Espace

Responsable : Olivier Llopis 
Responsable adjoint : Christophe Louembet

L’espace constitue un thème majeur de recherche et développement pour notre région. Les objectifs dans ce domaine sont autant industriels que scientifiques. Le Centre national d’études spatiales (CNES), voisin du LAAS-CNRS, gère les principales missions satellitaires nationales et est en relation directe avec l’ESA pour les programmes européens. Les deux industriels européens majeurs du domaine, Thales Alenia Space et Airbus Defence & Space, eux aussi implantés à Toulouse, réalisent les systèmes aussi bien pour les commandes du secteur privé que du secteur d’état. Le CNES et ces deux industriels s’appuient depuis de nombreuses années sur les laboratoires Toulousains pour innover, et donc pour effectuer la recherche directement liée à leur activité mais se situant à des niveaux de TRL faibles. Ils s’appuient également sur un réseau de PME pour réaliser des composants spécifiques ou pour mettre en œuvre des compétences qu’ils n’ont pas les moyens de développer en interne.

Le LAAS est, depuis sa création, très fortement impliqué dans ce domaine. Au tout début (1968), le « Laboratoire d’automatique et de ses applications spatiales » avait pour objectif de défricher le terrain de la robotique spatiale et du contrôle des aéronefs. Par la suite, les problématiques traitées au LAAS se sont étendues et chaque nouveau département s’est trouvé à son tour impliqué dans des travaux en relation avec le domaine spatial, en particulier grâce au soutien apporté par les bourses de thèse du CNES ou les contrats CIFRE avec Thales Alenia Space et Airbus D&S.

Les applications concernées sont aussi bien industrielles (ex : les télécommunications) que scientifiques (ex : exploration spatiale, observation de l’univers). Notre apport, qui se situe à différents niveaux, se justifie notamment par l’exigence de performance et de fiabilité que nécessitent les applications spatiales du composant élémentaire jusqu’au système. En effet, la priorité mise sur ces deux objectifs distingue l’industrie spatiale des autres industries qui recherchent en premier lieu à réduire les coûts de développement et de production.

La performance du composant ou du système constitue donc un des premiers paramètres déterminants pour les applications spatiales. Il peut s’agir de performance en termes de consommation, de qualité de signal (rapport signal à bruit, résolution spectrale), de compacité… Les interventions sur les satellites étant à l’heure actuelle très difficiles, la fiabilité est le second paramètre clef. Les composants et les systèmes développés doivent être conçus en fonction d’une durée de vie du satellite d’au moins 10 ans (et si possible 20 ans). Or, ceux-ci sont soumis à des conditions extrêmes, en termes de radiations ou de variations de température, inconnues sur Terre. La fiabilité du système considéré passe en premier lieu par une conception poussée des composants « hardware », mais il est aussi possible de développer la résilience du système grâce à une partie « software » du satellite.

Par ailleurs, les problématiques de transmission de données sont également en évolution constante, aussi bien au sein du satellite qu’entre le satellite et la terre ou entre les stations sol. Enfin, des problématiques spécifiques sont posées par la planification, l’allocation des ressources et le contrôle de sondes lointaines, ou encore le contrôle de tâches critiques en orbite basse (rendez-vous spatial, récupération de déchets…). Nous détaillons ci-après notre impact dans ces différents domaines.  

