Geostationary Operational Environmental Satellite

Le premier satellite géostationnaire consacré aux observations météorologiques, SMS-1, est développé et lancé par la NASA. Un deuxième satellite SMS-2 aux caractéristiques identiques est développé et opéré par la NASA. Par la suite, l'initiative développement, la rédaction du cahier des charges et l'exploitation des satellites est reprise par la NOAA, agence gouvernementale dédiée à la collecte et à l'exploitation des informations météorologiques créée en 1970. Au sein de la NOAA, c'est la division National Environmental Satellite, Data, and Information Service (NESDIS) qui gère les satellites, collecte, traite et distribue les données fournies par ceux-ci. Les satellites suivants sont désormais baptisés GOES (Satellites géostationnaires opérationnels d'étude de l'environnement[1]). Le cahier des charges et le financement sont désormais du ressort de la NOAA mais le développement du segment spatial est pris en charge par la NASA.

Le premier satellite de la série GOES, GOES-1 est placé en orbite en 1975. Il fait partie d'une sous-série qui comprend trois satellites identiques aux SMS (GOES-1 à GOES-3 lancés entre 1975 et 1978) aux performances limitées. Il est stabilisé par rotation et ne peut effectuer des observations que durant 10 % de son temps. Les données fournies sont en deux dimensions (pas de sondage vertical de l'atmosphère). Il ne fournit aucune indication de l'épaisseur des nuages, de la proportion de vapeur d'eau, des variations de température selon l'altitude.

La génération suivante (GOES-4 à GOES-7 lancés entre 1980 et 1987) permet d'obtenir des profils verticaux de température et d'humidité. Les données recueillies permettent de fournir aux météorologues une image plus précise de l'intensité et de l'étendue des tempêtes, de détecter plus rapidement les évolutions et de prévoir des phénomènes comme le brouillard, les gelées, les tempêtes de poussière, les crues subites et les tornades. Toutefois les caméras et le sondeur atmosphérique utilisent la même optique ce qui ne permet pas aux deux instruments de recueillir des données simultanément[2].

GOES-I (GOES-8), lancé en 1994, est le premier exemplaire d'une nouvelle génération de satellites aux caractéristiques fortement améliorées sur tous les plans : résolution spatiale, quantité de données collectées et continuité de la collecte. La masse de l'engin spatial est multipliée par 3 passant de 800 à 2 200 kg. Cette série comprend 4 exemplaires lancés entre 1994 et 2001. L'amélioration des performances découle en partie de deux modifications : le satellite est désormais stabilisé sur 3 axes (son orientation est fixe dans l'espace) et les deux principaux instruments, la caméra (imageur) et le sondeur atmosphérique disposent chacun de leur optique ce qui permet un fonctionnement en parallèle. Les images prises sont situées avec une meilleure précision ce qui permet d'améliorer les prévisions des événements dangereux comme les orages et les tornades. Les observations programmées peuvent être interrompues pour se concentrer sur le suivi d'événements météorologiques locaux dangereux nécessitant des prévisions à court terme[2].

La NASA et la NOAA tentent au cours de la période 1992-1995 de définir une version entièrement nouvelle des satellites GOES. Mais ils constatent qu'il faut près d'une décennie pour concevoir, développer et fabriquer la nouvelle génération de satellites météorologiques géostationnaires. Aussi décident ils de prolonger la version existante. Les satellites GOES-13 à GOES-15, placés en orbite entre 2006 et 2010, constituent une simple évolution de la série précédente caractérisées par une meilleure résolution spatiale dans certaines longueurs d'onde[2]^,[3].

Le satellite GOES-R (GOES-16) placé en orbite en novembre 2016 constitue le premier exemplaire de troisième génération qui est envisagée dans les années 1990. L'établissement de ses spécifications débute en 2000. En 2001, les utilisateurs réunis à Boulder au Colorado, figent le cahier des charges qui prévoit des améliorations substantielles de la résolution spatiale, de la couverture et de la résolution spectrale, du taux de rafraîchissement des données et de la sensibilité radiométrique. La durée de vie est portée de 10 à 14 ans. La NASA sélectionne le constructeur Lockheed Martin en 2008 pour la construction de deux satellites plus deux autres en option. Le constructeur propose d'utiliser sa plate-forme A2100 déjà largement déployée sur des satellites de télécommunications placés en orbite géostationnaire. Le satellite doit avoir une masse à sec de 2 800 kg et disposer en fin de vie d'une puissance électrique de 4 kW. En mai 2012, le satellite passe la revue critique de définition. Le premier exemplaire de la série, GOES-R (GOES-16) est placé en orbite en novembre 2016. Le deuxième exemplaire, le satellite GOES-17 (GOES-S) est lancé début mars 2018[4].

Les données dans le visible et l'infrarouge provenant des satellites GOES sont interprétées par les météorologistes pour repérer les systèmes météorologiques et la structure de l'atmosphère. En temps réel, ils peuvent suivre à court terme l'évolution de dépressions, ouragans, orages ; ce qui permet d'émettre des avertissements ou des alertes. Grâce aux mesures de température par satellite, de vents et d'humidité venant des satellites GOES, qui sont injectées dans les modèles numériques de prévision, des cartes d'évolution de ces systèmes sont produites. Elles servent aux météorologistes dans la prévision à plus long terme et permettent de tenir un registre de température.

En mode recherche, les données accumulées sur des événements marquants comme l'ouragan Hugo en 1989 et les tornades du Midwest américain, peuvent conduire à une amélioration des techniques de prévision et des modèles.

