Les satellites de
Télécommunication
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Les satellites de Télécommunication |
INTRODUCTION :
Depuis le premier satellite artificiel " Spoutnik 1 ", lancé en 1957 par l’ex-URSS, l’exploitation de l’espace à des fins d’applications civiles et militaires a pris une importance croissante en cette fin de siècle. Dans les domaines des télécommunications intercontinentales, le plus grand système existant : " Intelsat ", faisant participer une centaine d’Etats, a sans cesse continué son expansion et regroupe actuellement 24 satellites à travers 6 séries différentes, chacune constituant un véritable progrès technique sur la précédente. Par exemple, la cinquième série de satellites d’Intelsat peut desservir, sur une grande partie de la surface du globe, plus de 12000 circuits téléphoniques et au moins deux circuits de télévision par satellite. Ainsi, depuis plus de vingt ans, les divers progrès réalisés dans des domaines très variés tels que la météorologie, la téléphonie mobile, la télévision par satellite ou encore le GPS (Guidage Par Satellite), sont conséquent et favorise le développement de notre niveau de vie sur Terre. C’est pourquoi il nous a semblé judicieux de se pencher plus sérieusement sur le fonctionnement global des satellites, à savoir le trajet qu’il suit dans l’espace, la façon dont il gère son autonomie, et les modes d’émission et de réception par rapport à la Terre. Dans cette optique, nous verrons tout d’abord les différentes orbites et couvertures parcourues par l’ensemble des satellites en gravitation autour de la Terre, puis dans un second temps nous étudierons les caractéristiques générales du fonctionnement de la plupart des satellites.
La quasi-totalité des satellites, qu’ils soient à usage d’observation ou de télécommunication, ont des orbites, c’est à dire des trajectoires spécifiques à un corps animé d’un mouvement périodique, propres à leur utilisation. On peut ainsi distinguer trois types d’orbites différentes : des orbites elliptiques, des orbites circulaires et l’orbite géostationnaire, chacune ayant des caractéristiques différentes des autres.
1. Orbites elliptiques :
Comme son nom l’indique, un satellite placé dans une orbite de ce type décrit une trajectoire en forme d’ellipse autour de la terre. Afin de placer un satellite en orbite elliptique, la vitesse de lancement dans l’espace doit, d’après Newton et ses théories sur la gravitation, être supérieur à 7900 m/s. La principale caractéristique de ce type d’orbite est la grande variation en vitesse que subissent les satellites. En effet, plus un satellite est loin de la terre, plus sa vitesse est faible car la vitesse " v " est inversement proportionnelle à son altitude " h " selon la relation :
où G est la constante gravitationnelle, m la masse du satellite et a le demi grand axe de l’orbite.
Cependant, comme l’altitude varie énormément pendant sa période et que la trajectoire décrit une ellipse, la position du satellite pour un observateur terrestre n’est pas fixe. Par conséquent, le suivi de chaque satellite nécessite un équipement de stations d’émission et de réception avec des antennes mobiles, ce qui est considéré au point de vue financier et qualitatif comme un inconvénient. Néanmoins, les satellites en orbites elliptiques présentent l’avantage de pouvoir desservir des zones éloignées de l’équateur, ce qui n’est pas forcement le cas pour les orbites circulaires et géostationnaire. En effet, avec une inclinaison élevée, il est possible de survoler des territoires à la périphérie des hémisphères. La couche d’atmosphère étant plus étroite, la qualité des signaux est donc un peu meilleure.
Par exemple, dans le système " Molnya " utilisé par l’URSS, 3 satellites dont les orbites sont inclinées de 63° par rapport au plan équatorial, couvrent totalement la Sibérie car leur partie lente correspondent au deux tiers de leur période et ils se situent alors à la verticale du territoire sibérien.
