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Télémétrie Laser

Les objectifs scientifiques de la télémétrie laser sont très nombreux. C'est une pierre angulaire pour de nombreux thèmes, comme le champ de gravité terrestre à grande longueur d'onde (y compris ses variations temporelles), les systèmes de références terrestres & spatiaux, pour l'étude du niveau des océans et des glaciers, la tectonique des plaques, l'étalonnage d'instruments spatiaux, la physique fondamentale et également la sélénophysique ou la physique planétaire.

L’équipe Astrogéo du laboratoire Géoazur poursuit et développe cette activité ; d'une part en participant à l'effort d'observations et à travers leur assimilation dans des grands modèles de Terre (champ de gravité et repère de référence terrestre), et d'autre part en recherche et développement sur les métrologies optiques. Le projet T2000 (2005-2008) a permis d’effectuer une profonde rénovation des équipements Laser, avec de nouveaux objectifs à la fois scientifiques et technologiques.
 En outre, une structure inter-départementale de recherche, fondée en 2005 et nommée Iliade , est axée sur une coopération de savoir-faire sur les liens optiques (Métrologie des longueurs) entre notre UMR et ARTEMIS.

Télémétrie laser

Principe de la mesure

La Télémétrie Laser est une technique de mesure des distances séparant un observateur au sol et un réflecteur laser placé sur un satellite artificiel ou sur la Lune. Une station de télémétrie comprend un laser de forte puissance, qui envoie un faisceau vers le réflecteur, un télescope chargé de recueillir la lumière réfléchie et un système de datation donnant le temps aller-retour de la lumière.
 L'avantage de la Télémétrie Laser se situe dans la simplicité du concept de la mesure (mesure du temps de trajet d'une impulsion lumineuse) et dans son exactitude.
 Elle utilise des rétro-réflecteurs , d'un coût modeste, qui sont placés à bord des satellites ou encore, dans le cas de la Lune, qui ont été déposés par les missions Apollo et Luna entre 1969 et 1973.
 En revanche, la technique est tributaire de la météorologie et de la nécessité d'un personnel spécialisé pour la mettre en oeuvre au sol. La situation est un peu opposée à celle des techniques radio-électriques comme GPS ou DORIS, qui sont de type tous temps, très faciles d'utilisation sur le terrain et dont le coût très important est essentiellement dans la technologie embarquée à bord du ou des satellites (cas d'une constellation).
 Le traitement des données laser satellite amène bien souvent à déterminer un biais d'étalonnage pour chaque instrument (station laserau sol) et, éventuellement, pour chaque type de satellite. Nous avons mis au point, dans le cadre de l'utilisation des données de télémétrie sur les satellites géodésiques LAGEOS (-1 et -2) pour le calcul du repère de référence terrestre international, une méthode qui permet de déterminer les coordonnées des stations et le biais de son instrument, en même temps que les paramètres du mouvement du pôle.
 L'apport des données de Télémétrie LASER acquises ces dernières années sur les satellites laser (Géodésiques) Starlette, Stella, Ajisai, LAGEOS et LAGEOS-2 a été essentiel dans l'amélioration durepère de référence terrestre international (ITRF), ainsi que celle du modèle de champ de gravité de la Terre à grandes longueurs d'onde. La connaissance du champ de gravité global et de ses variations temporelles est fondamentale pour l'orbitographie et, en conséquence, pour le positionnement et l'altimétrie satellitaire.

Les cibles de la télémétrie laser

La télémétrie laser (en particulier les équipements du plateau de Calern, OCA ) a été et est toujours appliquée à la dynamique spatiale (trajectographie des satellites artificiels et ses applications scientifiques) et à l'étude du système Terre-Lune. Voir ses aspects technologiques.

Nous distinguons donc plusieurs types de cibles :

  • les satellites d'Observation de la Terre, dont (exemples et sites web):
    • LAGEOS (à 6000 km d'altitude) et les GNSS (GPS, GALILEO, GLONASS, éqipés de réflecteurs laser à bord) pour le postionnement : estimation des coordonnées des stations du repère de référence et des paramètres de la cinématique terrestre.
    • Jason-1 et -2, EnviSAT, etc., satellites d'océanographie spatiale portant un système de mesure d'altimétie radar à bord.
Station laser fixe de l'OCA (plateau de Calern)

Station laser fixe de l'OCA (plateau de Calern)

  • la Lune : les données laser Lune obtenues en télémétrant les réflecteurs déposés sur la Lune (dans les années 70 au cours des mission Apollo, notamment) depuis la station laser de Grasse ont permis et permettent encore des avancées importantes en mécanique céleste (paramètres orbitaux de la Lune et par l'étude des perturbations gravitationnelles ceux d'autres planètes), sur la géodynamique du système Terre-Lune, en physique fondamentale.
  • les cibles lointaines (satellites de la Lune, débris spatiaux non coopératifs, sondes planétaires) : dont actuellement le satellite LRO autour de la Lune.

Il y a en France, à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), deux stations de télémétrie laser, l’une mobile (dite FTLRS en anglais, pour French Transportable Laser Ranging System) pour réaliser des mesures dans des lieux particuliers et participer à des campagnes de mesures dédiées, l’autre fixe ( MeO, pour Métrologie optique) pour l’observation régulière des satellites et de la Lune.

Des travaux de rénovation ont été entrepris entre 2005 et 2008, au plateau de Calern (OCA) afin de moderniser les équipements. Ce projet (appelé T2000), soutenu par le CNES, l'INSU, la Région PACA et l'OCA, a notamment permis un profond ramienement des laboratoires dont pour accueillir la station laser mobile et pour rénover l'opto-mécanique du télescope de 154cm (Meo, Laser Lune).

En outre, la télémétrie laser sert de lien fondamental dans l'expérience spatiale de transfert de temps T2L2 (à bord de Jason2).

De plus, le GRGS est en charge d'un centre d’analyse qui traite les données SLR : http://vo.imcce.fr/slr-ac/

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