PREUVE OVNI

La définition de la mission est la première étape de la conception d'un satellite^[47]. Les exigences de la mission sont définies par le client : caractéristiques de la charge utile, durée de vie, disponibilité/fiabilité, débit des liaisons avec le sol ou encore compatibilité avec des systèmes existants. Les contraintes, dans lesquelles le projet doit s'inscrire, sont également précisées : coût, délais de réalisation, capacités du lanceur s'il est choisi par avance (masse admissible, encombrement, niveau de prestation en orbite), etc.

La phase de spécifications comprend plusieurs étapes codifiées dans la norme européenne ECSS de conception des engins spatiaux : l'étude de faisabilité qui explore les concepts et affine le besoin, la définition préliminaire qui fige l'architecture et enfin la définition détaillée qui précise la méthode de qualification et produit les spécifications détaillées permettant de lancer la fabrication du modèle de vol. Les spécifications doivent non seulement porter sur les caractéristiques du satellite mais également sur celles des équipements au sol nécessaires pour assurer le suivi du satellite en poste et recueillir les données ainsi que sur les caractéristiques du lanceur si celui-ci n'est pas imposé. Le coût des installations au sol est loin d'être négligeable : dans le domaine des satellites de télécommunications les coûts en 1997 se répartissaient ainsi : satellites (26 %), lancement (21 %), installations au sol (15 %) et services (38 %) (location de canaux et transfert de données)^[48].

Dans le cas d'un satellite scientifique, ces étapes sont souvent précédées d'une sélection qui vise à choisir parmi plusieurs propositions, le ou les projets répondant le mieux aux critères et contraintes définis par un comité de sélection : contribution scientifique, coût, faisabilité, risque, etc.^[49] En termes de planning, la contrainte la plus forte émane généralement de la conception de la charge utile, en particulier pour les satellites scientifiques. La démarche est par contre simplifiée lorsque le satellite fait partie d'une série (par exemple Spot).

La réalisation[modifier]

Un nombre variable de modèles plus ou moins proches du modèle final est fabriqué préalablement au satellite opérationnel (modèle de vol MV) pour valider les spécifications : modèle structurel et thermique (MSTH), modèle d'ingénierie et de qualification (MIQ)... Le modèle intermédiaire s'il est une copie conforme du modèle de vol, peut servir de modèle de remplacement (MR) en cas de défaillance du satellite ou être lancé pour assurer la poursuite de la mission en fin de vie du modèle de vol. Du fait de la réalisation de modèles intermédiaires, les phases de spécifications et de réalisation se superposent en partie.

Assemblage, Intégration et Tests (AIT)[modifier]

Souvent, charge utile et plate-forme sont réalisées en deux endroits différents. Un satellite comporte donc une activité technique essentielle : la réunion des deux modules (le mating en anglais), au sein d'un ensemble d'opérations d'assemblage, intégration et tests (AIT).

La construction d'un satellite, chez un industriel spécialiste de cette discipline, nécessite des moyens très complexes, coûteux et, souvent, spectaculaires : salles blanches de grandes dimensions, moyens de levage appropriés respectant les conditions de propreté, baies de contrôle électroniques permettant d'alimenter le satellite et de simuler des moyens impossibles à mettre en œuvre (simulation du soleil, des perturbations d'attitude du satellite, des champs radioélectriques, etc.).

Les essais spécifiques portent principalement sur^[50] :

• tests d'intégration (validation des interfaces) ;
• essais de vibration à basse fréquence sur un pot vibrant ;
• résistance au bruit subi pendant le lancement, avec essai dans une chambre acoustique réverbérante ;
• essais vide-thermique permettant de simuler le fonctionnement du satellite dans les conditions spatiales ;
• mesures des performances radioélectriques dans une chambre anéchoïde ;
• essais mécaniques spéciaux comme la mise en apesanteur des générateurs solaires et des réflecteurs d'antennes ;
• tests fonctionnels destinés à vérifier que la partie testée remplit sa mission dans tous les cas de figure définis dans le cahier des charges, nécessitant des équipements mécaniques, électriques et électroniques spécifiques aux vérifications de fonctionnement (MGSE, EGSE) et le développement des logiciels associés.

Les tests sont d'autant plus poussés que la maintenance en orbite est impossible et qu'un satellite n'est souvent pas remplaçable. Les tests sont effectués sur des modèles intermédiaires et éventuellement le modèle de vol à différents niveaux : composant (par exemple télescope), sous-système (par exemple système de contrôle d'orbite et d'attitude) et satellite.

Lancement[modifier]

Choix du lanceur[modifier]

Le choix d'un lanceur est généralement fait par le propriétaire du satellite.

Toute une gamme de lanceurs commerciaux est disponible sur le marché avec des capacités de lancement variées et des fiabilités plus ou moins importantes. Un satellite devant pouvoir s'adapter à divers lanceurs, compétitivité commerciale oblige, des interfaces standards satellite/lanceur ont été définis. Ainsi, les satellites de télécommunications, représentant le plus gros du marché, sont généralement compatibles avec l'Ariane européenne, la Delta américaine, les Proton et Soyouz russes, la Longue marche chinoise, la Zénith ukrainienne.

La guerre des prix existe aussi entre les opérateurs de lancement, conduisant à des différences parfois appréciables. Par exemple, pour les lancements de satellite(s) vers l'orbite de transfert géostationnaire, ces prix peuvent aller de 13 à 18 k€ / kg de satellite^[51].

La campagne de lancement[modifier]

La campagne de lancement d'un satellite comprend :

• la préparation du satellite et son installation sur le lanceur ;
• le lancement et l'injection sur une orbite souvent provisoire ;
• la mise à poste du satellite qui nécessite éventuellement plusieurs mises à feu des moteurs pour permettre au satellite de rejoindre son orbite définitive.

La préparation du satellite[modifier]

Installation du satellite Calipso au sommet de son lanceur (il s'agit d'un lancement double : le satellite Cloudsat est déjà en place).

