L'observation de l'ISS

Préliminaire

Avant de commencer d'étudier l'observation de l'ISS, je vous invite à consulter deux sites qui vous expliqueront ce qu'est l'ISS :

http://www.esa.int/esaHS/iss.html

http://www.cnes.fr/web/773-iss-station-spatiale-internationale.php

Sur ce dernier site regardez notamment l'animation : quelques étapes dans la construction d'un laboratoire en orbite.

 

Généralités sur la position d'un satellite terrestre.

 Lois de Kepler

 Kepler a énoncé trois lois relatives au mouvement des planètes autour du Soleil

a) les planètes décrivent autour du Soleil des orbites elliptiques dont le Soleil occupe un des foyers

b) les aires balayées par des rayons vecteurs en des temps égaux ont égales

c) les carrés des temps de révolution sont proportionnels aux cubes des demi-grands axes des orbites

Ces lois sont également valables pour les satellites de la Terre.

Pour la 3eme loi et pour les satellites de la Terre, si on exprime t en jour et r en km le rapport t2/ r3 est égal à 1/ 75371227340000.

 

Caractéristique de la révolution d'un satellite terrestre sur son orbite

La révolution du satellite respecte les lois de Kepler.

L'orbite est définie par rapport à l'équateur terrestre et la direction du point vernal.

Le satellite est défini sur son orbite par rapport au périgée, lui même défini par rapport au noeud ascendant.

 

 

 

Le TLE

 La position d'un satellite sur son orbite et les caractéristiques de son orbite sont définies par le TLE..

 TLE = Two Lines Elements

 Le TLE est composé de 3 lignes formatées. La première indique le nom du satellite concerné et les 2 suivantes les caractéristiques à une date donnée.

 Exemple d'un TLE :

ISS (ZARYA)

1 25544U 98067A 08045.89313760 .00138671 00000-0 78286-3 0 9219

2 25544 51.6387 291.9788 0005795 53.0195 55.3415 15.78188928529078

Pour décoder ces lignes voir la page annexe TLE

 

On y trouve notamment :

La date du TLE

L'inclinaison de l'orbite par rapport à l'équateur terrestre (en degrés)

L'ascension droite du noeud ascendant de l'orbite (en degrés)

L'excentricité

L'argument du périgée (en degrés)

L'anomalie moyenne (en degrés)

Le mouvement moyen (révolutions/jour)

Le numéro de révolution au moment où ces éléments ont été déterminés

 

A partir du TLE, on peut calculer :

- Le demi-grand axe

- L'altitude de l'apogée

- L'altitude du périgée

- La latitude de l'apogée

- La latitude du périgée

- La précession du nœud ascendant

- La précession du périgée

 

L'ISS

Masse : 213 843,4 kg au 27/02/07

Dimensions : 73 m x 44.5 m x 27.5 m

Altitude : 350 km environ

Magnitude : de l’ordre de -1 (jusqu’a -5 !)

Angle vue du sol : 0,01° max

Vitesse linéaire : 27 700 km/h

 

Orbite de l'ISS :

Les valeurs sont données à titre indicatif. Elles varient en fonction des réajustements en altitude.

Inclinaison : 51,63°

Nœud ascendant : fonction du temps

Demi-grand axe : 6714 km

Excentricité : 0,0001472

Période : 91,28 minutes soit 1 h 31mn xx s

 

Les conditions de visibilité optique de l'ISS

Pour pouvoir observer l'ISS, plusieurs conditions doivent être respectées :

- L’ISS est au-dessus de l’horizon de l’observateur

- Pour l’observateur le Soleil est couché

- L’ISS est éclairé par le Soleil

 

L'horizon d'observation de l'ISS

 

 En prenant R = 6378 km et a = 350 km

arccos (q) =6378 / (6378+350) = 18 °

 d = (6378+350 ) x sin 18° = 2141 km

 Pour un observateur situé à Lille, l'horizon de visibilité de l'ISS , couvre la surface suivante :

 

 carte réalisée à partir de la carte http://www.viamichelin.fr/

 L'horizon est un cercle sous réserve d'une projection équidistante à partir de Lille.

 Dans la pratique, l'ISS est difficilement observable à une hauteur inférieure à 10°.

