Vers un changement de paradigme des télécommunications par satellites ?

Le marché des télécommunications par satellites, ou Satcom, est en plein bouleversement depuis quelques années. SpaceX avait déjà fait connaître ses ambitions de méga-constellation, mais vient de mettre à jour ses ambitions, en transmettant une nouvelle demande à la FCC pour 30 000 satellites en orbite basse, portant à 42 000 satellites le projet de constellation Starlink. A cela s’ajoutent les projets de OneWeb et d’Amazon, toujours en orbite basse, là où les acteurs commerciaux historiques avaient tendance à se positionner en orbite géostationnaire : un changement de paradigme encore pleins d’incertitudes, qui perturbe aussi le marché des lanceurs, déjà en pleine révolution, notamment à cause d’un acteur déjà mentionné, SpaceX.

Un positionnement historique en orbite géostationnaire

L’orbite géostationnaire a toujours été une place de choix pour les satellites de télécommunications. L’orbite géostationnaire est une orbite située au niveau de l’équateur, à près de 36 000 km d’altitude. La troisième loi de Kepler établit un lien direct entre la distance d’un satellite par rapport à la Terre et sa vitesse de rotation autour de celle-ci (si tant est que l’on puisse négliger la masse du satellite par rapport à la Terre, ce qui est globalement le cas). A 36 000 km d’altitude, la vitesse de rotation d’un satellite autour de la Terre est égale à celle de la Terre sur elle-même : 24 heures. En orbite géostationnaire, un satellite a la particularité de toujours survoler la même zone, ce qui présente des avantages considérables dans de nombreux domaines satellitaires, et notamment en télécommunications. Un autre avantage majeur est qu’à cette distance de la Terre, un satellite a une très grande visibilité sur le globe, à tel point qu’il suffit d’une constellation de seulement 3 satellites bien positionnés pour couvrir la totalité du globe (à l’exception des pôles). Ces avantages ont été repérés très tôt : Arthur C. Clarke, l’auteur notamment de 2001 : l’Odyssée de l’Espace a publié un article à ce sujet en 1945.

Au delà du fait qu’il suffit d’un nombre très restreint de satellites pour avoir une couverture globale, d’autres éléments ont fait des satellites en orbite géostationnaire un vecteur privilégié pour la télécommunication, et, plus tard, pour la diffusion de la télévision : en France, la majorité d’entre vous doit se souvenir des pubs cultes de Canalsat au moment de Noël. Vu du sol, le satellite est immobile, puisqu’il tourne autour de la Terre en même temps qu’elle tourne sur elle-même. Cela permet de pointer le satellite avec une antenne fixe, à bas coût et donc de pouvoir produire pour un investissement limité un grand nombre d’antennes. C’est notamment le cas des antennes paraboliques blanches pour la télévision par satellite. De plus, en raison de la très grande zone de couverture disponible, il est possible de diffuser facilement un même contenu à un très vaste ensemble de consommateur. Là encore, dans le cas de la télévision par satellite, il est possible de diffuser avec un seul satellite un bouquet de chaînes à l’ensemble de la France, bouquet qui est ensuite décodé par les personnes abonnés, grâce à un équipement chez eux. Le satellite n’a ici qu’un rôle de miroir : on lui transmet un signal depuis un point en France, et le satellite arrose ensuite la France entière avec ce signal qu’il se contente de capter et de ré-émettre.

En terme de télécommunications, ce type de satellite est aussi très intéressant, puisqu’il permet de couvrir les zones où il est compliqué d’installer des relais (en montagne, par exemple), ou dans les zones où il n’est pas rentable d’en installer (dans les zones désertiques par exemple). En Australie notamment, la très grande majorité de la population vit sur les côtes, concentrées dans quelques villes : il est plus intéressant de se servir d’un satellite en orbite géostationnaire d’une durée de vie de plusieurs années, que de maintenir opérationnel un réseau téléphonique sur le territoire.

