ICARUS

Mise en service de l'internet des animaux

avr. 21, 2021

ICARUS, l'ambitieux projet d'observation animale à grande échelle basé sur la station spatiale internationale (ISS), a terminé sa phase de test avec brio, permettant de commencer les premiers projets.

Le projet de recherche de renommée mondiale est mené sous la direction du MPIAB (Institut du comportement animal Max Planck) à Radolfzell, sur le lac de Constance, en Allemagne, en collaboration avec le DLR (German Aerospace Center) et Roscosmos, l'organisation spatiale de la Fédération Russe. Rohde & Schwarz contribue à travers la technologie radio dédiée aux émetteurs / récepteurs fixés sur les animaux.

Les merles font partie des animaux que l'institut Max Planck observera à l'aide d'ICARUS.
Les merles font partie des animaux que l'institut Max Planck observera à l'aide d'ICARUS.

Où volent-ils ?

L'équipement des animaux avec de petits émetteurs est possible depuis longtemps, grâce à la miniaturisation de l'électronique et des capteurs. Cela permet une observation pratique du comportement des animaux, sans être intrusif dans leur espace vital. Cependant, les émetteurs utilisés proposent une portée très limitée, car ils utilisent la technologie des communications mobiles ou de simples radios analogiques. En revanche, le système d'observation spatial ICARUS propose une portée mondiale. Il suit parfaitement les déplacements des oiseaux et des autres animaux migrateurs avec une résolution élevée partout où ils vont, même sur divers continents. Bien que nous connaissions de nombreuses espèces migratoires et leurs destinations, les chercheurs n'ont jusqu'à présent pas eu accès aux informations concernant leurs trajets exacts, leurs comportements et les conditions environnementales auxquelles ils font face pendant leur voyage. ICARUS fournit des réponses pertinentes et actualisées à ces questions.

Mission ICARUS
Mission ICARUS : La technologie satellite au service de la biologie.

La technologie satellite au service de la biologie

La base du système ICARUS est la station spatiale internationale (ISS). Elle voyage sur une orbite quasiment circulaire, en survolant plus de 90 pour cent de la surface terrestre chaque jour. En raison de sa faible hauteur orbitale d'environ 400 km, elle est parfaitement accessible pour les émetteurs radio de faible puissance. Cela a donné aux partenaires du projet ICARUS l'idée d'utiliser l'ISS comme une station déportée dédiée à l'observation des animaux.

Cependant, aucune technologie radio adaptée n'était disponible sur le marché. INRADIOS, une petite société spécialisée en radio satellite, et qui est désormais une filiale de Rohde & Schwarz, proposait de résoudre ce problème. Avec les éléments du système d'observation mondial ICARUS (I-GOS) du MPIAB, de SpaceTech et du DLR, INRADIOS a développé la technologie radio, les émetteurs / récepteurs animaux, le module de traitement des signaux pour l'ISS, et les stations terrestres qui peuvent recevoir les signaux à la place de l'ISS.

En plus de l'émetteur standard, des versions dédiées aux créatures marines et aux grands animaux seront disponibles.
L'émetteur animal (balise) a été développé en association avec l'Institut d'ornithologie Max Planck et I GOS. En plus de l'émetteur standard, des versions spéciales pour les créatures marines et les grands animaux tels que les éléphants seront disponibles.

Une balise pour chaque animal

L'émetteur animal (la balise) fabriquée par Rohde & Schwarz se rapproche des limites de la miniaturisation. Elle est si compacte (2 cm2) et si légère (< 5 g), que même de petits animaux peuvent aisément la transporter. Elle contient un processeur et une mémoire, un récepteur GPS, un module radio, une batterie rechargeable, une cellule solaire et plusieurs capteurs permettant d'enregistrer les données environnementales et de déplacement. Cela fournit les informations relatives à la position des animaux, à leurs mouvements, à la température de leur corps et aux conditions environnementales telles que l'humidité et la pression de l'air.

Une version maritime de la balise sera entre autre étanche, résistante à la pression et flottante, de sorte qu'elle puisse être placée sur des créatures marines. Sa fixation sera conçue pour libérer la balise après un certain temps, lui permettant ainsi de flotter à la surface et d'établir une liaison radio avec l'ISS.

Mise à jour de l'orbite de l'ISS
Étape 1 : La balise est en mode d'économie d'énergie et attend que la minuterie interne l'active pour la prochaine période de survol prévue de l'ISS. Étape 2 : Une fois active, la balise vérifie à de courts intervalles de temps si le signal du téléchargement par l'ISS est bien reçu. Étape 3 : Lorsque le signal est reçu, la balise extrait les données actuelles horodatées et les utilise avec sa propre position GPS afin de calculer la durée avant le prochain créneau de transmission. Puis elle repasse en mode d'économie d'énergie si aucun enregistrement de données n'est en attente.
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Cigogne de l'ISS : veuillez répondre

L'ISS agit comme un récupérateur de données qui reçoit les données provenant des animaux cibles lorsqu'elle les survole. La transmission de données vers l'ISS se déroule sur des espaces temporels très étroits. Les animaux sont à portée radio pendant seulement 15 secondes par jour. Ces espaces temporels doivent être précisément anticipés. En utilisant les données horodatées de l'ISS qui lui sont envoyées à intervalles réguliers, la balise calcule les créneaux temporels, puis se prépare à l'émission et à la réception aux moments opportuns. Elle passe la majeure partie de son temps en mode d'économie d'énergie et est uniquement activée par une minuterie, lorsque les données vont être réceptionnées ou qu'un contact radio est établi en fonction du programme.

