Les Communications Spatiales avec Mars

Le rover Mars Opportunity. Doc JPL.

Au début des années 1990, la NASA développa son premier réseau de télécommunication spatiale, le "Deep Space Network" ou DSN, afin de garder le contact avec les sondes spatiales qu'elle avaient lancées dans l'espace à destination de Mars et des autres astres peuplant le système solaire.

Récemment la NASA utilisa ce puissant système pour communiquer avec les rovers Spirit, Opportunity et Curiosity déposés sur Mars, les orbiters MGS, MRO et autre Mars Odyssey, avec la sonde Huygens qui visita Titan et New Horizons qui survola Pluton parmi d'autres sondes spatiales.

Saisissons cette "opportunité" pour nous demander de quelle manière les scientifiques gèrent les télécommunications avec les sondes spatiales explorant Mars. Quels systèmes d'antennes utilisent-ils, sur quelles fréquences travaillent-ils, quelles sont les caractéristiques des équipements radios du DSN, à quel débit sont transmises les données et quelles sont les limitations ?

Les radioamateurs savent que par nature les signaux émis dans les bandes HF (1.8-30 MHz) à faible incidence peuvent difficilement traverser les couches ionosphériques entourant la Terre, qu'ils soient émis à partir du sol ou depuis l'espace. Sous certaines conditions, ces régions de forte densité électronique agissent comme des miroirs pour les ondes radio.

Si c'est un gros avantage pour les stations au sol qui désirent communiquer avec des stations distantes (par réflexions successives entre l'ionosphère et le sol, les ondes HF peuvent atteindre les antipodes), pour les mêmes stations qui désirent communiquer avec des satellites circulant dans l'espace c'est plutôt un gros problème... Comment expliquer ce phénomène et comment peut-on malgré tout communiquer avec les satellites et les sondes spatiales ?

Nous savons que l'ionosphère est un mélange de plasma et d'atomes plus ou moins ionisés. Entre les couches D et F sa densité oscille entre 10000 et 2 millions d'électrons/cm³ et chute d'un facteur dix environ durant la nuit et n'est même plus mesurable pour les couches ionosphériques les plus basses.

La fréquence maximale utilisable ou MUF dépend fortement du niveau d'ionisation de la couche F. Durant les périodes d'intenses activités solaires, lorsque le nombre de taches solaires dépasse 200 environ, la MUF peut facilement atteindre 50 MHz durant la journée. Toutefois ces conditions changent en permanence durant la journée avec une décroissance progressive des MUF et LUF durant la nuit.

Il existe toutefois une fréquence de coupure f_p pour l'ionosphère au-delà de laquelle elle perd son pouvoir réflecteur des ondes-courtes. Selon la latitude, la saison et l'activité solaire principalement, durant la journée cette fréquence se situe aux environs de 3-10 MHz et descend vers 2-6 MHz durant la nuit, selon la formule suivante, dans laquelle f_p s'exprime en Hz :

avec N_e, la densité électronique; e et m, la charge et la masse de l'électron et ε_o, la permitivité du vide.

Cette fréquence est valable pour un signal HF émis verticalement. Car dès que l'incidence du signal est inclinée (ce que les radioamateurs recherchent pour atteindre les pays lointains) la fréquence augmente proportionnellement à (1/cosθ), θ représentant l'angle d'incidence par rapport à la normale. Ainsi si le signal est émis à 45°, la fréquence de coupure de 10 MHz monte jusque 14 MHz, etc. En extrapolant vers les plus hautes fréquences on constate que les signaux émis dans les bandes V/UHF et SHF traversent facilement l'ionosphère sauf à des incidences rasantes (lorsque cosθ est très petit).

Les différents modes de propagation des ondes HF, ondes directes ou ionosphériques entre 1-500 MHz environ. Document T.Lombry.

Précisons qu'entre 1-90 MHz le comportement de l'ionosphère comme miroir pour les ondes-courtes est assez complexe, comprenant à la fois des réflexions et d'importantes atténuations du signal.

