partir de données collectées entre le 2 avril 2015 et le 22 février.

• (en) « Soil Moisture Active Passive Launch - Press kit », NASA, janvier 2015 — Dossier de press établi par la NASA pour le lancement de SMART.