Il y a eu beaucoup de buzz sur Starlink et Internet par satellite récemment. Peu de personnes en dehors de l'industrie technologique comprennent pourquoi Starlink et d'autres services Internet par satellite en orbite terrestre basse sont complètement différents des offres Internet par satellite précédentes. Cet article fournit un aperçu de haut niveau des différences, pour ceux qui ne sont pas ingénieurs ou spécialistes des fusées.

À la fin des années 2010, plusieurs entreprises ont déposé des demandes auprès de la Federal Communications Commission (FCC) pour créer des services Internet par satellite en orbite terrestre basse (LEO). Les trois sociétés notables qui poursuivent LEO sont SpaceX, Amazon et OneWeb. De ces trois, seul SpaceX, qui a lancé plus de 3 000 satellites LEO, offre un service commercial viable, sous la marque Starlink .

Les satellites de communication peuvent être considérés comme des réflecteurs. Un terminal utilisateur (antenne parabolique) transmet un signal à un satellite, qui renvoie une copie du signal vers la Terre, sur une fréquence différente, à un point fixe appelé passerelle. La passerelle abrite un réseau d'antennes haute puissance et des connexions fibre haute capacité à l'Internet public. Plusieurs passerelles sont dispersées sur la Terre afin que les satellites aient une "visibilité" sur une ou plusieurs passerelles chaque fois qu'ils fournissent un accès Internet à la surface en dessous. Pour le chemin inverse, de l'internet public au terminal de l'utilisateur, différentes fréquences sont utilisées, à partir des mêmes antennes. Le signal provient de la passerelle, rebondit sur le satellite et revient sur Terre au terminal d'un utilisateur. Cela est vrai quel que soit le type de satellite (traditionnel ou LEO) utilisé.

La principale différence entre l'orbite terrestre basse et les orbites utilisées dans les services Internet par satellite traditionnels est la distance entre la surface de la Terre et le satellite. Cette distance dicte le nombre de satellites nécessaires pour couvrir la planète, ainsi que la capacité globale du système, la latence et d'autres caractéristiques opérationnelles.

Peindre la surface

Imaginez que vous utilisez de la peinture en aérosol pour peindre un ballon de basket. Si vous tenez la peinture en aérosol à deux pouces de la balle, elle ne couvrira qu'une petite surface, mais elle fournira une épaisse couche de peinture à cet endroit, en peu de temps. Si vous tenez la boîte à un pied de distance, vous pourriez probablement couvrir presque la moitié de la balle, mais avec seulement une très légère couche de peinture. La façon la plus efficace de peindre la balle serait de courir sur la surface plusieurs fois de suite, à quelques centimètres au-dessus. C'est précisément la philosophie de conception derrière l'Internet par satellite en orbite terrestre basse.

Figure 1. Plus la boîte est proche de la balle, moins la surface est couverte. Source : DALL-E, OpenAI

Orbites géosynchrones

Les orbites sont des choses étranges. Vous ne pouvez pas simplement placer un satellite n'importe où dans l'espace et le laisser y rester ; les lois de la physique ne fonctionnent tout simplement pas de cette façon. En fonction de l'utilisation du satellite, vous avez le choix entre plusieurs types d'orbites. Une orbite géosynchrone est une orbite dans laquelle le satellite est toujours directement au-dessus du même point sur la terre chaque jour, à la même heure. Par exemple, si un satellite est géosynchrone avec votre domicile à 15h14, il sera directement au-dessus de votre domicile tous les jours à 15h14, mais seulement pendant une brève seconde.

Ceci est accompli en plaçant le satellite en orbite à une altitude de 22 236 milles. À cet endroit, le satellite effectue une orbite exactement dans le même laps de temps que la Terre effectue une rotation (un jour sidéral). Si vous utilisiez un satellite géosynchrone comme celui-ci pour accéder à Internet, vous ne seriez connecté que quelques minutes par jour ; pas une bonne expérience utilisateur.

