Les constellations de satellites

05/03/2018
Publication REE REE 2018-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-1:22460

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Les constellations de satellites

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22 ZREE N°1/2018 fréquences localement. L’utilisation de la blockchain devrait permettre d’assurer que les fréquences utilisées ne soient ni brouillées ni occupées par un autre acteur. Chaque ac- teur pourrait ainsi accéder aux fréquences qui lui sont né- cessaires ou les libérer. Les fréquences libérées deviennent alors accessibles à d’autres utilisateurs. Compte-tenu des contraintes physiques propres à la gestion des fréquences, topographie des lieux notamment, il est probable qu’il fau- dra recourir à une version de la blockchain autorisant une gestion interférente qui permet l’intervention périphérique d’un tiers de confiance : il peut autoriser ou non l’accès à la ressource demandée (un « oracle » dans la terminologie de la blockchain). Le projet doit aboutir à la mise en production d’un produit minimal viable en septembre qui permettra de tester la perti- nence de la technologie blockchain sur le périmètre retenu et l’opportunité de son extension à d’autres cas d’usages. Pour le développement de la solution, l’ANFR souhaite s’appuyer sur des start-up du campus d’incubateur de Station F où l’ANFR est présente au côté d’une trentaine d’autres services publics dans l’espace FrenchTech Central.. Q Patrice Collet Les constellations de satellites Bien que la notion de constellation ne soit pas officiel- lement définie, on considère qu’une constellation de satel- lites est un ensemble de satellites qui travaillent de façon synchronisée sur un ensemble de tâches communes. Une couverture optimale permet de ne laisser aucune zone d’ombre au sol. Contrairement aux satellites géostationnaires qui tournent à la même vitesse que la Terre sur une orbite équatoriale et donc ne couvrent qu’une zone restreinte et fixe, les satellites opérant en constellation tournent rapide- ment et dans des plans différents pour couvrir l’ensemble du globe de façon permanente. L’avantage des orbites basses utilisées par toutes les constellations de satellites est qu’elles se situent en-dessous des ceintures de Van Allen fortement ionisées qui peuvent affecter l’électronique. Bien que leurs utilisations soient multiples, on classe gé- néralement les constellations de satellites en quatre grandes catégories : s LESSYSTÒMESDEPOSITIONNEMENTLE'03AMÏRICAIN ',/- NASS (russe), Galileo (Européen) et Beidou (chinois) ; s LESSYSTÒMESDETÏLÏCOMMUNICATION)RIDIUM 'LOBALSTAR ET LeoSat en projet ; s LESSATELLITESDETÏLÏDÏTECTION3POT 0LÏIADESET!
TRAIN s LESCONSTELLATIONSDEMINIETMICROSATELLITES Le présent article n’a pas l’ambition de décrire de façon exhaustive l’ensemble des constellations de satellites, mais simplement de donner une idée aussi large que possible de leur utilisation actuelle. Un précurseur : Iridium Ce nom découle du nombre de satellites prévus : 77, nombre atomique de l’iridium. Le système Iridium repose sur une constellation de sa- tellites placés en orbites polaires basses de 780 km ce qui correspond à une période d’environ 100 minutes. Les satel- lites sont distribués sur six plans orbitaux. Chaque satellite dispose de 48 antennes à commande de phase réparties sur trois panneaux inclinés. Le faisceau de chaque antenne couvre une surface au sol de 600 km de diamètre et per- met de gérer 80 liaisons individuelles. L’ensemble des an- tennes d’un seul satellite couvre une zone de 4 400 km de diamètre soit à peu près la surface des États-Unis. Par ailleurs chaque satellite est en liaison avec deux satellites adjacents circulant sur le même plan orbital et deux satel- lites circulant sur les plans orbitaux voisins. Le gros incon- vénient de ce système réside en l’emploi d’un téléphone dédié, commercialisé initialement uniquement par Motorola à un prix de 3 000 USD beaucoup plus élevé que les télé- phones mobiles terrestres de l’époque. Une première génération des satellites Iridium a été construite par Lockheed Martin qui a développé une plate- forme spécifique. Les premiers lancements ont commencé ACTUALITÉS Figure 1 : Le terminal Iridium 9580. Commercialisé depuis fin 2008, il comporte une interface