Chapitre 3 : Constellation de satellites Une constellation de satellites est un groupe de satellites artificiels qui travaillent de concert. Une telle constellation peut être considérée comme un certain nombre de satellites avec une couverture au sol coordonnée, opérant ensemble sous le contrôle partagé, synchronisé de telle sorte qu'ils se chevauchent bien dans la couverture et se complètent plutôt qu’interférer avec les autres satellites. • Les satellites sont repartis en trois grandes catégories : les satellites géostationnaires (GEO), les satellites de moyenne altitude (MEO) et enfin les satellites de faible altitude (LEO). Ces deux dernières catégories de satellites sont en mouvement autour de la terre, de ce fait, ils ne couvrent pas toujours la même zone de la surface terrestre. • Les satellites en orbite terrestre basse (LEO) sont souvent déployés dans des constellations de satellites, parce que la zone de couverture fournie par un seul satellite ne couvre qu'une petite zone. De nombreux satellites LEO sont nécessaires pour maintenir une couverture continue sur une surface donnée. Cela contraste avec les satellites géostationnaires, où un seul satellite, se déplaçant à la même vitesse angulaire que la rotation de la surface de la Terre, fournit une couverture permanente sur une grande surface • Depuis quelques années, on assiste à une recrudescence des satellites en orbite basse (LEO). Ceux-ci ont un délai de propagation de 10 à 20 ms et sont beaucoup moins chers à mettre en orbite. En contrepartie, leur « proximité », et donc leur période de révolution très courte, fait qu'ils ne peuvent pas couvrir un même point plus de 20 min environ. C'est pourquoi afin de pouvoir couvrir la plus grande zone possible sans coupure, il faut mettre en place une constellation de satellites, c’est-à-dire un certains nombre de satellites pour un même type de réseau. Par exemple, la société Teledesic possède plus de 280 satellites en orbite basse et Globalstar utilise aussi les orbites basses. Ces sociétés sont plus particulièrement orientées dans la téléphonie mobile ou l'Internet haut débit. • Enfin les orbites moyennes (MEO) sont un compromis entre les deux orbites précédentes, la constellation inmersat/france-telecom utilise ce type d'orbite. • Le choix d'un type d'orbite se fait donc en fonction du type d'application qui va être utilisé par le réseau de satellites. Une constellation en orbite de type GEO est plutôt dédiée à des applications comme les transmissions de chaînes de télévision, étant donné que pour ce genre d'applications les transmissions sont unidirectionnelles, donc le temps de propagation n'est pas primordial. Malheureusement, l'orbite géostationnaire est très encombrée surtout au-dessus des zones économiques fortes. Par ailleurs, une constellation en orbite LEO est plus favorable à un support de réseaux de téléphonie mobile qui a besoin d'un temps de transmission minimal. Toutefois, les réseaux téléphoniques requièrent la plus grande couverture possible, ce qui implique un grand nombre de satellites. Ce sont donc les orbites basses qui constituent les constellation les plus importantes, et par la même occasion les implémentations les plus complexes. 1. Types de constellation • Les constellations ont l’avantage d’assurer une couverture globale et de meilleure qualité de la surface terrestre, ce qui n’est pas possible avec un seul satellite. Il existe différents types de constellations : celles sans liaison intersatellites : les communications qui nécessitent de passer par un ou plusieurs satellites se font via une ou plusieurs stations terrestres et chaque satellite se comporte alors comme un « tuyau coudé » (ie il achemine l’information sur une liaison virtuelle définie par les stations terrestres). Cette approche est employée dans les constellations Globalstar et Skybridge. • celles où les satellites peuvent communiquer entre eux via des liaisons intersatellites (ou ISL) hauts débits, jusqu’à ce qu’on atteigne celui pour lequel le destinataire est visible. Iridium et Teledesic utilisent ces constellations. • Les constellations de type GEO sont possibles mais elles ne permettent pas de couvrir les zones situées à une latitude supérieure à 75°, les délais de transmission sont importants, les coûts de maintenance et de lancement sont élevés et enfin pour couvrir un terminal situé dans une zone couverte par deux satellites différents, il va falloir recourir soit à des liaisons hauts débits intersatellites, soit utiliser une station terrestre relais. Or, les systèmes de satellites d’orbite basse (LEO) offrent une couverture globale de la terre, ils permettent d’augmenter la puissance du signal et donc d’accroître les débits et de réduire la taille des antennes. Ils autorisent donc les applications interactives telles que la téléphonie mobile ou l’Internet à haut débit. 