LES SATELLITES GEOSTATIONNAIRES DE TELECOMMUNICATION

Plan :

1. Principe de fonctionnement
2. Un satellite typique : Koreasat 2
3. Différentes solutions techniques
4. Les constellations actuelles
5. Histoire et perspectives

1 feuille du spoutnik relative aux satcoms : 2

I Principe de fonctionnement

 Les satellites de télécommunication (et des satellites de météo, d'alerte missile, etc) sont placés sur une orbite circulaire, équatoriale, à 36 000 km d'altitude. Leur période est de vingt-quatre heures moins sept secondes, soit une journée astrale (qui correspond au vrai temps de rotation de la terre sur elle-même, le temps entre deux levers de soleil est plus long à cause de la révolution de la terre). Ainsi ils restent en permanence au-dessus d'un même point de l'Equateur. Un seul satellite "voit" 40% de la surface terrestre, mais les régions très proches des pôles ne peuvent être couvertes.

 Les caractéristiques intéressantes de cette orbite furent calculées en 1945, par le célèbre Arthur C.Clarke (écrivain de SF, scientifique, actuellement chancelier de l'Université de Colombo au Sri Lanka). Dans sa nouvelle De l'autre côté du ciel, il imagine trois stations de relais habitées disposées à 120° d'intervalles, et assurant ainsi une couverture globale. Si il avait bien perçu le principe et ses applications, il fut moins visionnaire pour la mise en oeuvre : une présence humaine serait ruineuse et superflue et on emploie une multitude de satellites et non d'importantes stations.

Voici trois utilisations d'un satellite de télécommunications :

	1 : Le satellite relie les réseaux téléphoniques de deux continents, de deux îles, ou de deux régions très éloignées dans un pays vaste et peu dense (Canada, Australie, Russie, Brésil, ...). Il permet ainsi ls communications longue distance, avec pour inconvénient un léger délai de transfert. Communications téléphoniques, fax, données internet sont indifféremment transmises entre station. C'est par exemple la tâche principale des INTELSAT. Chaque transpondeur peut relayer des centaines d'appels téléphoniques, les données étant compressées.
	2 : Le satellite transmet les programmes télévisés des studios de la chaîne à l'émetteur local, qui les revoit pas ondes hertziennes à destination des particuliers de la région. La plupart des programmes herztiens passent ainsi par satellite. Celà est particulièrement intéressant pour les pays étendus, ou quand des obstacles empêchent la diffusion directe.
	3 : Un satellite très puissant (car les signaux sont reçus par de petits récepteurs) reçoit des programmes télévisés de studios au sol et les réémet sur une large région, pour les particuliers équipés d'une antenne parabolique. Ce procédé permet une transmission numérique, avec une qualité d'image bien meilleure, et l'accès à une palette de chaînes bien plus large.
	Le satellite européen Artemis vise à expérimenter un nouveau concept de relais spatial. Le satellite géostationnaire est en liaisob laseravec un satellite en orbite basse, et en communication avec une station fixe.Celà permet de contrôler un satellite au-dessus de toute une hémisphère avec une seule station.

 Les militaires utilisent eux aussi les satellites de télécoms, pourcommnuiquer entre les unités et le commandement. Les marins, notemment, en ont besoin en opération (la marine civile est également très demandeuse). Peu de pays (USA, Russie, Chine, UK, France...) ont des satellites dédiés aux communications militaires. Par contre, de nombreux Etats, disposent de transpondeurs réservés aux militaires sur leur satellites de télécoms civils.

II Un satellite typique : Koreasat 2

 Il est évidemment hors de question de décrire de manière exhaustive tous les satellites géostationnaires existant. Koreasat 2 a été choisi en tant qu'exemple car il est très classique, tant par ses caractéristiques techniques que par son statut opérationnel.

 Les trois satellites Koreasat sont utilisés pour les télécommunications domestiques (par exemple, le téléphone intercontinental, le relai des émissions de télévision du studio à l'émetteur...) par Korea télécom. Le deuxième d'entre eux, Koreasat 2, fut lancé le 14 Janvier 1996 par une fusée américaine Delta 7925 depuis Cap Carnaveral. Les deux premiers étages de la fusée, assistés par quatre boosters, portent le satellite et le troisième étage sur une orbite basse.

 Ce troisième étage joue le rôle de moteur de périgée. En brûlant 1.9 tonne d'ergols, il transforme l'orbite en une orbite de transfert géostationnaire (ou GTO, initiales anglaises), c'est-à-dire une orbite éliptique dont le périgé est à environ 200 km et l'apogé à 36000 km. Le satellite "grimpe" ainsi jusqu'à son apogé. La circularisation est alors assurée par un moteur Star 30B, qui brûle ses 505 kg d'ergols solides très efficaces au moment et fournit un delta-v de 1216 m/s. Le satellite est maintenant sur orbite géostationnaire, par 116° est, spot attribué à la Corée du Sud. Avant d'entrer en service, il lui faut encore déployer ses panneaux solaires, pointer ses antennes... Il a eu plus de chance que son jumeau Koreasat I qui avait été laissé en orbite basse par le lanceur défecteux, et avait du se hisser lui-même vers la GTO avec ses moteurs, ce qui coupa de moitié sa durée de vie.

