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LeDeep Space Network (réseau decommunications avec l'espace lointain) ouDSN est un réseau de troisstations terriennes équipées d'antennes paraboliques détenu par l'agence spatialeaméricaine, laNASA. Il est utilisé pour les communications avec sessondes spatiales interplanétaires et dans le cadre de quelques missions enorbite autour de laTerre.
LeDeep Space Network est constitué d'un centre de contrôle situé auJet Propulsion Laboratory et de troisstations terriennes gérées par le JPL et réparties sur la planète de manière à assurer une couverture permanente de l'ensemble dusystème solaire. Ces stations, qui disposent de réflecteursparabolique de 70 m dediamètre, se situent enCalifornie (Complexe Deep Space de Goldstone), près deMadrid enEspagne (ComplexeDeep Space de Madrid) et près deCanberra enAustralie (Complexe Deep Space de Canberra). Le réseau est également utilisé par d'autresagences spatiales qui ne disposent pas de leur propre réseau d'antennes ou comme appoint dans le cadre d'accords inter-agences. LeDeep Space Network permet également de localiser descorps célestes avec précision (notamment grâce à l'interférométrie à très longue base) et d'en étudier les propriétés dans un cadre scientifique.
Les premiers équipements de ce qui deviendra par la suite leDeep Space Network sont créées dès le début de l'ère spatiale dans la deuxième moitié de la décennie 1950. LeJet Propulsion Laboratory (JPL) est à l'époque un laboratoire de recherche militaire installé àPasadena (Californie) et rattaché auCalifornia Institute of Technology (Caltech), une des plus prestigieuses universités américaines. Le JPL a développé depuis les années 1930 une forte expertise dans le domaine desfusées et a mis au point pour l'armée lesmissiles balistiquesCaporal, utilisés durant laguerre de Corée puis lafuséeSergent encore en cours de développement à l'époque[1].
Le JPL est sélectionné par le gouvernement américain pour développer le premiersatellite artificiel américainExplorer 1 placé en orbite le[2]. Pour pouvoir suivre et communiquer avec le satellite, il crée un premier réseau d'antennes mobiles, baptisé Microlock, relié à uncentre de contrôle situé dans les locaux du JPL. Les stationsMicrolock sont installées àIbadan auNigeria, à l'université de Malaisie àSingapour, àCape Canaveral enFloride et à Earthquake Valley enCalifornie. Le centre de recherche crée également TRACE (Tracking and Communication Extraterrestrial) un réseau d'antennes destiné à suivre les premières missions interplanétaires avec une couverture toutefois limitée. Elles sont situées àCape Canaveral,Mayagüez (Porto Rico) et Goldstone (Californie). Ce dernier site est sélectionné parce qu'il est relativement proche du JPL et qu'il se situe dans une cuvette qui le protège des interférences radio. Le centre de recherche y installe uneantenne parabolique d'un diamètre de 36 mètres l'une des plus importantes de l'époque. Pour améliorer la couverture des missions interplanétaires, leJet Propulsion Laboratory propose en 1958 de construire deux stations, similaires à celle de Goldstone, auNigeria et auxPhilippines, mais à la suite d'une intervention d'un représentant du département de la Défense (nous sommes en pleineguerre froide), choisit finalement de créer ses stations enAustralie et dans lapéninsule Ibérique. Le JPL est intégré à l'agence spatiale de laNASA peu après la création de celle-ci le. Le JPL baptise son antenne de GoldstoneDeep Space Station 11 ou DSS 11. Celle-ci assure le suivi de sa première mission interplanétaire,Pioneer 4, en[3].
