{"id":5876,"date":"2022-12-12T14:29:00","date_gmt":"2022-12-12T13:29:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.cailabs.com\/blog\/non-classifiee\/space-optical-communications-why-are-space-to-ground-links-taking-time-to-develop\/"},"modified":"2025-01-03T14:51:48","modified_gmt":"2025-01-03T13:51:48","slug":"communications-optiques-pourquoi-les-liens-espace-terre-tardent-a-se-developper","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.cailabs.com\/fr\/blog\/aerospatial-et-defense\/communications-optiques-pourquoi-les-liens-espace-terre-tardent-a-se-developper\/","title":{"rendered":"Le d\u00e9veloppement des communications optiques : pourquoi les liens espace terre tardent \u00e0 se d\u00e9velopper ?"},"content":{"rendered":"\n

Comme vu dans les pr\u00e9c\u00e9dents articles, une r\u00e9volution tant technologique que de march\u00e9 sur le secteur spatial est en train de transformer l\u2019industrie. Des constellations de satellites en orbite basse (LEO) voient le jour, quand les technologies actuelles de transmission de l\u2019information, par radiofr\u00e9quence (RF), vont peiner \u00e0 r\u00e9pondre aux besoins croissants.<\/p>\n\n\n\n

Ainsi, le potentiel amen\u00e9 par les communications optiques pousse les acteurs \u00e0 adapter cette technologie \u00e0 la morphologie de l\u2019infrastructure spatiale. Notre article pr\u00e9c\u00e9dent<\/a> montrait que nombre d\u2019exp\u00e9rimentations avaient eu lieu dans le but de prouver la pertinence technique des lasercom, mais un d\u00e9s\u00e9quilibre est constat\u00e9 dans la fa\u00e7on dont est impl\u00e9ment\u00e9e cette technologie pour les missions commerciales.<\/p>\n\n\n\n

Le constat : les liens inter satellites d\u00e9collent, quand l\u2019espace-terre reste au sol<\/h5>\n\n\n\n

Dans le cadre de constellations de satellites LEO, on constate deux principaux types de communications possibles : des communications espace \u2013 terre, et des communications entre satellites, dites \u00ab intersatellites \u00bb. C\u2019est bien ce second type de connexion que l\u2019on voit se d\u00e9velopper dans le cadre de missions commerciales, au d\u00e9triment des communications espace \u2013 terre, o\u00f9 la RF est encore pr\u00e9f\u00e9r\u00e9e.<\/p>\n\n\n\n

En effet, chaque nouveau satellite de la constellation Starlink (SpaceX) mis en orbite en 2022 ou apr\u00e8s devrait \u00eatre \u00e9quip\u00e9 d\u2019un terminal de communication laser. SpaceX, en tant que pionnier et fer de lance du mouvement New Space, est tout de m\u00eame suivi de pr\u00e8s par des concurrents ayant eux aussi pour projet une constellation de satellites LEO : OneWeb pr\u00e9voit \u00e9galement d\u2019int\u00e9grer des terminaux laser, ainsi que Telesat. Cependant l\u2019objectif de ces terminaux est bel et bien d\u2019\u00e9tablir des liens intersat et non espace \u2013 terre.<\/p>\n\n\n\n

Des raisons structurelles comme premier \u00e9l\u00e9ment de r\u00e9ponse<\/h5>\n\n\n\n

Dans une infrastructure de communication spatiale \u00ab classique \u00bb, comprenant par exemple un satellite g\u00e9ostationnaire (GEO), ce dernier joue un r\u00f4le de relai entre deux points du r\u00e9seau principal au sol. L\u2019information est donc envoy\u00e9e depuis une premi\u00e8re station sol vers le satellite, qui la redirige vers une seconde station de r\u00e9ception sur terre.<\/p>\n\n\n\n

Dans ce cas, il est n\u00e9cessaire que le satellite \u00ab voie \u00bb les deux points au sol de fa\u00e7on simultan\u00e9e, c\u2019est-\u00e0-dire que les faisceaux d\u2019ondes \u00e9lectromagn\u00e9tique reliant le satellite \u00e0 la terre puissent effectivement atteindre les stations sols. Dans le cadre de satellites GEO, ce n\u2019est g\u00e9n\u00e9ralement pas probl\u00e9matique, car ils sont en g\u00e9n\u00e9ral capables de couvrir efficacement une zone au sol \u00e9quivalente \u00e0 34% de la surface de la terre. Dans le cas d\u2019une transmission entre deux points oppos\u00e9s sur terre, l\u2019information peut transiter par 2 ou 3 satellites en conservant le r\u00e9seau principal sur terre.<\/p>\n\n\n\n