Installation du télescope spatial Spitzer au sommet d'une fusée Delta.

Lorsque la qualification du satellite est achevée chez le constructeur, le satellite est convoyé jusqu'au site de lancement pour son installation sur le lanceur. Le transfert a lieu au moins un mois avant la date de lancement prévue pour que toutes les tâches de préparation puissent être réalisées :

• après déballage, le satellite est installé dans une salle blanche dédiée préservée de toute contamination biologique ;
• si nécessaire les derniers composants du satellite sont assemblés ; des tests électriques et mécaniques (déploiement des panneaux solaires…) sont effectués pour s'assurer du bon fonctionnement des différents sous-systèmes. Les batteries électriques sont installées ou rechargées ;
• les ergoliers font le plein des réservoirs d'ergols non stockables du satellite : ces carburants souvent très toxiques nécessitent des dispositifs de protection et de sécurité très poussés ;
• le satellite est alors transporté jusqu'à la tour d'assemblage. Là, il est installé au sommet de la fusée éventuellement avec d'autres satellites (lancement double ou plus). La coiffe est mise en place ;
• peu de temps avant la date de lancement la fusée complète est convoyée jusqu'à l'aire de lancement

Le lancement[modifier]

Les conditions de satellisation

La latitude de la base de lancement a une incidence importante sur l'orbite qui peut être atteinte par un satellite^[52] :

• un satellite ne peut pas être directement lancé sur une orbite ayant une inclinaison inférieure à la latitude de sa base spatiale de départ. Ainsi depuis la base de Baïkonour (latitude = 45°), un satellite ne peut pas atteindre directement l'orbite géostationnaire (inclinaison = 0°) : il est donc nécessaire après satellisation de modifier l'inclinaison du plan de l'orbite de 45°. Or, les modifications d'inclinaison de plan d'orbite sont particulièrement coûteuses en carburant car le satellite en orbite se comporte comme un gyroscope en rotation : il faut ainsi imprimer une vitesse supplémentaire de 3 600 m/s à un satellite pour modifier son plan d'orbite de 30° ;
• lorsque le lancement se fait vers l'Est, la rotation de la Terre fournit un supplément de vitesse au lanceur et au satellite^{[N 4]}. Le gain en vitesse dépend de la latitude : il est maximal au niveau de l'équateur (465 m/s) et nul aux pôles.

Pour ces deux raisons les bases de lancement situées près de l'équateur sont avantagées : elles ont un quasi-monopole des lancements de satellites géostationnaires et fournissent un surcroît de puissance aux fusées par rapport à un lancement depuis des bases spatiales situées à des latitudes plus septentrionales (à l'origine de la décision de lancer de fusées Soyouz depuis la base spatiale de Kourou).

Le lanceur place le satellite sur une orbite initiale qui dépend de plusieurs paramètres^[53] :

• l'inclinaison i de l'orbite est déterminée par l'azimut Az du lanceur à la fin de sa phase propulsée et de la latitude l : cos (i) = sin (Az) × cos (l) ;
• la longitude du nœud ascendant ☊ dépend de l'heure du lancement et de la longitude ;
• l'argument du périgée ω qui détermine la position du périgée sur l'orbite dépend de la localisation du point d'injection et de la composante verticale de la vitesse (par rapport au sol). Le point d'injection se situe à l'arrêt de la poussée du lanceur : il correspond au début de la trajectoire du satellite sur son orbite. Si la composante verticale de la vitesse est nulle au point d'injection le périgée se confond avec le point d'injection.

L'heure de lancement est donc un facteur souvent important. Pour certains satellites héliosynchrones, la fenêtre de lancement est réduite à quelques minutes par jour. D'autres critères peuvent être pris en compte en particulier la position du soleil lorsque le satellite entame son orbite : celle-ci a une incidence sur les capteurs pilotant le contrôle de l'orientation et sur l'éclairement des panneaux solaires^[54].

Lorsqu’un satellite doit être mis en orbite autour d'une autre planète, il est nécessaire de prendre en compte les positions relatives de la Terre et de la planète visée : pour des raisons de coût, ces satellites sont généralement conçus pour emporter une quantité de carburant correspondant aux configurations les plus favorables. Celles-ci peuvent n'apparaître qu'à des intervalles de temps éloignées (créneau d'environ huit mois tous les deux ans pour Mars^[55]). Le calendrier de réalisation du satellite tient évidemment compte de la fenêtre de tir mais à la suite de retard dans le développement ou de problèmes avec le lanceur, il est arrivé que, la fenêtre de tir ayant été manquée, le lancement soit reporté de plusieurs mois sinon de plusieurs années.

La mise sur orbite

Séquence de vol d'une Ariane 5 ECA (vol 183).

Selon le type d'orbite le lanceur place le satellite immédiatement sur son orbite définitive (satellites en orbite basse) ou sur une orbite d'attente ou de transfert (satellite géostationnaire…). Le lanceur après avoir décollé prend un azimut de manière à ce que le vecteur vitesse se rapproche le plus possible du plan d'orbite cible à l'extinction des moteurs du lanceur. La coiffe est larguée dès que la pression aérodynamique peut être supportée par la charge utile (entre 100 et 150 km d'altitude). Lorsque le moteur du lanceur s'éteint le satellite entame sa première orbite : c'est le point d'injection. Si par suite d'une défaillance partielle du lanceur, la vitesse de satellisation n'est pas atteinte, le satellite effectue un vol balistique et retombe vers le sol. Si la composante verticale de sa vitesse par rapport au sol est nulle au point d'injection ce dernier se confond avec le périgée de l'orbite sinon le périgée se trouve à une altitude inférieure. Il subsiste toujours de petits écarts par rapport à l'orbite visée (les dispersions) qui sont corrigées au cours de la mise à poste définitive.