Les télécommunications spatiales

Il s’agit d’un secteur industriel important, mais qui affronte la concurrence des très hauts débits des réseaux terrestres de fibre optique. L’avenir de ce secteur se situe là aussi dans l’augmentation du débit grâce à la montée en fréquence pour les liaisons RF (gamme millimétrique) ou l’utilisation conjointe de la RF et de transmissions optiques en espace libre. Le relais de l’information tend également à se diversifier. Il peut s’agir aujourd’hui aussi bien d’un satellite géostationnaire que d’un réseau de mini-satellites en orbite basse ou encore d’un ballon stratosphérique (projet Stratobus). Dans tous les cas, le débit est augmenté mais la gestion du réseau doit faire face à une complexité plus importante, et en particulier à des erreurs de bit liées à une plus mauvaise transmission dans l’atmosphère (à haute fréquence RF ou, plus encore, dans le domaine optique). Enfin, l’optique devrait être largement employée dans les charges utiles des futurs satellites pour véhiculer et traiter les données. Quant à l’emploi massif du numérique aux fréquences plus basses (fréquences IF), il devrait se généraliser et permettre une reconfiguration rapide du satellite en fonction des besoins client. L’avenir de ce domaine réside donc dans la convergence des technologies RF, optiques et numériques, ainsi que dans l’optimisation de réseaux de communication hautement reconfigurables, aussi bien au sol que dans le satellite. Le LAAS a développé récemment des activités dans les thématiques de recherche citées. L’axe espace est ainsi un creuset idéal pour la convergence de ces compétences et savoir-faire et place le LAAS en position d’innover dans ce domaine.

Figure 1 : le futur des télécommunications spatiales, avec la combinaison des technologies RF et optiques, l’utilisation de différents supports de transmission (satellite géostationnaire, réseaux de satellites en orbite basse, ballon stratosphérique) et une forte reconfigurabilité des réseaux terrestres et spatiaux.

La plateforme satellite

La plateforme satellite assure le fonctionnement du satellite et de la charge utile. Elle pose des problèmes spécifiques de génération et de stockage de l’énergie, mais aussi de GNC (Guidage, Navigation, Contrôle) pour la gestion de l’orbite et l’attitude. L’autonomie complète est un axe travail ouvert qui correspond parfaitement à certaines problématiques traitées au LAAS-CNRS.

La nécessité d’une autonomie accrue est illustrée par la sonde d’exploration lointaine Rosetta pour laquelle les possibilités d’intervention des ingénieurs au sol sont quasi-nulles (ou avec un temps de latence rédhibitoire en cas de problème). Dans ce cadre, une équipe du LAAS-CNRS a montré qu’un ordonnancement optimisé permet à la sonde de réaliser un certain nombre de tâches scientifiques dans un contexte d’énergie limité.

Dans un contexte plus général, la gestion de l’énergie de la plateforme satellite est un aussi un enjeu dans lequel l’axe Espace peut apporter une plus-value, notamment en collaborant avec l’axe Energie.

Par ailleurs, les problèmes de guidage et de contrôle d’attitude et d’orbite sont présents dans tous les systèmes spatiaux. Ils s’étendent aujourd’hui du problème de contrôle d’attitude et d’orbite pour les satellites de télécom et d’observation en passant par le rendez-vous orbital jusqu’à l’évitement de débris spatiaux. Le LAAS-CNRS est depuis longtemps impliqué dans ces problématiques. Suivant le contexte (planification de mission ou calcul de manœuvres), elles supposent à la fois du calcul au sol et du calcul temps réel embarqué, et sont donc à l’intersection de la commande et de l’informatique (pour le cas embarqué).

Du point de vue de la navigation, des capteurs spécifiques à hautes performances sont nécessaires, comme des horloges très précises permettant le positionnement du satellite ou de la sonde. Ces capteurs de positionnement doivent parfois être couplés à d’autres capteurs pour réussir, par exemple, un rendez-vous spatial. On retrouve ici les problématiques de conception d’instruments et de fusion de données multi-capteurs pour l’observation de l’état du satellite mais aussi de l’environnement. Ces deux points sont actuellement déjà étudiés parallèlement dans plusieurs équipes du laboratoire et le croisement des connaissances et des compétences doit pouvoir être favorisé au sein de l’axe Espace et apporter des problèmes scientifiques d’intérêt commun.

