Point géostationnaire en vert sur l'orbite en vis-à-vis du point brun sur la Terre.Schéma à l'échelle montrant laTerre, les principales orbites (orbitesbasse,moyenne,géostationnaire et derebut) utilisées par les satellites, les vitesses et les périodes orbitales à différentes altitudes ainsi que la position de quelques satellites ou constellations de satellites remarquables :GPS,GLONASS,Galileo etBeidou,Station spatiale internationale,télescope Hubble et la constellationIridium.[Note 1] L'orbite de laLune est environ 9 fois plus grande que l'orbite géostationnaire.[Note 2] Dansle fichier SVG, placez la souris sur une orbite ou son étiquette pour la mettre en évidence ; cliquez pour ouvrir l'article correspondant.
Uneorbite géostationnaire (en abrégéGEO,geostationary orbit) est uneorbite terrestrecirculaire (excentricité nulle) caractérisée par unepériode orbitale (durée d'une orbite) égale à la période de rotation de la planète Terre et uneinclinaison orbitale nulle (donc une orbite dans leplan équatorial). Cette orbite est fréquemment utilisée par dessatellites terrestres car elle leur permet de rester en permanence au-dessus du même point de l'équateur : dans cette position, le satellite est visible depuis tous les points de l'hémisphère terrestre qui lui fait face, et inversement les instruments du satellite peuvent observer en permanence cet hémisphère.
Ces propriétés de l'orbite géostationnaire sont exploitées en particulier par lessatellites de télécommunications qui peuvent ainsi servir de relais permanent entre des stations émettrices et des stations réceptrices pour des liaisons téléphoniques, informatiques ou la diffusion de programmes de télévision, et lessatellites météorologiques qui peuvent enregistrer en permanence l'évolution des nuages et températures sur une grande partie de la surface de notre planète.
Couverture d'un satellite géostationnaire : celui-ci peut communiquer avec des stations situées sur la moitié de la sphère terrestre. Toutefois la qualité des signaux se dégrade à la périphérie de la zone de visibilité.
En plus de la caractéristique de l'orbite géosynchrone qui fait qu'un corps se trouvant sur cette orbite possède unepériode de révolution très exactement égale à lapériode de rotation de la Terre sur elle-même (23 heures 56 minutes et 4,1 secondes), l'orbite géostationnaire s'inscrit dans le plan équatorial de la Terre. Cette propriété supplémentaire fait que tout corps en orbite géostationnaire paraît immobile par rapport à tout point de la Terre.
Cette caractéristique est particulièrement importante pour lessatellites detélécommunications ou de diffusion detélévision. La position du satellite semblant immobile, un équipement de réception muni d'une antenne fixe pointant dans la direction dusatellite géostationnaire suffira pour capter ses émissions. Pour la couverture de l'Europe, c'est principalementEutelsat qui assure cette mission avec de nombreux satellites en orbite. Cette orbite est également utilisée pour l'observation de la Terre depuis une position fixe dans l'espace. C'est le cas pour lessatellites météorologiques géostationnaires, dont lesMeteosat pour l'Europe.
Les satellites géostationnaires sont nécessairement situés à la verticale ("auzénith") d'un point de l'équateur ou, en d'autres termes, situés dans le plan équatorial de la Terre, et à l'altitude requise. On entend parfois parler abusivement de « satellite géostationnaireau-dessus de l'Europe » : il faut entendre par là « satellite en orbite géostationnaire visible depuis l'Europe ».
L'écrivain de science-fiction britanniqueArthur C. Clarke est le premier à décrire de manière détaillée en 1945 le rôle que pourrait jouer l'orbite géostationnaire pour les télécommunications.
