Industries de la communication : Les constellations satellitaires orbitales

Ex-sherpa de François Mitterrand à l'Élysée, Anne Lauvergeon a aujourd'hui la responsabilité du développement des activités du groupe Alcatel dans le domaine des télécommunications. Elle met ici en évidence les enjeux technologiques, industriels et financiers des constellations satellitaires . Représentant une alternative aux infrastructures de télécommunication terrestres, ces réseaux de satellites en orbite basse offrent de nombreux avantages pour les télécommunications.

Quarante ans après le lancement de Spoutnik et le début de l'ère spatiale, deux constellations de satellites devraient être mises en orbite pour assurer un service mondial de téléphonie mobile : Globalstar et Iridium. Cet événement présente des enjeux industriels et financiers considérables.

L'apparition des constellations résulte de progrès technologiques dans le domaine spatial. Une constellation opérationnelle, ce sont des satellites dont les mouvements sont synchronisés entre eux et dont les trajectoires par rapport à la Terre se reproduisent à l'identique au bout d'une durée constante, le plus souvent de plusieurs jours. C'est un vaste mouvement d'horlogerie en orbite qui est mis en place, permettant une utilisation aisée par l'utilisateur. La seule constellation opérationnelle en orbite est celle du système GPS (Global Positionning System)  ; ce système de localisation et de navigation mondial avec 24 satellites dans 6 plans d'orbite a mis seize ans pour être déployé. Les techniques de fabrication de satellites, les possibilités de lancements multiples rendent possible maintenant le déploiement en moins de dix-huit mois, durée acceptable pour une application commerciale opérationnelle.

Différents types de constellation

Trois types de constellation sont considérés actuellement :

1- les constellations en orbite très excentrique avec un apogée à plus de 40 000 kilomètres ; celles-ci ont été utilisées pour le système de télécommunication Molnya par la Russie ;

2- les constellations en orbite intermédiaire à plus de 5 000 kilomètres d'altitude, avec des périodes de révolution autour de la Terre d'environ 12 heures ; c'est le cas de la constellation GPS en place et des constellations prévues dans le futur avec le projet ICO d'Inmarsat ;

3- les constellations en orbite basse à une altitude inférieure à 1 500 kilomètres avec des périodes de révolution d'environ 2 heures, représentées par les systèmes Globalstar, Iridium, Teledesic, Skybridge, M-Star, Gonetz.

Enjeux industriels

Les constellations conduisent à la construction en grande série de satellites induisant des volumes d'activité industrielle importants en matière d'équipements. Cela change la philosophie de production des satellites et l'intégration en série de charges utiles et de satellites avec des cadences de plusieurs modèles de vol par mois. Il est clair que les industriels qui participeront à ces programmes auront une avance considérable vis-à-vis d'autres industriels continuant à produire les satellites de télécommunication et d'observation, à raison de quelques unités par an. Cela est déjà très net chez les industriels français et américains, tels que Space Systems/Loral, Alcatel, Aérospatiale, Alenia, DASA, qui sont dans la dernière phase de productiondes satellites Globalstar.

Un enjeu similaire concerne les moyens de lancement. Il faut pouvoir effectuer des lancements multiples, des lancements rapprochés en délais, atteindre en régime opérationnel des orbites basses avec souvent des lanceurs qui avaient été cons-truits et optimisés pour l'orbite géostationnaire. Face à cet enjeu, les industriels en charge de la construction de fusées s'organisent. Pour l'échéance de Globalstar et d'Iridium, les compagnies de lancement n'étaient pas prêtes. Aussi, il a été nécessaire de faire appel à plusieurs lanceurs et de s'appuyer sur plusieurs pays. C'est ainsi que, pour Globalstar, on utilisera la fusée Delta de Mac Donnell Douglas,la fusée Zenit ukrainienne, la fusée Soyouz de Starsem, et la fusée "Long March" chinoise. Cet enjeu augmentera avec les programmes de satellite multimédia en projet, tel que Skybridge avec 64 satellites, Teledesic avec 800 satellites.

