Quèsaco la télécommunication spatiale ? Le cas de l’ISS

Laurent Franck est chercheur en télécommunications spatiales à IMT Atlantique. Ces systèmes de communication nous permettent d’échanger des informations avec des objets (satellite, sonde…) très éloignés. C’est également grâce eux que l’on communique avec la station spatiale internationale (ISS). Un cas particulier et atypique comparé à l’exemple mieux connu de la télévision par satellite. Le chercheur nous explique comment fonctionnent ces échanges entre la Terre et l’espace.

Depuis son départ en novembre 2016, Thomas Pesquet ne cesse de régaler le monde entier avec des photos de notre Terre vue du ciel. Une belle façon de démystifier la vie dans l’espace et de rendre accessible un métier qui fait rêver petits et grands. Ainsi, nous avons pu voir que les membres de l’expédition 51 à bord de la station ISS sont loin d’être perdus dans l’espace. Au contraire, Thomas Pesquet a pu supporter le XV de France derrière un écran de télévision et communiquer en direct avec des enfants de différentes écoles françaises (dernière en date le 23 février 2017 dans le Gard). De votre côté, vous pouvez suivre à tout moment les aventures de l’ISS en direct. Mais comment est-ce possible ? Pour éclaircir la question, nous nous sommes entretenus avec Laurent Franck, chercheur en télécommunications spatiales à IMT Atlantique.

Qu’est-ce que l’ISS et à quoi sert-elle ?

Laurent Franck : L’ISS est une station spatiale internationale habitée. Elle accueille des équipages internationaux provenant des Etats-Unis, de la Russie, du Japon, de l’Europe et du Canada. Il s’agit d’une base scientifique qui permet de faire des expériences scientifiques et technologiques en environnement spatial. L’ISS est située à environ 400 kilomètres au-dessus de la surface du sol. Mais elle n’est pas fixe dans le ciel, car quand on est en orbite à cette altitude, les lois physiques font que l’on tourne à une vitesse supérieure à la rotation de la Terre. Elle suit ainsi une orbite circulaire autour de notre planète à une vitesse de l’ordre de 28 000 kilomètres par heure lui permettant de faire le tour de la Terre en 93 minutes.

Comment communique-t-on avec l’ISS ?

LF : Pas par fil ça c’est sûr ! On peut communiquer de manière directe, c’est-à-dire entre un point sur Terre et la station spatiale. Pour cela, il faut qu’elle soit visible au-dessus de nous. On peut s’affranchir de cette contrainte en passant par un intermédiaire. Un ou plusieurs satellites localisés plus haut servent alors de relais. L’onde radio va passer de la Terre au satellite relais puis à la station spatiale, ou inversement. C’est tout un jeu de géométrie. Au total, il existe une petite dizaine de satellites relais américains en orbite. Ils s’appellent TDRS (Tracking and Data Relay Satellite). L’Europe possède un système similaire qui s’appelle EDRS (European Data Relay System).

Pourquoi ces satellites sont-ils situés à une altitude plus haute que celle de la station spatiale ?

LF : Supposons une analogie simple. Je prends une lampe de poche et je la dirige vers le sol. J’observe alors un halo lumineux sur le sol. Si j’éloigne la lampe du sol, le halo grandit. Cette empreinte lumineuse représente la couverture de communication entre le sol et l’objet en l’air. L’ISS est proche de la surface terrestre donc elle ne recouvre qu’une toute petite partie de la Terre et en plus sa couverture se déplace. A l’inverse, si je prends un satellite géostationnaire à une altitude de de 36 000 kilomètres, la couverture est plus importante et fixe sur la Terre. Non seulement il faut peu de satellites pour recouvrir la surface terrestre mais en plus l’ISS peut communiquer durablement, via le satellite géostationnaire, avec une station terrestre qui se trouve également dans cette couverture. Grâce à ce système, il ne faut que trois ou quatre stations sur Terre pour communiquer en permanence avec l’ISS.

Le direct avec l’ISS est-il réellement en direct ?