USB et un kit mains libres. REE N°1/2018 Z 23 en 1997 et se sont achevés en 2002 sans aucun échec après que 95 satellites ont été lancés. La mise en service a commencé le 1er novembre 1998 après le lancement de 78 satellites. Pour atteindre son seuil de rentabilité, Iridium devait alors disposer de 500 000 à 600 000 utilisateurs.. Mais la rapide extension des zones couvertes par les réseaux de téléphonie mobile terrestre ainsi que la création de la norme GSM par l’Europe sont venus ré- duire la clientèle potentielle des mobiles Iridium. Le nombre de clients atteignait tout juste 55 000 à fin 1999 ce qui a mis rapidement la société Iridium en difficulté financière, la vente des terminaux et des abonnements ne compensant pas l’énorme coût des lancements et de l’exploitation. En 1999 la société a été placée en faillite, Motorola acceptant de prendre en charge une partie de la dette estimée à 4,4 Mrd USD. Soutenue par le département de la Défense américain, une nouvelle société a été créée en novembre 2000 qui a repris l’ensemble des actifs d’Iridium et s’est trouvée libérée de son endettement. Début 2007 la société comptait 169 000 abon- nés. En 2009, la société a réussi à lever 200 millions de dol- lars US ce qui a permis de passer commande d’une nouvelle constellation de satellites « Iridium Next » destinée à remplacer les anciens satellites arrivés en fin de vie. La constellation ac- tuelle de 66 satellites devrait rester en partie opérationnelle jusqu’à l’horizon 2020. Les nouveaux satellites, qui offrent une bande passante plus importante et sont compatibles avec le système existant devraient être déployés progressivement. La principale activité concerne des liaisons machine to machine (M2M : échanges automatiques de données entre machines distantes) et Iridium revendiquait à fin 2015 782 000 abonnés En raison de ses tarifs élevés, l’utilisation de cette constellation reste hors de portée du grand public. Iridium est aujourd’hui en compétition avec d’autres sys- tèmes : Globalstar, Inmarsat et Thuraya. Une référence mondiale : le GPS L’origine du GPS (Global Positioning System) remonte aux années 1960 quand le département de la Défense améri- cain (DoD) a initié des expériences pour suivre et guider des sous-marins transportant des missiles nucléaires. Avec seulement six satellites en orbite quasi-polaire, les sous- marins étaient capables de faire le point avec une précision de quelques minutes d’arc en se basant sur l’effet Doppler des émissions de cette petite constellation. Au début des années 1970, le DoD décida d’étendre ce système de navigation à l’ensemble des véhicules aériens et terrestres. Le premier système initié par la marine fut baptisé NAVSTAR. Le GPS est le premier système de géolocalisation mondial fonctionnant sur l’exploitation de signaux radio émis par une constellation de satellites dédiés. Mis en place par le dépar- tement de la Défense des États-Unis à des fins militaires à partir de 1973, le système, avec 24 satellites, était totalement opérationnel en 1995 et s’est ouvert au civil en 2000. Le principe de fonctionnement repose sur la triangula- tion de signaux synchronisés émis par les satellites. Pour ACTUALITÉS Figure 2 : Satellite GPS de la génération IIA0 – Source: NASA. 24 ZREE N°1/2018 ACTUALITÉS assurer la précision du positionnement, le système GPS utilise des technologies sophistiquées comme des hor- loges atomiques et la compensation d’effets relativistes. La grande particularité de ce système repose sur l’exploitation libre des signaux par un seul récepteur, et donc sans émission de la part de l’utilisateur. Qu’il soit sur terre, sur mer ou dans les airs, il peut connaître sa position à toute heure et en tout lieu sur la surface ou au voisinage de la surface de la Terre. La seule condition est l’utilisation d’un récepteur GPS et du logiciel né- cessaire au traitement des informations reçues. Chaque satellite envoie un train d’informations compor- tant entre autres sa position et l’heure d’émission avec une précision supérieure au millionième de seconde. A partir de ces données, le récepteur calcule le temps mis par le train d’ondes pour lui parvenir et en déduit la distance qui le sé- pare du satellite. Ces données sont corrigées des défauts de propagation dans l’atmosphère et des données relativistes. On