1 - L'environnement initial

Les théoriciens

D'après Harold Rosen, qui fut le promoteur des satellites de télécommunications géostationnaires chez Hughes Aircraft, c'est le savant et écrivain anglais Arthur C. Clarke qui, en 1945, montre comment des équipements radioélectriques placés sur une orbite géostationnaire pourraient permettre une couverture radio globale. Il reconnaît non seulement la possibilité des télécommunications par satellites mais aussi leur importance pour le monde, et il propose que l'on développe un tel système.

Enfin, dans une communication publiée en 1955, le savant et ingénieur américain J.R. Pierce décrit des systèmes de télécommunications à longue distance utilisant des relais radio de divers types placés en orbite à différentes altitudes. Dans sa conclusion, il demande que «les astronomes veuillent bien donner des informations sur les orbites et les spécialistes de fusées des informations sur les moyens de construire des satellites et de les mettre en orbite».

Deux ans plus tard, ce sont les Russes qui montrent que l'on peut effectivement mettre un satellite en orbite et, dès lors, on assiste à divers essais de liaisons radioélectriques utilisant des relais placés en orbite.

Les premiers essais

Les premiers à tenter des expérimentations de relais radioélectriques placés en orbite sont les militaires américains. Le satellite SCORE (Signal Communication by Orbiting Relay Experiment), lancé le 18 décembre 1958 par l'armée américaine, représente le premier essai de télécommunications relayées par un satellite actif. Le satellite est, en fait, une fusée Atlas placée sur une orbite de périgée 185 km, d'apogée 1 470 km, inclinée à 30° sur l'Équateur. Le répéteur, qui reçoit à 150 MHz et émet à 132 MHz, peut retransmettre une voie téléphonique. Il permet des conversations directes entre la côte ouest et la côte est des États-Unis, mais il est surtout utilisé comme porteur de messages en enregistrant un message à son passage au-dessus d'une station et en le réémettant à son passage au-dessus de la station destinataire. Ses batteries d'alimentation ayant vécu moins longtemps que prévu, SCORE ne fonctionnera que pendant une douzaine de jours, mais il aura démontré expérimentalement la faisabilité de relais radioélectriques en orbite.

Une deuxième étape est franchie par l'armée américaine avec le satellite Courier, lancé le 4 octobre 1960. Il s'agit d'un véritable satellite d'une masse de 225 kilos placé sur une orbite de 950 km de périgée et 1 200 km d'apogée. Il est alimenté par des cellules solaires. Son répéteur UHF, dont tous les équipements sont doublés, émet avec une puissance de 4 watts. Cinq enregistreurs magnétiques permettent, si nécessaire, de retransmettre les messages en temps différé. Les expériences à bord de Courier sont interrompues au bout de dix-sept jours par une panne de télécommande.

Les satellites passifs

Ces stations sont équipées d'antennes paraboliques de 20 à 25 mètres de diamètre et d'émetteurs d'une puissance de 10 kilowatts à 960 MHz et à 2 390 MHz. Les têtes de réception sont équipées de Masers, ce qui se fait de mieux à l'époque. La difficulté principale de ces expériences réside dans la localisation du satellite afin de pouvoir pointer correctement les antennes d'émission et de réception. S'agissant d'un satellite passif, seuls des moyens radar particulièrement précis permettent de résoudre le problème. Des essais de liaisons transatlantiques utilisant Echo I ont également lieu avec la participation, entre autres, du CNET (Centre National d'Études des Télécom­munications).

Un deuxième satellite du même type, Echo II, ballon de 45 mètres de diamètre, est mis en orbite le 25 janvier 1964. Afin de faciliter sa localisation, il est équipé de deux balises radioélectriques alimentées par des cellules solaires. Son orbite a un apogée à 1 300 km et un périgée à 1 000 km. Bien que son opération de gonflement ne soit pas entièrement réussie, il permettra la réalisation d'un certain nombre d'expériences.

Des études ultérieures qui, à cause des progrès réalisés dans le domaine des satellites actifs, ne donneront pas lieu à des réalisations, envisageront des formes différentes de la sphère afin de réduire la masse à mettre en orbite, tout en conservant la même surface réflectrice. On imaginera, en particulier, des structures lenticulaires.

À CSF, Guy Plottin publie en 1963 un article décrivant un projet de satellite réflecteur passif en forme de trièdre trirectangle, chaque arête du trièdre étant longue d'environ 500 mètres. Ce cataphote, déployé en orbite géostationnaire, doit permettre la diffusion de radio ou de télévision sur des zones équivalentes chacune à la France, l'émetteur au sol devant être placé au centre de la zone à desservir.

