Système satellitaire - Systèmes satellitaires synchrones

Systèmes satellitaires synchrones (type GEO)

Ces systèmes ont un délai de transmission moyen de 0,27s (en particulier pour des latitudes "nordiques"), ce qui est très élevé. Ils gardent une position fixe au-dessus de l'équateur. Leur altitude importante leur permet de couvrir une large partie d u globe. Typiquement, 3 satellites GEO (ou 5 si les contraintes sont un peu plus fortes) peuvent assurer une couverture maximale.
Cependant, ces systèmes posent des problèmes importants de couverture. En effet, il leur est possible, pour des raisons de simple visibilité, de couvrir les pôles ainsi que toute position qui a une latitude d e plus de 81°. De surcroît, l'angle de pénétration dans l'atmosphère rend, en pratique les liaisons de télécommunications difficiles au-delà de 75°. Cependant, même à des latitudes comprise entre 45° et 75°, l'angle du satellite est petit et pose des difficultés dès que le relief n'est pas plat.

Orbite Géostationnaire:

En effet, un tel satellite joue le rôle de relais de transmission ou d'un oeil pour la surveillance globale de la terre. D'une manière plus générale, les concepteurs de satellites cherchent souvent des systèmes géosynchrones, c'est-à-dire dont la période est un multiple ou un sous-multiple du jour sidéral. Cela permet au satellite d'avoir une trajectoire répétitive pour un observateur terrestre. En particulier, les orbites elliptiques permettent de régler à la période du satellite.

Orbite géosynchrone

On appelle ainsi une orbite de période identique à celle de la terre, soit T=23h56mn 4,1s = 86164,1s
En hypothèse Képlérienne, le demi axe est donné par:

Une telle orbite possède de survoler un même lieu géographique, à chaque période, puisque la terre et le satellite auront tous les deux effectués un tour complet et la même position par rapport aux étoiles, mais avec l'inconvénient de ne pas rester à la verticale d'aucun point de la terre.

Orbite géostationnaire Képlérienne

Si on impose en plus à ce satellite de rester fixe par rapport à un point de la terre, alors:

Il n'existe donc qu'une seule orbite satisfaisante à ces critères: orbite circulaire équatoriale de rayon T_g=42164,46Km en KEPLERIEN.
Classiquement on rencontrera dans la littérature qu'un tel satellite gravite à 36000Km du sol. C'est en réalité la valeur arrondie correspond à une altitude réelle Képlérienne de 35786,16Km

Orbite géostationnaire réelle

Nous savons que la terre est en première approximation assimilable à un ellipsoïde. Le renflement équatorial terrestre crée donc un supplément d'attraction qui accélère la vitesse. Pour que le satellite retrouve la bonne vitesse angulaire ou linéaire donnant la période sidérale, il faut le placer un peu plus haut. Le calcul que vous trouverez dans les exercices, donne en prenant pas en compte les autres perturbations, une altitude géostationnaire vraie de 42164,68Km

Intérêt de l'orbite géostationnaire réelle

Trois satellite disposés à 120° sur l'orbite géostationnaire, permettent "de voir" quasiment toute la terre, à part une petite polaire située aux extrêmes.
Calcul de rayon du satellite:

Si M_e est la masse de la terre (Kg)
r : le rayon de la terre (m)
M_s : la masse du satellite (Kg)
r_s : rayon du satellite (m)
Selon Newton, la force d'attraction : force de gravitation F_g entre le satellite et la Terre est: F_g=G.M_e.M_s/r²_s
avec G : constante de gravitation universelle; G=6,67x10^-11Nm²/Kg²
M_e = 5,97x10²⁴Kg
La force d'accélération sur le satellite en circulation orbitale est:
F_a=M_sr_sω² (équation de la notion circulaire)
Avec w: la vitesse du satellite relative de la terre.
Si le satellite fait un mouvement circulaire dans un orbite, la force de gravitation universelle sera exactement égale à la fore d'accélération, donc:
F_g=F_a
M_sr_sω²=G.M_e.M_s/r²_s
Donc le rayon d'orbit sera r³_s=GM/ω²

Avec le rayon de la terre r_e=6400Km; alors r_s-r_e=(42200-6400)=35800Km
En général , l'altitude est approximé à 36000Km de l'équateur.

