Constellation de satellites
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Une constellation de satellites est un groupe de satellites artificiels identiques qui travaillent de concert pour fournir une prestation en assurant généralement une couverture quasi-complète de la planète. Ces satellites circulent sur des orbites choisies de manière que leurs couvertures au sol respectives se complètent. Les premières constellations de satellites sont déployées pour répondre à des besoins de positionnement (système TRANSIT de l'Armée américaine) puis de téléphonie par satellite (Iridium...). La généralisation des systèmes de navigation par satellite et la diminution du coût des composants entraînent une multiplication des constellations. Au début des années 2020 sont ainsi déployées des mégaconstellations de plusieurs milliers de satellites en orbite basse (OneWeb, Starlink...) dont l'objectif premier est de fournir un accès à haut débit aux utilisateurs éloignés des réseaux terrestres. La multiplication des satellites circulant en orbite basse aggrave le problème de la production et de gestion des débris spatiaux.
Présentation
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Un satellite artificiel peut fournir des services de télécommunications (téléphonie fixe, transfert de données, téléphonie mobile, diffusion de chaînes de télévision...) ou de navigation (position, vitesse) avec une meilleure couverture géographique qu'un système terrestre et pour un coût plus faible, puisqu'il requiert des infrastructures terrestres comparativement réduites. Ce type de prestation se développe dans les années 1970, qui voient la mise en place de satellites placés sur une orbite géostationnaire. Cette orbite permet de maintenir le satellite au-dessus d'une région choisie et d'assurer ainsi une couverture permanente. Une constellation de trois à quatre satellites géostationnaires peut offrir une couverture complète du globe terrestre (hors régions polaires, car un satellite géostationnaire est nécessairement positionné à une latitude nulle, c'est-à-dire à l'aplomb de l'équateur). Cette solution est adoptée pour la première couverture météorologique du globe, assurée par une constellation formée de satellites de différentes nations — Europe (Météosat), États-Unis (GEOS), Russie, Chine, Inde — judicieusement positionnés, ainsi que par les systèmes de télécommunications Intelsat et Inmarsat.
Les satellites géostationnaires présentent plusieurs inconvénients. Leur première limitation est un temps de réponse élevé, lorsque le service est interactif (par exemple : téléphonie ou navigation sur Internet) ; l'aller-retour du signal radio entre le satellite situé à 36 000 km d'altitude et la Terre est d'environ 250 millisecondes. La solution consiste à utiliser une constellation de satellites en orbite basse (inférieure à 2 000 km). Leur couverture étant plus faible, il faut alors les placer en nombre suffisamment élevé pour assurer une continuité de service. Les premières constellations de ce type sont mises en place à la fin des années 1990 pour assurer la téléphonie par satellite (Iridium, Globalstar) et comportent de 50 à 70 satellites. Au début des années 2020 se mettent en place de nouvelles constellations pour fournir un accès à internet à haut débit aux utilisateurs trop éloignés des réseaux terrestres. Pour desservir les dizaines de millions d'utilisateurs prévus, ces constellations comptent des centaines (OneWeb), voire des milliers de satellites (Starlink, Kuiper).
La deuxième restriction est la couverture. L'orbite géostationnaire couvre mal ou pas du tout les latitudes hautes. Les applications de télédétection comme le suivi de l'évolution de la végétation, des catastrophes naturelles, la reconnaissance militaire nécessitent une couverture globale qui peut toutefois ne pas être continue. Pour répondre à ce besoin, les satellites sont placés sur des orbites basses souvent héliosynchrones. Pour obtenir une fréquence de revisite plus grande, on a alors recours à une constellation comportant quelques (deux, trois...) satellites identiques.
Pour qu'un utilisateur puisse obtenir sa position précise en temps réel, son terminal (ex. : GPS) doit pouvoir réaliser une triangulation entre trois ou quatre satellites au minimum, visibles et largement écartés. Le premier système de navigation par satellite, TRANSIT, mis au point pour les forces armées des États-Unis, repose sur une constellation de dix satellites en orbite basse polaire. Mais compte tenu de l'altitude des satellites (environ 1 000 kilomètres) et de leur nombre réduit, un seul satellite est généralement visible à un instant donné. La position ne peut être actualisée qu'une fois par heure (au mieux) et la précision est médiocre (200 mètres au mieux). Le système de navigation par satellite qui remplace TRANSIT dans les années 1990, le GPS, repose sur une constellation d'une trentaine de satellites circulant en orbite moyenne (20 000 kilomètres). Il résout les limitations du système précédent en fournissant une position immédiate avec une précision de l'ordre du mètre.
