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L’ATV-3 quelques minutes avant l’amarrage (docking) à l’ISS. Photographie prise par l’astronaute
Don Pettit. Appareil Nikon D3S équipé d’un objectif de 28 mm de focal. Sensibilité : ISO 6400,
vitesse d’obturation : 1 s, ouverture : F/1,4. Crédit image : NASA
C'est bientôt la rentrée...
Le lancement, c'était au printemps. Quelques jours après le début de l'automne, l'ATV-3 va imiter les feuilles mortes...
Les réservoirs sont presque vides, tout a été rangé et le sas est fermé : toutes les bonnes choses ont une fin mais parfois, on fait durer le plaisir...
C’est dans la nuit du 25 au 26 septembre (à 22h35 UTC) que le cargo ATV3, Edoardo Amaldi, devait se séparer de l’ISS, 6 mois après son amarrage avant, 24 heures plus tard, une rentrée contrôlée dans l’atmosphère au-dessus des zones inhabitées du sud de l’océan Pacifique. L’impact était prévu le 27 septembre à 3h30 UTC mais un problème technique a entraîné un report de l'opération : l'ATV n'a pas accusé réception d'une commande envoyée depuis le module russe Zvezda par la liaison radio de proximité. Une nouvelle tentative peut avoir lieu le 26 ou le 27 septembre.
La mission est remplie : tout est vidé
Au cours de sa mission, l’ATV-3 a livré environ 3400 kilogrammes de fret à la station spatiale : oxygène, eau, carburant, équipement et nourriture pour les astronautes. Depuis avril 2012, il a procédé à huit manœuvres de « reboost », destinée à rehausser l’orbite de l’ISS, qui « tombe » à cause du freinage atmosphérique résiduel. La dernière poussée, le 14 septembre, a durée presque 9 minutes (8’56’’ exactement). 175 kg de carburant ont été consommé pour accélérer la station de 1,28 mètre par seconde, ce qui correspond à une augmentation d’altitude de 2230 mètres. L’altitude moyenne de l’orbite de l’ISS est actuellement d’environ 425 kilomètres.
Un nouvel ATV va bientôt prendre le relais : après Jules Verne, Johannes Kepler et Edoardo Amaldi, l’ATV-4 a été baptisé Albert Einstein. Il doit être lancé par une fusée Ariane 5 au printemps 2013. C’est l’avant-dernier exemplaire de la série de cinq cargos automatiques construits par Astrium pour l’Agence Spatiale Européenne.
La réponse au quiz image de Mars 2012 : les lumières nocturnes du Caire, d’Alexandrie, de Jérusalem et Tel Aviv vues depuis la station spatiale internationale
A propos de printemps, vous vous souvenez du quiz du mois de mars : la réponse n’a pas encore été publiée. Il s’agissait d’identifier la ville visible sur une superbe photo de l’AT-3 Edoardo Amaldi prise un peu avant son amarrage à la station spatiale internationale (ISS). C’est l’astronaute américain Donald Roy Pettit qui a appuyé sur le déclencheur d’un Nikon D3S depuis le hublot de l'écoutille du module Poïsk, situé à la perpendiculaire du module Zvezda.
C’est la première fois que je publiais un quiz image sur le blog Un autre regard sur la Terre en ignorant moi-même la réponse. Il s’agissait de déterminer à quelle ville correspondaient les lumières nocturnes visibles au sol, en bas à droite de la photo.
Trouver la réponse n’a pas été facile… En fait, j’espère que c’est la bonne réponse car je l’ai obtenue par déduction et croisement d’hypothèses.
Quels indices pour trouver la réponse ?
Au moment où j’ai retenu cette photographie pour le quiz, même si j’ignorais la réponse, j’ai pensé que quelques vérifications rapides permettraient d’identifier assez facilement la ville éclairée au sol : trouver l’heure de la prise de vue, trouver un enregistrement des positions de l’ISS et de l’ATV pendant la phase d’approche précédant le docking. A partir de ces éléments, une petite vérification sur une carte ou un globe terrestre devait fournir la réponse.
La méthode est bonne. Avec deux petits détails qui compliquent l’exercice…
D’abord, il est assez difficile de déterminer l’heure précise de la prise de vue : la photographie a été reprise par de nombreux sites d’information mais je n’ai pas trouvé de légende mentionnant l’heure exacte. Il y a bien une autre photographie prise par Don Petit et publiée sur le web dans le format d’origine avec toutes les propriétés fournies par le standard EXIF (EXchangeable Image File format) mais ce n’est pas le cas pour la photographie qui nous intéresse.