 Koreasat 2 emploie la dernière plate-forme AS 3000, modèle de série construit par Lockeed-Martin (USA). En effet, la Corée du Sud n'appartient pas au petit groupe de pays capables de fabriquer de tels satellites. L'Europe, avec en tête Alcatel (France) et Astrium (France-Allemagne), les USA (Lockeed-Martin, Hughes...), la Russie (RKK Energia), le Japon (Toshiba), la Chine et l'Inde (ISRO) savent en fabriquer entièrement. Des pays comme le Brésil, le Canda ou Israël en fabriquent, mais avec de nombreux éléments importés. Les autres pays doivent donc acheter leurs satellites auprés de l'un de ces fabriquants. La Corée du Sud développe toutefois ses industries spatiales et compte à terme pouvoir elle-même construire et même lancer de tels satellites.

 La charge utile de communication, construite en France par Matra Marconi Space (MMS) conporte 15 transpondeurs en bande Ku (12/14 Mhz), qui par ses hautes fréquences assure une meilleure transmission (à énergie et taille d'antennes égales) que, par exemple, la bande C. Chaque transpondeur reçoit, amplifie (avec un amplificateur à tubes) et réémet un flux de données (par exemple, de nombreuses conversations téléphoniques). Pour alimenter l'ensemble, le satellite possède deux grands panneaux solaires. Leur énergie est accumulée dans trois batteries d'une capacité individuelle de 24 Ampères-heure. Le satellite a ainsi une alimentation de 2800 Watts.

 Au cours de sa vie, le satellite subit différentes influences qui peuvent le dévier de son orbite : l'attraction de la Lune, celle du Soleil, et le vent solaire. Il faut donc procéder sans cesse à de petites corrections. Koreasat 2 dispose pour celà de deux ensembles de sept petits moteurs fonctionnant avec de l'hydrazine, qui est un monergol. elle se décompose en N2 et H2. Cette réaction est exothermique, c'est donc un gaz chaud qui est rejeté et assure une force de propulsion. Ce dispositif est cependant moins efficace qu'un moteur bi-ergol. Pour se maintenir dans la bonne position par rapport à la terre (stabilisation sur trois axes), le satellite emploie des roues à inerties. Ces roues placées à l'intérieur du satellite peuvent donner à l'ensemble un couple de rotation selon n'importe quel axe.

III Différentes solutions techniques

 Tous les satellites ne sont pas lancés suivant cette procédure. Pour diminuer la quantité d'ergols nécessaire à la circularisation (on économise de quoi faire vivre six mois le satellite en orbite), mais en diminuant la masse qu'un même lanceur peut envoyer, il arrive maintenant de lancer sur une orbite GTO+ à haute périgée (~560 km). Ainsi la vitesse à l'apogée est plus grande, et le moteur d'apogée doit fournir un delta-v moindre. De façon plus radicale, certaines fusées (Proton, Delta IV, Atlas V, Arianes 5 évoluées...) peuvent ou pourront injecter directement des satellites (environ la moitié de la masse qu'ils envoient en GTO) sur l'orbite géostationnaire, le dernier étage se rallumant pour la circularisation. En outre, les Russes lanceront l'année prochaine un satellite de communication qui, d'abord envoyé en orbite basse, utilisera une propulsion à ions pour se hisser peu à peu en GEO, puis pour rester en orbite. Sur un certain nombre de satellites récents, le même système de propulsion à liquides s'occupe de la circularisation de l'orbite puis de la conservation à poste. Ces petits moteurs ne peuvent libérer d'un coup une impulsion importante, la circularisation se fait en plusieurs fois : à chaque apogée, un coup de gaz donne un petit delta-v et élargie l'éllipse, relevant le périgée.

 S'agissant de la stabilisation, les satellites de télécommunications moins modernes ne sont pas stabilisés sur trois axes mais par rotation autour d'un seul axe, colinéaire à l'orbite. Les antennes sont alors placées sur une plate-forme tournant dans le sens opposé, restant ainsi pointées vers la Terre. Les panneaux solaires sont disposés tout autour de ces satellites de forme cylindrique. Koreasat-2 emploie de petits moteurs à décomposition de l'hydrazine, simple techniquement mais peu efficaces, avec une impulsion spécifique comprise entre 200 et 250 secondes. Beaucoup d'autres satellites remploient des moteurs biergols (utilisant souvent du monométhylhydrazine avec du N2O4 ou des produits à base d'oxydes d'azote ou d'acide nitrique). Les satellites ultra-modernes (seuls quelques-uns ont déjà été lancés) utilisent des moteurs à ions, avec une impulsion spécifique très élevée (de 1000 à 3000 secondes). Celà permet d'avoir une durée de vie dépassant 15 ans.