Domaines d'application
modifierTélécommunications
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Navigation
modifierObservation de la Terre
modifierCaractéristiques d'une constellation de satellites
modifierBesoin
modifierSegment spatial
modifierSegment terrestre
modifierTerminal utilisateur
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Méga-constellations
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Dans les années 2010, les opérateurs de satellites pour Internet lancent des projets de méga-constellation, à l'image de Starlink de SpaceX (12 000 satellites) ou OneWeb (648 à 2 000 satellites), permettant aux constructeurs de satellites d'abaisser drastiquement les coûts. Ainsi de Thales Alenia Space, déjà fabricant des Globalstar de seconde génération, Iridium Next et O3b[1],[2].
Impacts négatifs des mégaconstellations
modifierEn démultipliant le nombre d'objets en orbite, les projets de méga-constellations de fournisseurs d'Internet par satellite soulèvent des inquiétudes et critiques à travers le monde. D'une petite dizaine de milliers en 2020, ces objets seraient en effet plusieurs dizaines de milliers à terme[3],[4],[5].
Multiplication catastrophique des débris spatiaux
modifierLa multiplication des satellites augmente le nombre potentiel des débris spatiaux[6], et au risque de collision des satellites en fonctionnement s'ajoute celui de pannes, qui les rendraient incontrôlables (risque d'autant plus élevé qu'ils sont nombreux)[4]. Dans le pire des cas, un syndrome de Kessler rendrait les orbites basses totalement impraticables.
Le Bureau des affaires spatiales des Nations unies a publié en 2007 des lignes directrices en matière de réduction des débris spatiaux, mais ce texte reste insuffisant étant donné l’absence de contraintes sur les opérateurs privés et les États[7].
En 2026, Hugh Lewis, spécialiste[8] des débris spatiaux à l'université de Birmingham calcule[9] que les projets de mégaconstellations se heurtent déjà à une limite physique liée aux débris générés par leurs collisions, susceptibles de déclencher le syndrome de Kessler[10],.
En 2026, environ 16 000 satellites sont déjà en orbite, et ce nombre pourrait être multiplié par dix d'ici dix ans, voire atteindre un million selon les projets d'Elon Musk pour SpaceX. Selon Lewis, en modélisant individuellement les 16 constellations prévues ou déployées (nombre, orbites, taille, durée de vie), soit près de 1,7 million de satellites, six de ces mégaconstellations franchissent le « seuil d'emballement incontrôlé des débris » — dont Guowang (Chine), Stampede (Cowboy Space Corp.), Project Sunrise (Blue Origin) et surtout Starmind (un million centres de données satellisés) — tandis que trois autres atteindront un état instable mais sans emballement infini[9]. Même des projets modestes posent problème, avec par exemple la constellation d'Eutelsat qui deviendra instable dès 528 satellites, en raison de la disposition orbitale prévue, tandis qu'E-Space, une constellations de nanosatellites de seulement 10 kg dépourvus de capacité de manœuvre anticollision suffisante, déclenche à elle seule le syndrome de Kessler[9]. Ces résultats étant basé sur une évaluation de chaque constellation prise isolément, ils sont donc optimistes, et ils mettent en lumière l'absence quasi totale de règles encadrant les activités spatiales — notamment sur l'obligation de manœuvre en cas de risque de collision — SpaceX effectuant à elle seule en moyenne une manœuvre d'évitement toutes les 75 secondes ; les chercheurs suggèrent que des ajustements relativement simples, comme l'augmentation de la traînée atmosphérique des satellites pour accélérer leur désorbitation ou l'allongement de leur durée de vie opérationnelle, pourraient toutefois permettre de ramener certains projets sous ce seuil critique[9].
Impact de la pollution lumineuse sur les observations astronomiques
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Cette multitude de satellites rejoint l'ensemble des projets en cours de déploiement (12 000 satellites voire 42 000 pour Starlink de SpaceX[4], 3 250 pour Kuiper d'Amazon[11], 650 à 2000 pour OneWeb[4],[12], etc.), 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, les magnitudes des satellites peuvent atteindre la valeur de -2[réf. nécessaire], soit davantage que Sirius, l'étoile la plus brillante, qui atteint -1,76. Lorsque tous les satellites seront déployés, une centaine seront visibles dans le ciel à tout instant, plus brillants que Sirius.
