Projet nanosatellite étudiant IGOsat UnivEarthS

 

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Le nanosatellite IGOSAT

L’université Paris Diderot développe un projet étudiant de nano-satellite, au sein du Laboratoire d’Excellence UnivEarthS. C’est un projet du programme JANUS du CNES – Agence Spatiale Française – visant l’encadrement des satellites étudiants en France.

Initié en 2012, ce petit satellite (30 cm x 10 cm x 10 cm), entièrement conçu par des étudiants, sera lancé à l’horizon 2019. IGOsat est avant tout un projet pédagogique et progresse grâce aux travaux de générations successives d’étudiants.

Depuis le début du développement, plus de 250 étudiants ont participé au design, aux tests ou encore aux simulations de la mission. Il bénéficie aussi du soutien et de l’expertise de chercheurs et enseignants-chercheurs de l’université Paris Diderot et des laboratoires associés : APC, IPGP et AIM.

En savoir plus… sur le site web du projet IGOSat.

 

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    Charge utile 1 : LE GPS

     

    IGOsat a comme objectif de sonder la partie de l’ionosphère située en dessous de son orbite, en utilisant la technique de l’occultation radio des signaux des satellites GPS. La fréquence d’échantillonnage sera de 1 Hz (ce qui nous donnera une séparation kilométrique entre deux rayons de sondage).

    Son antenne d’occultation est située sur la face arrière du satellite avec une altitude de pointage de 300 km au dessus de la surface de la Terre.

    Cette configuration lui permettra de faire des occultations descendantes : l’acquisition des données commencera avant que le signal GPS ne traverse la partie de l’ionosphère située sous l’orbite d’IGOsat, et continuera jusqu’à ce qu’on perde le signal (par occultation du satellite GPS par la Terre).
    gps

     

    La charge utile GPS mesurera le TEC ionosphérique pour plusieurs objectifs :

    • Étudier la corrélation entre nos données et l’activité solaire : la densité électronique de l’ionosphère est le résultat d’un équilibre entre ionisation solaire d’une part, et recombinaison ions-électrons d’autre part. Les variations d’activité solaire sont directement corrélées aux variations de TEC, affectant le comportement de l’ionosphère sur des échelles de temps allant des minutes jusqu’au cycle solaire de 11 ans.
    • Remonter au profil de densité électronique vertical de l’ionosphère : en utilisant les données collectées pendant une occultation complète (atteignant une altitude inférieure à 100 km), on pourra remonter au profil de densité vertical en utilisant un algorithme d’inversion similaire à celui utilisé par la mission COSMIC [1], qui produit régulièrement les profils de densité électronique d’occultation radio. Cet algorithme utilise en entrée la série temporelle des mesures de TEC sur la ligne de visée entre les deux satellites et calcule Ne(h), la densité électronique en fonction de l’altitude au point tangent de cette ligne : le point qui forme un angle droit avec le rayon à partir du centre de la Terre.
    • Étudier la corrélation des données obtenues via les 2 charges utiles d’IGOsat : au niveau des cornets polaires et de l’anomalie Atlantique sud, zones d’activation du scintillateur. Ceci permettra d’analyser la réponse de l’ionosphère aux variations des flux de particules à haute énergie.
    • Détecter les ondes de gravité : des ondes de gravité se propagent couramment dans l’ionosphère (due notamment à l’alternance jour/nuit ou à la présence de relief, un très grand nombre de phénomène géophysique crée ces ondes). Pour cela les variations du TEC d’occultation non-calibré seront analysées.
    • Détecter les ondes de gravité générées lors d’événements telluriques : on pourrait aussi observer des ondes de gravité dues à des évènements plus rares, comme des séismes, des tsunamis ou des éruptions volcaniques. [2]

    Le principal intérêt d’étudier la densité électronique de l’ionosphère est à la fois géophysique, pour par exemple détecter la propagation d’ondes de gravité, mais aussi social : cette densité électronique va perturber tous les signaux radio qui traversent l’ionosphère et affecte dons les communications radios et en particulier les systèmes de positionnement par satellites.

    Références :
    [1] : Thèse de Pierdavide Coïsson, chercheur à l’IPGP : Détection multi-instruments des perturbations ionosphériques générées par la propagation des tsunamis, Ecole doctorale de l’Institut de Physique du Globe de Paris. https://www.dropbox.com/s/59z6mc8md3ungbc/20120924-coisson.pdf?dl=0
    [2]: First tsunami gravity wave detection in ionospheric radio occultation data » P. Coïsson, P. Lognonné, D. Walwer, L.M. Rolland, Earth and Space Science, 2, 125-133, 2015 doi: 10.1002/2014EA000054.

