Principe, panorama Télémétrie laser et l ILRS. La station Laser Ultra Mobile et ses campagnes. Les défis technologiques de la discipline

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1 Télémétrie Laser sur satellites et l ILRS La station Laser Ultra Mobile OCA/GRGS Les défis technologiques en cours.. F. Pierron (Observatoire de la côte d azur) Principe, panorama Télémétrie laser et l ILRS La station Laser Ultra Mobile et ses campagnes Les défis technologiques de la discipline

2 Télémétrie laser Mesure (à ~30ps) du temps de vol aller-retour d une impulsion lumineuse brève entre une station au sol et une cible Distance déduite de la vitesse de propagation de la lumière Datation du départ de l impulsion laser Chronométrie du temps de vol Point de référence : croisée des axes du télescope car fixe quelque soit l orientation du télescope (point virtuel)

3 Station de télémétrie laser Eléments constitutifs Laser : production du faisceau lumineux Chaîne de chronométrie: datation des événements, mesure du temps de vol Référence de temps (datation à 100ns) et de fréquence (asservissement chronomètre): horloge au césium (idéal mais coûteux), horloge rubidium synchronisée sur GPS Collecteur de lumière pour recueillir les photons revenant de la cible Détecteur de lumière Ensemble informatique: pilotage de la station, acquisition et pré-traitement des données

4 Historique de la télémétrie laser sur satellites Premier satellite artificiel : Spoutnik1 le 4 Octobre 1957 Positionnement par photos sur fond stellaire 1968 Premières mesures Laser en France à l OHP en octobre 1965 Service d aéronomie ( Bivas, Blamont) Précision : 1,50 mètres Laser : Rubis Qswitch un tir/5 secondes, 20 nanosecond,chrono 10 nanos première génération En 1967 campagne sur les satellites français D1C,D1D en Grèce, à l OHP, Début des années 1970 : Laser : Rubis Qswitch impulsions 3 nanosecondes précision : cm Construction de la station laser du Calern deuxième génération En 1983 : Passage au laser YAG mode-locké avec des impulsions de 100/200 picosecondes Fréquence de tir 5 à 10 Hertz, Précision de quelques centimètres : Evolution vers une précision de quelques millimètres laser 30 picosecondes hautes Hz, deux longueurs d onde Développement, construction et mise en opération de la station Laser Ultra Mobile : Premières mesures avec des lasers Khz, 10ps, multi longueurs d ondes

5 Les orbites des satellites Distance de 300 km à km adaptée à la mission - positionnement précis (2/3 mm) - Champ de gravité - Océanographie Satellites Lageos1 et 2 (60 cm, 410 kg à 5900 km)

6 Différents types de cibles Stella Ø=24cm, 60CCR, 48kg TOPEX/POSEIDON Ø=150cm, 192CCR ERS-1 Ø=20cm, 9CCR GPS 239x194x37mm3, 32CCR CHAMP Ø=5cm, 4CCR Apollo XI 46x46cm², 100CCR

7 Cibles sphériques LAGEOS Ø=60cm, 426CCR, 410kg Stella Ø=24cm, 60CCR, 48kg GFZ-1 Ø=21cm, 60CCR, 20kg WESTPAC Ø=24cm, 60CC, 23kg Ajisai Ø=215cm, 685kg 1436CCR miroirs Etalon Ø=1.294m, 2134CCR, 1415kg

8 Cibles lunaires Apollo 11, 14, 15, Luna 17 et 21 A11 NASA A14 A15

9 Propagation dans l atmosphère Effets de l'atmosphère variations de la vitesse de propagation déviation du faisceau Correction cible [ n( s) ] ds C = 1 station soit environ 2,5 m à la verticale Paramètres utiles pour évaluer cette correction troposphérique paramètres météorologiques mesurés au niveau de la station (T à ± 0.5 C, P à ±0.1mb, H à ± 5-10%) longueur d onde du faisceau laser quantité d atmosphère traversée (élévation du satellite)