Si, cependant, vous placez le satellite au-dessus de l' équateur , à 22 236 miles, quelque chose de magique se produit : le satellite semble rester fixe dans le ciel exactement au même point, pour toujours. Ainsi, au lieu de regarder directement vers le haut tous les jours à la même heure pour voir le satellite, vous pointez simplement votre parabole vers un endroit du sud, et le satellite sera toujours là. Ce cas particulier d'orbite géosynchrone est appelé orbite géostationnaire .

C'est l'orbite utilisée par les services Internet traditionnels. Un petit nombre de satellites (peut-être seulement deux ou trois) sont placés au-dessus de l'équateur sur une orbite de 22 236 milles. Les orbites géostationnaires permettent d'utiliser des terminaux d'utilisateurs relativement peu coûteux car ils n'ont pas besoin de "suivre" un satellite lorsqu'il passe au-dessus. Une fois installé, un terminal utilisateur de satellite géostationnaire (parabole) pointe simplement vers le même emplacement dans le ciel, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, et le satellite se déplace de manière synchrone avec l'orbite terrestre et le terminal utilisateur. Les services géostationnaires les plus connus incluent DirectTV, la radio XM (l'original, pas Sirius) et Dish Network, mais de nombreux autres satellites de communication utilisent cette orbite et cette technique.

Ces antennes paraboliques à faible coût pointent toujours vers un satellite qui se trouve dans un emplacement fixe au-dessus de l'équateur, ce qui rend leurs circuits et logiciels moins complexes. Étant donné que seuls quelques satellites sont nécessaires pour couvrir un continent entier, le coût de déploiement des satellites est relativement faible. Pendant des décennies, c'est ainsi que les systèmes de communication grand public ont fonctionné.

Constellations

Il n'y a qu'une seule orbite où cette caractéristique géostationnaire magique se produit. Toute autre orbite signifie que les satellites se déplacent par rapport à la surface de la Terre. Vous ne pouvez pas simplement placer un satellite à 500 milles au-dessus d'une ville et l'y garer ; les lois de la physique ne fonctionnent pas ainsi. Le résultat est le besoin d'une constellation de satellites et d'une technologie de poursuite par satellite dans chaque terminal utilisateur. Ces deux problèmes rendent les communications en orbite non géostationnaire (NGSO) beaucoup plus coûteuses et complexes : beaucoup plus de satellites sont nécessaires et les terminaux utilisateurs sont très complexes, par rapport au service géostationnaire.

Le diagramme ci-dessous montre à quoi ressemblerait une constellation de 1 584 satellites. Il y a 22 satellites dans chaque avion. Il existe 72 plans différents, dans lesquels les satellites tournent autour de la Terre selon une progression linéaire. En espaçant uniformément les avions autour de la planète et en espaçant uniformément les satellites dans chaque avion, la planète entière peut être "couverte" sans qu'aucun point sur Terre ne soit à plus de quelques centaines de kilomètres d'un satellite à un moment donné. Les pôles sont également couverts par Starlink, utilisant un petit nombre de satellites en orbite polaire. C'est un cas particulier dont nous ne discuterons pas, mais sachez simplement que pratiquement à terme, chaque point de la surface sera à la vue d'un satellite LEO.

SpaceX a placé la plupart de ses satellites à environ 350 milles au-dessus de la Terre, bien plus près que les 22 236 milles d'une orbite géosynchrone. Aux altitudes de l'orbite terrestre basse, les satellites passent au-dessus à environ 16 000 milles à l'heure, par rapport à un point à la surface ; faisant le tour de la planète environ toutes les heures et demie.

