http://fr.wikipedia.org/wiki/Satellite_de_télécommunications
Orbite géostationnaire
Un satellite en orbite géostationnaire semble fixe à un observateur à la surface de la Terre. Il fait le tour de la Terre en 23h 56 min, à vitesse constante, à la verticale de l'équateur.
L'orbite géostationnaire est très pratique pour les applications de communication car les antennes au sol, qui doivent impérativement être pointées vers le satellite, peuvent fonctionner efficacement sans devoir être équipées d'un système de poursuite des mouvements du satellite, système coûteux et compliqué à exploiter. Dans le cas d'applications nécessitant un très grand nombre d'antennes au sol (comme la diffusion de bouquets de télévision numérique), les économies réalisées sur les équipements au sol justifient largement la complexité technologique du satellite et le surcoût de la mise sur une orbite relativement haute (près de 36 000 km).
Le concept de satellite de communication géostationnaire a été exposé pour la première fois par Arthur C. Clarke, se fondant sur des travaux de Constantin Tsiolkovski et sur un article de Herman Potočnik, écrit en 1929 sous le pseudonyme de Herman Noordung, avec pour titre Das Problem der Befahrung des Weltraums — der Raketen-motor. En octobre 1945 Clarke publia un article intitulé « Extra-terrestrial Relays » dans le magazine britannique Wireless World. L'article décrit les lois fondamentales régissant le déploiement de satellites artificiels en orbite géostationnaire à des fins de relayer des signaux radio. Pour cette raison, Arthur C. Clarke est considéré comme l'inventeur du satellite de communication.
Le premier satellite de communication géostationnaire était canadien, c'était le Anik 1, lancé le 9 novembre 1972 ; il restera en exploitation jusqu'au 15 juillet 1982. Les États-Unis d'Amérique suivront peu de temps après, Western Union lançant le satellite Westar 1 le 13 avril 1974, et RCA Americom (devenue SES Americom de nos jours) lançant le satellite Satcom 1 le 12 décembre 1975.
Satcom 1 fut à l'origine du succès des chaînes câblées américaines comme WTBS, HBO, CBN, The Weather Channel, etc. en permettant à ces dernières d'atteindre par satellite les têtes de tous les réseaux locaux par câble. De plus, ce satellite était le premier utilisé par les grands réseaux de télévision, comme ABC, NBC ou CBS pour alimenter leurs filiales locales en programmes. Satcom 1 était très utilisé car il proposait deux fois plus de bande passante (24 transpondeurs au lieu de 12 pour Westar 1), et donc avait des coûts d'exploitations bien moindre.
Le premier satellite de télécommunications géostationnaire stabilisé trois-axes a été le satellite expérimental de la NASA ATS-6 lancé le 30 mai 1974, bientôt suivi par les satellites Symphonie, satellites de télécommunications réalisés en France et en Europe et les premiers stabilisés trois-axes en orbite géostationnaire à système de propulsion biergol pour la manœuvre de circularisation geosynchrone et le maintien à poste (précurseur des satellites modernes à partir des années 1990), et premier système complet (après le lancement du second modèle) avec tous les segments dédiés de contrôle et d'utilisation.
En 2000, Hughes Space and Communications, racheté depuis par Boeing Satellite Development Center, avait construit près de 40 % des satellites en exploitation dans le monde entier. Les autres fabricants importants sont Loral Space Systems, Lockheed Martin Space Systems, Northrop Grumman, Thales Alenia Space et EADS Astrium Satellites.
Satellites en orbite terrestre basse
Une orbite terrestre basse est une orbite circulaire entre 350 et 1400 km de la surface de la Terre; en conséquence la période de révolution des satellites est comprise entre 90 minutes et 2 heures. En raison de leur faible altitude, ces satellites sont uniquement visibles dans un rayon de quelques centaines de kilomètres autour du point à la verticale duquel se trouve le satellite. De plus les satellites en orbite basse se déplacent rapidement par rapport à un point fixe sur Terre, donc même pour des utilisations locales, un grand nombre de satellites sont nécessaires si l'application exige une connectivité permanente.
