Histoire et évolution des satellites de télécommunications – 6/8 Un peu de technique

1. Lancement, mise à poste et vie du satellite :

Pour que le lancement et l’installation d’un satellite en orbite se fasse dans les meilleures conditions, le lieu de lancement, habituellement un centre spatial dédié, doit remplir tous les critères météorologiques, climatologiques, topographiques, l’installation du satellite dans la coiffe au sommet du lanceur doit se faire de manière à ce qu’il subisse le moins de dommages possibles par rapport à la « violence » du lancement, et la fenêtre de lancement correspond à une période allant de quelques heures à quelques jours où les conditions météorologiques doivent être réunies mais aussi les conditions astronomiques (conséquences de l’activité solaire, absence de météorites à venir, heure du lancement etc).
Lorsque le lancement a lieu, au fur et à mesure que les étages du lanceur sont largués puis le satellite lui-même, celui-ci se positionne en orbite provisoire, dite de transfert, et déplie partiellement ses panneaux solaires, mais l’énergie récupérée à ce moment-là est suffisante pour permettre au satellite d’activer et d’utiliser la plupart de ses systèmes pour fonctionner.
Ensuite, en utilisant ses propulseurs et en consommant une partie du carburant pour cela, le satellite monte jusqu’à son orbite de travail définitive, s’installe au point longitudinal défini par le cahier des charges et calculé à partir du méridien de Greenwich, soit par dérivation naturelle, soit par ses propulseurs selon les circonstances, et déploie complètement ses panneaux solaires. C’est la mise à poste.
Une fois cette opération effectuée, le satellite se voit activer ses autres systèmes et ceux-ci sont d’abord testés depuis le sol avant la mise en service réelle. Si tout est concluant, le satellite est autorisé à remplir le rôle pour lequel il est conçu, tout en restant sous une surveillance constante depuis le sol. Du lancement à la mise en service il faut presque 1 mois !
La qualité et l’évolution du matériel ainsi que les capacités élargies du satellite permettent une durée de vie de 15 ans en moyenne, contre quelques mois à 2 ans dans les années 60. Bien souvent, une fois arrivés à cet âge les satellites fonctionnent encore très bien, mais l’évolution des techniques, normes et formats de diffusion, des canaux de transmission et appareils terminaux et l’éventail pourtant élargi de compatibilités entre les uns et les autres (souvent pour des raisons économiques) entraînent inévitablement une obsolescence du satellite et la nécessité de son remplacement par un autre satellite encore plus performant, positionné au même endroit ou plus éloigné.
Selon les circonstances, à la mise en service du satellite remplaçant, le bouquet de chaînes télévisées, de stations de radio etc… est transféré de l’ancien satellite au nouveau. Puis le sol télécommande la propulsion de l’ancien satellite environ 3000 km en arrière sur une orbite « cimetière » , épuisant ce qui lui reste de carburant, et une fois celle-ci atteinte, le satellite est désactivé. Des tests sont refaits pour s’assurer de la parfaite désactivation.
Mais cette opération vaut aussi lorsque le satellite rencontre des pannes et problèmes menaçant à plus ou moins long terme son fonctionnement et les conséquences sur les usagers ou sur les autres satellites fonctionnels.
Pour les rôles des entreprises, les constructeurs (par exemple Thalès Alenia) s’occupent de la conception et de la fabrication des satellites, les agences spatiales gèrent le lancement du satellite (par exemple l’ESA), puis la mise à poste, la surveillance et la maintenance/réparation à distance sont gérés par les différents téléports auxquels le satellite est relié (en France ce sont ceux de Rambouillet et de Bercenay-en-Othe), l’attribution des bandes de fréquences aux organisations internationales et nationales de régulation (l’UIT, Union Internationale des Télécommunications ou l’ARCEP en France) l’exploitation commerciale aux opérateurs de satellites (par exemple Eutelsat pour l’Europe).

