Stratégies Télécoms & Multimédia

I – Le satellite

Un satellite de télécommunications est constitué de dispositifs d’émission réception radioélectriques associés à des antennes et d’amplificateurs à large bande et à gain élevé. Il constitue le "segment spatial" de la liaison bilatérale établie à la demande des exploitants ou des utilisateurs. Le composant clé du satellite est l’amplificateur à tube à ondes progressives (TWT, ou Traveling Wave Tube), inventé dans les années 1960, dont la puissance a été portée de 1 à 50, puis 300 watts.

II – Alimentation et usages

Les satellites sont alimentés à partir d’une batterie, laquelle reçoit son énergie de panneaux solaires orientés vers le soleil. Le système de charge et décharge de la batterie et les poussières de l’espace ne permettent pas à cet ensemble de dépasser les dix à 15 années d’usage.

Le satellite dispose d’une réserve de gaz liquéfié et des télécommandes d’ouverture et de fermeture de vannes permettent de replacer le satellite à sa bonne position et de corriger ainsi ses dérives éventuelles. Un satellite géostationnaire est placé à 35 860 km environ de la surface terrestre (sur l’orbite dite de Clark), où la gravité est équilibrée par la force centrifuge laquelle est liée à sa vitesse de rotation.

L’UIT définit les positions orbitales des satellites souhaitées par les exploitants ainsi que leurs fréquences d’exploitation (ITU Regulations). L’écart entre deux satellites voisins ne doit être inférieur à 1° environ.

III - Principaux types de satellites

1) Les satellites à défilement en orbite basse (LEO, Low Earth Orbiting Satellite, dont l’altitude est comprise entre 600 et 2 500 km, et MEOs, Medium Earth Orbiting Satellite dont l’altitude est comprise entre 1 500 et 13 000 km). Les LEOs et MEOs disposent de puissances d’émission plus faibles que les GEOs.

2) Les satellites héliosynchrones (SSOs, Sun Synchronous Orbit satellite), dont le plan de l’orbite elliptique fait un angle constant avec le soleil et qui survolent un même point terrestre entre 600 et 800 km d’altitude tous les jours (périodicité de 10 h 30 environ).
3) Les satellites géostationnaires (GEOs, Geosynchronous Earth Orbiting satellite) placés sur le plan équatorial de la Ceinture de Clarke, à 35 680 km de la terre.
4) Les aéronefs stratosphériques, ou HAPS (High Altitude Platform Systems) placés à 6 km d’altitude environ établissent des liens dans la bande des 10 à 48 GHz pour des zones de 200 km de diamètre.

IV - Les satellites géostationnaires (GEOs)

Les satellites géostationnaires ont été jusqu’ici les plus employés. Ils sont placés dans le plan équatorial terrestre et ils ont une période de révolution égale à un jour terrestre (d’où leur nom). Ils permettent de couvrir, par leur antenne globale, tous les sites terrestres compris entre les parallèles 78° nord et sud. Une famille de trois satellites espacés de 120° en longitude est capable de couvrir l’ensemble des surfaces habitées de la planète. Un satellite peut être équipé de 1 à 24 ou 40 répéteurs (ou transpondeurs), comportant chacun plusieurs canaux de transmission. Le répéteur amplifie les signaux reçus et les réémet sur une autre fréquence vers les stations terriennes. Chacun de ces canaux peut être raccordé à une gamme de fréquences différentes, commutables vers un jeu d’antennes. Ces antennes sont conçues pour couvrir des zones géographiques déterminées (zones de couverture ou foot print). Les structures de GEO peuvent être reconfigurées, de façon à faire face aux fluctuations du marché. Les satellites de télécommunications ont pour vocation de constituer des liaisons très longues, là où l’investissement en câbles s’avérerait difficile.



La propagation des ondes pour les satellites obéit aux mêmes lois que celle des faisceaux hertziens. La différence porte sur la faible épaisseur de la couche atmosphérique traversée, ce qui fait que la propagation des signaux souffre très peu des dégradations dues au phénomène d’évanouissement (fading). Les liaisons satellites peuvent être perturbées, comme les faisceaux hertziens, par les ondes électromagnétiques générées par les éruptions solaires ou bien affaiblies par les pluies, ou par le givre sur les antennes. Enfin, aux équinoxes, lorsque le soleil se trouve dans l’axe de l’antenne, les antennes de réception sont aveuglées par le soleil pendant 5 à 20 minutes environ selon la latitude.

V - Micro, nano et pico satellites

L’Agence spatiale européenne (ESA, European Space Agency) a demandé à la société Qinetiq d’étudier la faisabilité de satellites de faible poids (microsatellites). Deux micro satellites (moins de 100 kg) seront réalisés, qui en démontreront la faisabilité industrielle. Un prototype LIDAR sera utilisé pour déterminer la vitesse des vents, certaines propriétés de la lumière et pour participer à l’exploration de la planète.

Les nanosatellites sont ceux qui pèsent moins de 10 kg et les picosatellites pèsent moins de 5 kg. Ces deux catégories, souvent utilisées pour des applications scientifiques ou d’observation, entrent dans le domaine des LEO (Low Earth Orbit) et ne peuvent donc pas bénéficier de position géostationnaire.

