Satellite de télécommunications - Définition

Introduction

Satellite de communication militaire Milstar des États-Unis.

Un satellite de télécommunications est un satellite artificiel placé dans l'espace pour des besoins de télécommunications. Il peut utiliser une orbite géostationnaire, une orbite terrestre basse ou une orbite de Molniya.

Pour des services fixes, les satellites de communications apportent une technologie complémentaire à la fibre optique qui compose les câbles sous-marins. Ils sont aussi utilisés pour des applications mobiles, comme des communications vers les navires ou les avions, vers lesquels il serait impossible d'utiliser du câble.

Historique

Premières missions

Le premier satellite de télécommunications est envoyé par la NASA : il s'agit du satellite Echo en 1960. C'était un ballon de plus de 30 mètres (100 pieds) de diamètre, fait de PET recouvert d'aluminium. Il servait de relais de réflexion passif pour les communications radio. Le Courier 1B, fabriqué par la firme américaine Philco, lancé le 4 octobre 1960, restera dans l'histoire comme étant le premier satellite avec un répétiteur actif à bord. Sa mission a duré 17 jours...

Telstar 1 a été le premier satellite actif à relayer directement des communications intercontinentale. Il a été créé par un groupe multinational composé d'AT&T, des Laboratoires Bell, de la NASA, des anglais de General Post Office (ancêtre de British Telecom) et PTT français, pour développer les communications par satellite. Il fut lancé par la NASA depuis le Cap Canaveral le 10 juillet 1962, ce fut d'ailleurs le premier lancement privé de l'histoire. Il a été placé sur une orbite elliptique, faisant le tour de la Terre en 157 minutes, inclinée à 45° sur l'équateur. Il a permis le 11 juillet la première transmission de télévision en direct entre les stations d'Andover (Etats-Unis] et Pleumeur-Bodou en France.

Le premier satellite réellement en orbite géostationnaire sera le satellite Syncom 3, lancé le 19 août 1964 par la firme Hughes Aircraft Company d'Howard Hughes.

Orbite géostationnaire

Un satellite en orbite géostationnaire semble fixe à un observateur à la surface de la Terre. Il fait le tour de la Terre en 23h 56 min, à vitesse constante, à la verticale de l'équateur.

L'orbite géostationnaire est très pratique pour les applications de communication car les antennes au sol, qui doivent impérativement être pointées vers le satellite, peuvent fonctionner efficacement sans devoir être équipées d'un système de poursuite des mouvements du satellite, système coûteux et compliqué à exploiter. Dans le cas d'applications nécessitant un très grand nombre d'antennes au sol (comme la diffusion de bouquets de télévision numérique), les économies réalisées sur les équipements au sol justifient largement la complexité technologique du satellite et le surcoût de la mise sur une orbite relativement haute (près de 36 000 km).

Le concept de satellite de communication géostationnaire a été exposé pour la première fois par Arthur C. Clarke, se fondant sur des travaux de Constantin Tsiolkovski et sur un article de Herman Potočnik, écrit en 1929 sous le pseudonyme de Herman Noordung, avec pour titre Das Problem der Befahrung des Weltraums — der Raketen-motor. En octobre 1945 Clarke publia un article intitulé « Extra-terrestrial Relays » dans le magazine britannique Wireless World. L'article décrit les lois fondamentales régissant le déploiement de satellites artificiels en orbite géostationnaire à des fins de relayer des signaux radio. Pour cette raison, Arthur C. Clarke est considéré comme l'inventeur du satellite de communication.

Le premier satellite de communication géostationnaire était canadien, c'était le Anik 1, lancé le 9 novembre 1972 ; il restera en exploitation jusqu'au 15 juillet 1982. Les États-Unis d'Amérique suivront peu de temps après, Western Union lançant le satellite Westar 1 le 13 avril 1974, et RCA Americom (devenue SES Americom de nos jours) lançant le satellite Satcom 1 le 12 décembre 1975.

Satcom 1 fut à l'origine du succès des chaînes câblées américaines comme WTBS, HBO, CBN, The Weather Channel, etc. en permettant à ces dernières d'atteindre les têtes de tous les réseaux locaux par satellite. De plus, ce satellite était le premier utilisé par les grands réseaux de télévision, comme ABC, NBC ou CBS pour alimenter leurs filiales locales en programmes. Satcom 1 était très utilisé car il proposait deux fois plus de bande passante (24 transpondeurs au lieu de 12 pour Westar 1), et donc avait des coûts d'exploitations bien moindre.

Le premier satellite de télécommunications géostationnaire stabilisé trois-axes a été Symphonie-A, premier du programme franco-allemand, lancé le 19 décembre 1974 sont les premiers satellites de télécommunications réalisés en France et en Europe et les premiers stabilisés trois-axes en orbite géostationnaire à système de propulsion biergol pour la manœuvre de circularisation geosynchrone et le maintien à poste (précurseur des satellites modernes à partir des années 1990), et premier système complet (après le lancement du second modèle) avec tous les segments dédiés de contrôle et d'utilisation.