Cependant, l’orbite géostationnaire a un inconvénient majeur, qui impacte de deux manières les télécommunications : au risque d’enfoncer des portes ouvertes, 36 000 km est une grande distance. Cela induit un délai qu’il est impossible de contourner : lorsque l’on fait passer une communication par un satellite en orbite géostationnaire, le signal doit parcourir l’aller et le retour soit au minimum 72 000 km, ce qui n’est pas instantané. A la vitesse de la lumière, cela fait au moins un quart de seconde, et on est là dans la cas idéal où l’émetteur et le récepteur sont situés sur l’équateur et pile sous le satellite – ce qui, de fait, remet en cause la pertinence d’une télécommunication par satellite pour dialoguer avec quelqu’un situé juste à côté de soi… En pratique, si l’on est situé ailleurs, la distance entre soi et le satellite est plus élevée et on estime en général à environ une demi-seconde la latence lors d’une communication par un satellite géostationnaire, ce qui peut vite être assez gênant. Un autre inconvénient apporté par la distance est la puissance du signal : le signal émis est très atténué lorsqu’il arrive au satellite. A moins d’avoir un émetteur particulièrement puissant, il est compliqué d’avoir de hauts débits pour de telles communications.

Néanmoins, ces problématiques n’ont pas empêché le développement massif des satellites de télécommunications géostationnaires. L’orbite géostationnaire est d’ailleurs extrêmement chargée, principalement au niveau des zones d’intérêts, à savoir l’Amérique, l’Afrique/Europe et l’Asie (les satellites étant moins nombreux au dessus du Pacifique pour des raisons évidentes). Aujourd’hui, près de la moitié des satellites en fonctionnement sont des satellites de télécommunication, réparties grossièrement en deux tiers pour des satellites commerciaux et un tiers de satellites militaires. Début 2017, on comptait 520 satellites en orbite géostationnaire, majoritairement des satellites de télécommunications, dont la durée de vie est souvent supérieure à 15 ans. En effet, les satellites de télécommunications géostationnaires sont souvent très imposants, leur permettant d’emporter de grandes quantités de carburant, l’élément souvent dimensionnant dans la durée de vie des satellites. Cette course au gigantisme des satellites de télécommunications, à la durée de vie de plus en plus longue et aux capacités toujours croissantes, a même orienté le marché des lanceurs orbitaux, et rien ne semblait pouvoir mettre fin à cette tendance. Jusqu’à récemment…

L’apparition d’une offre en orbite plus basse

Assez vite, la question s’est posée de rapprocher les satellites pour résoudre les deux problèmes évoqués ci-dessus. Dès la fin des années 1980, un projet commence à se dessiner d’une constellation de satellites de télécommunications en orbite basse. Le projet initial faisait état de 77 satellites, et a donc été appelé en référence à l’élément du tableau périodique des éléments de numéro atomique 77 : l’iridium. Déployée dès la fin du millénaire, le système atteint la couverture mondiale en 2002. Cependant, le marché n’est pas assez mature, et l’entreprise fait très rapidement faillite…

Il faut dire que la diminution de l’altitude résout quelques problèmes, mais en amène de nouveaux. D’une part, il faut beaucoup plus de satellites pour couvrir le globe, ce qui entraîne des coûts plus importants de fabrication des satellites et de lancement, même si unitairement, les satellites sont plus petits et moins lourds. Se pose ensuite plusieurs questions dimensionnantes, notamment concernant la bande de fréquences utilisée pour les communications, le choix du type d’orbite et l’altitude. Chaque choix comporte des avantages et des inconvénients.