Enjeux financiers

Les enjeux financiers sont importants, tant au niveau de l'investissement initial que des revenus associés. Le coût de mise en place de ces systèmes se situe, suivant les applications et leur architecture, entre 2,5 et 9 milliards de dollars. Ces coûts peuvent apparaître élevés. Les systèmes de satellites géostationnaires représentent des investissements inférieurs, mais ne permettent pas en général un accès universel et une couverture mondiale. Dans les systèmes régionaux de téléphonie mobile par satellite, les investissements nécessaires se situent aux environs de 1 billion de dollars. Il en est de même des systèmes en cours de développement de radio-diffusion sonore numérique par satellite. Les réseaux cellulaires terrestres peuvent représenter également des investissements de un à plusieurs billions de dollars pour des couvertures bien plus localisées.

En termes de revenus, les systèmes utilisant les constellations sont rentables avec moins d'une dizaine de millions d'abonnés. Le retour sur investissements peut être ainsi obtenu rapidement avec un prix d'utilisation tout à fait comparable avec celui permis par les solutions terrestres. Cela est valable aussi bien pour la téléphonie mobile que pour les accès multimédia à haut débit.

Le marché financier nord-américain ne s'y est pas trompé, en réservant un accueil très favorable au projet de satellites en orbite basse qui lui était proposé. Tel est le cas de Globalstar, dont la totalité du financement est assurée.

Accès universel et interactivité

On pourrait certes estimer que le souci de minimiser les effets du délai de propagation dans la conversation représente un effort démesuré pour promouvoir l'industrie spatiale, alors même qu'on vante les capacités croissantes des artères à fibre optique.

Nul ne semble avoir encore réalisé que l'enjeu des réseaux, aujourd'hui, réside ailleurs, dans l'universalité que les utilisateurs vont de plus en plus demander à leurs moyens de communication. En vacances, au travail, à la maison, les individus vont demander à leur télécommunication d'être, de plus, banalisée et omniprésente. Les protocoles, les plans de numérotation, les services devront être identiques où qu'on se trouve pour assurer une présence réseau maximale, avec des performances sans cesse croissantes, et ce sont ces exigences que les constellations en orbite basse veulent et peuvent satisfaire.

Face à ce défi, le réseau téléphonique est de plus en plus paralysé par sa rigidité structurelle et par son économie. En raison même de sa dimension, d'une part, il n'est plus capable de déployer de nouveaux services, telles les bandes passantes accrues qui nécessiteraient l'accès à Internet et au multimédia. Contraint à l'efficacité par une concurrence croissante, il aura par ailleurs de plus en plus de difficultés à subventionner les zones dépeuplées ou défavorisées. Il suffit d'observer le déploiement de la téléphonie mobile pour réaliser que des portions importantes du territoire ne seront jamais couvertes.

Tout le problème est en fait concentré dans la boucle locale, qui représente la majorité des dépenses des opérateurs, 80% des 2 500 F de valeur d'investissement nette que représente en moyenne un abonné au téléphone. Ce coût est évidemment encore plus important si l'on veut des débits plus élevés ou lorsqu'on dessert des régions à faible densité. Les mobiles, quant à eux, revenant à 10 000 F en moyenne par abonné, ne constitueront jamais une alternative.

Pour les utilisateurs, ces limitations sont aggravées par l'intervention des opérateurs locaux (environ un millier rien qu’aux États-Unis) qui ont pour principe, à partir de la boucle locale, de tarifer tout le réseau amont à la distance, à la durée et peut-être bientôt à la bande passante. Alors que les pratiques de la communication et de l'informatique font chaque jour gagner du terrain aux tarifs fixes ou forfaitaires.

Entre l'abonné urbain au téléphone résidentiel et l'individu "commutant" existe donc un créneau totalement insatisfait, tant sur le plan technique qu'économique. Certes, sa population potentielle est d'un ordre de grandeur inférieur au milliard d'abonnés du réseau téléphonique mondial : on peut se référer à Internet (100 millions d’utilisateurs attendus en 2005) ou aux mobiles (25% du parc téléphonique dans les pays les plus avancés). Ces populations se recouvrant en outre partiellement, c’est sans doute un marché de 50 à 100 millions de terminaisons qui est concerné.

