| Organisation |  NASA (Goddard) |
|---|---|
| Constructeur | 1re génération :TRW 2e génération :Hughes /Boeing 3e génération :Boeing |
| Domaine | Satellite relais |
| Nombre d'exemplaires | 1re génération : 6 2e génération : 3 3e génération : 3 |
| Constellation | oui |
| Statut | Opérationnel |
| Lancement | 1983-2017 |
| Lanceur | 1re génération :Navette spatiale américaine 2e génération :AtlasIIA 3e génération :AtlasV 401 |
| Durée de vie | 1re génération : 10 ans 2e et3e générations : 15 ans |
| Inclinaison | 16° |
|---|---|
| Longitude | 41°, 171° et 89° |
Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) (enfrançais :« satellite de suivi et de relais de données ») est uneconstellation desatellite de télécommunications utilisée par laNASA et d'autres agences gouvernementales aux États-Unis pour servir de station relais entre les engins spatiaux et la Terre. Le segment spatial comprend au minimum six satellites circulant sur uneorbite géosynchrone à une longitude fixe avec une inclinaison orbitale réduite (16°) et répartis sur trois positions à peu près équidistantes enlongitude (au-dessus de l'Océan Pacifique, de l'Océan Atlantique et de l'Océan Indien). Ces satellites relaient les communications des satellites circulant enorbite basse et leur permettent de communiquer en temps réel avec la Terre quelle que leur position. Le système est développé initialement pour remplacer le réseau de stations au sol couteux et fournissant une couverture limitée qui était utilisé pour lesvols habités de lanavette spatiale américaine. Le premier satelliteTDRS est placé en orbite en 1983.
En 2021 le systèmeTDRS prend en charge les liaisons avec environ25 engins spatiaux dont laStation spatiale internationale, letélescope spatialHubble et de nombreuxsatellites d'observation de la Terre commeGPM,Terra etAqua. Dix satellitesTDRS sont opérationnels : quatre de première génération, trois de deuxième génération et trois de troisième génération. Deux satellites ont été retirés et placés sur uneorbite de rebut. Les communications avec la Terre utilisent deux stations terriennes situées àWhite Sands (Nouveau-Mexique) et dans l'île de Guam (Océan Pacifique).
Les échanges entre un engin spatial et les installations au sol sont essentiels pour la réalisation d'une mission. Les données échangées sont principalement
Les échanges ne peuvent s'effectuer que lors l'engin spatial se situe dans lechamp de vue d'unestation terrienne. Si l'engin spatial circule sur une orbite basse (altitude de quelques centaines de kilomètres) celui-ci n'est visible (au-dessus de l'horizon pour la station) que durant quelques minutes. Lorsque l'inclinaison orbitale est non nulle les régions survolées changent d'une orbite à l'autre. Les deux tiers de la surface de la Terre sont couverts par un océan et ne peuvent accueillir une station terrienne permanente. Il en résulte que même en installant un réseau dense de stations terriennes, les échanges entre l'engin spatial et le sol sont discontinus. Ainsi, au début de l'ère spatiale, la NASA, bien que disposant d'une cinquantaine de stations terriennes réparties sur la planète, ne pouvait maintenir la liaison avec ses missions habitées que durant 15% de l'orbite.
Dans un certain nombre de cas de figure cette couverture limitée des stations terriennes constitue une contrainte gênante pour les missions :
Dans le cadre du développement de lanavette spatiale américaine au début des années 1970, la NASA décide de mettre en place un système permettant d'assurer une couverture quasi continue des communications entre celle-ci et la Terre. Ce système repose sur des satellites placés enorbite géostationnaire (altitude 36000 kilomètres) qui servent de relais entre la navette spatiale et la Terre. Chaquesatellite géostationnaire, qui par définition a une position fixe au-dessus du sol, a dans son champ de vue presque 50% de l'orbite terrestre basse. Avec deux satellites judicieusement placés, le système fournit une couverture complète.
Le système de télécommunications spatialesTDRS est créé dans les années 1970 pour répondre des besoins de communications croissants entre la Terre les engins spatiaux (en particulier lanavette spatiale américaine) ainsi que pour réduire les coûts du système existant. Ce dernier reposait sur une cinquantaine destations terriennes ne permettant de maintenir les communications que sur 15 % de l'orbite. La conception de ce nouveau système débute en 1973 et met10 ans pour déboucher sur le lancement d'un premier satellite opérationnel. La construction des satellites et des stations terriennes ainsi que la gestion duréseau de télécommunicationsTDRS est confié initialement pour une durée de10 ans à la sociétéSpacecom unecoentreprise des sociétésWestern Union Communications,Fairchild Industries etContinental Telephone Company. Il est alors prévu que la NASA achète les services de communication à cette société. Desrépéteurs enbande C sont installés à bord des six satellitesTDRS de première génération pour assurer les prestations classiques d'un satellite de télécommunications à savoir des liaisons entre des stations terriennes fixes de sociétés.
