L'expérimentation en télécommunication par satellite |
Il y a une cinquantaine d'années, à ma sortie de l'École Nationale Supérieure des Télécommunications (ENST) je suis arrivé au département Transmission du Service des Recherches et du Contrôle Technique des PTT (SRCT, intégré en 1953 dans le Centre National d'Études des Télécommunications, CNET) au laboratoire " Hyperfréquences " du groupe " Faisceaux hertziens " alors dirigé par Louis Joseph LIBOIS. On n'y parlait pas à cette époque de télécommunications par satellite, et l'on ne se référait pas encore à l'article publié dès octobre 1945 dans la revue " Wireless World " par un auteur britannique de science fiction, Arthur C. CLARKE, sous le titre " Extraterrestrial Relays ", dans lequel il imaginait qu'un satellite artificiel de la Terre, placé en orbite circulaire équatoriale à une altitude d'environ 36 Mm, pourrait être maintenu en position fixe par rapport à la surface terrestre et être utilisé pour diffuser des programmes de radiodiffusion en modulation de fréquence.
Par contre, avant que ne soient lancés les premiers satellites artificiels -mais à une période où un tel lancement semblait proche- un article publié en avril 1955 dans la revue " Jet Propulsion " sous le titre " Orbital radio relays " attira l'attention, car il était écrit par John R. PIERCE, ingénieur aux " Bell Telephone Laboratories ", le laboratoire de recherches de la " Bell System Company ". Cet article décrivait un système de satellites permettant d'assurer des liaisons entre points éloignés à la surface de la Terre, on comprit alors que les " Bell Labs ", qui étaient à l'avant-garde des recherches en télécommunication, avaient entrepris l'étude d'un projet de télécommunication à grande distance utilisant comme relais des répéteurs embarqués sur des satellites.
On sait que les premiers satellites artificiels de la Terre ont été lancés à la fin de 1957 (Sputnik 1 et 2) et au début de 1958 (Explorer 1 et 3, Vanguard 1) et on peut considérer que les premières radiocommunications spatiales ont été les télémesures transmises par Sputnik 1 (pendant 3 semaines) et par Explorer 1 (pendant 3 mois) puis les télécommandes émises à Terre et reçues à bord des satellites.
Les premiers satellites artificiels étaient placés sur des orbites relativement basses, à une altitude de quelques centaines de kilomètres, et ne pouvaient pas être utilisés comme relais à transmission instantanée entre points éloignés à la surface de la Terre, mais il était possible de les utiliser pour des transmissions différées : un message provenant d'une station d'émission à Terre est reçu par un satellite en visibilité de cette station, enregistré à bord et réémis quand le satellite est en visibilité de la station terrienne de réception destinataire.
Le satellite SCORE, lancé en décembre 1958 a transmis pendant deux semaines à des stations situées tout autour du monde un message de Noël enregistré par le Président des États-Unis, D. EISENHOWER. Ce type de satellite à retransmission différée intéresse principalement les militaires, compte tenu de sa discrétion, aucun signal n'étant émis quand le satellite n'est pas en vue d'une station destinataire.
Le satellite COURIER 1 B, lancé en octobre 1960, a permis d'expérimenter la transmission différée de messages télégraphiques.
Lorsqu'il fut possible de placer des satellites à une altitude de quelques milliers de kilomètres, on put envisager d'utiliser de tels satellites pour des retransmissions instantanées de signaux entre points éloignés à la surface de la Terre. Les premières expériences ont été effectuées avec des satellites réflecteurs, un satellite constituant un miroir qui réfléchit vers la Terre les signaux qui lui parviennent, émis par une station terrienne.
L'administration américaine pour l'aéronautique et l'espace (la NASA) a lancé à cet effet en août 1960, à une altitude d'environ 1 500 km, un ballon métallisé de 30 mètres de diamètre (le gonflage du ballon n'ayant lieu qu'après sa mise sur orbite, grâce à la sublimation d'un corps volatil) qui a permis d'effectuer des expériences de liaison entre points éloignés.