    Responsable Scientifique de la Charge Utile : Pierdavide Coïsson

     

    Charge utile 2 : le scintillateur

     

    En physique des particules, la scintillation est un phénomène semblable à la phosphorescence et à la fluorescence : les molécules du matériau qui reçoivent un rayonnement incident (particules) sont « excitées », c’est à-dire qu’un électron passe à un niveau énergétique supérieur. La désexcitation, c’est-à-dire la redescente de l’électron à un niveau moins énergétique, s’accompagne de l’émission d’un photon, qui en l’occurrence, est un photon visible (UV à bleu en général).

    scintillateur 1

    Les zones d’intérêts de la mission sont les zones aurorales et l’Anomalie Magnétique de l’Atlantique Sud (AMAS).

    Les ceintures de radiation (aussi appelées ceintures de Van Allen) sont des zones de la magnétosphère terrestre où les particules du vent solaire sont piégées et voyagent d’un pôle à l’autre en spiralant autour des lignes de champ. Ces ceintures atteignent de très basses altitudes au niveau des pôles et se retrouvent en contact avec l’atmosphère terrestre. Les particules chargées piégées dans les lignes de champ magnétique sont ainsi injectées à de très basses altitudes à travers ces régions, augmentant ainsi la densité de protons et d’électrons de très hautes énergies (supérieures au MeV) dans ces zones appelées zones aurorales. C’est d’ailleurs là que l’on peut observer des aurores polaires (appelées aurores boréales dans l’hémisphère Nord et aurores australes dans l’hémisphère Sud).

    La probabilité de mesurer des électrons atteignant la dizaine de MeV et des photons gamma issus de l‘interaction des particules chargées avec les molécules d’air de l’ionosphère est donc plus importante dans les zones aurorales qu’ailleurs.

    scintillateur 2

    scintillateur 3

    Une autre région est concernée par ces phénomènes : il s’agit de l’Anomalie Magnétique de l’Atlantique Sud (AMAS). Située au-dessus du Brésil, cette anomalie est liée au fait que le champ magnétique terrestre y a une valeur particulière. Cela s’explique par le fait que la partie interne de la ceinture de Van Allen est plus proche de la surface de la Terre au niveau de cette région. Les lobes de la ceinture de Van Allen sont disposés symétriquement par rapport à l’axe magnétique de la Terre, qui est décalé de 11 degrés et de 450 km par rapport à l’axe de rotation de la Terre. En raison de ce décalage à la fois en angle et en position, la ceinture de Van Allen est la plus proche de la Terre au niveau de la partie Sud de l’Atlantique (450 km d’altitude environ) et la plus éloignée dans la partie nord du Pacifique. En conséquence, pour une altitude donnée, le niveau de radiations en provenance de l’espace est plus élevé dans cette région qu’en d’autres points du globe.

    scintillateur 4L’intérêt de la caractérisation des particules dans ces zones particulières est multiple.

    En effet, IGOSAT permettra de mesurer le spectre et de cartographier les électrons des ceintures entre 1 et 20 MeV. Ces mesures seront complémentaires à celles obtenues par l’instrument IDP,
    à bord de la mission du CNES DEMETER, dans la gamme d’énergie 70 – 2500 keV. En particulier, DEMETER a montré une évolution du spectre des électrons à basse énergie (en dessous du MeV) avec les conditions magnétiques locales (présence d’orages par exemple) qu’il serait intéressant de suivre à plus haute énergie. IGOSAT pourra aussi mesurer la corrélation des propriétés des électrons avec le cycle et les éruptions solaires.

    IGOSAT mesurera aussi le flux de photons gamma en orbite basse qui n’a pas encore été déterminé en détail au-delà du MeV. Il pourra ainsi séparer les composantes due au bruit interne, à l’albédo terrestre et aux ceintures elle-même en mesurant l’évolution des spectres gamma hors et dans les zones aurorales et l’AMAS. Cette mesure servira aussi à préciser le bruit de fond auquel seront soumises les futures missions spatiales en orbite basse.

    Au travers des mesures effectuées, il sera donc possible d’évaluer l’évolution sur un an de ces populations de particules (photons gamma et électrons), de rendre compte du couplage ionosphère-magnétosphère et de mieux cerner les perturbations du champ magnétique terrestre provoquées par le vent solaire.

