Brevet FR2677516A1 — publié le 19921211

TERMINAL DE COMMUNICATIONS OPTIQUES La présente invention est relative aux systèmes de communications intersatellites et elle concerne en particulier un terminal de communications embarqué à bord d'un satellite afin d'assurer les liaisons de communications avec un autre satellite. Les systèmes de communications intersatellites à laser présentent un grand intérêt dans la technique spatiale car les lasers produisent une émission à haute puissance raisonnable dans le mode spatial fondamental et un fonctionnement à fréquence unique. Le gain élevé que l'on peut obtenir des antennes aux fréquences optiques permet de réduire le diamètre des antennes de communications tout en permettant une transmission avec des débits de données élevés. Le scénario le plus intéressant actuellement est la liaison interorbite (IOL) dans laquelle un satellite en basse orbite terrestre (LEO) est prévu pour transmettre des données avec un débit élevé (par exemple jusqu'à plusieurs centaines de mégabits par seconde) à un satellite en orbite géosynchrone (GEO) servant de relais de données vers une station terrienne. Le débit des données de la liaison GEO-LEO est beaucoup plus faible, par exemple de l'ordre de plusieurs mégabits par seconde. La portée de la liaison s'étend jusqu'à 45.000 km environ. Afin de soutenir la concurrence avec les systèmes à ondes millimétriques et les systèmes à micro-ondes, les terminaux optiques du satellite LEO doivent avoir une faible masse (inférieure à 50 kg) et être peu coûteux. De plus, il est souhaitable de disposer d'un système de communications dont la masse est commensurable avec la capacité requise pour la liaison, de sorte qu'une réduction du débit de données aille de pair avec une réduction équivalente de la masse et du coût du terminal à bord du satellite. De manière classique, un terminal de système de communications intersatellite à laser comprend un télescope unique d'un diamètre d'environ 25 cm monté avec tous les organes optiques et électroniques sur un banc d'optique orientable sous le contrôle d'un mécanisme de pointage. L'angle d'ouverture d'une antenne de ce genre est d'environ 6 microradian. Pour une divergence du faisceau inférieure à 10 microradian, les exigences de pointage deviennent extrêmement sévères, appelant des matériels et logiciels prohibitivement complexes. Dans la pratique, cela conduit à une limitation du diamètre du télescope à quelque trente centimètres. En conséquence, les dimensions et la masse du terminal optique se trouvent déterminées par le banc d'optique, la structure mécanique, les mécanismes de pointage et les dispositifs électroniques plutôt que par les dimensions de l'antenne optique elle-même.En d'autres mots, on en arrive pratiquement à un terminal optique encombrant et lourd même si la masse du télescope est à peine une fraction de la masse totale du terminal. I1 en résulte qu'une réduction du diamètre du télescope n' entraîne guère de réduction notable du volume et de la masse globale du terminal puisque ceux-ci sont déterminés principalement par les dimensions du banc d'optique et du mécanisme de pointage. On connaît également un terminal optique à large ouverture constitué d'un télescope unique présentant un dôme de très grand diamètre (environ 12 m) avec écran solaire segmenté (Optical Space Communication, Proceedings of the Meeting, Paris, France, April 24-26, 1989). Dans ce terminal, conçu par Jet Propulsion Laboratory (JPL), California Institute of Technology, Pasadena, California, le télescope ne travaille pas dans la limite de diffraction mais comme hotte à photons. Ce terminal convient pour les systèmes de réception uniquement et est destiné aux stations terriennes ou à des satellites en basse orbite terrestre. Son volume et sa masse sont très élevés, ce qui conduit à des moyens de suspension lourds qui rendent le pointage plus malaisé. De plus, un tel terminal demande un contre-terminal à grande ouverture et champ visuel large pour l'acquisition des données, ce qui rend très difficile la réalisation du système optique tout entier. Enfin, ce terminal optique connu présente des capacités de transmission faibles. Un autre terminal optique connu est le dispositif optique à accès multiple (OMA) proposé par British Aerospace. Ce dispositif comprend une plate-forme GEO portant plusieurs têtes optiques comprenant chacune un petit télescope. Chaque télescope est pointé