Satellite de télécommunications

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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 Molnia.

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^[1],[2].

Telstar 1 a été le premier satellite actif à relayer directement des communications intercontinentales. 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 (États-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 23 h 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 (en) 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 par satellite les têtes de tous les réseaux locaux par câble. 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 moindres.

Le premier satellite de télécommunications géostationnaire stabilisé trois-axes a été le satellite expérimental de la NASA ATS-6 lancé le 30 mai 1974, bientôt suivi par les satellites Symphonie, 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 géosynchrone 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.

Satellites en orbite terrestre basse

Une orbite terrestre basse est une orbite circulaire entre 350 et 1 400 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^[3]. 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'O3b 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 Gb/s et d’une capacité totale combinée de 160 Gb/s est en cours d'étude par Thales Alenia Space, dans le Centre spatial de Cannes - Mandelieu^[4].

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 Molnia

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 Molnia 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 Molnia.

L'orbite de Molnia se caractérise par un apogée de l'ordre de 40 000 km situé au-dessus de l'hémisphère nord et un périgée de l'ordre de 1 000 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 (12 heures), ce qui rend le satellite utilisable durant 8 heures à chaque révolution. Ainsi, une constellation de trois satellites Molnia (plus un de secours en orbite) pouvait fournir une couverture permanente des latitudes nord.

Les satellites en orbite de Molnia 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 un premier 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.

Applications

Téléphonie

Même concurrencée par les câbles optiques terrestres ou sous-marins, l'application qui est toujours la plus importante pour les satellites de communication est la téléphonie internationale. Les centraux locaux transportent les appels jusqu'à une station terrienne (aussi appelée téléport), d'où ils sont émis en direction d'un satellite géostationnaire. Ensuite ce satellite les retransmet vers une autre station qui procède à la réception et l'acheminement final. Les téléphones mobiles satellitaires (depuis des bateaux, avions, etc.) eux se connectent directement au satellite. Ils doivent donc être en mesure d'émettre un signal et de le pointer vers le satellite même en cas de mouvements (vagues sur un bateau, déplacement et turbulences en avion).

Télévision et radio

En télévision et radio, on sépare traditionnellement les utilisations en deux groupes : services occasionnels (OU pour Occasional Use, en français liaisons de contributions, ou transmissions) et services permanents (ITV pour International TV, en français diffusion). En effet, le nombre de récepteurs varie : maximum quelques dizaines de professionnels en OU, illimité en ITV. Les contraintes techniques sont donc totalement différentes, tout en utilisant les mêmes satellites.

Un service ITV transmet à destination de petites antennes de réception (de 60 à 110 cm en Europe) situées directement chez les particuliers. En général les fréquences utilisées étaient dans la bande K (Ku, de 10,70 à 12,75 GHz, Ka, de 20 à 30 GHz), même si de nos jours, avec l'évolution des technologies, on est en mesure de diffuser en bande C (de 3,7 à 4,2 GHz) vers des particuliers (c'est le cas du bouquet Canal Horizon en Afrique par exemple). On parle de diffusion DTH (Direct-To-Home, c’est-à-dire directement vers le particulier). Les principaux opérateurs en Europe sont BSkyB au Royaume-Uni, CanalSat en France, Bell Télé et Shaw Direct au Canada, Sky Angel aux États-Unis d'Amérique.

Un service OU est une liaison de A vers B (cas d'une unilatérale) ou de A vers B, C, D... avec un nombre limité de récepteurs (cas d'une multilatérale). À l'origine, ces services utilisaient la bande C et la moitié inférieure de la bande Ku. De nos jours, tout le monde utilise les fréquences disponibles, la ressource étant limitée, le besoin grand et les contraintes techniques liées à l'utilisation de telle bande plutôt que telle autre ayant tendance à disparaître. Ce sont des liaisons utilisées pour ramener des images non montées au siège d'une chaîne par exemple, ou pour couvrir en direct un événement extérieur. On rencontre aussi des applications de télémédecine, d'enseignement à distance, de visioconférence internationale, etc. Ce type de service est aussi utilisé pour assurer l'alimentation en image de clients d'agences (comme l'UER, APTN, Reuters).

Par le passé, les satellites utilisés pour des services OU étaient différents des satellites pour des services ITV. En effet, ils émettaient à des puissances moindres, ce qui nécessitait des antennes avec un fort gain, donc un grand diamètre (4,80–6,30 m en bande Ku, 11–13 m voire plus en bande C, étaient des tailles couramment utilisées).

De nos jours, avec l'augmentation de la sensibilité des récepteurs, tout le monde utilise des satellites à puissance réduite, que ce soit en transmission ou en diffusion, les opérateurs garantissant la qualité des liaisons point à point grâce à la taille des antennes utilisées, ce qui leur permet de garder les grandes antennes qui n'auraient pas lieu d'être sinon. Mais rien n'empêche un particulier, équipé d'un système de réception très sensible, de recevoir sur une petite antenne des liaisons unilatérales qui ne lui sont pas destinées (si ces dernières ne sont pas cryptées bien sûr, ce qui est de plus en plus rare). Il n'est d'ailleurs pas rare de nos jours de voir les opérateurs satellites mélanger plusieurs signaux numériques sur les mêmes satellites, voir parfois sur les mêmes répéteurs, tous les types de transmissions. Enfin,certains canaux des bouquets européens sont réservés à des liaisons privatives cryptées.

