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Télécommunications optiques spatiales

Les télécommunications optiques spatiales sont une catégorie de télécommunications spatiales reposant sur l'utilisation de laser pour la transmission des données. Cette technique permet d'accroitre considérablement le débit par rapport aux liaisons radio tout en réduisant la puissance électrique nécessaire. L'utilisation du laser dans ce contexte se heurte toutefois à la nécessité d'un pointage extrêmement précis depuis un support se déplaçant éventuellement à grande vitesse par rapport au récepteur et lorsque ce dernier se trouve au sol à des problèmes de transparence de l'atmosphère. Les télécommunications optiques spatiales font l'objet de nombreuses expérimentations depuis le début des années 2000. Le recours au laser vise à répondre à différents contextes : croissance du volume des données transmises par les instruments embarqués sur les satellites de plus en plus puissants, éloignement de l'engin spatial de la Terre, exigences croissantes des consommateurs. Les applications étudiées portent sur les liaisons entre satellite et station au sol, entre satellite en orbite basse et satellite géostationnaire jouant le rôle de relais, entre satellites en orbite basse (constellation de satellites de télécommunications) et entre sondes spatiales circulant dans le système solaire et les stations sur Terre.

Avantages et inconvénients

Les principaux avantages sont :

  • La faible divergence du signal. Celle-ci est 1 000 fois moins importante qu'une liaison radio ce qui réduit fortement la puissance nécessaire pour transmettre une même quantité de données
  • La fréquence optique permet de transmettre une grande quantité de données

Les principaux inconvénients sont :

  • Nécessité d'un pointage très fin de l'émetteur laser particulièrement difficile à obtenir lorsque la distance et la direction du récepteur évoluent rapidement
  • Sensibilité à la transparence optique de l'atmosphère lorsqu'il s'agit d'une liaison avec la Terre

Applications
  • liaisons entre satellite en orbite basse et satellite géostationnaire
  • liaisons entre satellite et station au sol,
  • liaison entre satellites en orbite basse au sein d'une constellation de satellites de télécommunications pour la téléphonie par satellite ou l'internet par satellite
  • liaison entre sondes spatiales circulant dans le système solaire et la Terre

Réalisations
Schéma du système de communication optique de la sonde spatiale lunaire LADEE de la NASA.
Vue d'artiste de l'expérience de communication spatiale optique OPALS (en) de la NASA installée à l'extérieur de la Station spatiale internationale.

Les télécommunications optiques spatiales ont fait l'objet de nombreuses expérimentations[1] :

Agence spatiale européennes
  • SILEX (Semiconductor Laser Inter-Satellite Link Experiment) était une expérience de liaison par laser menée par l'Agence spatiale européenne et le CNES entre le satellite SPOT 4 circulant en orbite terrestre basse et ARTEMIS circulant en orbite géostationnaire. La première liaison fonctionnelle date de [2]. Le débit était de 50 mégabits/secondes. Le laser de type GaAlAs fonctionnait dans la longueur d'onde 800 nm. La réception utilisait des matrices de CCD et un miroir à basculement. La modulation était de type PPM.
  • EDRS est le système de communications déployé en 2016 et 2018 par l'Agence spatiale européenne sur des satellites de télécommunications commerciaux en orbite géostationnaire et servant de relais entre les satellites de l'ESA circulant en orbite basse et les stations terrestres. Il repose sur un système de communication par laser développé avec le soutien de l'agence spatiale allemande DLR par la société Tesat Spacecom. Ce système doit être également installé à bord des satellites dont les données sont relayées mais il présente l'avantage de permettre un débit instantané particulièrement élevé de 1,8 gigabits/seconde (et 40 téraoctets par jour)[3].

NASA
  • L'expérience LLCD (Lunar Laser Communications Demonstration) est un démonstrateur technologique de la NASA destiné aux communications optiques entre la sonde spatiale lunaire LADEE en orbite autour de la Lune et une station terrestre. La mission qui s'est déroulée en 2013/2014 a permis d'atteindre un débit descendant de 622 mégabits/s et ascendant de 20 mégabits/s[4].
  • OPALS (Optical PAyload for Lasercomm Science) est une expérience de télécommunications optique expérimentale de la NASA installée à bord de la Station spatiale internationale qui a fonctionné durant 3 mois à compter d'[5].
  • LCRD (en) (Laser Communications Relay Demonstration) est un démonstrateur technologique de la NASA destiné à tester la technique des communications optiques entre un satellite géostationnaire et une station terrestre. L'émetteur doit être embarqué sur un satellite expérimental de l'Armée de l'Air qui doit être placé en orbite en 2019. Deux télescopes seront mobilisés au sol pour recevoir les données : l'OCTL du centre JPL situé Table Mountain en Californie doté d'un télescope de 1 mètre d'ouverture et une station à Hawaï dotée d'un télescope ayant une ouverture de 60 cm. Les deux stations sont également équipées d'un émetteur laser[6].
  • La NASA prévoit de lancer en 2022 la sonde spatiale Psyché équipée d'un système de télécommunications optique DSOC (Deep Space Optical Communication). La sonde spatiale doit se placer en orbite autour d'un astéroïde qui circule à une distance du Soleil comprise entre 2,5 et 3,2 Unités Astronomiques[7].

