Projet Kuiper : Amazon compte lancer sa propre constellation de plus de 3 000 satellites de télécommunication en orbite basse

Une nouvelle constellation de plus de 3 000 satellites en orbite basse : voilà le projet révélé par Amazon jeudi 4 avril 2019. Appelé Projet Kuiper, ce projet encore très mystérieux vient s’ajouter à un marché qui s’annonce extrêmement concurrentiel.

Une nouvelle constellation en orbite basse

Après la suprématie des satellites géostationnaires comme moyens de télécommunications spatiales, ce sont aujourd’hui les méga-constellations en orbite basse qui ont le vent en poupe. On a notamment entendu parler des projets de SpaceX, OneWeb, et plus récemment Telesat, des projets plus ou moins avancés de constellations de satellites visant à offrir des services de télécommunication par satellites. Après des rumeurs remontant à l’automne dernier, concernant un projet important dans le domaine spatial chez Amazon Web Service, faisant suite à des offres d’emplois en ligne publiées puis supprimées, on en sait désormais un peu plus sur ce projet de la firme américaine.

Trois demandes ont été émises à l’ITU, l’International Telecommunications Union (ITU) fin mars dernier. L’ITU est l’organisme international chargé, entre autres, de la régulation du spectre électromagnétique, notamment dans l’espace, et chapeaute l’attribution des orbites aux satellites. Ces trois demandes ont été émises par la Federal Communications Commission, organisme américain chargé de la régulation de l’utilisation du spectre électromagnétique au niveau national, au nom de Kuiper Systems. Amazon a depuis reconnu que Kuiper Systems était bien un de ses projets.

Ces 3 demandes sont relatives à l’envoi de satellites à 3 altitudes différentes, sur différents plans, fonctionnant dans les bandes Ka et Ku. Cela représenterait la mise en orbite de 3 236 satellites répartis comme tel : 784 satellites à 590 kilomètres d’altitude, 1 296 positionnés à 610 kilomètres et enfin 1 156 satellites à 630 kilomètres. L’objectif est d’offrir des services de télécommunication (notamment l’accès à internet), haut-débit et faible latence, en particulier aux personnes ne possédant pas de bonnes connexions, voire n’étant pas du tout connectés, ce qui représenterait près de 4 milliards d’individus selon l’ONU. Les orbites choisies pour cette constellation lui permettront de couvrir des zones situés entre le 56ème parallèle au Nord et le 56ème parallèle au Sud, une zone dans laquelle se situe près de 95% de la population mondiale.

Jeff Bezos dévoilant le design de sa fusée orbitale, nommée New Glenn, lors d’une conférence en septembre 2015. Crédit : Blue Origin

Très peu d’informations sont disponibles aujourd’hui concernant le Projet Kuiper, et il est difficile de faire mieux que de simples spéculations. Néanmoins, financièrement, Amazon est une entreprise actuellement extrêmement rentable, et la constellation Kuiper semble être un projet d’Amazon, et non une entité distincte. Quant à la fabrication des satellites ou le choix du lanceur, tout est encore possible. On pourrait penser que, puisque Jeff Bezos est à la fois derrière Blue Origin et Amazon, Blue Origin soit un candidat privilégié pour la mise en orbite des satellites. Cela semble d’autant plus pertinent que la constellation devrait être prêt à être lancée après l’arrivée sur le marché de la New Glenn, futur lanceur de Blue Origin prévu pour 2021 et ayant récemment été retenu pour une autre constellation de satellites : celle de Telesat. Cependant, pour l’instant, du côté d’Amazon, le choix ne semble pas s’imposer de lui-même, et aucune porte n’est fermé concernant le lanceur. Contrairement à SpaceX qui pilote à la fois le développement et la construction de sa constellation Starlink et de ses lanceurs (ainsi que leurs lancements), ce n’est pas le cas ici. Jeff Bezos a beau être derrière Amazon et Blue Origin, il s’agit de deux entités distinctes.

