satellite artificiel

Engin construit par l'homme et placé en orbite autour d'un astre, en particulier de la Terre, par une fusée ou un système de transport spatial.

Par opposition, on parle de satellites naturels pour les corps célestes (ou « lunes ») qui gravitent autour d'un astre de masse plus importante.

Les satellites artificiels

Introduction

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Apparus pour des motifs politiques, les satellites artificiels sont devenus des outils indispensables pour la science, la défense, les télécommunications et pour des applications aussi variées que la prévision du temps, la lutte contre la pollution ou le sauvetage de navigateurs en détresse. Le premier satellite, Spoutnik 1, lancé par l'U.R.S.S. le 4 octobre 1957, n'était qu'une petite boule métallique de 58 cm de diamètre, pesant 84 kg, munie d'un émetteur et équipée de quatre antennes pour qu'on puisse repérer sa position dans l'espace. Dépourvu d'appareillage scientifique, il avait pour principal objet de tester sa fusée porteuse et de démontrer la capacité des Soviétiques à placer des charges utiles en orbite autour de la Terre. Un mois plus tard, le 3 novembre 1957, l'U.R.S.S. récidivait avec Spoutnik 2, à la mission beaucoup plus ambitieuse : l'engin, dont la masse atteignait cette fois 508 kg, emportait à son bord une petite chienne, Laïka, et constituait ainsi le premier satellite habité. Humiliés par ces premiers succès spatiaux soviétiques, les Américains réagirent rapidement : le 31 janvier 1958, les États-Unis plaçaient à leur tour sur orbite leur premier satellite, Explorer 1. La compétition entre les deux grandes puissances était désormais engagée et le rythme des lancements allait vite s'accélérer : 8 satellites lancés en 1958, 14 l'année suivante, plus d'une centaine par an à partir de 1962. Depuis, le club des puissances spatiales s'est élargi : successivement, la France (1965), le Japon et la Chine (1970), la Grande-Bretagne (1971), l'Inde (1980), Israël (1988) et l'Iran (2009) ont réussi à mettre des satellites en orbite autour de la Terre au moyen de leurs propres lanceurs. L'Europe elle-même, avec ses fusées Ariane, lance, depuis 1979, ses propres satellites. Aux puissances précédentes s'ajoutent une douzaine de nations dépourvues de lanceurs mais qui construisent des satellites et en confient le lancement à des fusées étrangères ou à la navette américaine (→ astronautique).

L'anatomie des satellites

À l'origine, les satellites dits « d'application », c'est-à-dire principalement ceux de télécommunication, à usage civil ou militaire, étaient quasiment sphériques, à l'image de Telstar, le premier satellite américain de télécommunication, lancé en 1962 : d'un diamètre de 90 cm, cet engin évoluait sur une orbite elliptique de 5 600 km d'apogée qui nécessitait au sol l'utilisation d'antennes mobiles pour le suivre lorsqu'il était au-dessous de l'horizon. Il a fallu attendre le 6 avril 1965 pour que soit lancé Early Bird, le premier satellite géostationnaire de l'organisation intercontinentale de télécommunications spatiales Intelsat, qui constituait l'amorce des satellites modernes, formés de deux parties bien distinctes : la charge utile et la plate-forme de service.

La charge utile est composée d'un ensemble d'éléments qui caractérisent l'utilisation du satellite : par exemple, des caméras plus ou moins performantes s'il s'agit d'un engin d'observation civil ou militaire, ou des répéteurs lorsqu'il s'agit d'un satellite de télécommunication. Depuis Early Bird, qui pouvait relayer 240 communications téléphoniques simultanées ou un programme de télévision, la technologie des charges utiles a progressé de manière spectaculaire : la capacité des Intelsat VIII qui sont lancés depuis 1997 atteint 22 500 communications (et même 112 500 en utilisant un système de multiplication de circuits numériques) et trois programmes de télévision.