Les orbites elliptiques présentent des avantages, comme la couverture des zones éloignées de l’Equateur, mais également des inconvénients tels que les aspects qualitatif et financier des équipements mobiles sur Terre. Cependant il existe des orbites où ce type d’inconvénients n’apparaît presque pas : ce sont les orbites circulaires.
2. Orbites circulaires :
Il existe une infinité d’orbites circulaires, chacune correspondant à une inclinaison par rapport au plan orbital, mais on peut en distinguer 3 sortes : l’orbite circulaire polaire et les orbites circulaires inclinées.
L’orbite polaire est une orbite circulaire qui passe par-dessus les deux pôles de la Terre.
L’ inconvénient principal, pour les satellites inscrits dans ce type de trajectoire, est la lenteur de leur couverture mais cette faible vitesse permet tout de même au satellite de couvrir une grande partie de la surface du globe, voire la totalité de la terre, compte tenu de la rotation de la terre sur elle-même. On peut citer l’exemple des satellites d’observation français " Spot ", situés à 800 km d’altitude, qui assurent la couverture de la surface totale du globe en 21 jours, ou encore un système américain constitué de 12 satellites et ayant une utilisation dans la messagerie.
Les orbites circulaires inclinées décrivent également un cercle autour de la Terre, mais chaque trajectoire est inclinée d’un certain angle par rapport au plan équatorial. De plus il est nécessaire d’imposer au satellite une vitesse de lancement d’environ 7900 m/s. Cependant, cette inclinaison présente un inconvénient majeur : étant donné que la plus haute latitude desservie par les satellites, dont les orbites sont inclinées, correspond à la déviation angulaire par rapport au plan de l’Equateur, ces satellites ne peuvent pas couvrir la totalité de la surface du globe. Par contre, cette orbite possède un avantage : selon l’altitude du satellite, il est possible de cibler les zones du globe, c’est à dire que l’on peut desservir les parties intéressantes d’un point de vue économique, militaire, ou autres applications…
Par exemple, le projet français " Globalstar " prévoit de lancer 48 satellites en orbite circulaire inclinée à 50° par rapport à l’équateur, afin d’assurer des communications mobiles dans la plupart des pays.
Ces deux types de trajectoires ont chacun des caractéristiques différentes, des usages propres suivant les inconvénients et les avantages. Néanmoins ils ne sont que très peu utilisés par rapport à une autre orbite circulaire : l’orbite géostationnaire, qui possède actuellement le plus d’avantages aussi bien économiques que pratiques.
3. Orbite géostationnaire :
A l’origine, une orbite géostationnaire est une orbite circulaire inclinée d’un angle nul, c’est à dire placée dans le plan équatorial. Mais ses caractéristiques étant assez différentes de celles des orbites circulaires simples, on l’a nommé orbite géostationnaire.
Ce nom vient de la caractéristique la plus importante de cette orbite : pour un observateur terrestre, un satellite placée en orbite géostationnaire a une apparence immobile dans le ciel. Cela vient en grande partie du fait que la période de révolution, c’est à dire le temps que met le satellite pour parcourir le périmètre du cercle représentatif de sa trajectoire, est exactement la même que celle de la Terre, soit exactement 23 heures 56 minutes 4 secondes. Mais le fait qu’il tourne dans le même sens que notre planète en est également une cause. De plus la troisième loi de Kepler permet aisément de déterminer l’altitude d’un satellite en orbite géostationnaire :
Connaissant la masse " M " de la Terre : 
kilogrammes, et la période de rotation de la Terre sur elle-même :
secondes, nous pouvons déduire le rayon " 
" du cercle représentant l’orbite :
D’après la troisième loi de Kepler :
et donc, avec les valeurs de T, M et 
, on en déduit :
km , mais comme 
est la distance depuis le centre de la Terre, l’altitude " h " est donnée par : 
, avec " R " le rayon de la Terre (R=6378 km).
Donc l’altitude d’un satellite en orbite géostationnaire est h=35800 km.
