La recherche spatiale et les communications avec Mars Episode 2 - La grande famille des équipements radios sur Mars : les satellites

Dans la précédente newsletter, nous vous présentions la famille des rovers sur Mars. Cet article  s’intéresse à son tour aux satellites qui gravitent autour de la planète rouge. Ils étaient au nombre de cinq (Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Express, Mars Orbiter Mission, Odyssey et Maven Orbiter) et ont été rejoints en février 2021 par la sonde Hope des Emirats Arabes Unis.

Figure 1 : orbites des satellites autour de Mars. Phobos et Deimos sont les deux satellites naturels de Mars (Crédit : NASA/JPL-Caltech) 

Le satellite Odyssey  orbite autour de Mars depuis 2002, sous la responsabilité de l’Agence spatiale américaine. Il a pour principal but d’étudier et de cartographier la surface de la planète. A cette fin, il transporte trois instruments de mesure[1]  ainsi que plusieurs antennes dans différentes bandes :

1. Une antenne UHF hélicoïdale quadri-filaire dédiée à la bande 400-448 MHz.  Elle présente l’avantage d’être compacte (26,5 x 16,5 cm). Son gain est de l’ordre de 5 dBi, sa polarisation est circulaire et sa puissance typique de 12 W. Elle permet des débits jusqu’à 256 kb/s. Sa fréquence d’émission est centrée sur 437 MHz et sa fréquence de réception sur 401 MHz.
2. Trois antennes en bande X, présentant respectivement des gains faible (LGA – 7dBi), moyen (MGA – 16.5 dBi) ou fort (HGA – 38 dBi). La LGA ne peut que recevoir alors que la MGA ne peut qu’émettre. Seul la HGA, parabole de 1,3 m de diamètre, peut aussi bien recevoir qu’émettre. Le réflecteur de la HGA porte l’antenne cornet MGA. Quelle que soit l’antenne utilisée, les émissions se font autour de 8 406,8 MHz et les réceptions autour de 7 155,4 MHz.

Figure 2 : le satellite Odyssey (Source : NASA http://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/odysseyarrival.pdf)

Le satellite Mars Reconnaissance Orbiter s’est inséré en orbite en 2006 et a également été développé par la NASA. Il a, quant à lui, pour mission de « suivre l’eau ». Il s’agit de  comprendre le climat martien (observer les saisons et les variations d’eau, de poussière et de dioxyde de carbone et caractériser la structure de son atmosphère) mais aussi l’activité aqueuse (rechercher les indices d’activité aqueuse ou hydrothermale). Comme Odyssey, ce satellite sert aussi de relais pour faciliter la communication entre les rovers et la Terre.

Figure 3 : photos de Mars prises par Mars Reconnaissance Orbiter à l’aide du téléscope HiRISE (Crédit : NASA/JPL-Caltech/Arizona State University)

Mars Reconnaissance Orbiter transporte plusieurs  instruments de mesures : un radiomètre infrarouge (MCS – profil vertical de température, poussière et vapeur d’eau sur 9 bandes de 0.3 à 45µm), un spectromètre (CRISM), un télescope (HiRISE – résolution 30 cm@300km), une caméra haute résolution monochromatique (CTX – résolution 6m @300km), une autre caméra grand angle fonctionnant sur 7 couleurs (MARCI) et enfin, un radar basse fréquence (SHARAD - fonctionnant à la fréquence de  20 MHz avec 10 Mhz de largeur de bande - afin de sonder en profondeur le sol martien). SHARAD est d’ailleurs représentatif de ce que devrait permettre, sur Terre, une nouvelle attribution à l’exploration terrestre par satellite dans la bande 45 MHz qui sera discutée lors de la CMR-23. 

