Electrostatic accelerometer with bias rejection for the test of the gravitation law at the Solar System scale
Accéléromètre électrostatique à biais corrigé pour le test de la loi de gravitation à l'échelle du Système Solaire
Résumé
Radio tracking of interplanetary probes is an important tool for navigation purposes as well as for testing the laws of gravitation in the Solar System. The addition of an accelerometer on board a spacecraft provides scientists with an additional observable of great interest: it measures the value of the non-gravitational acceleration acting on the spacecraft, i.e. the departure of the probe from geodesic motion. This technology is routinely used for geodesy missions in Earth orbits with electrostatic accelerometers. This thesis focuses on the Gravity Advanced Package, an instrument made of an electrostatic accelerometer and a rotating platform. This technological evolution allows measuring without bias the non-gravitational acceleration of the spacecraft. It is essential to enhance the scientific return of interplanetary missions in the Solar System, from the point of view of gravitation physics. Indeed, by measuring the absolute non-gravitational acceleration of an interplanetary spacecraft and using these measurements in the orbit restitution process, it is possible to test unambiguously the gravitational law. Considering the technologies presented in this thesis, it is possible to measure the unbiased non-gravitational acceleration of a spacecraft with a precision of 1 pm.s^{-2} for an integration time of 3 hours. These measurements, along with the radio tracking of the probe, allows testing the gravitation law at the level of 10^{-11} m.s^{-2} for an arc of 21 days.
La trajectoire des sondes spatiales, calculée à partir des informations obtenues avec le lien radio, est un outil important pour la conduite des missions spatiales ainsi que pour le test de la loi de gravitation dans le Système Solaire. L'ajout d'un accéléromètre à bord d'une sonde fournit aux scientifiques une information supplémentaire d'un grand intérêt puisqu'il mesure la valeur de l'accélération non-gravitationnelle de la sonde, c'est-à-dire sa déviation par rapport à un mouvement géodésique. Des accéléromètres électrostatiques sont actuellement utilisés sur plusieurs missions de géodésie. Cette thèse est centrée sur le Gravity Advanced Package, un instrument composé d'un accéléromètre électrostatique et d'une platine rotative. Cette évolution technologique permet de faire des mesures d'accélération non-gravitationnelle sans biais. Cela est essentiel pour le succès scientifique d'une mission interplanétaire du point de vue du test de la gravitation. En effet, en mesurant sans biais l'accélération non-gravitationnelle d'une sonde interplanétaire et en utilisant ces mesures dans le processus de restitution d'orbite, il est possible de tester la gravitation de manière non ambiguë. Avec les technologies présentées dans cette thèse, l'accélération non-gravitationnelle d'une sonde spatiale peut être mesurée avec une précision de 1 pm.s^{-2} pour un temps d'intégration de 3 heures. Ces mesures, utilisées conjointement avec les données issues du lien radio, permettent d'obtenir une précision de 10^{-11} m.s^{-2} sur la loi de gravitation avec un arc de 21 jours.
Domaines
Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det] Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an] Traitement du signal et de l'image [eess.SP] Traitement du signal et de l'image [eess.SP] Relativité Générale et Cosmologie Quantique [gr-qc] Physique de l'espace [physics.space-ph]
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