Propulser l'InSAR : l'opportunité des petits satellites

L'interférométrie radar à synthèse d'ouverture (InSAR) par satellite a considérablement évolué depuis le début des années 1990. Ce qui n'était au départ qu'un outil scientifique spécialisé est devenu une méthode fiable et déployée à l'échelle mondiale pour mesurer à distance la déformation du sol sur les infrastructures, les terrains naturels, les actifs critiques, et plus encore.

Son élégance réside dans sa capacité à détecter des changements subtils (jusqu'au millimètre) à des centaines de kilomètres au-dessus de la Terre. Pourtant, malgré sa précision remarquable, l'InSAR a longtemps été freiné par plusieurs limites qui ont empêché d'exploiter tout son potentiel.

Avec la croissance rapide et la transformation du secteur spatial, une question se pose : les constellations de petits satellites SAR sont-elles prêtes à libérer tout le potentiel de l'InSAR ?

Ce n'est qu'une question de phase

En une trentaine d'années, l'InSAR a progressé à travers plusieurs phases déterminantes. Dans les années 1990, l'InSAR différentiel (utilisé à l'époque principalement par la communauté universitaire) a jeté un nouvel éclairage sur les déformations associées aux risques naturels tels que les événements sismiques et l'activité volcanique. Le début des années 2000 a vu l'avènement de l'interférométrie à diffuseurs persistants (PSI), permettant une surveillance par séries temporelles plus fiable et précise, particulièrement utile pour mesurer les changements subtils dans les zones urbaines et autres infrastructures. Le lancement de Sentinel-1(A) en 2014 a fondamentalement changé la donne en matière d'imagerie satellitaire, démocratisant l'accès aux données SAR grâce à des acquisitions mondiales gratuites et régulières — un véritable point d'inflexion dans l'histoire récente de l'industrie. Plus récemment, l'informatique en nuage a réduit les temps de traitement de plusieurs semaines à quelques heures, et l'IA accélère la façon dont nous traitons, classons, interrogeons et interprétons les données.

Mais au-delà de ces avancées récentes, la prochaine vague d'innovation pourrait-elle provenir d'un segment en pleine croissance de l'industrie satellitaire : un écosystème mature de petits satellites SAR.

Les limites du SAR traditionnel

Pour comprendre l'opportunité, il est important d'examiner les contraintes des systèmes et architectures SAR établis aujourd'hui.

La plupart des satellites SAR publics et commerciaux opèrent sur des orbites héliosynchrones (SSO), se déplaçant approximativement du nord au sud autour de la Terre et effectuant une imagerie perpendiculaire à leur direction de déplacement. Cette géométrie introduit une limite : l'InSAR est largement insensible aux déformations orientées nord-sud. Pour des actifs tels que les pentes de mines à ciel ouvert ou les terrains naturels orientés dans ces directions, cela crée un angle mort pour l'InSAR que même la combinaison d'imagerie ascendante et descendante ne peut que partiellement atténuer.

Une deuxième contrainte est la fréquence de revisite. Les missions SAR traditionnelles fonctionnent comme des satellites isolés ou de petites flottes, ce qui signifie des jours de délai (parfois plus) entre chaque acquisition au même endroit sur Terre. Pour les risques évoluant rapidement ou les déformations non linéaires, ces écarts temporels peuvent entraîner un sous-échantillonnage et une fidélité de mesure réduite. L'InSAR excelle lorsque l'environnement imagé reste cohérent entre les acquisitions; de longs intervalles de temps peuvent introduire du bruit, une décorrélation du signal et une incertitude liée aux changements des caractéristiques du sol (naturelles ou anthropiques). Plus l'intervalle de temps est court, et plus la stratégie de satellite et d'acquisition est adaptée à l'application visée, meilleur sera le résultat.

La révolution des petits satellites

Une nouvelle génération de satellites SAR (microsatellites) provenant d'entreprises établies telles que Capella Space, ICEYE, PierSight, Umbra et Synspective, redéfinit les possibilités dans le domaine du SAR. Leurs constellations offrent plusieurs avantages susceptibles de pallier les limites persistantes de l'InSAR :

• Résolution accrue : Les microsatellites SAR modernes fournissent des images à une échelle métrique ou submétrique, Umbra atteignant des résolutions allant jusqu'à 16 cm. Pour l'InSAR, cela pourrait offrir des réseaux de mesure beaucoup plus denses, un meilleur déroulement de phase et la capacité de distinguer des caractéristiques spatiales jusqu'ici indiscernables.
• Échelle et fréquence de revisite améliorées : Les constellations de satellites permettent des acquisitions quotidiennes, voire pluriquotidiennes, au même endroit sur Terre. Des taux de revisite plus rapides réduisent la décorrélation temporelle (changements entre les images), améliorent la fiabilité des mesures et permettent aux séries temporelles de se constituer beaucoup plus rapidement, ce qui permet aux programmes de surveillance de débuter plus tôt qu'à l'heure actuelle.
• Programmes de surveillance accélérés : Les techniques InSAR telles que le PSI nécessitent un nombre minimal d'images (généralement autour de 15) avant que des séries temporelles de déformation puissent être extraites de manière fiable. Avec un cycle de revisite de 6 à 12 jours, les satellites traditionnels mettent de trois à six mois pour atteindre ce seuil. Les constellations de microsatellites peuvent atteindre ce même nombre d'images en quelques semaines, permettant ainsi aux programmes de surveillance d'obtenir leurs premiers résultats beaucoup plus rapidement qu'aujourd'hui.
• Nouvelles géométries orbitales: Certains opérateurs de satellites, comme Capella Space, ont déployé des satellites sur des orbites à inclinaison moyenne (MIO), et non uniquement sur des orbites héliosynchrones (SSO), qui constituent la norme industrielle habituelle. Par conséquent, les géométries d'imagerie MIO ouvrent la possibilité d'une sensibilité à la déformation nord-sud.
• Qualité et fidélité de mesure amélioréesUne résolution plus élevée et des intervalles d'acquisition plus courts réduisent le temps disponible pour que le couvert végétal ou d'autres caractéristiques changent, ce qui préserve la cohérence du signal et permet la création de réseaux de mesure plus détaillés et spatialement contigus. Des acquisitions d'images plus fréquentes ont le potentiel d'améliorer la fidélité des mesures (par exemple, en captant les tendances de déformation non linéaires), nous rapprochant ainsi d'une surveillance en temps réel.

