LES NANOSATELLITES Concept, défis et perspectives

1. 

    ETAT DE L’ART DES NANOSATELLITES

   •  Classification des satellites

Pour commencer l’ère spatiale, trois petits satellites ont été les premiers à être lancés en orbite terrestre basse (LEO) pendant l’Année Géophysique Internationale (IGY) de 1957 à 1958 : Sputnik I, Explorer I et Vanguard 1 :

Figure 1 : Vues des segments spatiaux des missions Sputnik I, Explorer I et Vanguard 1 [1]

Un système de classification a d’abord été proposé par le centre de recherche en ingénierie satellitaire de l’Université de Surrey en Angleterre, et il a été facilement adopté par toute la communauté satellitaire [2]. Le tableau 1 résume cette classification, où chaque classe s’étend sur une plage de masse déployée qui est définie comme la masse du satellite plus celle du combustible :

Tableau 1 : Classification des satellites en fonction de leur masse

•  Description système d’un nanosatellite

Du point de vue système, il est pratique de subdiviser un engin spatial ou satellite en plusieurs éléments fonctionnels comme le montre la figure 2. On distingue ainsi :

• Un segment spatial communément appelé satellite.

• Un segment au sol constitué d’une ou plusieurs stations au sol dont le rôle est d’envoyer les commandes au segment spatial et de recevoir les données de télémétrie et celles de la charge utile embarquée via une liaison radio fréquence.

Figure 2 : Vue globale du système englobant segment spatial et segment au sol

Chacun des éléments du système spatial peut être considéré comme un sous-système exécutant des fonctions qui lui seront associées, et interagissant avec les autres en fonction des objectifs et exigences fonctionnelles de la mission.

Dans le cas d’un nanosatellite, le segment spatial est généralement constitué de deux parties :

• La charge utile qui dépend de la mission. Vu la contrainte de masse des nanosatellites, cette charge utile consiste généralement à faire de l’expérimentation scientifique dans l’espace (évaluer, vérifier et valider certaines technologies et protocoles de communication).

Figure 3 : Sous-systèmes du segment spatial

• La plateforme du segment spatiale est constituée de plusieurs sous-systèmes qui assurent le bon déroulement de la mission. Pour les nanosatellites, il s’agit généralement des sous-systèmes suivants :

• Structure (STR) ou châssis qui assure, d’une part un interfaçage mécanique entre le segment spatial et le lanceur, et d’autre part un environnement de fonctionnement sécurisé contre les effets des radiations spatiales.

• Contrôle d’attitude (ATT) permet d’assurer une orientation optimale du segment spatial dans l’espace en fonction des objectifs de la mission.

• Energie de Bord (EdB) qui a pour tâches principales la production de l’énergie électrique provenant des cellules solaires, son stockage dans des batteries, et sa régulation/distribution sécurisée aux différents sous-systèmes embarqués dans le segment spatial en fonction de leurs besoins en termes de consommation.

• Contrôle Thermique (THER) qui doit garantir au segment spatial un environnement thermique permettant son fonctionnement nominal dans une plage de température comprise entre -40°C et +80°C.

• Communication (COM) qui est composé d’un émetteur/récepteur radio permettant d’assurer un lien fiable entre le segment spatial et celui au sol.

• Ordinateur de Bord (OdB) qui est le système principal de traitement des données et des télécommandes. Il doit ainsi garantir un état opérationnel stable du segment spatial en assurant toute les tâches de supervision et de contrôle.

• Mécanisme de déploiement des Antennes (ANT) qui est un système spécifique pour les nanosatellites, avec comme rôle principal le maintien des antennes en place lors du lancement, et leur déploiement une fois le segment spatial en orbite.

2.  LE CONCEPT CUBESAT

   •  Configurations

Le concept CUBESAT a été proposé par Robert Twiggs (1999) et crée à la suite d’une collaboration entre l’Université Stanford et l’Université Polytechnique de Californie (Cal Poly). Il avait pour but de répondre au besoin d’avoir un satellite qui pourrait être développé dans un délai de 2 ans, à très faible coût et avec un faible poids pour réduire les coûts de lancement.

