télécommunications, satellite de - informatique. 1 PRÉSENTATION télécommunications, satellite de, engin spatial en orbite autour de la Terre, qui assure des communications à distance en relayant des signaux par ondes radio. Par l'intermédiaire de stations terrestres, un satellite de télécommunications permet de transmettre à grande distance des informations de diverse nature (données pour la téléphonie mobile, la télévision, Internet, etc.). Il est placé en orbite par une fusée (fusées Ariane, Delta, Proton, Soïouz, Longue Marche, H2A, PSLV, etc.) ou par un système de transport spatial (navette spatiale). 2 TYPES DE SATELLITES 2.1 Satellites passifs et actifs Les premiers satellites de télécommunications ont été conçus pour fonctionner en mode passif, se contentant de réfléchir les signaux émis par les stations terrestres. Ces signaux étaient diffusés dans toutes les directions, et pouvaient donc être reçus dans n'importe quelle partie du monde. Le premier modèle de ces réflecteurs passifs, Echo 1, a été lancé par les États-Unis en 1960 : il consistait en un ballon de plastique aluminé d'environ 30 m de diamètre. Cependant, la capacité de tels systèmes était sévèrement limitée par la nécessité de disposer d'émetteurs puissants et de grandes antennes paraboliques au sol. Aujourd'hui, les communications par satellites sont assurées par des systèmes actifs, possédant leur propre équipement d'émission et de réception. Mis en orbite par les Américains en 1962, le premier satellite de ce type, Telstar 1, était équipé d'un enregistreur à bande qui stockait les messages reçus lors de son passage au-dessus d'une station terrestre. Ces messages étaient ensuite retransmis lors du passage du satellite au-dessus d'une station réceptrice. À ce jour, des centaines de satellites actifs de télécommunications sont placés en orbite. Ils reçoivent des signaux en provenance d'une station terrestre, les amplifient, puis les retransmettent vers une autre station. 2.2 Orbites et couverture Un satellite tourne autour de la Terre selon les lois de la gravitation, en décrivant une trajectoire en forme d'ellipse ou de cercle dont le plan passe par le centre de la Terre. Sa vitesse étant inversement proportionnelle à son altitude, elle est donc minimale lorsque le satellite est à l'apogée de son orbite (point de la trajectoire le plus éloigné de la Terre) et maximale lorsqu'il se trouve à son périgée (point de la trajectoire le plus proche de la Terre). Les différents types d'orbites, et donc de satellites, diffèrent selon leur altitude et leur inclinaison par rapport au plan de l'équateur. Plus un satellite est loin de la Terre, plus il est lent : un satellite géostationnaire, situé à près de 35 800 km d'altitude, met ainsi exactement un jour pour décrire son orbite, alors qu'un satellite d'observation en orbite basse peut effectuer le tour du globe en 1 h 20 min. La couverture d'un satellite, c'est-à-dire la surface au sol qu'il est à même de desservir, est déterminée par le choix de son orbite et par les caractéristiques des antennes dont il est muni. 2.2.1 Orbite elliptique Les satellites décrivant une orbite elliptique ont une vitesse qui varie selon la position sur l'orbite. À la différence des satellites géostationnaires, ils n'occupent pas une position fixe par rapport à la Terre, et leur suivi depuis la Terre nécessite donc l'emploi d'antennes mobiles. Néanmoins, ils présentent l'avantage sur ces derniers de pouvoir desservir des zones éloignées de l'équateur sous un angle relativement élevé, les signaux à transmettre traversant ainsi une couche d'atmosphère plus étroite lorsqu'il se trouvent à leur périgée. Ce type de satellite est utilisé depuis 1967 par le système russe Molnya qui assure des télécommunications pour la Sibérie. Son orbite est inclinée de 63° par rapport au plan équatorial, de telle sorte que sa vitesse est minimale durant les deux tiers de sa période de 12 heures. Le satellite se situe alors à la quasi-verticale du territoire sibérien et les signaux parcourent ainsi une distance plus petite que celle relative à un satellite proche de la ligne d'horizon. Grâce à ce système, la Sibérie a une couverture permanente par le biais de trois satellites évoluant en phase. 