Les orbites phasées, comment ça marche ?

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En ces jours où l'on reparle d'une expérience Take5 avec SPOT5, je m'aperçois que je n'ai pas expliqué ici comment on arrive à faire passer le cycle orbital de SPOT de 26 à 5 jours exactement, en abaissant l'orbite de SPOT de seulement 3 kilomètres. Il n'y a en fait rien de sorcier là dedans, juste de la simple arithmétique.

 

Depuis son orbite à 822 km d'altitude, SPOT5, comme ses prédécesseurs, a un cycle de 26 jours. Tous les 26 jours, il se retrouve au même endroit exactement. Au cours de ces 26 jours, SPOT 5 fait 369 tours de la terre. En 24 heures, un satellite SPOT parcourt donc 369/26 = 14.19 révolutions (on utilise aussi improprement le mot orbite à la place de révolution).  En diminuant l'altitude du satellite de 3 km, la vitesse du satellite diminue un peu, mais la distance à parcourir diminue davantage, le rayon du cercle à parcourir étant plus petit, son périmètre est plus court. Le satellite met donc un peu moins de temps à parcourir un tour de la terre. Il effectue ainsi 14.2 orbites par jour exactement.

Voici les orbites utilisées pour SPOT4 (Take5), avec quelques uns des sites observés en France et en Afrique du Nord. Le satellite parcourait d'abord l'orbite bleu clair, à l'ouest de la France, puis l'orbite verte le lendemain, la jaune le jour suivant et ainsi de suite. On constate qu'il était possible d'observer un site sur la trace verte depuis l'orbite bleue, et donc que chaque point au sol est bien accessible depuis un cycle orbital de 5 jours avec les capacités de dépointage de SPOT.

 

14.2 orbites en un jour, c'est aussi exactement 71 orbites en 5 jours. Le tour est donc joué, et le cycle est passé de 26 jours à 5 jours. C'est ainsi que nous avons pu réaliser l'expérience Take5.

 

On m'a aussi souvent demandé pourquoi SPOT avait une orbite de 26 jours. Nos prédécesseurs ont voulu proposer que chaque point au sol puisse être observé depuis la verticale, ou presque. Les satellites SPOT 1 à 5 avait un champ de vue de 116 km en utilisant les deux instruments, et l'on constate que 116x26x14.19 = 43000km, soit à peine plus que le périmètre de la terre à l'équateur. Ceci dit, on a rapidement constaté que la programmation de SPOT utilisait rarement cette possibilité d'observer avec les deux instruments joints. C'est donc le poids de l'histoire qui fait que l'on a conservé cette orbite pour tous les satellites SPOT, un peu comme l'écartement des voies des TGV qui provient directement de la largeur de l'arrière train d'un cheval. Il serait donc possible d'exploiter les satellites SPOT directement depuis l'orbite à 5 jours, ce qui ne changerait rien pour l'exploitabilité des satellites et la commercialisation des images mais fournirait des possibilités supplémentaires avec la possibilité d'observer à angles constants.

 

On peut d'ailleurs s'amuser à observer que les satellites SPOT6 et SPOT7 n'utilisent plus la même orbite que SPOT 1 à 5, et ne circulent qu'à une altitude de 694 km (probablement pour diminuer un peu la taille du satellite et le coût de son lancement), mais toujours avec un cycle de 26 jours, réalisé cette fois à partir de 379/26=14.58 orbites par jour. Pourtant, la justification de ces 26 jours ne tient plus, le champ des satellites SPOT n'est plus que de 60km. Mais il suffirait d'augmenter cette altitude de deux kilomètres pour se retrouver sur un cycle de 5 jours.

 

 

 

Nous jouerons Take5 jusqu'à la fête de la musique !

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La fin de l'expérience SPOT4(Take5) était initialement prévue le 28 mai, mais le CNES a accepté de prolonger l'expérience de près d'un mois, jusqu'à la fin du printemps. SPOT4 prendra donc ses dernières images autour du 21 Juin.

