Les technologies spatiales du futur

A l’avant-garde des technologies spatiales du futur

Les technologies spatiales du futur

A l’avant-garde des technologies spatiales du futur

Dans ce domaine hyper compétitif qu’est celui des satellites, il est aujourd’hui vital de fabriquer « plus » et « plus vite ». Les nouvelles technologies constituent un levier devenu résolument incontournable pour pouvoir fabriquer davantage de satellites, et adresser de nouvelles missions, dans un environnement industriel en pleine mutation.

Fabrication additive, robots, cobots, usine du futur 4.0, « double réalité » virtuelle et augmentée, Digital Twins… Souvent galvaudé, le mot innovation a déjà pris toute sa dimension dans les salles blanches de Thales Alenia Space !

Les satellites de télécommunications d’aujourd’hui sont entièrement numériques, extrêmement flexibles et, pour certains d’entre eux, reconfigurables en orbite en quasi temps réel. Dans le domaine de l’observation de la Terre, de nouvelles approches sont apparues. Avec la constellation BlackSky, l’on pourra faire de l’observation optique submétrique à haute revisite. L’Internet des Objets, la 5G/6G font partie intégrante des nouveaux besoins du marché. L’on assiste en parallèle à une miniaturisation des technologies.

Nos ordinateurs et nos smartphones deviennent de plus en plus compacts tout en étant plus capacitifs. Cette tendance se confirme dans de nombreux domaines industriels ; l’espace n’y fait pas exception. Cette section a pour but, sans s’aventurer dans le domaine pur et dur de la prospective, d’essayer de comprendre quelles seront les technologies spatiales utilisées dans un futur proche. La liste est bien évidemment non exhaustive. Cette partie sera consacrée à l’apport du secteur spatial pour accompagner le déploiement de la 5G ainsi qu’aux télécommunications quantiques.

La 5G : nouveaux enjeux et apport du spatial

5G
© iStock

Les nouveaux enjeux :

La cinquième génération des standards en matière de télécommunications mobiles - 5G – aura pour avantage de démultiplier la performance des réseaux de communication 4G tout en ouvrant la voie à une nouvelle révolution numérique. Avec la 5G, nous entrons de plain-pied dans l’aire de l’ultra haut débit avec des échanges de données qui pourraient atteindre une vitesse dix fois, voire cent fois, plus rapide que la 4G ! Cette évolution permettra notamment de révolutionner l’expérience utilisateur, lors du visionnage, par exemple, de vidéos en haute définition. Avec une fiabilité accrue et une quasi-instantanéité des transmissions, la 5G contribuera à l’apport de connectivité partout, supportant une grande densité de connexions d’objets en simultanée. La 5G ouvre aussi un immense champ des possibles, favorisant le développement à très grande échelle de l’Internet des objets (IoT). Les acteurs du B to B vont être les grands bénéficiaires de la 5G. Cette prochaine génération de télécommunication mobile va constituer le socle de la transformation numérique de l’industrie. Elle offre une nouvelle passerelle vers l’autonomisation des processus industriels. Nous évoluons vers le remplacement des technologies industrielles basées sur des systèmes dédiés, fermés, et donc coûteux, par l’IoT industriel, c’est-à-dire des machines connectées, pilotées et supervisées à distance et en temps réel avec un flux descendant et ascendant d’informations, et pour lequel le réseau ne sera plus filaire.

La 5G va s’imposer inexorablement comme le système nerveux de l’usine de demain. Le secteur spatial compte participer activement au déploiement de la 5G en permettant d'étendre la couverture et la capacité de diffusion du réseau pour répondre efficacement aux besoins de nouveaux usagers (secteur du transport, de la sécurité, de la santé, des médias et loisirs, de l’agriculture, etc). En effet, la 5G exige une couverture mondiale pour répondre à la volonté des gouvernements de réduire la fracture numérique, à la demande des consommateurs qui attendent une disponibilité du service partout où ils se trouvent et aux exigences de nouveaux usagers. Pour sa mise en place, la 5G utilisera les a relais des opérateurs mais également de nouvelles bandes de fréquences, non utilisées par la 4G. Le déficit de couverture lié à la 4G pourrait être résolu, notamment grâce aux satellites. Ces derniers pourraient en effet intégrer, pour la première fois, un standard de téléphonie mobile - celui de la 5G - permettant d’étendre la couverture et la capacité de diffusion du réseau pour répondre efficacement et de manière fiable aux besoins de la population mondiale. A l'avenir, nos smartphones se connecteront directement à des satellites, en plus des antennes mobiles.

