5G- satellites et espace-(G8)

 

 

Secure World Fondation

space sustainability a practical guide 2018-1

 

STARLINK  (Wikipedia)

Starlink est un projet d’accès à Internet par satellite proposé par le constructeur aérospatial américain SpaceX reposant sur le déploiement d’une constellation de plusieurs milliers de satellites de télécommunications positionnés sur une orbite terrestre basse. Deux prototypes sont lancés en  et le déploiement des satellites débute en , pour une mise en service en . Pour atteindre ses objectifs commerciaux, SpaceX prévoit de maintenir à terme (vers ) 12 000 satellitesa opérationnels en orbite basse alors qu’il n’y a aujourd’hui que 2 000 satellites en activité. Il est néanmoins prévu que la constellation initiale ne comporte au cours des premières années que 1 600 satellites pour affiner les techniques à mettre en œuvre avant le déploiement d’une constellation complète.

Le projet Starlink de la société américaine SpaceX prévoit le lancement de 12 000 puis 42 0001 minisatellites pour offrir un service Internet à haut débit partout sur la planète mais surtout destiné aux zones les moins densément peuplées n’étant peu ou pas desservies par un accès internet classique

Selon SpaceX, le projet répond à un besoin suscité par la croissance des nouveaux usages d’internet tels que les jeux vidéo en réseau et les appels en visioconférence. Mais le projet, qui revient à multiplier par vingt le nombre de satellites opérationnels présents en orbite basse, est contesté notamment par les autres opérateurs de satellites parce qu’il peut contribuer à accroître fortement le risque de collision2

Les techniques utilisées sont déjà mises en œuvre par les constellations Iridium et Globalstar (téléphone satellitaire)

Le projet Starlink est annoncé pour la première fois par SpaceX en 

Le plan initial prévoit le déploiement de 12 000 satellites1 entre 1 100 et 1 300 kilomètres d’altitude . Mais les projets de sociétés concurrentes obligent SpaceX à accélérer son projet et la société annonce à l’automne  qu’elle déploie une première constellation de 1 600 satellites à une altitude plus basse (550 kilomètres.) ( comme le satellite Hubble alt. 590km et ISS alt.406km)

 Au lieu d’émettre à la fois dans les bandes Ku et Ka, le satellite n’émettra qu’en bande Ku. SpaceX doit déployer 2 200 satellites de ce type en cinq ans qui doivent servir de prototypes aux satellites suivants11.

En , SpaceX dépose auprès de la FCC une demande pour un « système satellitaire en orbite non géostationnaire (NGSO) du service fixe par satellite utilisant les bandes de fréquences Ku et Ka »21.

En , SpaceX dépose auprès de la FCC des plans pour la mise en service d’un deuxième obus orbital de plus de 7 500 satellites en bande V sur orbites non géosynchrones pour fournir des services de communications » dans un spectre électromagnétique qui n’est pas encore très utilisé par les services de communications commerciaux.

 Les plans SpaceX sont inhabituels dans deux domaines : la société a l’intention d’utiliser la bande V peu utilisée du spectre des communications et d’utiliser un nouveau régime orbital, le régime de l’orbite terrestre très basse d’environ 340 km d’altitude, où la traînée atmosphérique est assez élevée, ce qui se traduit normalement par de courtes durées de vie en orbite24. SpaceX n’a pas rendu publique la technologie de vol spatiale spécifique qu’elle a l’intention d’utiliser pour faire face à l’environnement à forte traînée de VLEO. Le plan de  prévoit que SpaceX lance des satellites d’essai du type Ka/Ku initial en  et , et commence à lancer la constellation opérationnelle en . La construction complète de la constellation de ~1 200 km de ~4 440 satellites ne doit pas être terminée avant 25.

SpaceX dépose des documents à la fin de  auprès de la FCC américaine pour clarifier son plan de réduction des débris spatiaux. La société « mettra en œuvre un plan d’exploitation pour la désorbitation ordonnée des satellites proches de la fin de leur durée de vie utile (environ cinq à sept ans) à un rythme beaucoup plus rapide que ne l’exigent les normes internationales. Les satellites se désorbitent en se déplaçant par propulsion vers une orbite de destruction à partir de laquelle ils retournent dans l’atmosphère terrestre dans l’année qui suit la fin de leur mission.

En , SpaceX s’attend à ce que le coût total du développement et de la construction de la constellation avoisine les dix milliards de dollars. Au milieu de l’année , SpaceX réorganise la division de développement de satellites à Redmond et licencie plusieurs membres de la haute direction16

En , SpaceX reçoit l’accord des autorités réglementaires américaines pour déployer 7 518 nouveaux satellites à large bande, en plus des 4 425 approuvés précédemment. 

La FCC approuve la demande en , approuvant le placement de près de 12 000 satellites dans trois coquilles orbitales : d’abord environ 1 600 dans une coquille de 550 kilomètres d’altitude33,34, puis environ 2 800 en bandes Ku et Ka à 1 150 km et environ 7 500 en bande V à 340 km27.

