Tracking and Data Relay Satellite

Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) (en français satellite de suivi et de relais de données) est une constellation de satellite de télécommunications utilisée par la NASA et d'autres agences gouvernementales aux États-Unis pour servir de station relais entre les engins spatiaux et la Terre. Le segment spatial comprend au minimum 6 satellites circulant sur une orbite géosynchrone à une longitude fixe avec une inclinaison orbitale réduite (16°) et répartis sur trois positions à peu près équidistantes en longitude (au-dessus de l'Océan Pacifique, de l'Océan Atlantique et de l'Océan Indien). Ces satellites relaient les communications des satellites circulant en orbite basse et leur permettent de communiquer en temps réel avec la Terre quelle que leur position. Le système est développé initialement pour remplacer le réseau de stations au sol couteux et fournissant une couverture limitée qui était utilisé pour les vols habités de la navette spatiale américaine. Le premier satellite TDRS est placé en orbite en 1983.

Tracking and Data Relay Satellite
Satellites de télécommunications

Description de cette image, également commentée ci-après

Satellite TDRS de seconde génération (vue d'artiste).

Données générales
Organisation	NASA (Goddard)
Constructeur	1^e génération : TRW 2^e génération : Hughes / Boeing 3^e génération : Boeing
Domaine	Satellite relais
Nombre d'exemplaires	1^e génération : 6 2^e génération : 3 3^e génération : 3
Constellation	oui
Statut	Opérationnel
Lancement	1983-2017
Lanceur	1^e génération : Navette spatiale américaine 2^e génération : Atlas IIA 3^e génération : Atlas V 401
Durée de vie	1^e génération : 10 ans 2 et 3^e génération : 15 ans

Caractéristiques techniques
Masse au lancement	1^e génération : 2108 kg 2^e génération : 3196 kg 3^e génération : 3770 kg
Dimensions	1^e génération : 17,3 x 14,2 mètres 2 et 3^e génération : 21 x 13,1 mètres
Plateforme	2 et 3^e génération : HS-601 / BSS-601
Contrôle d'attitude	Stabilisé 3 axes
Source d'énergie	Panneaux solaires
Puissance électrique	1^e génération : 1700 Watts 2 et 3^e génération : 2300 Watts

orbite géosynchrone
Inclinaison	16°
Longitude	41°, 171° et 89°

En 2021 le système TDRS prend en charge les liaisons avec environ 25 engins spatiaux dont la Station spatiale internationale, le télescope spatial Hubble et de nombreux satellites d'observation de la Terre comme GPM, Terra et Aqua. Dix satellites TDRS sont opérationnels : quatre de première génération, trois de deuxième génération et trois de troisième génération. Deux satellites ont été retirés et placés sur une orbite de rebut. Les communications avec la Terre utilisent deux stations terriennes situées à White Sands (Nouveau-Mexique) et dans l'île de Guam (Océan Pacifique).

Contexte

Les échanges entre un engin spatial et les installations au sol sont essentiels pour la réalisation d'une mission. Les données échangées sont principalement

De l'engin spatial vers le sol (liaison descendante) : les télémesures fournissant des informations sur le fonctionnement (l'état de santé) du satellite et les données collectées pour remplir les objectifs de la mission ; données scientifiques, images prises par les satellites d'observation de la Terre optiques, ...
Du sol vers l'engin spatial (liaison montante) : les instructions (modification de l'orbite, changement d'orientation, commandes d'activation et de pointage des instruments, ...).

Les échanges ne peuvent s'effectuer que lors l'engin spatial se situe dans le champ de vue d'une station terrienne. Si l'engin spatial circule sur une orbite basse (altitude de quelques centaines de kilomètres) celui-ci n'est visible (au-dessus de l'horizon pour la station) que durant quelques minutes. Lorsque l'inclinaison orbitale est non nulle les régions survolées changent d'une orbite à l'autre. Les deux tiers de la surface de la Terre sont couverts par un océan et ne peuvent accueillir une station terrienne permanente. Il en résulte que même en installant un réseau dense de stations terriennes, les échanges entre l'engin spatial et le sol sont discontinus. Ainsi, au début de l'ère spatiale, la NASA, bien que disposant d'une cinquantaine de stations terriennes réparties sur la planète, ne pouvait maintenir la liaison avec ses missions habitées que durant 15% de l'orbite.