Figure 2. Exemple de constellation LEO. Source : Wikipédia

Fusées réutilisables et technologies de suivi à faible coût

Comment un terminal utilisateur suit-il un flux incessant de satellites passant au-dessus de sa tête à 16 000 milles à l'heure ? Ce n'est pas facile. C'est pourquoi, depuis des décennies, les satellites géostationnaires sont la solution pour l'internet grand public. Il est beaucoup plus facile de pointer un point dans le ciel du sud que de suivre des satellites lorsqu'ils volent au-dessus. Le service en orbite terrestre basse nécessitait deux choses qui n'étaient pas possibles jusqu'à récemment. Premièrement, un grand nombre de satellites sont nécessaires pour créer une constellation viable. Jusqu'à l'avènement de la fusée réutilisable à faible coût lancée par SpaceX, le coût de lancement de milliers de satellites interdisait un modèle commercial viable. Deuxièmement, le coût de la technologie capable de suivre les satellites était très élevé, jusqu'à récemment.

Une excellente ressource pour visualiser la constellation SpaceX Starlink en direct et comprendre les orbites est :https://satellitemap.space

Un instantané de ce site est présenté ci-dessous. Les cercles montrent la projection du signal de chaque satellite sur la Terre, que vous pouvez considérer comme la "zone de couverture" de ce satellite. Comme vous pouvez le voir, la bombe de peinture est assez proche de la surface. Cela signifie qu'il y a beaucoup de capacité de chaque satellite concentrée sur une petite partie de la surface de la Terre à tout moment. C'est l'une des raisons pour lesquelles le service LEO peut être tellement plus rapide, en termes de bits par seconde, que le service géostationnaire.

Figure 3. Instantané d'une carte de couverture en direct de la constellation Starlink.https://satellitemap.space

Dans l'image ci-dessus, les groupes de cercles jaunes représentent des satellites récemment lancés qui ne se sont pas encore déployés dans leur position finale. Comme vous pouvez le voir, ils sont en ligne droite, l'un après l'autre. Finalement, chaque touffe sera régulièrement espacée tout autour de la Terre, toutes au même angle d'inclinaison, par rapport à l'équateur.

Étant donné que les satellites LEO sont beaucoup plus bas par rapport à la surface, le temps nécessaire au signal de l'utilisateur pour atteindre le satellite et revenir sur Terre est considérablement réduit. Cela signifie que les satellites LEO offrent une latence beaucoup plus faible (le temps nécessaire pour que les données voyagent jusqu'au satellite et en reviennent) et peuvent prendre en charge la vidéo et l'audio en direct. Un satellite géostationnaire typique aura une latence de 600 millisecondes ou plus, ce qui rend l'audio en direct très lourd, voire impossible. La latence Starlink est généralement d'environ 50 millisecondes : douze fois mieux que géostationnaire.

De plus, comme il y a des milliers de satellites dans une constellation LEO ; la capacité totale du réseau est des centaines, voire des milliers de fois supérieure à celle des réseaux géosynchrones traditionnels. Comme il y a plus de capacité, plus d'utilisateurs peuvent se connecter aux satellites LEO en même temps sans impact les uns sur les autres. Cela permet à SpaceX d'offrir le service Starlink sans les plafonds de données utilisateur que l'on trouve couramment dans les services Internet traditionnels par satellite et cellulaire.

Phased Array : la clé du consommateur LEO

Dans le passé, pour suivre les satellites non géostationnaires, un terminal utilisateur aurait des moteurs et la parabole suivrait physiquement le satellite à travers le ciel. Cette action peut généralement être vue dans les films de science-fiction et les vidéos de la NASA sur la radioastronomie. Il y a plusieurs décennies, l'armée a été la pionnière de la technologie des radars appelés «antennes à réseau phasé». En utilisant cette technique, un réseau d'éléments d'antenne pourrait être utilisé pour pointer un signal transmis dans une direction spécifique. Une antenne avec un grand nombre d'éléments d'antenne adressables individuellement est utilisée. En faisant varier le temps entre la transmission du signal sur chaque élément individuel, le système peut diriger le signal transmis sans aucune pièce mobile.