Combinés, ces facteurs représenteraient un changement fondamental, et non une simple amélioration progressive, dans la façon dont l'InSAR pourrait évoluer et être appliqué plus largement.

Le grand défi : la précision orbitale

Malgré toutes leurs promesses, les systèmes SAR sur petits satellites font face à un défi majeur : la précision orbitale.

L'InSAR exige que les satellites maintiennent des orbites extrêmement cohérentes et bien caractérisées, à chaque passage. Même de légers écarts peuvent introduire des erreurs de phase qui nuisent à la capacité d'obtenir un signal de déformation précis, ce qui est d'autant plus crucial lors de l'élaboration de séries temporelles de mesures. Les missions de satellites SAR traditionnels y parviennent grâce à de grandes plateformes satellitaires, des systèmes de propulsion, des récepteurs GNSS de haute précision et d'importantes réserves de carburant.

Les petits satellites, en revanche, fonctionnent avec des contraintes plus strictes en matière de masse, d'énergie et de carburant.

Operating SAR satellites at the level required for interferometry comes down to maintaining extremely tight orbital repeatability — ensuring that every pass falls within a very narrow corridor in space. That demands two things: very accurate orbit determination, enabled by precise GPS and time synchronization with onboard systems, and the ability to manoeuvre effectively using onboard propulsion.

For small satellites, the hardest trade-off is that propulsion, mass, and power are all constrained, so every manoeuvre has to be both precise and fuel-efficient to preserve mission life.

Gaurav Seth

CEO & Cofounder of PierSight

PierSight développe une future constellation SAR axée sur la surveillance maritime, conçue pour offrir une visibilité persistante, par tous les temps, sur les océans et les régions côtières. L'entreprise fait également partie d'un consortium de partenariat public-privé travaillant au développement et au déploiement de capacités satellitaires SAR souveraines, contribuant ainsi à élargir l'accès à une infrastructure stratégique d'observation de la Terre par radar.

Relever le défi

Malgré ces contraintes, des progrès prometteurs ont été démontrés récemment. ICEYE et Capella Space ont présenté publiquement des interférogrammes SAR générés à partir d'acquisitions d'images bien appariées (voir les exemples ci-dessous). Certains d'entre eux étaient opportunistes (la bonne géométrie, le bon moment, les bonnes conditions), mais ils témoignent d'une capacité, de progrès et d'un potentiel prometteur pour l'avenir.

Les renseignements de l'industrie suggèrent que les exploitants de petits satellites consacrent désormais plus d'énergie et de ressources à permettre une capacité interférométrique de routine. Et c'est là que réside la clé : des données compatibles avec l'InSAR doivent être réalisables à chaque orbite pendant toute la durée de vie du satellite. Les utilisateurs en aval dépendent de mesures prévisibles et cohérentes pour la surveillance opérationnelle, et les opportunités interférométriques ponctuelles, bien qu'utiles, ne suffisent pas pour des applications critiques et des programmes de surveillance robustes.

L'opportunité à l'horizon

Combler l'écart de précision orbitale marquerait un tournant décisif pour tout l'écosystème InSAR. Grâce à la capacité d'observer un éventail plus large de phénomènes de déformation (plus fréquemment, avec une résolution supérieure et une nouvelle sensibilité géométrique), nous devrions assister à une adoption accrue dans divers secteurs, à une réduction des angles morts dans la détection des mesures, à des stratégies de surveillance plus robustes et tactiques, ainsi qu'à une compréhension scientifique plus approfondie des phénomènes de déformation complexes et des processus liés aux risques naturels.

L'InSAR par petits satellites ne se résume pas à des mesures plus rapides ou plus esthétiques; il représente le potentiel d'un changement fondamental dans notre façon de surveiller la planète, qu'il s'agisse d'infrastructures critiques, d'opérations minières, de risques naturels ou d'environnements urbains.

Le SAR par petits satellites peut transformer ce que nous mesurons et analysons à l'échelle des infrastructures. Lorsque vous revisitez le même actif quotidiennement (ou plus rapidement) tout en maintenant une résolution élevée, vous cessez de considérer le SAR comme un contexte occasionnel pour en faire une couche de données opérationnelles sur les risques. Pour une surveillance ultra-ciblée des infrastructures, particulièrement celles en construction ou en exploitation quotidienne, cela permet une détection plus précoce des risques et des boucles de rétroaction plus serrées.

- Rahul Anand, cofondateur de KorrAI

Si les défis techniques et économiques peuvent être surmontés (nous n'avons pas abordé le coût de ces données dans cet article !), les retombées pour la communauté InSAR et pour les décideurs mondiaux pourraient être considérables.

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