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Les communications spatiales avec Mars

Opportunity à la recherche de vie sur Mars. Document Lombry

Temps de réponse et interférences (III)

A l'opposition périhélique, à 56 millions de kilomètres de la Terre, ce qui correspond à une distance de 0.37 UA (1 UA = 149.56 millions de km), il faut 3 minutes et 7 secondes pour qu'un signal émis par la station DSN atteigne Mars. Mais lorsque la Terre et Mars sont les plus éloignées l'une de l'autre, à environ 2.52 UA de distance, cela prend 20 minutes et 57 secondes pour transmettre le même signal radio; la communication dure sept fois plus longtemps ! En raison de ces délais il est impossible de communiquer avec les rovers en temps réel.

Lorsque la Terre et Mars sont en conjonction (côtés opposés du Soleil) à une distance de 2.49 UA un autre problème surgit. Cette fois ce n'est pas tant la distance qui pose le plus de problèmes mais le Soleil car il produit énormément d'interférences radios, rendant les communications pratiquement impossibles.

En effet, pour des distances inférieures à 10 rayons solaires autour du Soleil, la contribution thermique du bruit est assez élevée et l'utilisation d'amplificateur à faible bruit à la réception augmente encore cette difficulté. C'est pourquoi il est très important que la sonde spatiale volant vers Mars atteigne la planète Rouge longtemps avant la conjonction de sorte que les ingénieurs et les scientifiques puissent recueillir des données pendant quelques mois avant qu'ils soient handicapés par les problèmes de transmission.

Le bruit

Mis à part le Soleil et le problème de la distance, deux autres sources de bruits interfèrent avec les transmissions : les rayons cosmiques et le bruit électronique généré par les composants du récepteur.

La force du signal ou le niveau estimé de bruit, également appelé "dB sous W" ou dBW, est une mesure de la puissance absolue exprimée en watts et non plus un rapport de puissance comme l'est par exemple le décibel.

Sachant la puissance du signal et le niveau de bruit à la source, à la distance de l'Orbiter, nous pouvons estimer le rapport signal/bruit (S/N) en fonction de la largeur de bande (bande passante) utilisée.

Tout comme en radioastronomie, pour les communications spatiales, les ingénieurs estiment qu'un niveau de bruit de -215 dBW/Hz vers 10 GHz est acceptable pour les grandes oreilles du réseau DSN.

Pour une bande passante de 100 kHz et un signal proche de 2x10-16 W ou -157 dB (-157 dBW) à la réception, le rapport S/N vaut 8 dB seulement. Il peut-être deux fois plus important si la bande passante est dix fois plus étroite mais cette configuration est inapplicable en pratique sauf dans certains modes de transmissions digitaux.

Mais 8 dB cela signifie que le DSN peut théoriquement capter ce signal sans utiliser de protocoles de correction d'erreurs, de système DSP ni aucun mode digital BPSK ou similaire (bien qu'il le fasse). Dans de telles conditions, la vitesse des transmissions est relativement rapide, jusqu'à 21 KB/s (166 kbit/s). C'est ce type de configuration à "petit budget" qui fut utilisée jusqu'en 2005 par les sondes spatiales MGS et autre Cassini.

Les communications locales sur Mars

Les données envoyées par les rovers sont avant tout dirigées vers la Terre, mais leur puissance est si faible que même à l'aide de la plus grande antenne du réseau DSN leur localisation et leur enregistrement sont une tâche complexe et à temps plein.

Représentation artistique du Scout de la mission Mars Phoenix après déploiement de ses panneaux solaires et des antennes.

Elles communiquent tous les jours directement avec la Terre, parfois en utilisant l'antenne à haut gain (HGA), mais la plupart du temps les rovers établissent un uplink vers les sondes orbitales les plus proches satellisées autour de Mars, utilisant par exemple la sonde Mars Odyssey ou Mars Global Surveyor comme relai. En effet, généralement ce sont les orbiters qui transmettant les nouvelles données à la Terre lorsque celle-ci est dans le champ de leurs antennes.

A leur tour les sondes orbitales peuvent également relayer des messages transmis par le DSN à l'attention des rovers. 