Iridium, comme son concurrent Globalstar, a fait le choix d’émettre en bande L, dans une bande très fine d’environ 10MHz, à 1,6GHz environ. La technologie était mature, et permet de faire passer un débit très limité, à peine 10 kbit/s, sur un téléphone portable avec une antenne de taille raisonnable, d’une dizaine de centimètres environ. Ce débit est néanmoins suffisant pour faire passer des communications téléphoniques notamment. Cependant, un problème se pose alors : le satellite étant beaucoup plus proche de la Terre, il couvre une zone au sol nettement réduite. Pour redescendre le signal au sol, et ensuite l’acheminer au destinataire de l’appel, deux solutions s’offrent alors aux opérateurs. La première option est de multiplier drastiquement le nombre de stations passerelles au sol, pour s’assurer que tous les satellites voient à tout moment au moins une station passerelle. Plus les satellites seront sur une orbite basse, plus leur zone de visibilité sera réduite et plus il faudra augmenter le nombre de passerelles, ce qui est coûteux (puisqu’il faut aussi les maintenir) et parfois particulièrement compliqué, notamment au milieu des océans. La seconde solution est de mettre en place des liens inter-satellite, dans l’espace. Ces liens, appelés ISL pour Inter-Satellite Link, peuvent être des liens radios ou optiques, et permettent d’acheminer le signal dans l’espace, de satellite en satellite jusqu’à un satellite qui est capable de redescendre le signal à une station au sol. Cela permet de limiter fortement le nombre de stations passerelles, mais complexifie énormément les satellites, notamment parce qu’il faut embarquer ces équipements et les intégrer à l’architecture du satellite.

Se pose ensuite la question des orbites des satellites. Une première solution est d’avoir des orbites dites inclinées, tout simplement parce que ces orbites sont inclinées par rapport au plan de l’équateur. En positionnant les satellites sur plusieurs orbites, en jouant sur les angles et le nombre de satellites par plan, il est possible d’atteindre une très bonne couverture, à l’exception des pôles. Une seconde solution est d’opter pour des orbites polaires, c’est à dire qui vont d’un pôle à l’autre, un peu comme les méridiens du globe. Là encore, il faut ajuster les plans et le nombre de satellites par plan, mais il est ici possible d’avoir une couverture mondiale. L’inconvénient de cette solution est que les satellites survolent souvent les pôles, une zone où les client potentiels sont relativement peu nombreux. Il est aussi possible de mêler ces deux options avec des satellites en orbite inclinés, et quelques satellites sur orbite polaire pour couvrir les pôles. Malgré tout, ces deux configurations font face au même problème : les satellites sont très souvent au-dessus de zones à l’intérêt très limité. Par exemple, lorsque les satellites survolent l’océan, à part quelques bateaux qui peuvent être intéressés, il y a peu de clients, et donc une partie non négligeable de la capacité du système n’est pas exploitée… C’est un problème inhérent aux satellites en orbite basse.

Un projet s’est donc lancé pour essayer de combiner les avantages et les inconvénients des satellites géostationnaire et en orbite basse : O3b, projet de constellation en orbite moyenne, porté à l’époque par Greg Wyler. L’idée est de positionner des satellites sur le plan de l’équateur, à 8 000 kilomètres environ. Cela permet de diminuer la latence par rapport aux satellites géostationnaires, d’augmenter les débits toutes choses égales par ailleurs, et d’avoir un nombre de satellites fortement restreint par rapport aux constellations en orbite basse. La couverture n’est pas mondiale, et est plus limitée que celle des satellites géostationnaires, puisque seule les latitudes inférieures à 50° environ sont couvertes, ce qui couvre tout de même une majorité de la population mondiale. Enfin, à cette altitude, même les satellites qui survolent l’Océan Pacifique couvrent une zone suffisamment grande pour trouver des clients, notamment les bateaux qui ont alors la possibilité d’avoir accès à une connexion internet avec un débit relativement élevé, ce que ne permettaient pas les constellations comme Iridium ou Globalstar…

Le bouleversement des projets de méga-constellations

Le marché commercial des télécommunications par satellites a atteint un certain équilibre, avec une large offre de services utilisant les satellites géostationnaires, quelques offres bas débit mais proposant une couverture mondiale, une plus faible latence et des terminaux compacts, ainsi qu’une offre en orbite moyenne. Mais l’équilibre a été de courte durée, puisqu’au milieu de la décennie actuelle, un nouveau type de projet est apparu : les méga-constellations en orbite basse, proposant des offres à très haut débit. Bandes de fréquences différentes, taille des satellites considérablement diminuée, nombre de satellites augmenté de façon hallucinante… Que ce soit les constellations de OneWeb, SpaceX ou Amazon, elles pourraient bouleverser tout l’écosystème, aussi bien en ce qui concerne le marché des Satcoms, que chez les industriels ou le marché des lanceurs spatiaux. J’avais déjà abordé les méga-constellations, certaines problématiques ainsi que la pertinence de ces solutions il y a quelques mois, dans mon dernier article que vous pouvez retrouver ici.

