Geostationary Operational Environmental Satellite

Le satellite GOES 16/R, premier exemplaire de la troisième génération des satellites GOES avant son lancement en 2016
Le satellite GOES 14 de la deuxième génération (2009).
Le satellite GOES 2 de 1re génération (1977)
Le satellite GOES 4 de 1re génération (1980)
Lancement de GOES-N par une fusée Delta IV Medium+ (4,2) (2006)

La série Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) constitue la principale famille de satellites météorologiques circulant en orbite géostationnaire utilisés par le National Weather Service (NWS), le service météorologique national des États-Unis. Deux de ces satellites occupent en permanence des positions fixes au niveau de l'équateur d'une part au-dessus du contient américain (GOES-East) et d'autre part au-dessus de l'Océan Pacifique (GOES-West). Ils fournissent un flux continu d'images en lumière visible et infrarouge qui permettent de reconstituer les principales caractéristiques de la fraction de l'atmosphère terrestre et des masses océaniques observables depuis leur latitude (environ un tiers de la surface du globe). Ces données sont utilisées pour la prévision météorologique (prévision par les météorologistes et prévision numérique du temps) et la recherche. Ces satellites emportent également des instruments qui fournissent des données de météorologie spatiale (flux de particules produits par le vent solaire) et sur le champ magnétique terrestre.

Les satellites GOES sont développés et placés en orbite par l'agence spatiale civile américaine, la NASA. Ils sont financés et gérés par la NOAA, l'agence américaine spécialisée dans le recueil des données météorologiques. Cette dernière gère le segment terrestre et se charge de compiler et diffuser les données auprès des différents utilisateurs nationaux et internationaux. Le premier satellite GOES a été lancé en 1975. Trois générations de satellites aux performances croissantes ont été développés. Les satellites de troisième génération, dont le premier exemplaire, GOES-R (GOES-16), a été placé en orbite en novembre 2016, est un engin spatial de plus de 5 tonnes dont l'instrument principal ABI fournit toutes les 5 minutes une image complète des caractéristiques de l'atmosphère du globe terrestre avec une résolution spatiale pouvant atteindre 500 mètres. Quatre exemplaires de cette série sont prévus.

Historique

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'initative 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 3 lancés entre 1975 et 1978) aux performances limitées. Il est stabilisé par rotation (spinné) et il 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 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 2200 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 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 GOES. Mais ils constatent qu'il faudra 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 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'ondes[2],[3].

Le satellite GOES-R (GOES-16) placé en orbite en novembre 2016 constitue le premier exemplaire de la troisième génération qui avait été envisagée dans les années 1990. L'établissement de ses spécifications débute en 2000. En 2001, les utilisateurs réunis à Bouler (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 rafraichissement 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 plateforme A2100 déjà largement déployée sur des satellites de télécommunications placés en orbite géostationnaire. Le satellite doit avoir une masse à sec de 2800 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 est lancé début mars 2018. [4].

Mise en œuvre

Les données visibles et infrarouges 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, de vents et d'humidité venant des 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 températures.

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

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 a commencé par GOES-I. Les premiers satellites GOES pesaient environ 300 kg alors que la génération construite en 2011 dépasse les 3 tonnes.

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 :

Ces capteurs prennent un certain temps pour acquérir les données sur la partie du globe qu'ils regardent. Chaque partie en 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 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 GOES-10 a été repositionné 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 GOES ont deux localisateurs de balises de détresse utilisé par la recherche et sauvetage du centre de sauvetage de l'US Air Force.

Caractéristiques techniques

Principales caractéristiques des différentes versions de satellites GOES
Caractéristiques GOES A-C (1-3) GOES D-H (4-7) GOES I-M (8-12) GOES N-P (13-15) GOES R-U (16-19)
Génération Première génération + sondage atmosphériques verticaux Deuxième génération Évolution de la deuxième génération Troisième génération
Date lancement 1975-1978 1980-1987 1994-2001 2006-2010 2016-
Constructeur Philco-Ford Hughes Space Systems/Loral Boeing Lockheed Martin
Plateforme HS-371 SSL-1300 BSS-601 A2100A
Masse (à sec) 627 kg (295 kg) 836 kg (399 kg) 2015-2279 kg 3133 kg (1800 kg) 5192 kg (2857 kg)
Durée de vie 10 ans 15 ans
Attitude Spinné Stabilisé 3 axes
Principaux instruments VISSR VAS Imageur, Sondeur Imageur, Sondeur ABI, ABS
Performances imageur Résolution spatial imageur 1 à 8 km
Image de l'hémisphère toutes les 26 minutes
Précision pointage 42 microradians
Résolution spatial imageur 0,2 à 2 km
Image de l'hémisphère toutes les 5 minutes
Précision pointage 28 microradians

La première génération : les satellites SMS

La première génération des satellites GOES est constituée par les satellites Synchronous Meteorological Satellite (SMS) développés par la NASA. Ces satellites d'environ 600 kg sont stabilisés par rotation (100 tours par minute). Ils emportent un radiomètre infrarouge VISSR (Visible Infrared Spin-Scan Radiometer) qui fournit toutes les 20 minutes des images en noir et blanc de la couverture nuageuse de jour comme de nuit et mesure la luminance énergétique de l'atmosphère terrestre. Le satellite emporte également un instrument qui mesure les flux de protons, électrons et rayons X qui fournissent des informations sur l'activité solaire (météorologie spatiale) ainsi qu'un magnétomètre. Le satellite est un cylindre d'une largeur maximale de 190,5 cm haut de 230 cm. Le capteur du magnétomètre est situé à l'extrémité d'une perche longue de 83 cm. Le corps du satellite est tapissé de cellules solaires qui fournissent l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du satellite[6].