En 2000, Hughes Space and Communications, racheté depuis par Boeing Satellite Development Center, avait construit près de 40 % des satellites en exploitation dans le monde entier. Les autres fabricants importants sont Loral Space Systems, Lockheed Martin Space Systems, Northrop Grumman, Thales Alenia Space et EADS Astrium Satellites.

Satellites en orbite terrestre basse

Une orbite terrestre basse est une orbite circulaire entre 350 et 1400 km de la surface de la Terre; en conséquence la période de révolution des satellites est comprise entre 90 minutes et 2 heures. En raison de leur faible altitude, ces satellites sont uniquement visibles dans un rayon de quelques centaines de kilomètres autour du point à la verticale duquel se trouve le satellite. De plus les satellites en orbite basse se déplacent rapidement par rapport à un point fixe sur Terre, donc même pour des utilisations locales, un grand nombre de satellites sont nécessaires si l'application exige une connectivité permanente.

Les satellites en orbite terrestre basse sont beaucoup moins chers à mettre en orbite que les satellites géostationnaires, et grâce à leur proximité avec le sol, demande une puissance de signal moins importante. Le coût de chaque satellite étant bien moindre, il peut être intéressant d'en lancer en plus grand nombre, le lancement étant aussi moins cher, ainsi que les équipements nécessaires à l'exploitation au sol.

Un ensemble de satellites fonctionnant de concert est connu sous le nom de constellation satellitaire. Plusieurs de ces constellations fournissent des services de téléphonie sans fil par satellite, à l'origine vers des zones isolées. Le réseau Iridium par exemple utilise 66 satellites. Le réseau Globalstar se compose, quant à lui, de 60 satellites.

Le réseau satellitaire d'03b Networks Ltd, pour Google, 16 satellites de télécommunications en orbite basse devant offrir des services de déport de réseau Internet par satellite à faible période de latence vers les pays émergents et en voie de développement dans le monde entier à des vitesses pouvant atteindre 10 Gbps et d’une capacité totale combinée de 160 Gbps est en cours d'étude par Thales Alenia Space, dans le Centre spatial de Cannes Mandelieu.

Une autre utilisation possible de ces systèmes est l'enregistrement de données reçues lors du passage au-dessus d'une zone terrestre, et sa retransmission lors du passage sur une autre zone. Ce sera le cas avec le système CASCADE, du projet canadien CASSIOPE de communication par satellite.

Satellites en orbite de Molniya

Les satellites géostationnaires sont nécessairement à la verticale de l'équateur. En conséquence, ils sont assez peu intéressants sous des latitudes élevées : dans de telles régions, un satellite géostationnaire apparaîtra très bas sur l'horizon; la liaison pourra alors être perturbée par les basses couches de l'atmosphère. Le premier satellite Molniya a été lancé le 23 avril 1965 et fut utilisé pour des transmissions expérimentales de télévision, l'émission se faisant depuis Moscou, et différentes réceptions en Sibérie et dans l'Extrême-Orient russe, à Norilsk, Khabarovsk, Magadan et Vladivostok. En novembre 1967, les ingénieurs soviétiques créèrent un système de télévision nationale par satellite unique, appelé Orbita, basé sur des satellites Molniya.

L'orbite de Molniya se caractérise par un apogée de l'ordre de 40000 km situé au-dessus de l'hémisphère nord et un périgée de l'ordre de 1000 km est au-dessus de l'hémisphère sud. De plus son inclinaison sur l'équateur est forte, 63,4°. Les propriétés de cette orbite garantissent que le satellite passe la plus grande partie de son orbite au-dessus des latitudes les plus nordiques, période durant laquelle son empreinte au sol change relativement peu puisqu'il se déplace plus lentement. Sa poursuite en est ainsi facilitée. La période de cette orbite est d'une demi-journée (12h), ce qui rend le satellite utilisable durant 8h à chaque révolution. Ainsi, une constellation de trois satellites Molniya (plus un de secours en orbite) pouvait fournir une couverture permanente des latitudes nord.

Les satellites en orbite de Molniya sont essentiellement utilisés pour des services de téléphonie et de télévision au-dessus de la Russie. Une autre application permet de les utiliser pour des systèmes de radio mobile (même sous des latitudes moins élevées) car les véhicules circulant dans des aires fortement urbanisées ont besoin de satellites avec des élévations importantes pour garantir une bonne connectivité même en présence d'immeubles élevés.

Le DoD des États-Unis utilise également une telle orbite pour des satellites de surveillance et de communications. En effet, en raison de sa période de 12 heures, un satellite qui atteint une première apogée au-dessus de la Russie, pour 8 heures environ d'utilisation opérationnelle, passera 8 heures dans les mêmes conditions au-dessus de l'Amérique du nord à l'orbite suivante.