Les microsatellites : petite taille et faible coût

07/05/2017
Publication REE REE 2017-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-2:19252

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Les microsatellites : petite taille et faible coût

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16 Z REE N°2/2017 De la station spatiale internationale (ISS) aux picosatel- lites, nous disposons aujourd’hui de toute une gamme d’ob- jets spatiaux dont la masse s’étend de plusieurs tonnes à quelques centaines de grammes. Le tableau ci-dessous donne une indication des différentes classes de satellites, sans que pour autant les valeurs limites soient rigoureuses. Nous désignerons par le terme de « microsatellite » les trois classes micro, nano et pico et ne ferons la différence que si cela est nécessaire. Pour simplifier, on peut dire que le microsatellite est un satellite léger, de petit format, avec une durée de vie de deux à trois ans. Il permet d’accéder à l’espace à moindres frais. Le lancement d’un nanosatellite coûte moins de 1 MF alors qu’il en faut au moins dix fois plus pour un satellite classique. Même si les prestations des uns et des autres sont sans com- mune 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. Alors d’où vient ce coût réduit ? Il y a trois facteurs principaux, tous trois étant déterminants : - tion d’énergie et d’intégration des composants font qu’au- jourd’hui pour une fonction déterminée, la masse a été divisée par un facteur allant de 1 000 à plus de 100 000. Les composants intégrés dans ces microsatellites sont dits « sur étagère », c’est-à-dire qu’ils sont immédiatement dis- ponibles. Ils n’ont pas à subir les essais de spatialisation et donc leur prix est celui d’un composant « industriel » ou « militaire » ; - tème de contrôle d’attitude et d’orbite généralement consti- tué d’un réservoir de gaz sous pression (ergol) et de petites tuyères. Son utilité est le maintien à poste de la plate-forme pour les orbiteurs terrestres ou encore le contrôle de la tra- jectoire pour les missions interplanétaires. C’est ce qui diffé- rencie la génération des satellites contrôlés des satellites de la première génération de type « Spoutnik » dont la trajectoire ne pouvait plus être modifiée après la mise en orbite et dont la durée de vie était faible. Les microsatellites en sont soit dépourvus, soit dotés d’un système très rudimentaire. Le temps de développement de l’ordre de deux ans est aussi un facteur non négligeable, mais il met de côté la qua- lité spatiale. Pourquoi un tel engouement ? Le premier « Spoutnik » auquel on peut comparer les mi- crosatellites pesait quand même 89 kg. Les gros satellites actuels, à l’exception de la station spatiale internationale, vont jusqu’à six tonnes. Les prix de lancement avoisinent les 40 000 euros par kg sur le lanceur Falcon 9 supposé être « bon marché ». Ces coûts de production et de lancement ont conduit de nouveaux acteurs à introduire la notion de mini et microsatellites, de moindre qualité certes, mais à des coûts abordables par des organismes comme les universités, les entreprises privées ou les pays émergents. Les projec- tions indiquent 3 600 lancements dans les dix prochaines années, dont plus de 2 000 consacrés à l’observation de la Terre. Cela représente un marché potentiel de 22 milliards de dollars. Ce concept, jadis inaccessible aux petites agences, est maintenant à leur portée grâce aux avancées techniques. Cela intéresse principalement les états émergents et le grand public mais aussi le militaire. Vers une standardisation : le CubeSat Pour accélérer le développement de ce créneau, les universitaires et les industriels ont développé un nouveau standard de nanosatellite baptisé CubeSat. Déployé pour la première fois dans l’espace en 2003, ce nanosatellite a Figure 1 : Vue extérieure d’un CubeSat - Source : Wikipedia. ACTUALITÉS Les microsatellites : petite taille et faible coût Classe de satellite Masse sur orbite Coût du satellite Grand satellite > 3 tonnes > 150 MF Satellite moyen 1 à 3 tonnes > 150 MF Petit satellite 500 kg à 1 tonne 50 à 150 MF Minisatellites 100 à 500 kg 10 à 40 MF Microsatellites 10 à 100 kg 3 à 10 MF Nanosatellite 1 à 10 kg 0,3 à 3 MF Picosatellite < 1 kg < 300 kF REE N°2/2017 Z 17 été inventé