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Evolution de l’histoire des télécoms par satellite dans le monde de 1945 à 2020

Evolution de l’histoire des télécoms par satellite dans le monde de 1945 à 2020

Un satellite artificiel est un objet de fabrication humaine placé en orbite autour de la Terre. Selon l’application, un satellite peut être placé soit sur une orbite géostationnaire à 36 000 km, soit sur une orbite moyennement basse (entre 19000 à 23000 kms) ou sur une orbite basse relativement proche de la Terre (200 à 1000 kms). Coté applications, les satellites sont utilisés dans différents domaines. Il existe des satellites pour la recherche scientifique ou pour diverses applications, qui contribuent au fonctionnement des États dans des domaines tels que les télécommunications, la navigation, la gestion des ressources naturelles, la sécurité maritime, la météorologie, la prévention et surveillance des dangers naturels. Depuis l’avènement des satellites à la fin des années 1950 et compte tenu des évolutions technologiques dont notamment l’invention du transistor ont permis d’envisager la réalisation d’équipements électroniques à bord de satellites. En conséquence les domaines d’application se sont multipliés, donnant naissance à de nouveaux secteurs. Cependant, le développement des satellites reste concentré entre les mains de quelques puissances spatiales (Etats-Unis, Russie, Inde, Chine, France…). Dans cet article, nous nous concentrerons plutôt sur l’histoire des satellites utilisés dans les télécommunications de 1945 à nos jours. Comme les technologies de câble sous-marin (1), les satellites ont également une histoire !

Le concept d’un satellite de télécommunications a été exposé pour la première fois par l’ingénieur britannique Arthur Charles Clarke (2) en octobre 1945. À cette date, Clarke publia un article intitulé « Extra-terrestrial Relays » dans le magazine britannique Wireless World. L’article décrit les lois de base régissant le déploiement de satellites artificiels dans le but de relayer les signaux radio.

Clarke at his home in Sri Lanka, 2005

L’ingénieur John Robinson Pierce, un employé de l’opérateur ATT (American Telephone – Telegraph), a été le premier à décrire comment l’idée de Clark serait réalisée sur le plan pratique. Cet ingénieur pionnier a publié une étude en 1955 sur les caractéristiques techniques, les apports et les coûts d’un satellite installé au-dessus de l’océan Atlantique et fournissant des communications téléphoniques entre l’Europe et l’Amérique du Nord. Bien sûr, l’idée de réaliser des relais télécoms dans l’espace devient intéressante et possible après le succès du placement d’un satellite artificiel par l’URSS le 4 octobre 1957. Le premier satellite de l’histoire de Spoutnik1 était une boule d’acier (non opérationnelle sur le plan des télécommunications) qui a fait le tour de la Terre pendant 92 jours avant de se désintégrer le 4 janvier 1958. Ainsi Spoutnik1 a été le premier satellite artificiel de la Terre conçu par l’ingénieur Sergueï Korolev. Ce lancement a été considéré pendant la guerre froide comme un grand défi pour les Etats-Unis.

Spoutnik1, premier satellite artificiel

Le lancement de Spoutnik1 marque le début de la course entre les États-Unis et l’URSS pour la conquête de l’espace. Ainsi un an après le lancement de spoutnik le président Eisenhower des Etats-Unis créât la DARPA (institut de recherche du département de La Défense) pour reprendre la main dans la technologie des satellites. Car le lancement de Spoutnik1 symbolise à l’époque le début de la course dans l’espace. Cette course prendra un nouveau souffle avec le voyage du premier homme dans l’espace (Youri Gagarine).

En décembre 1958, un satellite a été utilisé pour la première fois comme relais dans les télécoms. Développé par le département américain de la Défense, ce premier satellite nommé SCORE (Signal Communications Orbit Relay Equipment) est un vaisseau spatial lancé par les États-Unis qui a été le premier satellite de télécommunications. SCORE a été placé en orbite basse le 18 décembre 1958.

Après le projet SCORE, le projet Echo a été réalisé, qui a également été l’une des premières expériences de communications passives par satellite. Ces deux engins spatiaux américains, lancés en 1960 et 1964, étaient des satellites constitués de ballons métalliques agissant comme réflecteurs passifs de signaux micro-ondes à basse altitude. Les signaux de communication ont été envoyés d’un point sur Terre à un autre. Echo1 a été lancé le 12 août 1960. Echo 1 a été dégonflé par les météorites.

Echo 2 est le dernier satellite de type ballon lancé par le projet Echo. Il a été lancé le 25 janvier 1964. Ces deux satellites Echos étaient passifs, c’est-à-dire qu’ils n’offraient aux ondes qu’une surface réfléchissante et n’avaient pas d’équipement actif pour traiter ces ondes.