La plate-forme des satellites modernes, également appelée « bus », est la partie de base qui comporte à la fois les moteurs (moteur d'apogée et petits stabilisateurs à jets de gaz froids), les systèmes de contrôle et d'attitude de l'engin, le système de contrôle thermique, ainsi que le système d'alimentation en énergie : un ou plusieurs régulateurs permettant de vérifier la tension du courant délivré par les capteurs solaires, et une batterie assurant la continuité de l'alimentation des systèmes de bord pendant les périodes d'éclipses. Suivant une technologie née aux États-Unis, ces plates-formes peuvent être stabilisées par la mise en rotation du satellite sur lui-même (plates-formes « spinnées »). Suivant un principe né en Europe dans les années 1970 avec les satellites franco-allemands Symphonie, elles peuvent aussi être stabilisées suivant trois axes (symbolisés par la Terre, le Soleil et une étoile) visés en permanence. Tout comme la charge utile, la plate-forme des satellites a bénéficié de nombreuses améliorations depuis le début de l'ère spatiale, notamment au niveau des générateurs solaires, qui permettent de disposer à bord d'une puissance électrique d'au moins 6 kW.

La vie d'un satellite

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Un satellite dispose de deux durées de vie, l'une utile, au cours de laquelle il est opérationnel, l'autre orbitale, correspondant à la durée qui s'écoule avant qu'il ne retombe au sol. La première est liée à la technique, la seconde à l'attraction terrestre. Plus un satellite tourne près de la Terre, plus sa durée de vie orbitale est courte en raison du freinage qu'il subit au contact de l'atmosphère. Pratiquement, aucune satellisation n'est possible à moins de 130 km d'altitude. Les satellites les plus proches du sol sont des satellites espions, récupérés au bout de quelques jours ou de quelques semaines.

La récupération d'un véhicule spatial comprend la désatellisation, la rentrée à grande vitesse dans les couches denses de l'atmosphère, suivie d'un freinage aérodynamique qui ramène la vitesse à quelques centaines de km/h à une altitude de quelques kilomètres, et l'atterrissage, ou l'amerrissage. La première récupération réussie fut celle du satellite américain Discoverer 13, le 11 août 1960.

Les satellites géostationnaires, au contraire, peuvent conserver pendant plusieurs millénaires leur altitude de 36 000 km. Mais leur durée de vie utile n'excède pas quelques années : leur batterie s'use et, surtout, ils consomment peu à peu les ergols destinés à assurer leur stabilisation. Entre ces deux extrêmes, un satellite placé à 800 km d'altitude, comme les satellites français SPOT d'observation de la Terre, peut rester environ un siècle en orbite avant de retomber.

Depuis 1957, l'activité spatiale a conduit à mettre en orbite autour de la Terre environ 20 000 t de matière, dont 5 000 ne sont pas encore retombées dans l'atmosphère (quelque 800 satellites opérationnels et 1 800 hors service, auxquels s'ajoutent de nombreux débris). Au cœur des monts Cheyenne, aux États-Unis, le Space Surveillance Center, qui dépend du département de la Défense des États-Unis, s'emploie à suivre à la trace les quelque 17 000 objets en orbite ayant un diamètre supérieur à 10 cm, mais l'on estime qu'il en existe environ 200 000 d'un diamètre compris entre 1 et 10 cm et 10 000 000 d'un diamètre inférieur à 1 cm. Nombre d'entre eux sont des résidus d'explosions dans l'espace ; d'autres, des étages de fusées devenus inertes, des satellites hors service, des débris évacués des stations orbitales ou même des outils abandonnés dans l'espace par des astronautes. On commence à s'inquiéter de cette pollution spatiale, qui représente un danger pour tous les satellites opérationnels et qui a conduit à plusieurs reprises à faire manœuvrer la Station spatiale internationale pour éviter des collisions.

Le 10 février 2009, le satellite russe de télécommunications militaires Cosmos 2251 est entré en collision avec le satellite américain Iridium 33, appartenant à une constellation de satellites de télécommunications. Cette collision s'est produite à 776 km d'altitude, au-dessus de la presqu'île de Taïmyr. Elle a provoqué la destruction du satellite Iridium 33 et l'on estime qu'elle a créé environ 600 débris.