individuellement et chaque tête optique exige donc une boucle de poursuite et un récepteur individuels, ce qui a pour conséquence d'augmenter la masse globale du système. Le fonctionnement individuel des récepteurs limite ainsi le débit de données possible à environ 1 Mbits/seconde pour une puissance transmise moyenne de 175 mW. La présente invention a pour but de réaliser un termi nal de communications optique ayant une grande ouverture effective et capable de transmettre des données avec un débit élevé tout en ayant un encombrement et une masse limités. Pour atteindre cet objectif, l'invention propose un terminal de communications optique comprenant une embase portant plusieurs modules télescopes de faible diamètre et de courte longueur, plusieurs modules télescopes étant alimentés par un module laser distinct travaillant à une fréquence prédéterminée distincte et chaque module laser comprenant un dispositif pour moduler le faisceau laser par un signal de données distinct ou par un même signal de données, lesdits modules télescopes ayant leur extrémité réceptrice connectée à une entrée d'un récepteur de signaux unique, par exemple au moyen de fibres optiques. Au moins un module télescope supplémentaire peut être utilisé comme module d'acquisition et de poursuite pour l'ajustement du pointage de ensemble des modules télescopes. L'invention permet de réaliser des réseaux modulaires comprenant un nombre quelconque de modules que l'on peut disposer avec un grand choix de configurations diverses pour répondre aux besoins spécifiques d'ex- ploitation. Comme tous les modules fonctionnent simultanément, il n'est point besoin de prévoir de transmetteurs redondants car la défaillance d'un transmetteur réduit simplement la puissance émise sans jamais dégrader la liaison. Grâce à l'agencement modulaire selon 1 invention, il est possible de réaliser des terminaux optiques ayant un encombrement notablement plus réduit que les terminaux optiques connus tout en assurant une puissance rayonnée isotropiquement équivalente élevée, ce qui les rend aptes à être embarqués sur différents types de satellites en basse orbite terrestre (satellites utilisateurs). Un terminal optique selon l'invention est également d'un poids réduit car il ne nécessite pas de mécanisme de pointage fin. Cet avantage est particulièrement appréciable pour un satellite en orbite géosynchrone qui ne requiert qu'un faible angle d'ouverture. De plus, la masse réduite d'un terminal optique conforme à l'invention, alliée à la souplesse de montage que confère l'utilisation de fibres optiques pour le guidage des ondes optiques reçues vers les circuits de réception, permet de loger ces circuits à un endroit convenable quelconque à l'intérieur du satellite. Enfin, l'utilisation de fibres optiques permet d'adopter de nouveaux concepts pour les procédures de pointage et de poursuite. L'invention est exposée plus en détails dans ce qui suit à l'aide des dessins joints dans lesquels Les figures 1 et 2 représentent schématiquement deux exemples de réalisation conformes à l'invention. La figure 3 est un schéma simplifié d'un terminal de communications utilisant une plate-forme optique conforme à l'invention dans un système de détection directe. La figure 4 est un schéma simplifié d'un terminal de communications utilisant une plate-forme optique con forme à l'invention dans un système de détection cohérente. La figure 5 illustre schématiquement un sous-système d'acquisition et de pointage pour un terminal conforme à l'invention. Un mode de réalisation exemplaire conforme à l'invention est représenté sur les figures 1 et 2. Le terminal optique illustré à la figure 1 est destiné par exemple à un satellite en orbite géosynchrone; le terminal illustré à la figure 2 est destiné par exemple à un satellite en basse orbite terrestre. Se reportant à la figure 1, un terminal optique selon l'invention comprend une embase 11 dans laquelle sont logés les organes électroniques et/ou opto-électroniques, et sur cette embase 11 sont montés un ensemble de modules télescopes 12 de faible diamètre et de courte longueur, par exemple des télescopes de 10 cm de diamètre et 30 cm de longueur. Les télescopes 12 forment un ensemble modulaire dont le nombre de modules et leur disposition peuvent être choisis à volonté en fonction des besoins d'exploitation. La figure 1 montre une embase portant dix-neuf modules télescopes : dix-huit d'entre eux peuvent par