Cette norme définit la configuration du segment spatial, la masse, le volume, les dimensions extérieures, les procédures de test et les contraintes énergétiques et opérationnelles [3]. Les configurations les plus connues sont les Cubesats 1U, 2U et 3U, où chaque « U » représente un cube de 10 cm. Par exemple, la figure 4 montre l’intégration prévue des sous-systèmes de la plateforme du segment spatial du nanosatellite universitaire MASAT1 dans une configuration 1U (Dimensions nominales de 10 x 10 x 10 cm et masse allant jusqu’à 1,33kg) :

Figure 4 : Configuration 1U du segment spatial de la mission MASAT1

Le tableau 2 résume certains des fournisseurs leaders sur le marché des Cubesat :

Tableau 2 : Certains fournisseurs spécialisés pour les petits satellites

•  Technologies

Les Cubesats sont actuellement conçus pour les orbites terrestres basses (LEO) et l’étendue de leurs applications a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie, en grande partie grâce aux progrès technologiques dans des domaines comme la microélectronique, les modules de communication faible puissance, les cellules solaires photovoltaïques à rendement élevé, les batteries à haute densité d’énergie, les microcontrôleurs à faible consommation et les moteurs/actionneurs miniatures à rendement élevé.

Néanmoins, la petite masse et les dimensions propres aux Cubesats limitent considérablement la quantité d’énergie disponible en orbite, ce qui reste une contrainte à la fois pour la capacité de traitement des processeurs, pour l’utilisation de systèmes redondants, pour le système de communication qui ne dispose pas de suffisamment de puissance pour émettre en continu, et pour le choix de la mission utile.

•  Systèmes de déploiement

La clé de réussite du concept Cubesat est de pouvoir utiliser un système de déploiement en orbite qui répond à un certain nombre d’exigences, à savoir [3] [4] :

• Le système de déploiement doit protéger le lanceur et la charge primaire contre toute interférence mécanique, électrique ou magnétique provenant des Cubesats qui sont considérés comme des charges secondaires.

• Les Cubesats doivent pouvoir être libérés du système de déploiement en utilisant le minimum de ressorts pour minimiser les probabilités de collision avec le lanceur et avec les autres Cubesats.

• Tous les constituants du Cubesat doivent rester attachés pendant le processus de lancement et de déploiement. Aucun débris spatial supplémentaire ne doit être créé.

La solution la plus utilisée est un « conteneur » nommé P-POD (Poly Picosatellite Orbital Deployer), développé par l’Université Polytechnique de l’état de Californie (Cal Poly). Certifié par un grand nombre de lanceurs [5], le P-POD Mark III fournit une enceinte suffisamment solide pour supporter une défaillance structurelle des trois Cubesats qu’il peut contenir, tout en jouant le rôle d’une cage de Faraday pour protéger la charge utile primaire du lanceur :

Figure 5 : Système de déploiement P-POD [3]

Il est à noter que depuis l’année 2008, le déploiement des Cubesats depuis la Station Spatiale Internationale (ISS), qui est située à une altitude d’environ 400 km, est possible grâce au module « KiboCUBE » développé par l’agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA) [6]. Ce système, est composé d’un sas et d’un bras robotique comme le montre la figure 6 :Figure 5 : Système de déploiement P-POD [3]

Figure 6 : Système de déploiement KiboCUBE [6]

3.  PHASES DE DEVELOPPEMENT D’UNE MISSION SPATIALE

Le cycle de vie d’une mission spatiale progresse typiquement à travers 4 phases [7] :

• Phase 0 d’étude initiale : Elle se traduit par une définition large de la mission spatiale, des exigences fonctionnelles et opérationnelles, ainsi que des contraintes.

• Phase 1 de conception formelle : Elle se traduit par le développement d’un modèle ingénieur du nanosatellite avec la conception des différents sous-systèmes qui le composent.

• Phase 2 de production et de déploiement : Elle se traduit par la réalisation d’un modèle de vol du nanosatellite (développement du matériel et du logiciel de vol), et la mise en place d’une station au sol opérationnelle.

• Phase 3 des opérations : Elle se traduit par la mise en orbite du nanosatellite, son suivi, son exploitation et sa maintenance en cours de mission.

Comme le montre la figure 7, ces phases peuvent être divisées et nommées différemment selon l’agence spatiale choisie comme référence : ESA ou NASA. Chaque phase a une durée dépendante de la portée et des objectifs de la mission ; et elle doit aboutir sur un document livrable (revue) qui évaluera et validera le travail réalisé, et permettra de progresser tout au long du cycle de vie de la mission.

Comme cadre référentiel du projet MASAT1 visant la réalisation d’un nanosatellite universitaire marocain, nous avons partiellement utilisé les standards ECSS (European Cooperation for Space Standardization) de l’ESA, conçue pour développer un ensemble unique de normes spatiales cohérentes pour être utilisées par l’ensemble de la communauté spatiale européenne [8].