Une autre photographie de l’ATV-3 prise par Don Pettit depuis l’ISS. Les propriétés de l’image
d'origine indiquent qu’elle a été prise le 28 mars 2012 à 21h58 UTC. Crédit image : NASA.
Au moment où j’écris ces lignes, contrairement à ce que je pensais, la photographie n’a pas été ajoutée à la base de données des photographies de la NASA sur le site Gateway to Astronaut Photography of Earth. En général, ce site fournit des informations très détaillées sur les conditions de prise de vue. Raté…
Deuxième difficulté : trouver un enregistrement des positions de la station spatiale internationale et de l’ATV-3 Edoardo Amaldi, sur une période de quelques heures avant l’amarrage du véhicule de transfert automatique à l’ISS. De nombreux sites comme Calsky, Celestrak, N2YO ou Space-track.org (enregistrement nécessaire) proposent des prévisions de la trajectoire future de l’ISS, en particulier pour les amateurs souhaitant observer les passages visibles de la station spatiale internationale. Par contre, il est plus délicat de trouver un enregistrement des positions passées. Il est vrai que prévoir le passé n’intéresse pas grand monde… Le soir de l’amarrage, au moment de l’évènement AVTweetup organisé par le CNES, j’avais hésité à tenir un journal de bord mais je me suis contenté d’enregistrer quelques photos extraite de la retransmission vidée. Dommage…
Qui a trouvé la bonne réponse ?
Personne… Deux réponses ont été postées sur le site. L’une indiquait la côte du Japon. L’autre proposait la côte est des Etats-Unis, entre le nord de la Floride et la Caroline du Sud, avec les villes de Jacksonville, Savannah et Charleston.
Cette seconde réponse est assez séduisante : avec Google Earth, avec les curseurs de navigation sur la partie droite de l’écran, on peut assez facilement se mettre dans une position similaire à celle de l’Astronaute Don Pettit au moment où il appuie sur le déclencheur, à environ 400 kilomètres d’altitude et en visant pratiquement vers l’horizon.
La topographie de cette partie de la côte Est ressemble effectivement beaucoup à ce qu’on voit sur la photo.
Copie d’écran de Google Earth : la côte est des Etats-Unis entre la Floride et la Caroline du Sud
avec les villes de Jacksonville, Savannah et Charleston. Le point de vue est proche de ce qu’on
peut voir à partir de la station spatiale internationale. Crédit image : Google Earth
Seulement, un petit détail casse l’ambiance… La photographie du quiz montre une portion de terre dans l’obscurité. Or, dans cette région des Etats-Unis, l’heure légale est UTC – 4. Cela signifie qu’à 22h31 UTC, au moment précis du « docking », il est 18h31 à Jacksonville et à Miami. Il fait donc encore jour, de même que pendant une bonne dizaine heures couvrant toute la phase d’approche de l’ATV-3. Impossible d’avoir ces lumières nocturnes…
Pour les plus sceptiques, voici une image acquise par le satellite météorologique américain GOES le 28 mars à Il s’agit d’une image dans le canal visible : il fait bien jour à 21h45 UTC…
Ce n’est donc pas la côte Est des USA !
Extrait d’une Image acquise dans le canal visible (centré sur une longueur d’onde de 0,63 µm) par
le satellite géostationnaire GOES-13 le 28 mars 2012 à 22h02 UTC. Crédit image : NOAA
Décrypter la photo… Comme la Pierre de Rosette
Revenons à notre photo. Que peut-on voir ?
- Au premier plan, la station internationale et plus précisément le module de service russe Zvezda. La photo est prise depuis le module Poïsk, légèrement décentré par rapport au module Zvezda et à l’axe principal de la station. Cela explique la perspective. Sur la droite de l’image, les parties les plus sombres sont des portions des panneaux solaires de Zvezda et de Zarya.
- A l’arrière plan, l’ATV-3 Edoardo Amaldi, en approche de la station, dont deux des quatre panneaux solaires, en forme de X, sont bien visibles. Les jets de gaz des tuyères de l’ATV, qui manœuvre automatiquement pour s’aligner parfaitement avec la station, sont très spectaculaires. L’ATV possède 28 micro-propulseurs de contrôle d’attitude et de freinage, à l’avant et à l’arrière. Avec les quatre moteurs principaux utilisés aussi pour le « reboost » de l’ISS, cela fait un total de 32 tuyères ! Je pense qu’on voit également en couleur plus rouge l’éclairage des diodes laser (longueur d’onde de 0,810 µm) du « videometer » utilisées pour le rendez-vous. Par contre, très difficile d’estimer la distance entre l’ATV et l’ISS à ce moment précis, peut-être une cinquantaine de mètres.
