Brevet FR2761216A1 — publié le 19980925

TRMtNAt DE TEL0MMUNTATT0N OPTIOUE La présente invention porte sur un terminal de télécomnunication optique destiné à émettre et/ou à recevoir des communications codées sur un rayon lumineux transmis à travers l'espace. L'invention tire son origine de la conception d'un terminal exploitable sur un satellite placé en orbite terrestre et ayant pour but de cornmuniquer avec un autre satellite. Cependant, elle peut aussi être exploitée sur des véhicules spatiaux non orbitaux, sur des aéronefs ou à des stations au sol. Dans la présente demande de brevet, les termes 1lumière" et 'optique1 sont employés dans un sens qui ne se limite pas au rayonnement visible et qui englobe également les rayons infra-rouges et ultra-violets. Certains terminaux de communication optique sont équipés d'un seul télescope chargé d'émettre et de recevoir des signaux. Dans un tel dispositif, il est nécessaire d'isoler du signal transmis les composant récepteurs montés dans le terninal. Ceci peut être obtenu en émettant sur une longueur d'ondes et en recevant sur une autre longueur dindes, ainsi qu'en montant un filtre destiné à séparer les signaux reçus des signaux émis. Cependant, le récepteur doit être très sensible, et réagir typiquement à des nanowatts de puissance, de telle sorte qu'il peut être difficile de l'isoler parfaitement du signal émis, lequel peut typiquement avoir une puissance de l'ordre d'un watt. Un autre désavantage du dispositif à un seul télescope est que l'utilisation pour l'émission d'une longueur d'ondes autre que celle utilisée pour la réception, implique que seule la moitié du spectre disponible peut être exploitée pour chacune des fonctions. Ces problèmes sont évités si l'on utilise deux télescopes, l'un pour l'émission, l'autre pour la réception. I1 est normal que l'ouverture du télescope de réception soit plus grande que celle du télescope d'émission, car le signal reçu est faible, ce qui fait qu'il est impératif qu'un maximum d'énergie soit recueilli grâce à unc grande ouverture. Normalement, les dispositifs à deux télescopes sont équipés de telle ou telle forme de système mécanique d'alignement, grâce auquel ils peuvent être réglés de manière à être orientés grosso modo dans la direction du terminal à distance, ainsi que d'un mécanisme de visée raffiné, consistant en un miroir servant a infléchir les axes optiques des deux télescopes à l'unisson. Chacun des terminaux est également équipé d'une source lumineuse ou balise"; d'un moyen de détection de la direction de la balise d'émission d'un terminal à distance, et d'un moyen permettant d'aligner ces axes optiques d'émission et de réception sur l'orientation ainsi décelée du terminal à distance. Le signal lumineux de la balise est émis par le petit télescope. Opéra- tion qui prend ainsi la forme d'une émission de signaux de communication, et est reçu par le grand télescope, opération qui prend la forme d'une réception de signaux de communication, pour la même raison que celle indiquée en ce qui concerne les signaux de communication. L'un des problèmes que posent les dispositifs connus tels que ci-dessus décrits est que toute erreur d'alignement des télescopes aboutit à une dégradation de la précision du pointage, et donc à une dégradation du bilan de liaison du système. L'invention est caractérisée par un terminal de télécommunication comprenant : un premier télescope destiné à émettre un rayon lumineux modulé par un signal de communication ; un deuxième télescope destiné à recevoir un rayon lumineux lui aussi modulé par un signal de communication ; un moyen de transmission de la lumière par balise, permettant au terminal d'être observé par un terminal analogue à distance ; et un détecteur destiné à déceler le rayon lumineux émanant du terminal à distance et par conséquent son orientation ; et est caractérisée en ce que le détecteur est raccordé de manière à recevoir la lumière par le premier télescope. Le détecteur recevant la lumière par le même télescope que celui qui est utilisé pour émettre les signaux de communication, il est ainsi probable que la précision du repérage et le bilan de liaison du système se trouvent radicalement améliorés. Le deuxième télescope, qui sert à recevoir les signaux de communication, peut être légèrement décalé dans son alignement par rapport au terminal à distance, ceci n'étant cependant pas d'une importance aussi cruciale car le deuxième télescope peut être conçu afin de recevoir de l'énergie sur un vaste éventail de directions. En consequence, un léger défaut d'alignement du deuxième télescope par rapport à l'orientation du terminal à distance ne l'empêche pas de recevoir les signaux émis par le terminal à distance. De