par les professeurs Bob Twiggs de l’université de Stanford et Jordi Puig-Suari de la California Polytechnic State University. Ce cube, qui embarque ses panneaux solaires sur ses facettes, pèse moins de 1 kg et mesure 10 cm d’arête. L’avenir des CubeSats est assez diversifié : La constellation « Triton » de 20 à 50 nanosatellites dont la mission à terme est de collecter pour deux fois moins cher les signaux radio spécifiques qu’émettent les bateaux. D’un autre côté la société Skybox a pu lever 65 millions d’euros pour fournir, grâce à une constellation d’une vingtaine de satellites, des images spatiales d’observation de la Terre no- tamment pour indiquer aux chaînes de supermarchés le taux d’occupation des parkings de leurs concurrents. Il faut citer l’exemple de l’université de Montpellier qui a créé le CSU (Centre spatial universitaire) à l’initiative du programme Janus : la construction de 15 nanosatellites étu- diants dans toute la France, financés par le Cnes, en com- plément du programme européen QB50 de 50 CubeSats provenant de toute l’Europe. Des chercheurs de l’Arizona State University annoncent un femtosatellite baptisé “SunCube” sur le principe de Cube- Sat, mais pesant moins de 100 grammes et mesurant 3 cm d’arrête y compris le rudimentaire système de stabilisation (figure 2). Des lanceurs plus légers et moins chers. Les agences les plus importantes, Nasa, Esa et CNES, ac- ceptent depuis quelques années et sous certaines réserves d’autres satellites à bord des lanceurs qui transportent une charge principale dont ils sont propriétaires. De plus, l’accrois- sement du nombre de fabricants de lanceurs attirés par le marché des petits satellites induit une baisse des coûts pour ce matériel léger. En dehors des lanceurs médiatisés de la firme “Space X”, de nombreux lanceurs légers existent de par le monde. Le cabinet américain Space Works indique que des lanceurs tels que Atlas V, Delta II, Dnepr, Longue Marche, Minautor, Soyouz, Taurus, ou encore Vega devraient effectuer de 120 à 200 lancements de petits satellites d’ici à 2020. Dans la pratique, les lanceurs préfèrent passer par les courtiers avec lesquels ils ont développé une relation de confiance afin de massifier la collecte de projets de satellites à placer sur un lanceur moyen. Le courtier américain Spaceflight Services affiche ouvertement ses tarifs sur Internet pour un service complet : 90 700 euros pour 1 kg en orbite basse (jusqu’à 2 000 km d’altitude) à 2,4 MF pour 20 kg en orbite géosyn- chrone (35 784 km au-dessus de l’équateur). De son côté, l’Américain Generation Orbit Launch Services (GOLS) pré- conise un petit jet privé, le G3 de Gulfstream, et un missile de chez Ventions pouvant emporter de petites charges de 40 kg. Dans le même esprit, la société Design Aviation et l’Office national d’études et de recherches aéronautiques (ONERA) développent le drone « Eole » pour la mise en or- bite des microsatellites. Quel avenir pour les microsatellites ? Si les opérateurs se sont montrés prolixes sur Internet jusque dans les années 2015, ils sont devenus plus discrets sur leurs projets pour des raisons de concurrence croissante. Les lancements semblent globalement suivre la prospec- tive de SpaceWorks datant de 2016 (figure 4), cependant le nombre croissant de microsatellites devient incontrôlable à Figure 2 : Aspect extérieur d’un SunCube. Source : Arizona State University (ASU). Figure 3 : Version de démonstration du drone « Eole ». On distingue en dessous la fusée de mise en orbite. Source : CSU de Montpellier. Figure 4 : Prévisions de lancements de microsatellites. Source SpaceWorks. ACTUALITÉS 18 Z REE N°2/2017 l’échelon planétaire. On a perdu de vue que ces objets ont des orbites approximatives et difficilement contrôlables ; ils deviennent en fin de vie pour la plupart des débris dange- reux et à trajectoire imprévisible et inobservable en raison de leur taille. La législation internationale, même si elle reste diversement respectée, prévoit une désorbitation des satel- lites conventionnels en fin de mission vers l’espace lointain. Les limitations technologiques des microsatellites ne per- mettent pas cette manœuvre. Quoi qu’il en soit, les microsatellites sont promis à un bel avenir car ils ouvrent la voie de l’accessibilité de l’espace