considère qu’une erreur d’un millionième de seconde provoque une incertitude de 300 mètres sur la position du récepteur. Il faut au minimum que le récepteur soit en vue de trois satellites pour pouvoir effectuer le calcul avec une précision inférieure à 100 mètres, l’optimum étant atteint avec quatre ou cinq satellites qui permettent d’atteindre une précision de 10 m dans les trois directions. Il offre une préci- sion de 2 à 9 mètres avec six à onze satellites en vue selon l’élévation de ces satellites. Le GPS est une constellation militaire, qui se réserve le droit de dégrader l’information en cas de conflit. Jusqu’en 2000, une dégradation était appliquée pour les récepteurs civils, réduisant la précision à une centaine de mètres. Mais sous la pression internationale, et aussi celle de la concur- rence, ce système n’est plus appliqué et la précision civile est actuellement donnée pour 10 mètres. Par contre, cette pos- sibilité reste ouverte sur une simple décision de l’opérateur. L’utilisation militaire des données GPS permet le guidage des engins balistiques avec une précision bien supérieure dont la valeur n’est pas communiquée. La constellation GPS est constituée de 31 satellites dont une partie seulement est opérationnelle simultanément mais pour avoir en permanence au moins quatre satellites visibles en tout point, il faut que 24 au moins des satellites soient en service en même temps. Depuis 2011, ce nombre a été augmenté à 27 pour optimiser la couverture des zones où le GPS est opérationnel. Les satellites évoluent à une altitude basse de 20 200 km qu’ils parcourent en un peu moins de 12 heures, soit un jour sidéral de 11 heures, 58 minutes et 2 secondes. Cinq stations au sol assurent le pilotage de cette constel- lation, particulièrement les données des éphémérides et le recalage des horloges atomiques.. Le concurrent russe : GLONASS Le programme GLONASS (globalnaïa navigatsionnaïa spoutnikovaïa sistéma) est né dans les années 1980, pour concurrencer le programme américain GPS. Il fonctionne sur les mêmes principes. C’est comme lui au départ un système militaire qui comporte deux niveaux d’accès : un civil aux performances volontairement dégradées et un militaire aux performances nominales. Les 24 satellites circulent sur trois orbites basses de 19 130 km qui ne sont que sur trois plans orbitaux. Un peu en retard sur GPS, les 24 satellites étaient opérationnels dé- but 1996. Mais après la chute de l’URSS, le budget alloué au système GLONASS n’a cessé de baisser et en octobre 2000, seuls six satellites étaient en état de fonctionner, ce qui n’as- surait pas un service continu. A partir de 2003, a commencé la mise en place de nouveaux satellites à plus longue du- rée de vie baptisés Ouragan-M et Ouragan-K. Aujourd’hui, la constellation est composée, comme le GPS, de 24 satellites opérationnels, mais répartis sur trois plans orbitaux à une al- titude de 19 100 km. Deux satellites de rechange circulent également pour prendre le relais lors d’une défaillance éven- tuelle. Le système GLONASS offre une précision de 5 à 8 mètres avec sept à huit satellites en vue. Elle a récemment été affi- née à 2, 8 mètres. Le réveil de l’Europe : Galileo Le programme Galileo a été initié en 1999 par la Commis- sion européenne pour doter l’Europe de son propre système de positionnement et de datation et garantir l’indépendance européenne face aux autres systèmes existants. Après que plusieurs pistes ont été abandonnées, la Commission euro- péenne a alloué un budget initial de 3,5 Mrd EUR pour la période 2008-2013 qui a été ensuite largement dépassé. Le système Galileo est prévu pour être composé de 30 satellites dont 27 opérationnels et trois en réserve. Ils sont ré- partis en trois orbites circulaires à une altitude de 23 616 km. Grâce au nombre élevé de satellites, à l’optimisation de la constellation et à l’existence de trois satellites en réserve active, la perte éventuelle d’un satellite n’aura pas de consé- quence notable pour l’utilisateur. Les satellites en orbite sont soutenus par un réseau mondial d’une vingtaine de stations terrestres. Une de leurs missions principales est la synchroni- sation des horloges avec une horloge terrestre de référence. Le succès de Galileo constitue une concrétisation des ambi- tions affichées par l’Europe en