Les missions

Communiquer

Le besoin de communiquer partout sur la Terre

Le besoin de communiquer est en constante augmentation depuis plusieurs décennies. Il s’est encore accentué avec le boom d’internet et des réseaux sociaux. Les télécommunications par satellite jouent un rôle important pour répondre à cette demande et constituent à ce jour une des activités économiques parmi les plus importantes du domaine spatial.
Les satellites de télécommunication sont aujourd’hui utilisés dans notre vie quotidienne. Depuis n’importe quel endroit du monde, y compris sur mer, voire dans les airs, il est possible de regarder des programmes de télévision en provenance du monde entier, téléphoner, envoyer des emails, accéder à internet, etc.
Les satellites de télécommunication sont aussi primordiaux dans le domaine de la défense.

Pourquoi utiliser un satellite

Schéma télécommunications satellite

Nombreux sont les satellites de télécommunication placés dans le plan de l’équateur à une altitude de 35 786 km au-dessus de la surface de la Terre. Le satellite tourne alors à la même vitesse que la Terre et demeure donc dans une position fixe par rapport à celle-ci.

Cette orbite, appelée « orbite des satellites géostationnaires », est très intéressante puisqu’elle permet à une antenne fixe au sol de communiquer avec le satellite 24 heures sur 24 sans avoir à modifier son orientation.

Le satellite peut couvrir jusqu’à 40% de la surface du globe et donc assurer des liaisons entre des stations très éloignées en s’affranchissant de la courbure de la terre. Le satellite permet aux communications de franchir aisément les océans.

La possibilité d’assurer des liaisons longue distance a fait le succès des satellites pour les communications transocéaniques avant l’arrivée, dans les années 90, des câbles optiques sous-marins qui maillent le globe aujourd’hui : les satellites ont ainsi assuré jusqu’à 2/3 des liaisons intercontinentales et les transmissions internationales de télévision.

Early Bird (Intelsat-1)

Early Bird (Intelsat-1) en test dans les laboratoires de la Hugues Aircraft Corporation. Crédit Nasa . Le 6 avril 1965, le satellite Early Bird a été le premier satellite commercial opérationnel à fournir des services de communication entre l’Amérique du Nord et l’Europe.

Antenne du Deep Space Network

Le Deep Space Network ou DSN est un réseau de trois stations terriennes équipées d’antennes paraboliques détenu par l’agence spatiale américaine, la NASA. Il est surtout utilisé pour les communications avec les sondes spatiales interplanétaires. Copyright ESA

Profitant de son aptitude à couvrir de vastes zones géographiques, le satellite est aussi un moyen idéal pour la diffusion de programmes de radios et de télévision sur l’ensemble d’un territoire national ou régional. A l’inverse, le même concept permet le rapatriement vers les studios de télévision de reportages réalisés quelque part dans le monde.

Utilisation de satellites de communication

Que ce soit pour une coupe du monde, pour les jeux olympiques, pour des concerts ou pour les tirs d’Ariane, même à l’autre bout du monde, nous pouvons suivre tous ces évènements, sur notre télévision en direct (ou presque : décalage de quelques secondes seulement).
Par exemple la Coupe du Monde de football qui s’est déroulée en Russie.

Le fonctionnement d’un satellite de communication

Signal et fréquence

Un satellite de télécommunication est en simplifiant grandement un « répéteur » qui reçoit le signal émis depuis une ou plusieurs antennes sur Terre, et le retransmet vers une ou plusieurs antennes sur Terre.

Pour cela, l’émetteur envoie le signal à une fréquence donnée définie par l’Union Internationale des Télécommunications, organisation internationale en charge de la gestion du spectre radioélectrique (les fréquences « radio »). Le récepteur a été conçu pour recevoir (« écouter ») les fréquences concernées. Les fréquences des liaisons montantes et des liaisons descendantes doivent être différentes pour ne pas se perturber mutuellement. Plusieurs centaines, voire milliers, de liaisons simultanées peuvent transiter au travers d’un satellite de communication.

