FR3139691A1 - Système et procédé de communication par constellation de satellites - Google Patents

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Abstract

Système de communication par constellation de satellites, comprenant : une première couche de satellites placés sur une orbite terrestre très basse (VLEO),une seconde couche de satellites placés sur une orbite terrestre moyenne (MEO),une ou plusieurs stations terrestres prévues (i) pour recevoir des flux d’information d’un ou plusieurs satellites des première ou seconde couches en provenance d’un terminal utilisateur ou (ii) émettre des flux d’information via un ou plusieurs satellites des première ou seconde couches à destination d’un terminal utilisateur, etun centre de gestion du trafic dudit système, agencé pour router lesdits flux d’information prioritairement via un ou plusieurs satellites de la première couche (VLEO), et pour, en absence de lien de communication avec la première couche (VLEO), rerouter lesdits flux d’information via un ou plusieurs satellites de la seconde couche (MEO). Voir Figure 1

Description

Système et procédé de communication par constellation de satellites DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un système de communication par constellation de satellites. Elle vise également un procédé de communication mis en œuvre dans ce système. Le domaine de l’invention est celui des constellations de satellites destinées à fournir une couverture globale pour les télécommunications.
 ETAT DE LA TECHNIQUE
Des constellations de satellites se sont développées depuis plusieurs années, avec pour objectif d’offrir des services de télécommunication en tout point du globe.
On connait par ailleurs des initiatives de certaines combinaisons de satellites sur orbite terrestre géostationnaire GEO (pour « Geo-stationary Earth Orbit »), sur orbite terrestre moyenne MEO (pour « Medium Earth Orbit »), sur orbite terrestre basse LEO (pour « Low Earth Orbit »), et/ou sur orbite très basse VLEO (pour « Very Low Earth Orbit ») typiquement inférieure à 400 km, pour répondre à des besoins en matière de télécommunications haut débit.
Le documentUS 11,290,178 B2divulgue un procédé et système d'utilisation de satellites en orbite terrestre basse à des fins de réduction de latence, mettant en œuvre un premier canal en orbite terrestre basse (LEO) et un second canal en orbite équatoriale géosynchrone (GEO) et comprenant une détermination du canal à choisir selon le type de trafic impliqué dans une session de données.
Le documentUS 11,362,732 B2divulgue un système et procédé satellitaire pour des applications de communication, avec une couverture mondiale, utilisant deux constellations sur des orbites LEO différentes, avec des liaisons inter-satellites entre les satellites de chaque constellation, et des liaisons inter-satellites entre les constellations. La première constellation est déployée dans une région polaire LEO avec une inclinaison préférée de 99,5 degrés et une altitude préférée de 1000 km. La deuxième constellation est déployée sur une orbite LEO inclinée avec une inclinaison préférée de 37,4 degrés et une altitude préférée de 1250 km.
Il existe des projets de constellations de télécommunications VLEO pour des services de télécommunications haut débit. Le déploiement d’une constellation VLEO apporte de multiples avantages en termes de :
  • meilleurs temps de latence inhérents aux distances moindres de propagation,
  • meilleurs débits inhérents aux bilans de liaison plus favorables,
  • durabilité environnementale grâce à la densité résiduelle de l’atmosphère permettant une rentrée rapide dans l’atmosphère des satellites en fin de vie (réduisant le risque de génération de débris orbitaux), l’absence de risques de collision avec les stations habitées, et une moindre pollution lumineuse sur l’astronomie optique.
En revanche, le déploiement d’une constellation VLEO présente également des inconvénients liés à la très basse altitude de déploiement.
D’une part, elle requiert, relativement à des constellations déployées à plus hautes altitudes, un nombre plus important de satellites pour permettre une couverture continue nécessaire pour les services de télécommunications haut débit ainsi que pour rendre possible en tout point l’établissement de liens entre les satellites et les terminaux utilisateurs avec des angles d’élévation supérieurs à certains minima souhaitables (e.g. 40 degrés) en cas de masquage.
