Les spécificités des constellations de télécommunication en orbite basse

J’ai déjà évoqué cet aspect dans mon dernier article, le domaine des télécommunications par satellite est en pleine mutation avec l’essor des constellations en orbite basse. Néanmoins, pour réussir à déployer un système de télécommunications par satellites fonctionnel, il ne suffit pas d’envoyer des milliers de satellites en orbite basse, et d’attendre les utilisateurs. Il faut mettre en place une véritable infrastructure, et penser à prendre les mesures nécessaires au niveau des satellites, des terminaux utilisateurs et des infrastructures au sol pour rendre à l’utilisateur le service adapté.

Les satellites défilants, une contrainte pour maintenir le lien de com

Initialement, l’orbite privilégié pour les satellites de télécommunications était l’orbite géostationnaire, puisque cela permettait de couvrir une zone fixe du globe, en permanence. Et si, en raison de la distance avec la Terre notamment, cela s’accompagne de plusieurs inconvénients, il n’empêche que cela a plusieurs avantages majeurs. Puisque, vu depuis la Terre, le satellite est fixe, il est très simple de maintenir un lien avec le satellite. Et, pour les opérateurs, il est très important de garder un lien avec les satellites, pour ce que l’on appelle communément le lien TMTC, pour Telemetry & Telecommand, en français télémesure et télécommande. Pour schématiser, il s’agit du lien qui permet de connaître l’état de santé du satellite d’une part, et de transmettre des commandes au satellite. C’est un lien qui est absolument primordial, puisque perdre ce lien revient à perdre le contrôle des satellites. Se posent également des questions de sécurité, puisque se faire brouiller ce signal, ou si on venait à pirater les informations transmises aux satellites, on pourrait prendre le contrôle d’une constellations de satellites, mais il ne s’agit pas ici du sujet de l’article. Il n’est d’ailleurs pas nécessaire de maintenir un lien permanent avec les satellites, tant que l’on établit régulièrement une liaison. Dans le cadre des satellites polaires par exemple, une station au niveau du pôle Nord, dans des pays comme la Suède ou la Norvège par exemple, sont de bonnes solutions, puisqu’en raison de la revisite des satellites à chaque orbite, le lien est maintenu. C’est la raison pour laquelle des sites comme celui de KSAT au Svalbard sont aussi populaires, et la demande d’installation d’antennes est croissante.

Photographie aérienne de la station du Svalbard, en 2011. Crédit : Bjoertvedt

Finalement, les satellites défilants peuvent tout à fait envisager de faire passer leur lien de TMTC sans être en permanence relié au sol. En revanche, pour le lien de communication, cela peut être beaucoup moins pertinent. Il faut alors se poser la question ô combien essentielle, du besoin client et de l’offre que l’on souhaite proposer. Cette question est extrêmement importante, puisque c’est l’architecture du système qui est en jeu ici. Il faut alors s’interroger sur le service que l’on souhaite proposer : entre proposer internet haut-débit partout sur le globe, et un service d’envoi de messages sans temps réel, il y a un gap considérable, et cela se ressent sur le système. Si l’on veut proposer un service de temps réel avec une constellation en orbite basse, il faut alors prévoir que chaque satellite doit voir une station au sol à tout instant. Bien entendu, si le besoin de temps réel n’est pas nécessaire, on peut tout à fait envisager de stocker le message à bord du satellite et le redescendre sur Terre lors d’un futur passage au dessus d’une station.

Mais pour une connexion internet, ce fonctionnement est incompatible. En phase de communication, le satellite doit voir en même temps la station de l’utilisateur, et la station de l’opérateur pour établir le lien. Pour simplifier, il faut vraiment voir le lien satellitaire comme un câble. Un câble de plusieurs centaines de kilomètres de long, mais un câble malgré tout : la communication s’établit entre le terminal utilisateur, et un point qui est connecté au réseau terrestre, en passant par le satellite. Dans le cas d’un satellite géostationnaire, on retrouve la même problématique, sauf que le satellite est fixe par rapport à la Terre : une seule station de l’opérateur, connectée au réseau internet terrestre, suffit théoriquement pour établir le lien avec l’opérateur. Ces stations de l’opérateur pour faire le lien avec le réseau sont appelées des gateways, ou passerelles en français. Les satellites défilants demandent, eux, une quantité bien plus importante de ces gateways, positionnées à des endroits stratégiques permettant d’avoir un lien permanent avec tous les satellites en en minimisant le nombre. Plus les satellites sont à une altitude élevée, plus ils couvrent une grande surface sur Terre et moins le nombre de stations nécessaires sera important. Mais à faible altitude, la zone couverte est très faible, et le nombre de gateways explose. Et un cas de figure devient impossible à traiter : les océans. Impossible de positionner des stations sol, reliée au réseau, en plein milieu des océans. Ainsi, si les satellites sont à des altitudes suffisamment basses pour parfois, ne voir que des zones de mer ou d’océan, la constellation ne pourra pas apporter un service sur ces zones… A moins de créer un lien entre satellites.