Avant le largage le lanceur modifie son orientation conformément au besoin du satellite. Le lanceur imprime une vitesse de rotation plus ou moins importante au satellite pour lui donner une certaine stabilité. Le satellite se sépare alors du lanceur. Le lanceur peut répéter cette opération plusieurs fois s'il s'agit d'un lancement multiple. Le satellite libéré met en service ses panneaux solaires en les déployant si nécessaire (manœuvre parfois source de défaillances). Il utilise ses senseurs pour définir son orientation dans l'espace et corrige celle-ci à l'aide de ses moteurs d'attitude de manière à pointer ses panneaux solaires et ses instruments dans la bonne direction.

La mise à poste[modifier]

Les orbites 1 et 3 ne sont pas tangentes : il est nécessaire de passer par l'orbite de transfert 2 pour aller de l'une à l'autre.

Salle de contrôle de l'ESOC à Darmstadt (Allemagne) chargée du suivi et du contrôle des satellites et des sondes spatiales de l'Agence spatiale européenne.

Une des antennes du réseau ESTRACK qui permet de communiquer avec les satellites de l'Agence spatiale européenne à Redu (Belgique).

Une fois que le satellite a entamé son vol orbital, différentes manœuvres peuvent être nécessaires pour mettre le satellite sur son orbite définitive. Ce sont principalement :

• une modification de la forme de l'orbite (modification de l'excentricité de l'orbite) ou un changement d'orbite (orbite géostationnaire) ;
• un changement du plan d'orbite en particulier une modification de l'inclinaison ;
• des ajustements fins de l'orbite et de l'orientation du satellite pour permettre au satellite de remplir sa mission de manière nominale.

Les modifications de la forme de l'orbite sont effectuées dans la mesure du possible lorsque le satellite se trouve à son apogée : c'est le point de l'orbite où la vitesse est la plus faible et où donc les modifications à apporter à cette vitesse sont les plus réduites et consomment le moins d'ergols. Dans le cas d'une orbite géostationnaire, le satellite est injecté par les lanceurs modernes sur une orbite fortement elliptique dont l'apogée se situe à l'altitude visée de (36 000 km) : lorsque le satellite atteint son apogée, il a une vitesse d'environ 1,5 km/s. L'orbite est alors circularisée en imprimant une vitesse de 1 500 m/s dans une direction tangente à l'orbite cible grâce au moteur d'apogée du satellite. Lorsque le satellite doit être positionné sur une orbite basse, le lanceur injecte généralement le satellite directement sur l'orbite cible et celui-ci n'a besoin d'effectuer avec ses moteurs que des réglages fins^[56].

Contrôle lors de la mise à poste

Pour une mise en orbite géostationnaire, les opérations de mise à poste sont longues et complexes. Elles sont effectuées par un centre de contrôle spécialisé disposant d'informations sur le satellite, dès la séparation de son lanceur, quelle que soit sa position autour de la Terre, provenant d'un réseau de poursuite comportant de grandes antennes réparties sur divers continents, et de logiciels spécialisés pour ces manœuvres.

Les centres capables de faire ces manœuvres sont peu nombreux. Ils appartiennent généralement à des agences spatiales, dont, pour l'Europe : l'ESA, depuis son Centre européen d'opérations spatiales (ESOC) à Darmstadt ; et le CNES (dont le centre de contrôle est au Centre spatial de Toulouse (CST) ; mais également à quelques grands opérateurs des satellites de télécommunications, dont Eutelsat. Quelques industriels fabricant des satellites de télécommunications — c'est le cas, en particulier de Thales Alenia Space qui possède un tel centre dans le Centre spatial de Cannes Mandelieu — ont leur propre centre et s'occupent de cette mise à poste pour le compte de leurs clients jusqu'à la prise en charge du satellite par celui-ci et sa propre station de contrôle du satellite opérationnel.

La gestion en phase opérationnelle[modifier]

Le fonctionnement des satellites est en grande partie automatisé mais certaines tâches de maintenance ou liées à la mission doivent être assurées par des moyens situés au sol (segment sol). Les principales tâches assurées depuis le sol sont^[57] :

• la surveillance des paramètres de fonctionnement ;
• la correction des anomalies ;
• le contrôle et les corrections des paramètres de la trajectoire ;
• l'envoi d'instructions à la charge utile ;
• la collecte et le traitement des données recueillies par la charge utile.

Les moyens au sol

Les moyens au sol comprennent le centre de contrôle, le réseau de stations terrestre et pour certaines missions (Spot, Météo…) des centres de collecte et de traitement des données collectées par la charge utile du satellite. Le centre de contrôle assure généralement la surveillance et le contrôle de plusieurs satellites : le centre de contrôle de l'Agence spatiale européenne situé à Darmstadt (Allemagne) est ainsi chargé de tous les satellites et sondes spatiales en activité lancés par l'Agence (environ 20 en 2006). Le centre de contrôle utilise, pour communiquer avec les satellites, un réseau d'antennes paraboliques de grande dimension : l'ESA a ainsi son propre réseau de stations terrestres, l'ESTRACK (European Space Tracking), réparti sur une dizaine de sites assurant une bonne couverture pour les orbites les plus fréquentes et complété pour certaines missions par des antennes relevant d'autres organisations. Ces stations permettent de recevoir les paramètres de fonctionnement, d'envoyer des données et des instructions, de recevoir les données transmises par la charge utile (photos des satellites d'observation, mesures des satellites scientifiques) et de contrôler avec précision la trajectoire^{[58],[N 5]}.

Les opérateurs de satellites de télécommunications possèdent leurs propres centres de contrôle pour le suivi de leur(s) satellite(s). Ces centres sont parfois construits par le constructeur du satellite dans le cadre de livraisons « clés en main ».

