Radio in Space

Written by Helena Furgoni

10/07/2019

État de l’Art

Aujourd’hui (et ce depuis près de 60 ans), la façon la plus courante de communiquer avec un vaisseau spatial est d’utiliser les ondes radio. Ces ondes sont les plus performantes pour les communications longue distance.

Prenons l’exemple de l’ISS (“International Space Station”). Des satellites relais, situés à environ 36 000 km d’altitude sur une orbite géostationnaire, permettent la communication avec la station spatiale. Ladite orbite permet en fait aux satellites de se stabiliser sur une ligne fixe au-dessus de la surface terrestre. 

On distingue trois types de communication radio dans l’espace : la communication entre astronautes, la communication entre les astronautes et la Terre, et enfin la communication entre le vaisseau lui-même et la Terre. C’est cette dernière qui requiert la technologie la plus perfectionnée, étant un facteur indispensable à la réussite de la mission.

Pour ce qui est de la diffusion vers le grand public, les images que nous recevons de la station ont beau être diffusées en direct, elles accusent tout de même un (léger) différé d’une trentaine de secondes. Différé dû au traitement et à la diffusion du signal. Ledit signal, une fois émis, est  traité via des satellites de suivi et de relais de donnés (appelés plus communément “TDRS”, pour “Tracking & Data Relay Satellite”), et descend (entre autres) directement vers Houston.

Les constellations IoT

On compte aujourd’hui plusieurs dizaines de constellations de satellites (plusieurs satellites opérant ensemble, de façon synchronisée), rassemblant des systèmes de positionnement, des services de télécommunication, ou encore de la télédétection. Ces constellations appartiennent toutes à de grands acteurs du domaine de l’aérospatial, et plus récemment à des puissances politiques, alors que la Chine prévoit de lancer 72 nanosatellites dédiés à l’IoT dans les 3 ans, à l’image de la Russie et de l’Europe. Cependant, après le déploiement sur terre des protocoles de communication LoRa, Sigfox ou encore des technologies cellulaires les plus perfectionnées, les opérateurs regardent vers les étoiles. C’est ainsi que plusieurs entreprises envisagent aujourd’hui de lancer leurs satellites en orbite, dans le but de créer leurs propres constellations IoT.

Parmis ces opérateurs, on retrouve notamment Objenious et Sigfox. Ce dernier noue en 2018 un partenariat avec Eutelsat pour profiter des nanosatellites déjà lancés par ce dernier, et développer son nouveau réseau appelé “0G”. Objenious, de son côté, compte créer un maillage hybride réunissant réseau terrestre et réseau satellitaire.

Attention, l’idée n’est pas de créer un nouveau protocole IoT, mais bien de rendre compatibles les protocoles déjà existant avec les bandes de fréquences spatiales. Objenious ne compte donc pas mettre de côté la mise au point de son module LoRa, mais a la volonté de n’avoir au final plus qu’un seul module compatible avec plusieurs technologies.

Ambitieux, n’est ce pas ? Par là, les opérateurs entendent bien couvrir l’intégralité du territoire, et notamment les zones non desservies par les solutions actuelles. Parmi ces zones, on retrouve une grande partie du territoire maritime, pour lequel le déploiement d’un réseau satellitaire serait moins onéreux que l’installation d’antennes. Si l’on ajoute à cet objectif la fiscalité avantageuse associée à l’exploitation spatiale, l’entrée en jeu des opérateurs dans cette course à l’espace du XXIème siècle semble être l’une des grandes tendances des années à venir.

 

 

 

Mais jusqu’où ira-t-on ?

Avez-vous déjà entendu parler du programme Voyager ? Il s’agit d’un programme spatial mis en place par la NASA dans le but d’explorer les planètes les plus reculées (comme Saturne, ou encore Jupiter). Voyager 1 est l’une des deux sondes envoyées dans l’espace en 1977. Elle est sortie du système solaire en 2012. Encore aujourd’hui, et à plus de 20 milliards de kilomètres avec la Terre, la sonde est capable de communiquer certaines informations avec nous. Alors, comment est-ce possible ? Le système de communication est notamment permis grâce à une antenne parabolique de plus de 3,7m de diamètre qui supporte l’émission et la réception des ondes radio depuis la Terre. 