D’autre part, la zone de couverture (i.e surface de la terre visible par le satellite) des satellites VLEO étant plus restreinte, ils disposent d’une moindre flexibilité dans l’allocation spatiale de leurs ressources de spectre et de puissances ; par conséquent ils sont plus sujets à devoir faire face à des pics de demandes à certaines heures de la journée des terminaux utilisateurs visibles.
Le but de la présente invention est de dépasser ces limitations et de résoudre ces inconvénients en proposant un nouveau concept de système de satellites procurant un service de haut débit par une constellation de satellites VLEO performant et durable environnementalement, tout en étant plus efficace et résilient que les systèmes actuels.
Cet objectif est atteint avec un système de communication par constellation de satellites, comprenant :
  • une première couche de satellites placés sur une orbite terrestre très basse (VLEO),
  • une seconde couche de satellites placés sur une orbite terrestre moyenne (MEO),
  • une ou plusieurs stations terrestres prévues (i) pour recevoir des flux d’information d’un ou plusieurs satellites des première ou seconde couches en provenance d’un terminal utilisateur ou (ii) émettre des flux d’information via un ou plusieurs satellites des première ou seconde couches à destination d’un terminal utilisateur, et
  • un centre de gestion du trafic dudit système, agencé pour router lesdits flux d’information prioritairement via un ou plusieurs satellites de la première couche (VLEO), et pour, en absence de lien de communication avec la première couche (VLEO), rerouter lesdits flux d’information via un ou plusieurs satellites de la seconde couche (MEO).
Avec le système de communication selon l’invention, la combinaison de la couche MEO, constituée d’un nombre limité de satellites, - typiquement quelques dizaines de satellites -, avec la couche VLEO, constituée d’un grand nombre de satellites, - typiquement plusieurs centaines à plusieurs milliers de satellites, - permet de fournir un service de haut débit offrant les avantages d’une constellation déployée en VLEO (meilleurs temps de latence, meilleurs débits, durabilité environnementale) en résolvant les problèmes techniques suivants, quelles que soient les latitudes entre 0 degré et ± 90 degrés sur lesquelles la couche VLEO est déployée :
(i) rendre possible en tout point l’établissement de liens de télécommunications entre les satellites et les terminaux utilisateurs avec des angles d’élévation supérieurs à certains minima souhaitables (e.g. 40 degrés) tout en limitant le nombre de satellites de la couche VLEO (e.g. en densifiant les plans orbitaux de la couche VLEO pour des angles d’élévation de 25 degrés seulement), en reroutant vers la couche MEO au besoin une partie du trafic dont les liens de télécommunications ne peuvent pas être établis à cause d’un masquage en raison des angles d’élévation (e.g. compris entre 25 degrés et 40 degrés),
(ii) éviter de dimensionner l’ensemble des sous-systèmes (e.g. calculateurs embarqués, liens inter-satellitaires, panneaux solaires, batteries) de l’ensemble des satellites de la couche VLEO selon le pic de trafic en reroutant vers la couche MEO au besoin une partie du trafic non sensible à la latence (e.g. video streaming) lors des pics de trafic et des risques de congestion des satellites VLEO,
(iii) permettre plus rapidement une couverture continue nécessaire pour fournir les services de télécommunications haut débit malgré un déploiement partiel des plans orbitaux de la couche VLEO (e.g. ne couvrant un terminal utilisateur que 95% du temps) en reroutant vers la couche MEO une partie du trafic lorsque les liens de télécommunications ne peuvent pas être établis au moment où le terminal utilisateur est situé hors des zones de couverture des satellites VLEO,
(iv) permettre une redondance de la couche VLEO en reroutant vers la couche MEO une partie du trafic lorsque les liens de télécommunications ne peuvent pas être établis en cas de défaillance d’un ou de plusieurs satellites de la couche VLEO.