Les satellites d'observation de la Terre

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La Terre est aujourd'hui sous la surveillance constante des satellites. Ceux dont le regard est le plus perçant sont les satellites espions de la série américaine Key Hole, capables de révéler des détails de l'ordre de 10 cm seulement au sol, voire moins, dit-on. À l'aide de leurs caméras, et selon leur mission, ils photographient systématiquement de vastes superficies ou bien prennent des photos détaillées d'objectifs précis. Leurs performances sont supérieures à celles des Big Bird qui les ont précédés et des capteurs infrarouge leur permettent de fonctionner la nuit. Dans ce domaine de la reconnaissance militaire où les Russes sont aussi très présents (série des Cosmos), la France est représentée, depuis 1996, par le satellite Helios, réalisé avec la participation de l'Espagne et de l'Italie.

Le premier satellite de télédétection, Landsat 1, a été lancé en 1972 aux États-Unis. Il a montré que ce type de satellite constitue un outil extrêmement précieux pour évaluer à l'avance l'état de récoltes, mettre en évidence des structures géologiques particulières ou encore étudier le développement des villes, parmi bien d'autres exemples, grâce au traitement approprié par ordinateur des intensités lumineuses ou thermiques captées.

En lançant, en 1986, le premier de la série des SPOT, la France a mis en service le satellite d'observation civil le plus précis, qui révèle des détails de moins de 10 m au sol, depuis son altitude de 830 km. Ce satellite a également permis de créer « SPOT-Image », la première société ayant pour objectif de commercialiser des observations spatiales.

Les satellites météorologiques, eux, ont pour rôle de transmettre à intervalles réguliers des mesures et des images (au rythme d'une vue toutes les demi-heures pour les satellites européens Météosat, par exemple) pour surveiller l'évolution des systèmes nuageux (y compris la nuit, en opérant dans l'infrarouge).

Les satellites de navigation, comme les NAVSTAR qu'utilise le GPS (Global Positioning System) américain, fournissent des données à usage civil aussi bien que militaire. Ils permettent à tout utilisateur (véhicule terrestre, maritime, aérien ou spatial) captant les signaux radio de quatre d'entre eux de connaître instantanément sa position. Les premiers satellites du GPS ont été lancés à partir de 1989 et le système est pleinement opérationnel depuis 1992. Les Russes disposent avec le Glonass d'un système aux performances équivalentes.

Pour en savoir plus, voir l'article satellite d'observation.

Les satellites voués à la recherche

Grâce aux satellites, des progrès considérables ont été accomplis en astrophysique. Les télescopes placés en orbite autour de la Terre, au-delà de l'atmosphère, permettent d'étendre à l'ensemble du spectre électromagnétique les observations astronomiques, naguère confinées aux domaines optique et radio. Les astronomes peuvent enfin avoir une vision complète des phénomènes extraordinairement variés dont l'Univers est le siège, depuis les émissions très énergétiques – rayonnements γ, X ou ultraviolet – des étoiles chaudes et des galaxies actives jusqu'au rayonnement infrarouge de soleils en cours d'extinction ou d'embryons d'étoiles enfouis au cœur de vastes nébuleuses de gaz et de poussières.

Les sondes spatiales ont ouvert une ère nouvelle dans notre connaissance du système solaire. Depuis 1962, les planètes principales, à l'exception de Pluton, ont été survolées à faible distance et photographiées en gros plan, ainsi que leurs satellites. Des vaisseaux se sont posés sur la Lune, Vénus et Mars et en ont entrepris l'exploration in situ. Une flottille de sondes s'est approchée de la comète de Halley, en 1986. Avant d'atteindre leur objectif, ces diverses sondes ont contribué à faire progresser l'étude du milieu interplanétaire.

Des réseaux de poursuite permettent de suivre les satellites dans leur course, d'abord pour téléguider leur mise en orbite en position d'exploitation, ensuite pour assurer leur maintien sur une position correcte, ou tout simplement pour recevoir leurs observations. Ils permettent également de recevoir les émissions des satellites TDRS qui suivent la navette spatiale en vol, assurant le relais de ses communications vers le sol. Le plus puissant de ces réseaux est cependant terrestre. C'est le « Deep Space Network » de la NASA, chargé d'écouter les sondes interplanétaires : grâce à ses antennes de 64 m de diamètre situées à Goldstone, en Californie, à Robledo de Chavela, près de Madrid, en Espagne, et près de Canberra, en Australie, il a notamment permis, jusqu'en 1997, de capter les signaux émis par la sonde Pioneer 10, bien que celle-ci, après avoir franchi l'orbite de Pluton en 1986, n'ait disposé que d'un minuscule émetteur de 8 W de puissance.