Cette orbite est la plus utilisée actuellement car la qualité des signaux est équivalente, voire supérieure à celle des autres orbites, mais il est beaucoup plus rentable d’utiliser ce type de satellite dans la mesure où l’avantage majeur est la possibilité d’employer sur Terre des antennes fixes. De plus, la position de cette trajectoire permet aux satellites d’avoir une grande couverture qui vaut à peu près un hémisphère. Par contre, son altitude élevée entraîne quelques inconvénients. En effet, plus les zones à couvrir sont éloignées de l’Equateur, plus le signal mettra de temps pour arriver, et plus il y aura d’interférences. Il y a également un autre problème qui se dessine déjà pour cette orbite : le nombre de satellites en orbite géostationnaire devenant de plus en plus grand au fil des années, cette trajectoire commence à être très chargée. Les scientifiques prévoient aussi un danger pour les satellites en état de marche car les satellites dits " poubelles " qui n’ont plus d’énergie pour être opérationnels dérivent sans contrôler leur vitesse et peuvent alors détériorer les autres.
Tous les satellites en activité dans l’espace sont actuellement dans une de ces trois catégories d’orbites :les orbites elliptiques, les orbites circulaires et l’orbite géostationnaire. Chacune de ces trois trajectoires possède des caractéristiques différentes et propres à des applications particulières. Cependant toutes ces utilisations nécessitent obligatoirement des équipements techniques aussi bien sur Terre que sur le satellite afin d’assurer les communications entre la Terre et les satellites.
Que un satellite soit en orbite elliptique, orbite circulaire, ou en orbite géostationnaire, il doit dans tous les cas être autonome dans l’espace et donc
Tout satellite a besoin d’être autonome que se soit pour le contrôle thermique ou l’émission des différentes ondes radios. Pour cela il est nécessaire de pouvoir exploiter une source d’énergie fournissant l’électricité dont l’ensemble des composants a besoin. Dans un satellite l’électricité nécessaire provient principalement de panneaux solaires qui transforment l’énergie solaire en électricité.
L’énergie solaire est l’énergie rayonnante produite dans le soleil à la suite de réactions de fusions nucléaire. Elle est transmise à la Terre et aux satellites à travers l’espace sous forme de photons. Les photons sont des particules transportant une petite quantité d’énergie lumineuse ou correspondant à une autre radiation électromagnétique. L’énergie E d’un photon s’exprime par E = h.u où " h " est la constante de Planck et " u " est la fréquence de la lumière (nombre de vibrations par seconde).
Cette énergie solaire est changée en électricité par des cellules photovoltaïques ou cellules solaires formées de fines lamelles de silicium cristallin, d’arséniure de gallium ou autre matériau semi-conducteur, convertissant directement le rayonnement solaire en électricité. Ces semi-conducteurs sont des matériaux à l’état solide qui conduisent l’électricité à température ambiante. Aux basses températures, les semi-conducteurs purs se comportent comme des isolants alors qu’à des températures élevées, ou en présence d’impuretés ou de lumière, la conductivité de ces derniers s’accroît fortement, pouvant même devenir comparable à celle des métaux. Les principaux semi-conducteurs sont le silicium, le germanium, le sélénium et l’arséniure de gallium. L’accroissement de la conductivité en fonction de la température, de la lumière ou des impuretés s’explique par une augmentation du nombre d’électrons de conduction qui transportent le courant électrique. Dans un semi-conducteur pur tel que le silicium, les électrons périphériques d’un atome sont mis en commun avec les atomes voisins pour établir des liaisons covalentes qui assurent la cohésion du cristal. Ces électrons périphériques, dits électrons de valence, ne sont pas libres de transporter le courant électrique. Pour produire des électrons de conduction, on expose à la température ou à la lumière les électrons périphériques afin de rompre les liaisons covalentes : les électrons sont alors mobiles. Les défauts ainsi créés, appelés " trous " ou " lacunes ", participent au flux électrique. Ces lacunes expliquent l’augmentation de la conductivité électrique des semi-conducteurs avec la température.