Voici les bandes de fréquences utilisées par les satellites

  • Bande L (1,4 – 1,5 GHz) : Bande de fréquence traditionnelle pour les services mobiles (terminaux mobiles)
  • Bande C (4 – 6 GHz): Bande de fréquence initiale pour les communications entre de grandes stations fixes
  • Bande X (7 – 8 GHz) réservée aux applications gouvernementales (défense)
  • Bande Ku (10,7-12,75 et 14-15,5 GHz), la plus utilisée jusqu’à aujourd’hui pour diffusion de télévision et la transmission de données
  • Bande Ka (17,3-20,2 et 27,5-32 GHz), offre une plus grande largeur de bande utilisable et permet l’utilisation de petites antennes au sol pour l’accès Internet et contribuant à la Réduction de la Fracture Numérique
  • Bandes Q/V (40 et 50 GHz) : Bande du futur (proche) pour le très très haut débit

Plus la fréquence est élevée, plus le signal est sensible à la météo.  Une liaison en bande Ku peut s’interrompre en cas de gros orage (mais pas en bande C).

Comme le signal s’atténue avec la distance (en pratique le carré de la distance) et comme le satellite est très éloigné de la terre, il faut s’assurer que la puissance d’émission et la taille des antennes (la performance d’une antenne appelée « gain » dépend de son diamètre pour une fréquence donnée) sont dimensionnées pour que le signal soit reçu avec le niveau demandé par l’équipement de réception. 

La conception des antennes du satellite résulte d’un compromis, en augmentant la taille, le gain augmente (on capte un maximum de signal), mais la largeur du faisceau diminue et donc l’étendue de la zone couverte au sol (couverture). Par ailleurs la taille est limitée par la place disponible dans la coiffe du lanceur.

A bord du satellite, le signal capté par l’antenne est amplifié (en utilisant des équipements qui apportent le moins de bruit possible (appelés LNA – Low Noise Amplifier), car le signal reçu est très faible, de l’ordre d’une dizaine dePicowatts.

Le signal est ensuite filtré (pour n’écouter que les fréquences choisies), puis amplifié de nouveau pour pouvoir le renvoyer avec une forte puissance vers le sol. Le signal répété par le satellite doit être reçu avec le bon niveau par l’équipement de destination sur la terre : la parabole de réception doit être à la bonne dimension.

Fréquences des satellites

Fréquences des satellites – Copyright ESA

Capacité

C’est la quantité d’informations (somme des débits de l’ensemble des liaisons) qui transite dans le satellite en 1 seconde.

La capacité des satellites est en constante augmentation. Pour les anciennes générations le débit était de l’ordre de 1 Gb/s (Gigabits par seconde = 1 milliard de bits par seconde). Les satellites d’aujourd’hui acheminent quelques dizaines à une centaine de Gb/s. Les nouvelles technologies vont permettre d’accéder au Térabit par seconde. L’objectif est bien sûr de faire face à l’augmentation de la demande, mais aussi de réduire le coût du service (plus le satellite est capable de transporter un débit total important, plus le coût du « bit/s » transmis est faible, et donc la facturation à l’usager).

Couverture satellitaire

C’est la surface terrestre arrosée par les signaux d’un satellite. Les antennes des satellites sont conçues sur mesure afin que la couverture épouse bien la surface visée au sol.  

Dans cet exemple du satellite Eutelsat, la couverture épouse majoritairement la forme du continent Européen. La dimension indiquée est la dimension recommandée de l’antenne sol (ou parabole) pour recevoir le signal émis par le satellite. Cette dimension varie de 50 cm au centre jusqu’à 1m20 sur les bords. Il faut donc bien choisir sa parabole en fonction de la zone où on habite !

Couverture Eutelsat5

Les satellites doivent être optimisés pour pouvoir y faire transiter le plus de débit possible.
Les satellites de télécommunication d’aujourd’hui sont donc plus complexes et utilisent souvent des antennes multifaisceaux. Chaque faisceau couvre une petite portion de la zone géographique où le satellite fournit le service, ce qui améliore les performances de la liaison grâce l’augmentation de la puissance rayonné ou reçue. Par ailleurs, la même bande de fréquence peut être réutilisée entre des faisceaux disjoints, ce qui va augmenter la capacité (ou quantité de trafic) globale du satellite.
La présence de plusieurs faisceaux de réception et d’émission entraîne le besoin de pouvoir aiguiller les signaux des liaisons montantes entre les différents faisceaux descendants. Les satellites modernes embarquent un processeur numérique (DTP : Digital Transparent Processor) qui assure aiguillage et redistribution des signaux entre les faisceaux de manière flexible et donc reconfigurable pour suivre l’évolution des besoins.