2. Les différentes orbites et positions :

Tous les satellites obéissent aux lois physiques de la gravitation universelle. Ils se déplacent sur des trajectoires elliptiques ou circulaires centrées ou excentrées autour de la Terre et leur vitesse est due à leur altitude. D’après l’idée d’Arthur C Clarke et les calculs en fonctions des lois gravitationnelles de Kepler, plus l’orbite est basse, plus le satellite est rapide (par exemple, à 400 km d’altitude, l’ISS parcourt un tour de Terre en 90 minutes et la Lune qui se trouve à 380000 km de la Terre en fait le tour en 28 jours.
Les orbites géosynchrones et géostationnaires sont situées à 35786 km d’altitude (couramment arrondi à 36000 km), la seule permettant un tour de Terre exactement de la même durée qu’une rotation de la Terre sur elle-même, soit 24 heures ou 1440 minutes. Mais l’orbite géostationnaire se distingue de l’orbite géosynchrone par sa situation exactement sur le plan de l’équateur. Ce qui fait qu’un satellite placé à cette altitude semblera fixe dans le ciel nocturne vu de la Terre. Sur une carte de suivi satellitaire, la trace au sol est quasi inexistante. Un zoom rapproché peut cependant révéler une infime trajectoire en I voire en W ou M liée à la dérivation naturelle et inévitable du satellite (ce qui peut être corrigé à partir du sol au-delà d’un déplacement de 150 km afin d’éviter des conséquences préjudiciables pour les antennes au sol)
C’est l’orbite idéale de la majeure partie des satellites de télécommunications et parfois aussi les satellites météorologiques, car ils peuvent couvrir une très grande zone sur des milliers de kilomètres et être par conséquent disponibles en permanence. D’après le postulat d’Arthur C Clarke, 3 satellites de télécommunications peuvent suffire à couvrir tout le globe, à raison d’1/3 du globe chacun, s’ils sont répartis à égale distance les uns des autres à la manière d’un triangle équilatéral. Familièrement, l’orbite géostationnaire est surnommée orbite de Clarke et l’ensemble des satellites y résidant et s’accumulant (près de 500 en 2020) forme la ceinture de Clarke.
Néanmoins, seuls 42% du globe sont couverts par les satellites géostationnaires : plus la latitude s’éloigne, plus le signal parcourt de distance et met donc davantage de temps à atteindre la Terre (rallongement jusqu’à ¼ de seconde) et il y a le risque de subir des atténuations plus intenses et plus fréquentes susceptibles d’en affecter la qualité. Au-delà d’une certaine latitude (60° Nord ou Sud, soit les pôles), le signal n’arrive plus.
L’URSS puis le nord de la Russie et les pays baltes d’ex URSS (Lituanie, Lettonie et Estonie) entre autres étant confrontés au problème ont calculé l’orbite de Molnya, où circulent les satellites du même nom depuis 1965.
Les orbites de Molnya sont des orbites terrestres très excentriques avec des périodes d’environ 12 heures (soit 2 tours par jour). L’inclinaison orbitale est choisie de sorte que le taux de changement du périgée soit nul, ainsi l’apogée et le périgée peuvent être maintenus à des latitudes fixes et se tiennent entre 1000 et 40000 km d’altitude. Cette condition se produit à des inclinaisons de 63,4 degrés et 116,6 degrés. Pour ces orbites, l’argument du périgée est généralement placé dans l’hémisphère sud, de sorte que le satellite reste au-dessus de l’hémisphère nord près de l’apogée pendant environ 12 heures par orbite. Cette orientation peut fournir une bonne couverture du sol aux hautes latitudes nordiques.
Lors du suivi satellitaire, la trace au sol résultant de cette orbite, qui forme une sorte de « pont inversé » (comme lorsqu’on écrit la lettre u en cursive) permet à un satellite de couvrir le territoire russe de manière continue durant plus d’un tiers de son orbite ce qui permet à une constellation de trois satellites d’assurer une couverture permanente du territoire. Mais lorsque le Molnya atteint son apogée, il se trouve à traverser les ceintures de radiations de Van Allen qui peuvent altérer ses systèmes malgré les précautions prises (installation de boucliers protecteurs) lors de la fabrication des satellites.
Si l’orbite géostationnaire reste l’orbite la plus utilisée depuis 1965 pour les satellites de télécommunications, les années 90 voient le retour des orbites basses (de 300 à 2000 km) et moyennes (de 5000 à 20000 km). Les avantages sont un lancement et une mise en orbite facilitées par la moindre altitude, un signal plus rapidement transmis, mais ils ont comme inconvénients de ne pas rester fixes (en-dessous de 35786 km, un satellite tourne plus vite que la Terre) et de couvrir de très petites zones. Aussi pour permettre une couverture permanente, il faut de très nombreux satellites, identiques, dans la même altitude et installés sur plusieurs plans d’orbite (y compris polaires, idéal pour desservir ces zones), regroupés en constellations de satellites (entre 40 et 60 satellites en moyenne). Leur mouvement est synchronisé de manière que les trajectoires par rapport à la Terre se reproduisent à l’identique au bout d’une durée constante, permettant un relais immédiat de couverture de zone d’un satellite à un autre sans « perte » de signal. Les constellations de satellites moyens et bas ont une durée de vie inférieure aux satellites géostationnaires, 5 ans en moyenne, et nécessitent un renouvellement régulier.
Le plus souvent, ces satellites concernent la téléphonie mobile, Internet et le GPS. Les constellations les plus connues sont Iridium, Globalstar ou Argos.