Récemment, SpaceX a transmis une demande à la FCC pour 30 000 satellites supplémentaires pour sa constellation Starlink, portant le projet à 42 000 au total. Si SpaceX a annoncé que l’intérêt de cette nouvelle augmentation était de pouvoir répondre à un besoin que l’entreprise estime croissant pour les prochaines années, certains y voient là un moyen de noyer l’agence gouvernementale sous les études, tout en déployant nominalement sa constellation comme prévue par ailleurs. Néanmoins, SpaceX fait face à une problématique inhérente à sa politique de réutilisabilité des premiers étages de ses Falcon 9 : les étages récupérés permettent de lancer les satellites des clients, mais il faut continuer à produire des Falcon 9, ne serait-ce que pour maintenir les chaînes de production et garder la compétence en interne pour cette fabrication. En récupérant les premiers étages et en les réutilisant plusieurs fois tout en maintenant la production de premiers étages, cela conduit immanquablement à une augmentation des stocks, parfois plus rapidement que les clients n’arrivent. Lancer de très nombreux satellites peut permettre d’utiliser ces étages, d’autant qu’en terme de production de satellites, la chaîne de montage tournera elle aussi à plein régime.

La question du marché se pose toujours : y aura-t-il un marché pour tous les acteurs en jeu? Les acteurs historiques, positionnés en orbite géostationnaire, auront-ils toujours des clients si les méga-constellations se développent? Celles-ci pourront-elles survivre aux coûts de leur déploiement, en attendant l’arrivée des clients? Avec le début du déploiement des premières constellations, Starlink et OneWeb, la question de leur rentabilité est elle aussi toujours d’actualité. Les opérateurs historiques se questionnent sur le besoin de se diversifier, ou s’il est au contraire pertinent de rester positionné uniquement en orbite géostationnaire. Telesat, par exemple, a un projet de constellation en orbite basse. Mais cela a un impact fort sur les industriels, qui ne sont pas forcément prêt à construire ce type de satellites…

En Europe, l’Agence Spatiale Européenne a lancé l’initiative NeoSat, dans l’optique d’aider les constructeurs européens à développer leur offre, avec pour ambition de capter 50% de la demande en terme de construction de satellites de télécommunications. Cela a abouti à deux produits : l’Eurostar Neo chez Airbus, et le Spacebus Neo chez Thales Alenia Space. Plus gros, plus capacitifs, moins chers et axés vers l’utilisation de propulsion électrique, le projet était louable. Cependant, si le marché se réoriente brutalement vers de petits satellites en orbite basse, les constructeurs européens se seront préparés à un marché en voie de disparition… Mais rien n’est moins sûr. Après une période de commandes maigre, et notamment une traversée du désert en terme de commandes chez Thales Alenia Space, le marché des satellites de télécommunications géostationnaires semble repartir à la hausse, comme annoncé notamment par TAS à l’IAC, congrès qui avait lieu à Washington cette année. Cependant, le marché reste très incertain et les constructeurs ont tous dans leur cartons des projets de plateformes dites reconfigurables, plus flexibles et qui devraient arriver d’ici 5 ans environ. Mais un changement radical du marché vers un service quasi-exclusivement offert par des constellations en orbite basse auraient des impacts dévastateurs au niveau de l’industrie…