Ainsi, dans le système de communication selon l’invention, le centre de gestion du trafic peut en outre être agencé pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche MEO, en réponse à l’impossibilité d’établir un lien de télécommunication à cause d’un masquage en raison d’un angle d’élévation dudit satellite de la première couche VLEO.
On peut aussi avantageusement prévoir que le centre de gestion du trafic soit en outre agencé pour rerouter un flux d’information non sensible à la latence vers un satellite de la seconde couche MEO, en réponse à une détection d’un pic de demande de trafic et de risques de congestion sur les satellites de la première couche VLEO.
Le centre de gestion du trafic peut aussi être agencé pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche MEO, en réponse à une impossibilité d’établir un lien de communication vers un satellite visible de la première couche VLEO, ou pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche (MEO) en réponse à une détection de défaillance dans la première couche de satellites (VLEO).
Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un procédé de communication, mis en œuvre dans un système de communication par constellation de satellites selon l’invention, comprenant les étapes suivantes :
  • router des flux d’information provenant ou à destination d’une ou plusieurs stations terrestres ou de terminaux utilisateurs, via un ou plusieurs satellites au sein d’une première couche de satellites placés sur une orbite terrestre très basse (VLEO), et
  • en absence de lien de communication avec ladite première couche (VLEO), rerouter lesdits flux d’information via ou plusieurs satellites au sein d’une seconde couche de satellites placés sur une orbite terrestre moyenne (MEO).
Le procédé de communication selon l’invention peut en outre avantageusement comprendre une étape pour rerouter vers la seconde couche (MEO) des flux d’information qui devaient être initialement acheminés vers la première couche (VLEO) mais dont les liens de télécommunications ne peuvent pas être établis en raison des angles d’élévation, ou étant non sensibles à la latence lors des pics de trafic et des risques de congestion des satellites VLEO, ou ne pouvant être établis lorsqu’un terminal utilisateur est situé hors des zones de couverture des satellites VLEO (e.g. en cas de déploiement partiel des satellites de la couche VLEO), ou en cas de défaillance d’un satellite de la couche VLEO.
Les terminaux utilisateurs concernés par le système et procédé selon l’invention peuvent être statiques ou en mouvement, en particulier au sein de véhicules terrestres (voitures, camions, trains), d’aéronefs ou de bateaux.
 DESCRIPTION DES FIGURES
  • La illustre schématiquement un système de télécommunication par satellites selon l’invention ;
  • La illustre schématiquement une partie du procédé de télécommunication selon l’invention, prenant en compte l’angle d’élévation des satellites ;
  • La illustre schématiquement une autre partie du procédé de télécommunication selon l’invention, dédiée à la prise en compte du trafic sensible à la latence ;
  • La illustre schématiquement encore une autre partie du procédé de télécommunication selon l’invention, dédiée au reroutage en cas d’absence de visibilité ; et
  • La illustre schématiquement encore une autre partie du procédé de télécommunication selon l’invention, dédiée au reroutage en cas de défaillance.
 DESCRIPTION DETAILLEE
On va maintenant décrire, en référence à la , un exemple de réalisation d’un système de communication par satellites 1 selon l’invention.
Ce système de communication 1 comprend :
  • sur une orbite VLEO (pour « Very Low Earth Orbit : orbite terrestre très basse ») Ov située à une altitude comprise entre 250 et 400 km, à titre d’exemple non limitatif 375 km, une première couche Cv de plusieurs centaines à plusieurs milliers de petits satellites Sv,Sv1,Sv2, à titre d’exemple non limitatif 1100;
  • sur une orbite MEO (pour « Medium Earth Orbit : orbite terrestre moyenne ») Om située à une altitude comprise entre 6000 et 15000 km , à titre d’exemple non limitatif 8100 km, une seconde couche Cm de quelques dizaines de petits satellites Sm, à titre d’exemple non limitatif 50,
  • à la surface Gr du globe terrestre, un ensemble de stations terrestres Gs1,Gs2 et communicant avec des centres de données (clouds) Ds1,Ds2,
  • un centre de gestion du trafic CC prévu pour contrôler les satellites des deux couches de la constellation de satellites.