En 1929,Herman Potočnik décrit les caractéristiques d'une orbite géosynchrone et du cas particulier de l'orbite géostationnaire terrestre dont il envisage l'utilisation par lesstations spatiales[1]. Dans la littérature populaire, l'orbite géostationnaire est mentionnée pour la première fois dans la littérature populaire parGeorge O. Smith dans la nouvelleKorvus's message is sent du recueil de nouvellesThe Complete Venus Equilateral[2] mais Smith ne fournit pas de détail. L'écrivain de science-fiction britanniqueArthur C. Clarke est véritablement le premier à populariser et détailler le concept dans un article intituléExtra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? publié en 1945 dans le périodiqueWireless World. Dans l'introduction, Clarke reconnaît le lien avec l'ouvrage de Smith et a reconnu qu'il est donc possible que les nouvelles de cet auteur l'aient influencé de manière subconsciente lorsqu'il a exposé les principes des satellites de télécommunications en orbite géosynchrones[3],[4]. L'orbite, que Clarke a été le premier décrit comme étant particulièrement adaptée pour les satellites de télécommunications (relais et diffusion)[4] est parfois désignée comme l'orbite de Clarke[5]. Uneconstellation de satellites placés sur cette orbite est également appelée ceinture de Clarke[6]. Techniquement l'orbite est appelée soit orbite géostationnaire soit orbite géostationnaire équatoriale (dans ce dernier cas en anglais)[7].
Syncom 2, placé en orbite en 1963, est le premier satellite géosynchrone.
La première génération de satellites géostationnaires a été conçue en 1959 parHarold Rosen alors qu'il était employé par la sociétéHughes Aircraft. Inspiré par le premier satellite artificielSpoutnik 1, son objectif était d'utiliser le satellite géostationnaire pour permettre une couverture globale des communications. Les systèmes de télécommunications de l'époque, qui reposaient sur la radio à haute fréquence et lescâbles sous-marins ne permettaient que136 communications simultanées entre l'Europe et les États-Unis[8].
À l'époque, c'est-à-dire au début de l'ère spatiale, on considérait que les fusées disponibles n'avaient pas la puissance requise pour placer un satellite sur une orbite géostationnaire et que de toute façon la durée de vie de ce dernier, du fait de sa complexité, était trop courte pour justifier les dépenses engagées[9]. Aussi les recherches dans le domaine des communications spatiales portaient à l'époque sur le développement de constellations de satellites en orbite basse ou moyenne[10]. Le premier de ces projets fut la série desballons réflecteur Echo en 1960, suivis par le satelliteTelstar 1 en 1962[11]. Malgré les limites de ces projets (faiblesse du signal renvoyé et difficulté à maintenir une liaison continue) qui auraient pu être résolues en utilisant un satellite géostationnaire, le management de Hughes, qui considérait que le concept était irréalisable, refusait d'y consacrer les fonds nécessaires. Rosen dut les menacer de passer chez le concurrentRaytheon pour que Hughes change d'avis[10],[8].
En 1961, Rosen et son équipe étaient parvenus à réaliser un prototype de satellite : de forme cylindrique, celui-ci avait un diamètre de76 centimètres pour une hauteur de38 centimètres et une masse de11,3 kilogrammes. Il était suffisamment léger et petit pour pouvoir être placé sur une orbite géostationnaire par les lanceurs existants. Il étaitstabilisé par rotation (spinné) et disposait d'uneantenne dipolaire produisant une onde en forme de galette[12]. En aout 1961, la construction d'un premier satellite opérationnel put être lancée[8]. Le premier exemplaire,Syncom 1, fut perdu à la suite d'une défaillance de l'électronique, maisSyncom 2 réussit à atteindre l'orbite géosynchrone en 1963. Malgré l'inclinaison orbitale de son orbite (son inclinaison n'était pas nulle, il oscillait en latitude) qui nécessitait de modifier de manière continue le pointage des antennes terrestres, il fut capable de retransmettre les émissions de télévisions et permit au président américainJohn F. Kennedy d'appeler le premier ministre du NigeriaAbubakar Tafawa Balewa depuis un navire le[10],[13].