LF : Il y a un léger décalage qui est lié à deux choses. Premièrement, le temps qu’il faut au signal pour passer physiquement d’un point A à un point B. Ce temps est lié à la vitesse de la lumière. Ainsi, lorsque l’on veut atteindre un satellite géostationnaire (télévision ou satellites relais), il faut 125 millisecondes. Ajoutons à cela la distance entre le satellite et l’ISS. On se retrouve avec un temps de trajet incompressible – car physique – de l’ordre d’un peu plus d’un quart de seconde. Soit une demi-seconde s’il faut faire un aller-retour. Ce premier type de délai est facilement observable quand on regarde le journal télévisé : le studio pose une question et le reporter distant semble attendre avant de répondre parce qu’il faut du temps pour qu’il reçoive la question via le satellite et que sa réponse revienne !

Deuxièmement, il y a des temps de traitement car les informations passent dans des équipements de télécommunication. Ces équipements ne sont pas capables de traiter les informations à la vitesse de la lumière. Parfois l’information est stockée temporairement pour pouvoir s’accommoder de la vitesse de processeur. C’est comme lorsque l’on arrive à un guichet. Il y a le temps de service de l’employé au guichet et le temps d’attente lié à toutes les personnes devant moi dans la file. Le délai peut s’accumuler rapidement.

Sinon, on peut échanger n’importe quel type d’information avec l’ISS. La voix et l’image bien sûr, mais il y aussi des données de télémétrie. Ce sont les informations qu’un engin spatial transmet vers le sol contenant son état de santé. Parmi elles, on retrouve notamment la position de la station, les données des expériences à bord…

Quelles sont les principales difficultés rencontrées par les systèmes de télécommunication spatiale ?

LF : La difficulté majeure tient au fait que l’on communique avec des objets qui sont très lointains et eux-mêmes sont limités en puissance électrique de transmission. On traduit ces contraintes dans un bilan de liaison énergétique. Cela fait intervenir plusieurs phénomènes. Le premier est que plus on communique loin, plus on perd de l’énergie. Celle-ci se disperse comme un spray avec la distance. La deuxième chose intervenant dans ce bilan est que la qualité d’une communication dépend de la quantité d’énergie que l’on reçoit à destination. On s’interroge : sur un million de bits transmis, combien sont faux à l’arrivée ? Enfin, le dernier point est le débit possible pour la communication. Celui-ci dépend également de la quantité d’énergie investie dans la communication. On ajuste souvent le débit pour atteindre un certain niveau de qualité. Tout cela dépend de la quantité d’énergie dont on dispose pour transmettre. Celle-ci est limitée à bord de l’ISS au vu de l’alimentation via des panneaux solaires et des passages dans l’ombre de la Terre. Les satellites relais sont soumis aux mêmes contraintes.

Existe-t-il un risque d’interférence au moment où les informations circulent dans l’espace ?

LF : Oui et non parce que les télécommunications radiofréquence sont très règlementées. Le droit d’émettre est lié à une fréquence et une puissance maximale. C’est également règlementé en espace : on ne peut pas « déborder » vers une antenne voisine. Pour les communications spatiales, il existe des tables définissant la quantité d’énergie maximale que l’on peut envoyer en dehors de la direction principale de communication. En dessous de ce maximum, l’énergie envoyée à un voisin est bien sûr interférente, mais elle n’aura pas d’impact négatif sur son bon fonctionnement.

Quelles sont les autres applications des satellites de communications ?

LF : Ils servent pour l’accès Internet, la téléphonie, la vidéophonie, l’internet des objets… Mais ce qui est intéressant c’est ce à quoi ils ne servent pas : la navigation GPS ou les observations météorologiques par exemple. En effet, les missions spatiales se décomposent traditionnellement en quatre volets : les télécommunications dont nous parlons ici, la navigation/localisation, l’observation et l’exploration spatiale lointaine telle que les sondes Voyager. Finalement, ce qui est fascinant c’est qu’à partir d’un domaine aussi spécialisé que celui de l’espace, on trouve une quasi-infinité de dérivations encore plus spécialisées.

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— Thomas Pesquet (@Thom_astro) 26 février 2017

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