Agence spatiale japonaise

Le satellite japonais JDRS-1, placé en orbite géostationnaire fin novembre 2020, sert de relais entre les satellites militaires et civil japonais circulant en orbite basse et les stations terriennes. Il dispose d'un système de communication laser, baptisé LUCAS (Laser Utilizing Communication System) qui fonctionne dans le proche infrarouge et permet un débit de 1,8 gigabits par seconde. Cet équipement a été mis au point à bord du satellite Kirari lancé en 2005. Deux satellites d'observation de la Terre, ALOS-3 et ALOS-4 qui doivent être lancés au début de la décennie 2020 seront équipés de terminaux LUCAS et pourront utiliser cette liaison optique. Cette liaison optique doit être également utilisée par les satellites de reconnaissance optique et radar IGS (militaires)[8].

Références
  1. Marie-Thérèse Velluet et al., « Télécommunications optiques spatiales », Photoniques, no 73,‎ , p. 34-39 (DOI 10.1051/photon/20147334)
  2. (en-GB) esa, « A world first : Data transmission between European satellites using laser light », sur European Space Agency (consulté le )
  3. (en) Stefan Barensky, « EDRS est déclaré opérationnel », Aerospatium,
  4. (en) NASA, « NASA Completes LADEE Mission with Planned Impact on Moon's Surface », sur NASA-LADEE,
  5. (en) « ISS: OPALS and HDEV », sur EO Portal, Agence spatiale internationale (consulté le )
  6. (en) « LCRD (Laser Communications Relay Demonstration », sur EO Portal, Agence spatiale européenne,
  7. (en) « Deep Space Optical Communications (DSOC) », sur NASA - Technology Demonstration Missions, NASA (consulté le )
  8. (en) Stephen Clark, « Japanese data relay satellite launches on H-2A rocket », sur spacenews.com,

Bibliographie
Perspectives
  • (en) Hemani Kaushal et Georges Kaddoum, « Optical Communication in Space: Challenges and Mitigation Techniques », IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 19, no 1,‎ , p. 57-96 (DOI 10.1109/COMST.2016.2603518, lire en ligne)
  • (en) H. Hemmati, A. Biswas et I. B. Djordjevic, « Deep-Space Optical Communications: Future Perspectives and Applications », Proceedings of the IEEE, vol. 99, no 11,‎ , p. 2020-2039 (DOI 10.1109/JPROC.2011.2160609, lire en ligne)
Expériences de la NASA
  • (en) S.A. Townes, B.L. Edwards, A. Biswas et al. « The Mars Laser Communication Demonstration » (DOI 10.1109/AERO.2004.1367717) [PDF]
    —Aerospace Conference 2004 (Big Sky, Montana, Etats-Unis, 6-13 mars 2004)
    — « (ibid.) », dans 2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings (IEEE Cat. No.04TH8720), vol. 2, IEEE, p. 1180-1195
    présentation de l'équipement optique embarqué sur la sonde martienne de la NASA Mars Telecom Orbiter annulé en 2005
  • (en) D. M. Boroson, A. Biswasn et B. L. Edwards, « MLCD: Overview of NASA’s Mars Laser Communications », NASA,‎ , p. 1-13 (lire en ligne)
    présentation de l'équipement optique embarqué sur la sonde martienne de la NASA Mars Telecom Orbiter annulé en 2005
  • (en) B.L. Edwards « NASA’s current activities in free space optical communications » (DOI 10.1117/12.2304175)
    —International Conference on Space Optics 2014 (7-10 octobre 2014)    .
    Présentation des travaux de la NASA sur les télécommunications optiques
  • (en) David J. Israel, Laser Communications Relay Demonstration : Introduction for Experimenters, NASA, , 31 p. (ISBN 978-1-59693-028-5, lire en ligne)
    guide utilisateur de l'expérience LCRD de la NASA
Ouvrage de fond

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes
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