L'avantage des satellites de télécommunications circulant en orbite géostationnaire est qu'ils sont visibles sur une grande partie de l'hémisphère qui leur fait face : de 81° de latitude nord à 81° de latitude sud (les régions proches des pôles sont donc exclues) et sur81 degrés en longitude de part et d'autre de la position du satellite (ce qui exclut une frange à l'est et à l'ouest). Pour les stations terrestres qui émettent et reçoivent les signaux, le satellite semble fixe dans le ciel et l'antenne peut être pointée de manière permanente dans la même direction, ce qui réduit fortement sa complexité et donc son coût. Toutefois, l'altitude élevée du satellite génère un délai (latence) perceptible dans le temps de transmission de la communication. Le signal met240 millisecondes pour aller de son émetteur terrestre au satellite et la même durée pour revenir au récepteur[17]. Ce délai constitue une gêne pour toutes les applications sensibles à la latence[18]. C'est le cas notamment de la téléphonie et des applications informatiques. Aussi les satellites de télécommunications circulant sur une orbite géostationnaire sont utilisés principalement par des applications unidirectionnelles comme la diffusion de chaines de télévision[19].
Les satellites météorologiques en orbite géostationnaire peuvent suivre de manière continue l'évolution des phénomènes météorologiques qui se développent sur l'hémisphère qui leur fait face soit environ 40 % de la surface terrestre. Ils emportent des spectromètres et des caméras qui recueillent des images principalement dans lesspectres visibles et infrarouges. Ils constituent une source d'informations idéale pour les phénomènes météorologiques à grande échelle dans le domaine de la météorologie, l'hydrologie et l'océanographie. Les images répétitives fournies (fréquence de l'ordre de quelques minutes pour les satellites les plus récents) permettent d'identifier dès leur apparition et de suivre le développement des phénomènes météorologiques tels que les ouragans, tempêtes, tornades et crues violentes ainsi que les variations des conditions météorologiques au fil de la journée. Par contre, du fait de leur altitude, la résolution spatiale des images collectées est faible (au mieux quelques centaines de mètres) par rapport aux satellites circulant sur une orbite basse[20]. Aussi ces données sont complétées par des images recueillies par des satellites circulant en orbite polaire. Les satellites météorologiques sont développés par les agences nationales des principales puissances spatiales (États-Unis, Europe, Chine, Inde, Japon). En 2019, il existait19 satellites météorologiques sur cette orbite.
Cycle de vie des satellites en orbite géostationnaire terrestre
L'orbite géostationnaire d'un satellite n'est pas stable car elle est perturbée par plusieurs forces. Les plus importantes sont les irrégularitésgravitationnelles et du potentielgéodynamique de la Terre, la pression deradiation solaire et l'attraction lunaire. L'orbite est modifiée dans le sens est-ouest mais aussi nord-sud (variation de l'inclinaison). Le maintien en position géostationnaire nécessite donc des manœuvres decorrection d'orbite dans les deux directions nord-sud et est-ouest. Compte tenu de l'encombrement de l'orbite géostationnaire terrestre, les conventions internationales exigent que le satellite soit maintenu dans sa position avec un écart maximum compris entre0,05° à0,1° dans les deux directions, soit de 35 à 75 kilomètres au niveau de l'orbite[22].
Les manœuvres ayant pour objectif de maintenir l'orbite du satellite consomment desergols et l'épuisement de ceux-ci est la cause principale de fin de vie du satellite. Lorsqu'un satellite en orbite géostationnaire arrive en fin de vie, il ne peut plus être contrôlé pour rester rigoureusement géostationnaire. On le fait alors dériver vers une orbite très proche, dite « orbite cimetière », où il va rester commedébris spatial pour une durée indéterminée. S'il est livré à lui-même, il dérivera vers un point stable. Il est généralement demandé aux contrôleurs de satellites d'utiliser les quelques kilogrammes d'ergols restants (si le satellite est toujours manœuvrable) pour le repositionner sur cette orbite de rebut, lui évitant ensuite de rester trop proche des autres satellites en activité et d'occuper une position qui sera réutilisée dans le futur par de nouveaux satellites. Ensuite, il est demandé de couper tous les circuits électriques, évitant qu'il n'interfère avec les autres satellites près desquels il va passer, ainsi que de vider complètement les réservoirs d'ergols afin de se prémunir d'une explosion à la suite d'une éventuelle collision avec un autreobjet céleste.