VI - Puissance transmise

La distance à parcourir et les surfaces à desservir imposent des conditions sévères aux équipements de transmission. Pour éviter de perturber le signal reçu par le satellite entre les stations A et B, le signal émis par celui-ci est transposé dans une autre bande de fréquences. L’amplification des signaux est effectuée par un tube à onde progressive (TWT, Traveling Waves Tube amplifier) dont la fiabilité est essentielle. Les TWT de type M ont aujourd’hui une durée de vie moyenne de 100 000 heures (12 ans) et un étage d’amplification fournit un gain de l’ordre de 60 dB.

VII - Bandes de fréquences utilisées

Trois bandes de fréquences sont utilisées pour les liaisons satellitaires. La bande de fréquences 4-8 GHz, appelée "bande C", conduit à des équipements de faible puissance, nécessitant des antennes de grande dimensions. Elle est moins sensible aux variations de propagation dues à la pluviométrie, La bande 10-18 GHz, dite "bande Ku", et la bande 27-40 GHz, appelée "bande Ka" présentent l’avantage d’accepter des antennes de faible dimensions pour des débits identiques. La polarisation des canaux transmis permet une meilleure utilisation de la bande des fréquences.

La bande Ka commence à être utilisée en Amérique du Nord en raison de la pénurie de ressources en fréquence dans la bande Ku ; Elle suppose l’emploi de codes adaptatifs et d’un système de gestion de réseau (plus coûteux que le NMS des téléports actuels), sur l’ensemble des dispositifs terrestres. Des liaisons de secours doivent être prévues afin de faire face à tout incident de transmission affectant la qualité des liaisons. Les répéteurs utilisés en bande Ka offrent des canaux de 100, 200 et 200 MHz de largeur de bande que ne peuvent assurer ceux des répéteurs de la bande Ku qui sont limités à des largeurs de 27, 36, 54 et 72 MHz. La bande Ka (20 à 30 GHz) permet l’emploi de petits terminaux type VSAT.

VIII - Modulations

Les liaisons transportées par le satellite sont en général constituées en groupes de fréquence de largeur de bande suffisante pour être modulées. Les techniques d’accès multiples sont aussi employées couramment (FDMA, CDMA, TDMA). Les liaisons uniques font l’objet d’un traitement particulier (SCPC, Single Channel per Carrier, ou MPCPC) en FDMA. L’UIT-R a publié une série de recommandations relatives aux choix de modulations et de signalisation possibles. Les systèmes VSAT (Very Small Aperture Terminal) permettent la transmission bilatérale de données avec des antennes de petit diamètre (un à deux mètres), permettant des débits de l’ordre de 8 Mbit/s dans le sens montant et 512 kbit/s dans le sens descendant. Un réseau VSAT suppose la disponibilité d’un centre de gestion spécialisé et d’un parc de plusieurs centaines de stations terminales en moyenne.

IX – Principales applications

9.1 - Télévision et DVB

La norme DVB (Digital Video Broadcast) définit la transmission numérique en IP des signaux télévisuels en MPEG sur différents supports. La norme DVB-S est celle qui concerne la transmission télévisuelle par satellite et le DVB-RCS (DVB return channel via satellite) définit un montage bidirectionnel asymétrique (8 Mbit/s et 2 Mbit/s) avec compatibilité avec les protocoles de routage RIP et IGMP et de transport RTP, UDP, TCP, etc. Le DVB-RCS est exploitable avec des petites antennes de moins d’un mètre. Il est simple et rapide à mettre en œuvre et peu coûteux. Il convient aux résidentiels et aux PME.

9.2 - Géolocalisation

En utilisant des fréquences stabilisées fournies par plusieurs satellites géostationnaires, un récepteur peut être localisé avec une grande précision et peut être associé aux services de données mobiles (SMS, GPRS, etc.) et à la cartographie des lieux, ainsi qu’aux informations relatives à des intérêts diverses, dont celles du tourisme. Il existe plusieurs réalisations ou projets de systèmes de géolocalisation : le GPS (Etats-Unis), Galileo (Europe), Glossnas (GLobal Orbiting Navigation Satellite System, Russie), et la Chine (Beidou), le Japon et l’Inde (Indian Regional Navigational Satellite System, IRNSS) ont l’intention de mettre au point leur propre GNSS (Global Navigation Satellite System).

Le GPS (Global Positioning System) est un système de navigation basé sur 24 satellites américains répartis sur six orbites situés à 20 000 km d’altitude qui effectuent une rotation terrestre en douze heures. Quatre satellites suffisent pour connaître sa position dans les trois dimensions (SPS Standard Positioning System). Les autres satellites en vue ne servent qu’à apporter une précision plus grande (PPS, pour Precise Positioning System), proche de 10 mètres. Le service GPS peut être mis en sommeil en cas de conflit.

