LES FONDEMENTS DES SYSTÈMES SATELLITAIRES EN ORBITE TERRESTRE BASSE (LEO)

Les satellites ont révolutionné notre capacité à communiquer dans le monde entier. Telstar I est le tout premier satellite de communications à être mis en orbite. Lancé le 10 juillet 1962, cet exploit est le fruit des efforts conjugués de la NASA et du géant des communications AT&T, qui se sont avéré un immense succès. Depuis, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a considérablement augmenté. En janvier 2021, plus de 3 000 satellites actifs étaient en orbite.

Les satellites sont en orbite à différentes distances de la Terre selon leur conception et leur but premier. Or, chaque distance offre ses propres avantages et défis, dont une couverture accrue par opposition à une efficacité énergétique moindre. On peut classer la plupart des orbites selon les trois types suivants : orbite terrestre géostationnaire (GEO), orbite terrestre moyenne (MEO) et orbite terrestre basse (LEO). Voyons brièvement chacun de ces types d’orbites avant d’aborder les satellites en orbite terrestre basse (LEO) plus précisément.

Les satellites en orbite terrestre géostationnaire (GEO) sont conçus pour demeurer au-dessus du même emplacement au sol pendant que la Terre se déplace sur son orbite autour du soleil. Depuis la Terre, les objets en GEO pourraient sembler ne pas se déplacer. Les satellites en GEO fonctionnent à une altitude variant de 35 586 km à 35 986 km. La collecte d’information météorologique, la transmission des données à faible vitesse et le relais des signaux de télévision sont des fonctions types des satellites à cette altitude.

Les satellites en orbite terrestre moyenne (MEO) évoluent à des altitudes comprises entre 2 000 km et 35 586 km. Les satellites en MEO les plus connus sont sans doute le réseau de satellites GPS dont dépendent bon nombre de nos appareils portables pour obtenir de l’information de localisation. Du point de vue des communications, les satellites dans les portées d’orbite terrestre moyenne peuvent fonctionner à des efficacités semblables à celles des fibres optiques, même dans les régions reculées du globe.

Les satellites à orbite terrestre basse (LEO) ne demeurent pas fixes par rapport à un emplacement unique sur le sol terrestre. Ces satellites tournent plutôt autour de la Terre en se déplaçant le long de leur propre orbite. Les plateformes en LEO évoluent à des altitudes pouvant atteindre 2 000 km au-dessus de la surface terrestre. Les télécommunications, l’imagerie et les satellites-espions fonctionnent sur cette orbite. D’autres objets bien connus se trouvent également en orbite terrestre basse, dont le télescope Hubble et la Station spatiale internationale.

Caractéristiques de l’orbite terrestre basse (LEO)

La majorité des satellites envoyés dans l’espace évoluent en LEO. Bien que chaque plateforme varie sur le plan de la conception et de leur finalité, les systèmes de communication en orbite terrestre basse ont en commun quelques caractéristiques. Plusieurs d’entre elles découlent de la proximité relative de ces objets par rapport à la Terre. L’emploi d’une fréquence radio standard est la première de ces caractéristiques.

La plupart des satellites commerciaux fonctionnent selon l’une des quatre bandes passantes suivantes : la bande Ku, la bande Ka, la bande C et la bande L. Les satellites en LEO utilisent la bande L. La fréquence radio de la bande L est idéale pour la plupart des applications de plateformes en LEO, comme les communications maritimes et aériennes à long rayon d’action. Toutefois, la bande L n’est pas aussi puissante que les autres bandes passantes et elle fonctionne avec des appareils de réception au sol de plus petites tailles. Or, la gamme de fréquences pour la bande L est moins susceptible aux interférences entraînées par les conditions météorologiques et les effets de l’atmosphère, ce qui en fait un composant idéal des systèmes de communications.

Contrairement aux satellites en orbite terrestre géostationnaire et en orbite terrestre moyenne, les satellites en orbite terrestre basse ne demeurent pas fixes par rapport à un emplacement unique sur le sol terrestre. Ces objets se déplacent plutôt en LEO autour de la planète à de très grandes vitesses. Par exemple, la Station spatiale internationale effectue une révolution complète autour de la Terre à peu près toutes les 93 minutes, tandis que les satellites en LEO complètent généralement leur orbite autour de la Terre toutes les deux heures. Compte tenu de leurs hautes vitesses de déplacement, les satellites se déplacent à la fois dans le champ de portée et hors du champ de portée. Cet aspect conduit à une autre caractéristique commune : les constellations en LEO.

Puisque les satellites en LEO sont constamment en mouvement, il serait impossible de dépendre d’un seul satellite pour assurer toute forme de couverture complète. Leur distance de la Terre signifie également que la zone de couverture des signaux en LEO est plus courte par rapport à celle des signaux en GEO et en MEO. Par conséquent, les constellations de satellites doivent fonctionner en synergie afin d’assurer une couverture sans faille.