2 Hand-Over et topologie dans les constellations LEO a. Phénomène du Hand-Over A cause de leur basse altitude, les satellites en orbite de type LEO ont une vitesse relative par rapport à une station terrestre de 20 000 Km/h. Une station ne peut donc pas voir un même satellite plus de 10 à 15 min. Par conséquent, si une station établit une communication avec un satellite et qu’elle sort de sa zone de couverture (figure 1.a) alors le satellite doit « passer la main » à un autre qui couvre la zone dans laquelle rentre le terminal. On nomme ce phénomène le hand-over ou basculement. • Ce procédé consiste donc à ce que au moins deux satellites soient visibles par une ou plusieurs stations terrestres afin de pouvoir basculer sur un deuxième satellite avant que celui qui établissait la connexion ne couvre plus la station (figure 1.b) Figure 1a : Station hors zone de couverture Figure 1b: utilisation d’un deuxième satellite La décision de réaliser un basculement peut être prise suite à deux événements - Ceux qui sont prévisibles c’est-à-dire provoqués par le déplacement des satellites. On connaît la trajectoire du satellite et la position du terminal. On est donc en mesure de déterminer à quel moment un terminal va sortir de la zone de couverture du satellite avec lequel il dialogue. Ainsi, on peut donc choisir le satellite qui doit prendre le relais de la communication. - Ceux de nature aléatoire comme un changement de la topologie terrestre (montagne, colline ..) ou un changement de climat (pluie, nuages ..). On peut détecter ces événements en mesurant en continu le taux d’erreur ou la puissance des signaux reçus par le terminal et décider s’il faut ou pas effectuer un basculement. Afin de pouvoir gérer pour le mieux ce basculement, un point quelconque de la surface terrestre doit toujours pouvoir être couvert par deux satellites, et pour répondre à cette condition, la topologie d'une constellation est un élément important. b Topologie La topologie d'une constellation, représente toutes les différents orbites (plan orbitaux) utilisées par les satellites d'une même constellation. Chaque plan orbitale possède un "train" de satellites, c'est à dire plusieurs satellites sur la même orbite. On distingue principalement 2 types d'orbites : - Les constellations polaires, dont les orbites font un angle de 90° avec l'équateur. Chaque orbite passe par les pôles avec cependant un petit décalage pour éviter les collisions. La constellation Télédesic citée précédemment, utilise ce type d'orbite, avec 24 satellites répartis sur 12 plans orbitaux. Le défaut de cette constellation est qu'elle couvre surtout les pôles, zones qui n'ont pas besoin d'une grande couverture. Toutefois, elle permet d'utiliser un grand nombre de satellites et donc de fournir une très bonne couverture. En effet, on peut avoir besoin de plusieurs satellites sur une même zone si la demande de débit est trop importante, et pour répondre à ce besoin il faut donc un grand nombre de satellites • - Les constellations inclinés qui ont un angle inférieure à 90°. Ce type de constellations bénéficie d'une meilleure répartition des satellites autour de la terre. C'est le cas de la constellation Globalstar qui possède un plan orbital de 52° par rapport à l'équateur. Les satellites de Globalstar ont une altitude plus élevée, ils sont donc moins nombreux et les cellules plus importantes. On remarque aussi que dans une constellation inclinée les pôles sont peu (ou pas) couverts, ce qui importe peu étant donné que le reste de la couverture est assez bien reparti Iridium Globalstar Skybridge Teledesic INMARSAT THURAYA SPECTRE ELECTROMAGNETIQUE Il s’agit du rayonnement ultra violet. De même les longueurs d’onde supérieures à 700nm non perçues par l’œil humain constituent l’infrarouge L'imagerie satellitale optique • Définition: • Capture d'une portion du territoire prise depuis un capteur embarqué sur un satellite. La détection est dite passive puisque le capteur optique ne diffuse aucun signal et se contente