9.3 - Galileo

L’Europe communautaire (27 pays membres), en accord avec l’Agence Spatiale Européenne (17 pays membres) a souhaité s’affranchir des Etats-Unis et de son système GPS en lançant le projet civil Galileo. Plus précis que le GPS, le système Galileo a conduit la Chine à s’intéresser au projet européen, le service GPS pouvant être mis en sommeil en cas de conflit armé. Un accord international a permis d’harmoniser les points de vue américain, chinois, européen et israélien afin de rendre compatibles les systèmes GNSS. D’autres accords ont été signés avec une dizaine de pays, dont le Brésil, la Corée du Sud, l’Ukraine, etc. La gestion commerciale des services Galileo a été confiée à iNavsat et à Eurely. Galileo devrait bénéficier d’un impact important dans le domaine de la sécurité et du transport qui est renforcé par la participation des pays tiers. La navigation par satellite utilise au moins les références de temps de quatre satellites sélectionnés parmi les 30 de la constellation de Galileo. Le système Galileo repose sur quatre composantes.

1 – le segment spatial (30 satellites sur trois orbites circulaires d’altitude moyenne- 24 000 km – dont les fréquences d’identification sont diffusées vers la surface de la terre).
2 – Le segment terrestre, qui comporte un certain nombre de stations de réception fixes à des fins de contrôle.
3 – Le segment utilisateur, constitué de récepteurs portables, intégrés ou non à des équipements de calculs et de cartographie.
4 – EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) composé de trois satellites géostationnaires et de 46 composantes déployées dans 22 pays, qui permet de transmettre des corrections régionales à l’intention des utilisateurs. L’expérience fournie par le système EGNOS est utile au projet Galileo sur le plan des techniques et des services futurs.

Galileo devrait diffuser dix signaux : six pour les services gratuits, deux pour le service commercial et deux pour le service public réglementé (PRS). Cinq services sont prévus :

- le service ouvert pour des usages civils, du type du GPS actuel. Deux bandes de fréquences permettent d’obtenir une précision inférieure à 4 m en horizontale et à 8 m en verticale.

- le service commercial pour des services à valeur ajoutée avec une précision inférieure à 1 m ou même 10 cm.

- le service de sûreté de la vie pour le transport routier, aérien, maritime et terrestre ;

- le service public réglementé pour les missions de service public, avec chiffrement.

- le service de recherche et secours avec localisation des balises Cospas des organismes internationaux.

9.4 – Galileo et Egnos

Dans l’attente du déploiement des 30 satellites de Galileo vers 2013, le système EGNOS, qui exploite depuis 2009 un réseau de 40 stations terrestres et de trois satellites, utilise les signaux des systèmes américain (GPS) et russe (GLONASS), afin de fournir un service de géolocalisation différentielle fiable et précis à 2 m près. Egnos peut être interrogé par GPRS.

X - Le marché actuel satellitaire (voir aussi le DT N° 28)

La mise en œuvre des protocoles MPLS et IPv6, associée aux techniques de compression d’en-têtes, permet d’utiliser VoIP, SIP, H.323, MHP sur des liaisons par satellite, malgré le temps de propagation qu’elles entraînent. En effet, IPv6 n’astreint plus à l’obligation de traduire les adresses dans un NAT et l’utilisation raisonnable des serveurs Proxy permet d’accroître les usages sans pénaliser les utilisateurs. 640 répéteurs seraient actuellement dédiés au trafic Internet. La télévision à haute définition (norme DVB-RCS associé à UDLR), la visioconférence et le téléenseignement constituent les segments les plus prometteurs du domaine satellitaire en service fixe.

Près de 300 satellites GEOs portent environ 11 000 répéteurs pour le service fixe en 2010. Les constellations des LEO (Low Earth Orbital satellite) Globalstar, Orbcomm et Iridium offrent des services voix et données. La durée de vie limitée de ces satellites rend leur rentabilité difficile. La technologie permet de placer en orbite des satellites GEOs de poids élevé (5 à 6 tonnes) et des grappes de petits GEOs, dont la vocation doit trouver sa spécificité.

La plupart des GEOs sont exploités dans la bande C ou dans la bande Ku et peu d’entre eux encore utilisent la bande Ka. Les positions géographiques préférentielles des satellites sont ceux de l’Amérique du Nord, de la zone Asie-Pacifique, de l’Europe et de la zone Atlantique. Le marché des satellites concerne les quatre applications suivantes : la téléphonie rurale, les liaisons point à point et multipoints et les liaisons d’accès à Internet et la diffusion télévisuelle. La surcapacité satellitaire contraint le service fixe à diminuer ses tarifs, face à la diffusion de la fibre optique.

Le recul du trafic satellitaire, lié au développement des réseaux intercontinentaux en fibre optique, engendre une certaine surcapacité des amplificateurs et des lanceurs qui explique la consolidation des acteurs du marché actuellement en cours. Le ralentissement des commandes en satellites retentit sur l’activité des lanceurs. Pour diminuer les coûts des lancements, il est proposé de lancer les satellites à partir d’avions (Mig-3) ou d’utiliser des plateformes (ou aéronefs) en haute altitude (HAPS), tel que le suggère le projet Stratellite). La baisse des prix fait apparaître de nouveaux acteurs.