matière de politique spatiale : renforcer son autonomie stratégique. L’Europe dépendait jusqu’à présent du GPS américain. Le système européen, dont la précision est d’un mètre en distance et de quelques milliar- dièmes de seconde en temps, est bien plus précis que son REE N°1/2018 Z 25 ACTUALITÉS Figure 3 : Quatre satellites GALILEO prêts à être montés sur le lanceur Ariane 5 en janvier 2017 – Source : ESA. concurrent. « Avec le GPS, on sait où un train se trouve ; avec Galileo, on saura sur quelle voie il roule », dit Jean-Yves Le Gall, le président du CNES. Ce sera le seul système compatible avec la voiture autonome. Cette qualité optimale ne sera toutefois atteinte qu’en 2020, une fois les 30 satellites déployés. Ce succès a cependant été quelque peu pondéré par l’annonce faite fin 2016 d’une panne découverte sur neuf des 72 horloges embarquées sur les 18 premiers satellites. L’ensemble des performances n’est pas remis en cause car chaque satellite comporte quatre horloges dont une seule suffit pour assurer les services. Le problème qui s’est trou- vé posé est cependant assez complexe car les pannes af- fectent indifféremment les deux types d’horloges embar- quées : des masers à hydrogène et des horloges au ru- bidium. Les services initiaux de Galileo ont démarré le 15 décembre 2016. La mise à poste s’est poursuivie jusqu’en février 2017 par les manœuvres d’arrêt de dérive et de positionnement fin. Les deux premiers satellites ont rejoint leur cible le 11 janvier 2017 et les deux derniers ont été déposés sur leur position fi- nale le 4 février 2017. L’orbite finale à plus de 23 000 km d’al- titude a été atteinte avec une précision de quelques mètres. En décembre 2017 un nouvel exemplaire de la fusée Ariane 5 ES a mis sur orbite quatre nouveaux satellites Galileo portant à 22 le nombre mis en orbite. Plusieurs autres satellites doivent venir compléter la constellation dans les années à venir : quatre à la mi-2018 puis un autre lancement interviendra en 2020 par Ariane 6. D’autres sont prévus ultérieurement sans qu’aucune date de lancement n’ait encore été arrêtée. Certains d’entre eux se- ront placés en réserve, pour pallier la défaillance éventuelle d’un satellite opérationnel. Galileo s’est désormais installé dans notre quotidien, les smartphones de dernière génération supportent les ser- vices Galileo et les développeurs du véhicule autonome s’en servent également. EasyJet et Air France, ainsi que l’aéroport Paris-CDG ont annoncé leur intention d’y faire appel. Le sys- tème devrait être pleinement opérationnel en 2020. Galileo sera plus précis que le GPS américain. Il fournira également des services supplémentaires (authentification du signal pour éviter le leurrage, positionnement centimétrique, résistances aux perturbations électromagnétiques...). Les services utilisant cette technologie selon Bruxelles, sont à l’origine de 10 % du produit intérieur brut européen. Ils pourraient en représenter 30 % d’ici 2030, du fait de la généralisation des voitures autonomes et des objets connectés. Il existe d’autres systèmes de positionnement par satellite, en activité ou en projet. Beidou est le système de positionnement créé par la Ré- publique populaire de Chine ; il est opération- nel uniquement sur le territoire chinois et les régions limitrophes et son successeur Beidou-2 (Compass) sera opérationnel en 2020. L’Inde développe l’IRNSS et le Japon le QZSS. 26 ZREE N°1/2018 ACTUALITÉS L’observation de la Terre : l’exemple de SPOT et Pléiades Il ne s’agit plus ici d’obtenir une couverture complète et continue de la Terre, mais d’obtenir des images aussi pré- cises que possible, à une cadence élevée mais non continue. On retient néanmoins la notion de constellation dans la me- sure où le fonctionnement répond bien à cette définition. Les satellites d’observation de la Terre sont nombreux et pour- suivent des missions qui s’étendent du militaire à l’humani- taire. Les constellations Spot puis Pléiades en sont de bons exemples. Cette voie a été ouverte en 1972 par les américains avec le lancement de Landsat-1. Décidé en 1977 par la France, SPOT est le premier programme européen dédié à l’observation de la Terre, d’où son nom : « Satellites Pour l’Observation de la Terre ». Entre 1986 et 2002, cinq satellites SPOT ont été lancés depuis Kourou. Le