Dans un certain nombre de cas de figure cette couverture limitée des stations terriennes constitue une contrainte gênante pour les missions :

Lorsqu'un engin spatial est lancé et s'insère sur son orbite, il est souhaitable de disposer en temps réel des informations sur son fonctionnement durant cette phase critique de son vol.
Les missions avec équipage sont très dépendantes du soutien au sol qui assurent un rôle de support aussi le maintien d'une liaison continue est souhaitable.
Les télescopes spatiaux observant des phénomènes transitoires très courts (sursaut gamma, ...) qui nécessitent que soient effectués immédiatement des observations complémentaires par des moyens terrestres. Ceux-ci doivent être alertés en temps réel de la survenue de ces événements.
Un gouvernement peut souhaiter disposer en temps réel des données collectées par les satellites de reconnaissance optique ou radar sur les forces militaires hostiles.

Dans le cadre du développement de la navette spatiale américaine au début des années 1970, la NASA décide de mettre en place un système permettant d'assurer une couverture quasi continue des communications entre celle-ci et la Terre. Ce système repose sur des satellites placés en orbite géostationnaire (altitude 36000 kilomètres) qui servent de relais entre la navette spatiale et la Terre. Chaque satellite géostationnaire, qui par définition a une position fixe au-dessus du sol, a dans son champ de vue presque 50% de l'orbite terrestre basse. Avec deux satellites judicieusement placés, le système fournit une couverture complète.

Animations montrant le fonctionnement du système TDRS
Anomation montrant comment un satellite (NIMBUS-7) communiquait avec la Terre avant la création du système TDRS puis le satellite TRMM utilisant le système TDRS.
Animation montrant l'orbite et le mode de communication des différents satellites utilisateurs du système TDRS (2017).

Historique

Schéma du circuit des échanges dans le système TDRS entre les satellites utilisateurs du système (Hubble, Station spatiale internationale, ...) et les installations au sol.

Le système de télécommunications spatiales TDRS est créé dans les années 1970 pour répondre des besoins de communications croissants entre la Terre les engins spatiaux (en particulier la navette spatiale américaine) ainsi que pour réduire les coûts du système existant. Ce dernier reposait sur une cinquantaine de stations terriennes ne permettant de maintenir les communications que sur 15 % de l'orbite. La conception de ce nouveau système débute en 1973 et met 10 ans pour déboucher sur le lancement d'un premier satellite opérationnel. La construction des satellites et des stations terriennes ainsi que la gestion du réseau de télécommunications TDRS est confié initialement pour une durée de 10 ans à la société Spacecom une coentreprise des sociétés Western Union Communications, Fairchild Industries et Continental Telephone Company. Il est alors prévu que la NASA achète les services de communication à cette société. Des répéteurs en bande C sont installés à bord des six satellites TDRS de première génération pour assurer les prestations classiques d'un satellite de télécommunications à savoir des liaisons entre des stations terriennes fixes de sociétés.

Le réseau créé repose sur deux satellites placés en orbite géosynchrone aux longitudes 41 et 171° Ouest au-dessus de l'Océan Pacifique et de l'Océan Atlantique avec un satellite de secours placé en orbite pour pallier une défaillance d'un des deux satellites opérationnels. L'orbite n'est volontairement pas stabilisée dans le sens nord-sud. Du coup leur inclinaison orbitale atteint jusqu'à 16° ce qui leur permet de couvrir les régions pôlaires (en particulier le pôle sud). La configuration à deux satellites permet d'assurer une couverture sur 85 % de l'orbite basse avec un débit maximal de transfert de données de 300 mégabits par seconde. L'emplacement de la station terrienne du système est choisi de manière à avoir en visibilité simultanément les deux satellites. Le site retenu, situé à White Sands (Nouveau-Mexique), bénéficie de 350 jours d'ensoleillement par an et une absence quasi totale de précipitations. Le White Sands Ground Terminal (WGST) dispose d'antennes paraboliques utilisées pour les communications avec les deux satellites ainsi que les équipements permettant d'assurer la liaison dans les deux sens avec les utilisateurs finaux dont la NASA. Le premier satellite TDRS est placé le 7 avril 1983[1].

Fabrication et déploiement de la première génération de satellites TDRS

Six satellites (TDRS A à F) sont construits par TRW. Par convention, une fois placés en orbite, les satellites sont renommés avec un suffixe numérique (TDRS A devient TDRS 1). Ces satellites TDRS de première génération sont placés en orbite par la Navette spatiale américaine conformément à la politique spatiale de l'époque qui impose le remplacement des lanceurs classiques par la navette spatiale. Cette dernière ne peut pas amener le satellite que sur une orbite basse et celui-ci est largué de la soute de la navette accouplé à un étage à propergol solide IUS qui est chargé de placé le satellite sur son orbite géostationnaire. Le deuxième satellite TDRS-B est perdu en 1986 à la suite de la désintégration en vol de la navette spatiale Challenger. Il est remplacé par un septième satellite (TDRS G) dernier satellite de la série lancé le 13 juillet 1995[2].