2.2.2 Orbite circulaire polaire Les satellites à orbite circulaire polaire, qui passent au-dessus des deux pôles, peuvent couvrir sur une période suffisamment longue toute la surface du globe, compte tenu de la rotation de la Terre sur elle-même : ils se révèlent donc adaptés aux besoins d'observation, ainsi qu'à la communication différée (messagerie). Ainsi les satellites d'observation français SPOT, situés à 800 km d'altitude, assurent la couverture de la surface terrestre en 21 jours. 2.2.3 Orbite circulaire inclinée Les satellites à orbite circulaire inclinée ne sont pas capables de couvrir sur une période toute la planète, puisque la plus haute latitude desservie correspond à l'inclinaison du plan orbital. La couverture sur longue période demeure donc annulaire, mais les calottes polaires, non couvertes, présentent a priori peu d'intérêt commercial. Le consortium international GlobalStar, dirigé par la société américaine Loral Space & Communications et qui réunit notamment parmi ses partenaires les entreprises françaises Alcatel et France Télécom, a mis en orbite circulaire, inclinée à 50° par rapport à l'équateur, une constellation de 48 satellites, dans le but d'assurer des communications mobiles (à l'usage de personnes en déplacement) depuis la majeure partie de la surface terrestre. La puissance des antennes omnidirectionnelles des mobiles étant limitée (de l'ordre de 1 W), la qualité des transmissions dépend de la capacité des antennes des satellites. Plus un satellite est éloigné de la Terre, plus grande doit être son antenne ; aussi les satellites de la constellation GlobalStar sont placés sur des orbites basses. 2.2.4 Orbite géostationnaire Les satellites à orbite géostationnaire constituent de loin les satellites les plus employés. Placés au-dessus de l'équateur à 35 786 km d'altitude, ces satellites géostationnaires effectuent leur révolution en vingt-quatre heures, durée qui correspond à la période de rotation de la Terre. Se déplaçant dans le même sens et à la même vitesse angulaire que le globe, ils apparaissent ainsi immobiles depuis le sol et peuvent couvrir instantanément une large calotte équivalant environ à un hémisphère. Conservant toujours la même position par rapport à la Terre, les satellites géostationnaires peuvent être associés à des antennes terrestres fixes. Ils présentent cependant l'inconvénient d'être situés bas sur l'horizon lorsqu'ils couvrent des zones éloignées de l'équateur : les signaux à transmettre, parcourant une plus grande distance, subissent des atténuations plus importantes, et mettent plus de temps à arriver sur Terre (un quart de seconde en plus). Le premier satellite de ce type, Syncom 2, a été lancé par la NASA en 1963. Depuis, une vingtaine de satellites géostationnaires sont mis en orbite chaque année. Tous ces satellites décrivent la même orbite, aussi a-t-il fallu résoudre le problème d'un éventuel encombrement. Chaque État possède donc une portion du cercle, et les pays n'ayant pas de satellites louent généralement leur fraction d'orbite aux autres. En dépit de ces mesures, l'orbite des satellites géostationnaires demeure très chargée, notamment par des « satellites-poubelles « qui n'ont plus assez d'énergie pour être opérationnels, mais qui restent tout de même en orbite. Ces derniers constituent un danger pour les satellites en activité et les stations spatiales, car ils ont tendance à se désagréger progressivement. On constate donc qu'il n'existe pas d'orbite idéale pour les systèmes de communication par satellites : le choix diffère selon les caractéristiques recherchées. 