exemple servir de modules de transmission/réception de données (modules XR) et un module peut par exemple servir de module d'acquisition et de poursuite (module AT). L'ensemble de ces modules correspond à un objectif ayant une ouverture de 50 cm de diamètre. Le terminal optique représenté sur la figure 2 est semblable à celui de la figure 1 sauf que l'embase 11 porte ici quatre modules télescopes 12 : trois modules XR peuvent par exemple servir de modules de transmission/réception de données et un module AT peut par exemple servir de module d'acquisition et de poursuite. Chaque module télescope 12 travaille dans la limite de diffraction à une longueur d'onde wl en mode transmission et/ou à une longueur d'onde w2 en mode réception. En mode transmission, chaque module XR est alimenté par des signaux produits par un module laser distinct travaillant à une fréquence prédéterminée distincte (voir figure 3). Chaque module laser 13 comprend un générateur laser et un dispositif (connu en soi) pour moduler le faisceau laser par des signaux de données. Lorsque le terminal est utilisé dans un système de détection directe, les signaux de données sont générés par une source de données unique 14. La largeur des faisceaux superposés est déterminée par la divergence des modules télescopes 12. Par rapport à la divergence d'un télescope unique de grand diamètre D, la divergence du réseau de modules télescopes 12 de diamètre d est accrue par un facteur D/d. Il en résulte que le pointage du terminal optique est considérablement facilité. Les modules télescopes ne doivent par conséquent comporter aucun mécanisme d'ajustement. En mode réception, les signaux reçus par les modules télescopes XR sont additionnés et appliqués à un récepteur unique 15. Dans un mode d'exécution particulier, l'extrémité réceptrice de chaque module XR est couplé à une fibre optique pour acheminer les ondes reçues vers le récepteur 15 et celui-ci peut consister en un simple photodêtecteur pour un canal de données. Bien entendu, lorsque plusieurs canaux de données sont exploités, il y a lieu d'utiliser un dispositif de démultiplexage classique et plusieurs photodétecteurs. Dans le cas d'un système de détection cohérente, une source de données 14 distincte est connectée à chaque module laser 13 comme illustré schématiquement à la figure 4. A l'extrémité réceptrice, les sorties des différents modules XR sont connectées à un dispositif d'ajustement des fronts d'ondes (dispositif connu en soi) de manière à produire un faisceau unique à diffraction limitée. Le récepteur commun 15 doit alors, outre un photodétecteur, comprendre un dispositif de démultiplexage électrique 16 à fréquence intermédiaire. A noter que, dans ce cas, le terminal ne doit comporter aucun dispositif de démultiplexage de polarisation optique car le démultiplexage se fait dans le soussystème électrique à fréquence intermédiaire. Afin d'assurer un fonctionnement convenable du récepteur 15 et une extraction du signal utile sans distorsion, il est préférable que les différents modules laser 13 travaillent à des fréquences qui soient suffisamment séparées les unes des autres, évitant ainsi les produits d'interférence. Le module AT est équipé des senseurs nécessaires pour mesurer l'angle d'incidence de la lumière reçue afin de fournir les informations requises pour le pointage de la plate-forme du terminal. La figure 5 illustre schématiquement un sous-système d'acquisition et de pointage dans un terminal conforme à l'invention. Sur le dessin on voit un module AT, identifié par le signe de référence 21, disposé entre deux modules de communications XR. Le module 21 concentre les rayons optiques reçus R sur un détecteur de position 22, par exemple un détecteur à couplage de charges bien connu de l'homme du métier. Le détecteur 22 produit deux signaux X et Y (un signal pour chacune des deux directions x et y) représentant l'angle d'inclinaison des rayons incidents R par rapport à l'axe P du module AT. Les signaux X et Y sont appliqués à une unité de commande 23 qui fait partie de l'équipement électronique 24 et calcule les couples devant être appliqués à la partie mobile du terminal pour corriger 11 erreur de pointage. L'unité de commande 23 envoie les signaux de commande nécessaires aux moteurs 2 servant à mouvoir la partie mobile précitée. Si le centre de gravité (COG) et le centre de rotation (COR) coincident, la perturbation en couple exercée par la plate-forme 