 

Cette prolongation nous permettra d'observer, en France, la fin du cycle des cultures d'hiver et le début des cultures d'été, d'observer la fonte de la neige tombée en abondance cet hiver en France, et de disposer de davantage de données pour valider nos algorithmes. Au total, nous aurons donc près de 5 mois de données.

 

Un grand merci à nos collègues du CNES !

 

We will play Take5 until the end of Spring !

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The end of SPOT4 (Take5) experiment was initially planned the 28th of May, but CNES just decided to extend it until the end of Spring.  The last SPOT4 images should be acquired around June the 21st. In France, and in many other countries, June 21st is the "Music Day" : we will be playing Take5 'til the Music Day.

 

In France, this extra time will enable us to monitor the end of winter crops and the start of summer crops, we will also see the end of snow melt in the mountains, and we will have more data to validate our algorithms. The total duration of the experiment will be around 5 months

 

Many thanks to our CNES colleagues !

Première mosaïque sur le site SudMiPy / 13 images mosaic on SudMipy site

Mosaique de 13 images ortho-rectifiées exprimées en réflectance au sommet de l'atmosphère. Il s'agit bien sûr d'une image sous échantillonnée, l'image entière fait 1.3 GO, et 14000*12000 pixels. Sur cette composition colorée (Rouge,PIR,MIR), la neige apparaît en bleu et se distingue bien des nuages


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Et voici la première ortho-image (N1C) fusionnant les 13 images prises par SPOT4 sur le site SudMiPy, les 16 et 17 février. La zone couvre 280*160 km². Les 13 images de Niveau 1A ont été livrées par SpotImage ce matin, et nous avons produit les ortho-images dans l'après midi, en utilisant le prototype du centre de production MUSCATE du Pôle Thématique Surfaces Continentales (seule la supervision des traitements se fait encore à la main, plus pour très longtemps)

bleu

Comme prévu, l'image est totalement claire, à part quelques brouillards dans la vallée de la Garonne et quelques cirrus sur l'ouest des Pyrénées (Au nord-est et au sud, il s'agit de neige).
Les observateurs attentifs auront remarqué la frontière entre la zone acquise le 16 et celle acquise le 17. Cette frontière est due en partie aux effets directionnels et en partie aux effets atmosphériques. Je vous en reparlerai une autre fois.


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Here is the first ortho-image (Level 1C) obtained from the 13 images taken by SPOT4 above the SudMiPy site in the South West of France, on the 16th and 17th of February 2013. The Level 1A images were delivered by SpotImage this morning, and we processed them this afternoon using the prototype of MUSCATE processing center. Only the scheduling of the processing was hand made, but we will soon have an automatic scheduler.

Comme sur des roulettes

(English version)

Jusqu'ici, l'expérience SPOT4 (take5) se déroule parfaitement. Les premières images ont été acquises hier (le 31 janvier) et seront descendues sur terre demain (le 3 février). Mais en plus, le CNES a bien voulu programmer ce matin deux acquisitions suivies d'un téléchargement, afin que nous puissions vérifier que tout fonctionne avant le week-end. Et, en fait ...

...tout a parfaitement fonctionné : la transmission, l'inventaire et la mise au catalogue chez Astrium Geo, et l'édition du produit de Niveau 1A. L'une des acquisitions avait lieu en Ukraine, l'autre au Koweit, l'une des deux était nuageuse, voici l'autre :

La première image de SPOT4 (Take5) sur le Koweit (extrait sous-échantillonné)

"CHAPEAU" aux équipes du CNES et de SpotImage !

Quand est-ce qu'il passe, SPOT4 ?

(english version)

(mise à jour du 29 janvier 2013, Vous pouvez aussi consulter le calendrier des observations.)

Quel jour ?

