Brevet FR2714778A1 — publié le 19950707

L'invention concerne la transmission de signaux entre une station au sol et un véhicule spatial en orbite géostationnaire. Ainsi qu'on le sait, il existe de nombreux satellites stabilisés sur une orbite choisie en sorte que ces satellites restent constamment à la verticale d'une zone du sol. Les satellites sont désignés sous l'appellation abrégée de satellites géostationnaires. Ces satellites géostationnaires ont le plus souvent des missions d'observation ou de télécommunications. Pour le bon déroulement de leurs missions, ces satellites géostationnaires échangent des signaux avec le sol. De tels satellites géostationnaires sont parfois remplacés par des groupes de petits satellites dont l'un sert de relais aux autres, ainsi que cela est par exemple décrit dans le document FR-2.539.102. Toutefois, compte tenu du grand nombre de satellites géostationnaires et du fait que ceux-ci se trouvent, pour rester géostationnaires, sur une seule et même orbite (orbite équatoriale à 36.000 km d'attitude), des règles internationales très strictes ont été édictées concernant notamment à la fois leur positionnement et les modalités de transmission sol-satellite. En particulier, ces règles allouent des fréquences différentes pour la transmis- sion des informations montantes (depuis le sol vers le satellite) et descendantes (depuis le satellite vers le sol); ceci vise principalement à éviter des perturbations liées à l'effet LARSEN. Ces règles internationales sont regroupées au sein du Règlement des Radiocommunications qui, faisant partie d'un traité international, a force de loi pour tous les membres de l'Union Internationale des Télécommunications, dont notamment la France. Les bandes de fréquences allouées aux opérateurs de satellites ont d'abord été choisies dans les "basses" fréquences, c'est-à-dire dans la bande C (typiquement 4 - 6 GHz). Après saturation de cette bande, les bandes de fréquen- ces allouées ont été choisies dans des bandes de plus en plus élevées (notamment bande Ku (au delà de 12 GHz), voire Ka (de 20 à 30 GHz). L'une des contraintes découlant de l'augmentation (en valeur) des fréquences allouées est que, plus la fré- quence utilisée est élevée, plus la puissance d'émission doit être élevée (notamment en raison de l'absorption par l'atmos- phère) et plus la technologie nécessaire est sophistiquée et coûteuse. En règle générale, chaque satellite se voit allouer un emplacement sur l'orbite ("slot" en anglais) défini avec une précision angulaire (vue du sol) de 0,1 (ce qui correspond à un parallélépipède de 180 km de long et de 80 km x 80 km de section) ainsi que deux fréquences, distinctes de celles allouées aux emplacements voisins, et distinctes entre elles pour assurer l'indépendance entre montée et descente. Ces fréquences sont allouées par bandes de 250 MHz de large mais, les gammes de fréquences disponi- bles étant finies et les nombres de signaux susceptibles d'être transmis dans une bande ainsi que les capacités de multiplexage étant limitées, l'étroitesse des bandes allouées n'a pu empêcher la saturation et le besoin d'aller vers des fréquences de plus en plus élevées. L'invention a pour objet de rendre possible sans risque d'interférences, l'utilisation de la même fréquence à la montée et à la descente, et de rendre ainsi à nouveau disponibles des bandes de fréquences parmi les "basses" fréquences, notamment mais pas nécessairement dans la bande C, et de permettre ainsi de faire face aux besoins de plus en plus importants en fréquences disponibles. L'invention propose ainsi un procédé pour échanger des informations entre une station au sol et un satellite en orbite géostationnaire, selon lequel on émet à partir de la station au sol des signaux d'information destines au satellite et on reçoit en la station au sol des signaux d'information en provenance de ce satellite, caracté- risé en ce que les signaux destinés au satellite et les signaux en provenance de ce satellite contiennent une même première fréquence porteuse, les signaux destinés au satel- lite étant émis vers un satellite intermédiaire décalé angulairement vis à vis du satellite en orbite géostation- naire, ce satellite intermédiaire retransmettant latéralement lesdits signaux au satellite sur une seconde fréquence porteuse différente de la première fréquence porteuse. Selon des dispositions préférées: - la seconde fréquence porteuse est supérieure à cette première fréquence porteuse, - cette seconde fréquence porteuse est au moins égale à 30 GHz, - lesdits signaux émis vers le satellite intermédiaire sont reçus en parallèle avec d'autres signaux émis à cette première