Le projet Mars Network se propose de mettre en place autour de Mars une infrastructure permettant d'améliorer considérablement la communication avec les futures sondes martiennes, en terme de connectivité et de débit. Il aura également un rôle à jouer dans la navigation et le guidage des sondes lors des phases d'approche et d'atterrissage. Etudié par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), Mars Network n'en est actuellement qu'au stade conceptuel. Son implémentation pourrait avoir lieu dans le cadre du programme Mars Surveyor de la NASA. 

Suite aux pertes catastrophiques de Mars Climate Orbiter, de Mars Polar Lander et des deux pénétrateurs Deep Space 2, la constitution d'un réseau martien pourrait bien devenir l'un des objectifs prioritaires de la NASA pour les prochaines années. Mars Network est sans aucun doute promis à un bel avenir. Il devrait devenir un élément essentiel dans toutes les activités liées à la planète Mars : étude globale de la planète depuis l'orbite martienne, exploration de surface, retour d'échantillons, mise en place de postes avancés robotiques et débarquement humain.

Généralités

Si les communications avec les satellites placés en orbite terrestre ne posent pas de problèmes majeurs, c'est une autre paire de manche lorsqu'il s'agit d'établir une communication avec des sondes interplanétaires. La principale difficulté vient du fait que la puissance du signal diminue avec le carré de la distance. Pour s'affranchir de cette difficulté, les sondes spatiales emportent avec elles des moyens de communication imposants, dont la masse est loin d'être négligeable et qui sont très gourmands en terme de puissance électrique.

Pourtant, l'avenir de l'exploration du système solaire appartient désormais à des petites sondes comme celles des micromissions, qui ne peuvent plus s'accommoder des contraintes de masse, de volume et de puissance de leurs prédécesseurs. La mise en place de relais pour les transmissions devient indispensable. Les ingénieurs n'auront alors plus à ce soucier de la mise au point de transmetteurs puissants et lourds. Des équipements plus légers et moins consommateurs en énergie suffiront pour répondre aux besoins de communication, et le gain de masse et d'énergie pourra être utilisé avec profit pour monter un nouvel instrument scientifique ou pour diminuer le budget de la mission.

On a déjà mis en œuvre des relais de ce type autour de Mars, mais pas de façon permanente. En 1976, les atterrisseurs Viking pouvaient transmettre leurs données à la Terre via les orbiteurs qui s'étaient placés en orbite autour de la planète rouge. La sonde Mars Global Surveyor, actuellement en orbite martienne, possède elle aussi des capacités de télécommunication. Son objectif principal est la cartographie de Mars, mais lorsque cette mission sera terminée, la sonde assistera les futures sondes qui arriveront dans le système martien en jouant le rôle de relais de transmission.

Le 23 septembre 1999, la NASA perdait la sonde Mars Climate Orbiter, alors que celle ci tentait son insertion orbitale. Destinée à devenir le premier satellite météorologique martien, cette sonde devait également relayer les communications entre l'atterrisseur Mars Polar Lander (dont l'atterrissage à proximité du pôle sud était prévu pour le 3 décembre 1999) et la Terre, grâce à une liaison UHF. La disparition de Mars Climate Orbiter a forcé la NASA à repenser la mission de Mars Polar Lander. Même si l'atterrisseur était capable de communiquer directement avec la Terre grâce à une antenne à gain moyen (bande X), le débit de cette liaison directe n'était pas suffisant pour assurer le succès de la mission (voir à ce sujet les conséquences de la perte de Mars Climate Orbiter). Mars Global Surveyor a donc été réquisitionné pour relayer les transmissions de Mars Polar Lander, avec cependant un inconvénient majeur : la liaison n'était possible que dans un seul sens, le sens Mars - Terre. Global Surveyor représentait également le seul dispositif de communication pour les deux petits pénétrateurs Deep Space 2 qui accompagnait Mars Polar Lander.

Malheureusement Mars Global Surveyor n'a pas eu l'occasion de s'illustrer dans le domaine des télécommunications puisque trois mois après la perte de Mars Climate Orbiter, Mars Polar Lander ainsi que les deux pénétrateurs Deep Space 2 disparaissaient à leur tour sans laisser de trace. Par soucis d'économie, la NASA n'avait pas cru bon d'équiper Mars Polar Lander d'un dispositif capable de renvoyer des données de télémétrie pendant la phase d'atterrissage (pour plus de détails, voir Une minute de silence pour Mars Polar Lander). A cause de ce manque crucial d'information, l'agence spatiale américaine ne saura jamais ce qui a frappé l'atterrisseur dans son plongeon vers la surface martienne. Cet exemple malheureux montre que nos moyens de communication avec les sondes martiennes sont dérisoires et ridicules, un bricolage de dernière minute qu'il devient urgent de remplacer par une infrastructure robuste et fiable, comme celle proposée dans le projet Mars Network.