De ces observations du marché est donc née l'idée de mettre en œuvre des constellations : par nature omniprésentes, elles apportent l'universalité ; situées en orbite basse, elles permettent aisément de réaliser le by-pass de la boucle locale. Bien entendu, ce développement a bénéficié de celui, survenu entre-temps, du téléphone cellulaire puisqu'il s'agit en fait des mêmes techniques, à la seule différence que, avec les constellations en orbite basse, ce sont les cellules qui se déplacent plutôt que l'utilisateur.

Projets actuels

Les projets de constellations visent alors deux marchés principaux :

a- La téléphonie mobile, qui, du fait des caractéristiques de ses utilisateurs, a semblé la première à pouvoir rentabiliser de grands projets.

C'est le cas de Globalstar, dont les premiers satellites seront lancés fin 1997 : 3 millions d'utilisateurs visés pour 15 MF d'investissements, soit 5 000 F par abonné ou encore 50% du coût du terrestre mobile qu'il s'agit de concurrencer. Globalstar a été financé au départ par deux industriels nord-américains, Loral et Qualcomm, relayés par des partenaires opérateurs qui ont obtenu en échange la concession du service sur différents territoires, puis par un appel au public qui a permis d'obtenir déjà 80% du financement total du programme.

Son principal concurrent, Iridium, dont l'actionnaire de référence est Motorola, semble plus avancé pour l’instant, les premiers satellites étant prêts au lancement. À la différence de Globalstar, Iridium a choisi de s'affranchir des opérateurs classiques en privilégiant autant que possible des liens directs entre satellites. Il existe enfin d'autres projets en orbite moyenne : Odyssey de TRW et ICO de l'organisation internationale Inmarsat, qui reste à ce jour le principal fournisseur de liaisons de téléphonie mobile à grande distance par satellites géostationnaires.

b- Les services multimédia

Les deux principaux programmes dans ce domaine sont :
• Teledesic, qui devrait démarrer en 2001. Ses promoteurs, Bill Gates et Craig MacCaw, ont obtenu une licence exclusive de la FCC (Federal Communication Commission) en bande Ka et se préoccupent actuellement d'obtenir des autorisations dans différents pays du monde. La constellation est particulièrement ambitieuse puisqu'elle prévoit plusieurs centaines de satellites défilants.
• Skybridge, projet d'Alcatel prévu aussi pour 2001 et qui associera, à côté de Loral, des industriels européens dans son premier tour de table. Skybridge a déposé une application pour ses fréquences à l'UIT (Union internationale des télécommunications) et à la FCC. À la différence de Teledesic, Skybridge utilisera la bande Ku en respectant les fréquences déjà allouées aux satellites géostationnaires.

En moyenne, ces deux projets se sont fixé un objectif d'une douzaine de millions d'utilisateurs pour 25 MF d'investissements, ce qui revient à environ 2 000 F par abonné. On se retrouve donc au même niveau que la boucle locale terrestre câble ou téléphone, avec un service nettement plus évolué et global.

Motorola a également proposé le projet M-Star inspiré des techniques développées dans Iridium, mais utilisant la bande Ka.

Les constellations en orbite basse sont les seules à parfaitement répondre au besoin d'universalité et de souplesse évoqué ci-dessus.

Il pourrait s'agir en fait pour les réseaux d'une évolution aussi importante que l'a été vers 1980 la décision de Rupert Murdoch de recourir au satellite pour s'affranchir de la boucle locale de télédistribution, processus aujourd'hui abouti avec le lancement de programmes nationaux (DirecTV, CanalSatellite, TPS...). Sur le plan économique, la solution a définitivement établi sa compétitivité en télédistribution : l'abonné y revient au maximum à 100 F d'investissement (4 MF pour 40 millions d'abonnés), nettement moins même pour des systèmes comme Astra ou DirecTV. Ceci en regard de 2 000 F par abonné pour le câble... d'autant que ce dernier ne couvrira jamais les zones à faible densité.

Les conditions du succès

Plusieurs conditions doivent encore être réunies pour que les constellations en orbite basse prennent la place qui leur est destinée.