26 du satellite sur la partie mobile du terminal est faible. L'inertie de cette partie mobile amortit les perturbations en couple. Des moteurs rapides à faible couple peuvent ainsi être utilisés pour corriger les erreurs de pointage résiduelles. Un module AT suffit par terminal pour le pointage, mais des modules AT supplémentaires peuvent être prévus à des fins de redondance. Ces modules supplémentaires permettent d'effectuer des mesures visant à compenser les erreurs de pointage, de préférence par un traitement électronique de l'image. Dans un mode de réalisation exemplaire, les platesformes optiques conformes à l'invention comprennent les modules suivants A. Terminal GEO - 18 modules XR de 10 cm de diamètre travaillant à la longueur d'onde de 1060 nm en réception (liai son retour) et à la longueur d'onde de 800 nm en émission (liaison aller); - 1 module AT de 10 cm de diamètre travaillant à la longueur d'onde de 1060 nm en réception. B. Terminal LEO (utilisateur) - 3 modules XR de 10 cm de diamètre travaillant à la longueur d'onde de 1060 nm en émission et à la longueur d'onde de 800 nm en réception; - 1 module AT de 10 cm de diamètre travaillant à la longueur d'onde de 800 nm en réception. Avec une puissance de 150 mW à la sortie de chaque module laser dans chaque terminal LEO, il est possible d'obtenir un débit de données de plus de 200 Mbits/ seconde, et cela avec des plates-formes optiques pesant moins de 50 kg et d'encombrement réduit. Afin de permettre une meilleure base de comparaison avec des plates-formes optiques de type connu, on peut définir un "facteur de mérite" (mf) comme étant le rapport entre la section utile du télescope et le volume de la plate-forme. Avec des modules de 10 cm de diamètre, une plate-forme selon l'invention présente un facteur de mérite mf > 2 en permettant une transmission de données avec un débit de plus de 200 Mbits/ seconde comme indiqué plus haut. Ces performances sont à comparer avec un facteur de mérite de 0,4 et un débit de données de 1 Mbits/seconde par tête optique dans un dispositif connu OMA tel que décrit précédem ment. Les modes de réalisation de l'invention décrits dans ce qui précède sont des exemples donnés à titre illustratif et l'invention n'est nullement limitée à ces exemples. Toute modification, toute variante et tout agencement équivalent doivent être considérés comme compris dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Terminal de communications optique, caractérisé ce qutil comprend une embase (11), un ensemble de modules télescopes (12) montés sur l'embase de manière à s'étendre parallèlement l'un à 1' autre, plusieurs modules dudit ensemble de modules télescopes étant agencés pour fonctionner comme modules de transmission/réception (XR), chacun de ces modules étant connecté pour être alimenté par un module laser (13) distinct agencé pour fonctionner à une fréquence pré- déterminée distincte, chaque module laser (13) comprenant un générateur laser et un dispositif pour moduler le faisceau laser produit par le générateur laser par un signal de données, l'extrémité réceptrice des modules de transmission/réception (XR) étant agencée pour être connectée à un récepteur de signaux (15), au moins un module dudit ensemble de modules télescopes (12) pouvant être agencé pour fonctionner comme module d'acquisition et de poursuite (AT) à une fréquence prédéterminée pour l'ajustement du pointage de l'ensemble de modules (12) précité. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé ce que les modulateurs de tous les modules laser (13) sont connectés à une source de signaux de données unique. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur de chacun des modules laser (13) est connecté à une source de signaux de données distincte. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé ce que les extrémités réceptrices des modules de transmission/réception (XR) sont connectées à un dispositif pour régler la phase des fronts des ondes re çues et produire un faisceau unique à diffraction limitée1 la sortie du dispositif de réglage de phase étant connectée à l'entrée d'un récepteur opto-électronique (15), et en ce qu' un dispositif démultiplexeur (16) est prévu pour démultiplexer les signaux de données portés par les signaux reçus. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sorties réceptrices des modules télescopes (12) sont connectées pour délivrer les signaux reçus dans des fibres optiques.