La série comprend trois satellites GOES 1 à 3 (GOES A à C) aux caractéristiques identiques aux deux premiers satellites SMS de la NASA. Les satellites GOES 4 à 7 disposent d'une version évoluée de l'instrument VISS. VAS (visible and infrared atmospheric sounder) fournit un profil de température vertical de l'atmosphère qui permet de reconstituer une image tri-dimensionnelle de sa structure. Sa résolution spatiale atteint 0,9 km dans le visible et 6,9 km en infrarouge[7].

Deuxième génération : GOES I à P

Contrairement aux satellites de première génération, les satellites GOES-I à GOES-P sont stabilisés 3 axes (leur orientation est fixe ans l'espace). Les dimensions du corps central de forme parallélépipédique sont 2 m x 2,1 m x 2,3 m mais ces dimensions sont portées à 26,9 x 5,9 x 4,9 mètres une fois les panneaux solaires et les antennes déployés.Le satellite est conçu pour une durée de vie de 7 ans et une durée de vie opérationnelle de 5 ans. Le système de contrôle d'attitude permet de maintenir la position avec une précision de 0,5° en latitude et en longitude. Sur la plateforme FS-1300 de Space Systems/Loral est fixée une aile portant des panneaux solaires qui peur tourner pour maintenir une orientation optimale par rapport au Soleil. Les cellules solaires fournissent au minimum 1057 Watts. Une perche longue de 17 mètres supporte une petite aile solaire de forme conique qui est chargée de contrebalancer la poussée de la pression radiative du Soleil sur les panneaux solaires. Un volet orientable fixé au bout du panneau solaire est utilisé pour ajuster finement l'équilibre du satellite. Le satellite a une masse au lancement de 2105 kg et une masse à vide de 977 kg. Il emporte 1128 kg ergols. La sous-série GOES M-P a une masse au lancement de 2270 kg pour une masse à vide de 1042 kg. Les satellites emportent deux séries instruments de seconde génération[8] :

  • L'imageur fournit des images dans 5 longueurs d'ondes (visible, infrarouge moyen et thermique) avec une résolution spatiale de 28 (lumière visible) à 112 km (infrarouge). Il fournit une image complète de l'hémisphère toutes les 25 minutes ou des images partielles (3000 km x 3000 km) toutes les 3,1 minutes. La précision de pointage est de 4 km au nadir.
  • Le sondeur atmosphérique fonctionne dans 19 longueurs d'ondes et fournit des images avec une résolution spatiale de 8 km.
Schéma de GOES-12 : Vue d'artiste d'un satellite de deuxième génération.

La troisième génération : GOES-R,S,T, U

GOES-R est le premier exemplaire de la troisième génération des satellites météorologiques géostationnaires américains. Le premier exemplaire GOES-R/GOES 16 a été placé en orbite en novembre 2016. Un second exemplaire est lancé en mars 2018. Ces satellites disposent des capacités suivantes[9],[4] :

  • L'instrument ABI fournit des images en lumière visible et en infrarouge de l'ensemble de l'hémisphère toutes les 5 minutes avec une résolution de 500 mètres en lumière visible et de 1 à 2 km dans le reste de la bande spectrale (Instrument Advanced Baseline Imager ABI)
  • Couverture simultanée de plusieurs zones touchées par des phénomènes météorologiques graves toutes les 30 secondes sans interruption de la couverture globale de l’hémisphère
  • Détection et cartographie de la foudre (Instrument Geostationary Lightning Mapper GLM)
  • Recueil en continu de données sur l'environnement spatial :
    • Mesure du champ magnétique terrestre (Instrument Magnetometer MAG)
    • Détection des particules provenant de la magnétosphère, les ions à haute énergie, les protons solaires et galactiques (Suite d'instruments Space Environment In-Situ Suite SEISS)
    • Détection des rayons X, gamma (γ) (Instrument EUV and X-Ray Irradiance Sensors EXIS) et ultraviolet (instrument Solar Ultraviolet Imager SUVI).
Schéma de GOES-R : position des principaux instruments.

État du parc de satellites (maj mars 2018)

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 d'EUMETSAT, la longitude 140° occupée par un satellite japonais Himawari et la longitude 75° occupée par un satellite indien INSAT) : GOES East est situé à la longitude 75°Ouest (au-dessus du continent américain) et fournit les principales informations météorologiques concernant les Etats-Unis. GOES-West 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[10] :

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

GOES-17 lancé le 1er mars 2018 devrait être à son tour opérationnel à compter du deuxième semestre 2018. Selon le planning établi en janvier 2018 il sera rejoint parles deux autres satellites de la série GOES-R aux dates suivantes : GOES-T dont le lancement interviendra mi-2020 et GOES-U placé en orbite mi 2024[10].

