European Data Relay Satellite System

L'European Data Relay Satellite System (« Système de relais de données par satellite européen »), généralement désigné par son acronyme EDRS, est un système de satellites relais développé par l'Agence spatiale européenne pour faciliter le transfert des données produites par les satellites d'observation de la Terre, en particulier les satellites du programme Copernicus générateurs de volumes importants. Le système EDRS repose sur des équipements de communication optique installés à bord des satellites producteurs de données (en orbite basse) et de satellites jouant le rôle de relais circulant en orbite géostationnaire. Ces derniers renvoient les données par une liaison radio classique (bande Ka) vers les stations terriennes avec lesquelles ils sont en communication permanente.

Le système EDRS a été développé à la suite d'expériences concluantes menées par l'Agence spatiale européenne au cours de la décennie 2000 (SILEX, TerraSAR-X). EDRS est devenu opérationnel en 2016. En 2023 il repose sur des équipements installés à bord de deux satellites géostationnaires positionnés aux latitudes 9° et 31°E. Les principaux utilisateurs sont les satellites Sentinel-1 et Sentinel-2 ainsi que la Station spatiale internationale.

Historique

Expérimentations d'une liaison optique par l'Europe

Comparaison des caractéristiques de la liaison optique EDRS avec les expériences européennes précédentes
Caractéristique	SILEX	TerraSAR-X	EDRS
Date	2001	2008	2016
Type liaison	LEO¹-GEO¹	LEO-LEO	LEO-GEO
Longueur d'onde²	810-850 nm	1064 nm	1064 nm
Modulation	OOK-NRZ 2-PPM	BPSK	BPSK
Débit	0,05 gigabit/s	5,625 gigabit/s	1,8 gigabit/s
Distance³	> 45 000 km	> 5 100 km	> 45 000 km
Taux d'erreur	<10^-6	<10^-11	<10^-8
Puissance⁴	0,06 W	0,7 W	2,2 W
∅ Télescope	250 mm	125 mm	135 mm
Masse	157 kg	35 kg	56 kg
Consommation⁵	150 W	120 W	160 W
¹ LEO : orbite basse GEO : orbite géostationnaire ² Longueur d'onde du laser - ³ Distance entre les satellites ⁴ Puissance du laser - ⁵ Consommation du terminal optique

Depuis le début des années 2000, l'Europe mène des expérimentations dans le domaine des communications optiques (laser) entre satellites. En 2001 l'expérience SILEX (Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment) met en oeuvre une liaison optique entre le satellite Artemis circulant sur une orbite géostationnaire et le satellite d'observation de la Terre SPOT-4 placé en orbite basse. En 2008 une liaison laser homodyne est testée entre les satellites TerraSAR-X et NFIRE tous deux circulant sur une orbite basse. Enfin des expériences de liaison optique avec la Terre (station optique transportable DLR/TESAT, station optique de Tenerife (Espagne) par plusieurs satellites (dont Artemis, TErraSAR-X et NFIRE)^[1].

Lancement du projet EDRS

L'utilisation opérationnelle des communications optiques dans l'espace est retardée par la crise du secteur des télécommunications du début des années 2000. Finalement le Conseil ministériel de l'Agence spatiale européenne décide en novembre 2018 le développement du projet EDRS (European Data Relay Satellite System) dans le cadre de son programme ARTES (composant ARTES 7) consacré à la recherche dans le domaine des télécommunications spatiales. Le projet EDRS a pour objectif de développer un système de relais spatial mettant à la fois en œuvre des liaisons radio (en bande Ka) et optiques^[1].

Objectifs

Schéma d'un exemple de satellite relais faisant le pont entre satellites en orbite basse et stations terriennes (mais utilisant uniquement des liaisons radio) : le système TDRS américain.