Bien que la durée de visibilité commune avec l'Est de l'Amérique du Nord et l'Ouest de l'Europe soit limitée à quelques minutes, et que le bilan de puissance soit très défavorable (la puissance reçue décroît, selon l'équation du radar, comme la quatrième puissance de la distance) on a pu recevoir en Europe des signaux émis aux États-Unis.
Au CNET, au département " Détection électromagnétique " (DEM) dirigé par le Colonel FLAMBARD et localisé au Fort d'Issy les Moulineaux, Michel REYSSAT a pu recevoir dès le 18 août 1960, quelques jours après le lancement du satellite ECHO 1, des signaux à 960 MHz émis à HOLMDEL (station des Bell Telephone Laboratories, dans le New Jersey) et réfléchis par ECHO 1. Michel REYSSAT qui, depuis octobre 1957, recevait au Fort d'Issy des signaux de télémesure émis par les premiers satellites russes et américains, ne disposait que d'une antenne fixe de 3 mètres de diamètre mais, grâce à un dispositif de poursuite en fréquence dit " à blocage de phase ", il a pu recevoir un signal pendant la brève période où le satellite passait dans le champ de l'antenne, malgré la dérive de fréquence due à l'effet Doppler.
Une semaine plus tard, grâce à une grande antenne mobile, un signal modulé était reçu à la station de radioastronomie de JODRELL BANK (Royaume-Uni).
Pressentant l'important développement des télécommunications par satellite, Pierre MARZIN, Directeur du CNET, et son adjoint technique, René SUEUR, décidèrent de participer aux expériences effectuées au moyen du satellite ECHO 1.
Ils demandèrent à la Compagnie Générale d'Électricité (CGE) d'installer une station expérimentale proche de l'observatoire de radioastronomie de NANCAY (Cher) équipée d'une tour de 20 mètres de hauteur, en haut de laquelle une antenne mobile de 10 mètres de diamètre, montée sur un affût de mortier de marine prêté par le service des constructions navales, pouvait être pointée avec précision. Le département " Transmission " du CNET, alors dirigé par François JOB, fut chargé d'installer à NANCAY un récepteur permettant de capter les signaux réfléchis par ECHO 1. Jean-Pierre HOUSSIN, responsable des études en ondes centimétriques, prépara un récepteur équipé d'un amplificateur paramétrique à très faible bruit mis au point dans son laboratoire et d'un dispositif à blocage de phase à bande étroite. Le récepteur fut installé à NANCAY et, à l'aide des données de pointage établies par Jacques VINCENT-CARREFOUR à partir des données d'orbite fournies par la NASA, des signaux réfléchis par ECHO 1 ont été reçus à NANCAY les 8 et 9 décembre 1960, avec mesure de la puissance reçue et mesure précise de la fréquence, compte tenu de l'effet Doppler, ce qui permit d'acquérir une bonne expérience pour la poursuite d'un satellite à défilement.
L'expérimentation au moyen de satellites passifs réflecteurs a été poursuivie par la NASA avec les satellites EXPLORER 9 (en 1961) et ECHO 2 (en 1962) mais surtout en vue d'applications à la géodésie.
On peut noter que, par ailleurs, la Marine américaine avait dès 1954 effectué des expériences de transmission de messages par réflexion sur notre satellite naturel, la Lune ; un service régulier de transmission de messages entre Washington et Hawaï fonctionna de 1956 à 1962.
Un projet du " Lincoln Laboratory " du " Massachusetts Institute Technology " (MIT) dénommé " projet WESTFORD " prévoyait la mise en place en orbite autour de la Terre d'une ceinture de petites aiguilles de cuivre destinées à assurer la diffusion d'ondes d'environ 4 cm, mais compte tenu de la difficulté de dispersion des aiguilles lors du premier essai effectué par le satellite MIDAS 4 en octobre 1961, et des protestations des astronomes et radioastronomes, le projet ne fut pas poursuivi.