La surveillance des paramètres de fonctionnement et la correction des anomalies

Le satellite mesure de manière automatique de nombreux paramètres (tension électrique, température, pression dans les réservoirs…) permettant au contrôle au sol de s'assurer de son bon fonctionnement. Si la valeur d'une de ces télémesures (mesure à distance) sort des fourchettes définies par avance, le contrôleur est alerté. Après analyse de l'impact et étude des solutions, il envoie, si c'est nécessaire et techniquement possible, des instructions pour ramener le fonctionnement du composant défaillant à la normale ou pallier son dysfonctionnement : à cet effet de nombreux équipements à bord des satellites sont doublés ou triplés pour compenser l'impossibilité d'intervenir sur place pour réparer^[59]. Certaines pannes sont néanmoins imparables (blocage des mécanismes de déploiement des panneaux, problème sur le moteur d'apogée…). Les organisations qui mettent en œuvre des satellites devant absolument assurer un service continu — satellites de télécommunication, satellites d'observation avec des contraintes commerciales (Spot, Ikonos), satellites militaires (GPS), satellites météo… — disposent généralement d'au moins un satellite de secours déjà en orbite qui est activé et positionné en cas de défaillance de l'engin opérationnel.

Le contrôle et les corrections des paramètres de la trajectoire

Pour remplir sa mission, le satellite doit suivre une orbite et maintenir son orientation en limitant les écarts à des valeurs inférieures à celles définies pour la mission. Le maintien à poste du satellite, souvent piloté depuis le centre de contrôle, consiste à contrôler et corriger les écarts lorsque ceux-ci deviennent trop importants.

Le satellite subit constamment des perturbations qui modifient son orbite en l'éloignant de l'orbite de référence. Dans le cas d'un satellite en orbite géostationnaire, sa latitude normalement nulle est modifiée sous l'influence de la Lune et du Soleil (perturbation nord-sud). Les irrégularités du champ de gravité terrestre induisent un retard ou une avance sur la trajectoire nominale (perturbation est-ouest). Une déformation similaire de l'orbite est due à la pression de la radiation solaire. Les écarts par rapport à l'orbite de référence sont acceptés tant qu'ils sont inférieurs à 1/10 de degré en longitude et en latitude. Si l'écart est supérieur, la trajectoire doit être corrigée en utilisant la propulsion du satellite^[60].

Le centre de contrôle du satellite effectue ces corrections après avoir mesuré les écarts avec précision grâce aux stations terrestres et déduit les corrections à apporter. L'opérateur envoie alors vers le satellite des instructions par la liaison montante de télécommunications (liaison de télécommande) : celles-ci déclenchent les moteurs pour une durée et une poussée soigneusement calculée à des endroits précis de l'orbite pour optimiser la consommation du carburant. Sur un satellite géostationnaire les plus grosses corrections concernent la dérive nord-sud : il faut fournit une vitesse cumulée de 40 à 50 m/s par an pour corriger cette déviation (à comparer à l'impulsion spécifique de 1 500 m/s nécessaire pour le transfert en orbite géostationnaire).

L'orientation du satellite doit être également maintenue avec une grande précision durant toute la durée de vie du satellite pour que ses instruments fonctionnent correctement. En particulier les satellites d'observation doivent assurer le pointage de leur optique avec une précision d'environ 0,1° en limitant les mouvements de rotation supérieurs à 0,005°/s (qui peuvent être induits par le mouvement de pièces mécaniques) sous peine d'obtenir des images floues ou déformées. Le calculateur embarqué du satellite utilise ses senseurs pour déterminer périodiquement l'orientation du satellite. Les gyromètres mesurent les vitesses angulaires autour de chaque axe. Lorsque les seuils de tolérance sont dépassés, le calculateur utilise alors le système de propulsion du satellite ou effectue ces corrections en agissant sur des volants d'inertie^[61].

L'envoi d'instructions à la charge utile

Le satellite dispose d'une certaine autonomie dans l'accomplissement de sa mission. Mais certains des paramètres et le déclenchement des opérations sont fournis ou confirmés par le contrôle au sol : ainsi dans le cas d'un satellite d'observation à vocation commerciale, le programme de prises de vue, qui entraîne des séquences précises de déclenchement et d'orientation de l'optique, est défini au cours de la mission en fonction des besoins exprimés par les clients finaux. Les séquences d'instruction correspondantes sont transmises au satellite périodiquement lorsque celui-ci est en visibilité d'une des stations terrestres.

La collecte et le traitement des données de la charge utile

La charge utile des satellites recueille des données qui doivent être transmises au sol à des centres de traitement dédiés capables de les exploiter (cela ne concerne pas les satellites de télécommunications et de positionnement dont la mission se limite à assurer un rôle de relais ou à transmettre des données vers des terminaux banalisés). Les données sont destinées au client qui peut être, selon le type de mission, la société ou l'organisme qui a commandé le satellite (par exemple Spot Image ou l'ESA) ou le client final (par exemple la société ou l'organisme qui achète les images de Spot Image). Si ce dernier reçoit ces données via son propre réseau d'antennes il doit disposer d'un décodeur lui permettant d'utiliser les informations transmises par le satellite^[62]. Les données ne peuvent être transmises que lorsque les stations terrestres sont en visibilité ce qui nécessite des capacités de stockage importantes à bord du satellite. L'architecture des installations de collecte et de traitement des données peut être complexe lorsque celles-ci proviennent de plusieurs réseaux nationaux de satellites comme c'est le cas pour les données météorologiques^[63].

La fin de vie[modifier]

La fin de vie opérationnelle d'un satellite se produit généralement quand la source d'énergie des propulseurs (ergols) est épuisée et que l'engin ne peut plus maintenir son orientation et son orbite dans des fourchettes de valeur compatibles avec sa mission. Pour certains satellites scientifiques (télescopes infrarouges) la fin de vie peut être provoquée par l'épuisement des liquides utilisés pour refroidir les instruments d'observation. Pour les satellites soumis à des périodes d'obscurité relativement longues l'arrêt peut être provoqué par la défaillance des batteries épuisées par les cycles de charge/décharge.

Il arrive encore fréquemment que le satellite cesse de fonctionner à la suite de la défaillance d'un composant. Les collisions avec des débris produits par l'activité aérospatiale (autres satellites, restes de fusée) ou avec des astéroïdes sont également une source d'arrêt prématuré. Enfin les éruptions solaires peuvent endommager les satellites.