Ce n’est qu’en 1963 que le premier satellite géostationnaire a été lancé (3). C’est l’ingénieur britannique Clarke qui a initialement proposé cette solution originale pour l’utilisation de l’orbite géostationnaire. Il montre qu’il y a une orbite située à près de 36 000 km de la Terre où la période de rotation a exactement la même durée que la rotation de la terre autour de son axe. Ainsi, un satellite placé sur cette orbite appelée syncom1 apparaissait comme un objet immobile vu d’un point de la terre. L’antenne de la station terrestre peut pointer une fois pour tout sur ce satellite géostationnaire. Bien sûr, quelques petits ajustements sont nécessaires de temps en temps pour éviter de légères dérives du satellite.  Le 14 février 1963, le premier satellite géostationnaire Syncom1 est lancé.

Satellite Syncom 1

Construit par Hughes Aircraft, ce satellite n’a fonctionné que quelques secondes. Le second Syncom2, lancé en juillet 1963, a parfaitement fonctionné. Il a assuré des communications téléphoniques et télex entre les États-Unis, l’Europe et l’Afrique. Le troisième Syncom3 a été lancé en août 1964. Ce troisième satellite géostationnaire a été un grand succès, il a contribué à la diffusion des Jeux Olympiques de Tokyo au monde en 1964. Pour rappel, les Jeux olympiques d’été de 1964 ont eu lieu à Tokyo, au Japon, du 10 au 24 octobre 1964. C’était la première fois que le continent asiatique accueillait cet événement. Ce sont les premiers Jeux Olympiques diffusés en direct, notamment grâce au satellite (4).  Quant au Maroc, il a construit sa première station terrestre pour l’exploitation des télécommunications spatiales à la fin des années 1960. Une station terrestre avec le segment spatial Intelsat III a été construite dans la région de Rabat.

Khaouja avec M. Dario Mulassano Directeur chez la société américaine Hughes.

Le système Intelsat : l’ère de l’exploitation commerciale des satellites à l’échelle internationale a commencé avec les satellites Syncom. Fondée en 1964, Intelsat est aujourd’hui le premier opérateur mondial de satellites en termes de capacité et de portée géographique avec une flotte mondiale d’environ 50 satellites en service. Il est présent au Maroc depuis 1970. Le premier satellite Intelsat appelé Early Bird a été placé en orbite géostationnaire en avril 1965 au-dessus de l’Atlantique. Elle avait la capacité de fournir 240 communications simultanément entre l’Europe, les États-Unis et le Canada. Ainsi, le satellite Syncom II et le Early Bird ont commencé à fournir des liaisons de télécommunications dans plusieurs pays. Une organisation internationale appelée Intelsat a été créée pour gérer les satellites. Ainsi, le satellite Early Bird devient Intelsat I. L’Intelsat II a été lancé le 14 janvier 1967 au-dessus du Pacifique. Trois mois plus tard, un troisième Intelsat III est lancé au-dessus de l’Atlantique. Après intelsat III B et Intelsat III C ont été mis en orbite en Décembre 1969 et Février 1970 respectivement. Ainsi, au début des années 1970, Intelsat était la seule organisation qui exploite des satellites commercialement dans les pays non communistes. Intelsat a fourni une couverture presque mondiale à l’époque (5) ! Parallèlement aux changements technologiques, il était également important de créer un droit de l’espace. En août 1962, par exemple, le Congrès des États-Unis a adopté une loi autorisant la création d’une organisation internationale pour l’exploitation des satellites à des fins commerciales et internationales. Pour plus d’informations sur le droit spatial, voir l’article de Si Ahmed Benhmida dans le présent numéro de Lte magazine. L’URSS (Union des Républiques socialistes soviétiques) avait également commencé le lancement de plusieurs satellites depuis 1965. Le premier de ces satellites a été lancé en avril 1965. Ce premier satellite s’appelle Molniya (6). Plus tard, l’URSS avait créé avec le bloc est Inter-spoutnik qui est une organisation de services de télécommunications par satellite.

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Inter-Spoutnik a été fondé le 15 novembre 1971 par l’URSS avec les autres pays du bloc de l’Est. Sa création est la réponse des pays du bloc de l’Est à l’établissement d’Intelsat en Occident. L’organisation inter-spoutnik compte actuellement 25 membres et 12 satellites.

Après plusieurs tentatives infructueuses en Europe, ce n’est que dans les années 1970 que le programme des satellites connus sous le nom de Symphonie (1974-1975) a été réalisé, fruit de la coopération franco-allemande. Rappelons qu’au cours des années 1960, il a été question du lancement d’un satellite européen des télécommunications par la fusée Europa, dont le premier étage est anglais, le deuxième Français et le troisième allemand. La construction devait normalement être confiée à l’Italie. Ce projet n’a pas été couronné de succès pour des raisons politiques !