Les avantages qu'il y a d'utiliser les sondes orbitales sont d'abord liés au fait que les orbiters sont beaucoup plus près des rovers que les antennes du DSN, et les orbiters ont la Terre dans leur champ "visuel" durant des périodes beaucoup plus longues que les rovers qui subissent la rotation de Mars.

Ce mode de communication est précieux car les sondes spatiales ne volent qu'à 400 km seulement au-dessus de la surface de Mars et les rovers ne doivent pas "crier" aussi fort (ou consommer autant énergie) pour envoyer un message aux sondes spatiales comme elles le font lorsqu'elles communiquent directement avec les stations du DSN.

Les rovers sont restées en contact avec la Terre pendant plusieurs mois, en utilisant trois systèmes d'antennes différents : une antenna à faible gain (LGA), une antenne UHF et une antenne à haut gain (HGA).

Les antennes du DSN communiquent avec les sondes spatiales en utilisant les bandes S, X et K aux fréquences de 2.2, 8.4 et 32 GHz.

Les antennes bande X des rovers

Les rovers explorant Mars communiquent l'un avec l'autre, avec les orbiters ainsi qu'avec les stations DSN grâce aux antennes UHF en bande X qui sont des antennes de faible portée utilisées à basse puissance. Ce sont en fait des talkies-walkies comparées aux antennes LGA et HGA.

Une antenne UHF est installée sur le rover, l'autre sur les pétales du lander afin de pouvoir récupérer facilement les informations durant les phases critiques de l'atterrissage, lorsque la sonde spatiale tente de suivre la progression de l'atterrissage.

Lorsque les rovers communiquent directement avec la Terre, elles envoient leurs données par l'intermédiaire de leur antenne LGA ou HGA, toutes deux étant capables de recevoir des signaux à 7.2 GHz et de transmettre des signaux à 8.4 GHz. L'antenne LGA consiste en un guide d'ondes circulaire présentant un faisceau large de 70° pour un gain de 6 à 7.2 dBic à 8.4 GHz. Bien que cette antenne présente une directivité qui satisferait tout radioamateur, la NASA considère la LGA comme une antenne quasiment omnidirectionnelle. Il est vrai qu'en bande X on a plus l'habitude de travailler avec des beams dix fois plus étroits.

La LGA transmet des signaux à faible débit vers les antennes du DSN lorsque l'orientation du rover est inconnue. L'antenne UHF omnidirectionnelle communique avec les sondes orbitales passant au-dessus d'elle, non seulement avec la sonde spatiale mère (c-à-d. Mars Odyssey pour les rovers Spirit et Opportunity) mais également avec d'autres sondes orbitales si elles sont à portée d'antenne comme Mars Global Surveyor ou la sonde MRO si l'occasion se présente.

La HGA dispose d'une antenne orientable qui peut être dirigée directement vers n'importe quelle antenne du réseau DSN. L'utilisation d'une antenne orientable est un avantage pour les rovers qui ne doivent pas nécessairement changer de position pour communiquer avec les stations du DSN. Comme nous pouvons tourner la tête pour nous entretenir avec une personne située juste à côté nous, les rovers peuvent ainsi économiser de l'énergie en orientant uniquement leur antenne dans la bonne direction.

Environ la moitié de toutes les communications passent par la HGA. C'est une antenne parabolique de 28 cm de diamètre qui travaille sur les fréquences comprises entre 8 et 12 GHz. Le débit downlink des signaux émis par la sonde orbitale est de 264 bytes/sec (1.85 kilobits/sec) pour l'antenne HGA tandis que le débit uplink est de 125 bytes/sec (0.875 kilobits/sec) pour l'antenne LGA.

Mars Global Surveyor en mission de longue durée. Document NASA/Corby Waste.

Le niveau de bruit des signaux transmis par la sonde orbitale est assez élevé, mais en utilisant des modules soigneusement conçus en front-end du récepteur Block V du DSN et les grandes antennes paraboliques à haut gain, les ingénieurs peuvent obtenir des rapports signal/bruit d'environ 20 à 40 dB-Hertz (ballpark). Aux distances auxquelles se trouve Mars (selon la configuration de la sonde spatiale), les signaux peuvent facilement être dépistés avec une largeur de bande de 1 Hz en blocage de phase.

