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1 - ARCHITECTURE D’UNE LIAISON OPTIQUE

2 - ACQUISITION ET POINTAGE

3 - APPLICATIONS

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : E4210 v2

Applications
Systèmes de liaisons spatiales par lasers

Auteur(s) : Georges OTRIO

Date de publication : 10 févr. 2001

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Auteur(s)

  • Georges OTRIO : Responsable du département Optique,Centre national d’études spatiales (CNES)

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INTRODUCTION

Dans le domaine spatial, on peut considérer que l’optique est en situation de concurrencer les liaisons radiofréquences dans plusieurs domaines d’application.

En premier, les immenses besoins en hauts débits (missions de télédétection spatiale : observation ou imagerie spectrale à haute résolution, arrivée du multimédia, développement des liaisons téléphoniques portables, télévision numérique à haute définition...), seront satisfaits par des réseaux de satellites en orbite basse (LEO, « low earth orbiting ») et communiquant entre eux par des liaisons optiques à très hauts débits (supérieurs à plusieurs gigabits par seconde) et vers le sol par voie radiofréquence.

Ensuite, d’autres échanges peuvent être nécessaires entre les orbites basses (LEO) et géostationnaire (GEO, « geostationnary earth orbiting »). C’est le cas de la liaison Silex (LEO) embarquée sur le satellite Spot 4 (lancé en 1998) et devant communiquer avec le futur satellite Artémis (GEO) dont le lancement est prévu en 2001.

Enfin, la grande directivité du faisceau laser (grand gain d’antenne) sera mise à profit pour des liaisons lointaines : sondes orbitant autour des planètes du système solaire et liées avec la Terre (ou un satellite géostationnaire qui joue un rôle de relais). Des études importantes sont engagées dans ce domaine par la NASA (Jet Propulsion Laboratory).

D’autres applications sont encore envisageables : liaisons intrasatellites, transmission de signaux d’horloges (synchronisation), positionnement précis de bras d’interféromètres, communications directes avec le sol très localisées. Il s’agit dans tous ces cas, d’utiliser un faisceau laser très bien stabilisé (en position angulaire ou en fréquence).

Pour ces missions, au débit de plus en plus élevé, les radiofréquences actuelles (Ku ou Ka , de 11 à 30 GHz), vont poser des problèmes : pour assurer un gain suffisant, les diamètres des antennes devront atteindre de très grandes dimensions, d’où un encombrement important, des difficultés d’implantation sur un satellite et des perturbations dynamiques qui conduiront à des défauts de stabilisation lors de la manœuvre de ces antennes.

On a donc recours aux fréquences optiques, correspondant à des longueurs d’onde de l’ordre de 1 µm. Leur intérêt découle de la très haute fréquence de la porteuse : le faisceau lumineux émis par le laser et collimaté par une antenne est d’autant plus directif que la fréquence optique est élevée (ou la longueur d’onde petite). Le diamètre d de la zone éclairée par un faisceau laser, à la longueur d’onde λ, collimaté par une lentille de diamètre D, à la distance L, et correspondant au premier lobe de diffraction, est donné par la relation d = 2,44 λL/D (cas simplifié d’une pupille uniformément éclairée).

Sur la figure 1, le satellite en orbite basse (LEO) envoie un rayonnement vers le satellite en orbite géostationnaire (GEO). La diffraction élargit la zone éclairée. Le tableau 1 donne la dimension des taches en optique et en radiofréquence (bande Ka) à une distance L de 45 000 km.

À puissance émise constante, l’éclairement est proportionnel à 1/ λ2. Pour un signal de détection correspondant à un rapport signal sur bruit donné, on peut réduire les diamètres des antennes de réception dans le rapport 1/ λ2, ce qui permet de diminuer l’inertie des pièces en mouvement. Le contrôle d’attitude du satellite s’en trouve donc simplifié.