Les télécommunications par satellites

Introduction

Dès 1945, l'ingénieur britannique Arthur Clarke a montré qu'il était possible de créer des moyens de communication grâce à des satellites placés en orbite autour de la Terre : des stations d'émission-réception situées en des points du globe très éloignés mais placées en visibilité du satellite l'utilisent comme relais de transmission. Au début des années 1960, les systèmes de télécommunication par câbles télégraphiques ou téléphoniques coaxiaux s'avèrent insuffisants pour satisfaire la totalité des besoins et établir un réseau reliant progressivement tous les pays. Mais, avec les premières communications transatlantiques par satellite, les télécommunications spatiales démontrent leurs potentialités.

Les systèmes spatiaux offrent effectivement une importante capacité de communications internationales pour le téléphone ou la télévision. Ils s'affranchissent des obstacles que constituent le relief et la végétation pour les réseaux terrestres (faisceaux hertziens, câbles, fibres optiques), et permettent d'installer rapidement des réseaux ne nécessitant qu'une légère infrastructure au sol. L'utilisation de l'orbite des satellites géostationnaires est une étape significative. Le satellite demeure presque fixe par rapport à la station terrienne ; cela réduit nettement la complexité du système de pointage et le coût du secteur terrien. En 1964, l'organisation INTELSAT est créée : c'est le premier pas vers l'utilisation commerciale et internationale des télécommunications par satellite. La maturation des technologies et l'abaissement progressif des coûts de fabrication permettent maintenant aux télécommunications spatiales de répondre à l'explosion de la demande des services (téléphonie, données, radiodiffusion) entre des stations fixes ou mobiles. Pour chacun de ces services, une optimisation globale de l'architecture du système à satellites est à considérer entre le secteur terrien et le secteur spatial : compte tenu des performances des différents équipements constitutifs des stations, comment utiliser les bandes de fréquence disponibles et la capacité du satellite pour recevoir, amplifier, rediriger et réémettre des signaux qui doivent être le moins possible dégradés par la transmission et les brouillages ?

Dates clés des satellites de télécommunication

Pourquoi des satellites ?

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Les lois de Kepler établissent la trajectoire d'un satellite soumis à l'attraction terrestre : c'est une ellipse inscrite dans un plan passant par le centre de la Terre. S'il est situé à 36 000 km d'altitude, le satellite tourne à la même vitesse que la Terre autour de l'axe des pôles ; il reste donc à la même longitude. Si, de plus, son orbite est un cercle dans le plan équatorial, il garde une latitude constante et apparaît fixe à un observateur terrestre. Pour cette raison, le satellite géostationnaire est particulièrement avantageux ; de plus, il est visible depuis presque un tiers de la surface terrestre.

Évitant les obstacles de relief, insularité ou végétation, le satellite permet l'installation souple et économique de réseaux dans les vastes régions couvertes par ses antennes. Il assure une forte connexion entre toutes les stations du réseau, puisque toutes les liaisons transitent par lui.

Comme les missions sont prévues pour des durées de 7 à 15 ans et qu'il est impossible de récupérer un satellite géostationnaire, des exigences draconiennes et coûteuses sont posées quant à la fiabilité des équipements embarqués. Des capacités de secours installées sur d'autres satellites garantissent aussi les services. Mais il reste toujours des risques, même faibles, au lancement. Les conditions de propagation entre la Terre et le satellite (extrême atténuation et délai de transmission) représentent un autre point critique pour les télécommunications spatiales.

Cependant, le formidable développement, dans la dernière décennie du xx siècle, de la télévision directe et de la téléphonie mobile, est en train de modifier la physionomie des télécommunications spatiales. À côté des organisations internationales comme Intelsat ou Eutelsat, qui continuent de placer leurs gros satellites de télécommunication (3,5 t pour Intelsat VIII) sur orbite géostationnaire, des opérateurs privés commencent à mettre en place, sur des orbites basses ou moyennes, des satellites beaucoup plus petits et plus nombreux. Les projets Iridium (mis en service en 1998) et Globalstar (qui doit entrer en service vers 2000) illustrent cette évolution.