Un deuxième système utilisant la simple réflexion des signaux sera mis en oeuvre par l'armée de l'air américaine, avec la collaboration du MIT (Institut de Technologie du Massachusetts). L'idée consiste à utiliser les propriétés réflectrices d'une ceinture de dipôles placés en orbite autour du globe. L'intérêt militaire en est évident car la répartition diffuse des éléments réflecteurs rend le système pratiquement invulnérable. Les grandes dimensions de la couche réflectrice doivent en faciliter l'acquisition et la poursuite par les stations terriennes. Ce projet, dès qu'il sera connu, suscitera de nombreuses objections de la part de certains milieux scientifiques. L'existence autour du globe d'une ceinture de dipôles risquerait, en effet, d'apporter une certaine gêne à la radioastronomie et même, peut-être, à l'astronomie optique.

Après un premier essai infructueux le 21 octobre 1961, c'est le 10 mai 1963 que quatre cent quatre-vingts millions de fils de cuivre d'une longueur de 1,8 centimètre, d'un diamètre de 1,8 centième de millimètre et pesant au total 20 kilos sont dispersés par un satellite placé sur une orbite circulaire à une altitude de 3 700 km. Au bout de plusieurs mois, ces fils se trouvent répartis sur un anneau dont l'épaisseur moyenne est d'environ 30 km dans le plan de l'orbite et 15 km dans la direction perpendiculaire. La distance moyenne entre deux dipôles voisins est estimée à environ 400 mètres.

Dans une liaison utilisant cette ceinture de dipôles, l'antenne de réception effectue l'intégration des champs élémentaires réfléchis par chacun des dipôles contenus dans le volume commun aux faisceaux d'émission et de réception. Le signal reçu a donc une nature fluctuante analogue à celle constatée dans les liaisons terrestres à diffusion troposphérique. Les essais de transmissions sont, de ce fait, effectués en utilisant des techniques de réception en diversité.

Les fréquences d'utilisation sont centrées autour de 8 GHz, c'est-à-dire à la résonance des dipôles. Des transmissions de parole et de données sont effectuées en utilisant des techniques numériques. En outre, et notamment pendant la période de déploiement de la ceinture, de nombreuses mesures sont réalisées pour déterminer les effets sur la propagation de la concentration plus ou moins grande des dipôles dans un volume donné. Cette expérience, pour intéressante qu'elle soit, ne sera pas suivie d'applications opérationnelles. Le développement rapide des satellites actifs, stimulé par les perspectives d'utilisation commerciale, devra rapidement prendre le pas sur toute autre investigation.

Les premiers satellites actifs à perspectives commerciales

Au début des années soixante, on ne peut envisager, à cause des limitations des lanceurs existants, que quelques dizaines de kilos et quelques dizaines de watts pour la puissance fournie par le générateur solaire. On voit cependant apparaître des satellites équipés de répéteurs, ayant des bandes passantes et des puissances d'émission qui permettent d'assurer la transmission de signaux multiplex téléphoniques ou de signaux de télévision avec des qualités acceptables.

Le premier lancé, Telstar I, pèse 77 kilos ; il est mis sur une orbite inclinée à 45° sur l'Équateur, d'un périgée de 955 km et d'un apogée de 6 238 km, par une fusée Thor Delta, le 10 juillet 1962.

Le promoteur du projet Telstar est la société privée américaine AT & T (American Telephone and Telegraph), alors propriétaire de la plus grande partie du réseau de télécommunications civil du continent nord-américain, ainsi que de nombreux câbles transocéaniques. Le fait que cette société finance entièrement le programme Telstar montre la vision qu'elle a de l'importance que doivent prendre les satellites comme concurrents ou comme compléments des autres moyens de télécommunications. À l'époque, il représentent en particulier le seul moyen d'acheminer entre continents des signaux à large bande tels que des images de télévision. Il faudra attendre l'apparition de la fibre optique pour que les satellites soient concurrencés dans ce domaine.

En collaboration avec le CNET, qui, à cette occasion, met en oeuvre la station terrienne de Pleumeur-Bodou, AT & T effectue les premières transmissions transatlantiques de télévision qui auront un retentissement considérable dans le grand public. Étant donné l'orbite de Telstar, chacune de ces transmissions ne peut malheureusement durer que quinze à vingt minutes. Un seul programme peut être transmis à la fois car Telstar ne possède qu'un seul répéteur de 50 MHz de bande passante avec, à l'émission, un tube à ondes progressives de 2 watts. À l'époque, on ne parle pas encore de taux de compression tels que ceux que permet de nos jours la compression numérique.

