Des instruments à réflexion laser de la NASA pour aider à localiser les mesures de la Terre

L’utilisation la plus connue des satellites GPS est d’aider les gens à connaître leur position, qu’ils conduisent une voiture, naviguent sur un bateau ou un avion, ou fassent une randonnée à travers un territoire éloigné. Une autre utilisation importante, mais moins connue, consiste à distribuer des informations à d’autres satellites d’observation de la Terre pour les aider à déterminer avec précision les mesures de notre planète.

La NASA et plusieurs autres agences fédérales, dont l’US Space Force, l’US Space Command, l’US Naval Research Laboratory et la National Geospatial-Intelligence Agency, améliorent la précision de localisation de ces mesures au millimètre près grâce à un nouvel ensemble de réseaux de rétroréflecteurs laser. , ou LRA.

“Le principal avantage de la télémétrie laser et des LRA est d’améliorer la géolocalisation de toutes nos observations terrestres”, a déclaré Stephen Merkowitz, chef de projet pour le projet de géodésie spatiale de la NASA au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland.

Une équipe de scientifiques et d’ingénieurs participant au projet a testé ces réseaux plus tôt cette année pour s’assurer qu’ils étaient à la hauteur de leur tâche et qu’ils pouvaient résister à l’environnement hostile de l’espace. Récemment, le premier ensemble de ces nouveaux réseaux de rétroréflecteurs laser a été expédié à l’US Space Force et à Lockheed Martin à Littleton, au Colorado, pour être ajouté à la prochaine génération de satellites GPS.

Comment fonctionnent les réseaux de rétroréflecteurs laser ?

Les réseaux de rétroréflecteurs laser permettent d’effectuer des télémétries laser en utilisant de petits éclats de lumière laser pour détecter les distances entre les objets. Les impulsions de lumière laser provenant d’une station au sol sont dirigées vers un satellite en orbite, qui se réfléchissent ensuite sur le réseau et retournent à la station. Le temps nécessaire à la lumière pour voyager du sol au satellite et vice-versa peut être utilisé pour calculer la distance entre le satellite et le sol.

Les réseaux de télémétrie laser et de rétroréflecteurs laser font partie des missions spatiales depuis des décennies, et ils sont actuellement montés et essentiels au fonctionnement de satellites d’observation de la Terre comme ICESat-2 (satellite Ice, Cloud, and land Elevation 2), SWOT (Surface Topographie de l’eau et des océans) et GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow On). Des LRA pour la télémétrie laser ont même été déployés à la surface de la Lune lors des missions Apollo.

“Les LRA sont des miroirs spéciaux”, a déclaré Merkowitz. “Ils sont différents d’un miroir normal car ils renvoient la lumière directement vers sa source d’origine.”

Pour la télémétrie laser, les scientifiques souhaitent diriger les faisceaux lumineux vers la source d’origine. Pour ce faire, ils placent trois miroirs à angle droit, formant essentiellement le coin intérieur d’un cube. Les réseaux de rétroréflecteurs laser sont constitués d’un réseau de 48 de ces coins en miroir.

“Lorsque la lumière entre dans le réseau, en raison de ces angles de 90 degrés, la lumière rebondit et prend une série de réflexions, mais l’angle de sortie sortira toujours selon le même angle que celui qui est entré”, a déclaré Zach Denny. ingénieur optique pour le projet de géodésie spatiale à Goddard.

À quoi serviront les réseaux de rétroréflecteurs laser ?

La géodésie est l’étude de la forme de la Terre, ainsi que de sa gravité et de sa rotation, ainsi que de la manière dont elles évoluent au fil du temps. La télémétrie laser jusqu’aux réseaux de rétroréflecteurs laser est une technique clé dans cette étude.

La surface de la Terre change constamment, de petites manières, en raison du déplacement des plaques tectoniques, de la fonte des glaces et d’autres phénomènes naturels. Avec ces changements constants – et le fait que la Terre n’est pas une sphère parfaite – il doit y avoir un moyen de définir les mesures à la surface de la Terre. Les scientifiques appellent cela un cadre de référence.

Non seulement ces réseaux et la télémétrie laser aident à localiser avec précision les satellites en orbite, mais ils fournissent également des informations de positionnement précises pour les stations au sol sur Terre. Grâce à ces informations, les scientifiques peuvent même aller jusqu’à trouver le centre de masse de la Terre, qui est l’origine, ou point zéro, du référentiel.

Les mesures géodésiques – télémétrie laser vers des satellites de référence comme LAGEOS (Laser Geodynamic Satellites) – sont utilisées pour déterminer en permanence l’emplacement du centre de masse de la Terre au millimètre près. Ces mesures sont essentielles pour permettre aux scientifiques d’attribuer une longitude et une latitude aux mesures satellitaires et de les placer sur une carte.

Des événements importants comme les tsunamis et les tremblements de terre peuvent provoquer de légères modifications du centre de masse de la Terre. Les scientifiques ont besoin de mesures précises de télémétrie laser pour quantifier et comprendre ces changements, a déclaré Linda Thomas, ingénieur de recherche au US Naval Research Laboratory à Washington.

Les mesures par satellite de phénomènes terrestres subtils mais importants, tels que l’élévation du niveau de la mer, reposent sur un cadre de référence précis. La tendance mondiale à long terme de l’élévation du niveau de la mer, ainsi que ses variations saisonnières et régionales, se produisent à un rythme de quelques millimètres seulement par an. Le cadre de référence doit être plus précis que ces changements si les scientifiques veulent les mesurer avec précision.

“La géodésie est un élément fondamental de notre vie quotidienne car elle nous indique où nous sommes et comment le monde évolue”, a déclaré Frank Lemoine, scientifique du projet Space Geodesy de la NASA.