Figure 2 : Contrôle adaptatif d’attitude du satellite Piccard

L’observation et l’exploration spatiale

La conception de capteurs à haute performance pour la détection dans les domaines optique ou terahertz, la conception de radars ou de lidars embarqués, ou encore de spectromètres à haute résolution, ou des éléments clefs de tels systèmes (filtres, sources de fréquence…) fait d’ores et déjà partie des objectifs de certaines équipes du LAAS. Ces travaux pourraient être renforcés par des collaborations au niveau local, par exemple avec l’IRAP.

Plus spécifiquement, la recherche d’une activité biologique extra-terrestre, ou d’éléments chimiques complexes, constitue un défi particulièrement motivant. Une telle recherche peut être menée par un robot, sur Mars ou sur tout autre objet du système solaire susceptible d’abriter des réactions chimiques complexes (satellites de Jupiter ou de Saturne, par exemple). Les approches de bio-puces développées au LAAS pour le milieu médical pourraient trouver ici une nouvelle voie d’application.

Figure 3 : Module Philae de la mission Rosetta, sur lequel le LAAS est intervenu pour l’ordonnancement des tâches

Fiabilité

La fiabilité des composants et des systèmes est un impondérable des applications spatiales. Elle implique de longues études de qualification et l’utilisation d’approches robustes lors de la conception. Ces travaux sont menés aujourd’hui au LAA-CNRS aussi bien au niveau composant que système. Les filières récentes de composants (ex : GaN, SiGe…) sont étudiées vis-à-vis de différents stress (radiations, RF…).

L’électronique doit être suffisamment robuste, redondante et avec une prise en compte des problèmes de compatibilité électromagnétique. Les systèmes numériques doivent être tolérants aux fautes, en particulier vis-à-vis des dégâts locaux occasionnés par des particules de haute énergie. Les problématiques de sûreté de fonctionnement, d’analyse de la santé des systèmes composant le satellite et de reconfiguration d’architecture sont des thématiques de recherche ancrées au LAAS depuis longtemps.

Appliquées aux systèmes spatiaux, ils doivent apporter des capacités de résilience dans un contexte d’autonomie de plus en plus poussée. Le fait de rassembler des problématiques à la fois composant et système autour de la fiabilité donne aujourd’hui au LAAS une place particulièrement originale sur ces travaux.

La miniaturisation des satellites

Si les satellites géostationnaires de télécommunications ont eu tendance à augmenter en taille et en complexité, afin de répondre à leurs missions impliquant toujours plus de débit et une couverture au sol reconfigurable, d’autres catégories d’objets spatiaux ont eu une évolution en sens inverse (du moins pour leurs dimensions). Les « clusters » de satellites en orbite basse sont constitués de mini-satellites, d’un poids inférieur à 100 kg pour chacun d’eux.

Les nanosatellites, ou cubesat (à cause de l’élément de base cubique de 10 cm de côté), d’un poids inférieur à 10 kg, permettent d’assurer des missions de plus en plus complexes. Ils représentent un projet qui se place à l’échelle d’un laboratoire, voire d’une équipe, et font aujourd’hui l’objet de programmes éducatifs avec en particulier la création récente du Centre Spatial Universitaire de Toulouse qui permet de fédérer les travaux sur différents projets de ce type.

Enfin, il est probable que l’on puisse aller plus loin dans la miniaturisation et proposer demain des satellites avec des masses de l’ordre de quelques centaines de grammes et néanmoins véritablement opérationnels. Le LAAS est particulièrement bien positionné pour participer à cette évolution. Il peut proposer des approches originales aussi bien au niveau de l’intégration système que vis-à-vis de charges utiles (mesure embarquée de composants électroniques ou optiques soumis aux rayonnements spatiaux, expérimentations sur des bio-puces en micro-gravité…).

Figure 4 : Charge utile du nanosatellite NIMPH, en cours de développement au LAAS (collaboration LAAS-CNRS, UPS, ISAE), qui vise à étudier la dégradation de fibres optiques amplificatrices dans l’espace