L’apport du satellite

Image of an astronaut at the bus station
© iStock

Le satellite est une formidable solution technologique au service de la réduction de la fracture numérique et du désenclavement numérique pour tous. Il permet ainsi de fournir des services de télécommunications par satellite dans des zones jusqu’ici isolées (montagnes, forêts, zones rurales), de même que pour les télécommunications mobiles (transports maritime et aéronautique en particulier). Le satellite n’offrira pas, dans ces zones, le même niveau de performance que les réseaux d'antennes mais garantira un service de communication mobile minimal. Il sera d’un apport certain au développement de la connectivité à l’intérieur des bâtimen'ts. Répondant, avec fiabilité, aux besoins des nouveaux usagers, le satellite offrira la capacité de certifier et d’assurer un niveau de précision décimétrique des services de géolocalisation offerts par la 5G.

Cargos munis de capteurs traversant l’océan ou modems embarqués dans les voitures, le satellite permettra de supporter une grande densité d’objets connectés en simultané… Le satellite constitue un formidable outil pour répondre à l’immense défi posé par l’explosion de l’IoT.

La contribution de Thales Alenia Space au développement de la 5G

Thales Alenia Space a, depuis 2018, pris la tête de la conduite de la standardisation menée auprès du corps de normalisation international - 3GPP - pour que la 5G puisse supporter les solutions satellite.

Le 3GPP avait validé, en 2018, un premier ensemble de normes 5G (« Release 15 ») qui devait permettre de déployer et d’exploiter au plus vite cette nouvelle technologie. Les efforts menés par Thales Alenia Space et ses partenaires ont permis d’aboutir en 2018 à un rapport de faisabilité du support du satellite par le système 5G et au démarrage de la phase normative fin 2019. Ainsi, la « Release 17 » du 3GPP prévoit notamment d’intégrer en 18 mois la composante satellite dans les réseaux 5G. Depuis avril 2022, un ensemble de spécifications techniques mondiales (« Non Terrestrial Networks »), mené sous l’impulsion de Thales Alenia Space, est disponible pour assurer l’intégration sans couture de satellites de télécommunications et HAPS (High Altitude Platform System) dans les réseaux 5G et permettre la mise en œuvre d’un réseau unique mondial.

Thales Alenia Space participe également activement au développement et à la démonstration de technologies qui permettront d’accéder à des services haut débit :

Image of Omnispace
Omnispace © Thales Alenia Space

  • Février 2018, Thales Alenia Space est partenaire de la première démonstration de la technologie 5G lors des Jeux Olympiques de Pyeongchang, en Corée du Sud, dans le cadre du projet « Horizon 2020 » 5G Champion. Cette démonstration consistait notamment à équiper en 5G une partie des bus transportant les spectateurs entre les sites olympiques, avec des écrans diffusant des vidéos 3D de très haute qualité. Les voyageurs ont aussi pu faire l’expérience du très haut débit
  • Juillet 2018, Thales Alenia Space est impliquée dans le projet de recherche et développement 5G ALLSTAR. Celui-ci s'appuie sur les résultats et l'expérience de coopération du projet « Horizon 2020 » 5G CHAMPION pour concevoir, développer et tester la multi-connectivité basée sur des accès multiples, combinant les technologies cellulaires et d'accès par satellite sélectionnées au sein d’un ensemble « Proof of Concepts », pour soutenir des services à haut débit fiables et disponibles.
  • Février 2020, Thales Alenia Space a finalisé une étude de faisabilité d’une infrastructure satellitaire pour offrir un service large bande directement destiné à des smartphones. Cette étude financée par le CNES a permis de valider certains concepts techniques ainsi que les éléments économiques nécessaires à la mise en place de constellations de satellites qui s’appuieront sur le standard 5G pour offrir une couverture étendue aux usagers.