Comme sur Mars PathFinder, l'antenne HGA de Mars Odyssey consiste en un dipole array utilisant une polarisation circulaire à droite (RCP). Cette petite parabole de 28 cm de diamètre pèse 1.2 kg. Elle présente un gain avant-arrière F/B d'environ 20.4 dBic à 7.2 GHz et un gain boreside jusqu'à 25 dBic à 8.4 GHz.

Enfin, une antenna à gain moyen (MGA) constituée d'un guide d'onde est utilisée durant le vol de croisière de la sonde orbitale mais elle n'est pas utilisé à la surface de Mars

La portée maximale utilisable

Le système de télécommunication des rovers a été fonctionellement testé au JPL jusqu'à une distance de 250 mètres de son émetteur. Il a parfaitement exécuté les ordres dans des conditions environnementales typiques d'une journée chaude du mois d'août de Californie (35°C). Les ingénieurs ont porté la distance à plus de 700 mètres, l'intervalle présentant de nombreuses réflexions possibles pour les ondes radios. Les modems radio ont également fonctionné dans de bonnes conditions sans que l'on ait constaté de perte des communications.

Cependant, dans certaines conditions il y a une dégradation de la qualité de la liaison. En particulier à la plus basse température de fonctionnement acceptable qui est de -30°C, le taux d'erreurs sur les bits (BER) dû à un décalage de fréquence peut poser problème et provoquer un blackout total des communications. Si le rover se maintaint en ligne de la vue du lander et si les radios sont maintenues à une température de fonctionnement plus chaude, la portée maximale utilisable du système de télécommunications du rover devrait être d'au moins 700 mètres.

Mars en 3D

Ci-dessus la région des pics jumeaux d'Ares Valles. Ci-dessous gros-plan sur les cailloux et le sable proche du lander et vue générale de la sonde orbitale Mars Odyssey. Documents Corby Waste pour le JPL.

Mais la véritable contrainte concernant la distance à laquelle peut s'éloigner le rover est basée sur la possibilité ou non de réaliser des stéréogrammes à partir de la caméra IMP du lander. Au-delà d'environ 10 mètres, la résolution de la caméra IMP ne permet plus d'obtenir de bonnes images stéréo d'un endroit particulier qui aideraient l'équipe de navigation au sol à piloter les rovers. Les ingénieurs pourraient compter sur le rover elle-même pour obtenir cette information à partir de sa propre caméra stéréo, mais ce procédé est plus complexe à mettre en oeuvre. Si cette opération est entreprise, le parcours des rovers serait très probablement limité à de petits déplacements d'environ 2 mètres à la fois, car c'est la distance maximale à laquelle peut-être projeté le rayon des caméras des rovers. 

Toutefois, étant donné l'intérêt que présentent les formations géologiques proches du lander, les scientifiques se sont d'abord contentés de rester à proximité immédiate du lieu d'atterrissage avant d'envoyer les rovers explorer la région (en 2010 les deux rovers avaient parcourus plus de 20 km chacune). Pour ne pas perdre le contact, les scientifiques veillent à ce que les rovers évoluent à proximité d'un site élevé à partir duquel elles peuvent toujours avoir le lander à portée de vue. A défaut, l'orbiter leur sert de relai.

Le transponder deep space

Un transpondeur est un système de communication placé à bord d'un satellite relais qui reçoit et retransmet les signaux, souvent sur des fréquences downlink et uplink différentes. Ce système est activé lorsque les antennes des stations terrestres sont hors de vue du satellite orbital ou de le rover et lorsque la liaison directe est perdue. 

La société américaine General Dynamics a travaillé avec le JPL pour installer sur les antennes du DSN des terminaux télécom bandes X et Ka. Equipés de modules utilisant intensément la technologie MMIC (pour les multiplicateurs de fréquences et les amplificateurs), des modules multi-processeurs et un traitement des signaux ASIC, ce transpondeur permet de satisfaire pratiquement tous les besoins en télécommunications des sondes spatiales, tout en étant plus petit, plus léger et meilleur marché que les modules de l'ancienne génération.