Par contre, un très grand gain d’antenne nécessite un pointage très précis, de l’ordre du microradian (le lobe de diffraction d’une antenne de 250 mm de diamètre à la longueur d’onde de 0,85 µm est de ± 4,15 µrad ; l’ordre de grandeur de la stabilité du faisceau est du dixième de cette valeur). Une petite erreur de visée, due à un mésalignement ou à un défaut de stabilité du satellite, conduit à une chute d’éclairement. Il faut donc asservir les positions angulaires des deux terminaux à mieux que cette valeur.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e4210


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3. Applications

3.1 Liaisons entre relais géostationnaires (GEO-GEO)

Deux ou trois relais géostationnaires régulièrement répartis sur l’orbite géostationnaire assurent une liaison permanente à très haut débit, dans les deux sens. Les distances entre deux satellites peuvent varier de quelques centaines de kilomètres à 73 000 km environ : les débits sont généralement très élevés, de l’ordre du gigabit par seconde et les taux d’erreur binaire exigés sont de l’ordre de 10– 9. Une autre caractéristique est la très grande durée de vie : 10 à 15 ans de fonctionnement permanent. Les systèmes d’acquisition sont simplifiés car les directions de visée restent fixes ; l’angle de pointage en avant est fixe, de l’ordre de 15 µrad (satellites situés à 120o l’un de l’autre sur orbite géostationnaire). La précision de pointage n’est pas excessive : quelques microradians. La détection peut être directe ou hétérodyne. Dans le premier cas, on se heurte au problème de la forte puissance laser monomode modulée en direct (de l’ordre de 1 W) ; dans le second cas, on peut se contenter de plus faibles puissances, (plusieurs centaines de milliwatts) mais la détection est beaucoup plus complexe : présence d’un oscillateur local stable et fiable, et laser monomode stable en fréquence. Il n’existe pas encore de projet d’une telle mission en optique, bien que plusieurs grands organismes nationaux ou opérateurs internationaux (Intelsat, NASA, Agence spatiale européenne...) fournissent un effort de recherche important dans ce domaine.

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3.2 Liaisons avec une sonde lointaine

La transmission en radiofréquence de Mars vers la Terre (200 à 300 · 106 km selon la position des planètes sur leurs orbites respectives) se fait actuellement au débit de 30 à 50 kbit/s et nécessite à bord une grande antenne de 1,5 à 2 m de diamètre. L’optique peut apporter un gain significatif avec un débit de 500 kbit/s à 1 Mbit/s et un diamètre d’antenne très réduit : 15 à 25 cm suffisent avec une puissance laser de quelques watts en continu. Par contre, il faut impérativement émettre des impulsions puissantes, brèves...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BEGLEY (D.L.) -   Selected papers on free-space laser communications II.  -  SPIE Milstone Serie MS 100 (1994).

  • (2) - KAMERMAN (G.W.) -   Laser radar.  -  SPIE Milstone Serie MS 133 (1997).

  • (3) - MECHERLÉ (G.S.) -   Free space laser communication technologies XI.  -  Proceeding of SPIE, vol. 3615 (1999).

  • (4) - MASTEN (M.K.) -   Acquisition, tracking and pointing XIII.  -  Proceeding of SPIE, vol. 3692 (1999).

  • (5) - GALERNEAU (P.) -   Laser diodes and applications.  -  Proceeding of SPIE, vol. 3415 (1998).

  • (6) - KATZMAN (M.) -   Laser satellite Communications.  -  Prentice-Hall, London (1987).

  • (7) - OKOSHI...

1 Organismes

Centre national d’études spatiales CNES

www.cnes.fr

Agence spatiale européenne / European Space Agency ASE/ESA

www.esa.int

National Aeronautics and Space Administration NASA

www.nasa.gov

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2 Maître d’œuvre

Matra Marconi Space

https://space.skyrocket.de/doc_sat/astrium_leostar.htm

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