Largage d'un satellite de première génération par la navette spatiale
TDRS-C, peu avant son largage, repose dans la soute de la navette spatiale dont les portes ont été ouvertes.
Mise à la verticale
Largage du satellite TDRS-F avec l'étage IUS situé dans la partie inférieure.

Rapatriement de la gestion du système TDRS à la NASA et construction d'une deuxième station terrienne

Pour différentes raisons, au début des années 1990, alors que le système est opérationnel depuis plusieurs années, il est jugé préférable pour les utilisateurs de la NASA que l'agence spatiale soit la propriétaire des satellites et qu'elle en assure à la fois le contrôle et la gestion. La gestion du système est confiée au Centre de vol spatial Goddard établissement de la NASA, qui n'en assurait jusque là que le pilotage. Une deuxième station terrienne baptisée STGT (Second TDRS Ground Terminal) est construite à 5 kilomètres de la première (WSGT) et est équipée avec des ordinateurs et des appareils de communication de dernière génération fournis par General Electric. Les deux stations terriennes sont reliées entre elles par une fibre optique. Le centre de contrôle est déplacé au STGT qui dispose par ailleurs de trois antennes : SGLT-1, 2 et 3 (chacune assure la liaison avec un satellite TDRS). Le STGT est inauguré en décembre 1994. Le WSGT est équipé de trois autres antennes (SGLT-4, 5 et 6) portant le total à six permettant ainsi de gérer les communications avec les six satellites dont le déploiement s'achève en juillet 1995 avec le lancement de TDRS-G[1].

Deuxième génération

Antennes TDRS de la station terrienne de l'île de Guam (Océan Pacifique).

Satellite TDRS-M de troisième génération en position repliée avant son lancement.

A la même période que l'inauguration de la station terrienne STGT la NASA confie à la société Boeing la construction de trois nouveausx satellites (TDRS H , I et J). Ces satellites de deuxième génération disposent des capacités de la première génération auxquels est ajouté un mode de communications inter-satellites suppplémentaire en bande Ka plus performant que la bande Ku. Les trois satellites sont placés en orbite entre 2000 et 2002 par une fusée Atlas IIA[1].

Extension du système

En 2002, un nouveau type de prestation demandant des débits faibles est mis en place. DAS (Demand Access System) permet à un satellite de transmettre via le système TDRS à n'importe quel moment des informations sur son fonctionnement ou des messages d'alerte permettant par exemple de pointer des observatoires terrestres sur un objet céleste à la suite de la détection par un observatoire spatial d'un phénomène transitoire (sursaut gamma, ...)[1].

Pour répondre à des besoins croissants une nouvelle station terrienne (GRS) est créée dans l'île de Guam (Océan Pacifique) et devient opérationnelle en juillet 1998. Celle-ci est équipée dans un premier temps de deux antennes paraboliques de 20 mètres de diamètre formant le système de réception SGLT-6 qui proviennent du WSC auxquelles vient s'ajouter au début des années 2000 le système de réception SGLT-7. Associée à deux satellites (TDRS-7 et 8) placés en orbite au-dessus de l'Océan Indien, cette station permet de faire passer la couverture de l'orbite basse de 85 à 100% supprimant la zone d'exclusion (ZOE) qui existait depuis la création du système. Le premier satellite TDRS est retiré du service le 21 octobre 2009. Le 9 décembre 2011 c'est au tour de de TDRS-4 à la suite de défaillance des batteries. Les deux satellites sont préparés pour leur mise en sommeil (largage des ergols, désactivation des batteries,...) et placés sur une orbite de rebut. Une nouvelle station terrienne (BPRS) est créée à Blossom Point (Maryland) en collaboration avec la Marine de guerre américaine et le Naval Research Laboratory. Celle-ci est également équipée de deux antennes paraboliques de 20 mètres de diamètre formant le système de réception SGLT-8. Deux autres stations terriennes sont créées pour gérer des situations d'urgence : l'ETGT () Extended TDRS Ground Terminal) situé près du WSGT à White Sands et l'ATF (Australian TDRS Facility) à Yatharagga en Australie-Occidentale[1].

Troisième génération

Un contrat pour la construction de deux nouveaux satellites (TDRS K et L) est attribué à la société Boeing en décembre 2007 avec une options pour deux autres satellites. Seule l'option pour un troisième satellite (TDRS M) sera exercée par la NASA. Le contrat passé par la NASA inclut la modernisation des stations terriennes. Cette troisième génération de satellites dispose de la même charge utile que la précédente mais utilise une plateforme plus moderne. Les trois satellites sont placés en orbite entre 2013 et 2017 par un lanceur Atlas V 401 décollant depuis la base de lancement Cape Canaveral[3]. Un troisième satellite (TDRS M) est commandé en novembre 2011 [4].

