Pourquoi le radar au sol est une technologie clé pour la surveillance de l’espace

Radar vs. télescopes optiques pour la connaissance de la situation spatiale (SSA / SDA)

Look Up et la mission de la connaissance de la situation spatiale et de la connaissance du domaine spatial

Chez Look Up, notre mission est de contribuer à une utilisation de l’espace plus sûre, plus durable et plus résiliente. À mesure que l’environnement orbital de la Terre devient de plus en plus encombré, disputé et critique sur le plan opérationnel, la Space Situational Awareness (SSA) et la Space Domain Awareness (SDA) sont devenues des capacités fondamentales pour les acteurs civils, commerciaux et de défense.

La SSA consiste à détecter, suivre, cataloguer et caractériser les objets artificiels en orbite, notamment les satellites opérationnels, les engins spatiaux hors service, les étages de lanceurs et les débris spatiaux. Une SSA fiable est essentielle pour :

• Prévenir les collisions en orbite et les effets de cascade de débris,
• Protéger les services spatiaux critiques (navigation, observation de la Terre, communications),
• Soutenir les opérations sûres des satellites et la planification des manœuvres,
• Permettre la gestion du trafic spatial et des comportements responsables en orbite.

Plusieurs technologies de capteurs sont utilisées pour observer l’environnement spatial depuis le sol. Parmi elles, les radars au sol et les télescopes optiques sont les deux approches les plus répandues et complémentaires. Cet article explique pourquoi le radar au sol est souvent privilégié pour une SSA continue et opérationnelle en orbite basse (LEO).

Comment observe-t-on les satellites et les débris spatiaux ?

Il existe deux principales technologies d’observation depuis le sol :

Télescopes optiques (visible / proche infrarouge)

Les systèmes optiques observent passivement la lumière solaire réfléchie par les objets spatiaux. Ils mesurent :

• La position angulaire dans le ciel,
  
• La magnitude apparente et ses variations temporelles (analyse photométrique), fournissant des informations sur la rotation, l’attitude ou les matériaux de surface.  

Radars au sol

Les systèmes radar illuminent activement les objets à l’aide d’ondes radio et analysent le signal rétrodiffusé. Ils mesurent directement :

• La distance (portée), via le temps de parcours du signal,
• La vitesse radiale, via l’effet Doppler,
• La surface équivalente radar (Radar Cross Section – RCS), liée à la taille, à la forme et aux propriétés des matériaux.

Les deux technologies sont aujourd’hui utilisées dans les réseaux nationaux et multinationaux de SSA (par exemple EU SST, US Space Surveillance Network), souvent de manière combinée.

Quels sont les atouts opérationnels du radar au sol ?

Fonctionnement continu : 24 h/24, de jour comme de nuit, par tous les temps

Les radars fonctionnent indépendamment de la lumière solaire et de la transparence atmosphérique. Ils peuvent opérer :

• De jour comme de nuit,
• À travers les nuages, le brouillard, la pluie ou les tempêtes,
• En présence d’une forte pollution lumineuse ou de l’éclairement lunaire.

À l’inverse, les télescopes optiques dépendent fortement des conditions environnementales. Leurs performances sont limitées par :

• La couverture nuageuse et la turbulence atmosphérique,
• La lumière du jour (la plupart des observations SSA optiques se font uniquement de nuit),
• La phase de la Lune et la luminosité du ciel,
• La géométrie d’observation, puisque les satellites doivent être éclairés par le Soleil et visibles depuis l’observateur.

Comme le soulignent des études de l’ESA et du programme EU SST, le radar permet d’augmenter significativement la disponibilité opérationnelle des réseaux SSA en comblant les lacunes dues aux contraintes météorologiques ou d’illumination.

Mesure directe de la distance et de la vitesse

Le radar fournit des mesures physiques directes :

• La portée, à partir du temps aller-retour du signal,
• La vitesse radiale, à partir du décalage Doppler.

Ces paramètres sont essentiels pour une détermination précise des orbites, en particulier pour les objets rapides en LEO, les objets manœuvrants et les observations sur de courtes fenêtres temporelles.

