Qu'est-ce que la veille spatiale ?

La veille spatiale est une approche qui consiste à déterminer, suivre et prédire la position future d'objets en orbite autour de la Terre. Les gouvernements, les entreprises et les institutions investissent dans la veille spatiale afin de déterminer le nombre croissant de ressources spatiales réparties en orbite autour de la Terre et dans l'espace impacté par la gravité de la Lune et de la Terre, appelé espace cislunaire.

La toute première étape de cette approche consiste à se baser sur les observations réalisées depuis la Terre pour identifier et suivre les objets gravitant sur une orbite proche de la planète. À partir de ces données de surveillance spatiale, l'on peut créer une représentation numérique de chaque objet spatial. Enfin, l'on applique à ces données des principes de mécanique spatiale et de physique afin de prédire comment la gravité et d'autres forces déterminent l'orbite de chaque objet au fil du temps. 

Le principal objectif de la veille spatiale est de prévenir les collisions entre des engins spatiaux et des débris. Cette approche permet également de planifier le retour dans l'atmosphère d'engins spatiaux désaffectés ou qui ne servent plus, ou encore d'analyser des fragments de collisions ou d'explosions qui ont eu lieu en orbite, parfois à la suite d'actes hostiles.

La veille spatiale fournit également les données et les outils nécessaires aux systèmes de gestion du trafic spatial, empêchant ainsi les interactions indésirables, tout en facilitant la gestion proactive des orbites des objets contrôlables.

Les agences spatiales, les organisations militaires et les opérateurs de satellites développent leurs capacités en matière de veille spatiale afin d'assurer la protection de leur matériel spatial, de faire en sorte qu'il fonctionne le plus longtemps possible, et d'éviter les dégâts matériels et les blessures lors du retour dans l'atmosphère. Si l'objectif principal est de protéger des équipements de très grande valeur, il s'agit également de maintenir les capacités scientifiques, de communication et d'observation de la Terre de ces ressources, qui sont essentielles aux affaires et à la sécurité nationale.

D'après les calculs de l'Agence spatiale européenne (ESA), depuis le lancement de Spoutnik par la Russie en 1957, les gouvernements et les entreprises ont lancé plus de 21 600 satellites sur l'orbite terrestre, dont plus de 14 200 sont encore opérationnels en 2025. Le matériel de lancement et les débris générés par plus de 650 collisions viennent s'ajouter aux 54 000 objets en orbite mesurant plus de 10 centimètres de long, ainsi qu'à des millions de fragments plus petits. 

Nombre de débris en orbite terrestre basse (OTB) classés par taille

Même si l'espace proche de la Terre est immense, le risque de collision est statistiquement élevé, car les objets en orbite se déplacent à très grande vitesse sur des trajectoires différentes, et de nombreux satellites doivent occuper ou passer sur ces mêmes trajectoires afin de couvrir toute la surface de la planète. Au-delà des opérations spatiales, le sujet de la veille spatiale prend de plus en plus d'importance dans des domaines tels que l'économie et la politique, dans un monde où le nombre d'objets traçables ne cesse d'augmenter de façon quasi exponentielle, où l'on dépend de plus en plus de la communication et de l'observation spatiales, en particulier pour la sécurité nationale, et où de plus en plus de gouvernements non alliés partent à la conquête de l'espace. 

La veille spatiale est fondée sur la mécanique spatiale, qui a recours à la physique classique et à la physique relativiste pour prédire les effets de la gravité sur les orbites. Les calculs se basent principalement sur les forces gravitationnelles du Soleil, de la Terre et de la Lune.

Pour assurer un suivi et une prédiction corrects de la trajectoire d'objets spatiaux, les systèmes de veille spatiale doivent inclure trois composantes dans leurs calculs.

1. Détermination des objets spatiaux

La première composante est la détermination des objets en orbite. Pour recueillir ces données, les systèmes de veille spatiale utilisent des radars et des télescopes au sol, qui assurent la surveillance et le suivi spatiaux. Ces dispositifs de surveillance permettent de déterminer la masse d'un objet à partir de sa position et de sa vitesse. Ils utilisent également des sources internes et externes pour identifier l'objet et cataloguer l'ensemble de ses caractéristiques géométriques et opérationnelles.

Le suivi d'objets spatiaux est un travail de longue haleine. De nombreux objets peuvent changer de trajectoire, et de petites forces telles que la traînée et la pression de la météo spatiale peuvent modifier les orbites de manière imprévisible. Les systèmes de veille spatiale suivent non seulement les objets artificiels, mais aussi les astéroïdes géocroiseurs.

2. Suivi ou prédiction de trajectoire des débris spatiaux

La seconde composante est la connaissance des débris spatiaux. Les explosions, les défaillances mécaniques sur des engins spatiaux et les collisions entre objets peuvent générer des débris. La fragmentation causée par ces événements entraîne la production de petites particules qui se déplacent dans de nombreuses directions différentes. Les systèmes de veille spatiale avancés capturent les caractéristiques des débris spatiaux et évaluent à quoi ressemble le champ de débris d'après les collisions réelles et potentielles. 