Configuration en 2021

En 2021, sur les douze satellites lancés, huit sont opérationnels, deux sont en réserve et deux ne sont plus opérationnels et sont en réserve. La durée de vie des satellites opérationnels n'est pas contrainte par la quantité d'ergols embarquée car ceux-ci utilisent des volumes très faibles (environ 2,5 kg par an pour les satellites de première génération, 2 kg pour les générations suivantes). Le facteur limitatif est l'usure et la défaillance des équipements. De ce fait, la NASA estime que la durée de vie des satellites de deuxième génération lancée entre 2000 et 2002 sera supérieure à 25 ans (fin de vie > 2025 à 2027) et dépassera cette valeur pour les satellites de troisième génération lancés entre 2013 et 2017[5].

Configuration de la constellation de satellites TDRS en 2016 (identique en 2021).

Fonctionnement

Liaisons prises en charge simultanément par un satellite TDRS[1]
Type de liaison	Antenne TDRS	Bande spectrale	Nbre satellites utilisateurs pris en charge simultanément	Débit
Liaison montante	Antenne réseau	Bande S	1	300 kilobits/seconde
	Antenne parabolique	Bande S	2	7 mégabits/seconde
	Antenne parabolique	Bande Ku	2	25 mégabits/seconde
	Antenne parabolique	Bande Ka¹	2	25 mégabits/seconde
Liaison descendante	Antenne réseau	Bande S	5	300 kilobits/seconde
	Antenne parabolique	Bande S	2	6 mégabits/seconde
	Antenne parabolique	Bande Ku	2	300 mégabits/seconde
	Antenne parabolique	Bande Ka¹	2	300 mégabits/seconde²
¹ Uniquement les satellites TDRS de deuxième et troisième génération. ² Peut monter jusqu'à 3 gigabits/secondes avec des équipements utilisateurs au sol adaptés.

Utilisateurs

Le réseau TDRS prend en charge quotidiennement de 450 à 600 heures de communications 365 jours par an. Les principaux utilisateurs sont la Station spatiale internationale (de manière continue), les observatoires spatiaux Hubble, NUSTAR, NEOWISE, les satellites d'observation de la Terre AIM, AQUA, AURA, GPM, MMS, SORCE, TERRA, les lanceurs Atlas, Delta, les vaisseaux spatiaux SpaceX Dragon, Cygnus et H-II Transfer Vehicle. Le réseau TDRS est également utilisé pour transmettre les messages d'alerte transmis par l'observatoire spatial Swift aux télescopes terrestres pour permettre le suivi des sursaut gamma détectés[1].

Caractéristiques techniques détaillées

Schéma d'un satellite TDRS.

Première génération

Maquette de satellite TDRS de première génération.

Les satellites de première génération construits par TRW ont une masse de 2 108 kilogrammes et une fois déployés en orbite une envergure de 17,3 × 14,2 mètres. Leur durée de vie théorique est de 10 ans[6] - [7].

La charge utile comprend plusieurs systèmes de télécommunications[1] :

Une antenne réseau à commande de phase qui permet de recevoir simultanément les données de cinq satellites tout en permettant de transférer des données à un seul satellite. Les échanges se font en bande S avec une polarisation circulaire vers la gauche et un champ de vue conique de ±13° par rapport à la verticale. L'antenne comprend 30 éléments fonctionnant en réception dont 12 simultanément en réception/émission.
Deux antennes paraboliques de 4,6 mètres de diamètre orientables avec deux degrés de liberté qui permettent chacune de communiquer avec un unique satellite avec un débit élevé ou avec plusieurs satellites équipés d'antennes à bas débit. Les échanges peuvent s'effectuer (débit croissant) en bande S ou Ku avec une polarisation circulaire vers la gauche ou vers la droite et un champ de vue rectangulaire de ±22° en longitude et de ±28° en latitude. Les débits les plus élevés permettent la transfert par les satellites utilisateurs de gros volumes de données scientifiques ou de vidéos en temps réel (Station spatiale internationale).
La liaison avec les stations terriennes passe par une antenne parabolique orientable de deux mètres de diamètre fonctionnant en bande Ku avec une polarisation linéaire.
Le satellite dispose également d'une antenne omnidirectionnelle fonctionnant en bande S (polarisation circulaire vers la gauche) qui est utilisée pour le suivi et le transfert des commandes et des télémesures.