Transmission des données des capteurs
Étape 1 : Lorsque le créneau temporel dédié à une possible transmission vers l'ISS approche, la balise sort du mode d'économie d'énergie. Le chargement, qui prend environ 3 s, est lancé de manière aléatoire pendant le court créneau de transmission ouvert d'environ 15 s, afin que toutes les balises adjacentes n'émettent pas toutes simultanément. Étape 2 : Après le chargement des données, la balise passe brièvement en mode réception, au cas où il y aurait d'autres commandes de contrôle pour la balise. L'ISS ne les envoi à une balise que lorsqu'elle sait, à partir d'un téléchargement reçu récemment, que la balise est à portée. Étape 3 : Avant que la balise ne repasse en mode d'économie d'énergie, elle calcule le prochain temps de passage. La minuterie est l'un des principaux composants de la balise. Elle active la balise uniquement lorsqu'il y a quelque chose à faire, à savoir enregistrer les données du capteur ou se tenir prête pour la transmission.
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Les données à collecter et à transmettre, ainsi que les intervalles de collecte et de transmission, peuvent être définis individuellement pour chaque balise. Comme avec chaque objet dans l'internet des objets, ICARUS permet de s'adresser individuellement à chaque animal dans l'internet des animaux. Afin de simplifier les choses et parce que les communautés animales qui nécessitent d'être balisées sont généralement très importantes, les balises peuvent être organisées en groupes et adressées collectivement.

L'ordinateur embarqué sur l'ISS accumule les données reçues et envoie des ensembles de paquets de données vers la station terrestre ICARUS exploitée par Roscosmos. La station terrestre transfère les données vers le centre de contrôle des opérations en Allemagne, où elles sont chargées dans la base de données centrale sur www.movebank.org, qui est accessible dans le monde entier via internet.

Le Prof. Dr. Martin Wikelski, Responsable du projet ICARUS, enquête sur les déplacements des chauves-souris frugivores.
Le Prof. Dr. Martin Wikelski, Responsable du projet ICARUS, enquête sur les déplacements des chauves-souris frugivores.
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Attentes élevées, demande importante

Les opportunités de recherche uniques proposées par ICARUS aux biologistes ont déjà amené les scientifiques du monde entier à soumettre des centaines de demandes auprès du MPIAB. Le MPIAB accordera aux demandeurs approuvés le nombre de balises nécessaire et l'utilisation exclusive des données collectées pour une période de trois ans, après laquelle les données seront accessibles de tous. Le MPIAB a bien sûr quelques projets sous le coude. Par exemple, le projet actuel de recherche sur les merles sera élevé à un nouveau niveau avec ICARUS. Les chauves-souris frugivores en Afrique, qui ont été un sujet d'intérêt pendant un certain temps, du fait qu'elles éparpillaient des graines et servaient de "chiens renifleurs" pour les sources d'infection Ebola, peuvent être suivies précisément grâce à ICARUS. En Sicile, des investigations sont en cours afin de savoir si les animaux ont réellement un sixième sens pour pressentir les catastrophes naturelles imminentes et s'ils peuvent détecter les éruptions volcaniques (Mont Etna) en amont. Des capteurs seront placés sur des chèvres de montagne pour ce projet. ICARUS donne des ailes à l'imagination des biologistes.

Mise en service normalement prévue pour le quatrième trimestre

Les activités de recherche ont débuté

Comme la station à distance ISS n'était pas disponible, les balises ont été testées avec des radios terrestres également fabriquées par Rohde & Schwarz. Ce mode de fonctionnement a été planifié comme une alternative. Il présente l'avantage d'atteindre des débits de données significativement supérieurs et que la transmission des données est effectuée plus souvent qu'avec le passage ISS au-dessus des balises. Les scientifiques peuvent aisément réaliser des observations à petite échelle, comme dans la zone de reproduction d'une colonie d'oiseaux.

Le premier test du système qui était planifié avec l'ISS en juillet 2019 a échoué du fait de problèmes de refroidissement dans l'ordinateur embarqué. Le projet a été reporté de quelques mois à cause de la nécessité d'obtenir des pièces détachées. L'apparition de la pandémie relative au coronavirus a engendré d'autres retards. Néanmoins, il était encore possible de réaliser des tests approfondis en 2020 – et le système a été adopté haut la main. De plus, la performance de l'équipement radio a largement dépassé les attentes. Le premier projet inter-continental dédié à l'observation du comportement migratoire des merles et des grives est en cours depuis septembre 2020. Tandis que le système prend de la vitesse, INRADIOS poursuit son travail de développement des balises radio en collaboration avec le MPIAB. L'objectif est d'atteindre une miniaturisation encore plus importante, tout en améliorant simultanément la durée de vie de la batterie. Un jour, les balises pourront même être assez petites pour être fixées sur des insectes.

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