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C’était le dernier lancement de l’année 2015. Le 28 décembre 2015, à 16:04 UTC, une fusée chinoise Chang Zheng 3B décollait de Xichang pour mettre en orbite le satellite Gaofen-4.
Un drôle de gros oiseau d'une masse de 4,6 tonnes : un satellite d’observation de la Terre sur une orbite géostationnaire, prévu pour une durée de vie de 8 ans.
. Crédit image : SASTIND
Il est haut le LEO ? Non, il est bas…
La plupart des satellites d’observation optiques sont mis sur des orbites basses, entre 600 et 900 km d’altitude, quasiment polaires et souvent héliosynchrones pour observer la Terre dans les mêmes conditions d’éclairement à chaque passage au-dessus d’une même région. Tous les satellites de la famille Spot, les deux satellites Pleiades, les missions Sentinel de Copernicus, Aqua et Terra, Landsat 8, les satellites Worldview sont sur des orbites LEO (pour Low Earth Orbit).
Ils « défilent » le long de leur orbite à une vitesse de l’ordre de 27000 km/h (7500 m/s) et, comme sur une photocopieuse, c’est le déplacement d’un capteur dans le sens de ce mouvement qui produit l’image.
Les meilleurs instruments des satellites civils, ceux à très haute résolution, produisent ainsi des images avec une résolution de quelques dizaines de centimètres sur un champ assez étroit (de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres). Pour d’autres instruments, on privilégie la revisite (la capacité de repasser rapidement au-dessus de la même région) avec un champ plus large et une résolution plus grossière : OLI sur Landsat 8 et MSI sur Sentinel-2 fournissent des images de plusieurs centaines de kilomètres de fauchée et une résolution de quelques dizaines de mètres (de 10 à 60 mètres selon les bandes spectrales).
Deux images de la région de Pékin (Beijing) prise par le satellite Gaofen-4.
A gauche, une image prise le 21 janvier 2016, avec une épaisse couverture dans smog.
A droite, une image du 25 janvier, avec une atmosphère plus claire. Crédit image : SASTIND
GEO c’est cool aussi…
Il existe déjà des instruments d’observation embarqués sur des satellites géostationnaires, à une altitude d’environ 35800 km, la verticale de l’équateur, la seule orbite qui donne une position apparemment fixe par rapport à la Terre. Ce sont surtout des instruments de météorologie comme ceux des satellites Meteosat d’Eumetsat ou des GOES américains.
Il y a aussi l’instrument GOCI à bord du satellite coréen COMS, un instrument de mesure de la couleur de l’eau (GOCI = Global Ocean Color Imager). Dans les deux cas, la résolution reste assez moyenne, entre 250 mètres et 1000 mètres.
A ma connaissance, Gaofen-4 est le premier satellite d’observation de la Terre depuis l’orbite géostationnaire (GEO) dont les images ont une résolution de l’ordre de 50 mètres.
Gaofen-4, l’observation permanente à 50 mètres de résolution
Cela peut paraître très modeste mais c’est une première : le grand avantage de l’orbite géostationnaire est l’observation permanente ou à une fréquence très élevée. Il est possible qu’il puisse faire des séquences vidéo ou des pseudo-vidéos, sans changement de point de vue (impossible avec un satellite sur une orbite à défilement). La Chine annonce pouvoir prendre des images toutes les minutes.
Evidemment, la résolution se dégrade quand on s’éloigne de l’équateur. Elle est inexploitable aux latitudes élevées. La résolution de dégrade également quand on dépointe l’axe de visée vers l’ouest ou vers l’est.
D’après ce que j’ai pu lire, Gaofen-4 serait positionné à la longitude 110°E, pratiquement à la verticale de singapour, permettant ainsi de couvrir toute la Chine (sauf la partie nord) et l’Asie du sud-est mais aussi l’Inde, l’Australie et une partie de l’Océan Indien et de l’Océan Pacifique.
Au cours de la journée, Gaofen-4 fournit des images en couleurs à 50 mètres de résolution. Il embarque aussi un instrument infrarouge thermique pour l’observation nocturne (par exemple pour le suivi des grands incendies). Dans ce cas, la résolution des images est de 400 mètres.
L’exemple suivant, même si la qualité de l’image publiée n’est pas très bonne, illustre à la fois la capacité d’observation nocturne et l’observation répétée à cadence élevée.
Les incendies en Australie au mois de janvier 2016 : séquence d’images au-dessus d’une même
zone prises dans l’infrarouge thermique par le satellite Gaofen-4. Les images sont acquises toutes
les 5 minutes. Crédit image : SASTIND
7000 km : c’est long à pied, surtout par la Chine…
Depuis son poste d’observation Gaofen-4 peut s’orienter et pointer son télescope pour couvrir une région d’environ 7000 km sur 7000 km. 49 millions de km2 en Asie, qu’il s’agisse de terres émergées ou d’océan.