Sur chacun des 42 sites de l'expérience Take5, SPOT4 fera une acquisition tous les 5 jours. La manœuvre de changement d'orbite aura lieu le 29 janvier et dès les premiers jours de février, probablement même le 1er, les premières données seront acquises. Plusieurs utilisateurs ont déjà demandé à connaître le jour de passage afin de coordonner les acquisitions sur le terrain, simultanément au passage du satellite.

Pour savoir quel jour du votre site sera acquis, téléchargez le fichier kmz ci-joint, chargez le dans Google Earth et cliquez sur l'emprise du site qui vous intéresse. Vous pourrez lire le jour du cycle et le pas miroir de SPOT4 utilisés. Le pas miroir vous permettra de prédire l'heure de passage.

 

De gauche, à droite, les orbites des jours 1 à 5 du cycle, et les sites observés avec le même code de couleur.

Sachant que le jour 1 du premier cycle de Take5 aura lieu le 31 janvier, on peut en déduire le jour de passage du satellite :

  • Si le site qui vous intéresse est programmé le 1er jour du Cycle, les passages auront donc lieu, , le 31 janvier, en février le 5, le 10, le 15, le 20, le 25, en mars, le 2, le 7...
  • Si c'est le 3eme jour du cycle, ce sera les 2, 7, 12, 17, 22, 27 février, le 4 mars, le 9 mars...

 

A quelle heure ?

L'heure de passage est un peu plus compliquée à calculer, car l'inclinaison de l'orbite de SPOT4 n'est plus maintenue depuis quelques années pour économiser des ergols et prolonger la durée de vie du satellite. Cela se traduit par une dérive de l'heure de passage,  qui devient de plus en plus matinale.:

  • En février, le satellite passe à 9h25 TU à l'équateur
  • En juin, le satellite passera vers 9h10 TU à l'équateur.
  • Dans les deux cas, à 45 degrés de latitude Nord, il faut encore enlever 12 minutes.

Cette heure de passage est valable si votre site est sous la trace :

  • si votre site est observé depuis l'Ouest (pas miroir supérieur à 46), rajouter quelques minutes : 15 minutes si le site est observé avec un pas miroir proche de 91 (avec un angle de 27 degrés)
  • Si votre site est observé depuis l'Est sous un angle de 27 degrés (pas miroir inférieur à 46), il faut soustraire quelques minutes (15 minutes pour un pas miroir proche de 1, avec un angle de 27 degrés depuis l'Est).

Le CNES a essayé (Merci Frédéric), autant que possible, dans la programmation, d'acquérir les sites depuis l'Est, pour retarder l'heure de passage et avoir un soleil plus élevé.

En fait, si vous avez vraiment besoin de connaître l'heure exacte, le plus simple sera de nous demander l'heure de passage des premières images acquises sur votre site, et d'appliquer une dérive linéaire de l'heure de passage de 15 minutes en 4 mois.

Le Pôle Thématique Surfaces Continentales THEIA

(English Version)

Le "Pôle Thématique Surfaces Continentales" THEIA est une structure nationale inter-organismes destinée à valoriser les données satellitaires, en premier lieu au service de la recherche environnementale sur les terres émergées, et en second lieu des politiques publiques de suivi et de gestion des ressources environnementales. Son objectif est de faciliter la mesure de l’impact des pressions anthropiques et du climat sur les écosystèmes et les territoires, observer, quantifier et modéliser les cycles de l’eau et du carbone, de suivre les évolutions des sociétés et de leurs activités, notamment de leurs pratiques agricoles, et de comprendre les dynamiques de la biodiversité.

Au sein de ce Pôle Thématique, le CNES met en place un centre de production MUlti Satellite, multi-CApteurs, pour des données multi-TEmporelles (MUSCATE). Ce centre a pour but de mettre à disposition des utilisateurs des produits prêts à l'emploi issus de séries temporelles d'images acquises sur de grands territoires. La mission Sentinel-2 sera bien sûr le fer de lance de ce centre de production, mais avant le lancement de la constellation, MUSCATE a d'ores et déjà produit les données issues de l'expérience SPOT4 (Take 5). En même temps, le centre de traitement prépare aussi l'exploitation de toutes les données LANDSAT acquises au dessus de la France continentale, de 2009 à 2011.

