SWOT, un nouveau satellite pour le suivi de l’eau mondiale

SWOT, pour Surface Water and Ocean Topography (topographie des océans et des eaux de surface) est un satellite scientifique d’hydrologie franco-américain. Il va réaliser des mesures d’altimétrie pour déterminer le niveau d’eau des océans, des lacs et des rivières sur toute notre planète.

Il vient de décoller ce 16 décembre à bord d’une Falcon 9 depuis la base de Vandenberg en Californie.

Après une phase de recette en orbite, SWOT va fonctionner pour au moins 3 ans sur une orbite à 890 km d’altitude, inclinée à 77,6°. Sa période de revisite (passage au-dessus d’un même point du globe) est de 21 jours.

Le premier satellite à étudier presque toute l’eau à la surface de la Terre

SWOT est une mission conjointe du CNES et de la NASA, avec des participations des agences spatiales britannique et canadienne (ASC-CSA).

La collaboration entre le CNES et la NASA sur les missions d’altimétrie satellitaire a débuté dans les années 1990. SWOT prend la suite des satellites TOPEX/Poseidon, Jason-1, Jason-2 et Jason-3 mais avec des mesures de plus grande précision et une meilleure couverture de la Terre.

Les instruments du satellite observeront la topographie de surface de l’océan dans les moindres détails et mesureront comment les plans d’eau changent avec le temps, sur plus de 90% de la surface de la Terre. Couplées à des modèles de terrain, ces mesures permettront aux hydrologues d’évaluer avec une grande précision la répartition de l’eau douce sur Terre via le débit des fleuves et rivières. Les scientifiques observeront les caractéristiques des océans avec 10 fois la résolution des technologies actuelles. SWOT peut observer toute la longueur de presque toutes les rivières de plus de 100 mètres, ainsi que collecter des données sur plus d’un million de lacs de plus de 62 500 m².

Le but de cette mission est donc d’étudier les effets du changement climatique sur le cycle de l’eau, ressource critique, de mieux comprendre la circulation océanique et d’améliorer les modèles climatiques.

Les observations amélioreront les prévisions d’inondation, en améliorant les modèles utilisés pour surveiller les sécheresses et en améliorant les prévisions d’élévation du niveau de la mer. Les observations bénéficieront également aux industries, comme celles liées à la navigation, en fournissant des mesures des niveaux d’eau le long des rivières, ainsi que des informations sur les marées, les courants et les avis de tempête océaniques.

De la haute technologie pour un inventaire mondial des ressources en eau

SWOT est un satellite de 2 200 kg au lancement. En configuration déployée en vol, il mesure 16 m x 10 m x 5,3 m. Les 2 panneaux solaires de 15,6 m² fourniront 8 kW.

La plateforme du satellite (ordinateur de bord, puissance électrique, contrôle thermique, communications avec la Terre, stockage des données, etc.) a été conçue par Thales Alenia Space à Cannes. SWOT est équipé d’un système de propulsion (plus gros réservoir au monde à membrane avec de l’hydrazine, architecture à 8 tuyères 22N), qui permettra une rentrée contrôlée dans l’atmosphère à l’issue de sa durée de vie, conformément à la Loi sur les Opérations Spatiales (LOS) qui est entrée définitivement en vigueur en 2020 pour faire face à la problématique des débris spatiaux.

Le module « charge utile » de SWOT se compose de deux composants principaux : l’interféromètre radar à bande Ka (KaRIn) et le module Nadir.

Le module NADIR est constitué des mêmes instruments que ceux des satellites JASON, parmi lesquels l’altimètre à double fréquence Poseidon fabriqué par Thales Alenia Space. Le module NADIR embarque par ailleurs 3 systèmes qui permettent de déterminer avec précision l’orbite de SWOT : le système DORIS, fabriqué par Thales, la charge utile de localisation GPSP (GPS Payload) et un ensemble de réflecteurs lasers LRA (Laser Retro-reflector Array) réalisés par le JPL.

Il est complété par un radiomètre micro-ondes AMR (Advanced Microwave Radiometer) pour déterminer les conditions atmosphériques pendant les mesures et ainsi corriger ces dernières en fonction de l’humidité, du vent, de la salinité…

L’instrument principal s’appelle KaRIn (Ka-band Radar INterferometer – radar interféromètre en bande Ka), fabriqué par le JPL. C’est un radar interférométrique à large fauchée qui comporte deux antennes SAR en bande Ka éloignées de 10 mètres l’une de l’autre, offrant une observation bidimensionnelle de 120 km de large (2 fauchées de 60 km de large chacune, de part et d’autre de la verticale), avec une résolution horizontale de l’ordre de 50-100 m, programmable de part et d’autre de la trace. La mesure d’altimétrie est calculée via la différence de phase du signal reçu par les 2 réflecteurs. Elles assurent ainsi une couverture des lacs, des rivières, réservoirs et océans de la Terre à raison de deux fois tous les 21 jours.

Thales Alenia Space fournit le RFU (Radio Frequency Unit). C’est le cœur analogique de l’altimètre qui va générer des formes d’onde radar avec des précisions de quelques centièmes de picosecondes. Les mesures fournies aux scientifiques pourront de plus être à la fois plus précises (gain de 40% dans l’erreur de mesure) et/ou avec une résolution pouvant descendre jusqu’à quelques dizaines de m² à comparer aux quelques km² des Jason 1, 2 et 3.

L’Agence spatiale canadienne (ASC) fournit des éléments clés du radar à large fauchée, les klystrons à interaction élargie (KIE) qui augmentent la puissance de l’instrument à large fauchée pour qu’il puisse produire les impulsions hyperfréquences qui serviront à mesurer l’élévation du niveau de l’eau.

L’agence spatiale britannique fournit le duplexer Ka Band de KaRIn.

SWOT sera donc capable d’effectuer des mesures 10 fois plus précises que ses prédécesseurs (précision verticale de 10 cm en moyennant sur des superficies de 1 km² et de 1.7 cm/km sur l’estimation des pentes d’eau), et ce sur l’ensemble de la Terre

Le segment sol de mission comporte deux centres de mission au JPL et au CNES, supportées par les stations sols en bande X du CNES sur plusieurs sites. Plus de 20 passages par jour sont nécessaires pour transmettre les 7.9 TBits de données journalières.

Le CNES est responsable du traitement des données de la charge utile Nadir qu’il échange avec le JPL pour archivage et diffusion par les 2 agences.

En ce qui concerne les données KaRIn, les agences fournissent des données de niveaux 1 et 2 (hauteurs d’eau géolocalisées « dé-spatialisées »), complétées par un produit de débit hydrologique. Il y a 2 modes de résolution de traitement à bord du satellite puis au sol : « haute résolution » HR dédié à l’hydrologie continentale pour l’identification des structures fines (rivières) et de petite taille (lacs) et le mode « basse résolution » LR dédié à l’océanographie avec une précision altimétrique très élevée.

En complément,

• SWOT sur le site du CNES
• Le press kit de la NASA
• Retrouvez le poster de la mission dans l’article Besoin d’affiches spatiales pour décorer vos murs ?

• Une vidéo de Jean sur SWOT :

Pour revoir le lancement de SWOT en direct avec de nombreuses informations sur la mission et des vidéos complémentaires :

Sources : sites CNES, NASA JPL et présentations à la presse de Thales Alenia Space

Image de couverture : crédit Thales Alenia Space