10 Correction atmosphérique Pression (mm/mb) Température (mm/ C) Erreur prédite par le modèle : Si ±0,2 mb, ±1 C et ±10% à h=20 => erreur = 2 mm à h=50 => erreur = 0,6 mm Humidité (mm/%) Importance de la qualité de la station météorologique (mesures et localisation des capteurs) Erreur de 5 mm à 1 cm au zénith

11 Applications géodésiques réseau international Nécessité d une bonne répartition géographique des données Différents types de stations et de fonctionnements (richesse de différentes technologies mais difficultés d analyse) Collaboration, coordination internationale indispensable rôle de l ILRS ( International Laser Ranging Service)

12 Organisation internationale L ILRS est l un des services de géodésie spatiale de l IAG collecte, archive, distribue les observations SLR et LLR à l ensemble de la communauté Produits scientifiques: Earth orientation parameters (polar motion and length of day) Station coordinates and velocities of the ILRS tracking systems Time-varying geocenter coordinates Static and time-varying coefficients of the Earth's gravity field Centimeter accuracy satellite ephemerides Fundamental physical constants Lunar ephemerides and librations Lunar orientation parameters supports opérationnels et scientifique coordination des campagnes internationales d observation organisations de colloques et Workshops L ILRS accomplit sa mission avec les composantes suivantes : Governing Board Stations et sous réseaux (Eurolas, NASA, WPLTN) Operations Center Global and Regional Data Centers Analysis and Associate Analysis Centers Central Bureau Permanent and Temporary Working groups

13 Burnie- Tasmania Les stations - environ une quarantaine de stations fixes - quelques stations transportables lourdes (qqs tonnes) - une station ultra mobile Ftlrs

14 Les stations Françaises à l Observatoire de Calern et ailleurs.. l Observatoire de Calern Moblas8 et FTLRS à Tahiti

15 Quelques stations dans le monde Station Allemande TIGO au Chili Transportable Integrated Geodetic Observatory Station Nasa Moblas au Goddard (à Washington) Station de Wettzell en Allemagne Station Australienne à Mt Stromlo ( Côte Est à Camberra)

16 La station Laser Ultra Mobile French Transportable Laser Ranging System* Le plus compact système de télémétrie laser sur satellites au monde (300 kg, Ø tél. =13cm) construit à l Observatoire de la Côte d Azur avec le soutien du CNES du CNRS et de l IGN en 1995/2000 Opérationnel au meilleur niveau (volume de données et fiabilité) depuis 2002 Unique par la taille du télescope (13 cm) et sa compacité Unique par le temps de déploiement sur site (quelques jours) Réellement un défi technologique Pour les projets scientifiques : Campagnes géodésiques Calibration des satellites océanographiques Système terrestre International de référence Charge océaniques et mouvements de la croûte terrestre Colocalisations Multi-techniques Expériences de transfert de temps * FTLRS : French Transportable Laser Ranging Station La station Laser Ultra Mobile (Ftlrs) à Chania Crête en 2003

17 Mesures par campagne : 1000 Passages de satellites et 15/20000 pts normaux ~ 2000/3000 heures d observations Colocalisation San Fernando in Spain (Juin 2004)

18 L étalonnage des satellites océanographiques Pour l étalonnage des les satellites océanographiques Jason-1 Dec 2001 Jason-1 Dec 2001 Jason-2 June 2008 Jason-2 June 2008 Topex / Poseidon Aug 1992 mid 2002 Distance mesurée par laser (~1300 km +) X Point de de comparaison au Cap au de Senetosa) Cap de Senetosa) French Transportable Laser Ranging System (FTLRS)

19 Local configuration - Crete and Gavdos Chania 4 jours s écoulent entre nos 2 passages à Gavdos Ftlrs Oca-Grasse

20 Colocalisation San Fernando en Espagne (Juin 2004)

21 Septembre/Octobre 2004: Brest Objectifs : Mesures des variations verticales de la croûte terrestre Multi-techniques Pour quoi la normandie? Fortes marées océaniques Effets de charges importants Ftlrs Oca-Grasse Campaign dates: September/October 2004