Il existe sur l'orbite géostationnaire deux positions stables pour ce qui concerne les dérives est-ouest situées à75°E et105°O. De même, il existe deux positions instables à11°O et162°E.
où est lapériode de révolution du satellite, c’est-à-dire le temps que prend le satellite pour faire un tour autour de la Terre, qui doit être égale à lapériode de rotation sidérale de la Terre.
Après calcul on obtient :
soit.
Par conséquent, le rayon de l'orbite géostationnaire vaut.
En utilisant les mêmes formules, on peut déterminer l'altitude de l'orbite aréostationnaire, équivalent autour de la planèteMars de l'orbite géostationnaire. La planète a un diamètre beaucoup plus faible et une densité plus faible que la Terre. Le produit G x M a une valeur de 4,283 × 1012 contre 3,986 × 1013 pour la Terre. Il en résulte que l'altitude de l'orbite aréostationnaire est à 17 039 kilomètres. En date de 2022, des projets de satellites de télécommunications en orbite aréostationnaire ont été étudiés mais aucun n'a reçu un début de concrétisation.
Pour limiter la multiplication du volume des débris spatiaux, les principales agences spatiales — ASI (Italie),CNES (France),CNSA (Chine),Agence spatiale canadienne (Canada),DLR (Allemagne),Agence spatiale européenne (Europe),ISRO (Inde),JAXA (Japon),KARI (Corée du Sud),NASA (États-Unis),Roscosmos (Russie),NKAU (Ukraine) etUK Space Agency (Royaume-Uni) — adhèrent à l'Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), créé en 1993 pour faciliter l'échange de données sur les débris spatiaux, mener des études techniques (modélisation du comportement des débris en orbite, étude technique des systèmes de blindage), réaliser des campagnes d'observation et établir des recommandations[23]. Ce comité a établi un recueil de principes à appliquer,Space Debris Mitigation Guidelines (IADC-02-01, Rev. 2007), qui a été validé la même année par les69 pays membres duComité des utilisations pacifiques de l'espace extra-atmosphérique (COPUOS) consacré aux activités spatiales. Le comité scientifique et technique du COPUOS a établi et publié en 2009 son propre recueil de règles,Space Debris Mitigation Guidelines of the Scientific and Technical Subcommittee of the Committee on the Peaceful Uses of the Outer Space (A/AC.105/890, 2009).
Le, laFCC a infligé pour la première fois une amende à une société pour n'avoir pas respecté la procédure de désorbitation d'un satellite géostationnaire[25].
Elle est parfois appeléeorbite de Clarke ouceinture de Clarke, en l'honneur de l'auteur britannique de science-fictionArthur C. Clarke, le premier à émettre l'idée d'un réseau de satellites utilisant cette orbite[27].
↑Les périodes et vitesses orbitales sont calculées à partir des relations 4π2R3 = T2GM etV2R = GM, où :R est le rayon de l'orbite en mètres ;T est la période orbitale en secondes ;V est la vitesse orbitale en m/s ;G est laconstante gravitationnelle, environ 6,673 × 10−11 Nm2/kg2 ;M est la masse terrestre de la Terre, environ 5,98×1024 kg (1,318×1025 lb).
↑Approximativement 8,6 fois (en rayon et en longueur) lorsque la Lune est au plus près(c'est-à-dire363 104 km/42 164 km), à 9,6 fois lorsque la Lune est au plus loin(c'est-à-dire405 696 km/42 164 km).