    Responsable Scientifique de la Charge Utile : Philippe Laurent

     

     

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    POSITION NOM LABORATOIRE GRADE, EMPLOYEUR
    WP leader Hubert Halloin APC Ass. Prof, Univ. Paris Diderot
    WP membre Hana Benhizia APC/IPGP Ingénieur de recherche
    WP membre Pierdavide Coisson IPGP Ass. Prof, Univ. Paris Diderot
    WP membre Philippe Laurent APC CEA Agent
    WP membre Hien Phan APC Doctorant, Univ Paris Diderot
    WP membre Philippe Lognonné IPGP Professeur, Univ. Paris Diderot
    WP membre Antoine Petiteau APC Ass. Prof. Univ. Paris Diderot
    WP membre Alain Givaudan APC Ingénieur de recherche, CNRS
    WP membre Bernard Courty APC Ingénieur de recherche, CNRS
    WP membre Pierre Prat APC Ingénieur de recherche, CNRS
    WP membre Plus de 250 étudiants depuis Septembre 2012 – Du L2 au doctorant, des universités de Paris et au-delà

     

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    IGOsat est avant tout un projet éducatif, ce qui signifie que son développement est considéré comme le meilleur ” retour ” vers les élèves impliqués. Dans ce genre de projets, on dit souvent que 90 % du succès consiste à développer, à partir des travaux des élèves, un satellite prêt à voler. Un lancement réussi et l’acquisition de données représentent 5% de plus. Les 5% restants sont constitués par le retour scientifique de la mission.

    Cependant, le satellite doit être conçu pour un retour scientifique précieux, en gardant à l’esprit les contraintes intrinsèques du projet de nanosatellite étudiant. IGOsat embarque deux charges utiles scientifiques innovantes à bord d’une plate-forme CubeSat 3U.

    L’éducation

    Depuis le début du projet, plus de 250 étudiants ont travaillé, d’une manière ou d’une autre, pour le projet IGOsat. Il est utilisé à l’EIDD (Ecole d’Ingénieur Denis Diderot, M1 & M2), aux masters STEP et OSAE comme sujets d’application pour les projets d’enseignement. Pendant les stages, le projet IGOsat a accueilli des étudiants des universités et écoles d’ingénieurs françaises (Universités Paris 6, 7 et 11 ; ISAE/SUPAERO ; Université Toulouse III….) mais aussi d’autres pays (Université des sciences et technologies de Hanoï ; Institut national de technologie de Rourkela, Inde ; etc…).

    Par ailleurs, depuis novembre 2015, un étudiant vietnamien (Hien T. Phan) travaille à plein temps pour le projet IGOsat, plus particulièrement sur la conception détaillée de la charge utile du scintillateur et la préparation de l’analyse des données scientifiques de la mission (directeurs de thèse : Philippe Laurent et Hubert Halloin). Le gouvernement vietnamien finance la subvention de Hien, avec une contribution supplémentaire du LabEx.

    Développement de satellites

    Nous présentons ci-après l’état technique des principaux (sous-)systèmes du satellite. Ce travail a été présenté lors de la Critical Design Review (CDR) en septembre 2017. Le projet est donc entré dans la phase D, c’est-à-dire l’assemblage, l’intégration, les essais et la qualification des modèles d’ingénierie et de vol.

     

     

    Nous énumérons ici quelques éléments des résultats présentés par les étudiants durant le CDR. Ils représentent une bonne vue d’ensemble du travail effectué au cours de l’année écoulée :