22 2007/2008 Tasmania Calibration/validation project on Jason satellite in Tasmania Collaboration between UTAS and GRGS/OCA 5 months (2007/2008) in Burnie for permanent observations on site Oca/Cnes contribution : -Technological Staff -Station preparation Australian contribution : - Site installation -Travel & mission fees for french staff Sciences, research project established by both institute.. Ftlrs Oca-Grasse

23 2009/2010 :Transfert de temps Observatoire de Paris/OCA Répond au besoin de validation du système T2L2 : Vue commune entre 2 horloges de la gamme «10-16» Possibilité de comparaison avec les technologies RF existantes Avec un programme scientifique associé autour : Du transfert de temps Transfert de temps à l échelle de 10 ps par T2L2 Confrontation avec les liens GPS et 2-voies à l échelle de 50 ps Amélioration des modèles de propagation des signaux dans l atmosphère Des échelles de temps Étalonnage des liens opérationnels Rattachement des étalons primaires De la Physique fondamentale Mesure du décalage gravitationnel (Écart d altitude > 1000 m) Mesure de l isotropie de la vitesse de la lumière

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25 Mission Laser Ultra Mobile à Tahiti Mai-Aout 2011 OCA/CNES-GRGS/IGN/CNRS-INSU Colocalisation Moblas 8, station laser GRGS/UPF/NASA Transfert de temps par lien Laser T2L2

26 1. Colocalisation avec Moblas8 Installation à proximité Moblas-8 et FTLRS (15/20m) Rattachement topo effectué ave c une précision millimétrique par l IGN en juillet 2011 (IGN/JC Poyard) Observations communes Formations et échanges avec les techniciens OGT

27 2. Transfert de temps projet T2L2 sur Jason2 Horloge Maser en location par le projet T2L2 installée à l OGT GPS temps de grande précision associé à la station mobile Dateur T2L2 4 voies associé à la mission: Monitoring permanent des câbles entre la station Laser Mobile et le Maser Possibilité éventuelle de faire du transfert de temps avec la station Moblas avec le dateur T2L2 embarqué avec la mission..

28 Le bilan des observations Ftlrs à Tahiti de Mai à Octobre Total : 410 passages et 6600 points normaux sur Lageos1&2, Jason2, Stella/Starlette dont une centaine en commun avec Moblas 8. sur Lageos1&2 : 118 passage et 1252 points normaux Soit 3 fois plus que pendant les campagnes Crête 2003 ou Ajaccio 2005 dont une trentaine en commun avec Moblas8. Colocalisation et ITRF.. sur Jason2 : 106 passages et 2800 points normaux dont une trentaine en commun avec Moblas8 et quelques uns sur le même arc que la station Meo à Grasse avec le Maser en fonctionnement.. transferts de temps Moblas0/FTLRS/Meo à analyser..

29 Les résultats d observations station Mobile à Tahiti: Lageos 1 & 2

30 Technological challenges for SLR and future - Multicolor ranging for atmospheric measurement at sub mm level Tigo (Germ/Chili), Matera(Italy) - Kilohertz repetition rate ranging Graz (Austria), Herstmonceux (UK), Potsdam (Germany), Shangai(China), SLRNG (USA).. - Zero signature target for satellites in orbit : Blits (Russia) - Automation for unmanned operations Mt Stromlö (Australia), Zimmerwald (Switzerland), SLRNG (Nasa/GSFC) - Mobile systems to develop for specific projects TROS (Korea), FTLRSNG (France), China.. Multi technic colocations, Oceanographic satellites calibration, Time transfer,..

31 Two color ranging fot atmospheric delay measurement

32 Kilohertz ranging (2Khz to 10 Khz/10ps/1mj/5 w)

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34 Fin