Cependant, la donne se complique quand on parle de constellations LEO. Ces derniers orbitant \u00e0 une altitude beaucoup plus faible (environ 500\/1000km contre 36000km en GEO) la zone potentiellement couverte par un seul d\u2019entre eux est bien plus r\u00e9duite. De plus, du point de vue de la terre ils \u00e9voluent dans le ciel \u00e0 une vitesse angulaire tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9e, ce qui fait que la faible surface sur terre d\u2019o\u00f9 ils sont visibles se d\u00e9place tr\u00e8s rapidement.<\/p>\n\n\n\n

Pour donner un ordre de grandeur, un satellite LEO est visible depuis un point fixe de la terre pour une dur\u00e9e de 10 \u00e0 15 minutes environ, et produit une zone de couverture instantan\u00e9e d\u2019environ 2800km de rayon. Une derni\u00e8re cons\u00e9quence de leur altitude d\u2019orbite est qu\u2019ils survolent donc une majorit\u00e9 de temps la mer ou les oc\u00e9ans, et ne peuvent donc pas communiquer avec un r\u00e9seau terrestre.<\/p>\n\n\n\n

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\"Fig<\/picture>
Fig. 1 : illustration d\u2019une constellation de satellites LEO<\/em><\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Ainsi, la structure du r\u00e9seau \u00e9volue dans le cadre de ces constellations : plut\u00f4t que de faire transiter l\u2019information en de nombreux aller-retours entre les satellites et la terre, on utilise le grand nombre de terminaux en orbite comme autant de n\u0153uds d\u2019un grand r\u00e9seau dans le ciel. On a donc d\u00e9plac\u00e9 le r\u00e9seau principal, le backbone, de la terre vers l\u2019espace.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019optique devient donc particuli\u00e8rement int\u00e9ressante pour r\u00e9pondre au besoin de d\u00e9bit tr\u00e8s important sur ce backbone, quand pour un simple utilisateur particulier la RF suffit en termes de d\u00e9bit et est aujourd\u2019hui plus facile \u00e0 mettre en place. Une nouvelle fois dans le cas de Starlink, les terminaux utilisateurs sont des r\u00e9cepteurs RF. Les liens optiques satellite-terre peuvent devenir importants dans le cas o\u00f9 la station sol est un relais vers les utilisateurs finaux (un interm\u00e9diaire de plus que dans le cas de Starlink), ce qui n\u00e9cessite donc une capacit\u00e9 en d\u00e9bit plus important.<\/p>\n\n\n\n

Des limites techniques ont frein\u00e9 le d\u00e9veloppement des liens espaces-terre<\/h5>\n\n\n\n

De plus, certaines barri\u00e8res techniques au d\u00e9ploiement de l\u2019optique existent, contribuant au fait que la RF est encore aujourd\u2019hui largement dominante sur le march\u00e9 des communications espace-terre. Les ondes radio et la lumi\u00e8re sont toutes deux des ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques, ayant des fr\u00e9quences tr\u00e8s \u00e9loign\u00e9es. C\u2019est justement le fait que la lumi\u00e8re oscille \u00e0 une fr\u00e9quence bien sup\u00e9rieure \u00e0 la radio qui lui conf\u00e8re son potentiel de d\u00e9bit plus \u00e9lev\u00e9. Cependant, lorsqu\u2019elle est \u00e9mise \u00e0 l\u2019aide d\u2019un laser, elle se concentre au sein d\u2019un faisceau dirig\u00e9 dans une direction et peu divergent, contrairement aux \u00e9metteurs radio qui diffusent l\u2019onde dans un c\u00f4ne beaucoup plus ouvert.<\/p>\n\n\n\n

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Fig. 2 : l\u2019exemple d\u2019un lien entre Mars et la Terre illustre bien la diff\u00e9rence de divergence entre un faisceau RF et laser<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Ainsi, un premier d\u00e9fi r\u00e9side dans la pr\u00e9cision de pointage en position, le satellite doit viser la station sol sur terre de mani\u00e8re bien plus fine quand l\u2019optique est utilis\u00e9e en comparaison de la RF. De plus, le t\u00e9lescope d\u2019\u00e9mission embarqu\u00e9 dans le satellite, et celui de r\u00e9ception dans la station sol doivent se pointer mutuellement, afin d\u2019aligner le faisceau dans leurs axes respectifs.<\/p>\n\n\n\n

Comme expliqu\u00e9 pr\u00e9c\u00e9demment, les satellites LEO se d\u00e9placent \u00e0 grande vitesse dans le ciel quand ils sont vus depuis la terre. Cela pose donc un deuxi\u00e8me d\u00e9fi sur le pointage, la pr\u00e9cision sur l\u2019alignement entre les t\u00e9lescopes d\u2019\u00e9mission et de r\u00e9ception doit \u00eatre conserv\u00e9 malgr\u00e9 la grande vitesse angulaire observ\u00e9e entre ces derniers. D\u2019un point de vue \u00e0 la surface de la terre ; cette vitesse varie au fil de la course du t\u00e9lescope dans le ciel : plus grande au z\u00e9nith, plus petite \u00e0 l\u2019horizon.<\/p>\n\n\n\n