 Actuellement, on demande aux satellites une durée de vie de plus en plus longue et une puissance accrue pour couvrir de plus grandes zones, avoir de plus importantes bandes passantes et avoir un signal plus puissant au sol, ce qui permet d'utiliser des antennes plus petites. Tout celà, malgrès une miniaturisation en progrès constant (par exemple, le rendement des panneaux solaires, de 15% il y a quelques années, atteind 35%, et peut-être bientôt 40%, ce qui permet de réduire fortement leur taille pour une même puissance), aboutit a une inflation permanente de la masse des satellites : la norme était d'environ une tonne (à l'injection sur GTO) il y a vingt ans, tandis qu'ajourd'hui, on la situerait vers trois tonnes.

IV Les constellations actuelles

 Intelsat est une constellation internationale vouée aux communications longue distance. Près de 70 satellites ont été lancés depuis 65. 144 pays adhèrent à cette organisation, en cours de privatisation, dont les dix-neuf satellite, tous à la pointe de ce qui se fait de nos jours au niveau technique, assurent une couverture globale.

 Interspoutnik fut crée comme équivalent à Intelsat dans le bloc de l'est en 1971. 24 pays en sont membres : des pays de l'ancien bloc de l'est, mais aussi d'autre comme, depuis peu l'Inde. Intersputnik possède 7 satellites (la plupart sont en fait loués au gouvernement russe) utilisés par des clients privés et publics.

 Eutelsat est un système européen dont le premier satellite date de 1983. D'autres systèmes régionaux existent, notemment Asiastar, équivalent asiatique, ou à l'avenir RASCOM pour les pays africains. Panamsat est une constellation privée, détenue par une société américaine, qui déssert non seulement les USA, mais aussi le canada et l'Amérique Latine. Citons aussi inmarsat, de communication maritimes.

 De nombreux pays ont leurs constellations nationales, servant aux communications "domestiques", en fait tous les pays ayant un minimum de développement économique, y compris des pays assez petits. Seul le continent Africain est peu équipé : à part l'Egypte qui en a deux, aucun pays ne possède de tels satellites. RASCOM y remédiera. Les pays ne possédant pas leurs propres satellites doivent louer des transpondeurs à Intelsat, ou à d'autres pays. Des opérations financièrent complexes, sous-location, leasing, partage entre pays, sont efffectuées. Les pays développés sont les plus gros utilisateurs de satellites, mais l'étendue compte également. Par exemple, le Bénélux totalise à peu près la même population et la même puissance économique que le Canada mais n'a pas besoin de tels satellites car sa densité rend possible sa couverture par un réseau terrestre, tandis que les villes canadiennes sont reliées entre elles par satellite.

V Histoire et perspectives

 Si le concept du satellite géostationnaire remonte à 1945, il fallut longtemps pour que la technique put les réaliser.

 Telstar-1, lancé le 10 Juillet 62 par une Delta, fut le premier satellite de télécoms commercial. Ce petit engin de 77 kg n'était pas géostationnaire (il gravitait sur une orbite éliptique 950/5600 km) mais démontra, avce son unique répétiteur, la possibilité de communications par satellites (radio, télévision, téléphone...). Les 14 Fevrier 1963, Syncom I fut lancé par une Delta B et devait être le premier satellite géostationnaire de télécoms, mais le contact radio fut perdu avant que l'orbite géostationnaire soit atteinte. Le 26 Juillet, son jumeau Syncom II devint le premier satellite géostationnaire opérationnel.

 Les leur coté, les Russes ne s'intéressaient guère au lancement de satellites géostationnaires, la septentrionalité de leur territoire rendent délicate sa couverture depuis cette orbite. Il lancèrent donc leurs satellites Molnya-1 (éclair), à partir de 1964, sur une orbite éliptique, qu'on apelle depuis "l'orbite molnya" avec périgé vers 1000 km et apogé vers 39000 km. Leur période était de douze heures. A leur apogée, ils étaient presque immobiles au-dessus de la Russie. Ces engins étaient assez évolués pour l'époque, ils avaient par exemple une stabilisation 3-axes. Mais la mise au point fut assez laborieuse.