Architecture du réseau martien

L'architecture du réseau martien tel qu'il est actuellement envisagé comporte une petite constellation de microsatellites en orbite autour de Mars (les microsats) soutenue par la présence d'un ou de plusieurs gros satellites de télécommunication (les marsats) placés en orbite aréostationnaire, l'équivalent martien de l'orbite géostationnaire terrestre. Les microsatellites serviraient à la fois de relais de communication entre les sondes martiennes (atterrisseur, robot mobile, ballon, planeur et avion) et la Terre, mais également de balises d'aide à la navigation pour l'approche. Les marsats seront entièrement dédiés aux télécommunications.

Les microsats

Les microsatellites seront construits autour du bus standard utilisé pour les micromissions, un concept qui va permettre l'envoi régulier vers Mars de mini sondes peu coûteuses, grâce en particulier à une standardisation et une simplification extrême du bus (aucun système ne sera redondant, la durée de vie étant de 3 à 5 ans), et un lancement gratuit (les micromissions seront lancées comme charge auxiliaire par Ariane 5).

Pour assurer ses fonctions, chaque microsatellite comportera d'un côté une antenne grand gain et un transpondeur pour communiquer avec la Terre et de l'autre un émetteur-récepteur ultra haute fréquence (UHF) couplé à une antenne omnidirectionnelle (ou plusieurs antennes directionnelles) pour communiquer avec les engins d'exploration martiens. Tous ces systèmes devront bien sûr tenir dans le volume et la masse allouée à la sonde (220 kg, soit 80 kg de charge utile si l'on retire les 140 kg d'ergols). Les signaux radios seront dans un premier temps transmis en bande X ( une fréquence proche de 8,4 GHz), mais les modèles ultérieurs tireront profit de la bande Ka, une gamme de fréquence encore peu utilisée à l'heure actuelle, et qui permet de transmettre plus de données à une puissance moindre. Le premier microsat devait initialement partir dès 2003, mais son lancement est aujourd'hui reporté à une date indéterminée. Pour tout dire, aucun microsat n'est mentionné dans le nouveau programme d'exploration martienne de la NASA !

Les marsats

Les marsats constituent le deuxième élément du réseau martien. S'ils n'auront aucune fonction en ce qui concerne la navigation, ce sont eux qui seront responsables de la percée en termes de connectivité et d'augmentation de la bande passante. Les marsats rejoindront l'orbite aréostationnaire, l'équivalent martien de l'orbite géostationnaire terrestre. Située à 17 000 km d'altitude, l'orbite aréostationnaire est circulaire et parallèle au plan de l'équateur. Un satellite positionné sur cette orbite tournera à la même vitesse que la planète Mars, et il restera donc immobile au-dessus de la région qu'il surplombe. Cette position privilégiée autorise la collecte d'une quantité proprement incroyable de données (sans commune mesure avec celle des microsats) ainsi qu'un contact permanent (24 heures sur 24) avec les sondes martiennes évoluant dans la région couverte par le satellite.

Chaque marsat sera doté d'un équipement de télécommunication de très grande capacité. Les communications avec la Terre passeront par un émetteur-récepteur à forte puissance fonctionnant dans les très hautes fréquences (bande Ka) couplé à une antenne parabolique à grand gain. Les communications locales avec les engins martiens s'appuieront sur plusieurs systèmes : un émetteur-récepteur à forte puissance travaillant en bande X (qui fonctionnera de concert avec une antenne grand gain qu'il sera nécessaire de pointer avec précision vers la sonde que l'on désire suivre), ou un ensemble d'antennes omnidirectionnelles UHF.

Un satellite de télécommunication en orbite aréostationnaire n'a plus grand chose à voir avec les microsatellites. Les émetteurs-récepteurs ainsi que les antennes grands gains seront très gourmandes en terme de puissance électrique (1 kilowatt), de masse et de volume. De plus, la mise à poste sur l'orbite aréostationnaire va largement mettre à contribution le moteur, qui va devoir brûler une quantité faramineuse d'ergols. Impossible dans ces conditions de réaliser autre chose qu'une sonde volumineuse (entre 800 et 1000 kg), lourde et forcément coûteuse. Le lancement ne pourra voir lieu qu'en utilisant une fusée de la classe Delta, ce qui augmentera encore les coûts.

Heureusement, les marsats n'auront pas à être aussi nombreux que les petits microsats. Un ou deux seulement suffiront pour établir des communications quasi permanentes et à haut débit avec l'ensemble de la planète rouge. Contrairement au bus simplifié des microsats, chaque marsat possédera des sous systèmes redondants, ce qui portera leur durée de vie à 7 ans et réduira donc la fréquence à laquelle il faudra les remplacer. Le premier marsat devrait être lancé pour 2007.

