Orbite héliosynchrone

L'orbite héliosynchrone est une orbite polaire basse (entre 200 et 1 680 km) et de périodicité courte (décrite toutes les 88 à 120 minutes)[1].

Pour une orbite d'altitude donnée et d'inclinaison différente de 0, 90 et 180 degrés, la non-homogénéité du champ gravitationnel terrestre découlant du bourrelet équatorial induit une précession (rotation) du plan orbital. Un choix judicieux de l'inclinaison orbitale permet à l'orbite d'effectuer une rotation de 360° en une année, permettant de ainsi de maintenir un angle constant entre le plan orbital et l'axe Soleil-Terre.

Plus l'altitude du satellite retenue est élevée (elle choisie en fonction des performances des caméras et de la résolution spatiale recherchée), plus l'inclinaison orbitale requise dépasse les 90° ce qui, pour une orbite rétrograde, a pour conséquence que les hautes latitudes ne sont plus survolées. Les orbites héliosynchrones typiques sont inclinées à 98°, ce qui assure une bonne couverture du globe terrestre.

L'orbite héliosynchrone est également possible autour de certaines autres planètes, comme Mars, dont l'aplatissement est le double de celui de la Terre. La sonde Mars Global Surveyor survole ainsi Mars à 14 heures sur une orbite quasi-phasée de 88 orbites en 7 sols (elle se décale de 59 kilomètres à l'est à chaque cycle).

L'équation décrivant la vitesse de déplacement de la ligne des nœuds due au bourrelet équatorial est donné par[1] :

${\displaystyle {\dot {\Omega }}=-{\frac {3}{2}}J_{2}\left({\frac {R_{e}}{p}}\right)^{2}{\sqrt {\frac {\mu }{a^{3}}}}\cos(i)}$

où

L'inclinaison orbitale d'une orbite héliosynchrone circulaire pour différentes altitudes.

• ${\displaystyle J_{2}}$ est le second facteur de forme dynamique terrestre (1,08  × 10⁻³) ;
• ${\displaystyle R_{e}}$ est le rayon équatorial terrestre (6 378,14 km) ;
• ${\displaystyle \mu }$ est le paramètre gravitationnel standard de la Terre (398 600,440 km³/s²) ;
• ${\displaystyle p}$ est le demi latus rectum de l'orbite ;
• ${\displaystyle a}$ est le demi grand axe de l'orbite ;
• ${\displaystyle i}$ est l'inclinaison de l'orbite (en radians).

Pour une orbite héliosynchrone, un tour complet doit être effectué en une année sidérale, et le taux de précession doit donc être égal à ${\displaystyle \Omega _{h}=2\pi /(365,256\cdot 24\cdot 60\cdot 60)=1.9910\cdot 10^{-7}}$ rad/s. Ainsi, en supposant une orbite circulaire (i.e., ${\displaystyle p=a}$), l'inclinaison de l'orbite est donnée par :

${\displaystyle i=\arccos \left[-{\frac {2}{3}}{\frac {\Omega _{h}}{J_{2}}}\left({\frac {a}{R_{e}}}\right)^{2}{\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}}\right]}$

Le graphique ci-contre montre l'inclinaison requise pour une orbite héliosynchrone circulaire en fonction de son altitude.

Ce type d'orbite est utilisé par une grande partie des satellites des satellites d'observation de la Terre, principalement les satellites météorologiques, les satellites de reconnaissance (militaires) et les satellites de télédétection à usage civil.

L'orbite héliosynchrone comme toute orbite dérive sous l'influence des forces perturbatrices. Celles-ci sont principalement l'attraction de la Lune et du Soleil qui modifie légèrement l'inclinaison orbitale et le frottement atmosphérique qui génère un freinage et donc une diminution de l'altitude. Ces perturbations nécessitent que le satellite corrige périodiquement son orbite à l'aide de sa propulsion. Ces corrections sont particulièrement importantes si le satellite est phasé (cycle orbital est un nombre entier). Par exemple les satellites Spot qui ont une orbite phasée (avec une trace au sol qui repasse à 3 kilomètres de la trace du cycle précédent au niveau de l'équateur), voient leur orbite corrigée toutes les deux à huit semaines[4].

Le satellite de reconnaissance américain Samos-2 est le premier satellite artificiel à se placer sur une orbite héliosynchrone en janvier 1961 placé sur une orbite 474 x 557 avec une inclinaison orbitale de 97,4°. Le premier satellite du domaine civil est le satellite météorologique américain Nimbus-1 lancé en aout 1964. L'héliosynchronisme est particulièrement avantageux pour les satellites de télédétection. Le premier satellite de ce type est Landsat-1 (1972) développé par la NASA[5].