Le réseau créé repose sur deux satellites placés enorbite géosynchrone aux longitudes 41 et 171° Ouest au-dessus de l'Océan Pacifique et de l'Océan Atlantique avec un satellite de secours placé en orbite pour pallier une défaillance d'un des deux satellites opérationnels. L'orbite n'est volontairement pas stabilisée dans le sens nord-sud. Du coup leurinclinaison orbitale atteint jusqu'à 16° ce qui leur permet de couvrir les régions polaires (en particulier le pôle sud). La configuration à deux satellites permet d'assurer une couverture sur 85 % de l'orbite basse avec un débit maximal de transfert de données de300 mégabits par seconde. L'emplacement de lastation terrienne du système est choisi de manière à avoir en visibilité simultanément les deux satellites. Le site retenu, situé àWhite Sands auNouveau-Mexique, bénéficie de350 jours d'ensoleillement par an et une absence quasi totale de précipitations. LeWhite Sands Ground Terminal (WGST) dispose d'antennes paraboliques utilisées pour les communications avec les deux satellites ainsi que les équipements permettant d'assurer la liaison dans les deux sens avec les utilisateurs finaux dont la NASA. Le premier satelliteTDRS est placé le[1].
Six satellites(TDRS A àF) sont construits parTRW. Par convention, une fois placés en orbite, les satellites sont renommés avec un suffixe numérique (TDRS A devientTDRS 1). Ces satellitesTDRS de première génération sont placés en orbite par laNavette spatiale américaine conformément à la politique spatiale de l'époque qui impose le remplacement des lanceurs classiques par la navette spatiale. Cette dernière ne peut pas amener le satellite que sur une orbite basse et celui-ci est largué de la soute de la navette accouplé à un étage àpropergol solideIUS qui est chargé de placer le satellite sur son orbite géostationnaire. Le deuxième satelliteTDRS-B est perdu en 1986 à la suite de ladésintégration en vol de la navette spatialeChallenger. Il est remplacé par un septième satellite (TDRS G) dernier satellite de la série lancé le[2].
Pour différentes raisons, au début des années 1990, alors que le système est opérationnel depuis plusieurs années, il est jugé préférable pour les utilisateurs de la NASA que l'agence spatiale soit la propriétaire des satellites et qu'elle en assure à la fois le contrôle et la gestion. La gestion du système est confiée auCentre de vol spatial Goddard établissement de la NASA, qui n'en assurait jusque là que le pilotage. Une deuxième station terrienne baptisée STGT (Second TDRS Ground Terminal) est construite à5 kilomètres de la première (WSGT) et est équipée avec des ordinateurs et des appareils de communication de dernière génération fournis parGeneral Electric. Les deux stations terriennes sont reliées entre elles par une fibre optique. Le centre de contrôle est déplacé au STGT qui dispose par ailleurs de trois antennes : SGLT-1, 2 et 3 (chacune assure la liaison avec un satelliteTDRS). Le STGT est inauguré en décembre 1994. Le WSGT est équipé de trois autres antennes (SGLT-4, 5 et 6) portant le total à six permettant ainsi de gérer les communications avec les six satellites dont le déploiement s'achève en juillet 1995 avec le lancement deTDRS-G[1].
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A la même période que l'inauguration de la station terrienne STGT la NASA confie à la société Boeing la construction de trois nouveaux satellites (TDRS H,I etJ). Ces satellites de deuxième génération disposent des capacités de la première génération auxquels est ajouté un mode de communications inter-satellites supplémentaire enbande Ka plus performant que la bande Ku. Les trois satellites sont placés en orbite entre 2000 et 2002 par une fuséeAtlasIIA[1].
En 2002, un nouveau type de prestation demandant des débits faibles est mis en place. DAS (Demand Access System) permet à un satellite de transmettre via le systèmeTDRS à n'importe quel moment des informations sur son fonctionnement ou des messages d'alerte permettant par exemple de pointer des observatoires terrestres sur unobjet céleste à la suite de la détection par un observatoire spatial d'un phénomène transitoire (sursaut gamma, etc.)[1].