Mais l'ionosphère n'est pas totalement opaque aux ondes HF. Comme une vitre, lorsque l'angle d'incidence est très élevé (grand écart par rapport à la normale), les ondes sont totalement réfléchies sur la surface qui joue alors le rôle de miroir, mais lorsque les ondes se propagent perpendiculaire à sa surface, elles sont capables de la traverser entièrement.

Avec un angle normal aux couches ionosphériques on peut donc traverser les couches ionisées à des fréquences inférieures à la MUF, surtout en période de faible activité solaire.

Ce principe a été appliqué avec succès à plusieurs satellites amateur tels les Radio Sputnik et Amsat Oscar dans les années 1970-80 dont certains envoyaient des beacons HF ou des signaux télémétriques en Morse en mode A, downlink sur 29 MHz (vers la Terre) et même sur 21 MHz.

Mais travailler de la sorte n'est pas sans inconvénient et durant la journée les transpondeurs de ces satellites étaient affectés par l'ionisation de la couche F2 durant les périodes de forte activité solaire. La HF n'est donc pas la panacée pour travailler par satellite.

On constate également que jusqu'aux bandes UHF, les ondes propagent de nombreux parasites et bruits divers qui se superposent aux signaux. Cela commence dans les longues ondes (LW ou AM) sujettes aux parasites atmosphériques (éclairs, etc), cela s'étend aux VHF sensibles aux aurores et aux traînées d'ionisation des météores pour s'atténuer vers 500 MHz environ. Il faut donc monter en fréquence pour s'abstraire de ces problèmes.

Mais le Soleil ou les orages ne sont pas les seuls éléments pouvant brouiller les communications spatiales et plus on monte en fréquence plus on enregistre un bruit de fond qui est en fait lié au rayonnement gamma émis par les sources galactiques et extragalactiques. Par contre, plus on monte en fréquence et en dehors des raies d'émission gamma moins le Soleil à d'influence sur la propagation des ondes.

A côté de ces deux problèmes de propagation et de bruit, on constate également qu'en utilisant les bandes SHF (2.9-30 GHz) plutôt que les HF pour les liaisons vers l'espace, non seulement le niveau de bruit et de parasites y est beaucoup plus faible, mais à ces longueurs d'ondes centimétriques on peut mettre en oeuvre des antennes très directives et utiliser de larges bandes passantes pour des transmissions à haut débit.

En effet, pour transmettre rapidement de gros volumes de données sans erreur, il faut disposer de plusieurs mégahertz de bande passante. C'est donc impossible à réaliser en HF (un signal occupe en général 2.4 kHz en phonie et 1 kHz en Morse) car le signal occuperait tout le spectre HF et le rendrait inutilisable pour toute autre application ! C'est également ce problème qui incite actuellement les radioamateurs à se battent contre le BPL, les liaisons Internet à large bande sur onde-courtes.

Tous ces facteurs confondus, on comprend donc mieux pour quelles raisons, si nous voulons traverser les couches ionosphériques par la voie des ondes, nous devons utiliser des fréquences élevées, dont la longueur d'onde est à la fois insensible à la densité électronique mais également épargnée de bon nombre de parasites et adaptée au haut débit.

Pour les communications spatiales les principales bandes de fréquences que nous pouvons utiliser sont les micro-ondes, et particulièrement les bandes S, X et K aux alentours du GHz, ce qui représente une longueur d'onde de quelques dizaines de centimètres au maximum. Au-delà de 20 GHz environ d'autres problèmes surgissent comme l'absorption atmosphérique provoquée par les nuages et la pluie.

La bande S aux alentours de 2 GHz est avant tout utilisée par les bâtiments naviguant en mer (par ex. les radars de bord, pour la radiolocalisation et la radionavigation) ainsi que par les GSM, les réseaux de télécommunication Inmarsat et DCS.