fréquence porteuse par d'autres stations au sol, et les signaux retransmis vers le satellite en orbite géosta- tionnaire à une seconde fréquence porteuse sont obtenus par multiplexage des signaux reçus de ladite station au sol et des autres stations au sol, ces signaux retransmis étant démultiplexés après réception par le satellite en orbite géostationnaire, - le satellite intermédiaire est décalé du satellite en orbite géostationnaire d'un angle au moins égal à 2 degrés, - le décalage angulaire est au moins égal à 10 degrés, - ce satellite intermédiaire est également sur cette orbite géostationnaire. L'invention propose également un système de transmission d'informations entre une station au sol et un satellite en orbite géostationnaire, la station au sol comportant un dispositif d'émission au sol et un dispositif de réception au sol, et le satellite comportant un dispositif embarqué de réception et un dispositif embarqué d'émission, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, sur un satellite intermédiaire décalé angulairement vis à vis dudit satellite en orbite géostationnaire, un dispositif intermédiaire de réception et un dispositif intermédiaire d'émission, ledit dispositif d'émission au sol et ledit dispositif intermé- diaire de réception étant pointés l'un vers l'autre et accordés sur une première fréquence porteuse, ledit disposi- tif intermédiaire d'émission et ledit dispositif embarqué de réception étant pointés latéralement l'un vers l'autre et accordés sur une seconde fréquence porteuse, ledit dispositif embarqué d'émission et le dispositif de réception au sol étant pointés l'un vers l'autre et accordés sur la première fréquence porteuse. Selon des dispositions préférées: - la seconde fréquence porteuse est supérieure à cette première fréquence porteuse, - cette seconde fréquence porteuse est au moins égale à 30 GHz, - le dispositif d'émission au sol et le dispositif de réception au sol ont un écart de pointage au moins égal à 2 degrés, - cet écart de dépointage est au moins égal à 10 degrés, - ledit dispositif intermédiaire de réception et ledit dispositif intermédiaire d'émission comportent conjointement une antenne de réception à sorties multiples, un étage de réception, un étage amplificateur, un étage de multiplexage et d'émission et une antenne d'émission à entrée unique, et ledit dispositif embarqué de réception et le dispositif embarqué d'émission comportent conjointement une antenne de5 réception à sortie unique, un étage de démultiplexage, un étage de réception, un étage amplificateur, un étage d'émis- sion et une antenne d'émission à entrées multiples, - le satellite intermédiaire est sur l'orbite géostation- naire, ledit dispositif intermédiaire d'émission et ledit dispositif embarqué de réception étant pointés l'un vers l'autre dans le plan de l'orbite géostationnaire. On appréciera que l'invention a su tirer profit de ce qu'en fait il reste sur l'orbite géostationnaire des emplacements libres, peu recherchés car n'étant pas à la verticale de zones intéressantes (par exemple au dessus d'océans) et qu'il est donc facile de trouver, pour chaque emplacement utile o l'on veut positionner un satellite en vue d'une bonne couverture géographique en informations descendantes, un emplacement secondaire, sensiblement à l'écart de cet emplacement utile, pour réaliser la circula- tion triangulaire d'informations indiquée ci-dessus. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'une installation de communications conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma de principe de l'ensemble d'émission-réception du satellite intermédiaire de la figure 1, et - la figure 3 est un schéma de principe de l'ensemble d'émission-réception du satellite principal de la figure 1. La figure 1 représente une station au sol schématisée en 1, un satellite géostationnaire (c'est-à-dire sur une orbite géostationnaire G) schématisé en 2 sensible- ment à la verticale de cette station (en pratique sensible- ment à la même longitude) et assurant une couverture d'une zone du sol, schématisée en 100, incluant en pratique cette station 1, et un satellite intermédiaire 3 situé à distance5 du satellite 2, de préférence mais pas nécessairement sur ladite orbite G. On appelle a l'angle formé entre les direc- tions 1-2 et 1-3. La station au sol 1 comporte un dispositif d'émission schématisé en 1A et adapté à émettre selon la direction E des signaux montants vers le satellite 3, et un dispositif de réception schématisé en lB et adapté à recevoir selon la direction R des signaux descendants provenant du satellite géostationnaire 2. Le satellite intermédiaire 3 comporte un disposi- tif