Les satellites en orbite terrestre basse sont beaucoup moins chers à mettre en orbite que les satellites géostationnaires, et grâce à leur proximité avec le sol, demande une puissance de signal moins importante1. Le coût de chaque satellite étant bien moindre, il peut être intéressant d'en lancer en plus grand nombre, le lancement étant aussi moins cher, ainsi que les équipements nécessaires à l'exploitation au sol.
Un ensemble de satellites fonctionnant de concert est connu sous le nom de constellation satellitaire. Plusieurs de ces constellations fournissent des services de téléphonie sans fil par satellite, à l'origine vers des zones isolées. Le réseau Iridium par exemple utilise 66 satellites. Le réseau Globalstar se compose, quant à lui, de 60 satellites.
Le réseau satellitaire d'O3b Networks, Ltd., pour Google, 16 satellites de télécommunications en orbite basse devant offrir des services de déport de réseau Internet par satellite à faible période de latence vers les pays émergents et en voie de développement dans le monde entier à des vitesses pouvant atteindre 10 Gbps et d’une capacité totale combinée de 160 Gbps est en cours d'étude par Thales Alenia Space, dans le Centre spatial de Cannes Mandelieu2.
Une autre utilisation possible de ces systèmes est l'enregistrement de données reçues lors du passage au-dessus d'une zone terrestre, et sa retransmission lors du passage sur une autre zone. Ce sera le cas avec le système CASCADE, du projet canadien CASSIOPE de communication par satellite.
Satellites en orbite de Molniya[modifier]
Les satellites géostationnaires sont nécessairement à la verticale de l'équateur. En conséquence, ils sont assez peu intéressants sous des latitudes élevées : dans de telles régions, un satellite géostationnaire apparaîtra très bas sur l'horizon; la liaison pourra alors être perturbée par les basses couches de l'atmosphère. Le premier satellite Molniya a été lancé le 23 avril 1965 et fut utilisé pour des transmissions expérimentales de télévision, l'émission se faisant depuis Moscou, et différentes réceptions en Sibérie et dans l'Extrême-Orient russe, à Norilsk, Khabarovsk, Magadan et Vladivostok. En novembre 1967, les ingénieurs soviétiques créèrent un système de télévision nationale par satellite unique, appelé Orbita, basé sur des satellites Molniya.
L'orbite de Molniya
Se caractérise par un apogée de l'ordre de 40000 km situé au-dessus de l'hémisphère nord et un périgée de l'ordre de 1000 km est au-dessus de l'hémisphère sud. De plus son inclinaison sur l'équateur est forte, 63,4°. Les propriétés de cette orbite garantissent que le satellite passe la plus grande partie de son orbite au-dessus des latitudes les plus nordiques, période durant laquelle son empreinte au sol change relativement peu puisqu'il se déplace plus lentement. Sa poursuite en est ainsi facilitée. La période de cette orbite est d'une demi-journée (12h), ce qui rend le satellite utilisable durant 8h à chaque révolution. Ainsi, une constellation de trois satellites Molniya (plus un de secours en orbite) pouvait fournir une couverture permanente des latitudes nord.
Les satellites en orbite de Molniya sont essentiellement utilisés pour des services de téléphonie et de télévision au-dessus de la Russie. Une autre application permet de les utiliser pour des systèmes de radio mobile (même sous des latitudes moins élevées) car les véhicules circulant dans des aires fortement urbanisées ont besoin de satellites avec des élévations importantes pour garantir une bonne connectivité même en présence d'immeubles élevés.
Le DoD des États-Unis utilise également une telle orbite pour des satellites de surveillance et de communications. En effet, en raison de sa période de 12 heures, un satellite qui atteint une première apogée au-dessus de la Russie, pour 8 heures environ d'utilisation opérationnelle, passera 8 heures dans les mêmes conditions au-dessus de l'Amérique du nord à l'orbite suivante.