Les régions dans lesquelles évoluent les satellites sont aujourd'hui relativement encombrées par l'accumulation de satellites hors d'usage et de débris spatiaux. Le problème est devenu suffisamment préoccupant pour que des règles de bonne conduite émergent progressivement en ce qui concerne les satellites en fin de vie. L'IADC (Comité inter agences de coordination des débris spatiaux en anglais Inter-Agency Space Debris Coordination Committee), qui réunit les principales agences spatiales, a ainsi proposé en 2002 des règles concernant les deux zones les plus encombrées de l'espace^[64] :

• les satellites de télécommunication situés en orbite géostationnaire, doivent rejoindre en fin de vie une orbite de rebut dont le rayon est supérieur à leur orbite nominale (36 000 km) d'environ 230 km ;
• les satellites en orbite basse (moins de 2 000 km), doivent subir une désorbitation en fin de vie qui garantit leur rentrée dans l'atmosphère et leur destruction dans un intervalle de temps qui ne doit pas excéder 25 ans.

Ces mesures ont, si elles sont appliquées, une incidence non négligeable sur le coût des satellites puisque le carburant consacré au changement d'orbite en fin de vie peut représenter plus de 10 % de la masse du satellite dans le cas le plus défavorable.

État des lieux[modifier]

Panorama de l'activité[modifier]

En 2008, une centaine de satellites ont été lancés dont 42 au titre d'activités commerciales (essentiellement télécommunications) : 66 satellites pesaient plus de 500 kg et 10 moins de 20 kg. Les satellites commerciaux comportaient 18 satellites géostationnaires et 23 satellites destinés à l'orbite basse.

L'activité commerciale a connu un pic d'activité à la fin des années 1990 lié à la bulle Internet avec la mise en place de constellations de satellites de télécommunications en orbite basse (Iridium…) et le lancement de 33 satellites en orbite géostationnaires (2000). Elle a lourdement plongé dans les années suivantes et reprend aujourd'hui grâce aux demandes de renouvellement et à un marché de télévision par satellite en pleine croissance sur tous les continents^[65].

Le segment des mini et microsatellites destinés à l'orbite basse connaît un certain développement au détriment du segment supérieur grâce à la miniaturisation des composants. Les nanosatellites ont connu un engouement en 2006 (24 satellites de cette classe) qui est retombé aujourd'hui. Le nombre de satellites commerciaux géostationnaires lancés est relativement stable mais leur capacité est en constante progression. Ils se répartissent entre quatre classes : plus de 5,4 tonnes (5 satellites lancés en 2007), entre 4,2 et 5,4 tonnes (7 satellites), de 2,5 à 4,2 tonnes (5 satellites), moins de 2,5 tonnes (2 satellites). Les autorités américaines ne prévoyaient pas en 2007 d'évolution significative du nombre de satellites commerciaux pour la décennie à venir^[66].

Les satellites ont été mis en orbite, en 2008, par une soixantaine de fusées dont 26 russes (43 satellites), 15 américaines (8 satellites), 11 chinoises (12 satellites), 6 européennes (11 satellites). Près de 20 types de lanceurs ont été utilisés dont 8 russes^[67]. Les capacités de ces lanceurs sont très variables (de 1 tonne à plus de 20 tonnes en orbite basse) ; ils sont spécialisés : certains sont optimisés pour l'orbite basse comme Soyouz d'autres pour l'orbite géostationnaire comme Ariane. Les lanceurs ont encore aujourd'hui des problèmes de fiabilité : deux échecs en 2008 et quatre échecs respectivement en 2007 et 2006.

Le coût d'un satellite est élevé : il fallait compter de 100 à 400 millions de dollars en 2008 pour un satellite géostationnaire. À la fin des années 1990, le coût unitaire de chaque satellite des constellations de télécommunications déployées en orbite basse s'échelonnait entre environ 100 M$ (Iridium 66 satellites de 700 kg) et 10 M$ (Orbcomm 28 satellites de 45 kg). Un satellite d'observation de la Terre lourd comme Geoeye de 2 tonnes a coûté 200 M$ alors que les cinq mini satellites Rapideye de 150 kg réalisant ensemble la même prestation ont coûté environ 30 M$ pièce^[68]. Les satellites militaires (750 M€/pièce pour satellite français d'observation Helios) et scientifiques (4,5 Mds$ pour le futur télescope spatial James Webb) peuvent être encore plus coûteux. À ce prix, il faut ajouter le coût du lancement qui se situe entre 10 000 $/kg pour l'orbite basse et 20 000 $/kg pour l'orbite géostationnaire ainsi que celui des installations et du support au sol.

Les programmes nationaux et internationaux[modifier]

L'activité commerciale de l'espace (générée pour l'essentiel par les satellites de télécommunications) représentait en 2008 114 milliards de dollars tandis que l'espace institutionnel, pris en charge par le budget public, est estimé la même année à 71 Mds$. En 2007, le budget des États-Unis consacré à l'espace (satellites non commerciaux militaires et civils + lanceurs + vols habités + sondes spatiales) représentait 54 Mds$ (0,39 % PIB) soit 75 % des dépenses mondiales^[69].

En dehors des États-Unis peu d'États disposent à la fois des moyens technologiques et de la volonté politique nécessaires pour mener une activité spatiale significative. Les budgets consacrés à l'espace sont dans l'ordre décroissant ceux de la France (2,9 Mds$, 0,14 % PIB), du Japon (2,2 Mds$, 0,05 %), de la Chine (2,1 Mds$, 0,06 %), de la Russie (1,8 Md$, 0,11 %), de l'Inde (1 Md$, 0,09 %), de l'Allemagne (1,6 Md$, 0,05 %), Italie (1,3 Md$, 0,06 %). Les principales agences spatiales sont dans l'ordre décroissant des budgets le DOD (Department of Defense chargé des satellites militaires américains) 27 Mds$, la NASA 16 Mds$, le National Reconnaissance Office (NRO) organisation américaine chargée des satellites de reconnaissance et d'écoute 9 Mds$, l'Agence spatiale européenne (ESA) 4 Mds$, la NGA (National Geospatial-Intelligence Agency chargé de la collecte de l'imagerie par satellite pour le compte de la défense américaine) 2 Mds$, l'agence spatiale française (CNES) environ 2,9 Mds$, l'agence japonaise (JAXA), l'agence russe Roskosmos et l'agence américaine de météorologie (NOAA)^[69].