• Images produites par le satellite GOES-16
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  GOES-16 : photos de l'hémisphère combinant l'image de plusieurs canaux.
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  GOES-16 : photos des États-Unis prises par l'imageur ABI dans les 16 longueurs d'onde disponibles du visible à l'infrarouge moyen permettant de distinguer la présence des nuages, de la vapeur d'eau, des particules, de la glace et des cendres volcaniques.
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  GOES-16 : photo du cyclone Harvey en 2017.

La tempête solaire du 23 octobre 2003 mesurée par les instruments de GOES-11 : graphique du haut flux de proton, graphique du bas : champ magnétique terrestre.

Les satellites GOES sont placés en orbite géostationnaire à 35 790 km de la surface de la Terre. Ils sont stationnés au-dessus d'un point particulier afin de couvrir en continu la même portion du globe 24 heures par jour. La série a connu plusieurs générations, la présente génération commence par le satellite GOES-I. Les premiers satellites GOES pèsent environ 300 kg alors que la génération construite en 2011 dépasse les 3 000 kg.

Ces satellites sont stabilisés et pointent leurs instruments en permanence vers la Terre en continu grâce à un système de gyroscopes à trois axes. La mission principale de ces satellites étant la météorologie, ils transportent deux types de capteurs :

• Un radiomètre imageur qui peut capter plusieurs longueurs d'onde du spectre électromagnétique dans le visible et l'infrarouge.
• Un sondeur qui effectue à distance un sondage aérologique de l'atmosphère terrestre pour en tirer la structure de température et d'humidité.

Ces capteurs prennent un certain temps pour acquérir les données sur la partie du globe qu'ils regardent. Chaque partie est sondée selon la résolution des instruments qui est actuellement de 1 km² sous le point satellitaire et diminue en allant vers les bords du disque terrestre à cause de l'angle de visée.

Actuellement, les satellites GOES fournissent une série d'images toutes les 15 minutes mais en limitant la zone couverte, la fréquence peut être augmentée pour atteindre une série toutes les 7 minutes et demie. Lorsqu'un ouragan ou une tornade frappe l'Amérique du Nord, c'est cette fréquence qui est requise, ce qui oblige à limiter la fenêtre de données au sud du Canada, aux États-Unis et aux Antilles[5], la majorité de l'Amérique du Sud n'étant plus couverte que toutes les trois heures. Comme cette situation se produit 40 % du temps durant la saison des ouragans et des tornades, le satellite GOES-10 est positionné au-dessus de l'Amazone en octobre 2006 pour y remédier, à condition que GOES-N fonctionne normalement pour prendre sa place.

Certains instruments secondaires font partie de l'appareil. On note le système de collection de données, le système de transmission et le système de surveillance des conditions d'opérations. Ce dernier suit les fonctions vitales du satellite grâce à un magnétomètre, un détecteur de rayons X, un détecteur de protons énergétiques et un détecteur de particules alpha. Finalement, les satellites GOES ont deux localisateurs de balises de détresse utilisé pour la recherche et sauvetage du centre de sauvetage de la US Air Force.

Les satellites GeoXO doivent succéder aux GOES-R. Le développement de cette nouvelle famille a été approuvé en juillet 2021 par l'opérateur des satellites météorologiques civils américains, la NOAA et la NASA responsable du développement du segment spatial. Le déploiement en orbite des GeoXO doit débuter en 2032 et ils doivent rester opérationnels jusqu'en 2055[10].

La NOAA dispose en permanence de deux satellites opérationnels de la série GOES en orbite géostationnaire qui occupent deux des cinq positions définies en 1961 par l'Organisation météorologique mondiale pour assurer la Veille météorologique mondiale (ces positions comprennent également la longitude 0° occupée par un des satellites européens de l'organisation EUMETSAT, la longitude 140° occupée par un satellite japonais Himawari et la longitude 75° occupée par un satellite indien INSAT) : GOES-Est est situé à la longitude 75°Ouest (au-dessus du continent américain) et fournit les principales informations météorologiques concernant les États-Unis. GOES-Ouest est positionné au-dessus de l'océan Pacifique à la longitude 135°Ouest. La couverture globale assurée par ces deux satellites s'étend de la longitude 20° Ouest à la longitude 165°Est L'agence américaine dispose également d'un satellite de réserve prêt à remplacer un des deux satellites opérationnels en cas de défaillance. Celui-ci positionné à la longitude 105° Ouest.

En mars 2018, la NOAA dispose en orbite de quatre satellites GOES opérationnels[11] :

• GOES-13 qui occupe la position GOES-Est est remplacé fin 2017 par GOES-16 et est placé en réserve.
• GOES-14 (en) placé en orbite le 7 juillet 2009 est en réserve.
• GOES-15 (en) placé en orbite le 4 mars 2010 occupe la position GOES-Ouest.
• GOES-16 (en) placé en orbite le 19 novembre 2016 occupe la position GOES-Est depuis fin 2017.

GOES-17 lancé le 1^er mars 2018 doit être à son tour opérationnel à compter du deuxième semestre 2018. Selon la planification établit en janvier 2018, il est rejoint par les deux autres satellites de la série GOES-R aux dates suivantes : GOES-T dont le lancement est pour septembre 2020 et GOES-U en orbite pour 2024[11].

Par convention, le nom des satellites GOES comporte avant leur lancement un suffixe de type lettre (exemple GOES-A) qui se transforme en chiffre si la mise en orbite est un succès (GOES-1).