Une solution sans câble pour le transfert de données dans les satellites
La conception des satellites se heurte à un obstacle majeur à l’intérieur des engins spatiaux: des faisceaux de câbles lourds et complexes. Dans un satellite classique, ces câbles et blindages assemblés à la main représentent jusqu’à 15 % de la masse sèche totale, les lignes de données en constituant environ la moitié. Ces faisceaux étant difficiles à standardiser, y apporter des modifications à un stade avancé du processus de conception s’avère notoirement coûteux et exigeant en main-d’œuvre. Dans les plateformes compactes telles que les CubeSats et les microsatellites, ce câblage restreint considérablement l’espace interne, complique l’assemblage et les essais, et contraint les composants à des emplacements rigides. Les liaisons radio pourraient éliminer les câbles physiques mais introduisent des interférences électromagnétiques, tandis que les capteurs optiques standard à photodiodes peinent à distinguer simultanément les signaux provenant de plusieurs émetteurs. Le projet OCC4SAT(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, a permis de remplacer partiellement les câbles traditionnels en introduisant la communication par caméra optique(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (OCC pour «optical camera communication») comme alternative légère et sans fil pour le transfert interne de données. Au lieu de s’appuyer uniquement sur des câbles physiques ou des ondes radio, l’OCC utilise des liaisons optiques à courte portée alimentées par de petits émetteurs LED et des récepteurs intégrés à des caméras. «Étant donné que les capteurs des caméras capturent naturellement la disposition spatiale et les spectres de couleurs, une seule caméra peut servir de point d’accès optique central, recevant des données provenant de plusieurs émetteurs LED sans nécessiter de câble distinct pour chaque liaison de communication», explique le coordinateur du projet, Jose Rabadán-Borges. «La caméra sépare plusieurs flux de données simultanés en fonction de leur position et de leur longueur d’onde à l’aide de schémas d’accès multiples(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) à division spatiale et à division de longueur d’onde, ce qui favorise une communication optique à haute densité sans interférences électromagnétiques.»
Des outils numériques et des prototypes physiques pour les communications optiques
Pour valider ce concept, OCC4SAT a développé une chaîne technologique intégrée articulée autour de deux résultats de démonstration. Tout d’abord, un simulateur numérique modélise la propagation de la lumière, le traçage des rayons, les réflexions de surface, le bruit de la caméra et la génération d’images synthétiques. Cette technologie permet aux ingénieurs de tester l’emplacement des liaisons et d’évaluer les trajets optiques en visibilité directe et par réflexion avant de construire le matériel. Cet outil numérique accélère la conception des satellites et réduit les essais par tâtonnements. Ensuite, un démonstrateur physique combine le matériel d’émission et de réception OCC. Côté émetteur, le système utilise des émetteurs optiques à LED, une électronique de commande et un contrôle par microcontrôleur, en recourant à la modulation par tout ou rien (OOK pour «on-off keying») et à la modulation d’impulsions en amplitude (AMP pour «pulse amplitude modulation»). Le récepteur utilise des caméras commerciales compactes, un système d’acquisition d’images et des algorithmes de démodulation développés dans le cadre du projet. Le projet a testé les modes à obturateur global pour plusieurs liaisons optiques à faible débit et les modes à obturateur roulant pour des débits de données plus élevés en exploitant l’acquisition d’images ligne par ligne. Les ingénieurs ont validé ces technologies à l’intérieur de maquettes réalistes de CubeSat 12U et de microsatellites, dotées de parois réfléchissantes et d’obstacles internes. «Les essais ont confirmé que la lumière réfléchie par les surfaces intérieures contribue à maintenir une communication fiable hors visibilité directe lorsque les lignes de visibilité directe sont obstruées», déclare Jose Rabadán-Borges. «De plus, les capteurs des caméras étant naturellement très sensibles, les LED émettrices peuvent fonctionner à puissance réduite, sans empêcher le récepteur de détecter les signaux faibles provenant de LED de faible puissance ou de petite taille, ce qui permet de réduire la consommation énergétique globale à l’intérieur des satellites soumis à des contraintes de puissance.»
Des essais satellitaires à d’autres applications industrielles
Après avoir réalisé avec succès tous ses objectifs principaux et atteint le niveau de maturité technologique 5, OCC4SAT a fourni un cadre couvrant les exigences du système, les spécifications, la conception des émetteurs et des récepteurs, les prototypes, les maquettes, les méthodes de validation et une plateforme de simulation numérique. Bien que le déploiement opérationnel nécessite encore des étapes supplémentaires, telles que le développement de modèles d’ingénierie, la préqualification environnementale et la réalisation de démonstrations en orbite, cette technologie s’avère prometteuse. «Au-delà des systèmes spatiaux, cette approche optique sans fil offre des avantages évidents pour les aéronefs sans pilote, la robotique, les systèmes avancés d’aide à la conduite, les plateformes de défense et les environnements industriels où une communication légère et immunisée contre les interférences électromagnétiques est essentielle», conclut Jose Rabadán-Borges.