    • Etudes de systèmes pour la mission IGOsat : L’ingénierie des systèmes est cruciale pour le projet IGOsat (comme pour toute mission spatiale). Sur la base des travaux antérieurs réalisés par les étudiants au cours de la phase B, différents budgets (puissance, communication, masse,…) et profils de mission sont maintenus pour tenir compte des derniers développements techniques des sous-systèmes.
    • Conception mécanique détaillée et études de vibration : La conception mécanique du satellite a été mise à jour en 2017 pour tenir compte de l’évolution de la configuration du satellite (panneau solaire déployable, nouvelle taille pour la charge utile du scintillateur et les panneaux solaires, mise en place des interrupteurs nécessaires pour les opérations de lancement, etc. Ce travail a été réalisé par un étudiant en licence de l’USTH à Hanoï.
    • Conception et banc d’essai de la charge utile du scintillateur : L’une des charges utiles d’IGOsat est un scintillateur qui détecte les électrons et les rayons gamma, lus par une matrice SiPM. Depuis novembre 2015, Hien Phan (doctorant financé par le gouvernement vietnamien) travaille à la conception détaillée de cette charge utile.
    • Conception et bancs d’essai pour la charge utile GPS : La deuxième charge utile IGOsat est dédiée aux mesures du Contenu Electronique Total de l’ionosphère, grâce à une antenne GPS à double fréquence (et récepteur associé).
    • Conception et réalisation du système de gestion de l’énergie : Le PMS s’est avéré beaucoup plus difficile à concevoir que prévu…. De sérieux défauts ont été identifiés dans la première version de la carte et une refonte complète du système de gestion de l’énergie (des panneaux solaires aux batteries et à la distribution d’énergie) a dû être faite et la carte électronique correspondante a été produite.
    • Attitude Control and Restitution System : Jusqu’en 2015, la conception des IGOsat supposait une attitude de pointage avec la longueur le long de l’axe de vélocité. Cependant, l’étude détaillée du système de contrôle a montré que cette orientation était difficile à maintenir et n’était pas optimale pour les capacités de communication. Il a ensuite été décidé de réviser l’attitude du satellite avec une attitude nadir, c’est-à-dire l’axe long vers le centre de la Terre. Un magnétomètre et un gyromètre seront également utilisés dans IGOsat. Ils ont été sélectionnés, partiellement testés et modélisés pour être utilisés dans l’algorithme de restitution de l’attitude.
    • Systèmes de télécommunication : Le développement du système de télécommunication a été abordé cette année des deux côtés : les segments spatial et terrestre…. Grâce au travail d’un étudiant de maîtrise, nous avons maintenant une station terrestre pleinement opérationnelle.
    • Ordinateur de bord et gestion des données : Au cours du printemps et de l’été 2016, un effort important a été consacré au développement de l’ordinateur de bord. La conception choisie est dérivée des satellites QB50 développés à l’Ecole Polytechnique et à l’Ecole des Mines de Paris.
    • Ces éléments ne représentent que les travaux les plus significatifs réalisés par les élèves au cours de la dernière année. Chaque période de formation, chaque projet et, bien sûr, chaque revue a donné lieu à une documentation complète (rapports, manuels d’utilisation, dessins, etc.) qui sera utilisée par les futurs étudiants. Les études devenant de plus en plus techniques au fur et à mesure que la définition du projet entre dans les détails, de plus en plus de scientifiques et d’ingénieurs de recherche de l’APC et de l’IPGP sont impliqués dans la supervision des étudiants.

     

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    Natacha Combier and Hubert Halloin,
    IGOSAT : IONOSPHERIC AND GAMMA RAY OBSERVATION SATELLITE, THE NANOSATELLITE OF THE UNIVERSITE PARIS DIDEROT,
    Proceedings of the Small Satellites and Services Symposium, 26-30 May 2014, http://congrexprojects.com/2014-events/4S2014/proceedings

     

    Marco Agnan, Hubert Halloin, Pierdavide Coisson, Philippe Laurent, Thanh-Hien Phan,
    IGOSAT (Ionospheric and Gamma-ray Observations Satellite): Feedbacks from an educational CubeSat with scientific returns through technology demonstration
    Proceedings of the Nanosat Symposium, 18-19 October 2016, (link still not available).

     

    Hien Phan et al.,
    IGOSat – A 3U CubeSat for Measuring the Radiative Content in Low Earth Orbit and Ionosphere
    Nuclear Instruments and Methods in Physics Reasearch A, to be submitted

     

     

     

    En plus de participer à diverses conférences, l’équipe d’IGOSat, avec l’équipe de communication du LabEx et le soutien du Campus spatial, a organisé le deuxième atelier dédié aux CubeSats des étudiants. Cet atelier s’est tenu les 6 et 7 juillet 2017 à l’IPGP. Il a réuni des étudiants, des ingénieurs et des scientifiques travaillant sur les différents projets du CubeSat français (plus OPS-sat de l’ESA et de différentes entreprises privées). Le premier objectif de cet atelier (et son originalité par rapport à d’autres ateliers nanosat) était de se concentrer sur les besoins des étudiants : quelles informations sont pertinentes et où les obtenir ?

    Les sessions du matin ont été consacrées à de courtes présentations des projets et aux outils disponibles pour la conception des missions CubeSat. Les sessions de l’après-midi ont été organisées sous forme de discussions ouvertes sur différents thèmes, afin d’aborder les questions des étudiants (et autres….) participant aux projets des nanosats. Il est prévu d’organiser un troisième atelier à l’été 2018. Une amélioration (suggérée par les participants) serait d’inviter encore plus d’entreprises privées à recueillir le retour d’expérience, les technologies requises et disponibles et de stimuler d’éventuels partenariats.

    Les présentations, les films de l’atelier et les photos sont disponibles sur le site web d’IGOSat et sur la chaîne Youtube du Labex UnivEarthS.