 

Position de l'observateur et de l'ISS par rapport au Soleil

 Il faut remarquer que la position de l'ISS dans l’ombre est indépendante de la position et de l’heure locale de l’observateur.

Elle dépend de la position de l’orbite par rapport au Soleil et de la position du satellite sur son orbite.

 

Pour comprendre ces premières informations, projetons toutes les coordonnées sur un planisphère.(projection cylindrique équidistante).

Exemple : 12 avril 2007 19h00 TU : l'ISS est visible à Lille

Le cercle rouge est l'horizon de visibilité de l'ISS à partir de Lille.

L'ISS est représenté par un triangle, jaune s'il est au Soleil, noir s'il est dans l'ombre.

Le tracé bleu correspond à la limite jour/nuit. Le tracé jaune correspond à la limite de l'éclairement de l'ISS.

Le tracé rose est le tracé de l'orbite de l'ISS.

Le point vernal est le 0.

 

Premier constat : un observateur situé à une latitude supérieure à 70° ne pourra pas observer l'ISS

A une latitude comprise entre 52° et 70°, l’ISS sera toujours vue vers le Sud

 

2eme constat : comme la Terre tourne, il suffit de quelques heures pour ne plus voir l'ISS

 

23h41 : l'ISS est dans l'ombre de la Terre

 

04h26 : la trajectoire de l'ISS n'est plus dans l'horizon de l'observateur

 

La précession du noeud ascendant.

Le renflement de la terre au niveau de l’équateur provoque un glissement du nœud ascendant des satellites.

Cette précession dépend de l’inclinaison, du demi grand axe et de l’excentricité.

Pour l’ISS le noeud ascendant dérive de -5,1° par jour.

17 avril 2007 19h00 TU : le noeud ascendant est décalé de 30° par rapport au 12 avril (v° 1er graphique)

 

Quelques jours après, l'ISS n'est plus visible à Lille.

3 mai 2007 19h00

 

Il faut attendre quelques jours que la trajectoire se décale et que l'ISS soit observable le matin

21 mai 2007 2h54

 

Périodicité de l'observation.

Le noeud ascendant se décale de -5,1 ° par jour.

Le Soleil se décale d'environ 1° par jour

Au bout de combien de jours retrouve t'on l'angle q entre le Soleil et le noeud ascendant ?

Il existe une périodicité est de 360 / (5,16 + 1) = 58 jours

10 juin 2007 19h00 TU : la trajectoire le l'ISS se retrouve dans la même configuration par rapport au Soleil qu'au 12 avril 2007 (1er graphique).

 

 Particularité en été des sites d'observation situés à une latitude supérieure à 32°.

Si le noeud ascendant se trouve à 90° de l'ascension droite du Soleil en été, les sites situés à une latitude supérieure à 32° ont parfois la chance de pouvoir observer l'ISS toute la nuit

Exemple à la latitude 43° les 5 et 6 juin 2007, 6 observations étaient possibles : à 19h56, 21h33, 23h08, 00h44, 02h19, 03h56

 Toutefois, pour la première et la dernière, le ciel n'était pas des plus sombres.

à 19h56 TU

 

à 00h44

 

03h56

Graphique annuel des observations possibles à Lille

 Il faut d'abord rechercher les périodes ou l'orbite dépasse la latitude 33° (51°- rayon de l'horizon)

On obtient ceci :

Remarquez la périodicité de 58 jours.

Puis y faire figurer le jour

et enfin la période où l'ISS est dans l'ombre de la Terre

On voit :

au jour J1, l'ISS sera visible le matin,

au jour J2, l'ISS ne sera pas observable

au jour J3, l'ISS sera visible le soir

 

 Un relevé des passages visibles de l'ISS a été réalisé sur le site d'Heavens-above en utilisant le TLE du 21 janvier 2008

En voici le résultat :

Zoom sur un mois :

 

Les lignes obliques correspondent à 16 tours de l'ISS donnant un décalage de 20 mn par rapport à la veille.

91,28 mn x 16 tours = 1460 mn soit 24h 20 mn

 

 Autre particularité de l'observation en été

A la latitude de Lille, il arrive exceptionnellement qu'en été, l'ISS passe deux fois de suite durant la nuit à la verticale de Lille sans être dans l'ombre de la Terre.