3. Impact de la météo spatiale

La troisième composante est la prise en compte de la météo spatiale. Les éruptions solaires génèrent des rayonnements qui peuvent entraîner des perturbations et interférer avec les trajectoires des satellites. Lors d'un tel événement, les particules chargées peuvent affecter la densité de la haute atmosphère terrestre et provoquer une traînée sur le satellite susceptible d'affecter les trajectoires orbitales. Les opérateurs qui ont recours à la veille spatiale doivent constamment tenir compte du rayonnement solaire et prévoir l'effet de la météo spatiale dans leurs calculs.

Autres facteurs ayant un impact sur la veille spatiale

Le suivi et les prédictions sont également affectés par la traînée atmosphérique (bien que très légère en orbite) qui agit sur les engins spatiaux situés dans l'espace proche de la Terre, en particulier en orbite terrestre basse (OTB). La traînée est également un facteur important dans les calculs de retour dans l'atmosphère.

Tout comme les forces transmises par le rayonnement solaire, la chaleur et la lumière visible réfléchies depuis la Terre (albédo) entraînent des perturbations du mouvement de l'engin spatial, qui varient lorsque la position de l'objet par rapport au Soleil et à la Terre change.

Il faut également prendre en compte la défaillance des systèmes d'orientation (qui incluent généralement un ensemble de gyroscopes) des satellites. L'orientation d'un engin spatial par rapport au Soleil et à la Terre est importante car elle peut affecter la pression de rayonnement et la traînée appliquées à l'objet. 

La mise en œuvre et le maintien d'un système de veille spatiale est une entreprise complexe. Par le passé, la plupart de ces systèmes ont été mis en place par des agences gouvernementales. Les États-Unis gèrent plusieurs systèmes de veille spatiale par l'intermédiaire du Département de la Défense des États-Unis, de l'US Space Force, de l'US Air Force et de l'Agence américaine d'observation océanique et atmosphérique (NOAA) à des fins commerciales. Le système de veille spatiale principal des États-Unis est le réseau de surveillance spatiale (Space Surveillance Network, SSN).

L'Agence spatiale européenne (ESA) est l'administrateur principal du programme de sécurité spatiale européen (Space Safety). D'autres pays disposent de systèmes similaires pour soutenir leurs activités dans le domaine spatial ou collaborent avec l'un des systèmes ci-dessus. Avec le développement rapide des vols spatiaux commerciaux, plusieurs solutions de veille spatiale commerciales ont vu le jour.

Voici quelques-uns des défis auxquels sont confrontées les équipes qui travaillent sur la veille spatiale.

Des engins spatiaux de plus en plus petits et nombreux

La miniaturisation des satellites, associée à la diminution des coûts de lancement, a entraîné la multiplication du nombre d'engins spatiaux. Des objets plus difficiles à suivre en raison de leur petite taille et de leur nombre.

Encombrement de certaines zones

Les satellites ne sont pas répartis uniformément autour de la planète. Afin de rester toujours au même endroit au-dessus de la surface de la Terre, les satellites en orbite géostationnaire doivent partager la même altitude. En outre, de nombreux opérateurs veulent positionner leurs engins spatiaux au-dessus des mêmes zones. Ainsi, l'orbite géostationnaire est de plus en plus fréquentée. Le problème est le même avec les satellites en orbite terrestre basse, car de nombreuses missions visent à observer ou à recevoir des signaux provenant des mêmes zones.

Observation précise et rentable

Les réseaux de surveillance spatiale sont coûteux à construire et à entretenir, nécessitant des technologies de détection optique et radar de pointe. À mesure que le nombre d'objets en orbite augmente, le coût de ces systèmes augmente également.

Gestion et stockage des données

Le suivi d'un objet dans l'espace nécessite la collecte d'un très grand nombre de données. Non seulement le nombre d'engins et de débris spatiaux augmente sans cesse, mais en plus, les données récoltées pour la veille spatiale couvrent de nombreuses années d'observation.

Visualisation

Il devient de plus en plus difficile de présenter les données recueillies dans le cadre de la veille spatiale de manière informative et exploitable. Le volume d'espace surveillé par les différents systèmes est énorme et contient de plus en plus d'objets. En outre, il doit être représenté en trois dimensions.

Prédiction

Les systèmes de veille spatiale doivent permettre de prédire les futures orbites, d'identifier les menaces potentielles et de modéliser les débris spatiaux en cas de collision. Les ingénieurs utilisent également les systèmes de veille spatiale pour planifier le retour dans l'atmosphère terrestre ou le déplacement d'engins spatiaux désaffectés sur des orbites stables. 