Aujourd’hui, la sonde n’émet plus qu’un très faible nombre d’informations, qui mettent plus de 20 heures pour atteindre la Terre.

 

La solution optique

 

 

L’année dernière, l’Agence Spatiale Européenne a annoncé le déploiement d’un satellite de télécommunication destiné à devenir le relai principal des communications entre les orbites basses et la Terre. Jusque là, ces satellites en orbite basse ou moyenne (en dessous de 36 000 kilomètres de la surface terrestre) devaient nécessairement survoler un point relai sur Terre pour communiquer. Ce nouveau satellite récupérerait ces informations pour les envoyer lui-même à des points relais terrestres, plus facilement accessibles depuis son orbite géostationnaire haute. 

Si les communications entre l’espace et la Terre se font habituellement par ondes radio, le caractère innovant du projet est justement l’utilisation d’un laser, permettant un débit nettement plus important que la technologie utilisée jusque là (de 10 à 100 fois plus rapide), ainsi qu’une consommation énergétique plus basse. Mais la NASA n’est pas en reste, et souhaite également déployer un nouveau réseau d’ici à 2020 avec la mise en place d’un modem photonique (permettant l’utilisation d’une solution optique)  sur les satellites déjà existants et l’ISS. La NASA profiterait alors d’une solution plus petite et moins coûteuse. 

Les communications optiques ont donc de beaux jours devant elles, car en plus de permettre un dialogue entre les objets spatiaux et la Terre, elles aident également à l’avancée de la recherche scientifique dans plusieurs domaines (notamment la météorologie), et une immédiateté aujourd’hui encore impossible. La NASA a même annoncé la possibilité d’envoyer des vidéos depuis la surface d’autres planètes !

 

 

Vers la fin des ondes radio ?

Celà dit, les ondes radio n’ont pas dit leur dernier mot. Elles offrent encore maintenant de nombreux avantages, comme par exemple une meilleure résistance aux conditions climatiques. En effet, les faisceaux lumineux ne sont pas actuellement assez fiables par temps de neige ou de pluie, et peuvent être perturbés par un simple nuage (sans compter les conditions atmosphériques des autres planètes !). De plus, cette technologie n’a d’intérêt que lorsque les communications nécessitent un fort débit.

Et l’installation est coûteuse ! Toute l’infrastructure au sol est à concevoir, les lasers possédant une technologie complètement différente de celle de la radio, qui s’appuie elle sur le “Deep Space Network” de la NASA (un réseau d’antennes international). Alors pour pouvoir étendre l’utilisation de la communication optique, il n’y a pas d’autres choix que de construire de nouvelles stations dans les régions sujettes au beau temps. Autant dire que la route est encore longue.

“Le saviez-vous ?

Les chasseurs d’ondes

A partir des années 40, l’armée américaine veut tirer avantage des traînées ionisées laissées par les météorites lorsqu’elles entrent dans l’atmosphère pour effectuer des communications longue distance. Ces traînées ionisées ont la faculté de faire rebondir les ondes.

Il faut souligner que l’espace n’est pas seulement le terrain de jeu des grandes puissances ! A partir de 1953, les chasseurs d’ondes, ces passionnés de la communication radio, s’intéressent au sujet. La plupart des communications sont possibles lorsque les stations se “donnent rendez-vous” pour émettre et recevoir des ondes. Mais étant donné qu’il est quasiment impossible pour eux de définir si la piste de météores (“meteor track”) se situe à l’emplacement approprié pour effectuer une communication radio, les mêmes messages sont généralement envoyés en continu jusqu’à ce que la station réceptrice accusent de la réception du même message… En envoyant elle aussi cette information en continu. Des protocoles ont toutefois été établi afin de réguler ces transmissions.

En utilisant les traînées ionisées des météores, les space hackers ont pu propager des messages radio sans avoir à attendre la préparation au préalable des stations réceptrices. Par la voix ou par code morse, un nombre incalculable de messages ont été échangés jusqu’aux années 2000, où les programmes informatiques ont remplacé ces méthodes jugées archaïques par des systèmes de transmission toujours plus perfectionnés.

 

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