compromis à rechercher se situe entre la taille de la région photographiée et la définition de l’image : un carré de 60 km ou de 120 km de côté et une résolution au sol de 10 m pour SPOT-1 à SPOT-4 et de 2,5 m pour SPOT-5. L’avantage de cette constellation sur le programme Land- sat est que SPOT permet une cartographie en relief. En 1998, SPOT-4 embarque pour la première fois l’instrument Végétation qui offre une couverture journalière globale de la Terre avec une résolution de 1 km et permet de suivre le dé- veloppement du couvert végétal. En 2002, le CNES équipe SPOT-5 d’un instrument permettant l’acquisition d’images stéréo en quasi-simultané. Airbus Defence & Space poursuit aujourd’hui l’aventure avec SPOT-6 et SPOT-7. Les missions se poursuivent avec les satellites Pléiades do- tés d’une résolution au sol de 70 cm et les satellites de sur- veillance militaire Hélios. À l’origine, la constellation Pléiades a été développée dans le cadre du programme franco-italien ORFEO (Optical and Radar Federated Earth Observation), un dispositif d’observation spatiale dont Pléiades est la com- posante optique, et COSMO-SkyMed la composante radar. Pléiades 1A et 1B étant situés sur la même orbite, il est pos- sible d’obtenir une image de n’importe quel point de la planète en moins de 24 heures à raison de 500 images par jour et par satellite. Les clichés acquis sont utilisés à des fins à la fois civiles et militaires. Depuis 2016, Airbus a lancé le développement de quatre nouveaux satellites, qui constitueront la constellation Pléiades Neo, pour succéder à partir de 2020 aux deux Pléiades en service. Ces satellites seront entièrement réalisés sous finan- cement privé, et non sous l’égide du CNES, comme cela été le cas pour les satellites Pléiades. Ils seront lancés par paire, par le futur lanceur Vega-C d’Arianespace, dont ce sera le pre- mier contrat commercial. C’est un marché fortement concur- rentiel et en pleine expansion. L’encombrement des bandes de fréquences Les bandes utilisées pour les liaisons sol-espace sont li- mitées aux bandes pour lesquelles l’atmosphère présente une opacité minimale et indépendante de la couverture nua- geuse et des conditions météorologiques. La question de leur gestion se pose donc de façon prégnante. La majorité des services de télécommunications par sa- tellite utilisent actuellement des satellites géostationnaires : situés à 35 780 km d’altitude, ils tournent autour de la Terre à la même vitesse que la révolution terrestre. Quelques constellations de satellites non géostationnaires fournissent déjà des services de communications mobiles, à l’instar des satellites d’Iridium évoqués précédemment. Mais, au Figure 4 : Le futur satellite Pleiades Neo – Source : Airbus. REE N°1/2018 Z 27 ACTUALITÉS cours des trois dernières années, de nouveaux projets de grandes constellations en orbite basse, à une altitude d’envi- ron 1 000 km ont vu le jour. Ces constellations nécessitent un nombre de satellites beaucoup plus grand alors que trois satellites géostationnaires seulement suffisent pour couvrir l’ensemble de la Terre (sauf les zones polaires). L’avantage de mettre en œuvre autant de satellites se trouve dans la réduction de la latence sur les services Internet. Le coût d’un aussi grand nombre de satellites se trouve en outre en partie compensé par la réduction de la taille de chaque satellite et les économies d’échelle dans leur production. Deux des projets les plus connus de ces constellations d’un nouveau type sont le système O3b Networks et le sys- tème OneWeb. O3b Networks, acquis par la société SES, est en service et fournit des services professionnels de connexion à l’in- frastructure Internet mondiale. Son objectif est d’avoir 20 sa- tellites en service en 2019. La société OneWeb, qui s’est récemment alliée avec le pre- mier opérateur mondial de satellites géostationnaires Intelsat, prévoit l’entrée en service de son système dès 2019 avec une constellation d’environ 650 satellites en orbite basse fournis- sant un accès à Internet à haut débit à des terminaux fixes ou nomades, ainsi qu’à des bateaux, trains ou avions. Ces nouvelles constellations, par le nombre de satel- lites qu’elles prévoient d’exploiter, soulèvent la question des conditions réglementaires de mise en service des fré- quences associées. En effet, pour