Dans les années 1970 et 1980 pour mutualiser les ressources nécessaires à la mise en place de réseaux satellites des opérateurs dédiés d’opérateurs internationaux ont été créés.  Par exemple Inmarsat pour les communications maritimes, Eutelsat opérateur européen et Arabsat pour le monde arabe et opérateurs nationaux comme Astra.

Dans les années 1990-2000 la rentabilité de l’activité, qui s’est diversifiée (télévision directe, Internet, messagerie), s’accroît fortement : en conséquence les organisations internationales (Intelsat) et régionales (Eutelsat) sont progressivement privatisées tandis que les opérateurs privés se multiplient. L’activité fait partie des secteurs les plus touchés par la bulle Internet de la fin des années 1990 : plusieurs opérateurs mettent en place des projets de constellations (de 10 à 70 satellites) en orbite basse (Iridium, Globalstar…) pour lancer entre autres la téléphonie par satellite. Mais la rentabilité n’est pas au rendez-vous et les projets sont arrêtés ou leurs objectifs sont revus à la baisse. Il faut dire que l’arrivée de la norme GSM basée sur la technologie cellulaire a compliqué la rentabilité financière de ces projets satellitaires comme ceux d’Iridium ou Global Star.

Bandes de fréquences utilisées dans les télécoms par satellites.

Aujourd’hui, la tendance est la miniaturisation des satellites. Une opération qui consiste à réduire la masse des satellites artificiels. L’objectif de cette réduction de poids est de réduire les coûts de lancement, qui constituent un poste budgétaire très important et sont à peu près proportionnels à la masse des engins spatiaux. Il s’agit aussi de réduire l’énergie consommée par le satellite, dont la production peut mobiliser jusqu’à 30% de la masse d’un vaisseau spatial. La miniaturisation bénéficie des progrès de l’électronique et de la production d’énergie spatiale. Aujourd’hui, avec les nano-satellites d’une taille de quelques dizaines de centimètres avec un poids de quelques kilogrammes, on réalise d’énormes économies et une réduction des coûts en conséquence. Ces nano-satellites dont le cout avoisine les 20000 euros par kg, offrent de nouvelles possibilités aux opérateurs télécoms.

De nouveaux acteurs comme SpaceX ou OneWeb profitent de la réduction des coûts de lancement pour se lancer dans la fourniture de l’internet par des satellites ou plus précisément des CubeSat. Les CubeSat sont apparus depuis 1999 à l’université de Californie. Un CubeSat est un Satellites de moins de 1,33 kg et de 10×10×10 cm.

En octobre 2019, SpaceX a demandé à l’Union internationale des télécommunications (UIT) l’autorisation de mettre 30000 satellites supplémentaires en orbite. Ceux-ci s’ajouteront aux 12 000 satellites déjà prévus et approuvés.

Elon Musk responsable du projet Starlink (Space X)

L’objectif de SpaceX est de créer un réseau de satellites pour fournir un accès Internet à haute vitesse et de nouveaux services connexes à travers la planète Terre ! Les 60 premiers satellites ont été mis en orbite le 23 mai 2019. Pour précision les 60 satellites ont été lancés en un seul lancement (7) ! Selon les bonnes sources de l’UIT, les 30 000 satellites supplémentaires seront mis en orbite basse, entre 328 kilomètres et 580 kilomètres au-dessus du niveau de la mer. Le 7 janvier 2020, depuis le Centre spatial de Cap Canaveral en Floride, SpaceX a lancé avec succès 60 satellites Starlink d’une masse totale de 15,6 tonnes en orbite. Ces satellites ont été placés en orbite à une altitude de 290 km où ils seront testés avant d’atteindre leur position opérationnelle à 550 km d’altitude. Avec ce lancement le 7 janvier 2020, SpaceX a déjà 182 satellites Starlink en orbite. SpaceX prévoit 24 lancements de Starlink en 2020. Selon Elon Musk, la constellation starlink deviendra économiquement viable à partir de 1 000 satellites opérationnels. Si tout va bien les services de Starlink devraient commencer en 2020.

Dr. Vishal Sharma expert des satellites de Métanoia Inc  a déclaré le 27 février 2020 au « Tech Spirit 2020 » de Barcelone qu’il faut s’attendre dans les années à venir à une intégration entre les LEO constellations et les réseaux télécoms terrestres 5G et 6G. Il ajoute que certainement les LEO constellations satellitaires vont intégrer dans leur architecture les concepts qu’on retrouve actuellement dans la 5G (SA) à savoir la SDN, la Virtualisation et le cloud.  Par ailleurs et dans le domaine des satellites géostationnaires une nouvelle ère s’ouvre.  L’engin spatial MEV-1 récemment envoyé et le satellite Intelsat 901 déjà en place depuis longtemps ne font qu’un. Lors d’une manœuvre inédite en orbite géostationnaire, le MEV-1 de Northrop Grumman s’est amarré à un satellite de télécommunications existant sur l’orbite géostationnaire depuis plusieurs années déjà pour prendre son contrôle et lui prolonger sa durée de vie de cinq ans.