SKY Brasil-1 est un satellite de communication fabriqué en Europe pour une société américaine. Il pèse environ 6 tonnes et il est équipé de nombreuses antennes déployables.

Alphasat

Alphasat avant son entrée dans le caisson pour l’essai Vide Thermique ©ESA
Sous la partie en jaune, on distingue les différentes sources du signal correspondant à chaque faisceau

Inmarsat4

Inmarsat-4 (I-4), les trois premiers satellites ont été lancés en août 2005 ©ESA

Les constellations de satellites de télécommunication

Les satellites placés en orbite géostationnaire ont un inconvénient majeur : Une onde radio émise sur terre met environ 125 ms pour atteindre le satellite placé à 36 000 Km, et autant pour être acheminée à sa destination finale. Ce délai de transmission est pénalisant pour les applications temps-réel et pour le fonctionnement de certains protocoles de l’internet.

Les constellations de satellites en orbite basse permettent de réduire drastiquement ce délai de transmission. Mais en orbite basse, chaque satellite ne couvre qu’une zone géographique limitée (de l’ordre du millier de kilomètres). Un grand nombre de satellites est donc nécessaire pour assurer une couverture du globe (au minimum une cinquantaine pour les premières constellations lancées dans les années 90 (66 satellites pour IRIDIUM et 48 pour GLOBALSTAR), jusqu’à plusieurs centaines, voire milliers, selon les altitudes et l’étendue de la couverture choisies).

Voici les principales orbites utilisées par les constellations de satellites de télécommunication :

  • Orbites basses (LEO) : entre 350 et 1400 km d’altitude, les constellations d’aujourd’hui (Iridium, Globalstar) et de demain (One Web, Starlink, Telesat…)
  • Orbites moyennes (MEO) : 8000-10000 km d’altitude (constellation O3b)
  • Orbites excentriques inclinées (HEO) : orbite 1000 km/40 000km, bien adaptée à la couverture des latitudes élevées et des zones polaires (système Molnyia (ex-URSS),

Une constellation de satellites en orbite basse permet de couvrir uniformément l’ensemble de la terre (y compris les déserts, les mers et le ciel).

Constellation Iridium

La constellation Iridium © ThalesAleniaSpace

Le futur

Les satellites constituent aujourd’hui la première application commerciale du secteur spatial, générant des revenus et un marché que se disputent une cinquantaine d’opérateurs à travers le monde contrôlant plusieurs centaines de satellites sur orbite géostationnaire ou en orbite basse. Ce nombre pourrait atteindre plusieurs milliers avec les méga-constellations en orbite basse, comme le réseau Starlink, qui doit permettre un accès à internet dans chaque recoin du monde.

Dans les années à venir, le satellite devra relever un défi considérable : celui d’un repositionnement stratégique, technique et commercial au service d’une société encore plus communicante, mondialisée, et demandeuse de nouveaux services (comme par exemple la téléphonie mobile de 5ième génération – 5G) diversifiés et de plus en plus personnalisés. D’autres services vont se développer, comme la connectivité en vol, l’Internet des objets (objets communicants) et l’ultra-haute définition.

Les satellites doivent être capables d’offrir plus de flexibilité pour s’adapter à l’évolution des besoins et du trafic à écouler tout au long de la vie du satellite. Ainsi les satellites géostationnaires devront être capables de se reconfigurer une fois lancés afin de modifier leur mission en termes de couverture, position orbitale et plan de fréquence.

Ils devront aussi s’intégrer de façon transparente au sein des systèmes et réseaux sols existants et sortir de la logique de la compétition entre systèmes satellitaires et infrastructures terrestres pour additionner leurs avantages, aucun des deux ne pouvant répondre isolement aux besoins futurs, par exemple pour le déploiement de la 5G. En effet, les coûts importants pour déployer les réseaux terrestres justifient pleinement le satellite pour couvrir les zones isolées, celles à faible densité de population et les pays en développement.
La complémentarité des services satellitaires depuis différentes orbites est aussi d’actualité. Les satellites de télécommunications doivent conjuguer haute puissance, très haut débit, adaptabilité et flexibilité.

Voilà donc un avenir prometteur où la créativité sera toujours nécessaire ! Un avenir pour toi ?

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