Cette pollution perturbe beaucoup le travail des astronomes, professionnels et amateurs, ainsi que des photographes de paysages de nuit, qui devront filtrer ces sources indésirables de lumière[4].
Pollution des ondes radio
modifierLe fonctionnement des constellations de satellites de télécommunications doit respecter les fréquences radio qui sont allouées à leur activité par l'Union internationale des télécommunications. Or, une analyse effectuée en 2025 par un prototype du future observatoire de radioastronomie Square Kilometre Array (SKA) a montré que les émissions radio des satellites Starlink empiétaient fréquemment sur la bande de fréquences allouée à la radioastronomie. Cette étude, portant sur 76 millions d'observation, a identifié 112 534 cas de violation de la fréquence dédiée à l'astronomie émanant de 1 806 satellites Starlink distincts[13].
Constellations opérationnelles ou à l'étude
modifierLes satellites sont catégorisés selon leur poids, traduit par un préfixe ou un qualificatif : « pico » inférieur à 1 kg ; « nano » entre 1 kg et 10 kg ; « micro » entre 10 kg et 100 kg ; « mini » = entre 100 kg et 500 kg ; « moyen » entre 500 kg et 1 000 kg ; « gros » supérieur à 1 000 kg[réf. nécessaire].
| Désignation | Opérateur | Nationalité | Type de prestation | Orbite | Détail orbite | Nbre satellites (actifs) | Couverture | Taille satellite | Date opérationnel | Statut |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Télécommunications | ||||||||||
| Iridium | Iridium |  | Téléphonie satellitaire | Basse | Altitude : 780 km Inclinaison 86,4° | 66 | Globale | Mini | 2000 | Opérationnel |
| Globalstar | Globalstar | | Téléphonie satellitaire | Basse | Altitude : 1 400 km Inclinaison 52° | 48 | Mini | 1999 | Opérationnel | |
| Orbcomm | Orbcomm | | Messagerie, AIS | Basse | Altitude : 8 000 km Inclinaison 0° | 18 | Mini | Partiellement opérationnel | ||
| O3b MEO | SES |  | Internet | Moyenne | Altitude : 8 000 km Inclinaison 45° | 18 | Moyenne | 2022 | Opérationnel | |
| WGS | USSF | | Télécommunications militaires | Géostationnaire | 10 | Gros | Opérationnel | |||
| Starlink | SpaceX | | Internet | Basse | Altitude : 550 km Inclinaison : 53°,70°,97,6° | 4 425 (phase 1) | Globale | Mini | 2023 | En cours de déploiement |
| OneWeb | OneWeb | .svg){kind=small} .svg){kind=small} | Internet | Basse | Altitude : 1 200 km Inclinaison : 86,4° | 648 | Mini | En cours de déploiement | ||
| Kuiper | Amazon | | Internet | Basse | Altitude : 590-630 km | 3 236 | 56°S-56°S | Mini | Conception en cours | |
| Qianfan | Shanghai Spacecom Satellite Technology |  |
Internet | Basse | Altitude : 1 000 km | 648 satellites (phase 1) | Mini | Déploiement en cours depuis 2024 | ||
| Kinéis | Kinéis | |
Internet des objets | Basse | Altitude : 650 km | 25 | Globale | Mini | 2025 | Opérationnel |
| IRIS² | SpaceRISE |  |
Télécommunications et Internet | Basse (272) et moyenne (18) | 290 | Régionale (Europe) | 2024
finalisé 2030 |
Opérationnel | ||
| Navigation | ||||||||||
| GPS | DoD | | Navigation | Moyenne | Altitude : 20 200 km Inclinaison 55° | ≈30 | Globale | Gros | 1993 | Opérationnel |
| GLONASS | VKS |  | Navigation | Moyenne | Altitude : 19 100 km Inclinaison : 64,8° | ≈30 | Globale | Gros | 1995 | Opérationnel |
| Beidou | CNSA | | Navigation | 1) Moyenne 2) Géosynchrone | 1) Altitude : ~20 000 km Inclinaison : 55° 2) 36 000 km | ≈30 + 6 | Globale | Gros | 2020 | Opérationnel |
| Galileo | ESA | | Navigation | Moyenne | Altitude : 23 222 km Inclinaison : 56° | ≈30 | Globale | Gros | 2020 | Opérationnel |
| Observation de la Terre | ||||||||||
| SkySat | Planet Labs | | Imagerie | Basse | Altitude : 500 km Polaire | 21 | Globale | Micro | 2017 | Opérationnel |
| Jilin-1 | Chang Guang Satellite Technology | |
Imagerie | Basse | Altitude : 700 km
Héliosynchrone |
130 | Globale | Mini | 2015 | Opérationnel |
| Renseignement d'origine électromagnétique (ROEM) | ||||||||||
| Bro | Unseenlabs | |
Surveillance maritime | Basse | Altitude : 450 km
Quasi polaire (inclinaison : 97,6°) |
13 (au ) | Globale | Micro | 2019 | Opérationnel |
Galerie
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Téléphone satellitaire Iridium.