  • Avril 2020, Thales Alenia Space s’est vue attribuer par Omnispace la maîtrise d’œuvre de deux nano satellites en orbite basse, SPARK-1 et SPARK-2. Ceux-ci formeront la composante initiale de l’infrastructure de réseau satellitaire dédiée à l’Internet des Objets (IoT) permettant à Omnispace de mettre en œuvre sa vision d’un réseau hybride mondial, basé sur les normes 3GPP. Les deux premiers satellites ont été lancés avec succès en 2022.
  • Février 2021, Thales Alenia Space s’est associée à l’opérateur sud-coréen KT SAT, première société au monde à commercialiser la 5G, pour l’implémentation d’une démonstration visant à amener du réseau 5G dans des régions isolées à l’aide du satellite de télécommunications géostationnaire Koreasat-5A.
  • Juillet 2021, Thales Alenia Space s’est associée à Hellas Sat pour réaliser une démonstration de liaison 5G par satellite. L’expérimentation consistait à assurer la connexion entre un réseau cœur et une station de base par le biais du satellite Hellas Sat 3 / Inmarsat S EAN, construit par Thales Alenia Space. Le satellite complètera le réseau 5G terrestre, devenant même partie intégrante puisqu’il réceptionnera les données du réseau 5G provenant de la Terre pour les retransmettre vers les zones blanches.

Les télécommunications quantiques :

La physique quantique se développe au cours de la première moitié du XXème siècle (1900-1948) et se traduit par des avancées majeures comme l’invention du transistor, dès 1947, puis du laser en 1960 . Notre monde ne serait pas ce qu’il est aujourd’hui sans cette première révolution quantique. Elle s’est basée sur des dispositifs qui manipulent de grandes quantités d’objets quantiques (électrons, photons). Les applications qui en ont découlées sont omniprésentes dans notre quotidien : tous les appareils électroniques jusqu’aux smartphones, mais aussi les faisceaux laser des réseaux de fibre optique, des lecteurs Blu-ray, les lecteurs de code-barres, les lasers utilisés en médecine, ainsi que les moyens médicaux comme l’IRM, etc.

Aujourd’hui, nous sommes véritablement à l’aube d’une seconde révolution quantique, qui se traduit par la capacité récente à manipuler des objets quantiques un par un.

On distingue à ce jour 3 domaines applicatifs :

  • L’informatique quantique, domaine sur lequel nous ne positionnons pas, qui permettra de concevoir et programmer des calculateurs permettant de décupler la puissance de calcul des ordinateurs actuels.
  • Les capteurs quantiques, qui visent à développer des instruments de mesure avec une performance inégalée, tels que des horloges atomiques, des antennes, des accéléromètres ou des gravimètres quantiques. De façon générale, l'utilisation des propriétés quantiques de la matière permet aujourd'hui d'entrevoir des facteurs d'amélioration par rapport aux instruments de mesure classique d'une échelle de 10 à 100 à minima, voire 1000 dans certains cas. Ces capteurs ouvrent la voie à d’innombrables perspectives applicatives à même de toucher de très nombreux secteurs d’activité : l'industrie, l’automobile ou le domaine de la défense en particulier, la santé pour pouvoir diagnostiquer certaines maladies neurodégénératives, la science etc... Le groupe Thales investit de manière significative dans des recherches portant sur les capteurs quantiques ; Thales Alenia Space concevra des satellites dont ils constituent le cœur de la charge utile.
  • Le troisième point concerne les télécommunications quantiques. Thales Alenia Space est positionnée sur ce volet à différents niveaux. Tout d’abord, il faut savoir que la physique quantique permet de partager des chaînes de nombres aléatoires à distance sans les échanger, de manière à ce qu'elles soient totalement confidentielles. On parle alors de cryptographie quantique ou de « clés quantiques (QKD) ». Ces dernières permettent un chiffrement ultra-sécurisé pour transmettre des données avec un très haut niveau de confidentialité contrôlée. Il s’agit d’un point crucial car nous savons que les ordinateurs quantiques perceront les clés asymétriques de type chiffrement RSA que nous utilisons tous les jours, sur Internet par exemple. Même si cette hypothèse n'intervient que dans 10 ans, nous devons d'ores et déjà réfléchir aux systèmes de remplacement. Les clefs quantiques en sont une. Leur intérêt réside dans le fait que les systèmes actuels font l’hypothèse qu’aucun moyen de calcul ne peut percer le code, ce qui n’est pas prouvé. Le domaine gouvernemental, le système de santé aux données particulièrement sensibles ou encore les infrastructures critiques dédiées à la distribution d'énergie ou au transport aérien, sont concernés par ces travaux. Les banques centrales sont également intéressées car les clés quantiques permettraient d’émettre des crypto monnaies de façon sécurisée ou de procéder à une "tokenisation" des titres financiers mais aussi les NFT. Pour les experts de ces banques centrales, il n'y a que trois moyens de sécurisation du niveau requis, dont les clefs quantiques. Au-delà de l’établissement de clefs quantiques, les communications quantiques permettront de développer un nouveau type de réseaux qui connecteront entre eux des capteurs quantiques ou des ordinateurs quantiques pour permettre des performances toujours plus élevées. Les dispositifs qui permettront ces Réseaux d’Information Quantique existent déjà en laboratoire, mais nous devons encore progresser pour les rendre fiables et opérationnels.