Les télescopes optiques mesurent principalement la position angulaire dans le ciel et la luminosité apparente. Bien que la précision angulaire puisse être très élevée, la distance et la vitesse doivent être déduites indirectement dans le temps, ce qui peut dégrader la précision orbitale pour des arcs d’observation courts ou des trajectoires évoluant rapidement.

Détection d’objets sombres, non coopératifs ou non éclairés

Le radar détecte les objets en fonction de leur RCS, et non de la lumière solaire réfléchie. Il permet ainsi de détecter des objets très sombres ou à faible albédo, des objets non coopératifs (sans balise ni réflecteur), des objets dans l’ombre de la Terre (éclipse) ainsi que des fragments de débris aux surfaces réfléchissantes irrégulières.

Les systèmes optiques, en revanche, deviennent quasiment aveugles lorsque les objets sont mal éclairés ou en éclipse, une situation fréquente en LEO.

Détection de très petits objets en orbite basse

L’un des défis majeurs de la SSA est le suivi des petits débris, qui peuvent néanmoins causer des dommages catastrophiques en raison des vitesses orbitales élevées.

Des radars haute performance comme SORASYS peuvent détecter des objets de quelques centimètres en LEO.

Les télescopes optiques au sol peinent généralement à détecter des objets inférieurs à ~10 cm en LEO, et uniquement dans des conditions très favorables. Cette limitation est largement documentée dans la littérature et l’expérience opérationnelle SSA.

Suivi d’objets rapides et de manœuvres brusques

Les objets en LEO présentent des vitesses angulaires très élevées vues depuis le sol. Les radars sont bien adaptés au balayage rapide du ciel, au maintien de « pistes » continues sur des cibles rapides et au suivi d’objets effectuant des manœuvres soudaines ou des rentrées atmosphériques.

À l’inverse, les télescopes optiques manquent généralement de la vitesse de repointage (ou de balayage) qu’un radar à balayage électronique peut offrir.

En conséquence, les systèmes optiques peuvent être moins adaptés à la couverture d’événements spatiaux rapides en LEO, tels que les fragmentations ou les rentrées atmosphériques, où des changements rapides de trajectoire et une agilité limitée du champ de vue peuvent entraîner des non-détections.

Résilience à la pollution lumineuse et à la congestion orbitale

La SSA optique est de plus en plus affectée par :

• La pollution lumineuse urbaine,
• La lumière de la Lune,
• L’activité aurorale,
• Les traînées des méga-constellations de satellites (par exemple Starlink).

Les radars sont intrinsèquement insensibles à ces effets, ce qui les rend plus robustes dans un environnement orbital à la fois encombré et fortement éclairé.

Radar vs. optique : résumé comparatif

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Pour une SSA continue et opérationnelle, en particulier en LEO, le radar au sol offre une fiabilité, une disponibilité et une précision inégalées. Sa capacité à fonctionner 24 h/24, à détecter des objets petits et peu lumineux et à fournir des données orbitales précises en fait une technologie clé de la surveillance spatiale moderne.

Cela dit, les architectures SSA les plus efficaces combinent capteurs radar et optiques, en tirant parti des forces de chacun. Les approches de fusion de données, activement développées dans les cadres de l’ESA et d’EU SST, améliorent significativement la détermination des orbites et la résilience des systèmes, en particulier lors de scénarios dynamiques tels que les rentrées atmosphériques ou les événements de fragmentation.

Conclusion

Les radars au sol sont indispensables à une SSA robuste en orbite basse. Leur disponibilité continue, leur indépendance vis-à-vis de la lumière et des conditions météorologiques, ainsi que leur capacité à détecter et suivre des objets petits, rapides et non coopératifs en font un outil essentiel pour protéger l’environnement orbital de plus en plus encombré d’aujourd’hui.

Chez Look Up, nous sommes convaincus que la SSA radar, complétée par une fusion intelligente des données issues d’autres types de capteurs, est la clé pour garantir la sécurité, la durabilité et la sûreté à long terme des opérations spatiales.