Les plans de plusieurs fournisseurs visant à construire des mégaconstellations commerciales de milliers de satellites dans l’espace-Internet étant de plus en plus susceptibles de devenir réalité, l’armée américaine commence à effectuer des études d’essai en  pour évaluer comment les réseaux peuvent être utilisés. En , la US Air Force émet un contrat de 28 millions de dollars pour des services d’essai spécifiques sur Starlink35.

Déploiement des satellites opérationnels (2019-)

Le premier déploiement massif de 60 satellites est effectué en  par un lanceur unique Falcon 9 bloc 5 qui malgré sa charge utile d’une masse totale de 13 620 kg (sans compter les adaptateurs et les mécanismes de déploiement) doit disposer de suffisamment d’ergols pour permettre l’atterrissage et la réutilisation du premier étage.

Ces 60 satellites, font partie d’une sous-série (bloc V0.9) de 75 prototypes qui ne disposent pas de système de liaison intersatellites. Ils doivent permettre d’identifier les problèmes de conception résiduels en vérifiant les procédures de déploiement et de désorbitage ainsi que le fonctionnement opérationnel. Ils font partie de la première phase du déploiement de la constellation Starlink qui porte sur 1 584 satellites qui doivent être placés sur une orbite de 550 kilomètres avec une inclinaison orbitale de 53°.

Les satellites de cette première vague doivent être répartis sur 40 plans orbitaux différents dans lesquels circulent 66 satellites.

 

Historique des lancements (mise à jour )38,40,41,42
Date lancement Base de lancement Lanceur Nombre de satellites Orbite Inclinaison Caractéristiques
Vandenberg Falcon 9 FT 2 500 km 97,46° Prototypes : Tintin A et B (ou MicroSat 2a, 2b). Masse de 400 kg
Cape Canaveral Falcon 9 bloc 5 60 550 km 53,0° Prototypes version 0.9 sans liaison inter-satellites ni émetteur en bande Ka. Masse de 227 kg.
Cape Canaveral Falcon 9 bloc 5 60 550 km 53,0° Version 1.0, émetteur en bande Ka et liaison optique inter-satellites. Masse de 260 kg.
Cape Canaveral Falcon 9 bloc 5 60 550 km 53,0° Version 1.0.
Cape Canaveral Falcon 9 bloc 5 60 550 km 53,0° Version 1.0.
43 Cape Canaveral Falcon 9 bloc 5 60 550 km 53,0° Version 1.0.
Cape Canaveral Falcon 9 bloc 5 60 550 km 53,0° Version 1.0
22 avril 202044 Centre spatial Kennedy Falcon 9 bloc 5 60 550 km 53,0° Version 1.0
Principes de fonctionnement de l’internet par satellite

L’internet par satellite utilise des satellites de télécommunications pour mettre en relation l’usager et le réseau internet. Il permet d’accéder à internet depuis un lieu non desservi par les réseaux terrestres (y compris en mer, dans le désert, en rase campagne) ou ne disposant que d’un débit réduit du fait de l’absence de fibre optique ou de l’éloignement des centraux de télécommunications. Il garantit une plus grande fiabilité de service car il n’est pas tributaire d’intermédiaires.

Les fournisseurs d’accès internet par satellite existants, tels que Viasat (en) ou Hughes Network Systems, utilisent actuellement des satellites positionnés en orbite géostationnaire. Ces satellites présentent l’avantage de pouvoir desservir pratiquement un tiers de l’hémisphère en restant en permanence au-dessus de la même région (leur vitesse orbitale est identique à la vitesse de rotation de la Terre et ils sont en orbite au-dessus de l’équateur). Un seul satellite est suffisant pour desservir l’ensemble de la zone avec comme seule limite le nombre d’usagers utilisant le service de manière simultanée. L’utilisation de l’orbite géostationnaire ne présente pas que des avantages. L’altitude du satellite est obligatoirement fixée à 36 000 km ce qui entraîne un délai notable dans la circulation des signaux qui doivent faire l’aller retour entre la station au sol et le satellite puis entre celui-ci et le terminal de l’utilisateur du service internet. Le temps de latence, qui peut atteindre 600 millisecondes, dégrade de manière significative la réactivité lors d’appels vidéo (visioconférence) ou de l’utilisation des jeux en ligne45.

Une constellation en orbite basse

SpaceX propose d’abaisser fortement l’altitude des satellites servant de relais pour supprimer le temps de latence. Une altitude basse présente toutefois deux inconvénients. Le satellite n’est plus fixe au-dessus d’une zone mais défile rapidement et il n’est visible que depuis une région beaucoup plus limitée de la surface de la Terre. Pour assurer une couverture planétaire, la constellation Starlink est constituée d’une première flotte de 4 425 satellites qui est déployée à une altitude comprise entre 1 150 et 1 325 kilomètres. Chaque satellite sera visible depuis le sol dans un rayon de 1 060 km sous une élévation d’au minimum 40°. La liaison internet d’un utilisateur donné est assurée par une succession de satellites défilant à une fréquence élevée. Pour assurer la coordination rendue nécessaire par ce défilement, les satellites communiqueront entre eux par liaison laser. Une fois cette constellation en place, SpaceX prévoit de lancer environ 7 518 satellites sur une orbite plus basse (340 kilomètres) pour garantir un débit élevé en accroissant la capacité du système et pouvoir entrer en compétition avec les services assurés par des réseaux terrestres45.