Une multiplication d’initiatives, des défis qui s’accumulent…

Cette annonce ajoute donc un nouveau projet de méga-constellation en orbite basse, et les nombreux défis qui viennent avec. L’orbite basse va devenir un lieu extrêmement convoité. La constellation la plus importante est celle de SpaceX, appelée Starlink, et qui devrait être constituée de près de 12 000 satellites ! Ces satellites devraient être déployés à 3 altitudes différentes. Dans un premier temps, 1 584 satellites devraient être déployés à une altitude d’environ 500 km, sur 40 plans différents contenant chacun 66 satellites et un angle d’élévation de 25°. Puis, deux autres groupes de satellites devraient être déployés : 2 841 sont prévus à une altitude bien supérieure, environ 1 200 km, et 7 518 satellites à une altitude inférieure de 340 km environ. La constellation de Telesat, annoncée récemment, est bien plus modeste, et prévoit 292 satellites, voire 512 satellites, à une altitude d’environ 1 000 km. Pour l’instant, l’entreprise a reçu l’autorisation de déployer 117 satellites, qui devront être en orbite dans moins de 9 ans (et la moitié d’entre eux doit avoir été lancée dans moins de 6 ans). OneWeb, de son côté, prévoit le lancement de 648 satellites à une altitude d’environ 1 200 km, en orbites polaires. Actuellement, 6 satellites OneWeb ont été lancés en février 2019, ainsi que 2 satellites prototypes de la constellation Starlink, lancés, eux, en février 2018. Concrètement, tout, ou presque, reste à faire, et à prouver. Et il faudra faire ça bien.

Prototypes de la constellation Starlink de SpaceX, nommés Tintin A & B, lancés le 22 février 2018, en tant que co-passagers sur une Falcon 9. Crédit : capture d’écran d’une vidéo SpaceX

En effet, cela va considérablement augmenter le nombre de satellites en orbite. Cela s’ajoute au marché des cubesats, en pleine expansion actuellement, et aux autres constellations, notamment d’observation de la Terre (je pense notamment à PlanetLabs) : l’espace va devenir chargé. Il faut bien comprendre que l’espace est incroyablement vaste, et il y a largement assez de place pour que tous ces satellites cohabitent. Néanmoins, augmenter d’autant les satellite augmente aussi les risques de collisions, notamment au niveau des pôles pour les satellites en orbite polaire. Et cela augmente tout en général : les risques de collision avec d’autres satellites, comme on vient de voir, les risques de panne ou de défaillance, les risques de collision avec des débris spatiaux, etc. D’autant plus que si une collision a lieu, à cause des débris que cela produira, il y aura beaucoup plus de chances que les conséquences soient graves : ces orbites seront par définition très encombrées, multipliant alors les risques qu’un des nouveaux débris percute un satellite, etc. Il va donc falloir que ces entreprises soient extrêmement vigilantes de façon à éviter de sombrer dans un scénario à la Gravity, en se rapprochant de ce qu’on appelle le syndrome de Kessler. Mais la situation est prise très au sérieux, et je pense que les différents acteurs ont bien conscience des conséquences possibles, et feront tout ce qu’elles peuvent pour que cela n’arrive pas. Et elles ont tout intérêt à éviter un tel scénario, puisque cela les priverait de leur marché.

Cela implique en revanche de revoir énormément d’éléments habituellement considérés dans le domaine. Cela vaut par exemple pour la fiabilité des satellites : imaginons que les satellites soient fiables à 99.9%, cela implique que, statistiquement, 12 satellites de la constellations Starlink soient hors de contrôle. Ces méga-constellations de satellites vont donc devoir être extrêmement fiable, et redonder les éléments critiques pour éviter toute perte de contrôle. Un point plus important encore concerne la désorbitation des satellites. Aujourd’hui, un accord international prévoit que les satellites soient désorbité dans les 25 ans qui suivent la fin de leur mission. Et la fiabilité des systèmes de désorbitation doivent être supérieurs à 90%. Dans le cas des méga-constellations, il va falloir drastiquement augmenter ces contraintes, pour éviter d’avoir des centaines de satellites incapables d’être désorbités, ou d’en avoir des milliers en cours de désorbitation. Là encore, les futurs opérateurs en sont bien conscients : Elon Musk a notamment annoncé prévoir une désorbitation en un an pour ses satellites. D’ailleurs, en termes d’ingénierie, SpaceX étudie les modifications à apporter à ses satellites pour s’assurer qu’aucun composant ne survit à la rentrée atmosphérique. Mais c’est aussi pour cette raison que chaque nouveau projet de méga-constellation vient complexifier une situation déjà complexe.