L'antenne de 26 mètres de Goldstone est inaugurée en 1969 et celle de Island Lagoon en Australie la même année. La troisième antenne, prévue initialement en Espagne, est finalement construite en 1961 à 70 kilomètres au nord deJohannesburg (Afrique du Sud). Ce réseau qui permet désormais une couverture complète pour les missions interplanétaires prend le nom deDeep Space Network (DSN) le. Au milieu des années 1960 les besoins se mettent à dépasser les capacités des trois antennes. La NASA construit de nouvelles antennes à Tidbinbilla Valley près de Canberra (Australie) inaugurée en, à Robledo de Chavela près de Madrid (Espagne) inaugurée en et sur l'île de l'Ascension au milieu de l'Océan Atlantique (inaugurée en). Ce réseau est largement utilisé par les missions duprogramme Apollo. Il prend en charge non seulement les communications avec toutes les missions interplanétaires mais également avec les satellites terrestres dont l'altitude est supérieure à 16 000 km. Une nouvelle antenne de 60 mètres de diamètre (DSS 14) est inaugurée à Goldstone en. Celle-ci jouera un rôle crucial pour les premiers missions vers Mars. La liaison entre les stations et le centre de contrôle situé au JPL est dès le départ assuré par des télex dont les données sont directement injectées dans des ordinateurs sans avoir à perforer de cartes (à l'époque le seul support pour saisir des données dans un ordinateur). Un système de liaison par micro-ondes est mis en place entre Goldstone et le JPL peu avant le lancement des premières sondes lunaires duprogramme Surveyor pour faire face au fort accroissement du volume de données anticipé. Le DSN est modifié pour permettre la couverture de plusieurs missions simultanées[3].
Dans la deuxième moitié de la décennie 1960 le DSN est complètement absorbé par les missions lunaires :programme Surveyor, missions duprogramme Lunar Orbiter puis missions Apollo. Pour ce dernier programme, leCentre spatial Lyndon B. Johnson, qui gère le programme spatial habité de la NASA, dispose de son propre réseau de communications qui prend en charge la première partie des missions lorsque les vaisseaux sont encore relativement proches de la Terre. Au cours des années 1970, le JPL réorganise son réseau de stations en le simplifiant. Il cède la station située sur l'île de l'Ascension aucentre de vol spatial Goddard en, démantèle sa station de Woomera et reprend en 1973 la station de Honeysuckle Creek près de Canberra utilisée jusque là par le centre de Houston. Il ferme sa station de Johannesburg en 1974. Deux antennes de 64 mètres de diamètre sont construites pour disposer de la même capacité qu'à Goldstone : la première (DSS 43), située à Tidbinbilla près de Canberra, devient opérationnelle en, la seconde (DSS 63) est inaugurée la même année à Robledo près deMadrid (Espagne). Les antennes de 26 mètres construites précédemment continuent d'être utilisées durant les premières phases de vol car les grandes antennes ne permettent de mesurer le mouvement angulaire lorsque la sonde spatiale est encore proche de la Terre[3].
Les missions martiennes duprogramme Mariner, qui ont lieu en 1969, sont les premières à démontrer la nécessité de disposer des antennes de grande taille en permettant d'obtenir plus rapidement des informations sur leur déroulement et de transférer en temps réel les photos et les données scientifiques recueillies. Entre 1961 et 1974 le réseau est utilisé non seulement par les missions développées par le JPL (Programme Surveyor, programme Mariner) mais également par les missions interplanétaires ducentre de recherche Ames (programme Pioneer), lecentre de recherche Langley (programme Lunar Orbiter) et le centre de Houston (Programme Apollo). Il est également utilisé pour les communications avec des engins spatiaux japonais, russes, indiens et européens. Au milieu des années 1970 le réseau DSN joue un rôle centra dans le succès duprogramme Viking qui constitue un défi de taille car il faut communiquer simultanément avec deux orbiteurs et deux atterrisseurs martiens. Le Deep Space Network joue également un rôle central dans le déroulement de la missionHelios 1 lancée en 1974 et qui s'achève en 1986[3].
Entre 1968 et 1980 trois antennes de 26 mètres sont remplacées par des antennes de 34 mètres ce qui permet d'accroitre leur portée et de d'utiliser de nouvelles fréquences. Ces nouvelles antennes sont inaugurées en 1984 (Goldstone et Canberra) et 1987 (Madrid). En 1981 l'antenne DSS 11 de Goldstone est retirée du service. L'antenne qui a joué un rôle pivot pour de nombreuses missions remarquables (Pioneer, Mariner, Lunar Surveyor et Voyager) est promu monument historique national le en reconnaissance du rôle joué dans ces missions d'exploration du système solaire. Au cours de la décennie 1980, après des débats suscités principalement par le cout de l'opération, la NASA décide de moderniser ses trois plus grandes antennes paraboliques en faisant passer leur diamètre de 64 à 70 mètres. Cette mise à niveau qui s'étale sur 5 ans est achevée en[3].