L'avenir des liaisons par satellite allait maintenant reposer sur l'expérimentation des satellites actifs équipés de répéteurs, puisqu'il semblait possible de placer à plusieurs milliers de kilomètres de la Terre des masses suffisantes comportant des répéteurs utilisant des composants fiables, avec une alimentation en énergie produisant plusieurs watts à partir de photopiles.
La puissance reçue à Terre en provenance du satellite ne décroît, selon l'équation des télécommunications que comme le carré de la distance.
Peu après la publication de l'article prophétique de John PIERCE (1955) les " Bell Telephone Laboratories " avaient entrepris l'étude d'un système à satellites permettant d'assurer des liaisons permanentes entre un certain nombre de stations terriennes réparties autour du Monde. Le lancement et la maintenance de satellites géostationnaires n'étant pas encore assurés, le premier projet, appelé projet TELSTAR, prévoyait l'utilisation d'une cinquantaine de satellites à défilement aléatoire (non synchronisés) à une altitude de plusieurs milliers de kilomètres. Une première expérimentation était prévue au moyen du satellite TELSTAR 1, dont le lancement était prévu dans le courant de l'année 1962.
Au début de 1961, la NASA annonçait le démarrage de son programme de télécommunications par satellite et le lancement en 1962 d'un premier satellite expérimental RELAY, dont la construction était confiée à la Radio Corporation of America (RCA), les " Bell Laboratories " étant chargés de construire une station terrienne.
La NASA annonçait qu'elle lancerait aussi le satellite TELSTAR 1, et qu'elle coordonnerait les deux projets RELAY et TELSTAR afin que les stations terriennes puissent participer aux deux projets. La NASA avait invité les pays des autres continents à participer à l'expérimentation afin de mieux démontrer la possibilité d'assurer des liaisons intercontinentales : au printemps de 1961, la France et la Grande Bretagne décidèrent de participer aux deux projets en construisant chacun une station terrienne de caractéristiques convenables, et de participer aux réunions du " Ground Station Committee " établi par la NASA pour préparer l'expérimentation.
En France, le CNET considéra qu'il n'était pas possible d'assurer l'étude et la réalisation dans le délai imparti (environ un an) des matériels nouveaux : amplificateur à grande puissance à l'émission, amplificateur à très faible bruit à la réception (4 GHz) et surtout antenne de grande dimension à pointage très précis.
Après avoir examiné le projet de station terrienne étudié par les Bell Labs, comportant en particulier une antenne de type " cornet-réflecteur " obtenue par extrapolation des dimensions de l'antenne de même type utilisée pour les faisceaux hertziens (en France, sur la liaison GDH 103 Paris - Normandie - Bretagne) il fut décidé d'acheter à la société Western Electric (constructeur du Bell System) une antenne identique à celle fabriquée pour les Bell Labs, avec le matériel radioélectrique associé. Cette solution permettait en outre de bénéficier de l'assistance technique d'ingénieurs des Bell Labs pour la mise en œuvre de la station, ce qui favoriserait la réussite de l'expérimentation.
La grande antenne, qu'on peut toujours voir au musée de Pleumeur Bodou, a une ouverture de 20 mètres de diamètre, son encombrement total est d'environ 50 m en longueur et 30 m en hauteur, et elle est protégée par un radôme d'environ 65 mètres de diamètre.
L'emplacement de la station a été choisi après une reconnaissance en hélicoptère au-dessus de la région de Lannion, il est proche des laboratoires du CNET qui assuraient le soutien logistique de la station, mais son environnement le protège des brouillages éventuels provenant des laboratoires et des faisceaux hertziens (j'ai participé à cette reconnaissance avec François du CASTEL).
La station était prête à fonctionner au moment du lancement du satellite TELSTAR 1, le 10 juillet 1962 à 8 h 35 TUC, mais elle ne put commencer l'expérimentation qu'au cours de la septième révolution, où le satellite est resté en visibilité de la station d'ANDOVER (Maine, U.S.A.) et de la station de PLEUMEUR BODOU pendant une vingtaine de minutes, pendant lesquelles a été assurée une transmission d'images de télévision de bonne qualité dans le sens États-Unis vers Europe.
