Constellation de satellites

La constellation des satellites du GPS.

Une constellation de satellites est un groupe de satellites artificiels identiques qui travaillent de concert pour fournir une prestation en assurant généralement une couverture quasi-complète de la planète. Ces satellites circulent sur des orbites choisies de manière que leurs couvertures au sol respectives se complètent. Les premières constellations de satellites sont déployées pour répondre à des besoins de positionnement (système TRANSIT de l'Armée américaine) puis de téléphonie par satellite (Iridium...). La généralisation des systèmes de navigation par satellite et la diminution du coût des composants entraînent une multiplication des constellations. Au début des années 2020 sont ainsi déployées des mégaconstellations de plusieurs milliers de satellites en orbite basse (OneWeb, Starlink...) dont l'objectif premier est de fournir un accès à haut débit aux utilisateurs éloignés des réseaux terrestres. La multiplication des satellites circulant en orbite basse qui en résulte accentue le problème de la gestion des débris spatiaux.

Présentation[modifier | modifier le code]

Satellite de la constellation Iridium.
Couverture de la constellation Iridium.

Un satellite artificiel peut fournir des services de télécommunications (téléphonie fixe, transfert de données, téléphonie mobile, diffusion de chaînes de télévision...) ou de navigation (position, vitesse) avec une meilleure couverture géographique qu'un système terrestre et pour un coût plus faible, puisqu'il requiert des infrastructures terrestres comparativement réduites. Ce type de prestation se développe dans les années 1970, qui voient la mise en place de satellites placés sur une orbite géostationnaire. Cette orbite permet de maintenir le satellite au-dessus d'une région choisie et d'assurer ainsi une couverture permanente. Une constellation de trois à quatre satellites géostationnaires peut offrir une couverture complète du globe terrestre (hors régions polaires, car un satellite géostationnaire est nécessairement positionné à une latitude nulle, c'est-à-dire à l'aplomb de l'équateur). Cette solution est adoptée pour la première couverture météorologique du globe, assurée par une constellation formée de satellites de différentes nations — Europe (METEOSAT), Etats-Unis (GEOS), Russie, Chine, Inde — judicieusement positionnés, ainsi que par les systèmes de télécommunications INTELSAT et INMARSAT.

Les satellites géostationnaires présentent plusieurs inconvénients. Leur première limitation est un faible temps de réponse, lorsque le service est interactif (par exemple : téléphonie ou navigation sur Internet) ; l'aller-retour du signal radio entre le satellite situé à 36 000 km d'altitude et la Terre est d'environ 250 millisecondes. La solution consiste à utiliser une constellation de satellites en orbite basse (inférieure à 2 000 km). Leur couverture étant plus faible, il faut alors les placer en nombre suffisamment élevé pour assurer une continuité de service. Les premières constellations de ce type sont mises en place à la fin des années 1990 pour assurer la téléphonie par satellite (Iridium, Globalstar) et comportent de 50 à 70 satellites. Au début des années 2020 se mettent en place de nouvelles constellations pour fournir un accès à internet à haut débit aux utilisateurs trop éloignés des réseaux terrestres. Pour desservir les dizaines de millions d'utilisateurs prévus, ces constellations comptent des centaines (OneWeb) voire des milliers de satellites (Starlink, Kuiper).

La deuxième restriction est la couverture. L'orbite géostationnaire couvre mal ou pas du tout les latitudes hautes. Les applications de télédétection comme le suivi de l'évolution de la végétation, des catastrophes naturelles, la reconnaissance militaire nécessitent une couverture globale qui peut toutefois ne pas être continue. Pour répondre à ce besoin, les satellites sont placés sur des orbites basses souvent héliosynchrones. Pour obtenir une fréquence de revisite plus grande, on a alors recours à une constellation comportant quelques (deux, trois...) satellites identiques.

Pour qu'un utilisateur puisse obtenir sa position précise en temps réel, son terminal (ex. : GPS) doit pouvoir réaliser une triangulation entre trois ou quatre satellites au minimum, visibles et largement écartés. Le premier système de navigation par satellite, TRANSIT, mis au point pour les forces armées des États-Unis, repose sur une constellation de dix satellites en orbite basse polaire. Mais compte tenu de l'altitude des satellites (environ 1 000 kilomètres) et de leur nombre réduit, un seul satellite est généralement visible à un instant donné. La position ne peut être actualisée qu'une fois par heure (au mieux) et la précision est médiocre (200 mètres au mieux). Le système de navigation par satellite qui remplace TRANSIT dans les années 1990, le GPS, repose sur une constellation d'une trentaine de satellites circulant en orbite moyenne (20 000 kilomètres). Il résout les limitations du système précédent en fournissant une position immédiate avec une position de l'ordre du mètre.

