Cheminer dans l'obscurité profonde de l'espace

Antennes du réseau d'écoute Deep Space Network (DSN) de la NASA (© NASA/JPL)

Pour guider InSight dans l'espace interplanétaire entre la Terre et Mars, les navigateurs s'appuient sur l'analyse des signaux radios émis par la sonde et reçus sur Terre.

Au sol, les communications radio s'effectuent grâce aux antennes du réseau d'écoute de l'espace profond, le Deep Space Network (DSN) de la NASA. Dans l'espace, la sonde InSight dispose de plusieurs antennes radio.

Trois stations d'écoute ont été installées à des endroits stratégiques de la planète : Goldstone (Californie, Etats-Unis), Canberra (Australie) et Madrid (Espagne). Ce positionnement assure qu'à tout instant, au moins l'une des stations possède une visibilité sur Mars. Les échanges radio entre la Terre et la sonde InSight ont lieu dans la bande X, une gamme de très hautes fréquences située aux alentours de 10 Ghz, et qui convient bien aux communications longue portée dans l'espace.

Mesure de la distance

Pour vérifier la trajectoire suivie par InSight, les navigateurs déterminent traditionnellement la distance qui sépare la sonde de notre planète en mesurant très précisément le temps mis par les signaux pour parvenir à l'engin spatial puis revenir vers la Terre. Connaissant la vitesse de la Lumière (300 000 kilomètres par seconde), le délai de transit aller/retour permet d'accéder assez facilement à la distance.

Mesure de la vitesse par effet Doppler

Une seconde technique très utile est basée sur une mesure Doppler, qui offre la possibilité de déterminer la vitesse relative de la sonde par rapport à la Terre, en calculant le décalage de fréquence, par rapport à la fréquence initiale, des signaux radio émis par InSight.

Un exemple couramment utilisé pour décrire l'effet Doppler est celui d'un voyageur, assis sur un banc dans une gare, à une petite distance d'un rail. A un moment donné, un train arrive par la gauche en sifflant. Durant toute la période où le train s'approche du voyageur, la fréquence du sifflement augmente, et ce dernier devient de plus en plus strident. Ensuite, lorsque le train finit par dépasser le voyageur pour s'éloigner, le phénomène inverse se produit : la fréquence baisse graduellement, et le son émit par le train se fait plus grave. La même technique est mise en oeuvre dans l'espace, pour mesurer la vitesse avec laquelle la sonde InSight se déplace par rapport à la Terre.

Mesure Delta DOR

Grande antenne de la station espagnole Cebreros de l'Agence Spatiale Européenne (© ESA)

Enfin, une troisième technique plus récente a été mise au point pour obtenir des informations sur la position de la sonde dans les directions qui sont non pas parallèles, mais perpendiculaires à la ligne de visée Terre - sonde.

Baptisée Delta DOR (mesure différentielle du delta dans un seul sens), elle repose sur l'utilisation d'antennes séparées par une distance significative (idéalement situées sur deux continents), pour écouter simultanément les signaux émis par le vaisseau spatial.

Dans ce cas de figure, des antennes de deux sites différents du DSN de la NASA sont pointées vers InSight. Une fois la session d'écoute de la sonde terminée, les antennes utilisées sont dirigées vers un point de référence céleste, dont la position dans le ciel est connue avec précision. Les quasars, qui sont des balises radio naturelles particulièrement puissantes, sont alors des cibles de choix.

Les quasars permettent de corriger les imprécisions de la mesure, dues par exemple à l'activité solaire, aux perturbations de l'ionosphère (la couche d'air ionisée qui entoure la Terre), ou encore la dérive infime des horloges utilisées au sol. Pour une mesure donnée, le quasar choisi doit être situé dans une région du ciel proche de celle ou se déplace la sonde.

A l'heure actuelle, les ingénieurs sont obligés d'écouter le quasar puis la sonde, ou vice versa. Il n'est pas possible de recueillir en même temps les ondes radio du quasar et du satellite à suivre.

Délivrer la sonde à son point d'entrée

Grâce aux trois techniques que nous venons de citer, les navigateurs interplanétaires peuvent déterminer, à un instant donné, la position quasi-exacte d'InSight dans les trois dimensions de l'espace, ainsi que sa direction et sa vitesse. Si nécessaire, des manoeuvres de correction de trajectoire sont effectuées, pour affiner le trajet de la sonde, et faire en sorte qu'elle puisse entrer, au terme de son voyage, dans le système martien avec la bonne vitesse et le bon angle.

Tout au long de la phase de croisière, les navigateurs vérifient donc périodiquement l'évolution du satellite dans l'espace, et se penchent immédiatement sur la moindre anomalie ou déviation pour en déterminer la cause. De l'exactitude de la trajectoire suivie dépend la réussite de la phase critique d'atterrissage, et donc le succès de la mission.

Dernière mise à jour : 7 août 2017