d'enregistrer un rayonnement dans certaines longueurs d'ondes. Il existe des capteurs panchromatiques, enregistrant la réflectance dans une seule bande spectrale relativement large, des capteurs multispectraux, enregistrant le signal dans plusieurs bandes spectrales (jusqu'à une dizaine) et des capteurs hyperspectraux, pouvant enregistrer des centaines de bandes spectrales (ces derniers sont plutôt embarqués sur des systèmes aéroportés). Les capteurs embarqués sur les satellites enregistrent la luminance dans un spectre large, notamment au-delà du spectre visible pour l'œil humain (souvent dans l'infrarouge). • Il existe plusieurs méthodes d'acquisition d'images par les satellites . On distingue les radiomètres à balayage (miroirs rotatifs ou push-broom) et les radiomètres à barrettes. Les technologies les plus récentes font appel à des barrettes de détecteurs. Plus de 6000 cellules sensibles montées sur quatre barrettes analysent chaque ligne du paysage évitant ainsi les distorsions dues au mécanisme de rotation • L'imagerie satellitale est une donnée géographique à part entière. Ses usages sont nombreux. Le développement des nouvelles technologies de l'imagerie satellitale et l'augmentation du nombre de satellites d'observation de la terre en exploitation permet d'obtenir des produits de plus en plus accessibles et de plus en plus utiles. • Les satellites couvrent des domaines d'utilisation de plus en plus variés, grâce à des caractéristiques très différentes d'un modèle à l'autre. Certains disposent d'une résolution spatiale très fine, d'autres de nombreuses bandes spectrales, certains d'un temps de revisite très court, d'autres d'une possibilité de cartographier de vastes superficies… Météosat Seconde Génération (MSG) Applications L’océanographie est une discipline scientifique, faisant partie des sciences de la Terre dédiée à l'étude des mers et des océans comme par exemple les courants océaniques ou les liens entre océans et changement climatique NOAA: National Oceanic Atmospheric Administration Satellite en orbite polaire évoluant à (830-870km) de la terre kilomètres Centre de Venise observé par le satellite IKONOS • Satellite d’observation algérien • AlSat 1 (Satellite algérien), un microsatellite amélioré de 90 kg, est le premier satellite national algérien. Il a été conçu et construit par SSTL au Centre spatial de Surrey (Royaume-Uni) dans le cadre d'un programme collaboratif avec le Centre national des techniques spatiales algérien (CNTS). • AlSat 1 fait partie d'une collaboration internationale visant à lancer la première constellation de satellites d'observation de la Terre spécialement conçus pour la surveillance des catastrophes. Le microsatellite amélioré AlSat 1 contient des caméras d'imagerie terrestre spécialement conçues pour une résolution de 32 mètres dans 3 bandes spectrales (NIR, rouge et vert) avec une bande extrêmement large de 600 km au sol permettant une visite de la même zone n'importe où dans le monde au moins tous les jours avec un seul satellite. AlSat 1 est le premier satellite de la constellation de surveillance des catastrophes (DMC), qui comprendra 5 microsatellites en orbite terrestre basse pour la fin de 2003. • Le programme DMC (Disaster Monitoring Constellation) imaginé par le constructeur de satellites SSTL consiste à développer une constellation de 5 micro-satellites d'observation de la Terre à coût réduit conçus pour la surveillance et la détection des catastrophes naturelles ou d'origine humaine • Le contrat ALSAT-2 porte sur la conception et le développement de deux satellites. Le premier, ALSAT 2A, a été intégré et testé en France chez EADS Astrium, tandis que le second, ALSAT 2B, a été intégré en Algérie au sein du centre de développement de petits satellites (UDPS) à Oran. Le programme ALSAT-2 comprend également la construction de deux segments de contrôle au sol et d’une station d’image permettant aux satellites d’être exploités et contrôlés à partir du territoire algérien. • ALSAT-2 est équipé du nouvel instrument optique modulaire AstroSat (NAOMI), une charge utile de dernière génération capable de fournir des images d’une résolution de 2,5 mètres en mode panchromatique et de 10 mètres dans chacune des 4 bandes de couleurs en mode multispectral. • Alsat-2 est un micro-satellite d'observation de la Terre optique d'une masse d'environ 115 kg ayant une forme parallélépipédique de 60 cm x 60 cm x 100 centimètres. Le