Le transpondeur présente les caractéristiques suivantes :

- Bande X uplink : 7.145-7.235 GHz

- Bande X downlink : 8.400-8.500 GHz

- Bande X, rapport TX/RX : 880/749

- Bande Ka downlink : 31.800-32.300 GHz

- Bande Ka TX/bande X RX, rapport : 3360/749

Le récepteur bande X présente les caractéristiques suivantes :

- Niveau de bruit : < 2.5 dB à 25°C

- Tracking signal de la porteuse : -70 à -156 dBm

- Bande passante : 20 Hz nominal au seuil (extensible à 200 Hz, signal fort).

- Facteur de damping : 0.5 à 0 dB (S/N loop, Type 1, boucle de 2eme ordre)

- Largeur de poursuite : > 200 kHz

- Largeur de filtre : type Chebyshev à 3 pôles, autres options disponibles

- Largeur de bande des filtres (3 dB) : 1700 kHz nominal, autres options disponibles

- Stabilité en température : env. 3 ppm (-20°C à +60°C)

Capacités de relais des télécommunications

En utilisant l'antenne HGA, le débit en downlink (vers la Terre) varie entre environ 1.75 KB/s (12 kilobits/sec) à moins de 0.5 KB/sec (3.5 kilobits/sec), des vitesses approximativement cinq fois plus lentes qu'un modem 56K standard. Le débit assuré par les sondes spatiales est lui beaucoup plus rapide, avec un débit constant de 18.2 KB/sec (128 kilobits/sec), ce qui est grosso-modo deux fois plus rapide que le débit moyen d'un modem 56K. 

Une sonde spatiale passant au-dessus d'une rover peut communiquer avec elle durant environ huit minutes par sol (jour martien). Durant ce court lapse de temps, environ 8.5 MB de données (environ 1% de la capacité d'un CD-ROM) peuvent être transmises à la sonde orbitale qui les réémettra vers la Terre. Si le même volume de données était envoyé directement à la Terre par le rover cela durerait entre 1.5 et 5 heures ! Les rovers peuvent communiquer avec la Terre tout au plus trois heures par sol en raison de leur puissance limitée et de contraintes thermiques, bien que la Terre puisse être visible beaucoup plus longtemps.

Mais il y a un "inconvénient" dans ce système. Mars tourne sur son axe et entraîne donc avec elle les rovers qui tôt ou tard perdront la Terre de leur champ visuel. 

Le réseau de communications entre les sondes spatiales explorant Mars et les stations du DSN.

Si tout va bien les orbiters peuvent garder la Terre en vue durant environ les 2/3 de leur orbite, soit environ 16 heures par sol. Elles peuvent ainsi envoyer beaucoup plus de données vers la Terre que les rovers, non seulement parce qu'elles peuvent voir la Terre plus longtemps, mais également parce qu'elles peuvent activer leur émetteur beaucoup plus longtemps puisque leurs panneaux solaires sont en mesure de capter la lumière la majeure partie du temps et enfin, parce qu'elles disposent de plus grandes antennes que les rovers. 

Jusqu'ici, pour les plus petits landers comme le Beagle2 mort-né ou le futur Netlander, la fonction UHF du relais est passive et ils ne disposaient d'aucun moyen pour communiquer directement avec la Terre. A l'inverse, les grandes sondes d'exploration de la classe Mars Explorer Rovers (MER) ou Smart Lander ont des moyens de relais UHF capables de transmettre un volume de données 10 fois supérieur pour la même consommation d'énergie.

Dans tous les cas, ainsi que nous l'avons expliqué, c'est la sonde orbitale qui fournit les aides à la navigation lors des manoeuvres d'arrivée et de descente sur Mars ainsi que les instructions pour l'atterrissage. Les relais en orbite fournissent également une liaison lorsque les sondes au sol sont plongées dans l'obscurité de la nuit martienne et ne voient plus la Terre.

