Le développement des communications optiques : pourquoi les liens espace terre tardent à se développer ?

Comme vu dans les précédents articles, une révolution tant technologique que de marché sur le secteur spatial est en train de transformer l’industrie. Des constellations de satellites en orbite basse (LEO) voient le jour, quand les technologies actuelles de transmission de l’information, par radiofréquence (RF), vont peiner à répondre aux besoins croissants.

Ainsi, le potentiel amené par les communications optiques pousse les acteurs à adapter cette technologie à la morphologie de l’infrastructure spatiale. Notre article précédent montrait que nombre d’expérimentations avaient eu lieu dans le but de prouver la pertinence technique des lasercom, mais un déséquilibre est constaté dans la façon dont est implémentée cette technologie pour les missions commerciales.

Le constat : les liens inter satellites décollent, quand l’espace-terre reste au sol

Dans le cadre de constellations de satellites LEO, on constate deux principaux types de communications possibles : des communications espace – terre, et des communications entre satellites, dites « intersatellites ». C’est bien ce second type de connexion que l’on voit se développer dans le cadre de missions commerciales, au détriment des communications espace – terre, où la RF est encore préférée.

En effet, chaque nouveau satellite de la constellation Starlink (SpaceX) mis en orbite en 2022 ou après devrait être équipé d’un terminal de communication laser. SpaceX, en tant que pionnier et fer de lance du mouvement New Space, est tout de même suivi de près par des concurrents ayant eux aussi pour projet une constellation de satellites LEO : OneWeb prévoit également d’intégrer des terminaux laser, ainsi que Telesat. Cependant l’objectif de ces terminaux est bel et bien d’établir des liens intersat et non espace – terre.

Des raisons structurelles comme premier élément de réponse

Dans une infrastructure de communication spatiale « classique », comprenant par exemple un satellite géostationnaire (GEO), ce dernier joue un rôle de relai entre deux points du réseau principal au sol. L’information est donc envoyée depuis une première station sol vers le satellite, qui la redirige vers une seconde station de réception sur terre.

Dans ce cas, il est nécessaire que le satellite « voie » les deux points au sol de façon simultanée, c’est-à-dire que les faisceaux d’ondes électromagnétique reliant le satellite à la terre puissent effectivement atteindre les stations sols. Dans le cadre de satellites GEO, ce n’est généralement pas problématique, car ils sont en général capables de couvrir efficacement une zone au sol équivalente à 34% de la surface de la terre. Dans le cas d’une transmission entre deux points opposés sur terre, l’information peut transiter par 2 ou 3 satellites en conservant le réseau principal sur terre.

Cependant, la donne se complique quand on parle de constellations LEO. Ces derniers orbitant à une altitude beaucoup plus faible (environ 500/1000km contre 36000km en GEO) la zone potentiellement couverte par un seul d’entre eux est bien plus réduite. De plus, du point de vue de la terre ils évoluent dans le ciel à une vitesse angulaire très élevée, ce qui fait que la faible surface sur terre d’où ils sont visibles se déplace très rapidement.

Pour donner un ordre de grandeur, un satellite LEO est visible depuis un point fixe de la terre pour une durée de 10 à 15 minutes environ, et produit une zone de couverture instantanée d’environ 2800km de rayon. Une dernière conséquence de leur altitude d’orbite est qu’ils survolent donc une majorité de temps la mer ou les océans, et ne peuvent donc pas communiquer avec un réseau terrestre.

Ainsi, la structure du réseau évolue dans le cadre de ces constellations : plutôt que de faire transiter l’information en de nombreux aller-retours entre les satellites et la terre, on utilise le grand nombre de terminaux en orbite comme autant de nœuds d’un grand réseau dans le ciel. On a donc déplacé le réseau principal, le backbone, de la terre vers l’espace.

L’optique devient donc particulièrement intéressante pour répondre au besoin de débit très important sur ce backbone, quand pour un simple utilisateur particulier la RF suffit en termes de débit et est aujourd’hui plus facile à mettre en place. Une nouvelle fois dans le cas de Starlink, les terminaux utilisateurs sont des récepteurs RF. Les liens optiques satellite-terre peuvent devenir importants dans le cas où la station sol est un relais vers les utilisateurs finaux (un intermédiaire de plus que dans le cas de Starlink), ce qui nécessite donc une capacité en débit plus important.

