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Qui peut envoyer des ondes radio dans l'espace ?
Les satellites ne sont pas très utiles s'ils ne peuvent pas communiquer
26 juin 2019
Une illustration conceptuelle montrant un distributeur 'Veuillez prendre un numéro' dans l'espace Nicolas Ortéga
Il y a du monde là-haut. Des troupeaux de cubesats, des flottes de caméras en orbite et les premières méga-constellations Internet à large bande de SpaceX, Amazon et OneWeb remplissent rapidement l'orbite terrestre basse. Si tous les services se lancent comme prévu, il pourrait bientôt y avoir 10 fois plus de satellites en orbite qu'aujourd'hui.
L'augmentation des déchets spatiaux dangereux est préoccupante. Mais il y a un casse-tête plus immédiat pour les opérateurs de satellites : un resserrement du spectre de fréquences radio requis pour opérer depuis l'orbite. Les startups spatiales qui se chamaillent pour obtenir leur juste part pourraient-elles réellement freiner cette industrie naissante ?
Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2019
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Le rayonnement électromagnétique couvre une large gamme de fréquences et d'énergies, mais seules des bandes spécifiques sont utiles pour la communication vers et depuis l'espace. Les rayons X à haute fréquence seraient dangereux; les signaux micro-ondes sont absorbés par l'atmosphère ; les ondes radio à basse fréquence sont moins efficaces pour transmettre des informations et nécessitent de grandes antennes disgracieuses.
Comme les gens qui crient lors d'une fête, des signaux concurrents sur la même fréquence radio peuvent interférer et rendre la communication difficile, de sorte que le spectre doit être morcelé en petits morceaux pour différentes utilisations. Les systèmes de multiplexage permettent aux opérateurs de partager le spectre en découpant finement les tranches de temps et les canaux de fréquence ainsi qu'en codant les signaux afin que de nombreux messages différents puissent être transmis simultanément. Mais des bandes de fréquences doivent encore être attribuées à des utilisateurs particuliers, pour éviter les interférences qui rendraient le spectre radio inutilisable. Bon nombre des fréquences les plus souhaitables pour les liaisons orbitales ont été attribuées aux émissions de radio et de télévision traditionnelles bien avant le lancement des premiers satellites. Maintenant, alors que les cieux se remplissent de plus de satellites, la ruée vers les créneaux de fréquences radio devient de plus en plus agitée. Les régulateurs sont invités à gérer plus d'entreprises, plus d'engins spatiaux et plus de différends que jamais auparavant. La paperasserie peut s'étendre sur des années, alors même que des startups enthousiastes tentent de perturber une industrie conservatrice.
Swarm Technologies n'est pas étranger aux querelles réglementaires. Lorsque cette petite startup de la Silicon Valley a lancé quatre minuscules satellites expérimentaux en 2018, elle a négligé d'obtenir l'autorisation nécessaire de la Federal Communications Commission des États-Unis, l'une des agences dont l'approbation doit être accordée avant que le lancement puisse avoir lieu. La FCC l'a découvert et a infligé à l'entreprise une amende de 900 000 $.
La société souhaite maintenant lancer une constellation de 150 personnes pour communiquer avec le nombre croissant d'appareils connectés à Internet sur Terre. Parce que ses satellites sont si petits et donc bon marché à lancer, Swarm estime que ses services de messagerie coûteront un ordre de grandeur inférieur aux systèmes de satellites existants. Tout ce dont il a besoin, c'est de quelques éclats de spectre radio VHF.
Cependant, l'opérateur de satellites de longue date Orbcomm revendique ces fréquences depuis des décennies et exploite l'un des systèmes de messagerie que Swarm vise à perturber. Dans une pétition adressée à la FCC pour rejeter la demande de constellation de Swarm, Orbcomm a écrit que la startup tentait simplement d'ignorer les droits de spectre clairement acquis d'Orbcomm.
Il y a vraiment des problèmes de pénurie en orbite, déclare Thomas Hazlett, professeur d'économie à l'Université Clemson et auteur de Le spectre politique . Si vous souhaitez mettre en place un satellite pour les communications, vous pouvez avoir des conflits potentiels avec d'autres utilisateurs. Il existe un réel besoin de règles pour aider à coordonner cette utilisation.
L'Union internationale des télécommunications (UIT) est l'organisme chargé de démêler ces revendications concurrentes. Créé au milieu du XIXe siècle pour normaliser les technologies télégraphiques, il a contribué à réglementer qui peut placer des satellites en orbite depuis l'aube de l'ère spatiale. L'agence, qui permet également de passer des appels téléphoniques d'un pays à l'autre, parmi une myriade d'autres responsabilités réglementaires, fait désormais partie des Nations Unies. Mais les pays individuels veulent également avoir leur mot à dire sur les engins spatiaux volant au-dessus. Cela signifie que des opérateurs comme Swarm doivent également travailler avec des agences nationales dans les pays dans lesquels ils ont l'intention d'opérer (en particulier, la FCC contrôle l'accès au très important marché américain).