En dehors des progrès techniques qui restent à accomplir, notamment pour les terminaux, le problème des fréquences est particulièrement aigu : véritables "rouleaux compresseurs" du plan de fréquence puisqu’ils balayent en permanence pratiquement toute la surface du globe, les LEO ne peuvent se contenter des règles simples et polies de coordination qui ont, tant bien que mal, permis de gérer jusqu'à présent les fréquences des géostationnaires. L'avance des systèmes LEO nord-américains, autorisés très tôt par la FCC, va poser un redoutable problème aux autres régions. En Europe, notamment, il devient urgent que les autorités de régulation s'entendent pour adopter une attitude commune dans les attributions de fréquences pour ces systèmes.

La faisabilité technique

La construction des satellites en orbite basse Globalstar a montré qu'il était techniquement faisable de construire de tels satellites en utilisant les techniques mises au point pour les satellites classiques à défilement, en raffinant la stabilisation et le contrôle d'orbite par l'utilisation à bord du GPS.

Les charges utiles sont relativement complexes et on a dû faire appel aux techniques les plus avancées en matière d'antennes actives. Après des phases de développement délicates, celles-ci ont pu être testées à Alcatel Espace et sont donc prêtes à être mises en orbite à partir du dernier semestre 1997.

L'ensemble du segment sol de ces systèmes est complexe, que ce soit au niveau de la gestion de la constellation des satellites en orbite, ou des réseaux de communication. Le segment sol comprend des centaines de gateways associant stations terriennes, modems, centraux téléphoniques. La complexité provient de la nécessité de suivre en un même point jusqu'à 4 satellites et d'assurer les liaisons avec ceux-ci en utilisant les méthodes d'accès multiples à répartition par code (CDMA).

Le problème technique crucial concerne les terminaux. Celui-ci est résolu pour la téléphonie mobile et les systèmes Globalstar et Iridium. Il n'est pas encore résolu pour les applications multimédia, et en particulier au niveau de l'antenne de réception de l'utilisateur. Des travaux sont en cours pour trouver des solutions bon marché et à faible encombrement en utilisant les techniques d'antennes actives.

Les atouts industriels français dans la compétition mondiale

Alcatel et Aérospatiale se sont associés au développement des satellites Globalstar. Ils sont donc en mesure de participer à tous les programmes de constellations en orbite basse qui pourraient voir le jour dans la prochaine décennie, et en particulier Skybridge.

Dans Globalstar, les industriels français ne disposaient pas de certaines technologies, en particulier celles, fondamentales, des antennes actives.

Face à cette lacune, des développements ont été entrepris en particulier grâce au programme de satellite technologique du CNES : Stentor. Ces développements seront largement utilisés, ainsi que d'autres, pour la réalisation des satellites de la constellation Skybridge. Aérospatiale devrait également utiliser de nouvelles techniques pour la réalisation du satellite en utilisant la filière de mini-satellites Proteus.

Alcatel est également présent au niveau des installations sol de Globalstar et sera en mesure de fournir les segments sol des systèmes multimédia.

Dans cette compétition, il faut pouvoir pratiquer des prix suffisamment bas pour rendre le système rentable le plus rapidement possible. Ce défi a été relevé dans Globalstar.

Conclusion

Les constellations de satellites de télécommunication en orbite basse vont ouvrir dès 1997 un nouveau secteur d'application. Ce ne seront pas des concurrents des satellites géostationnaires, mais ils assureront un complément et surtout un accès universel pour tout public. En permettant une interactivité équivalente à celle des réseaux terrestres, les constellations offriront une souplesse d'emploi, qui sera la raison de leur succès. Il faut donc que les fréquences nécessaires soient dégagées au cours de la prochaine conférence mondiale. Dans la mesure où il y a place pour plusieurs systèmes en orbite basse, dont certains demandent la bande Ka et d'autres se proposent d'utiliser la bande Ku hors de l'arc géostationnaire, des solutions doivent pouvoir être trouvées pour le plus grand bénéfice des utilisateurs.

Publié dans la revue l'Année Européenne 1997, dans le dossier Industries de la communication