Le centre de production MUSCATE existe déjà sous la forme d'un prototype développé au CNES avec un fort soutien de la société CAP GEMINI. Ce prototype est déjà capable de traiter les données des satellites LANDSAT, SPOT, Formosat-2, Venµs et Sentinel-2, à partir de chaînes développées au CNES pour le traitement géométrique [1], au CESBIO pour la détection des nuages [2] et pour la correction des effets atmosphériques [3]. En parallèle, le développement d'un centre de production opérationnel est en phase de spécification.

Les produits fournis par le centre MUSCATE sont les suivants :

Simulations des produits SPOT4(Take5) à partir d'images Formosat-2

  • Niveau 1C (Données ortho-rectifiées en réflectance au sommet de l’atmosphère)
  • Niveau 2A (Données ortho-rectifiées en réflectance de surface après correction atmosphérique,  avec un masque des nuages et de leurs ombres, ainsi qu'un masque des surfaces d’eau et de neige).
  • Niveau 3A (Synthèses bi-mensuelles ou mensuelles de réflectances de surface, constituées de la moyenne pondérée des réflectances de surface des pixels non nuageux obtenus au cours de la période). Pour le moment, la chaîne de Niveau 3A n'existe que pour le satellite Venµs.

Les données produites par le centre MUSCATE seront autant que possible distribuées gratuitement aux laboratoires de recherche d'une part, et aux institutions publiques françaises d'autre part. Le PTSC disposera bien sûr, dans les mois qui viennent d'un serveur de distribution des données, dont la première version est en cours de finalisation.

[1]: Baillarin, S., P. Gigord, et O. Hagolle. 2008. « Automatic Registration of Optical Images, a Stake for Future Missions: Application to Ortho-Rectification, Time Series and Mosaic Products ». In Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2008, 2:II‑1112‑II‑1115. doi:10.1109/IGARSS.2008.4779194.

[2]: Hagolle, Olivier, Mireille Huc, David Villa Pascual, et Gérard Dedieu. 2010. « A multi-temporal method for cloud detection, applied to FORMOSAT-2, VENµS, LANDSAT and SENTINEL-2 images ». Remote Sensing of Environment 114 (8) (août 16): 1747‑1755. doi:10.1016/j.rse.2010.03.002.

[3]: Hagolle, O, G Dedieu, B Mougenot, V Debaecker, B Duchemin, et A Meygret. 2008. « Correction of aerosol effects on multi-temporal images acquired with constant viewing angles: Application to Formosat-2 images ». REMOTE SENSING OF ENVIRONMENT 112 (4) (avril 15): 1689‑1701. doi:10.1016/j.rse.2007.08.016.

 

THEIA : A new French Data Centre dedicated to Land Surfaces

(French Version)

The THEIA Land Data Centre is a French inter-agency initiative designed to promote the use of satellite data, primarily for environmental research on land surfaces but also for public policy monitoring and for management of environmental resources. Its objective is to foster the use of remote sensing data to measure the impact of human pressure and climate on ecosystems and local areas, to observe, quantify and model water and carbon cycles, to follow the evolution of societies and of their activities, including agricultural practices, and to understand the dynamics of biodiversity.

 

Within the Land Data Centre, CNES set up a production centre named MUSCATE. This centre aims are providing users with ready-to-use products derived from time series of images acquired over large areas. Sentinel-2 will of course be the spearhead of the production centre, but before the launch of the Sentinel-2, MUSCATE will already begin to produce data from the SPOT4 (Take 5) experiment. At the same time, the processing centre also prepares the production of all Landsat data acquired over mainland France from 2009 to 2011.