L’un des exemples de constellations en LEO les mieux connus appartient au fournisseur de communications par satellite Iridium. La constellation en LEO du fournisseur est un réseau de 66 satellites, qui se déplacent autour de la Terre à des vitesses de 27 359 km/h. En évoluant en synergie, les satellites qui composent la constellation peuvent assurer des communications sans interruption dans le monde entier. Comme un satellite quitte une zone, les liaisons de données transmettent de l’information au prochain satellite qui entre dans le champ de portée.

Ce faisant, la voix et les données peuvent être transmises à des emplacements hors de portée d’autres systèmes de communication. Cette caractéristique combinée à la proximité relative des constellations en LEO à la Terre se traduit par une latence plus faible, qui, à son tour, fait en sorte que ces plateformes de communication peuvent soutenir les services qui requièrent un débit plus rapide que n’importe quel appareil en GEO ou en MEO puisse fournir.

Les défis et les avantages des systèmes de communication en orbite terrestre basse (LEO)

Comme pour tout type de technologie, les plateformes de communication en LEO comportent des défis et des avantages. L’importance de ces avantages et inconvénients dépend des besoins de l’utilisateur final. Par conséquent, une certaine subjectivité intervient quant à l’importance de ces caractéristiques envers une application ou un cas d’utilisation en particulier.

L’un des inconvénients liés aux constellations de satellites en LEO est leur complexité. Or, l’utilisation d’un seul appareil en GEO est suffisamment compliquée en soi. Imaginons alors des douzaines, voire des centaines de satellites fonctionnant tous en accord pour réaliser une tâche particulière. Les appareils d’utilisateur final peuvent bien avoir une faible empreinte, mais la surveillance et la maintenance de ces systèmes requiert un vaste éventail de dispositifs au sol. En outre, dans la plupart des cas, la constellation entière de satellites doit être en bon état de marche afin que le système fonctionne comme prévu.

S’ajoute à cette complexité liée à la maintenance de ces systèmes un autre inconvénient : les risques de dommages causés par les débris spatiaux. Quoique cela puisse surprendre certaines personnes, des millions de pièces de débris spatiaux flottent en orbite terrestre basse. On y retrouve notamment d’anciens satellites désuets, des éclats de peinture provenant d’engins spatiaux et même des parties de satellites ayant été explosés intentionnellement. Le risque qu’un satellite en LEO entre en collision avec certains de ces débris est assez élevé.

Par exemple, en 2009, une partie d’un ancien engin spatial russe est entrée en collision avec un satellite Iridium, ajoutant ainsi 2 300 pièces de débris au « dépotoir » grandissant en LEO. Puisque tous les satellites dans une constellation doivent fonctionner adéquatement afin qu’un système de communication en LEO soit efficace, la perte d’un seul satellite peut avoir un effet considérable sur le rendement du système dans son ensemble.

D’après les personnes qui cherchent à mettre en fonction un système de communications en LEO, le coût associé est généralement moins élevé par satellite que celui associé aux systèmes configurés avec des satellites en GEO ou en MEO. Les satellites en LEO sont de plus petite taille, et les composants individuels peuvent être moins dispendieux. Or, l’envoi de satellites dans l’espace est l’une des plus importantes dépenses découlant de la mise en place de ce genre de systèmes. Les satellites en LEO sont toutefois suffisamment petits pour en envoyer plusieurs dans une seule et même fusée, réduisant ainsi les dépenses davantage. Cet avantage devrait être soupesé au regard du nombre de satellites dans une constellation.

Puisque la distance que les signaux émis par les satellites en LEO ont à franchir est plus courte, ces plateformes ont de faibles taux de latence. Les appareils en GEO peuvent prendre un quart de seconde à transmettre un signal à la Terre. Les satellites en LEO peuvent réaliser la même tâche dans des fractions de ce même temps. Dans certains cas, leur efficacité est tout aussi bonne, voire meilleure que les lignes à fibre optique terrestres. À distance réduite à franchir par les signaux, les satellites en LEO peuvent également utiliser une bande passante plus large. Les systèmes en LEO dotés d’une largeur de bande supérieure sont ainsi tout indiqués pour les communications mobiles.

Enfin, les satellites en LEO sont moins susceptibles au brouillage que les systèmes en GEO et en MEO. Grâce à leurs faisceaux de signaux étroits et leur déplacement constant, il est plus difficile de bloquer le signal d’un satellite en LEO que celui des satellites plus imposants. En raison de ces caractéristiques, les satellites en LEO sont parfaits pour les applications militaires où la résilience et la surviabilité sont essentielles au succès de la mission.

Dans l’ensemble, les systèmes satellitaires en orbite terrestre basse (LEO) sont d’excellentes plateformes pour des applications de communication. La technologie a déjà fait ses preuves pour avoir fourni des services voix et données fiables aux régions les plus reculées du globe. Grâce à de faibles taux de latence, à une bande passante plus large, à une surviabilité accrue et à des coûts potentiellement plus faibles, nul doute que les constellations de satellites en LEO deviendront les systèmes à privilégier pour la mise en place d’applications à des fins de défense et de communication.