préférence, ce deuxième télescope comporte une ouverture plus large que celle du premier télescope de manière à pouvoir recueillir autant d'énergie que possible ; toutefois, par sa fabrication, ses tolérances dimensionnelles sont moins précises que celles du premier télescope et il est par conséquent beaucoup plus simple à fabriquer. I1 est préférable que le terminal soit conçu de manière a fonctionner tout d'abord en phase d'acquisition, puis en phase de poursuite et de communication. Dans un tel dispositif, il est préférable de prévoir un moyen par lequel le terminal puisse être réglé de façon à fonctionner comme un terminal maître ou comme un terminal esclave. Lorsqu'vil sert de terminal maître, un rayon lumineux émanant de la balise balaie un champ de vision (suffisamment vaste pour englober toutes les positions possibles d'un terminal à distance) jusqu'à ce qu'il reçoive un signal d'accrochage, ce qui indique que le terminal à distance a décelé le rayon ainsi que sa direction. Le terminal est alors mis en phase de poursuite et de communication, moment auquel la phase de balayage est interrompue. Lorsqu'il est exploité en mode esclave, le terminal attend de recevoir la lumière émanant de la balise de balayage du terminal maître. Lorsque le détecteur décèle cette lumière, son signal est exploité afin d'aligner les axes optiques sur la direction du terminal maître. Le terminal passe alors en phase de poursuite et de communication, et un signal d'accrochage est envoyé au terminal maître. Pendant la phase de poursuite et de communication, le dispositif de balise monté dans chacun des terminaux transmet de préférence un rayon de poursuite au terminal de distance, et oriente ses axes optiques de manière à les alimenter sur le rayon de poursuite émis par le terminal a distance. Le rayon de poursuite est de préférence engendré par une source lumineuse distincte de la balise d'acquisition. La mise en marche de cette balise de poursuite peut commodément servir de signal d'accrochage tel que precédemment évoqué. L'une des caractéristiques de l'invention est maintenant décrite ci-dessous sous la forme d'un exemple, au titre duquel on se référera aux dessins en annexe, où - la figure 1 illustre deux satellites dont chacun est en orbite autour de la terre, et qui sont porteurs de terminaux de communication optique identiques de structure conforme à l'invention, et illustre par ailleurs en A, B et C la façon dont un terminal se verrouille dans la direction où se trouve l'autre terminal ; et - la Figure 2 illustre schématiquement l'un des terminaux optiques. En figure 1 tout d'abord, deux satellites, S1 et S2 en orbite autour de la terre E, sont illustrés. Ces satellites peuvent chacun être en orbite basse au-dessus de la terre, ou en orbite géostationnaire, ou encore l'un d'entre eux peut être en orbite basse et l'autre en orbite géostationnaire : ce point n'est pas important car l'invention est applicable quelle que soit la disposition des satellites, ou même des engins spatiaux non-orbitaux, voire même à des terminaux de téleconanunication à terre. En Figure 1, chacun des satellites est présenté comme équipé d'un terminal de communication radio, grâce auquel il communique avec une station correspondante au sol, G1 ou G2. Chacun des satellites comporte un certain nombre de terminaux de communication optique, illustrés en OT1 et OT2, grâce auxquels il communique avec d'autres satellites, par des voies de communication optique dans l'espace libre, telles que celles illustrées par P en figure 1C. DESCRIPTION DU TERMINAL OPTIQUE Le terminal optique illustré en figure 2 comprend un module de commande électronique 1, un ensemble laser de communication 2 comportant un côté émetteur TX et un coté récepteur RX, un ensemble optique 3, un mécanisme de pointage 4 et un dispositif de balise 5, équipé des lasers 6A et 6B, assurant respectivement la poursuite et l'acquisition. Le module de commande 1 est équipé d'une alimentation électrique la, d'un microprocesseur lb et d'un circuit de commande de pointage lc. L'ensemble à laser de communication 2 est équipé, sur son côté émetteur TX, des modulateurs de 2al à 2an, des circuits d'alimentation 2bl à 2bn, et des sources laser 2cl à 2cn. Du côté récepteur RX, il est équipé des photodétecteurs 2dl à 2dn, et des démodulateurs 2el à 2en. L'ensemble optique 3 comprend : les collimateurs 3al à 3an ; un multiplexeur constitué des filtres 3bl à 3bn ; un fractionneur de rayon constitué du filtre 3c ; un premier télescope 3d ayant de faibles tolérances dimensionnelles, et définissant une ouverture de diamètre x ; un collimateur 3e un dispositif à couplage de charge formant un détecteur optique 3f ; un deuxième telescope 