La constellation Starlink doit comporter à terme 12 000 satellites répartis sur trois niveaux d’ici le milieu des années  : 1 600 doivent être placés à une altitude de 550 kilomètres, 2 800 satellites émettant dans les bandes Ku et Ka doivent circuler à une altitude de 1 150 km et environ 7 500 satellites émettant en bande V sont placés à une altitude de 340 km. La bande V (40 à 75 GHz) qui est située immédiatement après la bande Ka (12 à 40 GHz) n’a jusque là pas été utilisée par les satellites de télécommunications et son usage est donc expérimental. Cette gamme de fréquence est considérée comme prometteuse car elle permet de très grands débits mais elle est sensible aux fluctuations météorologiques (pluie, mauvais temps) ce qui impose des solutions de contournement2

Caractéristiques des satellites

Les deux premiers prototypes lancés en  ont une taille de 1,1 × 0,7 × 0,7 mètre et comprennent deux panneaux solaires de 2 × 8 mètres déployés en orbite. Les satellites déployés en  qui sont toujours des prototypes et qui ne disposent pas de liaison intersatellites indispensable pour le fonctionnement du réseau internet ont une masse de 227 kilogrammes. Le satellite a une forme très aplatie sans doute rectangulaire. La plate-forme est équipée de propulseurs à effet Hall (moteurs qui utilisent l’énergie fournie par les panneaux solaires) qui produisent leur poussée en expulsant du krypton. Ce gaz remplace le xénon habituellement utilisé sans doute car il est moins coûteux mais au prix d’un rendement plus faible (l’atome de krypton est moins lourd), Ces propulseurs sont utilisés pour placer le satellite, qui est largué à une altitude de 440 km, sur son orbite opérationnelle (550 km), pour maintenir l’orientation du satellite durant sa vie opérationnelle, et pour abaisser l’orbite en fin de vie afin d’accélérer la rentrée atmosphérique et ne pas encombrer l’orbite basse. La charge utile comprend quatre antennes réseau à commande de phase plates chargées des liaisons montantes et descendantes. Les satellites opérationnels placés sur l’orbite la plus haute émettent en bande Ku.

Segment terrestre : 

La liaison entre les satellites et le réseau internet passe par des stations terriennes qui sont réparties sur l’ensemble de la planète. En , SpaceX dépose une demande auprès de la Commission fédérale des communications américaine pour un million de stations terriennes qui seront installées sur les bâtiments des abonnés au service49,50. La demande est approuvée en 51.

Selon les informations fournies en , l’utilisateur établit la connexion avec le réseau de satellites à l’aide d’un terminal qui doit avoir la taille d’un micro-ordinateur. Le débit visé est de 1 gigabit par seconde avec un temps de latence compris entre 25 et 35 millisecondes contre 600 ms pour les liaisons internet par satellite existantes et 10 ms pour les liaisons fournies par les meilleurs fournisseurs internet utilisant un réseau terrestre52.

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 projet61. En effet, au risque de collision des satellites en fonctionnement s’ajoute celui de pannes, qui rendraient incontrôlables les satellites, risque d’autant plus élevé qu’ils sont nombreux1. Dans le pire des cas, un syndrome de Kessler rendrait les orbites basses totalement impraticables.

En , l’agence spatiale européenne ordonne à l’un de ses satellites, ADM-Aeolus, d’effectuer une manœuvre afin d’éviter une collision potentielle avec Starlink 44. Ce dernier, mis en orbite quelques mois plus tôt à 550 kilomètres d’altitude, est ensuite utilisé pour tester des manœuvres de désorbitation. Starlink le place sur une orbite plus basse, en dessous de 350 km, ce qui le rapproche dangereusement du satellite d’observation de l’agence spatiale européenne ; les chances de collision étant estimées à un pour mille, une probabilité dépassant le seuil d’alerte de l’agence62

Pollution lumineuse du ciel nocturne

Passage d’une série de satellites Starlink à Tübingen (Allemagne).

Cette multitude de satellites rejoint l’ensemble des projets en cours de déploiement (12 000 satellites voire 42 000 pour Starlink1, 3 250 pour Kuiper d’Amazon63, 650 à 2 000 pour OneWeb1,64etc.), 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, 110 satellites devraient être visibles à l’œil nu à tout instant, atteignant une magnitude de 5. Des centaines de flashs lumineux par nuit sont également attendus, une centaine atteignant la magnitude de Vénus ou de la Station spatiale internationale65.

Cette pollution perturbe le travail des astronomes, professionnels et amateurs, ainsi que des photographes de paysages de nuit qui devront filtrer ces sources indésirables de lumière1. Elle menace aussi de détruire les optiques sensibles des téléscope à large champ de vue, tel l’observatoire Vera-C.-Rubin65.

Syndrome de Kessler

 

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