 

MUSCATE production centre already exists in the form of a prototype developed by CNES with strong support from Cap Gemini. This prototype is already able to handle LANDSAT, SPOT, FORMOSAT-2, Sentinel-2 and Venμs data, using processors developed by CNES for geometric processing [1], and developed by CESBIO for cloud detection [2] and for atmospheric correction [3]. Simultaneously, the development of an operational production facility is being specified.

Products provided by the MUSCATE Centre are:

Simulations of SPOT4(Take5) products from Formosat-2 data
  • Level 1C (orthorectified reflectance at the top of the atmosphere)
  • Level 2A (ortho-rectified surface reflectance after atmospheric correction, along with a mask of clouds and their shadows, as well as a mask of water and snow).
  • Level 3A (bi-monthly or monthly composite products of surface reflectances, obtained as the weighted average surface reflectance of non-cloudy pixels obtained during the period). Up to now, Level 3A chain is only available for Venμs satellite.

The data produced by MUSCATE will be freely distributed to research laboratories on the one hand, and to the French public institutions on the other, they will be if possible distributed freely to a wider community. The Land Data Center is also building a distribution server to make all these data available.

 

Further reading about these products :

[1]: Baillarin, S., P. Gigord, et O. Hagolle. 2008. « Automatic Registration of Optical Images, a Stake for Future Missions: Application to Ortho-Rectification, Time Series and Mosaic Products ». In Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2008, 2:II‑1112‑II‑1115. doi:10.1109/IGARSS.2008.4779194.

[2]: Hagolle, Olivier, Mireille Huc, David Villa Pascual, et Gérard Dedieu. 2010. « A multi-temporal method for cloud detection, applied to FORMOSAT-2, VENµS, LANDSAT and SENTINEL-2 images ». Remote Sensing of Environment 114 (8) (août 16): 1747‑1755. doi:10.1016/j.rse.2010.03.002.

[3]: Hagolle, O, G Dedieu, B Mougenot, V Debaecker, B Duchemin, et A Meygret. 2008. « Correction of aerosol effects on multi-temporal images acquired with constant viewing angles: Application to Formosat-2 images ». REMOTE SENSING OF ENVIRONMENT 112 (4) (avril 15): 1689‑1701. doi:10.1016/j.rse.2007.08.016.

 

Choix des sites pour SPOT4 (Take 5)

(English Version)

Choisir les sites pour l'expérience SPOT4(Take5) ne fut pas de tout repos. Le délai de choix était très court, nous sentions que la demande serait forte, nous ne voulions pas être accusés de favoritisme et de copinage (et nous n'avons même pas accepté de cadeaux (1)).

 

Nous avons procédé de deux manières différentes pour les sites destinés aux laboratoires et organismes français d'une part, et pour les sites destinés aux agences spatiales d'autre part.

 

Emprise approximative des sites observés par SPOT4(Take5) en France et en Belgique

Pour les sites français, nous avons lancé un appel à proposition de sites, avec un délai de réponse très court (de l'ordre du mois), et c'est le comité TOSCA qui a procédé à la sélection. Cet appel d'offres a connu un grand succès, puisque 20 propositions ont été reçues, avec la participation de 81 laboratoires et organismes.

 

Les sites de SPOT4 (Take 5) en Afrique

Pour les sites internationaux, nous nous sommes rapprochés des agences spatiales ou de recherche impliquées dans le programme Sentinel-2, à savoir l'ESA, le JRC, la NASA ou le CCRS. Ici, l'accusation de copinage pourrait être retenue (mais nous n'avons pas reçu de cadeaux), nous n'avions pas le temps d'émettre un appel à proposition et de constituer un jury pour le choix. Cependant, la participation de ces agences implique de leur part une contribution financière pour l'achat des images de niveau 1A au fournisseur privé : Astrium Geo (anciennement Spot Image).

