Effets des forces non-gravitationnelles sur les satellites LAGEOS : impact sur la détermination de l'effet Lense-Thirring

par David Lucchesi

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Pierre Exertier.

Soutenue en 2001

à Nice , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Université de Nice-Sophia Antipolis. Faculté des sciences (autre partenaire) .

mots clés

• Astronautique en géodésie
• Satellites artificiels

Résumé

Le sujet de la thèse présentée porte sur l’étude des forces non gravitationnelles agissantes sur les satellites LAGEOS. Ces forces engendrent des perturbations sur les éléments orbitaux de la trajectoire. Il faut les modéliser en fonction de l’environnement spatial. Il est alors possible d’analyser les variations observées des éléments orbitaux. L’intérêt du travail est très général et concerne toutes les applications des satellites Lageos à la géodynamique et à la détermination de l’effet Lense-Thirring prévue par la Relativité générale qui a été mis en évidence très récemment et pour la première fois à partir de l’analyse des trajectoires des LAGEOS. Dans ce travail, nous avons analysé les effets perturbateurs dus aux forces non-gravitationnelles suivantes : i) pression de radiation solaire directe ii) pression de radiation due à l’albédo terrestre iii) poussée thermique Yarkovsky d’origine solaire iv) poussée thermique Rubincam d’origine terrestre, v) effet de poussée engendrée par une asymétrie du coefficient de réflectivité optique de la surface du satellite. Nos études ont été centrées sur les éléments orbitaux suivants, a) variations des composantes du vecteur excitation de l’excentricité, b) variations de l’argument du périgée, c) variations de l’inclinaison, d) variations de l’ascension droite du nœud ascendant. Ces variations ont été calculées par des intégrations numériques et par des méthodes analytiques sur une durée de 7ans. Nous avons ainsi analysé 4,7 années de données de LAGEOS II pour estimer les paramètres de l’effet Yarkovsky et de l’effet lié a l’asymétrie du coefficient de réflectivité. Puis nous avons pu calculer l’erreur possible dans la détermination de l’effet Lense-Thirring induite par différentes forces perturbatrices sur cette durée de 7 ans.

Titre traduit

Effects of non-gravitational forces acting on the LAGEOS satellites : impact on the determination of the Lense-Thirring effect

Résumé

This Ph. D. Thesis has been concentrated upon the study of the non-gravitational perturbative effects on LAGEOS satellites orbit and on the influence of these perturbations with regard to the geodynamical applications and to the Lense-Thirring effect determination. Indeed, laser ranging from Earth bound stations of these passive satellites has allowed the first direct measurement of the relativistic precession of the satellite orbital plane due to the Earth angular momentum, the so called Lense-Thirring effect. In this work we have investigated the perturbative effects due to the following non-conservative forces: i) direct solar radiation pressure, ii) Earth albedo radiation pressure, iii) solar Yarkovsky thermal thrust, iv) Earth Rubincam thermal thrust and v) anisotropic reflectivity of the satellite hemispheres. Our studies and analyses have been focused on the subsequent elements of the satellites orbit: a) eccentricity vector excitations components, b) argument of perigee rate, c) inclination rate and d) node rate. These studies have been performed both analytically and numerically, integrating the satellites orbits over a 7 years period. We have been particularly interested to LAGEOS II orbit analysis, and indeed these studies are new for several of the cited elements in the case of LAGEOS II. We have analysed 4. 7 years of LAGEOS II perigee and node residuals with respect to a reference orbit and we estimated from their fit the satellite parameters characteristic of the Yarkovsky effect and of the anisotropic reflectivity. The results obtained are totally new for LAGEOS II. Then we have estimated how the uncertainties of these non-gravitational effects influence the measurement of the Lense-Thirring effect. Finally we have given – over a 7-year period – the error budget estimate for the Lense-Thirring effect measurement due to different perturbations.