L'implémentation du programme Copernicus, financé par l'Union Européenne, se traduit par le déploiement à compter de 2014 d'une flotte de satellites d'observation de la Terre (Sentinel-1, Sentinel-2,...) qui doivent produire à terme plusieurs téraoctets de données chaque jour. Les systèmes de communication traditionnels (transfert des données lors du survol de stations terriennes), ont du mal à traiter de tels volumes de données^{[Note 1]}, qui dans certains cas doivent être délivrés aux utilisateurs finaux très rapidement. Par ailleurs le système existant repose en partie sur des stations terriennes situées dans des pays non européens ce qui constitue une menace pour l'indépendance stratégique de l'Europe. Le projet EDRS permet le transfert continu des données collectées en orbite basse vers la Terre en passant par des satellites relais utilisant des liaisons optiques (pour les communications entre satellite en orbite basse et orbite géostationnaire) et radio pour les communications entre satellite en orbite géostationnaire et station terrienne. Les premiers bénéficiaires sont les satellite Sentinel mais il est prévu que d'autres satellites de l'Agence spatiale européenne utilisent par la suite ces satellites EDRS^[1].

L'objectif du système EDRS est également de développer une activité de service de relais adressée à des utilisateurs commerciaux et institutionnels autres que l'agence spatiale européennes. EDRS contribue également à la standardisation de l'utilisation à des fins de relais des technologies de communication optique et radio (bande Ka)^[1].

Développement du système EDRS

Le développement de la charge utile EDRS se fait dans le cadre d'un partenariat public-privé mis en place en octobre 2011 entre l'ESA et Airbus Defence and Space Allemagne (à l'époque Astrium). Selon les termes de ce contrat Airbus est chargé du déploiement et de la mise en œuvre du système pour une période de quinze ans. La première mission de EDRS est de relayer les données des satellites Sentinel-1 et Sentinel-2 du programme Copernicus. Le service baptisé SpaceDataHighway doit être progressivement étendu via le programme Globenet^[2].

Deux satellites portant une charge utile EDRS ont été déployés en 2016 et 2019 et un troisième devrait compléter la couverture en 2020^[3]. L'EDRS doit jouer un rôle analogue à celui du réseau de satellites TDRS développé initialement par la NASA pour permettre à la navette spatiale américaine d'être constamment en contact avec les stations au sol ainsi qu'aux systèmes russe Loutch et chinois Tianlian. L'EDRS prend la suite du satellite relais expérimental Artemis également développé par l'ESA mais qui n'assure une couverture que sur une partie limitée du globe terrestre.

Utilisation

Les principaux utilisateurs d'EDRS en 2023 sont d'une part les quatre satellites Sentinel-1 et Sentinel-2 et les satellites Pléiades Neo qui utilisent la liaison optique et d'autre part depuis 2022 la Station spatiale internationale (module européen Columbus) qui utilise la liaison radio en bande Ka. En juin 2023, les deux satellites relais EDRS avaient cumulé, depuis l'entrée en service du système en 2016, 75 000 liaisons avec des satellites en orbite basse représentant un volume total de données de 4,5 pétaoctets^[4]. Des liaisons ont été également établies par le passé avec le satellite européen ENVISAT, les cargos spatiaux (ATV et le satellite ADEOS-II dans le cadre d'une coopération avec le Japon.

Caractéristiques techniques

EDRS présente deux spécificités par rapport aux autres systèmes de satellites relais développés par les États-Unis (TDRS), la Russie (Loutch) et la Chine (Tianlian). D'une part, il n'utilise pas des satellites dédiés mais se présente sous la forme de charge utile hébergée par des satellites de télécommunications commerciaux. D'autre part les relais EDRS utilisent pour leurs liaisons avec les satellites un terminal de communication optique laser développé avec le soutien de l'agence spatiale allemande DLR par la société Tesat. Ce système doit être également installé à bord des satellites dont les données sont relayées mais il présente l'avantage de permettre un débit instantané particulièrement élevé de 1,8 Gbit/s (et 40 téraoctets par jour)^[2].

Segment spatial

Le segment spatial comprend les équipements de communication optique et radio hébergés par les satellites relais en orbite géostationnaire et les équipements de communication optique installés sur les satellites utilisateurs circulant en orbite basse^[1].