Système elliptiques

Dans un certains sens, les systèmes elliptiques remédient aux problèmes de blocage que présente les GEO dans les latitudes élevées. L'inclination de 63,4° de leur orbite leur permet en effet de se positionner bien au-dessus de l'équateur. La deuxiè2*me loi de Kepler, encore appelée loi des aires, nous a montré que la vitesse angulaire du satellite sur son orbite elliptique était inversement proportionnelle au carré de sa distance par rapport au centre de la terre. Ainsi donc:

Le satellite atteint son apogée à l'endroit le plus proche du pôle Nord, ce qui correspond à la couverture des zones les plus peuplées. On remarque à l'évidence, que le satellite reste longtemps dans les régions du Nord et que sa couverture y est très étendu. Lorsque le satellite retourne dans les régions du Sud, sa vitesse augmente et sa couverture diminue.
Le grand avantage de ces systèmes par rapport aux autres est leur capacité de synchronisation. Ce système a des similitudes avec le GEO. Ce n'est donc pas par hasard que les satellites ont été appelés les satellites géostationnaires pour le Nord, les satellites à orbite elliptique présentent un meilleur centrage de l'empreint sur le Nord et des possibilités de réglage plus fines. En revanche, ils franchissent régulièrement les ceintures da satellite opérationnel est les orbites Molnyia (Russe).
Cependant, tant les systèmes elliptiques que géostationnaires présent en général des distances très importantes avec la Terre, ce qui a des conséquences importantes sur les délais et l'affaiblissement du signal. Ce fait a poussé les concepteurs de systèmes de transmission à se tourner vers d'autres solutions décrits dans la suite.

Systèmes de type MEO

Ces systèmes offrent un délai de transmission inférieur à celui de leurs homologues géostationnaires (110-130ms à environ 13000 Km d'altitude). La plupart des constellations MEO prévoient une dizaine de satellites pour assurer la couverture mondiale. Certains systèmes utilisent une dizaine de satellites pour assurer la couverture mondiale. Certains systèmes utilisent uniquement une orbite d'inclination nulle, auquel cas la couverture est excellente au niveau de l'équateur mais décroît rapidement dès que la latitude augmente. D'autres prennent des orbites légèrement inclinées, ce qui demande plus de satellites mais améliore la couverture. Ainsi un système désigné sous le nom d'Odyssée proposé par TRW Space and Electronic Group, prévoyait 12 satellites placés sur trois orbites circulaires différents d'altitude 10350Km (donc g1osynchrone) d'inclination de 50° avec une optimisation d'espacement de satellites. Les concepteurs ont prétendu assurer une couverture très étendue avec peu de satellites soient six pour un service minimal et douze pour une couverture "complète". Ce projet a également proposé pendant un temps un système formé d'une orbite équatoriale et de deux orbites inclinées.

Systèmes de type LEO

Pour ces systèmes, le délai de transmission varie autour de 20-25ms; le temps exact est au moins aussi sensible à l'angle de pénétration de signaux dans l'atmosphère qu'à l'altitude précise de satellite. Cependant, les appareils sont tellement proche de la terre qu'il est nécessaire d'en avoir un grand nombre (au minimum une cinquantaine) pour couvrir la planète, pour des raisons de couverture décrites dans la section précédente. Cette panoplie nécessaire justifie en grande partie le nom de constellation de satellites qui leur a été donné. Notons que pour maintenir des zones de couverture cohérentes, il est nécessaire de synchroniser très précisément les mouvements des satellites entre eux.

Les constellations de satellites LEO introduisent une dynamique inhabituelle dans les réseaux de télécommunications. En effet, les réseaux sont maintenant à relais mobiles, ce qui induit de nombreuses modifications de comportement et ceux indépendant du mouvement des délais de communication.
Il n'y a aucune raison autre qu'un motif de couverture mondiale et "optimale" de ne utiliser des constellations polaires avec des orbites inclinées et réciproquement. Par conséquence, il est préférable de parler de pi constellation pour les constellations polaires et de 2pi-constellations inclinées, faisant référence alors à l'intervalle angulaire sur lequel sont répartie les orbites.
Les différents systèmes que nous avons étudiés offrent des caractéristiques très variées. Les importantes possibilités de diffusion des satellites géostationnaires ont permis d'offrir au grand public de télévisons avancées. Cependant, avec l'explosion récente du marché des télécommunications, les progrès considérables de l'électronique de ces dernières années et la réintroduction des orbites de constellation qui exploitent d'avantage les possibilités de l'environnement de satellisation terrestre.