Mise en orbite
Le « canon de Newton » : au-delà d'une certaine vitesse le boulet ne retombe plus au sol.
Un objet lancé à la surface de la Terre décrit une trajectoire parabolique qui le ramène au sol sous l'influence de la gravité terrestre (cas A sur le schéma). Plus la vitesse initiale de l'objet est importante plus le point de chute est éloigné (cas B). Lorsqu'une certaine vitesse est atteinte, l'objet chute mais sans jamais atteindre le sol du fait de la courbure de la Terre (cas C). Pour que l'objet conserve indéfiniment sa vitesse, il faut toutefois que celui-ci se déplace dans le vide au-dessus de l'atmosphère, là où aucune force de traînée (frottement) ne s'exerce : à cette altitude en application du principe d'inertie aucune énergie n'est en effet nécessaire pour maintenir son mouvement.
Pour qu'un objet soit satellisé autour de la Terre il faut que sa vitesse horizontale par rapport au centre la Terre (la vitesse d'injection) soit de 7 700 mètres par seconde pour une orbite circulaire à 200 km au-dessus de la Terre (au-dessous de cette altitude la traînée est trop importante). Si on communique une vitesse supérieure à un satellite circulant à la même altitude, l'orbite devient elliptique (cas D sur le schéma) : le point de l'ellipse le plus rapproché de la Terre est le périgée et le point le plus éloigné est l'apogée. Si la vitesse dépasse 11 km par seconde (cas E), le satellite échappe à l'attraction terrestre : c'est la vitesse de libération de la Terre qu'il est nécessaire de communiquer à une sonde spatiale pour qu'elle puisse être envoyée vers d'autres planètes du système solaire.
La vitesse de satellisation minimale est proportionnelle à la gravité - et donc à sa masse - du corps céleste autour duquel le satellite doit orbiter : un objet qui décolle du sol lunaire a besoin d'une vitesse horizontale beaucoup plus faible pour être satellisé (4 fois plus faible que la Terre : 1,7 km/s).
La Terre se trouve à l'emplacement d'un foyer de l'orbite elliptique du satellite dont la vitesse croit d'autant plus que la Terre est proche.
Orbite basse se situe juste au-dessus de l'atmosphère terrestre à une altitude où la traînée ne freine pas trop la vitesse du satellite (par convention l'orbite basse se situe à une altitude inférieure à 2 000 km). Une fusée a besoin de moins de puissance pour placer un satellite sur ce type d'orbite. Elle est utilisée par les satellites scientifiques qui explorent l'espace lointain. Le télescope Hubble, par exemple se situe sur une orbite de 610 km. On trouve également sur ce type d'orbite les satellites de radioamateur et les constellations de téléphonie mobile ou de télédétection terrestre, telle que l'A-train ;
l'orbite moyenne culmine généralement à une altitude de 20 000 km avec une période de 12 heures. L'orbite située en dehors de l'atmosphère terrestre est très stable. Les signaux envoyés par le satellite peuvent être reçus sur une grande partie de la surface du globe terrestre. C'est l'altitude retenue pour les satellites de navigation comme le système GPS. Un peu plus bas, à 8.063 km, est prévue la constellation de satellites O3b pour la distribution d'Internet.
L'orbite haute a un apogée qui se situe à une altitude supérieure à l'orbite géostationnaire. La Russie utilise ce type d'orbite pour certains de ses satellites de télécommunications : l'orbite de Molniya se caractérise par une orbite très excentrique avec un apogée de 40 000 km pour un périgée de 500 km. L’inclinaison de 63,4° permet d'échapper aux perturbations d'orbite découlant de l'aplatissement du globe. L'orbite de Molniya permet une couverture 24h sur 24 du territoire de la Russie avec une constellation de trois satellites. Cette orbite est utilisée car la Russie ne peut lancer de satellites géostationnaires depuis ses bases spatiales toutes situées à des latitudes trop élevées et les satellites géostationnaires ne peuvent pas couvrir la fraction du territoire russe située à une latitude supérieure à 81°10.