de réception schématisé en 3A et adapté à recevoir selon la direction E les signaux montants en provenance de la station au sol 1 et un dispositif d'émission schématisé en 3B et adapté à émettre latéralement, selon la direction L, des signaux latéraux vers le satellite principal 2. Ce satellite géostationnaire principal 2 comporte un dispositif de réception schématisé en 2A, adapté à recevoir latéralement, selon la direction L, les signaux latéraux en provenance du satellite intermédiaire 2, et un dispositif d'émission schématisé en 2B adapté à transmettre, notamment vers la station au sol 1, des signaux descendants. Les signaux montant selon la direction E et descendant selon la direction R sont émis sur une même fréquence porteuse (ou centrale) Fo tandis que les signaux latéraux circulant selon la direction L sont émis sur une fréquence porteuse distincte F1. La fréquence Fo est choisie la plus faible possible en sorte de requérir, pour une bonne liaison 1-3 ou 2-1, une puissance émise la plus faible possible; cette fréquence Fo est de préférence choisie dans les bandes C, voire Ku; cette fréquence est située dans la bande o l'on constate actuellement une pénurie de fréquences disponibles. L'écart angulaire a entre les directions E et R doit être suffisant pour permettre une discrimination suffisante, au niveau de la station, entre les faisceaux émis et reçus. Bien entendu cet écart angulaire doit être d'autant5 plus important que l'ouverture des antennes au sol est grande (c'est-à-dire que leur diamètre est petit). A titre d'exemple, pour des antennes au sol de seulement 1 m de diamètre (cas pire) et une fréquence allant jusqu'a 12 GHz (cas pire), l'ouverture des antennes au sol est inférieure ou égale à 1,75 ; il suffit alors de choisir pour a une valeur supérieure à 10 pour obtenir une bonne discrimination (bon isolement des faisceaux montants et descendants) même avec des antennes au sol pas trop sophisti- quées. Pour faciliter la discrimination au sol entre émission et réception, et ainsi permettre des valeurs plus faibles de a, on peut appliquer des polarisations différentes (droite ou gauche) aux signaux montants (en 1A) et descen- dants (en 2B). Des valeurs de quelques degrés peuvent alors suffire pour a. Par contre, la fréquence F1 à laquelle communi- quent les satellites 2 et 3 peut être bien plus élevée (il n'y a plus d'absorption par une atmosphérique nécessitant une grande puissance émise), choisie dans une gamme de fréquences o il n'y a pas pénurie de fréquences disponibles (par exemple de 30 à 50 GHz). Les satellites 2 et 3 sont décrits plus en détail, quoique de façon schématique, aux figures 2 et 3. Il est tout d'abord précisé que les dispositifs d'émission et de réception au sol sont de tout type connu approprié. Ces satellites 2 et 3 sont ici décrits dans le cas o ils assurent chacun, sur une même fréquence porteuse, une transmission multiplexée de signaux avec huit zones de sol distinctes et adjacentes (donc avec huit stations au sol). Le satellite intermédiaire 3 de la figure 2 comporte une antenne de réception 30 (faisant partie du dispositif de réception 3A) et comportant huit antennes élémentaires 31 adaptées à recevoir chacune des faisceaux différents de 1 à 2 environ d'ouverture. Cette antenne fournit ainsi huit sorties, lesquelles sont appliquées à l'entrée de huit canaux parallè- les. Chaque canal comporte en entrée un étage de décodage 32 comportant un filtre d'entrée noté 32A puis un circuit récepteur radiofréquence noté 32B. La sortie de l'étage de décodage est appliquée à un ensemble de commutation noté 33. Il y a ensuite un étage haute puissance 34 formé de sous-étages notés 34A et 34B. La sortie de l'étage haute puissance 34 est appliquée à un ensemble de commutation noté 35. Il y a ensuite un étage de multiplexage et d'émission 36 dont la sortie est appliquée à une antenne d'émission 37 à entrée unique. Les canaux sont à large bande (250 MHz à 500 MHz; sans sélection à l'échelle des canaux élémentaires supérieure à 6 MHz). Il y a huit chaînes avec redondance: 1/2 dans la partie réception (étage de décodage), et 8/12 en anneau pour la partie amplification et haute puissance (étage haute puissance). A titre d'exemple: - la puissance d'amplification est de 5 W (TWTA), - la fréquence de réception Fo est de 12 GHz (gamme UF) - la fréquence de sortie Fi est de 30 GHz - le gain G/T est de + 7 dB/K - le rapport signal sur bruit E/RP vaut + 41 dBw l'ouverture du faisceau de l'antenne d'émission est de 2 à 3 environ l'antenne d'émission a un diamètre de 40 cm Le bilan de masse et de puissance est indiqué au tableau I. La plate-forme stabilisée 3-axes formant