LeDeep Space Network est de plus en plus sollicité par des missions menées par d'autres pays. Jusque là la contribution du DSN se faisant dans un cadre informel mais en 1991 une directive est émise pour encadrer les demandes d'utilisation émanant d'autres pays. Au cours de la décennie 1980 la NASA reconfigure son réseau de stations de télécommunications avec notamment comme objectif de réduire son cout. Certaines stations de télécommunications gérées jusque là par le centre de vol spatial Goddard sont cédées auDeep Space Network pour accroitre la couverture de celui-ci. À la fin des années 1990 le JPL construit sur chacun de ses sites de nouvelles antennes de 34 mètres de diamètre qui viennent remplacer les antennes les plus anciennes. Les antennes sont également désormais utilisées pour observer lerayonnement électromagnétique naturel émanant d'étoiles, de nuages de poussière et de Jupiter. LeDeep Space Network reste aujourd'hui le plus important des réseaux de stations de télécommunications utilisé pour communiquer avec les sondes spatiales[3].
Le réseau Deep Space est composé d'installations situés sur trois sites distincts :
Ces trois sites sont espacés d'environ 120° enlongitude afin d'assurer des liaisons ininterrompues avec lessondes spatiales malgré la rotation de laTerre. Compte tenu des distances en jeu, unesonde spatiale vue d'un point fixe sur Terre se déplace en effet dans le ciel comme uncorps céleste : il se lève à l'Est et se couche à l'Ouest 7 h à 14 h plus tard. Avec la répartition des antennes adoptées, la transmission est maintenue en transférant la liaisonradio d'une station à l'autre.
Chaque complexe contient au minimum 4 stations, chacune d'entre elles contenant plusieursantennesparaboliques. Plus précisément, dans chaque complexe, on trouvera plusieursantennes de 34 mètres de diamètre, une de 26 mètres, une de 11 mètres et une de 70 mètres. Un centre detraitement du signal centralisé (signal processing center, SPC) contrôle à distance celles de 34 m et de 70 m, génère et transmet les commandes pour lessondes spatiales, reçoit et traite la télémétrie. Lesantennes d'un même complexe peuvent travailler enréseau, ou même avec d'autresantennes en dehors du réseau Deep Space (par exemple, l'antenne de 70 mètres deCanberra peut être mise en réseau avec le radio télescope de l'Observatoire de Parkes enAustralie, et l'antenne de 70 m de Goldstone peut être enréseau avec leVery Large Array auNouveau-Mexique)[4].
Localisation des stations de contrôle du Deep Space Network
Le réseau Deep Space est un moyen de communication bidirectionnel : la liaison montante (uplink) est utilisée pour envoyer des commandes, et la liaison descendante (downlink) sert pour la télémétrie. Mais le réseau Deep Space ne se limite pas à la seule fonction de communication :
Lesbandes de fréquences utilisées pour les communications entre laTerre et lessondes spatiales sont labande S, labande X et plus récemment labande Ka. L'Union internationale des télécommunications impose des plages de fréquences normalisées[7] qui sont présentées dans le tableau ci-dessous. Les fréquences sont données enGHz,Liaison montante désigne le lienTerre versespace etLiaison descendante désigneespace versTerre. On distingue les communications dites proches pour des distances inférieures à 2 millions de kilomètres, de celles dites lointaines.
| Liaison montante (> 2 millions de km) | Liaison descendante (> 2 millions de km) | Liaison montante (< 2 millions de km) | Liaison descendante (< 2 millions de km) | |
|---|---|---|---|---|
| Bande S | 2,110 - 2,120 | 2,290 - 2,300 | 2,025 - 2,110 | 2,200 - 2,290 |
| Bande X | 7,145 - 7,190 | 8,400 - 8,450 | 7,190 - 7,235 | 8,450 - 8,500 |
| Bande Ka | 34,200 - 34,700 | 31,800 - 32,300 |
Dans lesannées 1990, l'utilisation de labande Ka sur les antennes de 70 mètres est démontrée enR&D. La mise en place de l'uplink enbande X date de sur ces mêmes antennes.En 2008, les antennes de 70 mètres ont été dotées d'un émetteur / récepteur enbande Ka.