satellite est conçu pour une durée de vie de 5 ans. Il utilise une plateforme AstroSat-100 (AS-100) développé partir de la plateforme Myriade utilisée notamment pour les missions du Centre national d'études spatiales (CNES) . Cette plateforme permet d'accueillir une charge utile de 50 kg et de mettre à disposition 50 watts de puissance électrique. • Un récepteur GPS est utilisé pour déterminer la position et fournir une base temps. • Une aile comportant deux panneaux solaires est déployée en orbite. Elle utilise des cellules solaires réalisées à base d'arséniure de gallium qui fournissent 180 watts en fin de vie. L'énergie électrique est stockée dans une batterie lithium-ion d'une capacité de 15 ampères-heures • Charge utile • La charge utile est constituée par un instrument unique NAOMI (New AstroSat Optical Modular Instrument). NAOMI est une caméra fournissant des images à haute résolution en panchromatique (2,5 mètres dans la bande spectrale 0,45-0,9 µm) et à résolution plus faible (10 mètres) dans quatre bandes spectrales (bleu, vert, rouge, proche infrarouge). L'instrument a une masse totale avec son électronique et sa mémoire de masse de 18,5 kg. La caméra seule a une masse de 13 kg2. • La partie optique est constituée par un télescope Korsch. La structure du télescope ainsi que les miroirs sont réalisés en carbure de silicium SiC-100. Ce matériau est à la fois solide et léger tout en étant peu sensible aux changements de température. • Mise en œuvre Le premier satellite Alsat-2A a été placé en orbite le 12 juillet 2010 en tant que charge secondaire par une fusée indienne PSLV-CA tirée depuis le centre spatial Satish-Dhawan situé près de Chennai dans le sud de l'Inde). Alsat-2B a été lancé le 26 septembre 2016 par une fusée PSLV-CA depuis la même base de lancement. Les deux satellites circulent sur une orbite héliosynchrone de 670 km avec une inclinaison orbitale de 98°3. Les satellites sont contrôlés depuis deux stations terrestres implantées à Ouargla, dans le sud-est algérien et à Arzew près d’Oran. Ce dernier site comprend également un centre de traitement des images4. Objectifs • Protection et sécurité du territoire • Connaissance des ressources au sol et en sous sol • Prévention des catastrophes naturelles et désertification Les images collectées sont utilisées par la protection civile et le ministère de la défense nationale. AlSat-Nano est avant tout un programme d’éducation. Son objectif principal est d’enseigner aux étudiants algériens comment concevoir, construire et utiliser un CubeSat 3U. Le programme implique un certain nombre d'étudiants gradués algériens qui sont hébergés au Centre spatial de Surrey (Université de Surrey) et porte sur le développement du CubeSat en tant qu'exercice d'apprentissage pratique pour les étudiants, afin de démontrer la mise en œuvre pratique de ce type. de la technologie spatiale à faible coût. En plus de l'aspect pratique du programme, l'accent sera mis sur des modules de recherche sur l'utilisation de technologies et d'applications nano-satellites à faible coût dans des pays en développement tels que l'Algérie, ce qui contribuerait à créer une croissance durable et aurait des utilisations pratiques telles que les ressources en terres. gestion (agriculture, eau), surveillance atmosphérique et gestion des catastrophes. • Satellite de télécommunications • Alcomsat-1 est un satellite de télécommunications algérien placé en orbite géostationnaire, qui a été lancé le 10 décembre 2017 à 17 h 40 (heure algérienne) par le lanceur chinois Longue Marche 3B, depuis la station de Xichang. • Alcomsat-1 a été construit par la China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) pour le compte de l'Agence spatiale algérienne (ASAL). Il est destiné à la diffusion de 200 à 300 chaînes de télévision, et de 200 à 300 chaînes de radios, la formation en ligne, la télémédecine et la visioconférence1. • La diffusion des chaînes de télévision et de radio publiques algériennes ainsi que le fil d'informations d'Algérie Presse Service a officiellement commencé le 1er novembre 2018 • Alcomsat-1 est le dernier satellite du programme algérien de développement satellitaire 2002-2020. Le coût final du satellite est compris entre 250 et 300 millions de dollars3. • Il a été lancé le 10 décembre 2017 à 17 h 40 (heure algérienne) par le lanceur chinois Longue Marche 3B, depuis la station de Xichang1 et placé en orbite géostationnaire