Deep Space Network - Définition
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.
Fréquences
Les bandes de fréquences utilisées pour les communications entre la Terre et les sondes spatiales sont la bande S, la bande X et plus récemment la bande Ka. L'Union internationale des télécommunications impose des plages de fréquences normalisées qui sont présentées dans le tableau ci-dessous. Les fréquences sont données en GHz, uplink désigne le lien Terre vers espace et downlink désigne espace vers Terre. On distingue les communications dites proches pour des distances inférieures à 2 millions de kilomètres, de celles dites lointaines.
| Uplink (> 2 millions km) | Downlink (> 2 millions km) | Uplink (< 2 millions km) | Downlink (< 2 millions km) | |
|---|---|---|---|---|
| Bande S | 2,110 - 2,120 | 2,290 - 2,300 | 2,025 - 2,110 | 2,200 - 2,290 |
| Bande X | 7,145 - 7,190 | 8,400 - 8,450 | 7,190 - 7,235 | 8,450 - 8,500 |
| Bande Ka | 34,200 - 34,700 | 31,800 - 32,300 |
Dans les années 1990, l'utilisation de la bande Ka sur les antennes de 70 mètres est démontrée en R&D. La mise en place de l'uplink en bande X date de juin 2000 sur ces mêmes antennes. En 2008, les antennes de 70 mètres ont été dotées d'un émetteur / récepteur en bande Ka.
Débits
Pour une configuration (sonde spatiale , antenne terrestre) donnée, le débit atteignable lors d'une communication entre la Terre et la sonde dépend notamment de la distance Terre - Sonde (via les pertes en espace libre, voir l'équation des télécommunications), de la fréquence utilisée, de la modulation, du codage correcteur et des conditions météorologiques.
À titre d'exemple, le débit pour les communications en bande X, liaison downlink (télémétrie), entre Mars Reconnaissance Orbiter et une antenne de 34 m du réseau Deep Space peut atteindre 5.2 Mb/s.
Modulations
L'organisation chargée de proposer les modulations utilisées dans les missions spatiales est le Consultative Committee for Space Data Systems.
À l'heure actuelle, les modulations utilisées pour une communication Terre - sonde à faible et moyen débits (inférieur à 2 Mb/s) sont des modulations de phase à deux ou quatre états (BPSK, QPSK ou OQPSK). Le signal peut contenir ou non une porteuse résiduelle.
Pour des communications à haut débit (supérieur à 2 Mb/s), l'une des modulations préconisées est le Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK).
Alternative européenne
L'Agence spatiale européenne dispose de deux antennes de 35 m de diamètre, l'une en Australie depuis 2002 à New Norcia et l'autre en Espagne depuis 2005 à Cebreros. Ce n'est pas suffisant pour assurer une communication avec une sonde spatiale 24h/24, l'Agence spatiale européenne utilise donc encore aujourd'hui les antennes du réseau Deep Space.
Développements futurs
Le futur du réseau Deep Space n'est pas dans l'augmentation du diamètre des antennes, mais plutôt dans la mise en réseau d'antennes de diamètres plus petits. En revanche, l'augmentation de la fréquence est toujours d'actualité.
Mise en réseau
Il est question pour le futur du réseau Deep Space de mettre en place 3 sites de 400 antennes de 12 m de diamètre en bande X et bande Ka. Le but visé est d'obtenir un facteur de mérite équivalent 10 fois supérieur à celui des antennes de 70 m actuelles mises en réseau.
Communications optiques
L'autre possibilité pour augmenter le débit est d'avoir recours à des fréquences plus élevées. Le passage de la bande S à la bande X, puis l'actuel passage de la bande X vers la bande Ka en sont des exemples. La prochaine étape envisagée est de faire un saut jusque dans les fréquences optiques (soit, par rapport à la bande Ka, des fréquences environ 10 000 fois supérieures pour une longueur d'onde de 1 μm). Outre l'augmentation du débit liée à la montée en fréquence, les longueurs d'onde optiques offrent une diffraction bien moindre que celles utilisées jusqu'à présent : le faisceau s'étale moins et l'on récupère donc mieux l'énergie (pour un faisceau gaussien, le faisceau diverge comme un cône d'angle total 2λ / πw0 avec w0 la largeur à l'origine).
Les pertes atmosphériques sont le résultat à la fois du blocage par les nuages et de l'absorption par les molécules. Si le second phénomène amène une atténuation à peu près constante en condition de ciel clair (il ne dépend que de la répartition des molécules dans la composition totale), le premier est sujet à des changements et peut même couper complètement la transmission.
Pour s'affranchir de ces pertes atmosphériques, il a été envisagé de placer des lasers en orbite pour communiquer avec les sondes spatiales. Cependant, cette technique n'était pas financièrement compétitive face à un ensemble de stations redondantes au sol assurant une diversité par rapport à la couverture nuageuse.
De nombreuses questions sont encore à l'étude, comme la sensibilité des récepteurs, la puissance des lasers, la précision de pointage, les modulations et codes correcteurs adaptés, les protocoles pour retransmettre en cas de blocage du signal ou la sécurité liée aux lasers.