Les organisations impliquées dans la veille spatiale ont plusieurs outils à leur disposition pour relever les défis auxquels elles sont confrontées.

Politiques et stratégies

Côté humain, cela passe par la mise en œuvre de politiques et de stratégies adaptées. Il existe de nombreuses normes internationales auxquelles la plupart des pays ayant un programme spatial adhèrent. C'est notamment le cas du Traité sur l'espace de 1967, de la Convention sur la responsabilité spatiale de 1972 et de la Convention sur l'immatriculation de 1976.

Plus récemment, des directives et des stratégies demandant aux états de coopérer et d'agir de manière responsable ont été mises en œuvre. Ces accords encouragent :

• La limitation des débris
• La limitation des désintégrations en orbite
• La désorbitation des engins spatiaux une fois leur mission terminée
• La mise en œuvre de technologies d'évitement des collisions
• La fin des destructions intentionnelles d'objets dans l'espace

Matériel et logiciels

Côté technique, cela passe par l'utilisation de systèmes logiciels et matériels robustes capables de collecter des informations, de mettre en œuvre des outils de gestion du trafic spatial et d'utiliser des solutions de veille spatiale au service de la sécurité nationale.

Les solutions matérielles utilisent une puissance de calcul avancée qui repose sur des systèmes de mémoire à grande vitesse, des processeurs graphiques et des services de cloud computing pour gérer les quantités massives de données et de calculs nécessaires. Le matériel inclut également les capteurs utilisés dans les systèmes de suivi. Les progrès réalisés dans les domaines des systèmes radar et des capteurs optiques en orbite et au sol permettent d'obtenir des informations toujours plus précises. Le logiciel Ansys HFSS permet aux ingénieurs de concevoir des antennes plus efficaces. Quant au logiciel Ansys Zemax OpticStudio, il leur permet d'améliorer les performances des caméras.

En ce qui concerne la partie logicielle, il est essentiel de mettre en place une plateforme robuste et flexible sur laquelle reposera la solution logicielle dédiée à la veille spatiale. Des solutions telles que le logiciel Ansys Systems Tool Kit (STK) fournissent une base physique permettant de modéliser avec précision et de prédire efficacement le comportement des objets et des débris dans l'espace. Le logiciel Ansys Orbital Determination Tool Kit (ODTK), quant à lui, est conçu pour prédire les comportements futurs des engins spatiaux à partir de données de suivi. Chaque équipe qui travaille sur la veille spatiale a besoin d'une plateforme flexible et puissante sur laquelle s'appuyer pour développer une solution logicielle adaptée à ses besoins spécifiques. 

Le nombre d'objets en orbite autour de la Terre, qu'il s'agisse de satellites lancés ou de débris, continuera d'augmenter à mesure que les activités spatiales se développent dans l'espace cislunaire et au-delà. Après plusieurs décennies de veille spatiale, les acteurs de l'industrie aérospatiale ont pris conscience des défis auxquels ils étaient confrontés et ont su mettre en place des bonnes pratiques afin de rendre notre environnement spatial futur plus sûr.

1. Suivre les règles

En matière de veille spatiale, la priorité n° 1 est de faire en sorte que les concepteurs et les opérateurs d'engins spatiaux respectent les politiques et les directives établies afin de permettre à tous de coexister sereinement en orbite.

2. Investir dans des technologies de suivi et partager les données

Pour obtenir de bons résultats, il faut se reposer sur une bonne base. Ainsi, la qualité de veille spatiale dépend fortement de la fidélité et de l'actualisation des données de suivi. Le partage des données est également un facteur essentiel de réussite des systèmes de veille spatiale.

3. Tirer parti des avancées en matière de calculs

Le traitement des immenses quantités de données générées par la veille spatiale nécessite des vitesses et des capacités informatiques phénoménales ainsi que des algorithmes d'optimisation très poussés. Nul doute que les capacités statistiques de l'informatique quantique permettront de faire des avancées considérables dans ce secteur à l'avenir.

4. Mettre en œuvre les avancées dans les domaines de l'analyse de données et de l'analyse prédictive

En définitive, la veille spatiale est principalement axée sur l'analyse prédictive et l'analyse de données, qui sont fondées sur la modélisation basée sur la physique. Les opérateurs peuvent profiter des avancées dans les domaines de l'analyse de données standard, de l'apprentissage automatique (ou « machine learning ») et de l'intelligence artificielle (IA) pour améliorer la veille spatiale.

5. Créer des représentations numériques basées sur la physique de haute fidélité

Pour prédire les trajectoires et prévenir les menaces potentielles, les systèmes de veille spatiale ont recours au Digital Mission Engineering (DME) basé sur des représentations numériques de haute fidélité de l'environnement autour de la Terre. Cela inclut les engins spatiaux, les débris et la météo spatiale, ainsi que tout autre facteur ayant un impact sur la position d'un objet en orbite au fil du temps. 

Ressources connexes