Enfin, contrairement au communications inter satellite, les liens satellite-terre traversent l\u2019atmosph\u00e8re. Les diff\u00e9rences de densit\u00e9, temp\u00e9rature etc. (voir Cailabs Academy saison #1<\/a>) g\u00e9n\u00e8rent des turbulences qui d\u00e9gradent la qualit\u00e9 du signal. Ainsi, si on conserve le cas du satellite LEO, la force des difficult\u00e9s techniques alterne au fil de la course de ce dernier dans le ciel : au z\u00e9nith la vitesse est plus importante, \u00e0 l\u2019horizon la distance d\u2019atmosph\u00e8re travers\u00e9e est plus grande.<\/p>\n\n\n\n

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Fig. 3 : en fonction de la position du satellite, le lien optique se voit traverser des couches d\u2019atmosph\u00e8re de diff\u00e9rentes \u00e9paisseurs<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
Des solutions existent pour lever les limites techniques<\/h5>\n\n\n\n

Cependant, le potentiel de l\u2019optique pour r\u00e9pondre aux besoins de d\u00e9bit et de souverainet\u00e9 de communication encourage le d\u00e9veloppement de solutions pour surmonter les difficult\u00e9s techniques. La faible divergence des faisceaux laser pose une difficult\u00e9 technique mais constitue \u00e0 la fois un avantage sur la radiofr\u00e9quence du fait de la quasi ininterceptabilit\u00e9 du lien.<\/p>\n\n\n\n

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Fig. 4 : les projections montrent un potentiel de forte augmentation du nombre de terminaux laser embarqu\u00e9s<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

La difficult\u00e9 sur le pointage est g\u00e9r\u00e9e gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019utilisation de montures de t\u00e9lescope h\u00e9rit\u00e9es de l\u2019astronomie, \u00e0 la base con\u00e7ues pour compenser la rotation de la terre pour l\u2019observation d\u2019objets c\u00e9lestes. La connaissance sur la position des terminaux d\u2019\u00e9mission et de r\u00e9ception permet \u00e0 cette monture d\u2019effectuer un pr\u00e9-positionnement, qui est affin\u00e9 par l\u2019utilisation de faisceaux de pointage dits \u00ab beacons \u00bb.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019astronomie a \u00e9galement l\u00e9gu\u00e9 une technologie de compensation de la turbulence : l\u2019optique adaptative. A la base impl\u00e9ment\u00e9e dans les t\u00e9lescopes d\u2019astronomie de grande taille sur terre pour compenser l\u2019effet de la turbulence sur les images observ\u00e9es, son utilisation a \u00e9t\u00e9 \u00e9tendue aux communications optiques.<\/p>\n\n\n\n

Cette solution, bien qu\u2019adapt\u00e9e \u00e0 l\u2019utilisation dans quelques observatoires d\u2019astronomie aux conditions environnementales bien contr\u00f4l\u00e9es, se r\u00e9v\u00e8le peu adapt\u00e9e pour les stations sols de communications optiques. En effet, les syst\u00e8mes d\u2019optique adaptative ont un fort encombrement, sont sensibles aux vibrations, ont un prix relativement \u00e9lev\u00e9.<\/p>\n\n\n\n

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Fig. 5 : principe de fonctionnement de la solution de r\u00e9duction des turbulences TILBA-ATMO de Cailabs.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

L\u2019utilisation d\u2019une autre technologie, le MPLC (Multi-Plane Light Conversion) peut s\u2019av\u00e9rer bien plus avantageuse et adapt\u00e9e. Contrairement \u00e0 l\u2019optique adaptative, cette technologie ne comporte pas de pi\u00e8ces en mouvement, et est bien plus compacte, ce qui en fait une solution robuste et industrielle.<\/p>\n\n\n\n

Grace \u00e0 cette technologie, Cailabs a pour vocation de pousser le d\u00e9veloppement du segment sol des communications optiques, en permettant la compensation de la turbulence atmosph\u00e9rique avec un composant simple et efficace : TILBA\u00ae-ATMO. C\u2019est donc l\u2019int\u00e9gration de ce dernier qui contribue \u00e0 rendre uniques les stations sols optiques TILBA\u00ae-OGS con\u00e7ues par Cailabs.<\/p>\n\n\n\n

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\"Julien<\/picture><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Par Julien Bayol<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Julien Bayol est ing\u00e9nieur en m\u00e9canique INSA, et a suivi un Master en Management \u00e0 la Toulouse Business School. Son domaine d\u2019int\u00e9r\u00eat est port\u00e9 sur les techniques de fabrication de pointe, via l\u2019utilisation de solutions optiques innovantes. A Cailabs, Julien est assistant chef de produit, il contribue au d\u00e9veloppement et \u00e0 la commercialisation des gammes produits CANUNDA et TILBA\u00ae.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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