Un autre marché risque d’être impacté par un tel changement de paradigme : celui des lanceurs. Comme mentionné plus haut, plus de la moitié des satellites en orbite aujourd’hui sont des satellites de télécommunications, principalement en orbite géostationnaire… Un lanceur capable de placer de lourdes charges utiles en orbite de transfert géostationnaire était donc particulièrement intéressant. Ariane 5, le lanceur européen emblématique, était capable de placer 10 tonnes sur une telle orbite, et le développement du SYLDA a permis de lancer deux satellites à la fois. Beaucoup d’états privilégient des lanceurs nationaux pour leurs lancements gouvernementaux, scientifiques ou militaires (SpaceX ou ULA pour les USA par exemple), mais ce comportement est assez peu développé en Europe, ce qui fait qu’Ariane 5 est extrêmement dépendante du marché commercial aujourd’hui. Futur lanceur européen en développement, Ariane 6 affichera des performances similaires à Ariane 5 (pour un coût moins élevé). Même si elle se veut plus flexible qu’Ariane 5, elle pourrait être violemment secouée par un changement de cible vers des satellites plus petits à lancer en orbite basse… Et bien entendu, ce n’est pas le seul lanceur qui serait touché par un tel changement.

Il reste encore beaucoup d’inconnues, les méga-constellations n’en sont qu’à leurs balbutiements, avec seulement une poignées de satellites déployés par OneWeb et SpaceX – et déjà des problèmes apparaissent, comme on l’a vu récemment avec le risque de collision entre Aeolus et un satellite Starlink. Tout reste encore à prouver, mais on a depuis cette année quitté le monde du potentiel, puisque les premiers satellites ont été mis sur orbite. Cependant, dans le domaine spatial, les Satcoms ont une place prépondérante, et tout changement pourrait avoir des conséquences qui dépassent le cadre des opérateurs de service, touchant aussi les industriels et le marché des lanceurs de plein fouet. Mais s’il est encore trop tôt pour affirmer avec certitude vers quoi le marché évoluera, on sent une certaine fébrilité chez les différents protagonistes en jeu, période floue où chacun étudie ses cartes, positionne ses pions et attend un mouvement de la part de ses concurrents. Une période particulièrement intéressante à suivre.

Sources :

• https://www.sia.org/wp-content/uploads/2017/07/SIA-SSIR-2017.pdf
• https://www-sop.inria.fr/members/Eitan.Altman/DEASAT/deasat4.pdf
• https://spacenews.com/spacex-submits-paperwork-for-30000-more-starlink-satellites/
• https://www.esa.int/Applications/Telecommunications_Integrated_Applications/Neosat
• http://lakdiva.org/clarke/1945ww/
• https://www.inmarsat.com/about-us/our-technology/our-satellites/
• http://spaceflight101.com/spacecraft/iridium-next/
• https://wyliodrin.com/post/starlink-the-internet-of-space
• Crédit de l’image de couverture : Eutelsat

Nota sur la constellation Starlink de SpaceX, pour mieux comprendre la démesure en jeu. Cela a un coût, et même en optimisant au maximum, les chiffres d’une méga-constellation comme Starlink, la plus hors norme de toutes actuellement, cela représente un budget colossal… Pour se rendre compte du décalage avec la situation actuelle, quelques chiffres pour mettre en perspective. On estime à 8 500 le nombre de satellites lancés depuis Sputnik en 1957, ce qui fait que Starlink dans sa configuration initiale représenterait 5 fois ce nombre… Et comme les satellites n’ont pas une grande durée de vie en orbite basse, il sera nécessaire de renouveler les satellites. Difficile de vraiment connaître la durée de vie des satellites, mais en prenant 5 ans de durée de vie pour les satellites (raisonnable pour les satellites en orbite très basse, mais sans doute sous estimé pour les satellites à une altitude de 1 000 kilomètres), cela implique un renouvellement de 8 400 satellites par an. A l’heure actuelle, SpaceX lance les satellites par 60 (notamment parce qu’il n’est pas possible physiquement d’en loger plus sous une coiffe de Falcon), ce qui représente 140 lancements par an uniquement pour le renouvellement de la constellation – ce qui représente plus d’un lancement tous les trois jours… Rappelons au passage que depuis 2010, SpaceX a effectué moins de 100 lancements de Falcon 9 toutes versions confondues à l’heure où j’écris ces lignes.