Domaines d'application[modifier | modifier le code]

Télécommunications[modifier | modifier le code]

Navigation[modifier | modifier le code]

Observation de la Terre[modifier | modifier le code]

Caractéristiques d'une constellation de satellites[modifier | modifier le code]

Besoin[modifier | modifier le code]

Segment spatial[modifier | modifier le code]

Segment terrestre[modifier | modifier le code]

Terminal utilisateur[modifier | modifier le code]

Méga-constellations[modifier | modifier le code]

Les 72 plans orbitaux occupés par les 1 584 premiers satellites Starlink.
Éjection de 60 satellites Starlink immédiatement après leur lancement.

Dans les années 2010, les opérateurs de satellites pour Internet lancent des projets de méga-constellation, à l'image de Starlink de SpaceX (12 000 satellites) ou OneWeb (648 à 2 000 satellites), permettant aux constructeurs de satellites d'abaisser drastiquement les coûts. Ainsi de Thales Alenia Space, déjà fabricant des Globalstar de seconde génération, Iridium Next et O3b[1],[2].

Controverses[modifier | modifier le code]

En démultipliant le nombre d'objets en orbite, les projets de méga-constellations de fournisseurs d'Internet par satellite soulèvent des inquiétudes et critiques à travers le monde. D'une petite dizaine de milliers en 2020, ces objets seraient en effet plusieurs dizaines de milliers à terme[3],[4],[5].

Débris spatiaux[modifier | modifier le code]

La multiplication des satellites lancés fait craindre la multiplication de fait du nombre potentiel des débris spatiaux susceptibles d'être générés par ce type de projet[6]. En effet, au risque de collision des satellites en fonctionnement s'ajoute celui de pannes, qui les rendraient incontrôlables, risque d'autant plus élevé qu'ils sont nombreux[4]. Dans le pire des cas, un syndrome de Kessler rendrait les orbites basses totalement impraticables.

Pollution lumineuse du ciel nocturne[modifier | modifier le code]

Photo du ciel en pose longue montrant les traces visuelles de différents satellites.

Cette multitude de satellites rejoint l'ensemble des projets en cours de déploiement (12 000 satellites voire 42 000 pour Starlink de SpaceX[4], 3 250 pour Kuiper d'Amazon[7], 650 à 2 000 pour OneWeb[4],[8]etc.), qui pose le problème de la pollution lumineuse spatiale du ciel nocturne. Celle-ci s'ajoute à la pollution lumineuse terrestre (issue de l'éclairage à la surface). De fait, les magnitudes des satellites peuvent atteindre la valeur de -2[réf. nécessaire], soit davantage que Sirius, l'étoile la plus brillante, qui atteint -1,76. Lorsque tous les satellites seront déployés, une centaine seront visibles dans le ciel à tout instant, plus brillants que Sirius.

Cette pollution perturbe beaucoup le travail des astronomes, professionnels et amateurs, ainsi que des photographes de paysages de nuit, qui devront filtrer ces sources indésirables de lumière[4].

Constellations opérationnelles ou à l'étude[modifier | modifier le code]

Les satellites sont catégorisés selon leur poids, traduit par un préfixe ou un qualificatif : « pico » inférieur à 1 kg ; « nano » entre 1 kg et 10 kg  ; « micro » entre 10 kg et 100 kg ; « mini » = entre 100 kg et 500 kg ; « moyen » entre 500 kg et 1 000 kg  ; « gros » supérieur à 1 000 kg[réf. nécessaire].