À l'heure actuelle, toutes les antennes du réseau Deep Space sont de typeCassegrain[8]. Elles diffèrent par leur monture, leurdiamètre, lesfréquences dans lesquelles elles sont capables d'émettre et de recevoir, et de manière générale par les technologies mises en œuvre qui donneront différentes valeurs degain et de température équivalente de bruit.
| Puissance émission | Gain (émission) | G/T (réception) | |
|---|---|---|---|
| 26 m bande S[9],[11] | 200 W à 20 kW | 52,5 dB | 31,8 dB [1/K] |
| 34 m HEF bande S[9],[12] | pas d'uplink | 56,0 dB | 40,2 dB [1/K] |
| 34 m HEF bande X[9],[12] | 200 W à 20 kW | 68,3 dB | 54,0 dB [1/K] |
| 34 m BWG bande S[9],[13] | 200 W à 20 kW | 56,7 dB | 41,0 dB [1/K] |
| 34 m BWG bande X[9],[13] | 200 W à 20 kW | 68,4 dB | 55,4 dB [1/K] |
| 34 m BWG bande Ka[9],[13] | 50 W à 800 W | 79,0 dB | 65,7 dB [1/K] |
| 70 m bande S[9],[10] | 200 W à 400 kW | 63,5 dB | 51,0 dB [1/K] |
| 70 m bande X[9],[10] | 200 W à 20 kW | 74,6 dB | 62,8 dB [1/K] |
Le gain est mesuré à une certaine fréquence centrale (ici la fréquence la plus basse de la bande, le gain à des fréquences plus élevées (resp. plus basses) devra être augmenté (resp. réduit) de. La même remarque est valable pour le G/T.
L'antenne de 34 m à haute efficacité (HEF)[8],[12] a été introduite au milieu desannées 1980, avec comme cahier des charges une réception ou émission sur lesbande S etbande X simultanément. Sa première utilisation remonte à 1986 sur la missionVoyager 2 à destination deSaturne. Malgré son nom, l'efficacité de cette antenne est comparable à celle des autres antennes aujourd'hui en fonctionnement, mais comme elle a été conçue alors que des antennes de moindre efficacité étaient encore opérationnelles, le nom a été retenu. Elle utilise une monture de type azimut-élévation, opérant desrotations à la vitesse de 0.4 degrés par seconde. Les avancées technologiques apportées par cette antenne sont le cornet double-bande ne nécessitant pas demiroir dichroïque (coûteux en termes de pertes), et un procédé de fabrication des surfaces amélioré permettant d'augmenter l'efficacité.
Concernant les surfaces, la forme du réflecteur secondaire n'est plus un parfaithyperboloïde. Il est déformé (cette technique s'appelle leshaping) de telle sorte que l'illumination y soit plusuniforme. Un corollaire indésirable est que la distribution dephase sur l'hyperboloïde n'est plus uniforme. On corrige cela en modifiant aussi la surface duparaboloïde, d'où finalement une distributionuniforme en amplitude et phase. L'antenne HEF est la première du réseau Deep Space à utiliser leshaping des surfaces.Pour ces opérations, le système global a été optimisé pour fonctionner enbande X, au détriment des performances enbande S.
Deux chemins sont prévus, selon que l'antenne fonctionne simultanément avec lespolarisations circulaires droite et gauche, ou uniquement avec l'une d'entre elles. La première configuration utilise unduplexeur et présente une température de bruit supérieure. Par ailleurs, deuxamplificateurs faible bruit sont installés, l'un de typeMASER à rubis et l'autre de type à base detransistor HEMT.
L'antenne de 34 m BWGBeam Wave Guide[8],[13] est la dernière conception en date pour le réseau Deep Space. Elle reprend les principales caractéristiques de l'antenne HEF. Lecornet est par contre délocalisé du point focal de l'hyperboloïde vers une salle en sous-sol ; l'onde est alors guidée par des miroirs d'environ 2,5 mètres dediamètre. L'avantage principal est que le refroidissement cryogénique est largement facilité puisqu'il n'a plus besoin d'être placé sur l'antenne elle-même. Il en va de même pour la maintenance. D'autre part, la pluie ne peut plus tomber dans lecornet, ce qui pouvait dégrader les performances. Cette nouvelle architecture a été l'occasion d'ajouter l'émission / réception enbande Ka : le procédé de fabrication des surfaces est suffisamment maîtrisé pour garantir la précision nécessaire.