- Le ciel étoilé, l’horizon terrestre et les lumières nocturnes. Ce qui est visible à l’horizon, à pas le confondre avec les aurores boréales, c’est « l’air glow », la très faible lumière du ciel nocturne, liée à des réactions chimiques dans la haute atmosphère, en particulier la recombinaison entre atomes d’oxygène et d’azote. C’est un des phénomènes qui limite la performance des télescopes terrestres dans le spectre visible.
L’autre élément marquant, c’est bien sûr les lumières de la ville, le thème de notre quiz. Les panneaux solaires les occultent partiellement mais on peut noter deux choses : 1) Cela semble être une zone côtière. 2) la ville en question semble assez isolée dans une large région sombre.
Tout est d’équerre : c’est Le Caire
Pour confirmer cette première impression et affiner la position et l’heure de la photo, je me suis « amusé » à éplucher les vidéos publiées sur youtube par l’ESA ou par d’autres internautes. On trouve deux types d’images techniques contenant des informations intéressantes :
- Les images provenant de la caméra de l’ISS qui suit l’approche de l’ATV. L’heure UTC est incrustée en haut à droite de l’image. En bas, à gauche, au-dessus de l’inscription « NO_FAILURE », on trouve une mesure de distance en mètres entre l’ATV et l4SS et de vitesse relative en mètres par seconde.
- Les images de synthèse indiquent également l’heure et parfois la position en longitude et latitude. Dans les vidéo diffusées au moment de l’amarrage, on a parfois des fondus enchaînés entre les deux types images (caméra de l’ISS et synthèse d’image) : c’est l’idéal pour avoir simultanément la date, la longitude et la latitude et la distance entre l’ATV et l’ISS.
- La dernière source de données que j’ai utilisée est une simulation de la trajectoire de l’ISS effectuée avec le logiciel Calsky pour la soirée du 28 mars 2012. C’est assez simple à utiliser : après avoir choisi le menu « satellites » puis « ISS », il suffit de rentrer la date et l’heure de départ de la simulation (en précisant bien UTC dans les préférences de l’utilisateur) et de choisir la représentation « Ground Track Map ». J’également utilisé Celestrak qui fournit le même type de résultats.
Les différentes sources d’information qui permettent de reconstituer la trajectoire et la position
de l’ATV-3 et de l’ISS avant le docking. En haut, les images de la caméra de l’ISS. Au milieu, les
synthèses d’image de l’ESA avec latitude et longitude. En bas, une simulation de trajectoire
produite par le logiciel Calsky.
J’ai ainsi pu constituer un tableau Excel avec toutes les informations datées extraites de ces différentes sources. Pour faciliter leur lecture et permettre une visualisation avec Google Earth, j’ai construit un fichier kml avec les positions datées obtenues. Voilà ce qu’on obtient.
Pour identifier la région précise, il faut alors croiser la simulation de trajectoire avec la carte du monde, ou au moins la partie dans l’obscurité. Le nord de l’Egypte et le delta du Nil avec les lumières du Caire deviennent alors rapidement un candidat sérieux. Un peu de gymnastique en faisant tourner la boussole de Google Earth permettent de finir de se convaincre.
Pour les plus sceptiques, il y a encore une vérification possible : tenter d’affiner l’heure de prise de vue en déterminant la distance entre l’ATV-3 et l’ISS à partir de la photo. Pas évident mais on a quand même quelques repères : le diamètre de l’ATV est d’environ 4,50 mètres et son envergure totale avec les panneaux déployés est de 22,30 mètres. La focale de l’objectif utilisé par l’astronaute Don Petit est de 24 mm. Les photographies en plein format font 4256 pixels en largeur sur 2832 en hauteur. En prenant quelques repères de dimension sur la station (fixe dans les deux images) et en comparant la variation de diamètre de l’ATV entre les deux photographies, j’estime que l’ATV est à environ 80 mètres de l’ISS au moment où notre photographie est prise. En comparant avec les indications d’heure des images de la caméra de l’ISS, j’en déduis que l’heure doit être proche de 21h55 UTC.
Copies d’écran de Google Earth avec superposition des positions de l’ISS dans l’heure qui précède l’amarrage de l’ATV-3. Un peu avant 22h00 UTC, on survole l’Egypte, puis Israël puis la Syrie.
Les positions de l’ISS proviennent de Calsky. Crédit image : Google Earth.
Superposition de trajectoire et trace au sol : Gédéon
L’amarrage effectif a eu lieu au dessus de pacifique, à une longitude d’environ 184° ouest, juste en dessous de l’équateur (latitude de 4° sud). En remontant dans le temps, on survole le Japon, la Chine, la Russie, la Turquie, la Syrie, Israël et l’Egypte…
Copie d’écran de Google Earth avec point de vue proche de celui du photographe à bord de l’ISS.