Chacune des images couvre un champ de 400 km de côté (160000 km2). Elles seraient donc acquises par un détecteur ou plutôt un assemblage de détecteurs de 8000 par 8000 pixels, soit l’équivalent d’un très bel appareil photo de 64 mégapixels ? Plus probablement, les images sont elles-mêmes construites par mosaïquage de vignettes élémentaires de taille plus réduite (par exemple 1000 x 1000 ou 2000 x 2000 pixels).
Les images illustrant cet article ont été publiées début février par le SASTIND (State Administration of Science, Technology and Industry for National Defence).
Le satellite est développé par le consortium CASC (China Aerospace Science & Technology Corporation) et les moyens sols sont sous la responsabilité du CRESDA (Centre for Resources Satellite Data and Application).
Les applications annoncées concernent les affaires civiles, les forêts, les tremblements de Terre et la gestion des catastrophes naturelles, la prévision du temps.
Les lecteurs du blog Un autre regard sur la Terre savent bien que, dans le cas des catastrophes naturelles, une des contraintes d’utilisation des satellites en orbites basse est la difficulté à garantir l’acquisition d’images avec un délai très court. Les services opérationnels comme la Charte Internationale Espace et Catastrophe Majeures ou le Copernicus Emergency Mapping Service (EMS) contournent les lois de la mécanique spatiale en multipliant le nombre de satellites utilisés.
Même si la résolution de Gaofen-4 est insuffisante pour fournir des images utiles en zone urbaine (la résolution métrique ou submétrique est nécessaire), ce satellite d’observation depuis l’orbite géostationnaire est un premier élément de réponse à l’observation réactive. C’est aussi un excellent outil de surveillance et il ne fait aucun doute que, malgré la résolution encore modeste, Gaofen-4 sera utilisé pour des missions de surveillance voire de défense, par exemple pour observer les déplacements de gros navires ou le sillage de navires rapides, ou de détection de changement.
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Le delta du fleuve jaune et celui du Zhu Jiang (la rivière des perles) vus par le satellite
d’observation géostationnaire Gaofen-4. Crédit image : SASTIND
En famille
Gaofen-4 fait partie du programme CHEOS (China High-Resolution Earth Observation System), présenté par la Chine comme un programme dual, servant à la fois des utilisateurs civils et militaires.
Les satellites Gaofen-1, 2, 3 , 5 et 8 ont déjà été lancés et mis en orbite basse. Ils emportent différents instruments, optiques ou radar.
Ils sont complétés par la famille des satellites Jilin à plus haute résolution (80 cm pour Jilin-1 lancé en octobre 2015). La Chine a annoncé vouloir lancer 138 petits satellites d’ici 2030, pouvant survoler chaque point de la Terre toutes les 10 minutes : mettre en place une constellation massive est la seconde possibilité d’augmenter la fréquence de passage au-dessus de n’importe quel point de la surface terrestre.
Et après…
Le critère de Rayleigh, présenté dans un article sur la résolution des satellites d’observation, décrit comment le phénomène de diffraction limite la performance d’un instrument d’observation. Cette formule simple indique que pour augmenter la résolution angulaire, il faut augmenter le diamètre de l’instrument. La finesse des détails visibles décroit aussi quand la longueur d’onde augmente, par exemple dans l’infrarouge thermique.
En appliquant la formule de Rayleigh, on peut estimer que, à 35800 km d’altitude, l’instrument de Gaofen-4 doit avoir un miroir de l’ordre de 100 à 110 cm de diamètre (pour fournir une résolution de 20 mètres à 0,5 µm de longueur d’onde).
C’est certainement une première étape avant de réaliser un miroir de plus grande taille. Dans certains papiers présentés par des chinois, on parle même d’un miroir de 20 mètres de diamètre. Beaucoup plus que Hubble (2,4 mètres) où même que le James Webb Space Telescope alias JWST (6,5 mètres environ de diamètres composé de dix-huit segment de 1,30 mètres) dont on vient d’assembler le dernier segment. Est-ce réaliste ?
En Europe Airbus Defence and Space, travaille sur GO3S, un concept de système d’observation en orbite géostationnaire utilisant un miroir d’environ 4 mètres de diamètre et permettant de produire des images avec 3 mètres de résolution au-dessus de l’équateur.
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sur la route de la soie, à l'est du désert du Taklamakan
Le choix des premières images publiées, avec l'Australie, le Tibet et l'Everest, n'est certainement pas anodin.
En savoir plus :
- Les autres articles du blog Un autre regard sur la Terre dans la catégorie satellites et les lancements.
- Les articles du blog Un autre regard sur la Terre dans la catégorie acquisition et traitement des images.
- Un article sur les performances et la résolution des instruments d'observation.
- Sur le site sinodefence.com, un article sur le lancement de Gaofen-4 en décembre 2015.
- Si vous lisez le chinois, les images sur le site chinois du SASTIND, reprises ici en version anglaise.
- Sur le site popsci.com, un article sur les projets futurs après Gaofen-4.
- Des articles du blog Un autre regard sur la Terre sur l'instrument GOCI à bord du satellite géostationnaire COMS :