A titre d’exemples non limitatifs, les satellites de la première couche VLEO ont une masse comprise entre 150 et 500 kg. Leur profil aérodynamique doit être prévu pour minimiser la surface de contact et la trainée aérodynamique des satellites. Ces satellites VLEO sont équipés de liens inter-satellitaires optiques, d’un calculateur de bord pour le routage du trafic et d’antennes actives permettant le pointage de multiples faisceaux de communication.
Les satellites de la seconde couche MEO ont une masse comprise entre 250 et 1000 kg et sont équipés d’antennes actives permettant le pointage de multiples faisceaux de communication.
Des terminaux utilisateurs UT – qui peuvent être stationnaires ou mobiles -équipés d’antennes actives permettant le pointage des faisceaux de communication, sont configurés pour réaliser d’une part des communications Clv avec des satellites de la première couche sur orbite VLEO, et d’autre part des communications Clm avec des satellites de la seconde couche sur orbite MEO.
Les stations terrestres Gs1,Gs2 sont configurées pour transmettre les flux de communication (i) reçus d’un ou plusieurs satellites Sm ;Sv,Sv1,SV2 des première ou seconde couches à destination d’un terminal utilisateur UT ou (ii) émis via un ou plusieurs de ces satellites depuis un terminal utilisateur UT.
Ces terminaux utilisateurs, qui peuvent être embarqués dans des systèmes de mobilité tels que des véhicules terrestres (voitures, camions, trains), aéronefs ou bateaux, communiquent avec les deux constellations de satellite, et communiquent avec un réseau central intégré 5G non terrestre (NTN : pour « Non Terrestrial Network »).
La seconde couche de satellites Cm est configurée pour procurer une couverture globale et un haut niveau de flexibilité tandis que la première couche de satellites Cv est configurée pour procurer une performance de communication (latence, débits) et une durabilité environnementale élevées.
Des liens de communication optique Ol1, Ol2 sont prévus entre deux satellites Sv1,Sv ;Sv,Sv2 qui se suivent au sein de la première couche VLEO.
On va maintenant décrire, en référence aux Figures 1 à 5, des exemples de réalisation de modules spécifiques du procédé de télécommunication par constellation de satellites selon l’invention. Des références identiques sur chacune des Figures 2 à 5 correspondent à des éléments et composants identiques.
En référence à la , un flux de communication issu soit d’un terminal utilisateur UTi soit d’une station terrestre GSj est routé prioritairement via la couche VLEO. Dans le cas où un des liens de télécommunications ne peuvent pas être établis à cause d’un masquage en raison des angles d’élévation trop faible, le flux d’information est rerouté via la seconde couche MEO.
En référence à la , un flux de communication issu soit d’un terminal utilisateur UTi soit d’une station terrestre GSj est routé prioritairement via la couche VLEO. Dans le cas où un pic de flux d’information et des risques de congestion des satellites VLEO est détecté, une partie du flux d’information non sensible à la latence est alors reroutée via la seconde couche MEO, ce qui permet d’atténuer la surcharge de flux d’information sur la première couche VLEO.
En référence à la , un flux de communication issu soit d’un terminal utilisateur UTi soit d’une station terrestre GSj est routé prioritairement via la couche VLEO. Dans le cas où le terminal utilisateur UTi n’est pas localisé dans la zone de couverture d’un satellite de la couche VLEO, le flux d’information est rerouté via la seconde couche MEO.