 Dans les années 70, Français et Allemands mettent en oeuvre le programme Symphonie. Il s'agissait de lancer un satellite de télécommunication pour 1974, afin de diffuser dans le monde entier les images des JO de Munich (dont on a surtout retenu l'ignoble attentat antisémite qui y fut perpétré). Malgré sa petite taille (221kg) et sa capacité modeste, ce satellite était remarquable par deux innovations majeures que même les Américains lui enviaient : la stabilisation trois axes (encore jamais enployé sur un satellite géostationnaire) et les moteurs de contrôle biergols.

 Dans les années 80, on commença à placer des lignes de fibres optiques, sur terre et au fond des mers. On pensait alors qu'elles pouvaient remplacer les satellites de télécoms, avec pour atouts de ne pas subir le retard lié au temps que mettent les ondes à atteindre un satellite géostationnaire et pour en venir. Si les fibres optiques se sont bien développées, traversant par exemple l'Altantique nord et même le Pacifique, elles ne purent remplacer les satellites. Finalement, les deux moyens sont plus complémentaires que concurrent et le marché des télécommunications croît assez pour justifier leurs développements en parallèles : il y a quatre fois plus de satellites géostationnaires de télécommunications qu'il y a quinze ans. 

 A la même époque, le lanceur européen Ariane commençait à connaître un vif succès. Non seulement il marqua l'arrivée en force du Vieux Continent dans le domaine spatial (jusque là, il n'avait mené de programmes spatiaux d'envergure modeste, nationaux ou européens, et avait été ridiculisé par l'échec d'Europa), mais il permit de rendre "abordable" le lancement de satellite. Bien vite, les fusées Ariane s'approprièrent une grosse moitiè du marché des lancements en GTO.

Les constellations en orbite basse offre une alternative, en particulier pour la communication avec les mobiles. Malgré la faillite du premier de genre, Iridium, la plupart des analystes sont encore assez confiants sur leur avenir. Si les satellites géostationnaires perdent des marchés face aux constellations et aux fibres optiques, ils en gagnent de nouveaux : pays en développement, communications privées... La concurrence d'autres moyens, l'allongement de leur durée de vie et l'augmentation de leur capacité expliquent que malgrè la hausse des trafics mondiaux de données, le nombres de satellites géostationnaires de communication à lancer par an (environ 30) augmente lentement.

 Le lancement de satellites de télécommunication vers l'orbite géostationnaire reste le marché le plus important pour les lanceutrs spatiaux. Les lanceurs lourds actuels (à part la navette) ont tous ce type de lancements comme mission principale. Actuellement, il y a, pour cette catégorie comme pour d'autres, une inquiétante prolifération de lanceurs : la capacité va bientôt dépasser fortement la demande de lanceurs, de 200% selon les plus pessimistes. Il y a quelques années, Ariane tenait plus de 60% du marché, Les Atlas-Centaur et les Delta II américaine occupant le reste. Depuis, les Russes (Proton surtout) et les Chinois ont commercialisés leurs lanceurs et ravis une partie du marché. Sea Launch, montage ukraino-russo-américano-norvégien, vend depuis peu des Zenit 3SL qui représentent un concurrent de plus. Les Indiens proposeront bientôt commercialement leur GSLV. Les USA proposent deux nouveaux lanceurs (Altas III et Delta III) qui préparent les Evolved Expendable Launch Vehicle Alas V et Delta IV. Les cadences de tir de chaque lanceur vont donc diminuer.

 Voici les lanceurs disponibles sur les marché ou sur le devant l'être d'ici 5 ans. Pour les familles comprenant de nombreux lanceurs, comme les Ariane 4, ne sont reporté que la moins et la plus puissantes. Les dates de disponibilités pour les lanceurs futurs sont bien entendu sujettes à caution. Les coûts sont indicatifs : ils dépendent des conditions du contracts, les gros clients ayant des réductions, du contexte concurrenciel (certains font parfois du dumping, c'est-à-dire qu'ils vendent à perte pour augmenter leurs parts de marché et ruiner les concurrents), du cours des monnaies des différents pays, etc. Les prix ci-dessous proviennent pour la plupart d'Air et Cosmos du 19/11/99 (remerciements au Webmaster du site du Capcom) ou de l'International Space Industry Report (Remerciement à Thierry Vallée). En prenant des risques, on peut acheter le tir d'essai d'un nouveau lanceur et l'avoir à un prix dérisoire. Les prochaines versions d'Ariane 5 et de H-2 auront des coûts diminués. De l'Ariane 5G actuelle aux versions ultimes, la capacité sera doublée et le cout réduit d'un tir réduit de moitié.

nota :

(1) Lanceur en fin de carrière.
(2) A partir de l'équateur, avec un étage supérieur cryogénique
(3) 6800 sera le maximum atteind après différentes améliorations. La première version lance moins de six tonnes en GTO.

Cyril MEYNIER Mailez-moi toute correction, question ou commentaire. Dernière mise à jour : Novembre 2000. Retour à l'index.

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