Un autre problème rencontré par Telstar est, en raison de son orbite relativement basse et de plus elliptique, la détérioration par les radiations de ses cellules solaires ainsi que de certains semi-conducteurs. C'est très probablement la défaillance d'un de ces derniers qui provoquera la panne du décodeur de télécommande en février 1963, mettant fin à la vie utile du satellite. Un second exemplaire, Telstar II, sera mis en orbite le 7 mai 1963 et permettra à AT & T de continuer ses expériences.

Quelques mois après Telstar, la NASA met en orbite le satellite Relay I, construit par RCA. D'une masse voisine de celle de Telstar, il est mis sur une orbite un peu plus haute avec un apogée à 7 400 km et un périgée à 1 300 km. Il possède deux répéteurs d'une puissance d'émission de 10 watts chacun et prévus pour fonctionner alternativement sur ordre reçu du sol. Comme Telstar, il permettra de démontrer la possibilité de transmettre jusqu'à six cents voies téléphoniques ou un programme de télévision en liaison point à point. 

Relay I, qui aurait dû automatiquement interrompre ses émissions au bout d'une année, fonctionne encore le 21 janvier 1964 lorsque le second satellite du même programme est lancé. Ce nouveau satellite, Relay II, aura l'occasion d'être utilisé en 1964 pour la transmission d'images des Jeux olympiques de Tokyo destinées au grand public.

Que ce soit pour fonctionner avec Telstar ou avec Relay, les stations terriennes sont très complexes. Les stations d'Andover (USA) et de Pleumeur-Bodou (France) sont équipées d'immenses antennes en cornet d'une longueur de 54 mètres qui, avec leur dispositif de poursuite, pèsent 370 tonnes. Les seuls récepteurs à faible bruit que l'on sait faire à l'époque sont des Masers (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiations), précurseurs des Lasers aux fréquences optiques et ensembles relativement complexes. On peut mesurer le chemin parcouru en faisant la comparaison avec les actuelles stations VSAT. La CGE (Compagnie Générale d'Électricité), prédécesseur d'Alcatel, et la CSF participeront à la construction de la station de Pleumeur-Bodou.

Les satellites géostationnaires

Dans une communication présentée en 1976 à l'occasion du centenaire de LM Ericsson, Harold Rosen expose les considérations qui l'ont amené à concevoir, avec son équipe, ce que devront être les premiers satellites géostationnaires Syncom I, II et III. Les opérations de mise et de maintien en orbite d'un satellite géostationnaire, compte tenu de leur complexité, risquent d'être coûteuses en masse et en énergie. Il faut donc, pour que l'engin puisse être compatible avec les lanceurs existants, simplifier au maximum sa conception.

Il apparaît en particulier que la stabilisation d'attitude par rotation est, comme pour Telstar et Relay, la solution la plus simple, l'axe de rotation en position géostationnaire étant perpendiculaire au plan de l'orbite, ce qui implique, pour les antennes du satellite, un diagramme de rayonnement toroïdal. Ce n'est que dans les générations de satellites suivantes qu'apparaîtront les antennes contrarotatives.

Dans le programme Syncom, financé à partir de fin 1961 par la NASA avec la collaboration du département de la Défense des États-Unis, une autre innovation est introduite dans les opérations de mise en orbite : l'utilisation d'une orbite intermédiaire elliptique, dite orbite de transfert, avec un apogée voisin de l'altitude géostationnaire et l'incorporation dans le satellite d'un moteur d'apogée pour donner l'impulsion nécessaire à la circularisation de l'orbite à l'altitude géostationnaire. Cette séquence est considérée comme la plus économique en ce qui concerne la masse au lancement, compte tenu, toujours, des performances des lanceurs de l'époque.

Le moteur d'apogée sera, pendant de nombreuses années, un moteur à carburant solide. C'est le satellite franco-allemand Symphonie qui, en 1974, sera le premier à utiliser un moteur d'apogée à ergols liquides. 

Le premier satellite Syncom I, lancé le 14 février 1963, explose pendant la combustion de son moteur d'apogée. Par contre, le deuxième exemplaire, Syncom II, lancé le 26 juillet 1963, est un succès et permet de démontrer la faisabilité de ce type de satellite. Strictement parlant, Syncom II est seulement géosynchrone et non pas géostationnaire car son orbite de 24 heures est inclinée par rapport au plan de l'Équateur.