Pour répondre à des besoins croissants une nouvelle station terrienne (GRS) est créée dans l'île de Guam dans l'Océan Pacifique et devient opérationnelle en juillet 1998. Celle-ci est équipée dans un premier temps de deux antennes paraboliques de20 mètres de diamètre formant le système de réception SGLT-6 qui proviennent du WSC auxquelles vient s'ajouter au début des années 2000 le système de réception SGLT-7. Associée à deux satellites (TDRS-7 et8) placés en orbite au-dessus de l'Océan Indien, cette station permet de faire passer la couverture de l'orbite basse de 85 à 100% supprimant la zone d'exclusion (ZOE) qui existait depuis la création du système. Le premier satelliteTDRS est retiré du service le 21 octobre 2009. Le 9 décembre 2011 c'est au tour de deTDRS-4 à la suite de défaillance des batteries. Les deux satellites sont préparés pour leur mise en sommeil (largage des ergols, désactivation des batteries, etc.) et placés sur une orbite de rebut. Une nouvelle station terrienne (BPRS) est créée à Blossom Point (Maryland) en collaboration avec laMarine de guerre américaine et leNaval Research Laboratory. Celle-ci est également équipée de deux antennes paraboliques de20 mètres de diamètre formant le système de réception SGLT-8. Deux autres stations terriennes sont créées pour gérer des situations d'urgence : l'ETGT (enanglais :Extended TDRS Ground Terminal) situé près du WSGT à White Sands et l'ATF (enanglais :Australian TDRS Facility) à Yatharagga enAustralie-Occidentale[1].
Un contrat pour la construction de deux nouveaux satellites (TDRS K etL) est attribué à la société Boeing en avec une options pour deux autres satellites. Seule l'option pour un troisième satellite (TDRS M) sera exercée par la NASA. Le contrat passé par la NASA inclut la modernisation des stations terriennes. Cette troisième génération de satellites dispose de la même charge utile que la précédente mais utilise uneplateforme plus moderne. Les trois satellites sont placés en orbite entre 2013 et 2017 par un lanceurAtlasV 401 décollant depuis labase de lancement de Cap Canaveral[3]. Un troisième satellite (TDRS M) est commandé en[4].
En 2021, sur les douze satellites lancés, huit sont opérationnels, deux sont en réserve et deux ne sont plus opérationnels et sont en réserve. La durée de vie des satellites opérationnels n'est pas contrainte par la quantité d'ergols embarquée car ceux-ci utilisent des volumes très faibles (environ 2,5 kg par an pour les satellites de première génération, 2 kg pour les générations suivantes). Le facteur limitatif est l'usure et la défaillance des équipements. De ce fait, la NASA estime que la durée de vie des satellites de deuxième génération lancée entre 2000 et 2002 sera supérieure à25 ans (fin de vie après 2025 à 2027) et dépassera cette valeur pour les satellites de troisième génération lancés entre 2013 et 2017[5].
| Type de liaison | Antenne TDRS | Bande spectrale | Nombre de satellites utilisateurs pris en charge simultanément | Débit |
|---|---|---|---|---|
| Liaison montante | Antenne réseau | Bande S | 1 | 300 kilobits par seconde |
| Antenne parabolique | Bande S | 2 | 7 mégabits par seconde | |
| Antenne parabolique | Bande Ku | 2 | 25 mégabits par seconde | |
| Antenne parabolique | Bande Ka¹ | 2 | 25 mégabits par seconde | |
| Liaison descendante | Antenne réseau | Bande S | 5 | 300 kilobits par seconde |
| Antenne parabolique | Bande S | 2 | 6 mégabits par seconde | |
| Antenne parabolique | Bande Ku | 2 | 300 mégabits par seconde | |
| Antenne parabolique | Bande Ka¹ | 2 | 300 mégabits par seconde² | |
| ¹ Uniquement les satellitesTDRS de deuxième et troisième génération. ² Peut monter jusqu'à3 gigabits par seconde avec des équipements utilisateurs au sol adaptés. | ||||
Le réseauTDRS prend en charge quotidiennement de 450 à600 heures de communications365 jours par an. Les principaux utilisateurs sont laStation spatiale internationale (de manière continue), lesobservatoires spatiauxHubble,NUSTAR,NEOWISE, lessatellites d'observation de la TerreAIM,AQUA,AURA,GPM,MMS,SORCE,TERRA, les lanceursAtlas,Delta, les vaisseaux spatiauxSpaceX Dragon,Cygnus etH-II Transfer Vehicle. Le réseauTDRS est également utilisé pour transmettre les messages d'alerte transmis par l'observatoire spatialSwift aux télescopes terrestres pour permettre le suivi dessursaut gamma détectés[1].