Crédit image : Google Earth. Superposition trajectoire et trace au sol : Gédéon.
En pratique, au moment de la photo, l’ATV-3 est entre deux positions particulières de la manœuvre de docking, appelées « Holdpoints » S3 (à 249 mètres de l’ISS) et S4 (à 19 mètres de l’ISS), des points d’attente et de contrôle avant de poursuivre son approche de l’ISS. Selon la chronologie prévisionnelle publiée par l’ESA, l’ATV-3 quitte le point S3 à 21h45 UTC et arrive au point S4 à 22h10 UTC.
Procédure de docking de l'ATV-3 avec les Way Points et les Hold Points. Crédit ESA.
Au fait, Le lien avec la pierre de Rosette ?
La stèle qui a permis de déchiffrer l’écriture hiéroglyphique grâce à une comparaison avec le texte en grec et en égyptien démotique.
Eh bien, elle a été trouvée en 1799 à Rosette (Rashid en arabe). L’endroit figure sur l’image prise l’astronaute Don Pettit, au niveau du delta du Nil, entre Alexandrie et Port Saïd.
Les deux images suivantes, prises également depuis la station spatiale internationale par les équipages des expéditions 25 et 31, avec un point de vue très différent, montrent la même région, toujours pendant la nuit. Sans prendre le risque d’attraper un torticolis, un peu de gymnastique permet d’imaginer la vue perspective dans la nuit du 28 au 29 mars 2012. En tout cas, cela renforce ma conviction que c’est la bonne réponse… Si vous préférez les images satellites prises avec la lumière du soleil, lisez cet article.
Une image de la même région prise également depuis l’ISS par les astronautes de l’expédition
31 et de l’expédition 25. Référence de l’image : ISS031-E-095276 (en haut) et ISS025-E-09858 (en bas). Crédit image : NASA.
Vous êtes convaincu ? Si quelqu’un a la photo d’origine avec les données EXIF (en particulier l’heure de prise de vue), merci de poster un commentaire : je suis très curieux de vérifier tout cela.
Pour bien décrire une orbite, quelques lignes sur les « Two line elements »
16 nombres sur deux lignes de 69 caractères : un nombre réduit de bits pour décrire une orbite...
C’est un format rustique qui date de l’époque des cartes perforées et des programmes en Fortran : initialement défini par la NASA et la NORAD North American Aerospace Defense Command) pour décrire les orbites des satellites et des débris spatiaux, il sert toujours de référence.
Les Two-line Elements (TLE) permettent de calculer la position des objets en orbite. À cause des perturbations diverse (freinage athmosphérique, vent solaire, influence de la Lune et du soleil, corrections volontaires d'orbite), ils doivent cependant être régulièrement mis à jour et ne sont valables que pour une période limitée. Le site Celestrak les publie régulièrement.
Je ne pense pas que les concepteurs avaient anticipé le développement des SMS et de Twitter mais la compacité du format TLE permet de l’envoyer sous forme de SMS ou de tweet. Peu de gens utilisent cette possibilité…
L’illustration suivante, publiée par la NASA sur son site Human Space Flight, explique comment interpréter ces chiffres ?
La structure des Two-line elements. Crédit image : NASA
Je reviendrai en détails sur la signification de tous ces paramètres dans un prochain article.
En attendant Voici quelques repères utiles sur chacune des deux lignes repérées par les chiffres 1 et 2 après le nom du satellite :
- D’abord, le numéro du satellite sur chaque ligne (38096 pour l’ATV-3 ou 25544 pour l’ISS). On parle de numéro NORAD ou USSPACCOM. Sur la première ligne, il est suivi de la lettre U pour « Unclassified » : cela signifie que l’objet en question n’est pas classifié. Vous l’avez deviné : les TLE des satellites top secret ne sont pas publiés !
- Ensuite, sur la première ligne, un code de désignation internationale constitué des deux derniers digits de l’année de lancement (pour l’année, c’est 12 pour 2012), le numéro de lancement dans l’année, le numéro de l’objet lancé.
- Ce code est suivi de ce que les anglo-saxons nomment « epoch », la date d’estimation des paramètres orbitaux. Pour l’ATV-3, le nombre 12129,57515446 dans l’exemple ci-dessous signifie que les TLE sont mesurés le 121ème jour de l’année 2012 (le 30 avril). Les chiffres derrière la virgule (le point pour les anglo-saxons) correspondent à la fraction du jour.
