Détection des satellites artificiels dans les images astronomiques : application aux images TAROT

Artificial satellites detection on astronomical images : application to TAROT images

• Auteur / Autrice : Myrtille Laas-Bourez
• Direction : Michel Boër, Alain Klotz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Sciences de la matière. Optique, Photonique et Traitement d'images
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espace extra-atmosphérique -- Pollution

Imagerie en astronomie

Traitement d'images -- Techniques numériques

Satellites géostationnaires

Débris spatiaux

Résumé

Il y a cinquante ans, le rêve de l’Humanité de conquérir l’espace est devenu réalité. Après l’euphorie des débuts, nous avons commencé à mesurer les conséquences environnementales de cet exploit. Chaque satellite envoyé dans l’espace a inévitablement produit son lot de débris tels que les différentes parties de son lanceur, le réservoir à carburant ou des fragments issus de collisions, créant ainsi la pollution spatiale. Bien que les objets sur des orbites basses puissent redescendre et brûler en traversant l’atmosphère, ceux des orbites hautes perdureront pendant des siècles. Des mesures ont été mises en place pour préserver l’environnement et assurer la sécurité de missions spatiales. Il est alors nécessaire d’améliorer notre connaissance de cette population. Depuis 2004, le CNES et le CNRS utilisent les télescopes TAROT pour observer et étudier des satellites et des débris sur l’orbite géostationnaire. L’objectif principal de ce travail est de développer des méthodes précises, rapides et robustes pour mettre en place le suivi et la détection d’objets catalogués ou non catalogués en orbite circumterrestre. Nous avons travaillé tant sur les aspects instrumentaux que sur les méthodes de traitement de données. Nous avons d’abord amélioré la précision des mesures en étalonnant la datation de chaque image à la milliseconde près. Puis nous proposons des méthodes pour améliorer la précision de l’étalonnage astrométrique. Finalement nous avons développé un nouvel algorithme d’extraction de sources adapté aux images faites sans suivi sidéral où les étoiles ne sont pas ponctuelles. Nous présentons cette nouvelle méthode qui permet d’extraire des satellites sur différentes orbites. Ce travail améliore la qualité de la surveillance de la ceinture géostationnaire. Nous avons étendu la détection vers des orbites inférieures telles que l’orbite moyenne (MEO), l’orbite de transfert géostationnaire (GTO) ou l’orbite basse (LEO). Notre méthode est basée sur la morphologie mathématique. Les résultats obtenus avec TAROT démontrent un réel apport dans des conditions pratiques par rapport aux premiers tests réalisés et peuvent être appliqués à d’autres images astronomiques. Enfin, pendant les équinoxes, lors d’une configuration géométrique particulière entre l’observateur, le Soleil et le satellite, ce dernier peut devenir jusqu’à 4000 fois plus brillant. Nous avons utilisé un phénomène naturel qui augmente l’illumination des satellites géostationnaires et fournit le moyen d’augmenter la détectabilité de petits objets sur des orbites éloignées.

The dream of humankind to conquer space became reality fifty years ago. After the euphoria of the beginning, one started to measure the environmental consequences of this achievement. Every satellite sent to space inevitably produced debris like booster rocket, fuel tank or fragments from collisions, creating space pollution in turn. Though objects in low earth orbits can get back and eventually burn, thanks to the dragging of the atmosphere, the majority stay in orbit for centuries. Some measures have been enforced to protect the environment and ensure the safety of space missions but we have to improve our knowledge of the debris at all altitudes. Since 2004, the CNES and the CNRS use the TAROT telescopes to observe and study satellites and debris on the geostationary orbit. The main focus of this work is to develop accurate, rapid and robust methods in order to provide near real-time detections and enable systematic surveys of both known and unknown satellites and debris. We worked both on the instrumental aspects and the data processing methods. We first improved the measurement precision calibrating the image datation with an accuracy better than the millisecond. Then we propose methods to enhance greatly the astrometrical restitution. Finally we have developed a new algorithm of source extraction adapted for images where most of the objects (the stars and eventually the debris) are trailed. We present a new method to extract satellites on various orbits from the image data. This work improves the quality of the survey of the geostationary belt. We extend the detection towards lower orbits such as Medium Earth Orbit, Geostationary Transfer orbit or Low Earth Orbit. Our method is based on morphological mathematics. The results obtained in real conditions with TAROT are quite impressive and can be applied to other astronomical images. Finally we have utilized a natural phenomenon that increases drastically the illumination of geostationary satellites. It occurs during the equinoxes, thanks to the peculiar geometrical configuration between the satellite, the observer and the Sun. This provides a means to increase the detectability of small objects on distant orbits.