Figure 4 : le satellite Mars Reconnaissance Orbiter

Pour communiquer, ce satellite transporte :

1. Une antenne à gain fort (HGA) constituée par une  parabole de 3 m de diamètre connectée à des transpondeurs en bande X (100 W), ainsi qu’en bande Ka (35 W), notamment pour l’envoi de données à des débits supérieurs à 6 Mbit/s. Son gain est de 45 dBi en bande X et de 56 dBi en bande Ka. Dans cette dernière bande, l’antenne ne peut qu’émettre et rapatrier ainsi vers la Terre des données volumineuses.
2. Deux antennes à faible gain (LGA) de type cornet qui ne fonctionnent qu’en bande X avec un gain de l’ordre de 8 dBi. L’une est située à la périphérie du réflecteur de la HGA et pointe donc dans la même direction, l’autre est située à l’arrière de ce réflecteur et pointe donc dans la direction opposée. Quel que soit l’antenne utilisée (HGA ou LGA), les émissions se font autour de 8 439 MHz et les réceptions autour de 7 183 MHz. 
3. Enfin une antenne UHF hélicoïdale quadri-filaire (13 W) qui pointe vers Mars et ne peut donc transmettre en direction de la Terre. Elle fonctionne dans la bande 390-450 MHz avec une réception dans 390-405 MHz et une émission dans 435-450 MHz.

Le satellite MAVEN Orbiter, développé par la NASA et en orbite depuis 2014, a pour sa part été conçu afin d’étudier l’atmosphère de Mars et d’élucider les causes de sa dilution au fil du temps. Le satellite dispose pour cela de divers instruments dont un spectromètre de masse (NGIMS - détermination de la composition de la haute atmosphère), un spectromètre imageur ultraviolet (IUVS –profilages verticaux des atomes et ions de la basse atmosphère), un magnétomètre (MAG), deux analyseurs respectivement d’électrons (SWEA) et d’ions (SWIA) du vent solaire ainsi qu’un instrument mesurant les particules énergétiques issus des vents solaires (STATIC). En fin de mission, MAVEN constituera comme tous les autres satellites en orbite autour de Mars, un relais de télécommunication vers la Terre. A cette fin, il dispose :

• d’une antenne à fort gain (HGA) de 2,1 m de diamètre fonctionnant en bande X ;
• d’une antenne UHF.

Le satellite Mars Express a été lancé par l’Agence spatiale européenne en 2003. Il a pour mission principale de cartographier Mars et son sous-sol.  Il transporte plusieurs instruments dont un analyseur de plasma (ASPERA), une caméra stéréo à haute résolution (HRSC permettant de produire des images en 3D), un radar basse fréquence (MARSIS – sondage de l’ionosphère et du sous-sol martien) et trois spectromètres fonctionnant respectivement du proche infrarouge aux micro-ondes (OMEGA – étude de  la composition minéralogique de la surface),  dans l’infrarouge (PFS – Optimisé pour l’étude des composants de l’atmosphère) et dans l’ultraviolet/infrarouge (SPICAM – mesure du taux d’ozone et de vapeur d’eau).

Pour ses communications, Mars Express dispose de trois antennes :

• une antenne à grand gain (HGA), parabole de 1,6 m de diamètre qui offre un gain de 40 dBi en bande X (65 W) et de 28 dBi en bande S (5 W) ;
• deux antennes à faible gain qui ne sont utilisées qu’en bande S et uniquement pour les phases de mise en service ou d’urgence.

Le satellite indien, Mars Orbiter Mission (MOM), s’est positionné autour de Mars en 2014. Il vise plus à éprouver les technologies embarquées qu’à étudier réellement la planète Mars, même s’il embarque quelques instruments d’étude tels un spectromètre thermique infrarouge, un capteur de méthane ou un photomètre.

Enfin, le dernier venu, la satellite Hope, permet aux Emirats Arabes Unis de rejoindre le club des pionniers de l’exploration spatiale et observera l’atmosphère et le climat martien. Il emporte une caméra, un spectromètre infrarouge et un spectromètre ultraviolet.

Rovers et satellites vont combiner leurs observations pour mieux comprendre l’histoire de la planète Mars et notamment d’élucider comment une atmosphère, qui, 3,5 milliards d’années auparavant, était assez chaude et humide pour permettre la formation de lacs et de rivières, est devenue un gaz si ténu qu’il représente aujourd’hui à peine un centième de la pression atmosphérique terrestre. Mars a-t-elle jadis été habitée ? Les données captées par ces engins et transmises à haut débit vers la Terre nous permettront peut-être bientôt de le déterminer.

-----------

[1] un spectro-imageur (THEMIS), caméra haute définition couplée à un spectromètre fonctionnant dans le domaine de l’infrarouge au visible sur 9 bandes spectrales entre 6,5 et 14,5 µm observation des minéraux), un spectromètre de rayons gamma (observation des composants de la surface) et un système d’étude des rayonnements spatiaux environnant la planète Mars.