La bande X est la bande de fréquences favorite pour de nombreuses applications commerciales et scientifiques : petites et grandes paraboles accordées entre 10.7 et 20 GHz sont utilisées par la TV par satellite, en géodésie (par ex. pour les applications océanographiques TOPEX), en météorologie (par ex. les radar polarimétriques, similaires au lidar) ou en radioastronomie (par ex. pour étudier le ciel profond comme les jets émis par les quasars).

Enfin, quelques radioamateurs expérimentés n'hésitent pas à utiliser ces hautes fréquences pour les activités Moon Bounce (EME) ou pour communiquer par satellite (voir bandplan).

La bande X est aussi populaire parce qu'elle est accessible à tout le monde. En effet, elle permet de communiquer aux moyens d'antennes de tailles réduites et avec des équipements relativement simples comparés aux installations AM ou HF par exemple. Cette bande de fréquences est également moins brouillée (QRM) et autorise la transmission de données à haut débit. Enfin, utilisée avec des réseaux digitaux et à forte puissance, le récepteur est moins sensible à la rotation de phase.

Les amateurs ont rapidement tiré profit de tous ces avantages et grâce à l'ESA ils ont lancé en 1988 le petit satellite AMSAT OSCAR 13 (AO-13) équipé de transpondeurs fonctionnant dans les modes B, S et L, respectivement à 435/145 MHz, 435/2400 MHz et 436/1269 MHz (à 2 m, 70, 24 et 13 cm).

Beaucoup d'applications dans la bande X fonctionnent par satellite. En effet, à quelques GHz la propagation des ondes ne fonctionne pas exactement comme les grandes ondes (AM) ou même comme les ondes décamétriques ou V/UHF.

En raison des courtes longueurs d'ondes utilisées, les signaux sont rapidement bloqués par les obstacles habituels comme les bâtiments ou les montagnes. Comme nous l'avons dit, ils sont également réfléchis par les nuages d'ionisation (les aurores, les traînées de météore) et par les particules en suspension dans l'air (la poussière, la pluie, la neige, la grêle).

Les antennes utilisées dans la bande X sont donc avant tout dirigées vers l'espace, vers les satellites artificiels, vers la Lune et vers les objets du ciel profond, y compris en émission pour étudier le sol ou le sous-sol terrestre ainsi que pour communiquer avec les satellites. Le plus souvent les professionnels ont quelque peu upgradé cet équipement pour les télécommunications spatiales en le portant à quelques kilowatts de puissance et en utilisant des antennes paraboliques de plusieurs mètres de diamètre.

Les salles de contrôle spatial

De gauche à droite et de haut en bas, le centre des opérations spatiales de l'ESOC (ESA) en 2014, la salle de contrôle du JPL en 2012, le NSPO à Taiwan et l'IKI à Korolev, en Russie.

Mais pour un département des sciences de l'espace d'une université, une parabole de 5 m ainsi que son équipement radio et de poursuite satellite sont des outils très chers à entretenir et bon nombre d'entre elles se reportent sur des solutions plus économiques. Seule une agence publique comme le JPL de la NASA ou ses partenaires européens (ESA), russes (IKI), indiens (ISRO), japonais (JAXA) ou chinois/taïwanais (CASC, NSPO) peuvent supporter de tels investissements, même si une douzaine d'autres pays maîtrisent la technologie spatiale (Brésil, Canada, Israël, Pakistan, Corée, Ukraine, etc.). Il n'est donc pas surprenant que les ingénieurs du JPL aient également développé cette technologie pour les communications spatiales afin de contrôler les sondes spatiales qu'ils ont lancées dans le système solaire.

Aujourd'hui la bande X permet aux astronomes d'effectuer des mesures très précises sur des objets très éloignés, dont la distance peut dépasser des dizaines de millions de kilomètres dans le cas des planètes. De telles antennes sont également capables de recevoir les données des sondes spatiales voyageant aux limites du système solaire dans le cas des sondes Pioneer et Voyager, aujourd'hui pratiquement hors du système solaire, ou carrément des objets du ciel profond lorsqu'ils analysent le rayonnement des quasars situés à plusieurs milliards d'années-lumière...