Lorsque nous analysons l’évolution des satellites de télécommunications et les divers risques qui y sont associés de 1957 à nos jours, nous ne pouvons qu’apporter un hommage émouvant aux scientifiques, ingénieurs, techniciens, gestionnaires, avocats, financiers, pour les efforts louables qu’ils ont déployés, et en particulier pendant la période de la guerre froide pour la mise en œuvre de ces réseaux de télécommunications par satellite. De toute évidence, les prochaines années sont pleines de grandes innovations dans le domaine des LEO constellations et les réseaux télécoms terrestres tels que ceux de la 5G et de la 6G.

En effet, comme la recherche et l’innovation n’ont pas de limites, les télécommunications s’ouvriront certainement à l’avenir à de nouveaux horizons inattendus, comme l’a dit René Guenon, philosophe Français au début du XXe siècle : « personne ne peut arrêter le progrès». Tout ce que nous espérons, c’est que ces innovations technologiques serviront toute la communauté internationale loin des guerres, des conflits et surtout loin de l’injustice !

Notes:

  • (1) voir l’article « Les câbles sous-marins de 1850 à nos jours» dans Lte magazine au lien suivant : http://lte.ma/les-cables-sous-marins-de-1850-a-nos-jours

  • (2) Avant Clark d’autres personnes ont été des précurseurs de l’envoies des satellites comme Constantin ou Herman. En effet dès 1903, Constantin Tsiolkovsky (1857–1935) publie « Exploration de l’espace au moyen d’engins à réaction »), qui constitue le premier ouvrage scientifique sur l’utilisation de fusées pour le lancement des engins spatiaux. Dans cet ouvrage il indique la vitesse minimale que doit atteindre un objet pour qu’il se place en orbite autour de la Terre et il préconise l’utilisation d’une fusée à plusieurs étages avec des moteurs à propergols liquides. En 1928, le Slovène Herman Potočnik (1892–1929) dans son unique ouvrage « La Problématique du vol spatial ») décrit les moyens à mettre en œuvre pour permettre à l’homme de s’établir de manière permanente dans l’espace. Il décrit comment des vaisseaux spatiaux placés en orbite peuvent être utilisés pour des observations pacifiques et militaires de la surface de la Terre ; il montre l’intérêt de l’apesanteur pour les expériences scientifiques. Le livre décrit le fonctionnement des satellites géostationnaires (évoqués pour la première fois par Tsiolkovsky) et explore le problème des communications entre le sol et les satellites par le biais de la radio.

  • (3) En mars 1968 l’ingénieur O.S Visher de la société Hughes a présenté un modèle démontrant comment les satellites géostationnaires étaient plus rentables financièrement que les satellites à défilement sur des orbites basses. Depuis les Etats-Unis se sont lancés dans les satellites géostationnaires. Tout satellite géostationnaire même s’il est placé correctement, est exposé à de lentes dérives étant donné que la Terre n’est pas exactement ronde dans le plan de l’équateur. C’est à cet effet que le satellite est pourvu de propergol et de petits éjecteurs convenablement orientés.

  • (4) la première communication téléphonique a été réussi entre un avion de Japan Airlines et une station terrienne aux Etats-Unis en juillet 1967.

  • (5) l’envoie des satellites notamment les Intelsat ont beaucoup servi les Etais-Unis dans le programme Apollo concernant les missions lunaires des vaisseaux spatiaux. A cet effet les Etats-Unis avaient l’intérêt dans le financement des satellites Intelsat.  Voir l’entretien réalisé par LTE Magazine avec l’astronaute de la NASA Tani Daniel où il explique comment on a utilisé les différentes fréquences pour les communications dans l’espace proche et lointain : http://lte.ma/entretien-avec-lastronaute-daniel-tani

  • (6) les satellites soviétiques de la série Molniya fonctionnaient dans la bande de fréquences comprises entre 800 et 1000 Mhz. Les satellites d’Intelsat fonctionnaient dans la bande 3700 et 4200 Mhz dans le sens satellite-sol et dans la bande 5925 à 6425 Mhz dans le sens sol-satellite.

  • (7) L’Inde a pu en 2017 réaliser un exploit en envoyant dans l’espace 104 satellites appartenant à plusieurs pays en un seul lancement c’est-à-dire avec un seul lanceur. Une agence spatiale, l’ISRO, pilote le programme spatial indien depuis 1969. Dès 1983 M El Mellahi Said et Khaouja Ahmed avaient signalé le choix que l’Inde a fait, pour développer les télécommunications par satellite (voir article histoire des télécoms par satellite).

Par Ahmed Khaouja et René Serres

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