éviter la thésaurisation de ressources orbite/spectre, l’UIT (Union Internationale des Télécommunications) impose que les fréquences ré- servées soient effectivement mises en service dans les sept ans suivant la demande d’utilisation. Cette règle est judicieuse pour des satellites géostationnaires ou de petites constellations non-géostationnaires où un petit nombre d’engins spatiaux doit être mis en orbite ; mais elle semble impossible à respecter dès lors qu’il faudra plusieurs dizaines de lancements pour achever le déploie- ment de ces nouvelles constellations. La question reste ouverte et sera à l’agenda de la Conférence mondiale des radiocommunications 2019. Des constellations à bon marché : les nano satellites Le micro satellite est un satellite léger, de petit format, avec une durée de vie de deux à trois ans. Il permet d’ac- céder à l’espace à moindres frais. Le lancement d’un nano satellite coûte moins de un million d’euros alors qu’il en faut au moins cent fois plus pour un satellite classique. Même si les prestations des uns et des autres sont sans commune mesure, le prix attractif attire aussi bien les utilisateurs moins exigeants que les compagnies privées de lancement proposant un faible coût pour une faible masse. Cela repré- sente un marché potentiel de 22 Mrd USD. Un tel chiffre est attractif pour les petites et moyennes entreprises, mais aussi pour les pays en voie de développement. Le créneau pour ces techniques se situe dans les nouveaux besoins. Si Internet est devenu un enjeu commercial de notre époque, on oublie parfois que près de 60 % de la population mon- diale n’y a pas encore accès. Le coût prohibitif des gros satellites de communication interdit leur utilisation pour des îlots réduits de population. La société SpaceX prévoit ainsi la mise en orbite d’un millier de nano satellites. A l’opposé des constellations classiques qui restent des investissements fi- nanciers non négligeables, les lancements uniques attirent les acteurs aux moyens plus modestes dans le domaine de l’observation de la Terre, comme les entreprises privées ou les pays émergents. Ce concept jadis inaccessible aux pe- tites agences leur est maintenant devenu ouvert grâce aux avancées techniques. Les lancements semblent globalement progresser, même si les lancements de microsatellites sont difficilement contrô- lables à l’échelon planétaire. On a perdu de vue que ces mi- crosatellites ont des orbites approximatives et difficilement contrôlables. En fin de vie, ils deviennent pour la plupart des débris dangereux à trajectoire imprévisible et inobservable en raison de leur taille. La législation internationale, même si elle Figure 5 : Aspect extérieur d’un microsatellite SunCube. - Source: Arizona Sate University (ASU). 28 ZREE N°1/2018 ACTUALITÉS reste diversement respectée, prévoit une désorbitation des satellites conventionnels vers l’espace lointain. Les limitations technologiques des microsatellites ne permettent pas cette manœuvre. Quoi qu’il en soit, les constellations de mini et nano satel- lites ont un bel avenir commercial. Le vol en formation Bien qu’encore à l’étude, le vol en formation a pour ap- plication principale l’interférométrie, qu’elle soit, radio, radar ou laser. Cette méthode permet une précision de mesure inégalée de quelques centimètres au sol. Elle permet aussi de cartographier des objets astronomiques lointains ou de mesurer avec précision la taille des exoplanètes. La contrainte technique réside dans la nécessité de conserver une distance constante entre les satellites avec une précision inférieure au quart de la longueur d’onde utili- sée par le dispositif de mesure, cette distance étant de plu- sieurs dizaines de kilomètres. L’avantage est que le système s’affranchit des mouvements telluriques qui est la principale limitation des interféromètres astronomiques au sol. Dans le projet PRISMA-FFIORD, développée en parte- nariat entre la Suède, la France, l’Espagne, l’Allemagne et le Danemark, sept satellites voleront en formation, dessinant un hexagone parfait. A chaque instant, leurs positions relatives se- ront parfaitement synchronisées afin de pointer de concert une lointaine planète dont ils tenteront d’analyser l’atmosphère. Q André Deschamps Figure 6 : Vue d’artiste de la formation PRISMA-FFIORD – Crédit : CNES.