The ExoMars mission of the program Aurora (ESA) aims to send a vehicle (Rover) on Mars in 2013. Beyond the technological aspects of the mission, the Rover will also carry scientific instruments for the analysis of Mars subsurface to search traces of past or present life in the Martian soil. The Rover will embark a drilling machine which will give access to samples of sub-surface of Mars to 2 meters depth. This constitutes the great originality of ExoMars, because the Mars sub-surface remains still unknown and seems to be the best place to shelter good conditions to create life. This drilling machine will be guided by a radar system sounder UHF, the WISDOM instrument, which will also make possible to probe the Mars sub-surface to a few meters of depth to detect water and to study the geological structures. We have analytical and numerical electromagnetic models to simulate the behavior of an electromagnetic wave in the Mars sub-surface, but also to simulate the interactions between the wave and the structure of the Rover. The objective of the work which we present consists in the study of the factors able to create disturbances of measurements in order to correct the effects on the measured signal. Initially we present the solution which we retained in order to be able during the same calculation to simulate the displacement of the Rover on several tens of meters. We also present the results relating to the effect of the orientation of the antenna during displacement due to topography of the observation site.
Le programme Aurora [1] débuté en 2001 fait partie de la stratégie de l'Europe pour l'exploration du système solaire. Il a été approuvé par le Conseil de Recherche de l'Union Européenne et le Conseil de l'Agence Européenne de l'espace en 2001. L'objectif est d'explorer le Système Solaire, de stimuler le développement de nouvelles technologies et d'inspirer aux jeunes d'Europe un plus grand intérêt pour la science et la technologie. Un premier objectif d'Aurora est de créer, puis d'appliquer, un plan européen à long terme pour l'exploration robotique et humaine de Mars. Un deuxième objectif est de rechercher la vie au delà de la Terre : les futures missions dans le cadre du programme utiliseront des outils sophistiqués pour étudier la possibilité de l'existence de formes de vie sur d'autres mondes dans le Système Solaire. La mission ExoMars du programme Aurora de l'ESA a ainsi pour objectif d'envoyer un véhicule de type rover sur Mars en 2011. Au-delà des aspects technologiques de la mission, le rover emportera également une charge utile scientifique pour l'analyse du sous-sol de Mars, à la recherche de traces de vie passée et/ou présente dans le sol martien.
Le rover embarquera ainsi une foreuse qui permettra l’accès à des échantillons du sous-sol de Mars jusqu’à une profondeur de 2 mètres. Ceci constitue la grande originalité d’ExoMars, car le sous-sol de Mars reste encore inconnu et semble le meilleur endroit pour abriter des conditions favorables à la vie. Cette foreuse sera guidée par un système radar sondeur UHF, l’instrument WISDOM, qui permettra également de sonder le sous-sol de Mars jusqu’à quelques mètres de profondeur pour détecter de l’eau et étudier les structures géologiques. L’équipe de Planétologie du L3AB-Bordeaux est partie prenante dans la réalisation du radar sondeur WISDOM et dans l’analyse de ses données, et prend en charge les modélisations géo-électriques et électromagnétiques avec le laboratoire PIOM (caractérisation électromagnétique d’échantillons de roches et modélisation numérique) et le Lunar and Planetary Institute de Houston (hydrogéologie martienne). Des modèles géo-électriques des premiers mètres du sous-sol de Mars ont ainsi été réalisés. Ils vont permettre de spécifier les données techniques du radar et de développer des méthodes d’inversion des donnés. Nous disposons de modèles électromagnétiques analytiques (type IEM, GOM, SPM) et numériques (type FDTD et HFSS) pour simuler le comportement d’une onde radar dans le sous-sol de Mars, mais aussi les interactions avec la structure du rover. Ce type de simulation numérique sera nécessaire pour calibrer et interpréter les futurs donnés de WISDOM. L’objectif des travaux que nous présentons consiste à étudier des facteurs pouvant provoquer des perturbations des mesures, en vue de les corriger. Dans un premier temps nous présenterons la solution que nous avons retenu afin de pouvoir lors d’un même calcul simuler le déplacement du rover sur plusieurs dizaines de mètres. Nous présenterons aussi les résultats relatifs à l’effet de l’inclinaison de l’antenne lors du déplacement dû à la topographie du site d’observation.
Le système radar embarqué sur le rover utilisera une antenne cornet complexe qui intègrera des antennes vivaldi. Cette antenne permettra d’effectuer des mesures sur une bande de fréquence allant de 500 MHz à 3GHz. Cette antenne aura une incidence de 10° avec le sol lorsque le rover se trouve sur un sol plat et se situera à environ 50 cm du sol martien.
Notre objectif est de mettre au point un modèle numérique permettant de simuler le déplacement du radar. Le choix de l’antenne n’est pas définitivement fixé. Dans un premier temps, nous utiliserons donc comme antenne un simple cornet dont la bande passante varie de 900 MHz à 2.7 GHz. Par la suite cette antenne sera remplacée par l’antenne réelle qui est en cours de définition et de réalisation à l’université de Dresde.
Le logiciel de simulation retenu pour notre application est le logiciel HFSS (High Frequency Structure Simulator) de la société ANSOFT. Il utilise la méthode des éléments finis et se prête tout à fait à notre étude car il fonctionne dans le domaine fréquentiel et il pourra représenter convenablement le fonctionnement du radar qui travaillera en mode « step-frequency ». La simulation de l’antenne cornet et éventuellement du rover lui-même est tout à fait envisageable à l’aide d’un ordinateur de type PC possédant au moins 512Mo de RAM.
Le milieu géologique sera constitué dans un premier temps d’une couche d’un mètre de poussière (ε r =6.86-0.32j) recouvrant une couche de basalte humide (ε r =15.28-1.05j). Ces deux milieux ne sont pas magnétiques (µ=1). D’autres paramètres comme la topographie, la porosité de surface, la présence de gradients d’humidité, de roches … seront pris en compte par la suite. Les propriétés du milieu vont donc varier lors du déplacement du rover. Notre problème a donc consisté à simuler ce déplacement et donc celui de l’antenn
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