3. Anatomie d’un satellite de télécommunications :

Les satellites de télécommunications avaient au départ l’aspect de « boules à facettes » tel que le satellite Telstar, du fait de la forme sphérique recouverte de plaquettes solaires, puis dans les années 60-70, ils apparaissaient comme des cylindres violets, le corps fonctionnel étant directement et entièrement recouvert de cellules solaires, et des antennes « tapettes à mouches » (grillagées) les surmontaient. Ces architectures sont aujourd’hui abandonnées, ayant laissé place ensuite aux satellites tels qu’on les connaît aujourd’hui, avec une partie charge utile distincte des panneaux solaires, qui sont déployables et tout en longueur, et dotés d’antennes paraboliques toujours plus nombreuses (6 à 8 en moyenne contre 2 à 3 au début) au lieu des antennes grillagées.
En moyenne, les satellites de télécommunication actuels mesurent plus de 40m (panneaux solaires déployés) et font 8m de hauteur (antennes comprises). Ils pèsent près de 6 tonnes au lancement mais font 2/3 de ce poids, soit 3,8 tonnes une fois en poste et n’épuisent leur carburant qu’en se déplaçant en orbite cimetière, de sorte qu’en fin de vie ils font 3,5 tonnes.
Les panneaux solaires sont recouverts d’un tapis de cellules photovoltaïques qui récupèrent le rayonnement solaire afin de le convertir en électricité pour assurer le fonctionnement des systèmes lorsque le satellite se trouve côté jour, et lorsqu’il se trouve côté nuit, les batteries rechargées justement par ces panneaux solaires prennent le relais.
La partie fonctionnelle du satellite se divise en 2 parties : la charge utile, portant les éléments permettant au satellite d’accomplir son rôle (antennes, éventuels réflecteurs et répéteurs) et la plateforme (qui contiennent les systèmes électriques, thermiques, le carburant, les propulseurs, les gyroscopes et orienteurs). L’ensemble est protégé de manière à résister aux radiations et aux écarts thermiques extrêmes et brutaux entre le jour et la nuit.
La charge utile réceptionne le signal terrestre selon des modalités précises (fréquence, polarisation…), l’amplifie, en transpose et/ou convertit la fréquence, l’émet dans la zone terrestre concernée selon les mêmes modalités (qui peuvent avoir des mesures différentes du signal reçu selon la zone vers laquelle le signal est renvoyé). Le signal terrestre est appelé Uplink, signal montant ou signal aller et le signal renvoyé par le satellite est appelé Downlink, signal descendant ou signal retour. Le satellite est dit actif.
Le signal est traité grâce à 2 sortes de répéteurs : les répéteurs transparents (qui convertissent et amplifient la fréquence du signal) et régénérateurs (démodulent et remodulent le signal, l’amplifient ou le réamplifient selon les circonstances)

4. Utilisation du satellite de télécommunication :

Depuis sa position privilégiée, le satellite peur arroser un nombre illimité d’antennes dispersées sur de larges surfaces dans le monde. Sa puissance lui permet de livrer simultanément, en temps réel et sur une même région plusieurs centaines de chaînes de télévision, de stations de radios, de lignes téléphoniques et de données de toutes sortes. Il peut desservir aussi bien des foyers directement qu’assurer l’alimentation en programmes des réseaux câblés de télévision et radio numériques terrestres, de téléphonie fixe et mobile. Les signaux peuvent être aussi bien reçus par des antennes fixes au sol que par des navires en mer ou des avions en vol.
Le nombre actuel de satellites, soit environ 500 en 2020, (certains étant colocalisés sur une même position orbitale), est tel qu’il faut faire en sorte qu’ils ne se perturbent pas mutuellement. La position orbitale et la bande de fréquences entre autres sont définies dans un cahier des charges précis et une coordination entre opérateurs supervisée par l’ITU (Union Internationale des Télécommunications). Au sol aussi, la réception est réglementée par le nombre, la taille voire le type d’antenne, facteurs qui dépendent eux-mêmes de la bande de fréquences utilisées, de la puissance et du type de signal.
En fonction de leur mission, les antennes des satellites sont conçues de manière à couvrir des zones précises de la planète, d’une superficie allant de celle d’un pays à plusieurs continents. Les conditions climatiques jouent aussi sur l’usage de certaines bandes de fréquences. Plus elles sont basses (bande UHF, Ultra Haute Fréquence) plus elles résistent aux perturbations météorologiques, plus elles sont hautes (Bande Ka) et plus le diamètre des antennes de réception est réduit.

 

Image d’un satellite « éclaté » (Thalès Alenia Space)

 

Gamme de fréquences (Eutelsat)

Ressources vidéos :

  • Youtube/Au coeur d’un satellite (Cité de l’Espace) : https://www.youtube.com/watch?v=Vq39QLAncIs&list=PL8y0bqlsn8CJYI0oEzQQTeZ-cRPUgOwzD&index=152
    Youtube/Comment marche un satellite (ITU) : https://www.youtube.com/watch?v=gYvmoXw7wLg&list=PL8y0bqlsn8CJYI0oEzQQTeZ-cRPUgOwzD&index=148

Ressources Internet :

  • Eutelsat : https://www.eutelsat.com/fr/home.html
    Satellites de télécommunication : http://mp01.free.fr/satel/satel.htm

Ressources livres :

« Les satellites de télécommunications  » collection « Que sais-je », PUF

Ressources documents PDF :

Introduction aux télécommunications par satellite (Anne-Claire Lepage)
Guide du satellite (Eutelsat)

 

 

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