3g de diamètre d'ouverture relativement grand, ou diamètre y, dont la précision de fabrication est cependant inférieure à celle du télescope 3d ; un fractionneur de rayon 3h ; les collimateurs 3il à 3i2 ; un démultiplexeur constitué des filtres 3jl à 3jn; et les collimateurs 31 à 3kn. Le mécanisme de pointage 4 comprend un miroir 4a aligné sur le premier et le deuxième télescopes 3d et 3g et sur les servomécanismes 4x et 4y afin de faire pivoter le miroir respectivement autour des axes orthogonaux X et Y. De plus, chacun des terminaux comprend un mécanisme d'alignement approximatif par lequel les terminaux montés sur les différents satellites peuvent être alignés suffisamment bien à l'origine pour que l'opération d'acquisition decrite ci-après puisse être exécutée. Ce mécanisme d'alignement approximatif ne fait pas partie de la présente invention, et ne sera donc pas décrit. ACOUISITION Mode "Maître" En nous référant à la Figure lA, il sera tout d'abord présumé que le terminal OT1 a recu des signaux de commande de la station au sol Gl par la liaison radio, indiquant que, pendant l'acquisition, il doit agir en mode "maître". Ces signaux sont envoyés au circuit de commande lb (Fig. 2) afin d'engendrer des signaux sur le bus, qui allument la diode laser d'acquisition 6B dans la balise 5, ce qui fait que le circuit de commande de pointage lc fait accomplir au miroir 4 un balayage dans des conditions analogues à celles décrites dans le brevet européen 3 317 373. Le signal émis par le laser d'acquisition 6B est un signal continu non modulé, passant par une fibre optique aboutissant au collimateur 3il. Ce dernier engendre un rayon de lumière collimatée qui est transmis au fractionneur de rayon 3h. De là, il est réfléchi vers le télescope 3g, puis orienté sur le miroir 4a. La largeur du rayon qui pénètre dans le télescope 3g est déterminée par le collimateur 3i, de manière à n'exploiter qu'une partie de la grande ouverture du télescope. Ceci est nécessaire pour que le rayon lumineux qui émane du laser d'acquisition 6B soit dévié dans les conditions illustrées par C1 en Fig. 1, de telle sorte que l'ensemble du volume conique C2 soit éclairé pendant le balayage assuré par le miroir 4. Pour en venir à la Fig. lB, lorsque (ainsi qu'il sera décrit ci-après) le rayon lumineux du laser d'acquisition 6B de la balise est décelé dans le champ de vision C3 du petit télescope 3d qui équipe le terminal OT2, monté sur l'autre satellite S2, le terminal OT2 renvoyant un rayon de poursuite C4 au terminal maître, ce qui indique que le terminal à distance a été verrouillé sur la direction du terminal maître. Ce rayon de poursuite est reçu dans le champ de vision C3 du petit télescope 3d, et est retransmis par le fractionneur de rayon 3c et le collimateur 3e afin de créer un point lumineux sur l'antenne CCD 3f. Le signal envoyé par 3f de ce fait indique la direction de la ligne D qui relie les deux terminaux, et fait accomplir quatre fonctions au processeur l(b): il éteint le laser d'acquisition 6B ; (ii) il allume le laser de poursuite 6A; (iii) il fait passer le circuit lc de commande de pointage du mode acquisition au mode poursuite ; et (iv) il allume l'ensemble de communication 2. Dans ces conditions, le terminal passe donc de sa phase d'acquisition à une phase de fonctionnement en poursuite et en communication. Mode "esclave" Le circuit de commande lb est conçu pour mettre le terminal en mode esclave par défaut, autrement dit, dans la mesure où aucun signal n'est recu du sol, signal indiquant qu'il doit fonctionner en mode maître. Pendant le processus d'acquisition, le circuit de commande de pointage du terminal esclave OT2 maintient le miroir 4a dans une position fixe. Le champ de vision C3 du petit télescope 3d est suffisamment large pour couvrir toutes les directions possibles où le terminal maître peut être localisé après le processus initial d'alignement, précédemment évoqué. Lorsque le rayon lumineux de la balise d'acquisition du terminal maître est reçu dans le champ de vision C3 du terminal esclave, il traverse un fractionneur de rayon 3c ainsi que la lentille de concentration 3e, qui concentre une image du champ de vision sur l'antenne CCD 3f. L'antenne CCD 3f lance des signaux sur la ligne 12, signaux qui illustrent le champ de vision C3. Le processeur lb est invité à reconnaître dans cette image un point lumineux provenant de la balise d'acquisition et à lancer un signal indiquant que cette reconnaissance a eu lieu, tout en précisant la position du terminal maître dans le champ de vision, autrement dit, la direction indiquée par la ligne D. Le processeur lb réagit à cette reconnaissance dans les mêmes conditions qu'indiqué pour le terminal