Cette liaison à courte distance entre la surface et l'orbite est plus efficace qu'une liaison directe avec la Terre. La difficulté d'une communication spatiale avec la Terre augmente proportionnellement avec le carré de la distance. Au pire, cette distance atteint un maximum de 2.7 UA ou 400 millions de kilomètres ! Par comparaison, une liaison locale in situ s'établit entre 1000 et 6000 km de distance seulement. Dans de telles circonstances la perte de puissance d'un signal dirigé vers la Terre dépasse 266 dB (à 56 millions de km) comparé à une liaison locale sur Mars. Ici votre wattmètre indiquerait une puissance inférieure à 10-26 W à la réception !

Notons que la réception a été à peine plus enviable avec la sonde spatiale New Horizons qui survola Pluton en 2015. Son émetteur avait une puissance de 12 W mais en arrivant aux antennes du DSN, le signal atteignait à peine 3.45x10-22 W, soit environ trente millième de milliardième de milliardième de watt !

Cette perte doit donc être compensée par le gain des antennes, tant en émission qu'en réception.

Calcul de la perte d'un signal

(en espace libre)

PdB = 92.4 + 20 Log (FGHz x dkm)

Exemple. A 56 millions de km de distance, un signal émis en bande X à 8.4 GHz perd 266 dB, un rapport de puissance >1024.

Calcul du gain d'antenne

(antenne parabolique d'émission)

GdB = 18 + 20 Log (FGHz x dm)

Exemple. Sur 8.4 GHz, une antenne parabolique HGA de 2.5 m de diamètre présente un gain à l'émission de 44 dB, un rapport de puissance >2x104.

Il est difficile de gérer cette énorme différence de puissance même à l'aide de la plus grande antenne du DSN, la DSS-14 de 70 m de diamètre. La sonde orbitale offre ainsi un premier gros avantage en offrant un relais surface-orbite vers la Terre tout en consommant une quantité réduite d'énergie. Le deuxième avantage est de pouvoir débiter dans le même timeslot un volume de données qui n'a fait qu'augmenter au cours des dernières années comme l'indique le tableau présenté ci-dessous.

A lire : Hommage aux Voyagers et autres sondes spatiales

Mission

Débit

Résolution/pixel

Puissance RF

New Horizons (Pluton)

2.11 Kbps

50 m

12 W

Bande Ka

 4.8 Mbps

 5 m

100 W

MRO

300 Kbps

2.5 m

100 W

MGS

21.3 Kbps

1.5 m

26.5 W

Mars 2001

 5.7 Kbps

1.3 m

15 W

A l'avenir les sondes orbitales voleront à des altitudes plus élevées pour permettre aux rovers de surface de communiquer plus longtemps, étendant la période de communication de 2 heures à 6-12 heures. Seul inconvénient de ces orbites hautes c'est l'inclinaison du faisceau pour les utilisateurs. Il sera compensé par l'utilisation d'une antenne directive à gain moyen de 13 à 15 dBi.

Enfin, depuis 2005 la sonde spatiale Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et les rovers de surface utilisent des récepteurs à plus faible perte afin d'augmenter le rapport signal/bruit. Ils fonctionneront par exemple avec des filtres offrant 2 dB de moins de perte comparés aux anciens relais UHF qui équipaient la sonde Mars 2001. Un code concatené Reed-Solomon améliore également les communications de 2 dB supplémentaires, complétés par des décodeurs "turbo" qui ajoutent encore un petit gain de 0.5 dB sur l'ensemble.

L'avenir des télécommunications spatiales sera fort et clair !

Pour plus d'informations

La réception des satellites (sur ce site)

Hommage aux Voyagers et autres sondes spatiales (sur ce site)

Titan et la mission Cassini-Huygens (sur ce site)

Caractéristiques des sondes spatiales + liens vers les press kit de la NASA, UHF-Satcom

Amateur DSN Group (Yahoo!)

Deep Space Network

JPL Mars Newroom

Space Frequency Coordination Group

Mars Microrover Telecommunications FAQ

North Texas Microwave Society

European Space Agency (ESA)

The Parkes Observatory’s Support of the Apollo 11 Mission (PDF de 500 KB)

Retour à L'astronautique

Retour sur Mars

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