Sans surprise, les nouveaux arrivants voient ces réglementations comme des barrières destinées à les maintenir sur le terrain. Dans une longue réponse à la FCC, Swarm a affirmé qu'Orbcomm n'avait aucun droit sur le spectre qu'il souhaitait utiliser et que la pétition frivole de l'entreprise ne représentait rien de plus que la tentative d'un monopole de longue date d'utiliser le processus d'octroi de licences pour maintenir ses privilèges.
Les orbites circulaires stables autour de la Terre sont associées à des vitesses particulières, qui varient avec l'altitude. (Les satellites en orbite elliptique accélèrent lorsqu'ils se rapprochent de la Terre et ralentissent lorsqu'ils atteignent le point le plus éloigné de leur orbite.) À 35 786 kilomètres (22 236 miles), la vitesse orbitale correspond à la rotation de la Terre. Les engins spatiaux volant directement au-dessus de l'équateur à cette altitude apparaîtront figés dans le ciel à un observateur en surface. Ces créneaux géostationnaires permettent à un seul grand satellite de desservir une vaste zone géographique, que ce soit pour relayer les communications ou, par exemple, pour surveiller la météo.
En tenant compte d'une marge de manœuvre entre les satellites voisins, il y a peut-être 1 800 points géostationnaires utiles sur ce grand cercle, dont environ 400 se sont occupés au fil des ans. Comme on pouvait s'y attendre, il y a plus d'intérêt pour les spots au-dessus des régions riches comme l'Amérique du Nord et l'Europe qu'au-dessus des îles du Pacifique peu peuplées. Les pays se sont vu attribuer des créneaux au-dessus de leur longitude, puis les satellites individuels ont été autorisés à s'installer sur la base du premier arrivé, premier servi.
Nicolas Ortéga
Au début, le spectre semblait être un problème résoluble. Non seulement les fréquences devaient être réparties entre un petit nombre d'opérateurs dans une zone, mais les mêmes fréquences pouvaient être réutilisées encore et encore dans le monde entier. Tout le monde a compris les règles, explique Tim Farrar de la société de conseil satellite TMF Associates.
Les règles du jeu changent cependant. Les opérateurs veulent emballer de petits satellites bon marché sur des fusées de covoiturage et les envoyer en orbite terrestre basse, ou LEO. A quelques centaines ou milliers de kilomètres seulement, les satellites équipés de caméras ont une bien meilleure vue de la planète ; pour les systèmes de communication, la distance plus courte à la surface peut économiser de l'énergie et réduire la latence. Avec une multitude d'altitudes et d'orbites parmi lesquelles choisir, il devrait y avoir de la place pour tous.
Le spectre devient désormais le facteur limitant pour savoir qui peut déployer de nouvelles constellations de communications. Les satellites de LEO tournent autour de la planète en quelques heures, causant potentiellement des interférences non seulement les uns avec les autres, mais aussi avec tous les satellites géostationnaires sous lesquels ils passent. Au début, la solution de l'UIT était de faire la même chose qu'elle avait fait pour l'orbite géostationnaire : le premier opérateur à demander à utiliser une tranche de spectre était prioritaire. Tous ceux qui suivraient devraient accepter de ne pas interférer.
Le spectre devient désormais le facteur limitant pour savoir qui peut déployer de nouvelles constellations de communications.
Mais l'ingérence est un concept flou. La coordination géostationnaire est relativement simple, explique Diederik Kelder, directeur de la stratégie chez LeoSat, qui prévoit une constellation d'au moins 84 satellites Internet dans LEO. Alors que dans [LEO] c'est une chose très complexe. Vous avez besoin d'outils de modélisation très sophistiqués pour saisir l'impact.
Prévoyant une crise du spectre à venir, la FCC a décidé d'aller de l'avant avec des politiques de partage du spectre où tous ceux qui envisageaient d'utiliser des fréquences similaires seraient pris en compte en même temps, ce que l'on appelle des cycles de traitement qui créeraient théoriquement des règles du jeu plus équitables.
Mais il y a eu des conséquences inattendues. D'autres conflits ont éclaté alors que de nouveaux entrants tentent de trouver des failles réglementaires ou des solutions techniques tandis que les opérateurs établis tentent de protéger leurs fréquences contre les interférences, qu'elles soient réelles ou imaginaires. L'incitation pour les entreprises à demander des fréquences dès que possible signifie également qu'elles doivent déposer des demandes auprès de l'UIT et de la FCC bien avant que leurs satellites aient été construits ou, parfois, même entièrement conçus.
SpaceX est le plus ambitieux de la nouvelle génération LEO. En 2015, Elon Musk a dévoilé un plan visant à utiliser une méga-constellation de satellites appelée Starlink pour fournir un Internet haut débit mondial qui atteindrait de nombreuses régions en développement et mal desservies. SpaceX a initialement demandé l'autorisation de lancer 4 425 satellites, mais il a augmenté ce nombre à près de 12 000 en 2017, une constellation que la FCC a finalement autorisée fin 2018.