ce satellite 3 est par exemple de type ARABSAT I avec un panneau par aile, soit une masse au lancement de 1200 kg pour une masse sèche de 600 kh environ; l'antenne de réception est par exemple montée sur la faxe +X, c'est-à-dire sur la face perpendiculaire à l'axe de roulis à l'opposé du moteur d'apogée.10 Les autres équipements du satellite stabilisé 3- axes sont de tout type connu approprié et ne seront pas ici décrits plus avant. La figure 3 représente les dispositifs d'émis- sion-réception du satellite 2. Ce satellite comporte une antenne de réception 20 dont la sortie aboutit à un étage de démultiplexage 21 dont les sorties sont chacune appliquée à un étage de décodage 22 comportant un filtre d'entrée 22 A, un circuit récepteur 22B et un filtre noté 22C. Il y a ensuite un étage 23 puis un étage d'ampli- fication 24 et enfin un étage 25. Les signaux de sortie de cet étage 25 sont appliqués à des filtres 26 puis appliqués à huit antennes élémentaires d'émission 27 faisant partie d'une antenne de sortie 28. Les faisceaux de sortie sont par exemple consti- tués de signaux correspondant à un ensemble de canaux (par exemple avec des modulations pour une couverture TV selon des multiples de 27 MHz). La fréquence de sortie vaut comme précédemment 12 GHz. L'antenne de réception est accordée sur la fréquence F1 précitée (ici entre 30 et 50 GHz; par exemple GHz) et a une sortie large bande et une ouverture de faisceau de 2 à 3 environ. L'étage de réception a une large bande couvrant l'ensemble des canaux que le satellite doit émettre. La sélection des canaux est assurée par l'étage de démultiplexa- ge. Les amplificateurs de puissance sont ici de type IWTA 40 W, assembles en anneaux de redondance. Il y a multiplexage des canaux par faisceau. L'antenne d'émission émet huit faisceaux d'envi- ron 2 d'ouverture. A titre d'exemple, le rapport E/RP vaut 50 dBw pour la fréquence Fo de 12 GHz. Le bilan de masse et de puissance est indiqué au tableau II. En variante de réalisation, on peut prévoir une configuration en "grappe", c'est-à-dire avec plusieurs satellites intermédiaires pour un satellite principal. Les dispositifs d'émission/réception d'un satellite d'une telle grappe peuvent être très simples, avec: - une antenne de réception à une sortie une antenne d'émission à une entrée - une chaîne unique entre ces antennes, comprenant comme précédemment un filtre d'entrée, un récepteur, un amplifica- teur, un TWTA, et un émetteur. A titre d'exemple: - la fréquence montante est de 14 GHz (ou 17 GHz, en varian- te) - la fréquence réémise vers le satellite central est de 30 GHz - la transmission se fait dans une large bande (250 MHz) sans séparation en canaux (transparent) - l'antenne de réception, fixe, a un diamètre de 50 cm - l'antenne d'émission, fixe, a un diamètre de 30 cm. Le tableau III donne les bilans de masse et de puissance pour une telle configuration en masse. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. Les satellites intermédiaires n'ont a priori pas besoin de satisfaire aux mêmes exigences en contrôle d'orbite et d'attitude que le satellite principal. Toutefois, en variante, ces satellites peuvent avoir leurs missions propres, d'o un possible fonctionnement croisé o chacun de deux satellites sert d'intermédiaires pour l'autre, avec deux fréquences basses, et deux fréquences intermédiaires.10 La liaison entre satellites peut se faire par tout mode connu approprié (radiofréquence, voire optique notamment). co I nVqi8vL C zo rIVLo1l Z tb ' 8 l % 0Q 61eW 0o9z 9'9L aITqln 96.eqD IVloL _ (ZHD 0ú) uoTsstw, GuualuV -_ 001 (ZHD ZL) uoTqdaDoaauueluv 0oZ 9'9L naad, 'Loi 9 S L'O _ o0 sanaldniaui -_ - _ v 'O 8 O) sinaxaldTInW 09L 0oz Oú S'Z ZL VMI 87 9 9 5'O ZL snaWDTTldwv ZL 6 Z ' SL 91 - 9'L Z'0 9 g14ua1p GjjTTA _ _ 9 q Z ' O 8 ag:qua,P aqIT M M 6 6 aleo4L a.TpquawG? alo aiT2quawGII a:qwON sueTTl aoDUesSTndaUSTnf aGsse aSs Bilans Masse Unitaire Masse totale Puissance Puissance 8 faisceaux x 16 canaux Nombre Unitaire Totale kg kg W W Filtre d'entrée 8 0,2 1,6 - - Récepteurs 16 1,5 24 9 72 Démultiplexeur 8x16 0,4 48 - - Amplificateurs 8x20 0,4 64 5 640 IWTA (40 W) 8x20 4 640 80 1024 Interrupteurs 336 0,125 42 - - Câblage RF 60 - TOTAL Répéteur 880 Antenne réception 5 Antenne émission 120 - TOTAL 1005 10950 TABLEAU II ----------s sJi Co III nVH'I jf7 UOTSSTwa,p auualuv s uoTqdaojG ap quuaquv S 'Sú L'ZL naqgdau,ol S'O 'O L oIos ap aaqlT& OZ 8 VLM I 9 L 1Zf T Tnale TdwV 6 ú Zndac L ' O a94aua, p aI& M 6j lvqo, qDuessTndaleoqI asseW iaqwoN uI REVENDICATIONS 1. Procédé pour échanger des informations entre une station au sol (1) et un satellite en orbite géostation- naire (2), selon lequel on émet