L'espace militaire est dominé par les États-Unis qui y consacrent 36 Mds$ et qui est la seule nation à disposer d'un dispositif complet et permanent (télécommunications militaires, alerte avancée, reconnaissance, écoute électronique, surveillance océanique, système de positionnement par satellites)^[69]. La Russie tente de fiabiliser son système de positionnement par satellites GLONASS et maintient une flotte de satellites de reconnaissance et d'écoute assurant une couverture réduite par rapport à l'époque de la guerre froide^[70]. La Chine occupe la troisième place : elle met en place un système de positionnement par satellites national, dispose de satellites de reconnaissance et a prouvé sa capacité militaire spatiale en détruisant un de ses satellites en 2007. Il n'existe pas de politique spatiale militaire européenne. Quatre pays européens ont investi de manière significative dans l'espace militaire en premier lieu la France qui dispose depuis plusieurs années de satellites de reconnaissance optique (Hélios) et de télécommunications militaires (Syracuse). Pour l'écoute électronique et l'alerte avancée seuls des démonstrateurs ont été lancés jusqu'à présent. Le Royaume-Uni a concentré ses efforts sur les télécommunications militaires tandis que l'Italie et l'Allemagne disposent de satellites de reconnaissance radar.

L'industrie des satellites[modifier]

L'activité spatiale représentait un volume d'activité de 50 Mds€ en 2007. Une grande partie de cette somme est dépensée au sein des agences spatiales ou correspond à des marchés captifs d'organismes gouvernementaux (secteur spatial militaire aux États-Unis). Le marché des satellites et des prestations associées soumis à la concurrence représentait en 2007 environ 12,3 Mds€^{[N 12]} qui se ventilait en 34 % pour le domaine des satellites commerciaux, 27 % pour civil européen, 9 % pour les satellites militaires européens, 25 % pour les satellites civils hors Europe et 4 % pour les satellites militaires hors Europe. La ventilation du chiffres d'affaires par application donne : 45 % pour les télécommunications, 16 % pour l'observation de la Terre, 5 % pour la navigation et la localisation, 10 % pour les sciences et techniques, 8 % pour les infrastructure et transport et 16 % pour d'autres applications.

Ce marché étroit, nécessitant des compétences pointues et des moyens d'essais lourds, était dominé en 2006 par 5 acteurs majeurs dont 3 entreprises américaines et 2 entreprises européennes : Lockheed Martin (4 Mds€ sur ce secteur), Northrop Grumman (2,6 Mds), Boeing (2,1 Mds), Thales Alenia Space (1,6 Md) et EADS Astrium Satellites (1,3 Md)^{[N 13]}. Les perspectives d'évolution du chiffre d'affaires sont stables pour les applications commerciales et en forte croissance pour les applications financées par les agences spatiales (observation de la Terre, scientifique…) et la défense^[71].

Perspectives[modifier]

Les évolutions techniques[modifier]

Projet de formation de télescopes spatiaux utilisant l'interférométrie pour rechercher des exoplanètes (NASA).

Les évolutions répondent à plusieurs objectifs :

• l'allongement de la durée de vie qui est portée à 15 ans pour les satellites géostationnaires et vise 10 ans pour certains satellites à orbite basse ;
• l'augmentation des capacités des satellites commerciaux ;
• l'amélioration des performances des instruments pour les satellites scientifiques.

Les principales évolutions sont les suivantes^[72] :

• les satellites de télécommunications sont de plus en plus puissants et pèsent toujours plus lourds ;
• les satellites contiennent une électronique de plus en plus puissante (la puissance électrique moyenne des satellites doit passer à 30 kW à court terme) et compacte qui nécessite des dispositifs de dissipation de chaleur beaucoup plus sophistiqués ;
• le ratio masse charge utile/masse du satellite ne se modifie pas sensiblement mais pour une même masse la capacité de la charge utile est de plus en plus importante ;
• la capacité de certains instruments progresse de manière importante. Ainsi dans le domaine des instruments d'optique l'ensemble optique avec la mécanique et l'électronique associées des satellites Spot d'une masse de 250 kg pour un champ optique balayé de 60 km et une résolution de 10 mètres est remplacé sur la génération suivante par un ensemble pesant 160 kg avec un champ de 120 km et une résolution de 3 mètres soit un gain performances/encombrement de 10 ;
• l'industrie des satellites abandonne les circuits électroniques durcis au profit de composants banalisés dont la fiabilité est renforcée grâce à des artifices logiciels ;
• le développement de la propulsion électrique : dès à présent des gains importants sont obtenus sur la masse des ergols emportés sur les satellites de télécommunication en orbite géostationnaire par contre, du fait de la faible poussée elle ne peut être utilisée actuellement pour mettre le satellite à poste^{[N 14]}.

La diminution des coûts[modifier]

Les coûts de fabrication et de lancement d'un satellite sont un frein majeur au développement de leur utilisation. Sa construction reste du domaine de l'artisanat compte tenu du faible nombre produit chaque année et de la grande diversité des engins. D'ailleurs les instruments embarqués sont encore souvent réalisés par des universités ou des laboratoires de recherche. Le coût de lancement (de 10 000 à 20 000 $ le kilo) reste prohibitif : aucune solution technique n'a jusqu'à présent permis d'abaisser ce coût. La navette spatiale a démontré que les économies procurées par un lanceur réutilisable restaient théoriques. Deux constructeurs américains, SpaceX et Orbital Science, en partie subventionnés, se sont lancés dans la réalisation de nouveaux lanceurs avec comme objectif de faire baisser sensiblement le prix du kilo placé sur orbite (le lanceur Falcon vise un coût de 3 000 $/kg^[73]). Les premiers résultats sont attendus fin 2009. D'autres solutions sont mises en œuvre pour réduire la masse du satellite : miniaturisation des composants et développement de la propulsion électrique nettement moins gourmande en ergols.