- Sur la deuxième ligne, après le numéro du satellite, c’est l’inclinaison de l’orbite exprimée en degrés (51,6418° pour l’ATV-3)
- Presque à la fin de la seconde ligne, avant le nombre d’orbites effectuées depuis le lancement suivi d’un code de vérification à un chiffre, le dernier nombre décimal donne la vitesse moyenne exprimée en nombre de révolutions par jour : 15,559 pour l’ISS et l’ATV-3.
Les autres paramètres décrivent la position de l’orbite, son excentricité et sa forme. Un prochain article sur les orbites les décrira en détail.
Voilà à titre d'exemple les données TLE pour l’ISS, l’ATV3, le vaisseau Soyouz TMA 3M et le Progress 15M en mars 2012 au moment de l’amarrage de l’ATV.
ISS (ZARYA)
1 25544U 98067A 12130.55019878 .00008943 00000-0 13283-3 0 5237
2 25544 051.6417 315.5971 0010305 295.3169 171.4746 15.55972523771998
SOYUZ-TMA 3M
1 38036U 11078A 12129.57515446 +.00009029 +00000-0 +13413-3 0 01200
2 38036 051.6418 320.4720 0010277 291.6159 109.8704 15.55954554021690
ATV-3
1 38096U 12010A 12129.57515446 +.00009029 +00000-0 +13413-3 0 00516
2 38096 051.6418 320.4720 0010277 291.6159 109.8704 15.55954554007252
PROGRESS-M 15M
1 38222U 12015A 12129.57515446 +.00009029 +00000-0 +13413-3 0 00310
2 38222 051.6418 320.4720 0010277 291.6159 109.8704 15.55954554002810
Et deux satellites lancés récemment qui nous intéressent tout particulièrement, Spot 6 et Metop-B :
SPOT 6
1 38755U 12047A 12270.16701594 .00000420 00000-0 10028-3 0 875
2 38755 98.2005 335.6563 0001375 107.7784 252.3571 14.58541169 2488
METOP-B
1 38771U 12049A 12269.75201276 -.00000044 00000-0 00000-0 0 194
2 38771 98.7371 327.2439 0003218 51.3202 308.8265 14.25044995 1141
Remerciements :
Je remercie les nombreuses personnes qui m’ont aidé à préparer cet article en me fournissant des informations sur l’ATV-3, la station spatiale internationale et les opérations de rendez-vous et d’arrimage. C’est un sujet qui fait appel à des métiers très différents et les procédures évoluent. Cela n’a pas été facile de vérifier toutes les informations etc.
Mes petites questions ont parfois surpris mes interlocuteurs, par exemple quand ils ont pris conscience que l’amarrage de l’ATV avait eu lieu au dessus du pacifique, presque’au niveau de la ligne de changement de date. Tout le monde semblait convaincu que le docking avait nécessairement lieu au-dessus de la Russie en visibilité des stations de poursuites russes. Visiblement, la procédure a changé avec l’ATV-3. Là aussi, si quelqu’un connaît l’explication précise, merci de poster un petit commentaire à la fin de cet article.
Merci donc à Serge Gracieux (Cité de l’espace), Lionel Baize (CNES), Paolo Nespoli (corps des astronautes de l’ESA), Daniel Scuka (ESA) et Delphine Gourdou (Astrium).
En savoir plus :
- Les fichiers utilisés pour reconstituer la trajectoire de l'ISS juste avant le docking :
- Un fichier excel contenant les positions et altitudes relevées dans les vidéos de l'ESA, les photographies, les vidéos de la NASA et les simulations de trajectoire.
- Un fichier kml pour visualiser sur Google Earth la trajectoire de l'ISS avant le docking de l'ATV-3.
- Des sites proposant les prévisions de trajectoire de l’ISS et les créneaux de visibilité à partir d’un lieu donné :
- Le site N2YO donnant la position de l’ATV-3 et d’autres satellites en orbite autour de la Terre.
- Sur le site de la NASA, le Gateway to Astronaut Photography of Earth, les pages proposant des images prises par les astronautes en orbites autour de la Terre.
- Sur le site de l’ESA, les pages sur l’ATV et le blog de l’ATV, le kit d’information sur l’ATV-3
- Sur le site du CNES, les pages sur le centre de contrôle de l'ATV et le blog de l’ATV-3.
- Sur le blog Un autre regard sur la Terre, d’autres articles sur les véhicules ATV, de Johannes Kepler à Edoardo Amaldi :
- Sur Youtube, une vidéo de l’approche et du docking de l’ATV-3.
- Un autre article sur le désamarrage de l'ATV-3 et une manoeuvre d'évitement de débris finalement annulée.