En Europe, les deux principaux opérateurs de transmissions (qui exploitent les liaisons, mais ne sont pas forcément propriétaires des satellites ou des canaux utilisés) sont Globecast, filiale d'Orange S.A. et Arqiva (ex NTL Broadcast) qui a racheté BT Media and Broadcast, ex-filiale de BT Group. Ces opérateurs gèrent aussi bien des téléports (station d'émission et de réception) que des flottes de camions SNG (Satellite News Gathering, c’est-à-dire camion de transmissions satellite).

Télévision mobile

À l'origine destinées à la diffusion vers des points de réceptions fixes, les technologies de diffusion de télévision par satellite ont pris un tournant en 2004, avec l'arrivée de deux nouveaux systèmes de transmissions par satellites aux États-Unis. Les systèmes SIRIUS et XM Satellite Radio Holdings permettent en effet la diffusion de télévision par satellite vers des récepteurs mobiles. Des constructeurs ont aussi lancé de nouvelles antennes spéciales pour la réception mobile de télévision satellite. Utilisant la technologie GPS comme référence, ces antennes se repointent automatiquement vers le satellite, quelle que soit la position et le mouvement du support de l'antenne. Ce type d'antenne satellite mobile est très apprécié des propriétaires de camping-cars par exemple. Ces antennes sont aussi utilisées par la compagnie aérienne JetBlue, qui permet ainsi à ses passagers d'avoir une chaîne de télévision en direct, visible en vol sur des moniteurs LCD montés dans les dossiers des sièges.

Radio-amateur

Les opérateurs radio-amateurs ont accès aux satellites OSCAR qui ont été réalisés par des universités ou des clubs radio-amateur, et lancés par exemple en passager auxiliaire avec des satellites d'observation. La plupart de ces satellites fonctionnent comme des répéteurs et sont en général accessibles aux amateurs équipés en UHF ou en VHF avec des antennes très directives, comme des antennes de type Yagi, ou des antennes paraboliques. En raison des limitations des équipements au sol, la plupart de ces satellites sont dans une orbite terrestre basse, et ne peuvent transmettre qu'un nombre limité de contacts courts à un moment donné. Certains de ces satellites fournissent aussi de la retransmission de données, utilisant les protocoles AX.25 ou similaires.

Internet et données par satellite

Depuis quelques années, les techniques de communication par satellite sont utilisées pour des connexions Internet à haut débit. C'est surtout très utile pour des utilisateurs très isolés qui ne peuvent pas être connectés en ADSL ou via le réseau téléphonique. Ces techniques servent aussi pour des entreprises ou des organisations implantées mondialement et ne voulant pas dépendre d'un opérateur de télécommunication local pas toujours fiable, et qui veulent que tous leurs réseaux soient gérés par le même opérateur. Enfin l'utilisation d'un satellite pour l'échange de données permet de se passer des FAI locaux, censurés et espionnés la plupart du temps, quand ils ne tombent pas « en panne » en cas de manifestations. voir l'affaire de Birmanie.

Cinéma numérique

Préparation et présentation à Paris, le 29 octobre 2001^[5],[6],[7], de la première transmission de cinéma numérique par satellite en Europe d'un long métrage cinématographique par Bernard Pauchon^[8] et Philippe Binant^[9],[10]. Depuis cette date, nombre de films, bandes annonces et publicités sont acheminés chaque semaine par satellite vers les salles de cinéma, aux USA et en Europe.

Aide aux systèmes de positionnement

Plusieurs satellites de télécommunications géostationnaires sont utilisés actuellement comme aide aux utilisateurs du système GPS et bientôt GLONASS et Galileo. La technique est connue sous le nom de SBAS (Satellite Based Augmentation System) est une première étape dans le sens d'établir un système de positionnement par satellites mondial. Il s'agit d'un ensemble de satellites géostationnaires destinés à renseigner en temps réel les utilisateurs de GPS sur la qualité de signaux qu'ils reçoivent. Trois ensembles sont actuellement en activité : EGNOS pour l'Europe, WAAS pour les États-Unis, CWAAS pour le Canada, et MSAS (Multifunctional Transport Satellite Space-Based Augmentation System appelé aussi QZSS : Quasi-zenith Satellite System) pour le Japon. Le système SNAS (Satellite Navigation Augmentation System) de la Chine entre dans cette catégorie. L'Inde a également entrepris d'implanter son propre système GAGAN (GPS And GEO Augmented Navigation) en attendant un système plus vaste IRNSS (Indian Regional Navigation System).

Satellite relais

Les satellites relais, dont les principaux sont ceux du système TDRSS américain, permettent de relayer les communications des satellites d'observation en orbite basse ou des vols habités, sans dépendre des réseaux de stations au sol. Ces satellites ont été développés à la fois pour assurer la retransmission des images de surveillance en temps réel, que des missions civiles^[11].