3 NATURE DES ÉQUIPEMENTS 3.1 Dans l'espace Un satellite de télécommunications comprend une plate-forme qui gère le contrôle thermique, l'alimentation électrique et la stabilité, cette dernière étant assurée par des propulseurs à poudre. Il comporte également une charge utile, composée d'antennes et de dispositifs électroniques. Des batteries, ainsi que des cellules à énergie solaire montées sur de grands panneaux fixés au satellite, alimentent les différents équipements. Afin d'éviter les interférences, les signaux captés sont réémis sur une fréquence différente, en général plus basse. Ce changement de fréquence entre les antennes de réception et d'émission est assuré par des appareils appelés répéteurs, chargés également d'amplifier massivement le signal. Les performances des satellites de télécommunications placés sur l'orbite géostationnaire sont améliorées d'année en année. Au début des années 2000, leur puissance électrique approche les 20 kW grâce à des panneaux solaires qui dépassent 25 m d'envergure. La qualité des composants leur assure une durée de vie minimale de quinze ans. Ce n'est pas l'électronique qui limite leur longévité, mais la quantité d'ergols (substances chimiques constituant à la fois le carburant et le comburant) qu'ils peuvent emporter pour corriger leur position dans l'espace. Les satellites ayant tendance à dériver et à tourner sur eux-mêmes, les antennes sont dépointées, et l'orientation des panneaux solaires change. Aussi, lorsque la dérive dépasse les limites autorisées, des petits moteurs à hydrazine (ou plus récemment des moteurs ioniques), pilotés par la centrale inertielle de la plate-forme, interviennent. Lorsque les réserves de carburant sont épuisées, le satellite n'est plus opérationnel, bien que ses composants soient toujours en état de marche. Deux grandes améliorations sont intervenues en 1998 pour prolonger la durée de vie de deux satellites de télévision directe. La première concerne le lanceur Ariane 4, avec la manoeuvre « Ours « (Optimisation de l'utilisation de la réserve statistique). En effet, une fusée Ariane emporte toujours plus d'une centaine de kilos d'ergols supplémentaires pour affiner l'orbite si celle-ci n'est pas nominale ; or, cette réserve n'est jamais complètement utilisée et se perd dans l'espace. La manoeuvre « Ours « consiste à affecter la réserve au satellite. Si l'orbite est trop basse, le satellite la corrige de lui-même. Sinon, les 100 kg d'ergols supplémentaires augmentent d'un an ou deux sa durée de vie. La seconde amélioration est mise en oeuvre sur Panamsat 7 avec l'utilisation, pour la première fois, de moteurs ioniques au lieu de moteurs chimiques à décomposition d'hydrazine. Le rendement de la réserve est amélioré d'un facteur 10. L'orbite géostationnaire est encombrée de dizaines de satellites qui ne fonctionnent plus depuis longtemps et qui mettront plusieurs siècles pour retomber sur Terre. Pour éviter d'aggraver cette situation, les satellites récents disposent d'une réserve suffisante d'ergols en fin de vie pour permettre d'augmenter leur altitude d'une centaine de kilomètres. Ils libéreront ainsi une place sur l'orbite géostationnaire, et il leur faudra plusieurs millénaires pour redescendre. Alors que les satellites géostationnaires deviennent de plus en plus gros (plus de 6 tonnes pour les satellites thaïlandais Thaïcom 4-Ipstar et américain Spaceway 2), on commence à lancer des constellations de petits satellites (de poids inférieurs à 500 kg) en orbite basse (altitude inférieure à 1 500 km) pour les liaisons téléphoniques. Leur proximité de la Terre est telle qu'un simple téléphone portable peut les atteindre. Avec ces constellations, l'abonné est libéré des infrastructures terrestres ; il peut téléphoner de n'importe où, du milieu du Sahara ou des glaces de l'Antarctique. Deux constellations ont été mises en orbite : Iridium (Motorola) avec 66 satellites interconnectés, opérationnels depuis septembre 1998 (constellation rachetée par Boeing) ; et GlobalStar (consortium international piloté par la société américaine Loral Space & Communications) avec 48 satellites en orbite basse (1 400 km d'altitude), reliés aux réseaux terrestres depuis la fin novembre 1999. Beaucoup de progrès ont été réalisés sur les antennes des satellites en vue d'économiser l'énergie nécessaire à l'amplification de puissance des signaux (gain). La zone de couverture des antennes est ainsi ajustée à la mission demandée, selon que l'on désire desservir de grandes zones comme les États-Unis ou bien de plus petites comme le Luxembourg. En effet, il apparaît inutile d'utiliser une large couverture pour une zone peu étendue, d'autant plus qu'un faisceau étroit permet d'offrir un gain élevé. 