Les paramètres de l'orbite d'un satellite
Paramètres orbitaux d'un satellite artificiel : ascension droite du nœud ascendant ☊, inclinaison i, argument du périgée ω.
Paramètres orbitaux : demi grand axe a, argument du périgée ω, anomalie vraie ν.
Six paramètres sont utilisés pour fournir la position et la trajectoire d'un satellite dans l'espace :
l'orbite d'un satellite est un plan. Si on ne tient pas compte des perturbations naturelles auxquelles elle est soumise et en l'absence de manœuvres du satellite, le plan d'orbite est fixe dans l'espace. Ce plan peut être défini par deux paramètres : l'inclinaison i et la longitude (ou ascension droite) du nœud ascendant ☊ ;
trois paramètres – l'excentricité e et le demi-grand axe a de l'ellipse ainsi que l'argument du périgée ω – permettent de décrire la trajectoire en forme d'ellipse dans le plan d'orbite ;
un dernier paramètre permet de situer le satellite sur son orbite : on peut par exemple prendre le temps t écoulé depuis le passage au périgée.
Plans et droites de référence
Les paramètres de l'orbite sont définis dans un référentiel constitué de plusieurs plans et de droites :
la trajectoire de la Terre autour du Soleil s'inscrit dans un plan, dit plan de l'écliptique, passant par le centre du Soleil ;
le plan de l'équateur terrestre est le plan passant à la latitude de l'équateur ;
à l'équinoxe de printemps le 21 mars le plan de l'équateur terrestre coupe le plan de l'écliptique selon une ligne dite ligne des équinoxes passant par le Soleil. Cette droite qui désigne à l'infini le point vernal γ est fixe dans le système solaire ;
l'orbite d'un satellite coupe le plan de l'équateur en deux points appelés nœud ascendant lorsque le satellite passe de l'hémisphère sud à l'hémisphère nord et nœud descendant. La ligne reliant les deux points est appelée ligne des nœuds.
L'orientation du plan de l'orbite
L'inclinaison i du plan de l'orbite du satellite (entre 0 et 180 degrés) est l'angle que fait le plan de l'orbite avec le plan de l'équateur. Lorsque i = 90° l'orbite du satellite survole les pôles (orbite polaire) ; si i = 0 le plan de l'orbite se situe dans le plan de l'équateur. L'orbite est dite directe lorsque i est inférieur à 90° et rétrograde sinon.
La longitude du nœud ascendant ☊ (ou ascension droite du nœud ascendant) est l'angle entre la direction du point vernal et la ligne des nœuds, dans le plan de l'écliptique. Si le plan de l'orbite coïncide avec la droite des équinoxes la longitude du nœud ascendant est nulle.
Les caractéristiques de la trajectoire dans le plan d'orbite
Dans le plan défini par les paramètres précédents, l'orbite est décrite par trois paramètres. La forme de l'ellipse que parcourt le satellite est fournie par deux informations :
le demi-grand axe a c'est-à-dire la moitié de la distance qui sépare le périgée de l'apogée ;
l'excentricité e de l'ellipse décrite par le satellite. Si e = 0 le satellite a une orbite circulaire.
L'argument du périgée ω est l'angle formé par la ligne des nœuds et la direction du périgée (la droite passant par la Terre et le périgée de la trajectoire du satellite), dans le plan orbital. La longitude du périgée est la somme de la longitude du nœud ascendant et de l'argument du périgée.
La position du satellite sur son orbite
La position du satellite sur sa trajectoire peut être fournie de deux manières :
en spécifiant le temps t écoulé depuis son passage au périgée. t = 0 indique que le satellite est à son périgée ;
en indiquant l'angle ν (dit anomalie vraie) formé par les droites allant du centre de la Terre vers d'une part le périgée et d'autre part la position du satellite. ν = 0° indique que le satellite se trouve à son périgée.