aux utilisateurs aux moyens modestes. Q André Deschamps ACTUALITÉS Quelles fréquences pour la 5e génération de systèmes de communication mobile ? La 5G a pour ambition d’offrir aux utilisateurs un très haut débit de données minimum garanti (100 Mbit/s en liaison descendante1 ), d’une part en exploitant, pour les hautes fré- quences, la diversité spatiale par l’utilisation de réseaux à grand nombre de petites antennes (massive MIMO), d’autre part en favorisant les liaisons simultanées entre le terminal et plusieurs nœuds de connexion – station de base, point d’accès – (dual connectivity). Elle vise également à répondre aux besoins de l’Internet des objets, en étant par exemple capable de gérer les communications avec un nombre massif d’objets connectés (jusqu’à 1 million au km2 pour l’IMT-20201 ). L’augmentation du débit et du nombre d’utilisateurs (ma- chines) va accroître le spectre nécessaire. Mais le besoin de garantir certains paramètres comme la latence et la fiabilité vont avoir comme conséquence de s’intéresser à la fois à la qualité et à la quantité de ce spectre. Une bataille sur les fréquences pour le très haut débit dans les bandes millimétriques… Les travaux normatifs sur la 5G pour les applications à très haut débit (20 Gbit/s en débit crête pour une liaison descen- dante en environnement dense urbain1 ) ont commencé dès 2014 au sein du 3GPP, structure normative de partenariat entre organismes de normalisation régionaux2 et de l’UIT-R3 . La résolution 238 de la Conférence mondiale des ra- diocommunications CMR-15 a répertorié les gammes de fréquences à l’étude pour une possible utilisation de la 5G très haut débit (IMT-20204 eMBB5 ) : 24,25-27,5 GHz, 31,8- 33,4 GHz, 37-40,5 GHz, 40,5-43,5 GHz, 45,5-47,2 GHz, 47,2- 1 Recommandation UIT-R M.2083, http://www.itu.int/dms_pubrec/ itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-F.pdf. IMT-2020 désigne l’ensemble des normes afférente à la 5G en cours d’élaboration au sein de l’UIT. 2 L’ETSI pour l’Europe. 3 Union Internationale des Télécommunications (Radiocommunications). 4 International Mobile Telecommunications. 5 Enhanced Mobile BroadBand. 50,2 GHz, 50,4-52,6 GHz, 66-76 GHz et 81-86 GHz. Cela n’a cependant pas empêché les industriels du secteur mobile de développer des premiers équipements dits “5G ready” à 28 GHz en réponse aux sollicitations des opérateurs mondiaux les plus ambitieux, par exemple Verizon (USA), Korean Tele- com (Corée du Sud), NTT Docomo6 (Japon). La 5G s’inscrit ainsi d’ores et déjà au cœur d’une bataille de normes et de fréquences où une approche reposant sur un cadre normatif ouvert, s’appuyant sur des bandes de fréquences identifiées dans un cadre multilatéral, s’oppose à une démarche où la 5G serait définie par quelques industriels pour les bandes de fréquences choisies par les États-Unis et la Corée. La réaction européenne au forcing américain ne s’est pas fait attendre et sous la pression de la Commission, un « ma- nifeste7 » commun sur l’introduction de la 5G visant un lan- cement commercial dans au moins une ville de chaque pays de l’UE en 2020 a été élaboré par les industriels et opéra- teurs de réseaux mobiles européens. Par la suite, un premier avis du RSPG8 a été publié fin 2016 par les états membres de l’Union européenne et a déterminé que la bande pion- nière pour la 5G au-dessus de 24 GHz serait la bande 24,25- 27,5 GHz (dite « bande 26 GHz »). Dans un mandat confié en mars 2017 à la CEPT9 , la Commission lui demande de définir les conditions techniques harmonisées pour l’utilisation des systèmes 5G dans cette bande, avec pour calendrier une li- vraison des travaux au cours du premier semestre 2018. Ces conditions techniques nécessitent d’aborder : - blématiques de protection (contre les risques de brouillage 6 Ces deux derniers opérateurs ont l’ambition de mettre en service la 5G respectivement pour les J.O d’hiver 2018 à Pyeongchang (Corée du Sud) et d’été 2020 à Tokyo. 7 https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/commissioner- oettinger-welcomes-5g-manifesto 8 RSPG : Radio Spectrum Policy Group voir http://rspg-spectrum.eu/wp- content/uploads/2013/05/RPSG16-032-Opinion_5G.pdf 9 Conférence Européenne des Postes et Télécommunications : elle re- groupe l’ensemble des pays européens.