Les Liens ISL, élément clé des constellations Satcom en orbite basse

Il s’agit effectivement là de contourner la contrainte d’être toujours en visibilité d’une station sol : faire communiquer les satellites entre eux. Dans ce cas, l’utilisateur est en lien avec le satellite, qui lui même en lien avec un satellite, ou une chaîne de satellite, jusqu’à en avoir un capable d’établir un lien avec le sol. C’est notamment le choix qui a été fait sur la constellation Iridium, où chaque satellite peut effectuer 4 liaisons inter-satellites (aussi appelé ISL, pour l’anglais inter-satellite links) : deux liaisons avec les satellites du même plan (grossièrement, le satellite devant et le satellite derrière), et deux liaisons pour des satellites de plans adjacents. Cela permet à la constellation de 66 satellites d’offrir une couverture mondiale, garantissant en permanence un lien avec une installation au sol, le signal de l’utilisateur transitant de satellites en satellites avant de redescendre au sol.

Évidemment, ce genre de choix n’est pas gratuit : cela amène un certain défi technique, complexifie le système et amène une certaine tension sur les infrastructures. Un défi technologique parce qu’il n’est pas simple d’établir un lien entre satellites, étant donné les distances et les vitesses en jeu. Pour se faire une idée, si l’on reprend la constellation Iridium, avec 11 satellites par plan, à une altitude de 781 kilomètres, cela implique de réussir à viser un satellite à plus de 4 000 kilomètre, le tout en se déplaçant à 27 000 km/h, et même réussir à établir un lien avec des satellites sur d’autres plans. Mais, aussi fou que cela puisse paraître, la technologie est aujourd’hui maîtrisée, aussi bien en radio-fréquence qu’en optique. En Europe notamment, cette technologie a été testée dans le cadre de Copernicus : les satellites Sentinel-1 et Sentinel-2 embarquent des terminaux lasers, capables de dialoguer avec des satellites géostationnaires également équipés de récepteurs optiques. Cela complexifie les satellites, nécessite d’embarquer des équipements pour effectuer ces liens, équipements qui peuvent être couteux, qui peuvent être encombrants, mais mettre en place ces liens est techniquement faisable.

Installation du terminal de télécommunication laser sur le satellite géostationnaire Eutelsat-9B, devant récupérer les données des satellites Sentinel. Crédit : Airbus Defence and Space SAS

Les liens ISL sont donc techniquement faisable, mais ils vont complexifier le système. Sans lien inter-satellite, comme mentionné précédemment, une liaison télécom ne peut s’établir que si une gateway est en visibilité du satellite. Dans ce cas, le lien est extrêmement simple, puisque le satellite est connecté à une gateway et tous le trafic du satellite passe par cette gateway. Cependant, dans le cas d’une constellation avec ISL, un satellite peut communiquer avec le sol, même si aucune gateway n’est en visibilité, utilisant les autres satellites comme relais. Mais comment savoir où rediriger le flux pour assurer une redescente efficace? C’est justement là que ça se corse : plus le nombre de rebonds entre satellites augmente, plus la latence augmente, ce qui est dommage quand on sait qu’un des avantages de l’orbite basse est justement la diminution de la latence. Il faut donc essayer de minimiser au maximum le nombre de rebond. Il s’agit, là aussi, d’un élément techniquement faisable, mais qui augmente la complexité du système. De même, une grande partie de la problématique repose sur le nombre de gateway au sol : plus son nombre sera élevé, et bien réparti sur le globe, moins le nombre de rebond sera grand.

Enfin, avoir des liens inter-satellites va imposer certains choix structurants sur les infrastructures : les satellites en visibilité de stations sol vont donc devoir redescendre le trafic des utilisateurs sous leur couverture, mais également tout le trafic reçu des satellites adjacents par ISL. Cela nécessite de dimensionner les antennes satellites, et les installations au sol pour pouvoir transmettre et réceptionner ce surplus de données. Encore une fois, rien d’insurmontable mais cela doit être pris en compte en amont, pour pouvoir dimensionner le système en conséquence et concevoir une architecture cohérente du service que l’on compte proposer. Se préparer à une telle architecture est plus coûteux, mais cela permet aussi d’offrir aux clients certaines garanties, et donc de facturer plus cher le service. Une analyse de la valeur doit donc être effectué par l’opérateur, en fonction de ses ambitions, de sa projection des besoins et de sa capacité à y répondre.