La première orbite géostationnaire est réalisée par Syncom III lancé le 19 août 1964. Équipé de deux répéteurs d'une bande passante de 25 MHz, ce dernier sera, en particulier, utilisé pour la transmission vers les États-Unis des images des Jeux olympiques de Tokyo.

C'est à l'époque du lancement du premier Syncom qu'est constituée l'organisation gouvernementale américaine Comsat (Communication Satellite Corporation). Après le succès du programme, Comsat commande à Hughes Aircraft un satellite géostationnaire «expérimental-opérationnel» destiné à assurer un service de télécommunications transatlantique. Ce satellite d'une conception analogue à celle des Syncom, connu sous le nom d'Early Bird, est lancé le 6 avril 1965. C'est le premier satellite réalisé pour le compte de l'organisation internationale Intelsat dont l'accord préliminaire de constitution, signé par onze pays, est entré en vigueur le 20 août 1964. Ce n'est que près de neuf ans plus tard, le 12 février 1973, qu'entrera en vigueur l'accord final, signé par quatre-vingts pays.

On pourrait croire, en lisant ce qui précède, que les seules difficultés dans la mise en oeuvre de satellites géostationnaires ont été d'ordre technique. Ce serait ignorer la polémique qui commence en 1961 lorsque Hughes Aircraft entreprend la promotion de son concept.

En dehors de la difficulté à maintenir un satellite en un point fixe de l'orbite géostationnaire, et des considérations sur le bilan de liaison en raison de la grande distance à parcourir, l'argument principal des opposants est l'influence du temps de propagation et du phénomène d'écho retardé qui, à cause de l'adaptation imparfaite des terminaux téléphoniques, risque de renvoyer à l'interlocuteur sa propre parole, à un niveau parfaitement audible mais avec un retard de près d'une demi-seconde. Cette valeur, bien supérieure aux limites spécifiées par le CCITT pour la téléphonie à grande distance, devrait provoquer un effet très gênant et, selon certains, rendre toute conversation impossible.

Hughes Aircraft finit, à force de persuasion pendant toute l'année 1961, par convaincre la NASA de financer le programme expérimental Syncom. Lorsque Hughes Aircraft fait en Europe, à l'occasion du Salon aéronautique du Bourget, en 1961, une présentation de son concept, il provoque une levée de boucliers, et peu d'individus veulent bien admettre l'idée que des satellites géostationnaires pourraient, un jour, être utilisés pour la téléphonie intercontinentale. On entend alors, de ce côté de l'Atlantique, des commentaires tels que : «On n'arrivera jamais à maintenir le satellite en position», «L'écho retardé rendra toute conversation impossible», «En téléphonant via un tel satellite, les interlocuteurs deviendront fous.»

Après que le programme Syncom a été décidé par la NASA, les mêmes opposants déclarent encore qu'il s'agit d'une «expérience scientifique» sans aucun avenir sur le plan pratique. Il faudra, en fait, attendre que l'expérience Syncom ait été parfaitement réussie et que l'on ait pu ensuite mettre au point des dispositifs suppresseurs d'écho de plus en plus efficaces.

À l'époque, Thomson et Hughes Aircraft ont noué des relations industrielles, en particulier dans le domaine de l'électronique militaire. C'est à partir de 1961 que certains ingénieurs de Thomson, dont Pierre Chavance, Directeur du Département Télécommunications, sont convaincus de l'intérêt des propositions de Hughes et coopèrent à leur promotion. C'est le début des relations entre Thomson et Hughes dans le domaine spatial, qui commencent avec Intelsat II et continueront avec Intelsat IV et Intelsat VI.

Les satellites soviétiques

Les premiers satellites soviétiques, Molnya I, lancé le 23 avril 1965, Molnya II, lancé le 13 octobre 1965, et Molnya IV, lancé le 20 octobre 1966, sont tous placés sur des orbites très inclinées sur l'Équateur (de l'ordre de 60°) et également très elliptiques avec des périgées d'environ 500 km et des apogées d'environ 40 000 km. Leur période orbitale est d'environ 12 heures. De ce fait, pendant certaines orbites, lorsque l'apogée se trouve au-dessus du territoire soviétique, la durée de visibilité de stations se trouvant sur ce territoire peut atteindre environ huit heures avec un défilement angulaire suffisamment lent pour permettre de simplifier le système de poursuite des stations terriennes. Ce n'est qu'une dizaine d'années plus tard, en 1975, que les Soviétiques lanceront Raduga I (alias Stationar I), leur premier satellite géostationnaire.
 

Telstar I	Relay I	Syncom III