Liaison optique

La liaison optique entre satellite utilisateur et satellite relais utilise le terminal optique laser développé par la société TESAT. Il s'agit d'une version dérivée du terminal installé sur les satellites TerraSAR-X. Il permet de transmettre 1,8 gigabits par seconde à une distance supérieure à 45 000 kilomètres (distance maximale entre un satellite en orbite basse et les satellites relais du système EDRS). L'émetteur laser d'une puissance de 2,2 Watts émet un rayon dans la longueur d'onde 1064 nanomètres (proche infrarouge). L'optique comprend un télescope de 13,5 centimètres d'ouverture monté sur cardan avec deux degrés de liberté. La modulation du signal est de type BPSK. Le taux d'erreur est inférieur à 10^-8. La masse totale du terminal optique est de 56 kilogrammes et sa consommation électrique moyenne est de 160 Watts. L'ensemble occupe un volume de 0,6 x 0,6 x 0,7 mètres^[1].

Liaison radio

Les satellites relais peuvent recevoir les données des satellites utilisateurs par une liaison optique (O-ISL) ou uniquement pour EDRS-A par une liaison radio (Ka-ISL) avec un débit de 300 mégabits/seconde. Ces liaisons sont bi-directionnelles. Les données recueillies sont transmises aux stations terriennes en utilisant une liaison radio en bande Ka^[1].

Segment terrestre

Le segment terrestre comprend le centre de contrôle du système situé dans les locaux d'Airbus non loin de Munich (Allemagne) et trois stations terriennes situées à Weilheim en Allemagne (liaisons avec EDRS-A et EDRS-C), Harwell au Royaume-Uni (liaisons avec EDRS-A) et Redu en Belgique (liaisons avec EDRS-C)^[1].

Déploiement

EDRS-A, premier relais du réseau EDRS, est placé en orbite en tant que charge utile du satellite de télécommunications Eutelsat 9B lancé le 30 janvier 2016 et positionné au niveau de la longitude 9° Est à la verticale de Libreville au Gabon. Il est déclaré opérationnel en novembre 2016. Le deuxième composant EDRS-C est lancé à bord du satellite Hylas 3 qui devait être déployé au printemps 2017. Il le sera finalement en août 2019 et occupe la longitude 31° Est au-dessus de l'Ouganda.

Le lancement d'un troisième relais EDRS-D, positionné à 132° Est au nord de la Papouasie, est programmé pour 2020. Contrairement à ses prédécesseurs, il emporte plusieurs terminaux laser pour lui permettre de communiquer simultanément avec plusieurs satellites^[2].

Historique et prévision des lancements
Désignation	Satellite porteur	Date lancement	Lanceur	Identifiant COSPAR	Position	Note
EDRS A	Eutelsat 9B	20 janvier 2016	Proton	2016-005A	9° E
EDRS C	Hylas 3	6 août 2019	Ariane 5 ECA	2019-049A	31° E
EDRS D		?			132° E	En attente de confirmation

Notes et références

Notes

↑ Du fait de l'altitude peu élevée des satellites les survols de stations équipées pour recevoir les données sont peu fréquents (en temps cumulé quelques dizaines de minutes par jour) ce qui laisse peu de temps pour transférer des données.

Références

↑ ^{a b c d e f g et h} (en) Michael Witting, Harald Hauschildt, Rolf Meyer, Bas Theelen, Frank Heine, Stefan Seel et Alexander Schneider « Status of the European Data Relay Satellite System » (Octobre 2012) (lire en ligne) [PDF]
—International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS)
↑ ^{a b et c} (en) Stefan Barensky, « EDRS est déclaré opérationnel », Aerospatium, 24 novembre 2016
↑ (en) « Lancement réussi pour EDRS-C », sur www.esa.int (consulté le 29 mai 2020)
↑ (en) « Relay system speeds vital data flow with 75,000 links », Agence spatiale européenne, 12 juin 2023

Bibliographie

(en) Michael Witting, Harald Hauschildt, Rolf Meyer, Bas Theelen, Frank Heine, Stefan Seel et Alexander Schneider « Status of the European Data Relay Satellite System » (Octobre 2012) (lire en ligne) [PDF]
—International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS)
(en) Harald Hauschildt, Nicolas le Gallou, Silvia Mezzasoma, Hermann Ludwig Moeller, Josep Perdigues Armengol, Michae Witting, Jörg Herrmann et Cesar Carmona « Global quasi-real-time-services back to Europe: EDRS Global » (octobre 2018) (lire en ligne) [PDF]
—International Conference on Space Optics—ICSO 2018