La Terre sous observation[modifier]

Modélisation du climat : les satellites de la NASA qui étudient le cycle de l'eau et de l'énergie.

Le changement climatique induit par l'activité de l'homme est devenu officiellement une préoccupation majeure depuis le protocole de Kyoto (1997). L'ampleur du phénomène est mal maîtrisée car il nécessite de modéliser les interactions très complexes entre les océans, les continents et l’atmosphère. Les satellites d'observation jouent un rôle clé dans la collecte des données utilisées par ces travaux de modélisation ainsi que pour la recherche des indices de changement. Le projet GEOSS (Système mondial des systèmes d'observation de la Terre), entré dans une phase active en 2005, vise à coordonner à l'échelle mondiale le recueil des données fournies par les moyens satellitaires et terrestres et leur mise à disposition^[74].

La modélisation et l'étude d'impact du changement climatique font partie des objectifs majeurs du programme GMES (Global Monitoring for Environment and Security) lancé par l'Agence spatiale européenne en 2001 qui est donc le volet européen du projet GEOSS. GMES doit permettre de fédérer au niveau européen l’ensemble des moyens d’observation du globe aussi bien terrestres que spatiaux existants : satellites d'observation nationaux, européens, satellites météorologiques (Eumetsat). Le programme doit garantir la continuité du recueil des données, leur normalisation et faciliter leur mise à disposition. L'ESA prévoit de lancer dans le cadre de GMES cinq satellites d'observation (Sentinel 1 à 5) à compter de 2011 chacun étant doté d'instruments spécifiques (radar, optique...)^[75].

Le projet franco-américain A-Train, qui comporte six satellites lancés entre 2002 et 2008 en formation à quelques minutes d'intervalle sur une orbite héliosynchrone, s'inscrit dans cette problématique. Les 15 instruments embarqués doivent permettre de recueillir de manière coordonnée de nombreuses données permettant à la fois d'améliorer notre compréhension du fonctionnement climatique et d'affiner les modèles de prévision numérique^[76].

La maturité commerciale des applications[modifier]

L'apparition des satellites artificiels a donné naissance à un secteur commercial centré initialement sur les télécommunications fixes qui s'est considérablement développé grâce à plusieurs progrès technologiques : la généralisation des transistors puis la miniaturisation de l'électronique (années 1960), l'utilisation de la bande Ku autorisant des antennes satellite de réception de petite taille (années 1980), la numérisation de la télévision permettant la diffusion de bouquets de chaînes (années 1990). Le chiffre d'affaires annuel a ainsi atteint 114 milliards de dollars en 2007^[69]. Le secteur astronautique ne représente qu'une faible partie de ce chiffre (5 %) soit 3,8 Mds$ pour les constructeurs de satellites et 1,54 Md$ pour les lanceurs. L'essentiel de l'activité est réalisée en aval par les sociétés de service (bouquets de télévision…) et les distributeurs de matériel utilisés par les clients finaux (antennes, décodeurs, GPS). Les opérateurs des satellites des télécommunications (14,3 Mds$ de chiffre d'affaires en 2007) font fabriquer les satellites dont ils louent les répéteurs à des sociétés de télécommunications fixes, des entreprises (réseau d'entreprises), des opérateurs de télévision par satellite (représentent les 3/4 de l'activité). Ils peuvent également créer des services à valeur ajoutée. Les principaux opérateurs ont une envergure internationale : ce sont SES (2,4 Mds$), Intelsat (2,2) et Eutelsat (1,3).

De nouvelles utilisations commencent à trouver des débouchés commerciaux importants :

• de nouveaux opérateurs (Globalstar, Iridium et Orbcomm) se sont lancés à la fin des années 1990 sur le marché de la téléphonie mobile en faisant construire des constellations de satellites placés en orbite basse. Après des débuts très difficiles (les investissements étaient surdimensionnés par rapport au marché potentiel), cette activité a trouvé son point d'équilibre avec un chiffre d'affaires en 2007 de 2,1 Mds$ (en incluant un opérateur de longue date Inmarsat) ;
• l'Internet par satellite pour la fourniture de liaisons ADSL aux usagers résidant dans des régions mal desservies ;
• l'imagerie en moyenne résolution dont le leader est Spot Image (140 M$ en 2007) ;
• l'imagerie en haute résolution d'apparition beaucoup plus récente dont les deux leaders sont Digital Globe (152 M$) et Geoeye (184 M$). Cette activité est portée par des clients institutionnels (armée, organismes gouvernementaux) mais également par une clientèle d'entreprises dont le représentant le plus emblématique est Google qui a obtenu l'exclusivité sur les images du satellite Geoeye-1 (résolution 0,4 m) lancé en 2008 et destiné à alimenter le site Google Earth ;
• l'imagerie radar produite par des satellites comme Radarsat (Canada) et TerraSAR-X (Allemagne).

La gestion des débris spatiaux[modifier]

Reconstitution de la collision entre le débris de la fusée Ariane et le satellite Cerise (1996).

Le nombre d'objets artificiels placés en orbite s'est régulièrement accru depuis le début de la conquête spatiale. À côté des satellites en fonction proprement dit, on trouve des débris de lanceurs (étages entiers ou composants), des satellites hors d'usage (environ 2000 au changement de siècle^[77]) ou des débris de satellite. Il existe aujourd'hui^[78] :

• environ 12 500 débris d'une taille supérieure à 10 cm qui sont tous répertoriés par le système de veille spatial américain (NORAD) ;
• environ 300 000 (estimation) débris d'une taille comprise entre 1 et 10 cm ;
• environ 35 millions de débris d'une taille comprise entre 1 mm et 1 cm.