Le satellite en orbite basse est équipé d'un terminal TDRSS muni d'une antenne dirigée vers l'orbite géostationnaire, les données sont retransmises en temps réel vers les stations du système TDRSS situées aux États-Unis. Quatre satellites sont en orbite pour une couverture globale.

Les satellites de télécommunications peuvent être utilisés également pour servir de relais pour les transmissions de données d'observation d'objets volants à basse altitude, tels que les drones. Le drone Harfang de l'armée de l'Air française utilise les satellites Eutelsat, en orbite géostationnaire, pour de telles transmissions^[12].

Marché

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 Space Systems/Loral, Lockheed Martin Space Systems, Northrop Grumman, Thales Alenia Space et EADS Astrium Satellites. ISS Reshetnev en fabrique pour la Russie.

Vers les années 2010, le marché annuel des satellites de télécommunications en orbite géostationnaire est en moyenne de 20 à 25 satellites par an, réalisés pour la plupart par quatre américains : Space Systems/Loral, Boeing, Lockheed Martin, Orbital Sciences ; et deux européens : Astrium Satellites et Thales Alenia Space^[13].

Problématique de transmission

Puisqu'un satellite géostationnaire se trouve à environ 36 000 km d'altitude, une onde radio met un peu plus de 100 ms pour l'atteindre, et autant pour être acheminée à sa destination finale, d'où l'accusé de réception repart en sens inverse. La durée totale du cheminement total est de 400 ms. Non seulement ce délai se montre très gênant lors des communications téléphoniques (phénomène d'écho), mais il complique notablement la gestion des accusés de réception dans les transmissions par paquet, les en-cours se comptant alors par millions.

Exemple : sur un canal ATM courant à 622 Mb/s, il convient de remarquer que les bits en transit (déjà partis et pas encore arrivés) sont à tout moment au nombre de 124 millions, soit 15,5 Mo.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• Guy Lebègue (sénior AAAF), « Türksat: un satellite clé en main », dans Revue aérospatiale, n°72, octobre 1990.
• Guy Lebègue, « Eutelsat II: Bon pour le service Est-Ouest », dans Revue aérospatiale, n°73, novembre 1990.
• Guy Lebègue, « Carcans-Maubuisson: les Satellites à la Une », Université d'été de la Communication présidée par Jack Lang, ministre de la Culture et de la Communication, dans Revue aérospatiale, n°82, octobre 1991.
• Guy Lebègue, « S-80: La Terre est un village », dans Revue aérospatiale, n°91, septembre 1992.
• Guy Lebègue, « Spacebus 3000: la plate-forme de l'Alliance" Satellites », dans Revue aérospatiale, n°99, juin 1993.
• (fr) Guy Lebègue, « Un satellite de télécom: À quoi ça sert?, Comment ça marche?, Combien ça coûte? », dans Nouvelle revue Aéronautique et Astronautique, N° 2, juin 1994, (ISSN 1247-5793), repris dans la même année, dans la Revue des anciens élèves de l'École Centrale de Paris.
• Guy Lebègue, « Globalstar: une constellation de 48 satellites pour le téléphone mobile », dans Revue aérospatiale, n°115, février 1995.
• Guy Lebègue, « Les Spacebus 3000 se fabriquent en série à Cannes », dans Revue aérospatiale, n°124, janvier 1996.
• Guy Lebègue, « Spacebus: 1000 ans de répéteurs en orbite », dans Revue aérospatiale, n°133, novembre 1996.
• Jean-Jacques Dechezelles (Senior AAAF), « Télécommunications spatiales et Systèmes de Défense », compte-rendu d'une conférence prononcée le 18 mars 2008 à l’auditorium Spacecamp Thales Alenia Space, par Blaise Jaeger, Vice-président Télécommunications, Thales Alenia Space, publiée dans la Lettre AAAF du groupe Côte d'Azur, N° 166, mai 2008 [archive-host.com lire en ligne] [PDF].

Articles connexes

• Applications des satellites
• Communication
• Télécommunication
• Liste des satellites géostationnaires

Constructeurs de satellites

• Thales Alenia Space, Premier constructeur européen dans son établissement de Cannes et sa série des Spacebus et des constellations Globalstar seconde génération, O3b et Iridium Next
• EADS Astrium Satellites et sa série des Eurostar

Séries de satellites de télécommunications

• Spacebus
• Eurostar

Liens externes

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Opérateurs de satellites

• (en) Eutelsat
• (en) SES S.A
• (en) Intelsat
• (en) NileSat
• (en) BrasilSat
• (en) Arabsat

Opérateurs de liaisons par satellites

• (en) Globecast
• (en) Arqiva

Grands réseaux de diffusion d'images, agences

• (en) Union Européenne de Radio-Télévision
• (en) Associated Press Television News
• (en) Reuters Television News

Divers

• (fr) Le point sur… Internet haut débit par satellite (groupe ANT, CETE de l'Ouest)

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