Par exemple, dans la phase d’analyse de la mission MASAT1, nous avons appliqué le standard planification et implémentation du projet ECSS-M-ST-10C qui englobe tout le processus à réaliser pour planifier et exécuter un projet spatial d’une manière coordonnée, efficace et structurée. Ce processus comprend la définition des phases du projet et le planning permettant de contrôler le progrès des travaux en termes de coût, d’échéances et d’objectifs techniques, comme le montre la figure 8 :

Figure 7 : Les phases de développement d’une mission spatiale

Figure 8 : Tâches à effectuées et Planning de la mission MASAT1

4. DEFITS ET PERSPECTIVES DES NANOSATELLITES AU MAROC

Le projet intitulé MASAT1 est un projet de recherche appliquée qui vise à réaliser le premier nanosatellite universitaire marocain. Le projet, lancé en 2015 avec la participation effective de l’Université Sidi Mohamed Ben Abdellah de Fès et l’université Al Akhawayn d’Ifrane, avait pour ambition principale de promouvoir la recherche et le développement dans le domaine de l’ingénierie spatiale, ainsi que de rendre accessible l’exploration scientifique spatiale aux universitaires marocains.

Dans un contexte où le secteur de l’aéronautique et du spatial a été identifié par le Maroc comme un moteur de croissance pour l’économie nationale, ce projet revêtait une importance stratégique d’autant plus que selon SpaceWorks Enterprises, le segment des nano/microsatellites à faible coût (1-50kg) devrait connaître une augmentation annuelle de 23,8% sur la période 2014-2020 [9].

Les travaux réalisés nous ont permis d’atteindre les objectifs suivants :

• Acquérir la technologie et les connaissances de base sur l’ingénierie spatiale, à travers le développement complet des sous-systèmes constituant la plateforme du segment spatial d’un Cubesat au format 1U. Ces connaissances couvrent des domaines très variés comme la mécanique orbitale, l’électronique, les télécommunications, les noyaux temps réel, les réseaux, la modélisation des systèmes (UML et Sys ML) ou la CAO (Solidworks ou Catia).

• Fournir, pour les futurs chercheurs marocains dans le domaine spatial, une littérature complète et détaillée concernant l’état de l’art et les étapes de conception des nanosatellites, pour combler le manque qu’il y a dans ce domaine au Maroc.

Mais les défis restent énormes devant les universitaires pour mener à terme un projet aussi complexe qu’une mission spatiale visant la réalisation d’un nanosatellite. Il y a ainsi :

• Le mode de financement des projets universitaires qui cause des retards dans le respect du planning fixé pour la mission.

• L’inadéquation des laboratoires existants avec la nature des travaux de tests et de conception comme le manque de salles blanches.

• La manque d’efficacité, de rigueur et de vision commune dans la collaboration entre les différentes structures universitaires.

Concernant les perspectives à venir, nous espérons que ce projet encouragera la mise en place d’un centre de compétences dans le domaine des nanosatellites dont la finalité sera :

• La promotion de la recherche et développement dans le domaine de l’ingénierie spatiale.

• Le lancement d’autres missions cubesat 3U qui se baseront sur le succès futur de la mission MASAT1.

• La mise en place de collaborations scientifiques avec des structures universitaires internationales et des opérateurs privés.

(*) Pr. Ahmed Hanafi
Professeur de Génie Electrique, Informatique Industrielle et Systèmes embarqués

Université Sidi Mohamed Ben Abdellah

Ecole Supérieure de Technologie – FES

Département de Génie Electrique & Informatique

References

[1]     M. Gruntman, Blazing the Trail. The Early History of Spacecraft and Rocketry, Fig. 15.30, p. 375, AIAA, Reston, 2004.

[2]     Gallton, Daniel A., “The challenge of small satellite systems to the space security environment,” NPS Outstanding Thesis Collection, 2012.

[3]     CubeSat Design Specification (CDS) Rev.13 CubeSat Program, Cal Poly

[4]      Heidt, H., Puig-Suari, J., Moore, A., Nakasuka, S., and Twiggs, R., “CubeSat : A new generation of picosatellite for education and industry low-cost space experimentation,” Proceedings of the Utah State University Small Satellite Conference, Logan, UT, Citeseer, 2001, pp. 1–2.

[5]     Poly Picosatellite Orbital Deployer Mk. III Rev. E User Guide CubeSat Program, Cal Poly

[6]     Programme « KiboCUBE » de coopération ONU-Japon sur le déploiement de CubeSat à partir de la Station spatiale internationale (ISS) : http://www.unoosa.org/oosa/fr/ourwork/psa/hsti/ kibocube.html

[7]     W. J. Larson et J. R. Wertz, “Space Mission Analysis and Design,” Space Technology Library, Microcosm Press E1 Segundo, California, 2005.

[8]     M. Jones, E. Gomez, A. Mantineo and U.K. Mortensen, “Introducing ECSS Software Engineering Standards within ESA”, ESA Bulletin 111, Août 2002.

[9]     Buchen, E. and DePasquale D. « 2014 Nano/Microsatellite Market Assessment, SpaceWorks Enterprises », Inc. (SEI) 2014