maître, autrement dit (i) il allume la balise de poursuite S POURSUITE ET COMMUNICATTON Pour en venir à la Fig. lC, le rayon du laser de poursuite 6A, qui est un peu moins puissant que celui du laser d'acquisition 6B, est transmis au collimateur 3i2 par une fibre optique 13. A partir de ce point, la lumière qui émane du laser 6A est transmise le long du rayon C4. A ce stade, le circuit lc de commande de pointage a cessé de faire tourner le miroir en mode balayage. En place, il pilote le miroir de manière à suivre tout mouvement du terminal à distance, tel que décelé par la matrice CCD 3f. Les modulateurs 2al à 2an recoivent individuellement des informations sous forme de signaux numériques électriquement codés. Chacun des modulateurs transforme ce signal numérique qui est alors amplifié par le circuit d'alimentation correspondant 2bl à 2bn, et qui sert ensuite à mettre sous tension une source correspondante de laser 2cl à 2cn. Chacune des sources 2cl à 2cn fonctionne à une fréquence qui lui est propre, et transmet son rayon par une fibre optique correspondante, qui envoie le signal à un combinateur constitué par les filtres 3bl à 3bn, ceci par un collimateur 3al à 3an. Le signal de sortie combiné de 3bn est reflété par le fractionneur de rayon 3c dans le télescope à petite ouverture 3d, doù il est transmis au terminal à distance sous la forme d'un rayon qui dévie dans les conditions illustrées en C5, en Fig. lC. La lumière qui provient du terminal à distance, modulée par les signaux de communication, est reçue, dans la direction indiquée par la ligne D. par le télescope grande ouverture 3g, dont le champ de vision est très étroit. Le télescope 3g oriente la lumière par le biais d'un fractionneur de rayon 3h vers un démultiplexeur constitué des filtres 3jl à 3jn. Ces filtres répartissent les signaux de communication dans leurs canaux respectifs et les rayons lumineux distincts qui en résultent passent par les collimateurs 3kl à 3kn jusque dans leurs fibres optiques respectives. Ces fibres aboutissent aux photodétecteurs 2dl à 2dn correspondants. Les signaux électriques de ces photodétecteurs sont retranscrits en signaux numériques par les démodulateurs 2el à 2en, avant d'être transmis aux lignes respectives de transmission des signaux. REVENDICATIONS 1. Un terminal de télécommunication comprenant : un premier télescope destiné à émettre un rayon lumineux modulé par un signal de communication ; un deuxième télescope destiné à recevoir un rayon lumineux également modulé par un signal de communication : un dispositif de balise, destiné à transmettre la lumière de telle sorte que le terminal puisse être observé par un terminal analogue à distance ; et un détecteur destiné à détecter la lumière provenant d'un terminal à distance et donc sa direction ; caractérisé en ce que le détecteur (3b) est relié de manière à recevoir de la lumière à travers le premier télescope (3d). 2. Un terminal suivant revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de balise (5) est branché de manière à transmettre la lumière à travers le deuxième télescope (3g). 3. Un terminal suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième télescope (3g) a une ouverture plus grande (y) que celle du premier télescope (3d). 4. Un terminal suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier télescope (3d) est fabriqué à des tolérances dimensionnelles plus étroites que le deuxième télescope (3g). 5. Un terminal suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un dispositif (4) de balayage de l'axe optique du deuxième télescope (3d) pendant une phase d'acquisition de telle sorte que la lumière du dispositif de balise balaye un large champ de vision (C2) dans lequel un terminal à distance (OT2) est présumé se situer. 6. Un terminal suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un moyen (lb) permettant dobser- ver le signal du détecteur pendant une phase d'acquisition de l'opération, de manière à déceler la lumière émanant du dispositif de balise (5) d'un terminal à distance (OT2) et par conséquent la direction (D) du terminal à distance. 7. Un terminal suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un moyen (lb) d'exploiter le signal du détecteur afin de déceler les modifications intervenant dans la direction (D) du terminal à distance (OT2) et par un moyen (lc,4) permettant d'ajuster les directions des télescopes (3d, 3g) en réaction à ces changements de telle sorte qu'ils restent pointés sur le terminal à distance (OT2). 8. Un terminal suivant lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de balise (5) est disposé de telle sorte que la lumière qui en émane est émise par une partie restreinte de l'ouverture du deuxième télescope (3g).