Quels services ?

Les télécommunications spatiales ont quatre domaines principaux d'application : la transmission point-à-point de téléphonie, télévision ou données ; la transmission d'information point-à-multipoint ; les liaisons avec les mobiles et la diffusion de radio et télévision.

Ces services définissent deux types de satellite. Les satellites de diffusion directe émettent une forte puissance vers de nombreuses petites stations terriennes, tandis que les satellites de télécommunication, de plus faible puissance, relient des stations nombreuses mais plus performantes. La technologie des satellites à moyenne puissance et l'élargissement du marché tendent à rapprocher les deux conceptions, qui reposent sur une répartition différente des fonctionnalités et des coûts. Les nouvelles conditions techniques et économiques permettent une autre évolution : les services jadis limités aux liaisons intercontinentales sont progressivement disponibles pour des couvertures régionales ou nationales.

Les signaux sont transmis par des ondes électromagnétiques à des fréquences de plus en plus élevées. Pour éviter les interférences entre signaux, des bandes distinctes sont utilisées à la montée et à la descente. Les fréquences élevées, qui sont plus atténuées dans l'espace, sont employées sur le trajet montant.

Le secteur terrien

Les stations terriennes assurent l'émission et la réception des signaux ainsi que la connexion aux réseaux terrestres de télécommunication. Une station comprend quatre parties principales : l'émetteur, de quelques watts à quelques kilowatts de puissance ; le récepteur, avec amplificateur d'entrée très sensible ; les équipements de modulation, démodulation, filtrage et transposition en fréquence du signal, et l'antenne. Les grandes antennes de télécommunication, équipées d'un système de poursuite, peuvent atteindre 30 mètres de diamètre. Pour les services d'entreprise et la diffusion, on utilise de petites stations avec des antennes mesurant entre 50 centimètres (réception seule) et quelques mètres.

Les équipements de télécommunication adaptent les signaux aux conditions de transmission. C'est une modulation de l'amplitude, de la fréquence ou de la phase du signal qui transmet les informations. La fiabilité des communications numériques est augmentée par un codage qui génère une redondance dans les informations émises et permet de détecter ou même de corriger des erreurs sur les bits reçus.

Les méthodes d'accès au satellite permettent de gérer au mieux les fréquences disponibles. L'accès simple alloue un répéteur de satellite entier à une liaison entre stations. L'accès multiple utilise ce répéteur pour plusieurs liaisons : soit par « répartition en fréquences », en divisant la bande de fréquence entre les liaisons, soit par « répartition temporelle », en l'attribuant en totalité à chaque liaison successivement pendant des intervalles de temps extrêmement courts.

Le secteur spatial

La plate-forme d'un satellite est un cylindre ou un parallélépipède de quelques mètres de haut. Dans le premier cas, le satellite, stabilisé par rotation, est dit « spinné » ; dans le second, on parle de satellite contrôlé « trois axes ». La plate-forme est équipée d'un moteur d'apogée, utilisé lors de la mise en orbite, d'un système de localisation par capteurs à infrarouge et d'un ensemble de roues d'inertie et de tuyères contrôlant sa position et son orientation. C'est la masse de carburant nécessaire à ces opérations qui limite la durée de vie du satellite. Un système de radiateurs et d'éléments dissipatifs permet de réguler les sévères contraintes thermiques (−50 à + 50 °C). Des panneaux solaires et, en période d'éclipse, des batteries fournissent les quelques kilowatts que consomme le satellite. La plate-forme et la charge utile de télécommunication sont pilotées par un système de télémesure et télécommande.

Comment fonctionne la charge utile de télécommunication ? Les signaux sont captés par des antennes qui pointent vers les zones de service. L'ensemble des signaux, de niveau très faible, est amplifié dans les récepteurs, puis transposé en fréquence afin d'éviter des brouillages entre les liaisons montantes et descendantes au niveau des antennes. Les répéteurs amplifient très fortement les signaux, en séparant chaque bande de fréquence pour limiter les interférences. Les signaux sont enfin réémis.

Des moyens de lancement et de poursuite du satellite, des stations de télécommande-télémesure du satellite et une station de contrôle du réseau complètent le secteur spatial.