Figure 4. Une parabole Starlink montée sur un toit. Source : SpaceX

Cependant, le processus de calcul des retards individuels nécessaires pour chacun des centaines d'éléments d'antenne nécessite beaucoup de calculs et, jusqu'à récemment, n'était pas disponible pour les consommateurs à un prix raisonnable. SpaceX a utilisé cette technologie pour créer un terminal utilisateur dont la position et la direction sont physiquement fixes, mais qui utilise des techniques de réseau phasé pour suivre les satellites lorsqu'ils passent au-dessus. La commercialisation de la technologie multiéléments pour les consommateurs est l'une des plus grandes percées de la décennie et signifie que des terminaux utilisateur abordables qui n'ont pas besoin de tourner peuvent être installés dans des environnements résidentiels.

Figure 5. Carte des passerelles qui desservent la Caroline du Nord. La source:https://satellitemap.space

Dans le diagramme ci-dessus, les emplacements de Wise, NC et Mandale, NC sont les deux passerelles Starlink situées en Caroline du Nord. Les résidents de Caroline du Nord les utiliseront probablement (ainsi que les passerelles des États limitrophes) pour le service. Ces passerelles disposent de connexions fibre de très grande capacité vers le réseau fédérateur Starlink et l'internet public. La photo ci-dessous montre à quoi ressemble une passerelle typique. Cette passerelle dispose de neuf antennes de passerelle, ainsi que de cinq terminaux utilisateurs, probablement utilisés pour les tests.

Au fur et à mesure que chaque satellite Starlink passe au-dessus, il suit non seulement une ou plusieurs passerelles, mais également potentiellement des milliers de terminaux d'utilisateurs. Chaque terminal utilisateur doit suivre plusieurs satellites LEO car il planifie son « itinérance » de satellite en satellite toutes les quelques minutes. De nombreux calculs sont nécessaires pour faire fonctionner le système. C'est assez remarquable et toutes les entreprises qui créent des services LEO doivent avoir un incroyable talent d'ingénieur.

Figure 6. Une passerelle Starlink. Source : darkpenguin22 via Reddit r/SpaceXLounge

Laser

Comme si cette technologie n'était pas déjà assez étonnante, SpaceX va encore plus loin dans la nouvelle génération de leurs satellites. Les nouveaux satellites sont équipés de lasers, ce qui leur permet de transmettre des données entre eux dans l'espace. Ainsi, au lieu d'être de simples réflecteurs, il y aura un réseau dans l'espace, avec des satellites capables d'acheminer des données entre eux. Les données seront toujours transmises entre un terminal utilisateur et une passerelle, mais il peut y avoir plus d'un satellite sur le chemin maintenant.

Cela signifie que des endroits éloignés d'une passerelle peuvent toujours être atteints par le service : pensez à l'océan ou à des montagnes très éloignées. Bien que ce sujet mérite un article entier, considérez que la vitesse de la lumière dans l'espace libre est environ un tiers plus rapide que la vitesse de la lumière dans la fibre. Cela signifie que les continents peuvent être connectés via ces liaisons laser dans l'espace potentiellement plus rapidement que les fibres transocéaniques utilisées aujourd'hui, bien qu'avec une capacité relativement inférieure.

Conclusion

J'espère que cet article a éclairci une partie du mystère autour de l'Internet par satellite en orbite terrestre basse et pourquoi il est si important pour la FCC de promouvoir et de s'assurer qu'il reste une option viable pour ceux qui sont loin de la fibre.

Fait amusant : les satellites SpaceX sont entièrement désactivables , ce qui signifie que chaque partie du satellite brûlera dans l'atmosphère lors de sa rentrée. Il n'y a pratiquement aucun risque qu'une partie du satellite heurte la surface de la Terre. Il s'agit d'un point de conception important si l'on considère que des dizaines de satellites finiront par rentrer dans l'atmosphère chaque semaine.