Principales constellations de satellites
Désignation Opérateur Type de prestation Orbite Détail orbite Nbre satellites (actifs) Taille satellite Couverture Date opérationnel Statut
Télécommunications
Iridium Iridium Téléphonie satellitaire Basse Altitude : 780 km
Inclinaison 86,4°
66 Globale Mini 2000 Opérationnel
Globalstar Globalstar Téléphonie satellitaire Basse Altitude : 1 400 km
Inclinaison 52°
48 Mini 1999 Opérationnel
Globalstar Globalstar Téléphonie satellitaire Basse Altitude : 1 400 km
Inclinaison 52°
48 Mini Opérationnel
Orbcomm Orbcomm Messagerie, AIS Basse Altitude : 8 000 km
Inclinaison 0°
18 Mini Partiellement opérationnel
O3b MEO Orbcomm Internet, Moyenne Altitude : 750 km
Inclinaison 45°
18 Moyenne ~20 Opérationnel
WGS USSF Télécommunications militaires Géostationnaire 10 Gros Opérationnel
Starlink SpaceX Internet Basse Altitude : 550 km
Inclinaison : 53°,70°,97,6°
4 425 (phase 1) Globale Mini 2023 En cours de déploiement
OneWeb OneWeb Internet Basse Altitude : 1 200 km
Inclinaison : 86,4°
648 Mini En cours de déploiement
Kuiper Amazon Internet Basse Altitude : 590–630 km
3 236 56°S-56°S Mini Conception en cours
Navigation
GPS DoD Navigation Moyenne Altitude : 20 200 km
Inclinaison 55°
~30 Globale Gros 1993 Opérationnel
GLONASS VKS Navigation Moyenne Altitude : 19 100 km
Inclinaison : 64,8°
~30 Globale Gros 1995 Opérationnel
Beidou CNSA Navigation 1) Moyenne
2) Géosynchrone
1) Altitude : ~20 000 km
Inclinaison : 55°
2) 36 000 km
~30 + 6 Globale Gros 2020 Opérationnel
Galileo ESA Navigation Moyenne Altitude : 23 222 km
Inclinaison : 56°
~30 Globale Gros 2020 Opérationnel
Observation de la Terre
SkySat Planet Labs Imagerie Basse Altitude : 500 km
Polaire
21 Globale Micro 2017 Opérationnel

Galerie[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Satellites : la bataille des orbites divise le secteur », Les Échos, .
  2. Stefan Barensky, « La course à l'innovation - constellations », Air & Cosmos, no 2445, .
  3. « Combien y a-t-il de satellites au-dessus de nos têtes ? », sur Ça m'intéresse, (consulté le ).
  4. a b c d et e Fabrice Mottez et Lucas Gierczak, « Starlink, un cauchemar pour les astronomes », Pour la science, no 509,‎ , p. 7 (lire en ligne).
  5. Pierre Barthélémy, « Le casse-tête croissant des débris spatiaux », sur Le Monde, (consulté le ).
  6. Rémy Decourt, « Les centaines de satellites OneWeb ne produiront pas de débris spatiaux », sur Futura, .
  7. « Amazon va envoyer des milliers de satellites en orbite pour fournir un accès internet partout sur Terre », Le Journal du geek, 2019-04-06 consulté le=2019-05-26.
  8. (en) « OneWeb weighing 2,000 more satellites », sur SpaceNews, (consulté le ).

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Giacomo Curzi, Dario Modenini, Paolo Tortora et al., « Large Constellations of Small Satellites: A Survey of Near Future Challenges and Missions », Aerospace, no 133,‎ , p. 1-18 (DOI 10.3390/aerospace7090133, lire en ligne) — Problèmes soulevés par la gestion des futures constellations de satellite (étude de 2020).
  • (en) Jonathan C. McDowell et al., « The Low Earth Orbit Satellite Population and Impacts of the SpaceX Starlink Constellation », The Astrophysical Journal, no 2,‎ , p. 18 (DOI 10.3847/2041-8213/ab8016, lire en ligne) — Impact du déploiement de Starlink sur la pollution lumineuse (étude de 2020).
  • (en) Inigo del Portillo, Bruce G. Cameron, Edward F. Crawley et al., « A Technical Comparison of Three Low Earth Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband », Acta Astronautica, vol. 159,‎ , p. 123-135 (DOI 10.1016/j.actaastro.2019.03.040, lire en ligne).
  • (en) Gregory A. Orndorff et Bruce F. Zink, « A Constellation Architecture for National Security Space Systems », Johns Hopkins APL Technical Digest, vol. 29, no 3,‎ , p. 273-282 (lire en ligne [PDF]). — Etude sur les avantages d'une architecture distribuée (constellation) dans le cas de satellites en orbite géostationnaire.

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]