L'organisation chargée de proposer lesmodulations utilisées dans les missions spatiales est leConsultative Committee for Space Data Systems[15]. À l'heure actuelle, lesmodulations utilisées pour une communication Terre - sonde à faible et moyen débits (inférieur à 2 Mb/s) sont des modulations de phase à deux ou quatre états (BPSK,QPSK ouOQPSK)[16]. Le signal peut contenir ou non une porteuse résiduelle.
Pour des communications à haut débit (supérieur à 2 Mb/s), l'une desmodulations préconisées est leGaussian Minimum Shift Keying (GMSK)[17].
Pour une configuration (sonde spatiale, antenne terrestre) donnée, le débit atteignable lors d'une communication entre laTerre et lasonde dépend notamment de la distance Terre - Sonde (via les pertes en espace libre, voir l'équation des télécommunications), de la fréquence utilisée, de la modulation, du codage correcteur et des conditions météorologiques. À titre d'exemple, le débit pour les communications enbande X, liaison downlink (télémétrie), entreMars Reconnaissance Orbiter et une antenne de 34 m du réseau Deep Space peut atteindre 5.2 Mb/s[18].
Le futur du réseau Deep Space n'est pas dans l'augmentation du diamètre des antennes, mais plutôt dans la mise enréseau d'antennes de diamètre plus petit[19]. En revanche, l'augmentation de lafréquence est toujours d'actualité.
Il est question, en 2005, pour le futur du réseau Deep Space de mettre en place trois sites de 400 antennes de 12 m de diamètre enbande X etbande Ka. Le but visé est d'obtenir un facteur de mérite équivalent dix fois supérieur à celui des antennes de 70 m actuelles mises enréseau[20].
L'autre possibilité pour augmenter ledébit est d'avoir recours à des fréquences plus élevées. Le passage de labande S à labande X, puis l'actuel passage de labande X vers labande Ka en sont des exemples. La prochaine étape envisagée est de faire un saut jusque dans les fréquences optiques[21] (soit, par rapport à labande Ka, desfréquences environ 10 000 fois supérieures pour une longueur d'onde de 1m).Outre l'augmentation dudébit liée à la montée enfréquence, leslongueurs d'onde optiques offrent unediffraction bien moindre que celles utilisées jusqu'à présent : le faisceau s'étale moins et l'on récupère donc mieux l'énergie (pour unfaisceau gaussien, le faisceau diverge comme un cône d'angle total avec la largeur à l'origine).
Les pertesatmosphériques sont le résultat à la fois du blocage par lesnuages et de l'absorption par lesmolécules. Si le second phénomène amène uneatténuation à peu près constante en condition de ciel clair (il ne dépend que de la répartition des molécules dans la composition totale), le premier est sujet à des changements et peut même couper complètement la transmission. Pour s'affranchir de ces pertesatmosphériques, il a été envisagé de placer deslasers enorbite pour communiquer avec lessondes spatiales. Cependant, cette technique n'était pas financièrement compétitive face à un ensemble de stationsredondantes au sol assurant une diversité par rapport à la couverture nuageuse[21]. De nombreuses questions sont encore à l'étude, comme la sensibilité des récepteurs, la puissance deslasers, laprécision de pointage, lesmodulations etcodes correcteurs adaptés, les protocoles pour retransmettre en cas de blocage du signal ou la sécurité liée auxlasers.
L'Agence spatiale européenne dispose de son propre réseauESTRACK qui comprend pour les télécommunications avec ses sondes spatiales et missions scientifiques lointaines trois antennes de 35 m de diamètre :New Norcia enAustralie depuis2002[22],Cebreros enEspagne depuis2005[23] etMalargue enArgentine inaugurée en 2013. Ces antennes espacées de 120° permettent d'assurer une communication avec unesonde spatiale 24h/24. L'Agence spatiale européenne utilise ponctuellement les antennes du réseau Deep Space et prête main-forte si nécessaire au Deep Space Network.
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