Historique des lancements des satellites GOES

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

Historique (maj 3/2018) [6],[7],[11],[12],[13]
Satellite Génération Date de lancement Lanceur Identifiant COSPAR Début et fin utilisation Autre information Statut[14],[8]
SMS 1 1 17 mai 1974 Delta 2914 1974-033A Géré par la NASA Décommissionné en janvier 1981
SMS 2 6 février 1975 Delta 2914 1975-011A Géré par la NASA Décommissionné
GOES-1
(GOES A, SMS C)
Delta 2914 1975-100A Premier satellite géré par la NOAA Décommissionné en février 1985
GOES-2
(GPES B)
Delta 2914 1977-048A Décommissionné en 1993
GOES-3
(GOES C)
Delta 2914 1978-062A 1978-1993 Utilisé après 1993 comme relais
pour la base de recherche au Pôle Sud
Décommissionné en 2016
GOES-4
(GOES D)
1b Delta 3914 1980-074A Décommissionné en 1988
GOES-5
(GOES E)
Delta 3914 1981-049A Décommissionné le
GOES-6
(GOES F)
Delta 3914 1983-041A Retiré du service en 1989 à la suite d'une défaillance de la plateforme
GOES-G Delta 3914 1986-F04 Échec du lancement
GOES-7
(GOES H)
Delta 3914 1987-022A 1987-1996 Utilisé à compter de 1999 comme satellite de télécoms Décommissionné en 2012
GOES-8
(GOES I)
2 Atlas 1 1994-022A Décommissionné en 2004
GOES-9
(GOES J)
Atlas 1 1995-025A -1998 Secours de GMS-5 à partir de 2003 Décommissionné en 2009
GOES-10
(GOES K)
Atlas 1 1997-019A 1998-2009 En 2011 sans doute victime sans doute d'un impact sur son orbite de parking Décommissionné en novembre 2009
GOES-11
(GOES L)
Atlas IIA 2000-022A 2006-20111 Décommissionné en décembre 2011
GOES-12
(GOES M)
Atlas IIA 2001-031A 4/2003- Ergols épuisés Décommissionné en 2013
GOES-13
(GOES N)
2b Delta IV M+(4,2) 2006-018A 4/2010- longitude 75°O En réserve
GOES-14
(GOES O)
Delta IV M+(4,2) 2009-033A longitude 105°O, En réserve
GOES-15
(GOES P)
Delta IV M+(4,2) 2010-008A 12/2011- longitude 135°O (GOES West)
GOES-Q Annulé
GOES-16
(GOES R)
3 Atlas V 541 2016-071A 2017- longitude 75.2° O (GOES East)
GOES-17
(GOES S)
1 mars 2018 Atlas V 541 2018-022A
Lancements planifiés
GOES-T 3 vers 2020
GOES-U vers 2024

Notes et références

  1. Centres régionaux de formation aux sciences et techniques spatiales, Nations unies, Météorologie par satellite et climat mondial : Programme d'études, New York, (ISBN 92-1-200263-3, lire en ligne [PDF])
  2. a, b et c (en) « GOES History », NOAA (consulté le 4 mars 2018)
  3. (en) « GOES-N, O, P Satellites (extended 2nd generation series) », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 4 mars 2018)
  4. a et b (en) « v », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 4 mars 2018)
  5. (en) NOAA plans shift in geostationary satellite orbit to improve weather forecast coverage over South America du Magazine publié par la NOAA, 2006.
  6. a et b (en) Gunter Krebs, « SMS 1, 2 / GOES 1, 2, 3 », sur Gunter's space page (consulté le 3 mars 2018)
  7. a et b (en) Gunter Krebs, « GOES 4, 5, 6, G, 7 », sur Gunter's space page (consulté le 3 mars 2018)
  8. a et b (en) « GOES 2nd Generation Series », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 3 mars 2018)
  9. (en) GOES-R Instruments Overview, sur le site du GOES Project, 2011.
  10. a et b (en) « NOAA Geostationary Satellite Programs Continuity of Weather Observations », NOAA,
  11. (en) Gunter Krebs, « GOES 8, 9, 10, 11, 12 », sur Gunter's space page (consulté le 3 mars 2018)
  12. (en) Gunter Krebs, « GOES N, O, P, Q », sur Gunter's space page (consulté le 3 mars 2018)
  13. (en) Gunter Krebs, « GOES R, S, T, U », sur Gunter's space page (consulté le 3 mars 2018)
  14. (en) « Information sur les satellites de la NOAA », National Oceanic and Atmospheric Administration (consulté le 20 novembre 2016)

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

  • (en) Page du site EO Portal de l'Agence spatiale européenne portant sur les satellites GOES-R, les satellites de 2ème génération
  • (en) Informations à propos des GOES sur le site de la NOAA
  • (en) La génération GOES I à M