Ces débris sont en majorité situés à une altitude supérieure à celle des satellites placés en orbite basse (les débris situés à une altitude plus basse rentrent au bout de quelques années dans l'atmosphère terrestre et sont détruits). Ceux qui croisent aux altitudes utiles constituent une menace pour les satellites car leur vitesse de déplacement relative par rapport à ceux-ci (jusqu'à 20 km/s) génère une énergie cinétique telle qu'un débris de quelques cm peut mettre hors service un satellite. Ainsi en 1996, un fragment du troisième étage d'une fusée Ariane qui avait explosé en vol dix ans plus tôt a percuté le microsatellite français Cerise. Plus récemment la collision spectaculaire entre un satellite Iridium en service et un satellite Cosmos hors service le 10 février 2009^[79] a démontré que le problème des débris devait être pris au sérieux.

Lorsque les agences spatiales détectent un risque de collision avec des débris d'une taille supérieure à 10 cm dont la trajectoire est généralement connue, l'orbite du satellite situé sur sa trajectoire est modifiée par le centre de contrôle pour s'écarter de la menace. Le CNES a ainsi réalisé trois manœuvres d'évitement sur ses satellites en 2007^[80]. Mais la menace la plus importante est constituée par les débris d'une taille comprise entre 1 cm et 10 cm dont la trajectoire n'est généralement pas connue. Le recours à un blindage (solution retenue pour la station spatiale) ne protège pas complètement les engins spatiaux et a un coût prohibitif (10 % du poids de la station spatiale). Des préconisations destinées à réduire le nombre de nouveaux débris produits ont été définies par l'IADC : désorbitation des satellites en fin de vie, passivation des étages de lanceurs satellisés (pour éviter qu'ils n'explosent, réduction du nombre de débris produits par les mécanismes de séparation ou de déploiement. Mais, du fait de leur coût, elles ne sont pour l'instant appliquées que sur la base du volontariat par certaines agences spatiales dont le CNES.

La militarisation de l'espace[modifier]

Le traité de l'espace de 1967, interdit l'envoi en orbite d'armes nucléaires ou de destruction massive. Mais il n'empêche pas l'utilisation de satellites destinés à soutenir ou aider les forces militaires au sol. Aujourd'hui les armes comme les troupes des armées les plus modernes sont devenues en partie dépendantes d'une panoplie de satellites militaires en particulier de satellites de reconnaissance, de communications et de positionnement. Mais aucun satellite n'a jusqu'à présent été doté de capacité offensive. À la suite des prises de position des États-Unis soucieuse de se défendre de toute attaque nucléaire et de sanctuariser l'espace, les spécialistes évoquent le scénario d'une arsenalisation (c'est le terme consacré) de l'espace c'est-à-dire la mise en place d'armes susceptibles, soit de détruire depuis l'espace d'autres satellites ou des cibles au sol soit de détruire des satellites depuis le sol. L'absence de politique de défense européenne coordonnée en particulier dans le domaine du spatial militaire qui nécessite des budgets dépassant les capacités nationales, placerait l'Europe dans une très mauvaise position si ce scénario se réalisait^[81]. Un traité visant à démilitariser complètement l'espace n'a jusqu'à présent obtenu aucune signature.

Notes et références[modifier]

Notes[modifier]

Références[modifier]

Annexes[modifier]

Bibliographie[modifier]

Sources

• Daniel Marty, Systèmes spatiaux conception et technologie, Masson, 1994 (ISBN 978-2-225-84460-7) 
• CNES, Techniques et technologies des véhicules spatiaux, Cépaduès éditions, 1998 (ISBN 2-85428-479.8) 
• CNES & CILF, Dictionnaire de spatiologie, CILF, 2001 (ISBN 978-2-853-19290-3) 
• Alain Duret, Conquête spatiale : du rêve au marché, Editions Gallimard, 2002 (ISBN 2-07-042344-1) 
• F. Verger, R Ghirardi, I Sourbès-Verger, X. Pasco, L'espace nouveau territoire : atlas des satellites et des politiques spatiales, Belin, 2002 
• Philippe Couillard, Lanceurs et satellites, Cépaduès éditions, 2004 (ISBN 978-2-854-28662-5) 
• OCDE, L'espace à l'horizon 2030 : quel avenir pour les applications spatiales ?, EDP Sciences, 2006 (ISBN 978-2-868-83808-1).
  264 pages
   
• Jacques Villain, À la conquête de l'espace : de Spoutnik à l'homme sur Mars, Vuibert Ciel & Espace, 2007 (ISBN 978-2-7117-2084-2) 

Autres ouvrages

• José Achache, Les sentinelles de la terre, Hachette, 2004 (ISBN 978-2-0123-5733-4).
  192 pages
   
• Aline Chabreuil, Philippe Chauvin, Satellites : aux frontières de la connaissance, Paris, Éditions du Cherche Midi ; collection « Beaux Livres », 2008 
• Robert Lainé (EADS Astrium), Marie-José Lefèvre-Fonollosa (Centre spatial de Toulouse), Dr Volker Liebig (ESA), Bernard Mathieu (CNES), Isabelle Sourbès-Verger (CNRS), préface de Claudie Haigneré, Objectif Terre : la révolution des satellites, Le Pommier/Cité des Sciences, 2009 (ISBN 978-2746504196).
  192 pages
   

Articles connexes[modifier]

• Microsatellite
• Sonde spatiale
• Applications des satellites
• Chronologie des satellites artificiels et sondes spatiales
• Plate-forme
• Observation des satellites artificiels

Liens externes[modifier]

• Site des missions scientifiques du CNES : les caractéristiques des satellites avec une participation française
• Site dédié permettant de suivre la conception et fabrication du satellite européen Sentinelle-3
• (en) Portail de l'agence spatiale européenne : satellites réalisés dans le cadre de l'agence européenne
• (en) Missions spatiales de la NASA en cours
• Site permettant de suivre l'orbite de tous les satellites en temps réel

• Portail de l’astronautique

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