Vue d’artiste illustrant le problème des débris spatiaux en orbite terrestre. Crédit : ESA

Il me semble important de faire un aparté rapide, qui est plutôt une difficulté financière, qui accompagne immanquablement les opérateurs de ces méga-constellations. En effet, au-delà des coûts particulièrement élevés de Recherche & Développement des satellites, et de production de ces satellites (à un rythme effréné, en sans arrêt puisqu’ils doivent être renouvelés en permanence), il faut penser aux infrastructures au sol qui accompagnent ces constellations. Il faut en effet pouvoir dialoguer avec les satellites de sa constellation, que ce soit pour leur transmettre les données de commande et de contrôle, ou tout simplement pour transmettre les données attendues par les utilisateurs au sol, les méga-constellations demandent des méga-infrastructures ! J’aurais l’occasion d’en reparler dans un prochain article de ma série sur l’expédition #AuroraHunters, puisqu’on a eu la chance de visiter la station de Tromsø de KSAT. Mais pour se rendre compte d’à quel point les infrastructures au sol sont démentielles, SpaceX a récemment demandé l’autorisation de construire un million de station au sol pour communiquer avec Starlink.

Il existe un autre élément, un point de tension entre les différents opérateurs de satellites : l’utilisation du spectre électromagnétique. Il s’agit d’une ressource extrêmement rare, puisque tout le spectre ou presque est déjà utilisé pour différentes applications, et c’est particulièrement le cas en télécommunication, où on cherche à optimiser au maximum l’utilisation du spectre pour ne pas perdre une miette des bandes de fréquences autorisées. Autant dire que lorsqu’une constellation de plusieurs milliers de satellites est annoncée, les opérateurs actuels ont de quoi être inquiet. Et c’est bien pour ça que le rôle de l’ITU est essentiel et cet organisme surveille de très près les projets de satellites et de constellations. L’ITU doit s’assurer que les nouveaux satellites n’auront aucun impact sur les satellites existants, et que tout ce monde pourra cohabiter, malgré le fait qu’ils communiquent sur les mêmes fréquences. Il faut s’assurer que les satellites ne se brouilleront pas d’une constellation à l’autre, qu’ils pourront dialoguer au sein d’une même constellation lorsque c’est le projet, et que les systèmes au sol pourront émettre et recevoir les communications des satellites avec lesquels ils dialoguent, sans perturber et sans être perturbés par les autres satellites.

Il faut bien comprendre que lorsqu’une antenne émet un signal, il ne s’agit pas d’une connexion linéaire entre deux point. En réalité, les diagrammes d’émission d’antennes sont un peu plus compliqué. Tout dépend du type d’antenne que l’on considère, mais on peut schématiser en partant du principe qu’une antenne émet en réalité dans toutes les directions. De par la construction d’une antenne, les émission « vers l’arrière » de l’antenne peuvent être considérées nulles, puisque les matériaux de l’antenne, et le satellite (ou l’équipement au sol sur lequel est posé l’antenne) vont bloquer les émissions. Mais sinon, l’antenne crache un peu partout, avec une direction privilégiée, qui concentre la majorité de la puissance émise. On parle de lobe principal, et c’est ce lobe qui pointe vers le système avec lequel on cherche à dialoguer. Et d’ailleurs, l’objectif est de concentrer le maximum de puissance dans ce lobe principal, pour que la puissance transmise à l’antenne serve bien à dialoguer. Mais si ce faisceau n’est pas assez directif, il peut polluer les satellites adjacents. Et si les lobes secondaires sont importants, ils peuvent eux aussi polluer les satellites, plus ou moins adjacent d’ailleurs. Alors lorsque l’on pollue ses propres satellites avec son propre système, c’est dommage, mais lorsque l’on pollue ses concurrents, ces derniers peuvent, légitimement, se sentir lésés. C’est pourquoi les différents opérateurs, actuels ou futurs, regardent d’un mauvais œil les autres projets, et veulent s’assurer qu’ils ne risquent rien. Parce qu’à multiplier les satellites, on multiplie les terminaux au sol, les risques de brouillage, les pertes de service, etc. Et la problématique marche dans les deux sens : lorsqu’un utilisateur émet vers le satellite, il peut polluer les satellite adjacent et perturber le service d’un autre opérateur, mais lorsqu’un satellite transmet des données à un utilisateur au sol, il peut polluer les utilisateurs adjacents, qui passeraient par un autre opérateur. L’ITU est chargée de vérifier que tous ces systèmes peuvent bien fonctionner ensemble, et avec l’existant. Mais c’est une difficulté majeure de ces constellations, un risque qui existe et qui n’est pris à la légère par personne. Sur Terre, malgré le nombre toujours croissant d’antennes et de téléphones portables, on est toujours en mesure de maintenir une connexion suffisante pour rester connecté à internet. On est donc en droit de penser que les mesures seront prises pour qu’il en soit de même avec ces méga-constellations, et que l’ITU saura désamorcer les écueils à temps.