Rôle du spatial dans les futures infrastructures de télécommunications quantiques

Tomorrow’s quantum communications networks
© Thales Alenia Space/Master Image Programmes

Le transfert des états quantiques d'un endroit à un autre utilise une à une des particules de lumière : les photons qui se propagent dans de la fibre optique ou en espace libre.

Il est possible de placer deux photons distants dans une superposition d’états quantiques complémentaires et corrélées. Dans ce cas, les deux particules sont liées par une propriété appelée intrication quantique.

Le transport des particules de lumière grâce à la fibre optique nécessite que l’infrastructure quantique ait une composante terrestre en fibre optique dans chaque agglomération, qui soit connectée aux autres agglomérations par une composante satellite.

En effet, dans de la fibre optique, qui est un milieu dense, les photons sont absorbés par la matière. Comme ils sont quantiques, ces signaux sont très faibles, et on ne peut pas les amplifier car cela perturberait leur état. Il en résulte que la portée du signal quantique est limitée à une centaine de kilomètres en fibre optique. En espace libre, on s'affranchit de cette contrainte. Un satellite peut diriger un faisceau laser vers la Terre et atteindre un millier de kilomètres. Pour relier les grandes métropoles, les liens via satellite sont incontournables. Les satellites sont ainsi essentiels au développement des communications quantiques.

Où en est Thales Alenia Space dans le domaine ?

Thales Alenia Space and quantum communications
© Thales Alenia Space/Master Image Programmes

Des travaux exploratoires ont été menés il y a plus de 10 ans pour évaluer le potentiel de la cryptographie quantique pour des produits nécessitant des communications hautement sécurisées. En particulier, un démonstrateur complet a été réalisé par Thales et ses partenaires académiques. Il a été installé et testé en grandeur nature sur des réseaux de fibres optiques connectant des nœuds distants à l’échelle d’une métropole.

Thales Alenia Space travaille activement sur différents projets liés aux communications quantiques, et a commencé à ouvrir plusieurs chantiers relatifs aux capteurs et ordinateurs.

En matière de communications quantiques, Thales Alenia Space contribue :

  • aux projets de clés quantiques, qui préparent l’European Quantum Communication Infrastructure à travers le « test bed » OpenQKD, les phases A et B d’EuroQCI (avec Deutsche Telekom), le programme SAGA de l’ESA pour la composante spatiale d’EuroQCI et la partie quantique de la future constellation européenne « Secured Connectivity ». Thales Alenia Space pourra capitaliser sur son expertise inégalée en constellations pour faire partie intégrante de cet ambitieux programme souverain, à l’initiative du Commissaire Européen, Thierry Breton.
  • à la définition et au prototypage d’éléments spatiaux pour les réseaux d’information quantique avec en ligne de mire, une démonstration en orbite d’ici 2025.