Les satellites de première génération construits par TRW ont une masse de 2 108 kilogrammes et une fois déployés en orbite une envergure de 17,3 × 14,2 mètres. Leur durée de vie théorique est de10 ans[6],[7].
La charge utile comprend plusieurs systèmes de télécommunications[1] :
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Les satellites de deuxième génération construits par Hughes/Boeing ont une masse de 3 197 kilogrammes et une fois déployés en orbite une envergure de 21 × 13,1 mètres. Ils utilisent une plateforme HS-601 / BSS-601 de Boeingstabilisée3 axes utilisée par de nombreux satellites de télécommunications. Leur durée de vie théorique est de15 ans. Les principales différences au niveau de la charge utile sont les suivantes[8],[7],[1] :
Trois exemplaires de satellites de troisième génération (une option pour un quatrième satellite n'a pas été exercée par la NASA) sont construits par la division satellites deBoeing (Chicago,Illinois). Ils ont une masse de 3 454 kilogrammes et une fois déployés en orbite une envergure de 21 × 13,1 mètres. Leur durée de vie théorique est de 15 ans. Ils utilisent une plateforme BSS-702 de Boeingstabilisée 3 axes. Lespanneaux solaires fournissent 3 220 Watts au moment de l'équinoxe d'automne et 2 850 Watts durant le solstice d'été. L'énergie est stockée dans des batteries nickel-hydrogène. La charge utile est similaire à celle des satellites de deuxième génération[9],[7],[10].
| Designation | Date lancement (UTC) | Lanceur | Base de lancement | Longitude | Statut | Retirement | Notes | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| au lancement | en orbite | ||||||||
Première génération[modifier |modifier le code] | |||||||||
| TDRS-A | TDRS-1 | [11] | Navette spatialeChallenger/IUS (STS-6)[12] | Centre spatial Kennedy | 41° W, 62° W, 171° W | Retiré du service[13] | [14] | Mauvais fonctionnement de l'étage IUS, utilise ses propulseurs pour gagner l'orbite opérationnelle. Fin de vie[15]. Placé sur uneorbite de rebut le[13]. | |
| TDRS-B | N/A | [11] | Navette spatialeChallenger/IUS (STS-51-L) | Centre spatial Kennedy | N/A | Détruit | Échec du lancement Désintégration de la navetteChallenger | ||
| TDRS-C | TDRS-3 | [11] | Navette spatialeDiscovery/IUS (STS-26R)[12] | Centre spatial Kennedy | 62° W[13] | En stockage[13] | [16] | ||
| TDRS-D | TDRS-4 | [11] | Navette spatialeDiscovery/IUS (STS-29R)[12] | Centre spatial Kennedy | Retiré du service[13] | Avril /[17] | Mis sur uneorbite de rebut[13]. | ||
| TDRS-E | TDRS-5 | [11] | Navette spatialeAtlantis/IUS (STS-43)[12] | Centre spatial Kennedy | 167° W[13] | En stockage[13] | |||
| TDRS-F | TDRS-6 | [11] | Navette spatialeEndeavour/IUS (STS-54)[12] | Centre spatial Kennedy | 46° W[13] | Opérationnel[13] | |||
| TDRS-G | TDRS-7 | [11] | Navette spatialeDiscovery/IUS (STS-70) | Centre spatial Kennedy | 85° E[13] | Opérationnel[13] | Remplace TDRS-B | ||
Deuxième génération[modifier |modifier le code] | |||||||||
| TDRS-H | TDRS-8 | [11] | AtlasIIA | Cap Canaveral | 89° E[13] | Opérationnel[13] | |||
| TDRS-I | TDRS-9 | [11] | AtlasIIA | Cap Canaveral | 12° W[13] | Opérationnel[13] | |||
| TDRS-J | TDRS-10 | [11] | AtlasIIA | Cap Canaveral | 171° W[18] | Opérationnel[13] | |||
Troisième génération[modifier |modifier le code] | |||||||||
| TDRS-K | TDRS-11 | AtlasV 401 | Cap Canaveral | 174° W[18] | Opérationnel[13] | ||||
| TDRS-L | TDRS-12 | [19] | AtlasV 401 | Cap Canaveral | 41° W[13] | Opérationnel[13] | |||
| TDRS-M | TDRS-13 | [20] | AtlasV 401[20] | Cap Canaveral[20] | 49° W | Opérationnel | |||
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