GIF montrant le diagramme d’émission d’une antenne SpaceX soumise à un brevet pour sa constellation Starlink. Cela permet bien de se rendre compte qu’une antenne n’émet pas un rayon purement linéaire, mais plutôt dans une direction vaguement précise, ainsi que dans toutes les autres direction à un niveau inférieur. Attention : le GIF représente bien les émissions à 360° mais l’échelle est en dB. Cela signifie que le pic d’émission, à 100dB, est près de 13 fois supérieur aux lobes secondaires à environ 60dB. Crédit : Teslarati

Un objectif noble, mais pour quelle réalité?

Parmi les objectifs des compagnies privées lançant de nouveaux projets de communication par satellites, il y en a un qui revient régulièrement, et qui n’a pas manqué d’apparaître pour le Projet Kuiper : la volonté de connecter la partie du monde n’ayant pas encore accès à internet. Et cela fait partie de ces arguments qui me laissent le plus songeur. L’objectif en lui-même est extrêmement noble, et il me paraît effectivement important d’offrir un moyen d’accéder à internet à tout le monde. Mais mettre cet objectif en avant pour des méga-constellations de satellites me parait être hypocrite. On l’a vu, mettre en place un tel système est complexe, et extrêmement coûteux, d’autant plus qu’il faut pouvoir l’entretenir. Il faut réussir à faire des profits importants sur ce genre de projets. Et c’est souvent ce qui ressort de ces projets, sans réel lien évident entre ces deux objectifs : faire des milliards de dollars de profit, et apporter une connexion internet stable et rapide à des populations, souvent plus pauvres, n’ayant aujourd’hui pas d’accès à internet. Comment concilier ces deux objectifs? J’ai, à titre personnel, énormément de mal à le voir.

Cet objectif est particulièrement mis en avant dans le cas de la constellation OneWeb, et semble aussi être un des points majeurs de l’annonce du Projet Kuiper. Cela a l’air de moins être l’objectif mis en avant dans le cadre de Starlink, dont la finalité semble plutôt d’être d’engranger le plus d’argent possible pour pouvoir financer les projets martiens de SpaceX. Soit. On peut penser ce que l’on veut de cet objectif, au moins, c’est honnête. Néanmoins, le fond reste identique : l’avantage de satellites est d’apporter des services de communication dans des zones peu, ou pas desservies. Un autre objectif de Starlink est de proposer des services de télécommunications compétitifs dans les zones urbaines. En gros, l’idée est de créer une constellation de satellite pour pouvoir offrir des services de télécommunication haut débit sur toute la planète, ou presque, aussi bien dans les grandes métropoles que dans des zones aujourd’hui non couvertes, et ce à des tarifs suffisamment bas pour récupérer de nombreuses parts de marché, engranger un maximum de profit pour financer les plans de voyages vers Mars de l’entreprise. Il s’agit là d’un business model qui est critiquable, avec lequel on peut être en profond désaccord, mais qui a le mérite d’être présenté.