Des limites techniques ont freiné le développement des liens espaces-terre

De plus, certaines barrières techniques au déploiement de l’optique existent, contribuant au fait que la RF est encore aujourd’hui largement dominante sur le marché des communications espace-terre. Les ondes radio et la lumière sont toutes deux des ondes électromagnétiques, ayant des fréquences très éloignées. C’est justement le fait que la lumière oscille à une fréquence bien supérieure à la radio qui lui confère son potentiel de débit plus élevé. Cependant, lorsqu’elle est émise à l’aide d’un laser, elle se concentre au sein d’un faisceau dirigé dans une direction et peu divergent, contrairement aux émetteurs radio qui diffusent l’onde dans un cône beaucoup plus ouvert.

Ainsi, un premier défi réside dans la précision de pointage en position, le satellite doit viser la station sol sur terre de manière bien plus fine quand l’optique est utilisée en comparaison de la RF. De plus, le télescope d’émission embarqué dans le satellite, et celui de réception dans la station sol doivent se pointer mutuellement, afin d’aligner le faisceau dans leurs axes respectifs.

Comme expliqué précédemment, les satellites LEO se déplacent à grande vitesse dans le ciel quand ils sont vus depuis la terre. Cela pose donc un deuxième défi sur le pointage, la précision sur l’alignement entre les télescopes d’émission et de réception doit être conservé malgré la grande vitesse angulaire observée entre ces derniers. D’un point de vue à la surface de la terre ; cette vitesse varie au fil de la course du télescope dans le ciel : plus grande au zénith, plus petite à l’horizon.

Enfin, contrairement au communications inter satellite, les liens satellite-terre traversent l’atmosphère. Les différences de densité, température etc. (voir Cailabs Academy saison #1) génèrent des turbulences qui dégradent la qualité du signal. Ainsi, si on conserve le cas du satellite LEO, la force des difficultés techniques alterne au fil de la course de ce dernier dans le ciel : au zénith la vitesse est plus importante, à l’horizon la distance d’atmosphère traversée est plus grande.

Des solutions existent pour lever les limites techniques

Cependant, le potentiel de l’optique pour répondre aux besoins de débit et de souveraineté de communication encourage le développement de solutions pour surmonter les difficultés techniques. La faible divergence des faisceaux laser pose une difficulté technique mais constitue à la fois un avantage sur la radiofréquence du fait de la quasi ininterceptabilité du lien.

La difficulté sur le pointage est gérée grâce à l’utilisation de montures de télescope héritées de l’astronomie, à la base conçues pour compenser la rotation de la terre pour l’observation d’objets célestes. La connaissance sur la position des terminaux d’émission et de réception permet à cette monture d’effectuer un pré-positionnement, qui est affiné par l’utilisation de faisceaux de pointage dits « beacons ».

L’astronomie a également légué une technologie de compensation de la turbulence : l’optique adaptative. A la base implémentée dans les télescopes d’astronomie de grande taille sur terre pour compenser l’effet de la turbulence sur les images observées, son utilisation a été étendue aux communications optiques.

Cette solution, bien qu’adaptée à l’utilisation dans quelques observatoires d’astronomie aux conditions environnementales bien contrôlées, se révèle peu adaptée pour les stations sols de communications optiques. En effet, les systèmes d’optique adaptative ont un fort encombrement, sont sensibles aux vibrations, ont un prix relativement élevé.

L’utilisation d’une autre technologie, le MPLC (Multi-Plane Light Conversion) peut s’avérer bien plus avantageuse et adaptée. Contrairement à l’optique adaptative, cette technologie ne comporte pas de pièces en mouvement, et est bien plus compacte, ce qui en fait une solution robuste et industrielle.

Grace à cette technologie, Cailabs a pour vocation de pousser le développement du segment sol des communications optiques, en permettant la compensation de la turbulence atmosphérique avec un composant simple et efficace : TILBA®-ATMO. C’est donc l’intégration de ce dernier qui contribue à rendre uniques les stations sols optiques TILBA®-OGS conçues par Cailabs.

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Par Julien Bayol

Julien Bayol est ingénieur en mécanique INSA, et a suivi un Master en Management à la Toulouse Business School. Son domaine d’intérêt est porté sur les techniques de fabrication de pointe, via l’utilisation de solutions optiques innovantes. A Cailabs, Julien est assistant chef de produit, il contribue au développement et à la commercialisation des gammes produits CANUNDA et TILBA®.

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