à partir de la station au sol5 des signaux d'information destinés au satellite et on reçoit en la station au sol des signaux d'information en provenance de ce satellite, caractérisé en ce que les signaux destinés au satellite et les signaux en provenance de ce satellite contiennent une même première fréquence porteuse, les signaux destinés au satellite étant émis vers un satellite intermé- diaire (3) décalé angulairement vis à vis du satellite en orbite géostationnaire, ce satellite intermédiaire retrans- mettant latéralement lesdits signaux au satellite sur une seconde fréquence porteuse différente de la première fré- quence porteuse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde fréquence porteuse est supérieure à cette première fréquence porteuse. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette seconde fréquence porteuse est au moins égale à 30 GHz. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits signaux émis vers le satellite intermédiaire sont reçus en parallèle avec d'autres signaux émis à cette première fréquence porteuse par d'autres stations au sol, et les signaux retransmis vers le satellite en orbite géostationnaire a une seconde fréquence porteuse sont obtenus par multiplexage des signaux reçus de ladite station au sol et des autres stations au sol, ces signaux retransmis étant démultiplexés après réception par le satellite en orbite géostationnaire. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le satellite intermédiaire (3) est décalé du satellite (2) en orbite géostationnaire d'un angle au moins égal à 2 degrés. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ce décalage angulaire est au moins égal à 10 degrés. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que ce satellite intermédiaire est également sur cette orbite géostationnaire. 8. Système de transmission d'informations entre une station au sol et un satellite (2) en orbite géostation- naire, la station au sol comportant un dispositif d'émission au sol (1A) et un dispositif de réception au sol (lB), et le satellite (2) comportant un dispositif embarqué de réception (2A) et un dispositif embarqué d'émission (2B), caractérisé en ce qu'il comporte en outre, sur un satellite intermédiaire (3) décalé angulairement vis à vis dudit satellite en orbite géostationnaire, un dispositif intermédiaire de réception (3A) et un dispositif intermédiaire d'émission (3B), ledit dispositif d'émission au sol (lB) et ledit dispositif intermédiaire de réception (3A) étant pointés l'un vers l'autre et accordés sur une première fréquence porteuse, ledit dispositif intermédiaire d'émission (3B) et ledit dispositif embarqué de réception (2A) étant pointés latérale- ment l'un vers l'autre et accordés sur une seconde fréquence porteuse, ledit dispositif embarqué d'émission (2B) et le dispositif de réception au sol (lB) étant pointés l'un vers l'autre et accordés sur la première fréquence porteuse. 9. Système de transmission selon la revendication 8, caractérisé en ce que la seconde fréquence porteuse est supérieure à cette première fréquence porteuse. 10. Système de transmission selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce que cette seconde fréquence porteuse est au moins égale à 30 GHz. 11. Système de transmission selon l'une quelcon- que des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le dispositif d'émission au sol et le dispositif de réception au sol ont un écart de pointage au moins égal à 2 degrés. 12. Système de transmission selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que cet écart de dépointage est au moins égal à 10 degrés. 13. Système de transmission selon l'une quelcon- que des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que ledit dispositif intermédiaire de réception et ledit dispositif5 intermédiaire d'émission comportent conjointement une antenne de réception à sorties multiples (30), un étage de réception (32), un étage amplificateur (34), un étage de multiplexage et d'émission (36) et une antenne d'émission à entrée unique, et ledit dispositif embarqué de réception et le dispositif10 embarqué d'émission comportent conjointement une antenne de réception à sortie unique, un étage de démultiplexage (21), un étage de réception (22), un étage amplificateur (24), un étage d'émission et une antenne d'émission à entrées multi- ples. 14. Système de transmission selon l'une quelcon- que des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le satellite intermédiaire est sur l'orbite géostationnaire, ledit dispositif intermédiaire d'émission et ledit dispositif embarqué de réception étant pointés l'un vers l'autre dans le plan de l'orbite géostationnaire.