A titre personnel, j’ai beaucoup plus de mal avec l’approche de OneWeb qui met vraiment l’accent sur leur volonté de connecter les populations qui ne le sont pas aujourd’hui, et notamment les écoles, pour réduire les inégalités de genre, favoriser la mixité et relancer l’économie. Là encore, les objectifs sont extrêmement noble. Mais comment? Comment résoudre ces problèmes, comment réduire les inégalités de genre? Le site officiel de OneWeb est particulièrement léger sur ce point, se contentant de préciser que la majorité des gens qui ne possèdent pas de connexion à internet sont des femmes des pays pauvres, et qu’elles passent plus de temps que les hommes à faire la cuisine, ou à s’occuper de l’éducation des enfants. Un accès à internet leur permettrait d’éviter d’aller à la banque par exemple, et donc permettrait de gagner du temps qui pourrait être utilisé pour des activités rapportant des revenus. J’ai l’impression qu’il y a quelques raccourcis sur cette histoire, d’autant plus qu’une constellation de satellite ne résoudra pas les problèmes : il faut que les populations puissent y avoir accès. On peut imaginer l’installation d’une antenne dans une zone aujourd’hui déconnectée, antenne qui servirait de point relai, telle une borne wifi, pour partager du réseau dans un village par exemple. Il faut donc installer une antenne, investir dans des terminaux pouvant utiliser le service : bref, une initiative coûteuse. D’autant plus qu’il faudra ensuite payer le service, de façon récurrente, pour pouvoir en bénéficier. Il faut donc que ces services soient extrêmement peu chers, en plus des coûts matériels, pour réellement faire changer les choses.

Je suis d’autant plus sceptique en sachant que le fondateur de OneWeb, Greg Wyler, est aussi le fondateur de la constellation de satellites MEO O3B, aujourd’hui propriété de l’entreprise luxembourgeoise SES. L’objectif initial de la constellation O3B, acronyme de Other 3 billions, était justement d’apporter un service de télécommunication aux 3 milliards d’être humains non connectés, aux Autres 3 milliards, comme le nom de la constellation l’indique. L’objectif semble ne pas avoir été rempli, puisque Greg Wyler a finalement décidé de lancer un nouveau projet dont l’objectif reste similaire… Je ne dis pas que OneWeb ne remplira pas cet objectif, ni que ce n’est pas le véritable de OneWeb (ou du Projet Kuiper, puisque cet objectif semble affiché). Je dis que c’est l’impression que cela me fait. Et si, réellement, il s’agit bien de l’objectif de ces méga-constellations, tant mieux, mais il serait rassurant de voir un véritable plan pour inclure ces populations, pour les impliquer dans le projet, et surtout, pour expliquer en quoi cela va améliorer leur vies, comment cela se passera et donner une idée des coûts et des bénéfices d’une telle connexion pour ces populations aujourd’hui déconnectées. Cela serait préférable à quelques lignes sur un site web expliquant qu’il est important de les connecter, et que ça va les aider, sans rentrer plus dans les détails…

Alors attention, d’une part il ne s’agit ici que de mon impression, et d’autre part, je suis extrêmement enthousiaste du projet OneWeb, que je suis avec attention. Le projet est passionnant, et a un énorme potentiel. Suivre le process de création d’une constellation de ce type est quelque chose d’extraordinaire, et aussi bien pour OneWeb que pour les autres méga-constellations, je vois plutôt d’un oeil positif ce genre de projet. Cela n’empêche pas d’essayer de garder un regard critique, que ce soit sur la gestion des débris, sur les potentielles interférences électromagnétiques entre les constellations, ou sur la communication. Et je trouve dommage d’autant mettre l’accent sur l’accès à internet pour les population les plus pauvres, sans expliciter plus que cela la façon dont cela sera mis en place. Et c’est un des points sur lesquels j’attends avec impatience plus d’informations pour savoir ce qu’il en est réellement. C’est d’autant plus vrai dans le contexte actuel, ou de nombreux projets visent à apporter plus de connectivité dans les régions les plus reculées, pour des motifs souvent plus facile à comprendre. Que Google ou Facebook, ou même Amazon, cherche à apporter internet aux 3,5 milliards d’individus aujourd’hui déconnectés peut tout à fait ce comprendre, ces entreprises cherchent à étendre leur marché, puisque leur fond de commerce passe par internet. Google ou Facebook peuvent vouloir amener internet à ces populations pour des coûts dérisoires, voire gratuitement, en échange de la collecte massive de données de ces nouveaux utilisateurs. Pour des entreprises comme OneWeb, le business est justement la vente de l’accès à internet. Il va falloir être extrêmement compétitif, surtout si les projets de Google et/ou de Facebook se concrétisent…

Sources

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