Allocation des fréquences aux systèmes de navigation par satellite GPS, Galileo et COMPASS/BEIDOU.
Satellite Galileo en cours de test.
Parabole d'une station terrienne du système Galileo à Redu.
Comparaison des orbites de plusieurs constellations de satellites.
Notes et références
modifier- ↑ « Satellites : la bataille des orbites divise le secteur », Les Échos, .
- ↑ Stefan Barensky, « La course à l'innovation - constellations », Air & Cosmos, no 2445, .
- ↑ « Combien y a-t-il de satellites au-dessus de nos têtes ? »(Archive.org • Wikiwix • Google • Que faire ?) (consulté le ).
- 1 2 3 4 5 Fabrice Mottez et Lucas Gierczak, « Starlink, un cauchemar pour les astronomes », Pour la science, no 509, , p. 7 (lire en ligne).
- ↑ Pierre Barthélémy, « Le casse-tête croissant des débris spatiaux », sur Le Monde, (consulté le ).
- ↑ Rémy Decourt, « Les centaines de satellites OneWeb ne produiront pas de débris spatiaux », sur Futura, (consulté le ).
- ↑ « Constellations de satellites : Un nouveau défi pour le droit spatial », sur SpaceLaw, (consulté le ).
- ↑ « Hugh Lewis », sur scholar.google.com (consulté le )
- 1 2 3 4 (en) Hannah Richter, « Planned satellite megaconstellations could generate runaway space debris », Science, (DOI 10.1126/science.zwwqw7w, lire en ligne, consulté le ).
- ↑ Hugh G. Lewis, Critical Sizes of Satellite Constellations, (DOI 10.48550/ARXIV.2607.29644, lire en ligne)
- ↑ « Amazon va envoyer des milliers de satellites en orbite pour fournir un accès internet partout sur Terre », Le Journal du geek, 2019-04-06 consulté le=2019-05-26.
- ↑ (en) « OneWeb weighing 2,000 more satellites », sur SpaceNews, (consulté le ).
- ↑ (en) D. Grigg, S. J. Tingay et M. Sokolowski, « The growing impact of unintended Starlink broadband emission on radio astronomy in the SKA-Low frequency range », Astronomy & Astrophysics, vol. 699, , p. 1-8 (DOI 10.1051/0004-6361/202554787).
Bibliographie
modifier- (en) Giacomo Curzi, Dario Modenini et Paolo Tortora, « Large Constellations of Small Satellites: A Survey of Near Future Challenges and Missions », Aerospace, no 133, , p. 1-18 (DOI 10.3390/aerospace7090133, lire en ligne) — Problèmes soulevés par la gestion des futures constellations de satellite (étude de 2020).
- (en) Jonathan C. McDowell, « The Low Earth Orbit Satellite Population and Impacts of the SpaceX Starlink Constellation », The Astrophysical Journal, no 2, , p. 18 (DOI 10.3847/2041-8213/ab8016, lire en ligne) — Impact du déploiement de Starlink sur la pollution lumineuse (étude de 2020).
- (en) Inigo del Portillo, Bruce G. Cameron et Edward F. Crawley, « A Technical Comparison of Three Low Earth Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband », Acta Astronautica, vol. 159, , p. 123-135 (DOI 10.1016/j.actaastro.2019.03.040, lire en ligne).
- (en) Gregory A. Orndorff et Bruce F. Zink, « A Constellation Architecture for National Security Space Systems », Johns Hopkins APL Technical Digest, vol. 29, no 3, , p. 273-282 (lire en ligne [PDF]). — Etude sur les avantages d'une architecture distribuée (constellation) dans le cas de satellites en orbite géostationnaire.