Une deuxième transmission dans le même sens a eu lieu au cours de la révolution suivante. La nuit suivante, au cours de la quinzième révolution, avait lieu la transmission de Pleumeur Bodou vers Andover d'un programme expérimental de télévision, diffusé sur les réseaux américains de diffusion de télévision. Puis, dans la nuit du 13 au 14 juillet, avait lieu la première communication téléphonique officielle entre le Ministre des Postes et Télécommunications françaises et le Président de l'American Telegraph Company (A.T.&T.).
La station " Pleumeur Bodou 1 " a participé au programme d'expérimentation et de démonstration coordonné par la NASA, auquel participait également la station britannique de GOONHILLY DOWNS (près de FALMOUTH, en Cornouaille) et, plus tard, la station allemande de RAISTING (près de Munich) en utilisant les satellites TELSTAR 1, RELAY 1 (lancé en décembre 1962), TELSTAR 2 (mai 1963) et RELAY 2 (janvier 1964). L'expérimentation comportait la transmission de multiplex téléphoniques et d'images de télévision.
L'avenir des télécommunications par satellite allait se jouer lors des expérimentations effectuées par la NASA à l'aide des satellites géosynchrones SYNCOM 2 et SYNCOM 3, lancés en juillet 1963 et août 1964 (le contact avait été perdu avec SYNCOM 1 dès son lancement en février 1963). Ces expériences montrèrent la possibilité de placer un satellite en orbite géosynchrone (c'est-à-dire avec une période de révolution égale à la période de rotation terrestre, ce qui fait que la longitude du satellite reste constante) et aussi la relative facilité de maintenir un satellite en position géosynchrone, la dérive en longitude due à différentes perturbations étant assez faible, et pouvant être compensée en orbite au moyen de corrections demandant peu d'énergie.
Le CNET ne participa pas à ces expériences, car les satellites SYNCOM n'étaient pas en visibilité de la Bretagne (SYNCOM 2 fut utilisé en 1964 pour la retransmission des images des Jeux Olympiques de Tokyo).
Mais les télécommunications spatiales internationales commencent à s'organiser sous l'égide du gouvernement des États-Unis qui charge en août 1962 la " Communication Satellite Corporation " (COMSAT) de le représenter dans la constitution d'un consortium établi en août 1964 avec une vingtaine de pays fondateurs, baptisé International Telecommunication Satellite Organisation (ITSO ou INTELSAT) qui fait lancer dès avril 1965 un premier satellite géostationnaire EARLY BIRD (rebaptisé ultérieurement INTELSAT 1).
Le CNET et la station de Pleumeur Bodou participent aux expériences effectuées avec ce premier satellite géostationnaire, puis à l'exploitation commerciale qui commence à la fin de juin 1965 et s'est beaucoup développée ensuite..
Complément au témoignage de Marcel THUÉ
La station britannique de Goonhilly Downs |
Pendant qu'on sous-traitait à Pleumeur Bodou une station identique à celle de l'AT&T à Andover, les Britanniques installaient à Goonhilly Downs, sur une falaise de Cornouaille, une station construite autour d'une grande antenne parabolique proche de celles utilisées par les radioastronomes de Jodrell Bank : cette antenne, d'environ 30 mètres de diamètre était montée sur un axe horizontal permettant le pointage en site (élévation) reposant sur un support en béton, l'ensemble pesant près de 900 tonnes, étant posé sur une plate-forme horizontale tournante, dont la rotation réalisait le pointage en azimut.
La station était prête à fonctionner avant le lancement du satellite TELSTAR 1, mais lorsqu'à la fin du premier passage en visibilité mutuelle, dans la nuit du 10 au 11 juillet, les responsables de la station de Pleumeur Bodou ont téléphoné à leurs collègues de Goonhilly, ils apprirent que les Britanniques n'avaient pas reçu correctement les images provenant des États-Unis .
