Un algorithme pour éviter les débris spatiaux

CNRS le journal Sciences de l'information Terre et Univers

Une équipe de recherche du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS-CNRS) développe un programme informatique pour calculer en temps réel le risque de collision entre un satellite et un débris en orbite.

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© Framestock / Stock.adobe.com

Depuis 1957 et le lancement du premier satellite Spoutnik, la conquête spatiale a révolutionné nos modes de vie. Mais elle a dans le même temps transformé la banlieue de la Terre en un immense dépotoir de débris de toutes sortes et de toutes tailles : satellites inactifs, étages de fusée, boulons, outils perdus par des astronautes...

Ces débris, relâchés pendant les missions ou issus de fragmentations provoquées par une explosion ou une collision, encombrent essentiellement deux régions autour de notre planète : les orbites basses – entre 200 et 2 000 kilomètres d’altitude – et l’orbite géostationnaire, à 36 000 kilomètres d’altitude. Cette accumulation atteint aujourd’hui des proportions inquiétantes : on estime à 36 000 le nombre d’objets de plus de 10 centimètres – parmi lesquels quelques milliers seulement de satellites encore actifs –, 1 million mesurant entre 1 et 10 cm et 130 millions de moins de 1 cm.

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Illustration montrant la multitude d’objets en orbite qui sont actuellement suivis (point de vue situé vers 35 785 km d’altitude). Les points-objets ne sont pas à l'échelle, et indiquent seulement les emplacements.

© Nasa ODPO

Autant de débris qui font planer sur les satellites en activité et les missions habitées, du fait de leur vitesse très élevée, la menace de collisions potentiellement catastrophiques. Celle-ci s’est d’ailleurs avérée bien réelle à plusieurs reprises, comme en 1996 quand un débris d’une fusée Ariane a mis hors service le satellite français Cerise, ou en 2009 lorsque le satellite américain Iridium 33 s’est totalement désintégré après être entré en collision avec un vieux satellite russe, Kosmos 2251, qui l’a percuté à 42 000 km/h !

Mieux anticiper pour moins slalomer


Aujourd’hui, le danger des débris spatiaux est pris très au sérieux par les agences spatiales et les opérateurs de satellites. Des équipes dédiées surveillent en permanence les satellites et en cas de risque de collision trop important, elles modifient la trajectoire de leur engin afin d’éviter le débris. Ces manœuvres sont devenues fréquentes. Un seul exemple : plusieurs fois par an, la Station spatiale internationale doit être manœuvrée pour éviter une collision potentielle. Et la situation n’est pas près de s’arranger, tant les satellites sont chaque année plus nombreux, tout comme les débris, et qu’aucune solution immédiate ne paraît envisageable pour réduire leur nombre. « Dans ce contexte, il est devenu crucial d’évaluer le plus finement possible le risque de collision de manière à prévenir de tels rapprochements, tout en évitant au maximum les fausses alertes car les manœuvres d’évitement sont des opérations longues et coûteuses », note Florent Deleflie de l’Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides1 (IMCCE).

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Les cellules solaires, ici celles du télescope spatial Hubble récupérées en 2002, subissent dans l’espace divers types de dégradation au fil du temps et les impacts de météorites sont les plus violents.

© ESA

Les travaux de chercheurs du CNRS vont précisément dans ce sens. Des équipes du LAAS-CNRS, en collaboration avec le Laboratoire de l’informatique du parallélisme2 (LIP), ont mis au point un algorithme à la fois très fiable et très rapide pour calculer les risques de collision. Développé en 2016, cet algorithme est désormais utilisé par le Centre national d’études spatiales (Cnes) pour évaluer le risque sur ses satellites et il a fait la preuve d’une grande efficacité.

Modéliser des trajectoires incertaines


Mais comment s’y prend-on exactement pour mesurer un risque d’impact ? À partir d’un catalogue, constitué essentiellement par le réseau de surveillance spatiale des États-Unis, repérant la position des débris les plus gros, ceux de plus de 10 cm – les plus dangereux –, on peut prolonger leurs orbites et prédire où ils se situeront dans le futur, et ainsi identifier un danger de collision à venir avec un satellite. « Les trajectoires des débris comme des satellites ne peuvent pas être connues avec exactitude longtemps à l’avance du fait des erreurs de mesure par les radars et les télescopes au sol, et aussi à cause de la difficulté de bien modéliser toutes les perturbations qui affectent l’environnement spatial, tel le frottement atmosphérique pour les orbites basses », explique Denis Arzelier, du Laas, coauteur de l’algorithme.

Dit autrement, cela signifie que la trajectoire d’un objet spatial est comprise dans un tube, qui est d’autant plus large que ces incertitudes sont grandes. Évaluer un risque de collision revient alors à calculer la probabilité que les deux tubes se croisent sur leur chemin à un moment donné. « Mathématiquement parlant, cette probabilité est ainsi définie comme une intégrale en deux dimensions d’une distribution gaussienne – la fameuse courbe en cloche représentant un jeu de données aléatoires – sur un disque », précise Mioara Joldes, du Laas, coauteure des travaux. Les acteurs du spatial se sont tous entendus sur cette définition et ont établi un seuil pour cette probabilité au-delà duquel il convient d’effectuer une manœuvre d’évitement : 1 sur 10 000.

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Mioara Joldes et un étudiant observent les résultats graphiques de l'implémentation numérique d'un algorithme de propagation des incertitudes, qui permet d’établir des critères visuels sur la nature des rencontres spatiales.

© David Villa / ScienceImage, CBI / LAAS / CNRS Photothèque
  • 1Tutelles : CNRS, Observatoire de Paris-PSL
  • 2Tutelles : CNRS, ENS Lyon, Université Claude Bernard

Contact

Mioara Maria Joldes
Chercheuse CNRS au Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS-CNRS)
Denis Arzelier
Directeur de recherche CNRS au Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS-CNRS)