3.2 Sur Terre Un système complet de télécommunications par satellites comporte un certain nombre d'équipements au sol. D'une part, il possède, comme pour tout satellite artificiel, des stations de poursuite, de télémesure et de télécommande qui contrôlent le suivi de la trajectoire. D'autre part, il est doté de stations d'émission qui assurent les liaisons montantes vers le satellite, et de stations de réception qui établissent les liaisons descendantes ; de manière générale, les stations jouent les deux rôles simultanément. Les stations terrestres ont des dimensions variables. Les grandes stations, dont les antennes paraboliques peuvent atteindre 30 m de diamètre, permettent de collecter les communications d'une zone à un niveau international. Très onéreuses, elles sont réservées aux grands opérateurs. Parallèlement ont été développées des stations plus légères, les VSAT (Very Small Aperture Terminal), qui sont dotées d'antennes paraboliques d'environ 1 m de diamètre. Accessibles à des entreprises et à des particuliers en raison de leur coût relativement modeste, ces stations peuvent être installées en une demi-journée. Un satellite de télécommunications peut être utilisé comme un simple relais hertzien entre deux stations terrestres, mais il présente aussi d'autres options intéressantes. Il offre par exemple une capacité de diffusion, permettant de retransmettre les signaux émis depuis la Terre vers plusieurs stations espacées. Réciproquement, le satellite peut capter des informations en provenance de différentes stations d'émission. De plus, les satellites de télécommunications de certains systèmes, comme ceux de la constellation Iridium, peuvent établir des liaisons directes entre eux. 4 GESTION DES FRÉQUENCES 4.1 Fréquences utilisables Toutes les communications par satellites exploitent les ondes radio, en dehors de quelques rares utilisations des rayons laser, capables de traverser l'eau et donc appliqués aux transmissions entre satellites et sous-marins. Avec l'augmentation continue du nombre de systèmes, le problème de l'allocation des fréquences est devenu crucial. Les principales bandes utilisées (fréquence de montée / fréquence de descente) sont les suivantes : o la bande L (1,6/1,4 GHz), de 80 MHz de largeur, réservée aux communications mobiles. Constituant la bande de fréquences la moins sujette aux perturbations atmosphériques, elle est utilisée par de petites stations terrestres mobiles (bateaux, véhicules terrestres et avions). Étant donné le développement de la téléphonie mobile par satellite (Iridium, GlobalStar, Thuraya, Inmarsat, etc.), elle risque de devenir rapidement insuffisante ; o la bande C (6/4 GHz), d'une largeur de 500 MHz, très employée par les centaines de satellites actifs en orbite. De fait, elle est complètement saturée ; o la bande X (8/7 GHz), réservée aux applications militaires ; o la bande Ku (14/12 GHz), également beaucoup utilisée, principalement par de grandes stations terrestres fixes ; o la bande Ka (30/20 GHz), utilisée commercialement pour la première fois en 2004 par l'énorme satellite de télécommunications canadien Anik F2 (5,9 tonnes). Cette bande de fréquences élevées est encore peu exploitée car elle implique un coût technologique important et, de plus, ces fréquences sont très sensibles aux perturbations atmosphériques (forte atténuation du signal en présence d'eau dans l'atmosphère) ; néanmoins, l'utilisation de cette bande est en pleine croissance, comme en témoigne la mise en orbite du satellite américain Spaceway 2 (novembre 2005), dédié à la télévision directe en haute définition et fonctionnant dans cette gamme de fréquences. Le spectre des fréquences utilisables apparaît donc déjà très exploité. Cependant, les progrès des techniques de transmission de données ont permis de décupler la capacité des installations et de réduire la taille des stations terrestres. Les méthodes numériques de codage à la source ont ainsi entraîné une division par dix du débit nécessaire pour transmettre une communication téléphonique ou une émission de télévision. 