Le terminal utilisateur, le dernier maillon de la chaîne de com

Un dernier élément mérite d’être mentionné ici, de par l’importance de son rôle dans une stratégie de déploiement de constellation commerciale : le terminal utilisateur. En terme de coût ou de performance, cet élément est déterminant dans le succès ou non d’un opérateur. Comme mentionné dans le dernier article, la question ne se pose pas dans le cadre de satellites géostationnaire, puisqu’il suffit d’installer une parabole bon marché et le tour est joué. Mais, dans le cadre de constellation, cela n’est plus possible puisque les satellites ne sont plus fixes dans le ciel. Il faut donc une antenne capable de suivre le satellite pour maintenir le lien de communication. Plusieurs solutions existent pour répondre à cette contrainte : un suivi mécanique, ou un suivi électronique.

Le suivi mécanique est plutôt simple à visualiser : on installe plusieurs moteurs sur une antenne parabolique, de façon à lui permettre de pivoter, et de suivre le satellite dans sa course défilante. Cette technologie est bien maîtrisée, et depuis longtemps mise en place dans un cas particulier : sur les navires communiquant avec des satellites géostationnaires. Parce qu’en effet, la solution d’une parabole fixe ne fonctionne pas lorsque l’on se déplace. Cette solution est efficace, et peut tout à fait fonctionner sur une constellation, mais elle a un inconvénient majeur : une parabole mobile ne peut pointer que dans une seule direction. Ainsi, lorsque le satellite franchit l’horizon et n’est plus visible par l’antenne, le lien de communication tombe, et l’antenne doit se repositionner rapidement sur le satellite suivant, et rétablir la communication. A chaque changement de satellite, il y a une coupure de service, ce qui peut être pénible, d’autant plus que, plus les satellites sont bas, plus cela arrive souvent. Ceux qui ont déjà vu passer l’ISS dans le ciel nocturne savent que cela est relativement bref. On peut néanmoins contourner cette limitation en rajoutant une seconde antenne : celle-ci va pouvoir établir un lien de communication avec le deuxième avant la coupure. Il n’y a alors plus de rupture de service, mais le coût de la solution est alors doublé. Cette solution devient également assez vite encombrante, étant donné la taille des antennes, et difficilement adaptable sur des véhicules ou des avions. Il existe bien entendu des alternatives, avec des solutions plus compactes, de paraboles tronquées ou de panneaux rayonnant, mais cela reste malgré tout encombrant.

Installation d’antennes Satcom sur un navire de croisière pour pouvoir proposer internet aux passagers durant la croisière. Chaque boule blanche sur le toit cache en réalité une antenne parabolique mobile. Crédit : Intellian

Depuis quelques années, un nouveau type d’antenne commence à se répandre dans le domaine Satcom : les antennes plates à dépointage électronique. Ici, le faisceau de communication est formé en jouant sur différents éléments rayonnants, et en ajustant certains paramètres de l’antenne, en direct, on peut dépointer le faisceau dans la direction que l’on veut. Encore mieux, on peut former plusieurs faisceau, permettant alors, avec un seul panneau, de pointer plusieurs satellites en même temps. Ces antennes ont bien entendu plusieurs défauts, comme leur consommation énergétique importante, ou le fait que les performances sont dégradées lorsque le faisceau est fortement dépointé. Il n’empêche que ces solutions peuvent être bien plus compactes, et installées facilement sur véhicule. Si aujourd’hui, dans les fréquences des Satcoms, les travaux débutent, on commence à voir apparaître les premiers produits en vente sur le marché, ces antennes pouvant également être utile pour les satellites géostationnaires. Elles restent encore aujourd’hui assez onéreuses, et cela peut constituer un frein au déploiement massif de ces terminaux. Néanmoins, les ambitions des opérateurs télécoms avec ces projets de constellations sont mondiales, et la multiplication du nombre de terminaux devrait permettre de faire, à terme, baisser les coûts des antennes.

Rendu 3D d’une antenne plate OneWeb pour pickup. Crédit : OneWeb

Les projets de méga-constellation de communication en orbite basse se multiplient. Il s’agit là d’un changement drastique de paradigme par rapport aux dernières décennies, et cela va s’accompagner de nombreux défis. Chaque constellation va avoir ses propres objectifs, en terme de service notamment, et donc de performance, de couverture, et d’architecture. Mise en place de liens inter-satellites, déploiement de terminaux utilisateurs, multiplication des gateways au sol, tous ces éléments permettent de voir quelle stratégie prend un opérateur, et sa capacité à proposer le service annoncé. Les constellations en orbite basse sont des projets extrêmement risqués, avec des coûts importants au départ, et des architecture complexes. Elles pourraient malgré tout, d’ici quelques années, bouleverser le marché. En espérant que cet article fournisse quelques clefs de lecture des projets qui promettent de pulluler sous peu.

  • Crédit de l’image de couverture : Eutelsat

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