Compensation des effets de la turbulence atmosphérique pour un lien optique sol - satellite géostationnaire : impact sur l'architecture du terminal sol

par Adrien-richard Camboulives

Projet de thèse en Optique et photonique

Sous la direction de Vincent Michau et de Laurent Saint-antonin.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec ONERA - Département Optique et Techniques Associées (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 12-11-2014 .


  • Résumé

    Un lien optique basé sur un multiplex de longueurs d'onde à 1,55µm est prévu pour être une alternative valable aux radio-fréquences classiques pour la prochaine génération de liens haut débit par satellite géostationnaire. Compte tenu de la puissance limitée des lasers envisagés, la divergence du faisceau doit être considérablement réduite. Par conséquent, le pointage du faisceau devient une question clé. Au cours de sa propagation entre la station terrestre et un satellite géostationnaire, le faisceau optique est dévié et éventuellement déformé par la turbulence atmosphérique. Cela induit de fortes fluctuations du signal de télécommunication détecté, augmentant ainsi le taux d'erreur binaire. Un miroir déformable est utilisé pour pré-compenser la déviation au moyen d'une mesure à partir d'un faisceau provenant du satellite. A cause de l'angle de point en avant entre la liaison descendante et la liaison montante, les effets de turbulence subis par les deux faisceaux sont légèrement différents, ce qui induit une erreur dans la correction. Cette erreur est caractérisée en fonction des caractéristiques de la turbulence ainsi que des caractéristiques du terminal, telles que la largeur de bande de la boucle d'asservissement ou du diamètre du faisceau, et est inclue dans le bilan de liaison. De ce résultat, il est possible de prédire les fluctuations d'intensité détectées par le satellite, à la fois statistiquement (intensité, l'indice de scintillation, de probabilité d'atténuation, etc.) et temporellement (densités spectrales de puissance, les séries chronologiques). L'objectif final est d'optimiser les différents paramètres d'une station sol optique capable d'atténuer l'impact de la turbulence atmosphérique sur la liaison montante afin d'être conforme à la capacité ciblée (1Terabit/s d'ici 2025).

  • Titre traduit

    Atmospheric turbulence effects mitigation for a ground to geostationary satellite optical link: impact on the ground terminal architecture


  • Résumé

    An optical link based on a multiplex of wavelengths at 1.55µm is foreseen to be a valuable alternative to the conventional radio-frequencies for the feeder link of the next-generation of high throughput geostationary satellite. Considering the limited power of lasers envisioned for feeder links, the beam divergence has to be dramatically reduced. Consequently, the beam pointing becomes a key issue. During its propagation between the ground station and a geostationary satellite, the optical beam is deflected (beam wandering), and possibly distorted (beam spreading), by atmospheric turbulence. It induces strong fluctuations of the detected telecom signal, thus increasing the bit error rate (BER). A steering mirror using a measurement from a beam coming from the satellite is used to pre-compensate the deflection. Because of the point-ahead angle between the downlink and the uplink, the turbulence effects experienced by both beams are slightly different, inducing an error in the correction. This error is characterized as a function of the turbulence characteristics as well as of the terminal characteristics, such as the servo-loop bandwidth or the beam diameter, and is included in the link budget. From this result, it is possible to predict intensity fluctuations detected by the satellite, both statistically (mean intensity, scintillation index, probability of fade, etc.) and temporally (power spectral densities, time series). The final objective is to optimize the different parameters of an optical ground station capable of mitigating the impact of atmospheric turbulence on the uplink in order to be compliant with the targeted capacity (1Terabit/s by 2025).