4.2 Techniques d'accès multiple Les techniques d'accès aux satellites ont également fait l'objet d'améliorations notables. Dans le cas des applications de diffusion (radio et télévision), cet accès s'avère relativement simple puisqu'un unique émetteur assure la liaison montante des données, qui sont ensuite retransmises vers de multiples stations réceptrices, correspondant à des têtes de réseaux ou aux utilisateurs directs. En revanche, dans un système de télécommunications complexe, de multiples stations d'émission et de réception doivent pouvoir se mettre simultanément en liaison avec le satellite pour communiquer, ce qui pose des problèmes d'accès multiple. Au lieu d'utiliser une fréquence porteuse par liaison, ce qui impliquerait rapidement un nombre important de fréquences employées, on se contente souvent d'allouer une porteuse à chaque émetteur : les stations reçoivent donc du trafic qui ne leur est pas forcément destiné, et doivent procéder à un tri des fréquences. Sur le satellite, le système le plus simple consisterait en l'allocation fixe d'un transpondeur à chaque porteuse, et donc à chaque émetteur, mais cette méthode conduirait à un gaspillage de ressources, puisque les stations n'ont pas continuellement besoin d'émettre. On préfère donc affecter plusieurs porteuses d'émetteurs à un même canal du satellite, en utilisant des techniques d'allocation multiple. La plus courante est la technique TDMA (Time Division Multiple Access), où les émetteurs accèdent au satellite successivement dans le temps, à intervalles très brefs. Toutes les autres stations surveillent ces intervalles de temps, sélectionnant les communications qui leur sont destinées. Avec une synchronisation parfaite des stations, les performances de ce système demeurent excellentes, même en cas d'affluence d'informations. En amplifiant les fréquences porteuses une par une, la technique TDMA permet ainsi de garantir une utilisation optimale de l'énergie du satellite. 5 SERVICES COMMERCIAUX Depuis la fin des années 1990, les systèmes de satellites offrent un large éventail de services de télécommunications. Les programmes de télévision, les communications téléphoniques, les accès Internet, peuvent ainsi circuler à l'échelle planétaire. 5.1 Satellites internationaux 5.1.1 Intelsat Les communications internationales par satellites se sont développées depuis 1964 sous l'égide de l'Organisation internationale des satellites de télécommunications, Intelsat, qui réunit plus de 120 pays. Le satellite Intelsat 1, connu également sous le nom de Early Bird, a été lancé en 1965. Il disposait d'une capacité de 240 circuits vocaux, équivalant à celle d'un canal de télévision bidirectionnel entre l'Europe et les États-Unis. Les générations suivantes possédaient des capacités de transmission et d'émission plus élevées, grâce à la concentration de la puissance en direction de la Terre, et à la division du spectre de transmission en bandes de fréquence plus étroites. Ainsi, le premier des satellites Intelsat de quatrième génération, lancé en 1971, était doté d'une capacité de 4 000 circuits vocaux. En 1980 est apparue la série des satellites Intelsat de cinquième génération, pourvus d'un système de fonctionnement à faisceaux multiples qui a entraîné une augmentation supplémentaire de capacité (12 000 circuits vocaux). La puissance de ces satellites a pu être aussi concentrée sur de petites régions de la Terre, rendant possible l'utilisation de stations terrestres à plus petite ouverture et à moindre coût. Mis en service à partir de 1989, les satellites de sixième génération ont pu établir 24 000 circuits simultanés, tout en réalisant une commutation dynamique de la capacité téléphonique entre six faisceaux, grâce à un procédé dérivé de la technique TDMA. Au début des années 1990, Intelsat, avec 15 satellites en orbite, offrait ainsi le système de communications le plus étendu du monde, relayant 100 000 circuits téléphoniques. Cependant, d'autres systèmes proposent également un service international du même type, concurrençant ainsi celui d'Intelsat qui a été privatisé en 2001. 