Mais aussi, l’ajout d’impuretés aux semi-conducteurs, ou dopage, est un autre moyen d’augmenter la conductivité électrique du corps. Les atomes du matériau de dopage, ou dopant (donneurs ou accepteurs électrons), et ceux de l’hôte ont un nombre différent d’électrons périphériques. Le dopage produit ainsi des particules électriques chargées positivement (type P) ou négativement (type N). Ce concept est illustré par le schéma, qui représente un cristal de silicium (Si) dopé au phosphore et à l’aluminium.
Chaque atome de silicium dispose de 4 électrons périphériques (représentés par des points). 2 électrons (un par atome) sont nécessaires pour former une liaison covalente entre 2 atomes. Dans le silicium de type N, des atomes de phosphore (P) à 5 électrons périphériques remplacent des atomes de silicium : ils offrent donc des électrons supplémentaires (un par atome de phosphore). Dans le silicium de type P, des atomes d’aluminium (Al) avec 3 électrons périphériques entraînent un défaut d’électrons puis la formation de trous (un par atome d’aluminium).
Ainsi les électrons en excès ou les trous conduisent l’électricité. Lorsque des zones de semi-conducteurs de type P et de type N sont adjacentes, elles forment une diode ; la zone de contact est appelée jonction P-N. Une diode est un dispositif de résistance élevée au courant dans un sens et de faible résistance dans l’autre sens : elle ne laisse donc passer le courant électrique que dans un sens. Les propriétés de conductance de la jonction P-N dépendent du sens de la tension appliquée, qui peut donc être utilisée pour contrôler la nature électrique du dispositif. Des séries de jonctions de ce type sont utilisées pour fabriquer des dispositifs semi-conducteurs telles que les cellules solaires.
Les premiers satellites de communication furent conçus pour fonctionner en mode passif. Au lieu de transmettre les signaux radio de manière active, ils réfléchissaient les signaux émis par des stations terrestres. Les signaux étaient réfléchis dans toutes les directions et pouvaient donc être reçus n’importe où dans le monde. La capacité de tels satellites était sévèrement limitée par la nécessité de disposer d’émetteurs puissants et de grandes antennes au sol. De nos jours les communications par satellite n’utilisent plus que des systèmes actifs, dans lesquels chaque satellite artificiel possède son propre équipement d’émission et de réception alimenté en électricité par les panneaux solaires.
Des centaines de satellites actifs de communication sont aujourd’hui en orbite. Ils reçoivent des signaux en provenance d’une station terrestre, les amplifient, puis les retransmettent dans une fréquence différente à une autre station. Avec l’augmentation continue du nombre de systèmes, le problème de la détermination des fréquences devient aujourd’hui crucial. Les principales bandes utilisées (fréquence de montée / fréquence de descente) sont actuellement les suivantes :
On peut donc constater que le spectre des fréquences utilisables apparaît déjà très occupé. Heureusement, les progrès des techniques de transmission de données ont permis de décupler la capacité des installations, et de réduire la taille des stations terrestres. Les méthodes numériques de codage à la source ont ainsi entraîné une division par dix du débit nécessaire pour transmettre une communication téléphonique ou une émission de télévision.
Ces progrès sont dans un premier temps possibles grâce à la modulation de fréquence (MF) qui représente un système de transmission radio dans lequel la fréquence de l’onde porteuse est modulée par le signal transmis. Cette dernière présente des avantages par rapport au système de modulation d’amplitude (MA), forme parallèle de radiodiffusion. L’avantage le plus important du système MF est sa plus grande tolérance vis-à-vis des interférences et de l’électricité statique. De nombreuses perturbations radioélectriques, telles que celles causées par les orages et les systèmes d’allumage de véhicule, créent des signaux radio de modulation d’amplitude, qui sont reçus comme du bruit par les récepteur MA. Un récepteur MF correctement conçu n’est pas sensible à de telles perturbations lorsqu’il est réglé sur un signal MF suffisamment puissant. De même, le rapport (intensité du signal / intensité du bruit) d’un système MF est beaucoup plus élevé que celui d’un système MA. Enfin les stations terrestres de radiodiffusion MF peuvent fonctionner dans les bandes de très hautes fréquences sur lesquelles les interférences MA sont souvent importantes.