Quelle est la période entre deux passages à la verticale ?

On serait tenté de dire 91,28 mn.

Comme la Terre a tourné, le passage à la verticale de Lille ne se fait plus au même endroit sur la planisphère mais quelques 23 degrés plus à droite.

L'ISS doit donc parcourir ces 23 ° supplémentaire avant de se retrouver à la verticale de Lille.

La période du passage à la verticale est d'environ 96 mn.

 

L'observation de l'ISS à l'oeil nu

Il faut relever les différents passages pour le site d'observation.

Le site Heavens-above peut vous fournir ces passages : http://www.heavens-above.com

 

Il suffit ensuite de lever la tête à l'heure prévue pour voir passer l'ISS

Avec un appareil photo "familial" fixé sur un pied on peut même obtenir par exemple la rencontre de l'ISS avec Mars

L'observation de l'ISS aux instruments

L'observation avec un instrument  nécessite de suivre la course de l'ISS dans le ciel.

Comme la trajectoire et la vitesse apparente de l'ISS n'a aucun lien avec la trajectoire apparente des étoiles, le suivi ne peut être assuré avec le "goto" d'un instrument.

 

1ere méthode d'observation : pointer l'instrument vers un point du ciel où passera l'ISS.

L'observation derrière l'oculaire est très brève mais en mettant un appareil photo avec un déclenchement en rafale, on peut obtenir parfois la photo de l'ISS.

 Pour plus de détails, voir plus bas l'observation de l'ISS devant le Soleil.

 

2eme méthode : assurer le suivi manuellement en débrayant les axes et suivre au telrad

 

3eme méthode : utiliser un logiciel spécifique permettant de traquer l'ISS

 

L'observation de l'ISS devant le Soleil ou la Lune

Lors de son parcours, l'ISS passe parfois devant le Soleil ou la Lune.

Il suffit de pointer le Soleil avec l'instrument équipé d'un filtre et de photographier en rafale ou en filmant

 

Le temps de passage devant le Soleil dépend de la hauteur du transit

La vitesse de variation de q est constante, elle fait 360°/91,28 = 3°,94 à la mn soit de l'ordre de 4' /s

mais la vitesse de variation de h dépend de h !

 calcul de la vitesse

 Dans le cas où l'ISS passe au zénith, voici la courbe représentant la vitesse de rotation de la monture en fonction de le hauteur.

 

 

Si on observe le transit au zénith, la durée du passage devant le Soleil sera de 0,5/1,26 soit 0,39 seconde.

Si on observe à 45° de hauteur, la durée sera de 0,7 seconde

A 20° de hauteur, la durée sera de 2 secondes

 

Zone d'observation d'un transit.

 

 

La zone constitue une bande. La largeur de cette bande dépend également de la hauteur d'observation.

Elle est de 3,5 km pour un Soleil au zénith et de 18 km pour un Soleil à l'horizon

 

Les sites Web

http://www.heavens-above.com précise les dates et heures de passage

http://www.calsky.com précise les dates et heures de passage devant le Soleil ou la Lune

http://spaceflight1.nasa.gov/realdata/tracking/ présente un planisphère avec les différents passages

http://science.nasa.gov/Realtime/ liste de logiciels de tracking

http://spaceflight.nasa.gov/realdata/sightings/SSapplications/Post/JavaSSOP/orbit/ISS/SVPOST.html données de l'ISS dont le TLE

http://astropedia.free.fr/index/index3.html modèles orbitaux

http://perso.numericable.fr/~wolf424/univers.ovni/rentrees/elements_kepleriens.html paramètres orbitaux

http://www.nasa.gov/missions/highlights/schedule.html liste des missions vers la navette

http://www.obsat.com/navette.htm les missions vers la navette

http://artemmis.univ-mrs.fr/cybermeca/Formcont/mecaspa/ANNEXES/URL2SITE.HTM liste de sites astronautiques

http://www.astrosurf.com/simian/satellites_soleil_lune.htm quelques explications et des comptes-rendus d'observation

http://cbreisse.free.fr/uranie/liens.htm un autre site qui parle des satellites artificiels avec de nombreux liens