5.1.2 Inmarsat L'Organisation internationale des satellites maritimes, Inmarsat (acronyme de International Maritime Satellite), fondée en 1979 et transformée en société privée depuis 1999, couvre un réseau mobile de télécommunications qui assure des liaisons de données numériques, des liaisons téléphoniques et un service de transmission par télécopie entre des bateaux, des installations en mer et des stations terrestres à travers le monde. En outre, ce réseau prolonge maintenant le système de liaisons par satellites utilisé par les avions des lignes internationales. 5.2 Satellites européens L'expansion des systèmes internationaux s'est fait parallèlement au développement de systèmes à l'échelle européenne, comme les programmes Eutelsat et Télécom. Il faut également mentionner le réseau européen de satellites de communication (ECS, European Communication Satellite), développé par l'Agence spatiale européenne (ESA) ; chacun de ses satellites peut établir 12 600 circuits téléphoniques, auxquels s'ajoutent de multiples transmissions par télécopie. 5.3 Satellites nationaux Le satellite multifonctions Olympus, principalement développé par des compagnies aérospatiales britanniques, constitue le plus grand satellite européen de télécommunications. Par ailleurs, la technique des télécommunications à faisceaux étroits multiples a été testée avec succès en 1991 avec le lancement d'Italsat, élaboré par le Conseil de recherche italien. Avec six faisceaux étroits dans la bande Ka, ce satellite relie les émissions en TDMA entre des stations terrestres situées dans les principaux centres économiques d'Italie. 6 PERSPECTIVES ACTUELLES 6.1 Évolution technologique Les systèmes de satellites de télécommunications sont entrés dans une période de transition, allant des communications de point à point entre des stations terrestres de grande dimension et très onéreuses, jusqu'aux communications d'informations plus denses entre de petits équipements à faible coût. Cette évolution est liée aux divers progrès technologiques réalisés dans ce domaine : la transmission numérique, les faisceaux étroits, les méthodes d'accès multiple. Les capacités des canaux ont été ainsi démultipliées, l'emploi des fréquences optimisé, et les puissances des signaux diminuées, ce qui s'est traduit par une réduction des coûts de transmission et l'emploi de terminaux au sol beaucoup plus petits. Le développement de la télévision numérique par satellite est la conséquence la plus concrète de ces différentes améliorations. 6.2 Concurrence des fibres optiques Le développement des réseaux en fibre optique est venu concurrencer les satellites dans certaines applications, comme la téléphonie internationale, grâce à la pose de nombreux câbles sous-marins. De fait, une seule fibre optique possède une capacité de transmission équivalente à celle d'un satellite relativement modeste, doté d'une dizaine de canaux. Par ailleurs, les satellites possèdent une durée de vie restreinte, car leurs propulseurs de stabilité ont une réserve en carburant limitée. Les satellites gardent encore plusieurs avantages sur les fibres optiques ; ils permettent, notamment, de couvrir une très grande surface. De plus, ils disposent d'une grande souplesse opérationnelle, car ils peuvent être reconfigurés en fonction de l'évolution des techniques et des besoins. Enfin, ils peuvent desservir des téléphones mobiles et des sites isolés (îles, bateaux, etc.) en s'affranchissant des contraintes géographiques. De ce fait, les systèmes de télécommunications par satellites demeurent promis à un bel avenir, et sont appelés à se développer pour un certain nombre d'applications (couverture des zones géographiques dépourvues d'infrastructures comme les forêts équatoriales ou les déserts, collecte d'informations météorologiques ou hydrologiques, complément des réseaux terrestres, notamment en cas de panne de ces derniers). Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.