définitive le 23 décembre 2017. • Le 27 mars 2018, TDA commence à émettre le signal des 5 chaines publiques de l'EPTV en HD et en SD ainsi que les 55 chaînes de radio de l'EPRS et du fil de l'APS, les tests sont concluants et ouvrent la voie à la commercialisation du signal4. • Caractéristiques techniques • Le satellite algérien de télécommunications Alcomsat-1 est placé en orbite géostationnaire à 36 000 km à la position orbitale 24.8 Ouest. Il fournit des services de diffusion, internet, téléphonie et VSAT. Le satellite a été développé par l'Académie chinoise de technologie spatiale (CAST) et repose sur la plate-forme DFH-4. Sa charge utile de communication est composée de transpondeurs bande Ku, bande Ka, bande X, UHF et EHHF5. Le satellite fonctionnera pendant 15 ans sur l'orbite géosynchrone. La masse de lancement est d'environ 5 200 kg. La plate-forme DFH-4 comprend un module de propulsion, un module de service et un système de panneaux solaires. Il a une capacité de charge utile de 588 kg et une puissance de sortie de 10,5 kW à la fin de sa durée de vie. Sa durée de vie nominale est de 15 . 33 transpondeurs seront chargés de trois missions • Télédiffusion • Transmission de données • Amélioration de positionnement La plate-forme est équipée de 33 transpondeurs de trois antennes réceptrices et de deux antennes d'émission. Le satellite peut prendre en charge la transmission simultanée de 200 à 300 programmes télévisés aux utilisateurs au sol à l'aide d'un dispositif d'antenne de 0,45 mètre. Il dispose également de puissantes capacités contre les perturbations et les brouillages hostiles. L'alimentation du satellite comprend deux panneaux solaires de 6 mètres. L’exploitation et le contrôle du satellite sont effectués par les ingénieurs de l'ASAL, depuis les centres d’exploitation des systèmes de télécommunications de Boughezoul (Médéa) et de Bouchaoui (Alger)6. • Données GPS plus précises : 2 transpondeurs sont dédiés à l’amélioration géopositionnement GPS en Algérie. Cet outil viendra en complément à un réseau de centaines balises en installation sur le territoire national. Le nouveau signal assure une précision de 01 mètre comparativement au GPS qui donne une précision de 5m • Transmission de données : Alcomsat assure une transmission de données. La priorité consiste à avoir les données avec intégrité et avoir son propre système. Dans le passé l’Algérie faisait appel à des satellites étrangers. Les ingénieurs ont mis en place des mesures de cryptage afin que les données soient protégées. • L’internet par satellite viendra en complément à la fibre optique pour les zones désenclavées et inaccessibles • Il offre une excellente qualité du signal pour le nord Africain et le sahel et assure la télédiffusion des chaines libyennes et nigériennes Conclusion Les propriétés du réseau varient surtout selon le type d’orbite (GEO, LEO, MEO ou HEO) qui influe directement sur les services qui seront finalement disponibles. Les orbites GEO et LEO sont les plus usités, car pour les systèmes GEO, on dispose d’une grande couverture avec un seul satellite (jusqu’à 1/3 de la surface du globe), d’une faible probabilité de basculement ainsi que d’une durée de vie importante. A l’opposé, les points forts des satellites LEO (durée de transmission faible, couverture de la terre quasiment totale si l’on utilise une constellation de satellites, etc.) sont les points faibles des orbites GEO et inversement. Etant donné le mouvement des utilisateurs par rapport aux satellites, il faut pouvoir poursuivre une communication lorsqu’un des utilisateurs sort de la zone de couverture du satellite ainsi qu’établir un dialogue entre deux terminaux qui ne peuvent pas être couverts par le même satellite. Les mécanismes de hand-over et de liaisons intersatellites résolvent efficacement ces obstacles. Finalement, les constellations de satellites fournissent aux utilisateurs de nouvelles applications telles que la diffusion de multimédia à haut débit et la téléphonie mobile. Malheureusement, quelle que soit la topologie choisie, de nombreuses contraintes font que les constellations de satellites ne peuvent pas actuellement remplacer les réseaux terrestres. Par exemple le projet Iridium a échoué suite à une sous-estimation des problèmes techniques tels que l’établissement des communications intersatellites. Il convient donc d’envisager ces réseaux spatiaux comme des compléments des réseaux terrestres.