Dans un second temps, les systèmes de satellites de communication sont entrés dans une période de transition depuis les communications point par point de grande capacité, entre des équipements terminaux terrestres de grande dimension et coûteux, jusqu’aux communications plus denses en informations entre de petites stations à faible coût. Le développement des méthodes d’accès multiple a ,à la fois, accéléré et facilité cette transition. Avec le TDMA (accès multiple à répartition dans le temps commuté par satellite), on alloue à chaque station terrestre un intervalle de temps sur un même canal pour la transmission des ses communications. Toutes les autres stations surveillent ces intervalles temporels et sélectionnent les communications qui leur sont destinées. En amplifiant une seule fréquence porteuse dans chaque répéteur du satellite, le TDMA assure l’utilisation la plus efficace de l’énergie du satellite. Une technique dite de réutilisation de fréquence permet aux satelllites de communiquer avec plusieurs stations terrestres en utilisant la même fréquence, en transmettant dans des faisceaux étroits orientés sur chacune des stations. Les largeurs des faisceaux peuvent être ajustées pour couvrir des zones aussi grandes que les Etats-Unis ou aussi petites que la Belgique. Deux stations suffisamment éloignées l’une de l’autre peuvent recevoir des messages différents transmis sur la même fréquence. Les antennes des satellites ont été conçues pour émettre dans différentes directions, en utilisant le même réflecteur. Le concept des communications à faisceaux étroits multiples fut démontré avec succès en 1991 avec le lancement d’Intelsat, développé par le Conseil de recherche italien. Avec six faisceaux étroits fonctionnant à 30 GHz sur la liaison montante et 20 GHz sur la liaison descendante, ce satellite interconnecte les émissions en TDMA entre des stations terrestres situées dans les principaux centres économiques d’Italie. Le système démodule les signaux montants, les place entre les faisceaux montants et descendants, puis les combine et les remodule pour la transmission descendante.
Enfin, l’application de la technologie laser aux communication par satellite a été étudiée pendant plus d’une décennie. Les rayons lasers peuvent être utilisés pour transmettre des signaux entre un satellite et la Terre. La rapidité de transmission est cependant limitée en raison de l’absorption et de la diffusion par l’atmosphère. Comme les laser fonctionnent dans la longueur d’onde du bleu-vert, qui pénètre l’eau, ils ont été utilisés pour des communications entre les satellites et les sous-marins.
CONCLUSION :
On s’aperçoit donc que les satellites, qu’ils soient placés en orbite elliptique, en orbite circulaire, ou en orbite géostationnaire, sont destinés à des utilisations très précises, soit parce que l’orbite ne permet pas de couvrir toute la surface terrestre, soit parce que l’équipement sur Terre est trop coûteux (antennes mobiles ou immobiles …). De plus, bien qu’ils soient autonome dans l’espace, car ils tirent leur énergie en grande partie du soleil, les satellites ne peuvent pas être opérationnels indéfiniment et encombre de plus en plus les orbites. De même, les fréquences utilisées par les satellites pour émettre et recevoir les signaux sont de plus en plus encombrées. C’est pourquoi les scientifiques cherchent actuellement la meilleure trajectoire possible afin de couvrir la majorité , voire la totalité de la surface terrestre en un minimum de temps, et en utilisant le minimum de satellites. Ils recherchent également un moyen de communication entre la Terre et le satellite qui soit plus performant que les gammes de fréquences qui existent de nos jours, tant au niveau des pertes, que de la qualité des signaux…