En référence à la , un flux de communication issu soit d’un terminal utilisateur UTi soit d’une station terrestre GSj est routé prioritairement via la couche VLEO. Dans le cas de défaillance d’un ou de plusieurs satellites de la couche VLEO, le flux d’information est alors rerouté via la seconde couche MEO.
Le centre de gestion du trafic CC peut communiquer avec chacun des satellites des couches VLEO et MEO de la constellation. Il peut configurer dynamiquement les routes des flux de communication issus de stations terrestres GSj ou de terminaux utilisateurs UTi.
Dans une autre forme de réalisation de la présente invention, la fonction de gestion du trafic et les choix de routage entre les couches MEO et VLEO est distribuée entre les terminaux utilisateurs, les satellites (MEO et VLEO) et les stations terrestres.
Bien sûr, la présente invention n’est pas limitée à l’exemple de réalisation qui vient d’être décrit et bien d’autres modes de réalisation ou de mise en œuvre peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l’invention.

Claims (10)

  1. Système de communication par constellation de satellites, comprenant :
    • une première couche de satellites placés sur une orbite terrestre très basse (VLEO),
    • une seconde couche de satellites placés sur une orbite terrestre moyenne (MEO),
    • une ou plusieurs stations terrestres prévues pour (i) recevoir des flux d’information d’un ou plusieurs satellites des première ou seconde couches en provenance d’un terminal utilisateur ou (ii) émettre des flux d’information via un ou plusieurs satellites des première ou seconde couches à destination d’un terminal utilisateur, et
    • un centre de gestion du trafic dudit système, agencé pour router lesdits flux d’information prioritairement via un ou plusieurs satellites de la première couche (VLEO), et pour, en absence de lien de communication avec la première couche (VLEO), rerouter lesdits flux d’information via un ou plusieurs satellites de la seconde couche (MEO).
  2. Système de communication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le centre de gestion du trafic est en outre agencé pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche (MEO), en réponse à une détection d’un angle d’élévation dudit satellite de la première couche (VLEO) ne permettant pas d’établir un lien de communication.
  3. Système de communication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le centre de gestion du trafic est en outre agencé pour rerouter un flux d’information non sensible à la latence vers un satellite de la seconde couche (MEO), en réponse à une détection d’un pic de demande de trafic et de risques de congestion sur les satellites de la première couche (VLEO).
  4. Système de communication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le centre de gestion du trafic est en outre agencé pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche (MEO), en réponse à une impossibilité d’établir un lien de communication vers un satellite visible de la première couche (VLEO).
  5. Système de communication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le centre de gestion du trafic est en outre agencé pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche (MEO) en réponse à une détection de défaillance dans la première couche de satellites (VLEO).
  6. Procédé de communication par constellation de satellites, mis en œuvre dans le système de communication selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
    • router des flux d’information provenant ou à destination d’une ou plusieurs stations terrestres ou de terminaux utilisateurs, via un ou plusieurs satellites au sein d’une première couche de satellites placés sur une orbite terrestre très basse (VLEO), et
    • en absence de lien de communication avec ladite première couche (VLEO), rerouter lesdits flux d’information via un ou plusieurs satellites au sein d’une seconde couche de satellites placés sur une orbite terrestre moyenne (MEO).
  7. Procédé de communication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche (MEO), en réponse à une détection d’un angle d’élévation dudit satellite de la première couche (VLEO) ne permettant d’établir un lien de communication.
  8. Procédé de communication selon l’une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape pour rerouter un flux d’information non sensible à la latence vers un satellite de la seconde couche (MEO), en réponse à une détection d’un pic de demande de trafic et de risques de congestion sur les satellites de la première couche (VLEO).
  9. Procédé de communication selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche (MEO), en réponse à une impossibilité d’établir un lien de communication vers un satellite visible de la première couche (VLEO).
  10. Procédé de communication selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape pour rerouter un flux d’information vers un satellite de la seconde couche (MEO) en réponse à une détection de défaillance dans la première couche de satellites (VLEO).
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