Très vite, les ingénieurs britanniques localisèrent l'origine de cet échec : c'était le réglage de la polarisation circulaire de leur antenne. En effet, cette polarisation est dite circulaire parce que le champ électrique tourne soit dans le sens des aiguilles d'une montre, soit dans le sens inverse, on dit couramment soit à droite, soit à gauche.
Une antenne à polarisation circulaire droite reçoit très mal une onde émise en polarisation circulaire gauche, et c'est ce qui s'était produit cette nuit là, où les définitions sont différentes aux États-Unis et au Royaume-Uni : les Américains utilisaient la définition de l'Institution of Radio Engineers (IRE) et les Britanniques celle du British Standards Institute (BSI) ; l'une se réfère à la rotation du champ à un instant donné le long de la direction de la propagation, alors que l'autre considère la rotation du champ au cours du temps dans un plan donné, et les deux sens sont inverses.
Les ingénieurs de Goonhilly modifièrent vite le réglage de leur antenne, et, lors du deuxième passage en visibilité mutuelle de la première nuit, ils reçurent une image correcte.
Au cours de la seconde nuit (du 11 au 12 juillet), il était prévu d'émettre de l'Europe vers les États-Unis, et pour compenser un peu la déception de la première nuit, c'est la station britannique de Goonhilly qui a émis pendant le premier passage, l'émission de Pleumeur Bodou ayant lieu lors du second passage de la deuxième nuit.
Peu après, les Britanniques ont soumis au Comité Consultatif International des Radiocommunications (CCIR) un projet de définition normalisé pour le sens de la polarisation circulaire, qui fut adopté par la Commission d'études IV (systèmes spatiaux) puis par la Xème Assemblée plénière du CCIR en janvier 1963, et publié dans le volume des Rapports du CCIR.
(Genève, 1963)
Il est apparu que les définitions que l'on peut trouver dans les principaux recueils existants (Bristish Standards Institution, B.S. 204, 1960 : N° 51 009 et N° 51 010 - Institution of Radio Engineers, 1950 - Commission Éectrotechnique Internationale, projet 1/60 (Secrétariat) 281 : N° 60 20 030 et N° 60 20 035) sur les sens de rotation du vecteur déplacement électrique dans les ondes polarisées élliptiquement ou circulairement pouvaient se prêter à une interprétation à contresens, et qu'il pouvait en résulter de fâcheuses conséquences pratiques, surtout à une époque où se développent les télécommunications spatiales.
L'Administration du Royaume-Uni, dans sa contribution (Doc. 108, Genève 1963) a montré les causes d'ambiguïté et indiqué la voie à prendre pour y remédier. Les définitions données ci-après ont été mises au point de manière à éviter dorénavant tout risque d'ambiguïté.
1. Onde polarisée elliptiquement, ou circulairement, dextrorsum
Onde (électromagnétique) polarisée elliptiquement, ou circulairement, dont pour un observateur regardant dans le sens de la propagation, le vecteur déplacement électrique tourne en fonction du temps, dans un plan fixe quelconque normal à la direction de propagation, dans le sens dextrorsum c'est-à-dire dans le sens des aiguilles d'une montre.
Note - Dans le cas d'ondes planes polarisées circulairement dextrorsum, les extrémités des vecteurs attachés aux différents points d'une droite quelconque normale aux plans constituant les surfaces d'ondes forment, à un instant donné quelconque, une hélice sinistrorsum.
2. Onde polarisée elliptiquement, ou circulairement, sinistrorsum
Onde (électromagnétique) polarisée elliptiquement, ou circulairement, dont pour un observateur regardant dans le sens de la propagation, le vecteur déplacement électrique tourne en fonction du temps, dans un plan fixe quelconque normal à la direction de propagation, dans le sens sinistrorsum, c'est-à-dire dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre.
Note - Dans le cas d'ondes planes polarisées circulairement, sinistrorsum, les extrémités des vecteurs attachés aux différents points d'une droite quelconque normale aux plans constituant les surfaces d'ondes forment, à un instant donné quelconque, une hélice dextrorsum.
* ce rapport a été adopté à l'unanimité.
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