 

Bien évidemment, nous souhaitons que les images acquises pour l'expérience SPOT4(Take5) soient le plus largement diffusées. Les images seront donc disponibles pour toute personne en faisant la demande, pour une utilisation non commerciale dans le cadre de la préparation à Sentinel-2. Les demandes d'accès seront à adresser au Pôle Thématique Surfaces Continentales (PTSC)

(1) Par contre, maintenant que les sites sont choisis...

Changer l'orbite d'un satellite, facile ?

(English version)

Lorsque nous avons proposé au CNES l'expérience SPOT4(Take 5), nous savions que le CNES ne l'accepterait pas facilement, puisque déjà, lors de la désorbitation de SPOT2, une expérience analogue, défendue par Gérard Dedieu, avait été refusée. Mais nous n'imaginions pas le travail que nous demandions à nos collègues du CNES. Pour démontrer la faisabilité du projet, nos collègues du CNES ont dû :

  • trouver une chef de projet qui a coordonné les études : Sylvia Sylvander
  • choisir la nouvelle orbite (Cycle de 2 à 6 jours) minimisant la consommation de carburant (au CNES, on parle d'Ergols). Il faut en effet garder suffisamment d'ergols pour réduire l'altitude du satellite, afin que celui-ci brûle dans l'atmosphère au bout d'une durée inférieure à 25 ans. L'orbite retenue fournit un cycle de 5 jours, qui conduit à une consommation de carburant très faible et fournit une répétitivité égale à celle des deux satellites Sentinel-2.
  • choisir la stratégie de changement d'orbite. La date de manœuvre optimale, le 29 janvier, correspond à la fin d'une période de pleine lune, or il est interdit de manœuvrer SPOT4, durant la pleine lune. Il ne s'agit pas de superstition, mais seulement d'un éblouissement potentiel des senseurs qui permettent de connaître l'orientation du satellite. Une analyse des dernières pleines lunes à la même période de l'année montre que la manœuvre devrait bien pouvoir être exécutée le 29 janvier, mais cela reste à confirmer. Au cas où, une stratégie de repli a été définie.
  • vérifier que le segment sol du satellite (conçu il y a plus de 15 ans) sait gérer cette nouvelle orbite. Le segment sol doit savoir à la fois programmer le satellite et ses prises de vue, gérer les enregistreurs de bord, coordonner le téléchargement des données sur la station de réception, tout en évitant de brouiller les autres satellites. Comme le satellite n'est plus sur son orbite nominale, toutes les conditions de brouillages sont à recalculer.
  • vérifier que le segment sol sait aussi inventorier et traiter les produits. Les produits sont habituellement référencés par leur numéro d'orbite, or ceux-ci ont changé...
  • tester le bon dialogue de tous les systèmes : un essai d'une semaine sur un simulateur du satellite et de son système a permis de montrer que tout devrait bien fonctionner.
  • le système habituel de programmation des prises de vues, à SpotImage, ne fonctionnera pas sur cette orbite, il faut utiliser le système de programmation du CNES, plus souple mais beaucoup moins automatisé. Il faut maintenant une heure trente pour programmer les 42 sites observés sur 5 jours.
  • trouver les personnels internes et externes (et donc les budgets), permettant de prolonger la vie de SPOT4 pendant 5 mois.
  • négocier avec SpotImage (Astrium Geo), le tarif de production des produits de Niveau 1A et le maintien d'une notation nuageuse
  • préparer le centre de production MUSCATE qui fournira les données de niveau 1C et 2A aux utilisateurs. Ce centre de production sera implémenté au sein du Pôle Thématique Surfaces Continentales (PTSC).

Un grand merci donc à Didier Roumiguières, Sylvia Sylvander, Laurence Houpert, Jean-Marc Walter, Jordane Sarda (CS-SI), Aurélie Moussy-Soffys, Frédéric Daniaud (CS-SI), Michel Moulin, Benoît Boissin,  Selma Cherchali, Françoise Schiavon, Marc Leroy, Jerôme Bijac (Astrium geo) et à toutes les personnes CNES et Astrium-Geo qui ont contribué à l'instruction de l'opération.