Dans la perspective du lancement de ses premiers satellites commerciaux, SpaceX a de nouveau modifié son plan, demandant de rapprocher certains de ses satellites de la Terre et de modifier les fréquences qu'ils utiliseraient. Ses propres analyses n'ont apparemment montré aucune nouvelle interférence, mais d'autres sociétés de satellites n'étaient pas satisfaites. Kepler, une autre start-up de communication par satellite, a qualifié ses affirmations de fondamentalement trompeuses. OneWeb, qui prévoit sa propre méga-constellation de plus de 2 500 satellites Internet, a également déclaré que les calculs d'interférence de SpaceX [incluaient] des hypothèses opérationnelles trompeuses, un ensemble de paramètres d'analyse incomplet et des conclusions très trompeuses.
La FCC a approuvé le plan de SpaceX et la société a lancé ses 60 premiers satellites Starlink en mai. Ses rivaux devront désormais lancer leurs satellites en espérant que leurs préoccupations en matière d'interférences n'étaient pas fondées.
Au moins, cette prise de bec a été rapidement réglée. Le cauchemar des nouveaux arrivants est que les litiges peuvent entraîner des retards réglementaires interminables.
En 2001, par exemple, une société appelée Mobile Satellite Ventures a demandé à la FCC de réaffecter certaines de ses fréquences satellites à un service de communication hybride satellite/terrestre. Dix ans plus tard, la société, désormais appelée LightSquared, a reçu une renonciation conditionnelle à poursuivre qui a été rapidement suspendue en raison de craintes qu'elle puisse interférer avec les signaux de navigation GPS. LightSquared a presque immédiatement déposé son bilan, mais avec le passage de près d'une autre décennie et un autre changement de nom, Ligado Networks poursuit le combat de LightSquared. Il a promis de réduire la puissance de ses transmissions de plus de 99 %, mais fait toujours face à un recul soutenu de la part de concurrents aérospatiaux nerveux, voire jaloux.
La décision de Ligado de gaspiller 40 MHz de spectre satellite ne devrait pas être récompensée par une aubaine, a écrit l'opérateur de satellites rival Iridium à la FCC en juillet 2018. En avril, Ligado a noté lors d'une réunion avec la FCC que l'agence avait envisagé sa dernière demande pour plus de 1 000 jours. Au moment où cette question allait sous presse, la FCC n'avait pas encore statué à ce sujet.
Néanmoins, l'approche de Ligado montre comment la technologie pourrait aider à apaiser les querelles. L'entreprise a pu réduire considérablement ses besoins en énergie grâce à des récepteurs de plus en plus sensibles. Les systèmes de multiplexage continuent également de s'améliorer, en raison à la fois d'une puissance de calcul améliorée et de techniques intelligentes de plus en plus complexes pour coder et décoder les signaux.
Les antennes à gain élevé permettent aux satellites de créer des faisceaux ponctuels focalisés ciblant des zones spécifiques en dessous d'eux. Plus cette focalisation est étroite, plus ces fréquences peuvent être réutilisées. D'autres nouveaux systèmes prévoient d'utiliser des lasers encore plus focalisés pour qu'un satellite communique avec un autre, réduisant ainsi la demande de fréquences radio. Les nouvelles technologies à réseau phasé signifient que les signaux satellites peuvent désormais être reçus par de petites antennes à écran plat à commande électronique bon marché plutôt que par les antennes paraboliques encombrantes d'autrefois. Les satellites équipés de GPS et les terminaux utilisateurs peuvent être programmés pour éviter de transmettre vers des satellites LEO ou géostationnaires concurrents.
Certains experts estiment que la meilleure façon de libérer l'innovation technologique est que la réglementation passe au second plan par rapport aux solutions basées sur le marché, comme les enchères existantes pour le spectre sans fil terrestre. Mais il n'y a pas de mécanisme clair pour une telle vente aux enchères mondiale du spectre.
Dans tous les cas, bien que la conversion des attributions gratuites de fréquences satellites en droits négociables puisse offrir des incitations à la coopération plutôt qu'à l'obstruction, ce serait un processus difficile à l'échelle mondiale. L'économie orbitale est déjà dominée par une poignée des nations les plus puissantes du monde. Accorder un accès préférentiel aux entreprises les plus riches semble susceptible de perpétuer les inégalités historiques et d'exclure les pays en développement qui ont le plus à gagner en atteignant la prochaine frontière technologique.
Tout le monde ne voit pas la nécessité d'une révolution en orbite. Farrar estime que les satellites et les stations au sol seront régulièrement contraints de suspendre leurs opérations jusqu'à ce que le risque d'interférence diminue, réduisant ainsi considérablement leur capacité et menaçant des plans commerciaux déjà fragiles. Ce serait un désastre d'un point de vue économique si tout le monde se mettait à fonctionner, dit-il. Mais il est inconcevable que [toutes ces entreprises] fassent ce qu'elles ont annoncé qu'elles prévoyaient de faire.
Dans ce cas, une bureaucratie tortueuse qui reporte, retarde et perturbe les plans d'affaires pourrait être exactement ce dont l'espace a besoin.
Mark Harris est un écrivain à Seattle et un contributeur fréquent.