La mise en place du réseau martien

Le premier élément du réseau martien devait être mis en place au cours de l'année 2003. Il s'agissait d'un microsat, qui aurait également eu le privilège d'être la première micromission. Puis, à chaque nouvelle opportunité de lancement (les périodes qui autorisent le départ de sondes vers Mars apparaissent tous les deux ans environ), deux autres microsats devaient être lancés vers Mars : l'un était positionné sur une orbite équatoriale, tandis que le second rejoignait une orbite polaire. Si ce scénario avait été suivi, nous aurions donc eu en 2005 un petit réseau martien de trois microsats déjà doté de capacités de navigation. En 2009, la constellation devait comprendre six microsats et le réseau aurait alors fonctionné à pleine capacité. La perte éventuelle d'un microsat n'était pas dommageable, car il en restait toujours cinq en orbite pour assurer les communications et la navigation. Le premier satellite aréostationnaire devait rejoindre la constellation de microsats en cours de constitution en 2007, et le second aurait du être à poste à la fin de l'année 2009.

Dans le nouveau programme martien de la NASA, le projet Mars Network n'est jamais cité. On trouve cependant une référence à un orbiteur de télécommunication italien qui pourrait être lancé en 2007.

Les possibilités du réseau martien

Contrairement aux apparences, les débits actuels disponibles pour communiquer avec les sondes interplanétaires sont proprement ridicules. Si vous trouvez que votre modem 56 000 bps dernier cri se traîne comme un escargot par rapport à la ligne T1 que vous utilisez au bureau et que le lag vous empêche de fragger comme un malade dans Counter-Strike, dites-vous bien que le supplice est encore pire pour les scientifiques impliqués dans une mission d'exploration planétaire. Pathfinder, pour prendre un exemple marquant, transmettait ses données au débit moyen de 300 bps (bps signifiant bit par seconde) et Mariner 4 transmettait en 1965 à 8,33 bps ! Mars Network offrira un débit 30 fois supérieur à celui de Pathfinder, avec une moyenne de 11 000 bps, qui sera suffisante pour envoyer un panorama couleur à haute résolution sur 360 ° de la planète rouge chaque jour. La mise en place des marsats fera passer le débit à 1 mégabit par seconde et on peut espérer à terme obtenir un débit de 1 gigabit par seconde ! 

Les éléments du réseau martien vont nous permettre de réaliser un formidable bond en avant au niveau des communications entre la Terre et Mars. Réception de vidéos à la place d'images fixes, obtention d'images haute définition, télécommande d'engins robotiques se trouvant au-delà de l'horizon de communication (c'est à dire qu'il deviendra possible de contrôler un robot alors que celui-ci déambule sur une région martienne qui n'est pas visible depuis la Terre), utilisation de systèmes de réalité virtuelle pour l'exploration de la planète rouge une fois les données rapatriées sur Terre. Les contacts seront plus fréquents et les données transiteront plus rapidement. Voyons en détails les possibilités du futur réseau martien.

Augmentation de la bande passante (débit)

Avec Mars Network nous disposerons enfin d'une bande passante digne de ce nom ! Au lieu de se contenter d'images fixes, on pourra commencer à recevoir des vidéos de très bonne qualité de la surface martienne. Avec des engins d'explorations équipés d'un émetteur-récepteur ou d'un transmetteur fonctionnant en bande X, le débit pourra être de 1 mégabit/s, ce qui sera largement suffisant pour transmettre de la vidéo ! On pourra alors suivre en temps réel les déambulations d'un robot à la surface de Mars par l'intermédiaire de sa caméra.

Lorsque le réseau sera entièrement constitué, le débit sera tel qu'il permettra de créer sur Terre un environnement martien virtuel, un flux de données de 1 gigabit/s autorisant la reconstitution en 3D de n'importe quelle région de Mars. Une fois la totalité des données récupérées sur Terre, avec un simple casque de réalité virtuelle, un géologue pourra, tout en restant dans son fauteuil, parcourir l'immensité d'une plaine désertique, escalader une dune de sable ou examiner sous toutes les coutures le moindre rocher. Grâce à cette téléprésence, l'étude à distance d'une planète prendra alors tout son sens. L'interaction en temps réel restera cependant impossible, toujours à cause de la grande distance séparant Mars de la Terre. Un géologue en train de voyager virtuellement sur Mars ne pourra donc pas ordonner à un robot d'aller explorer une autre région, et espérer voir son champ virtuel s'étendre immédiatement. Le géologue devra attendre que l'ordre parvienne au robot, puis que celui-ci exécute son travail et envoie à la Terre les données collectées. C'est seulement lorsque ces dernières auront été reçues et incorporées au système de réalité virtuelle que le géologue pourra arpenter une nouvelle région de Mars. Seuls des astronautes situés sur la lune Phobos pourraient, en s'équipant d'un casque de réalité virtuelle et d'un gant, commander en temps réel des robots explorateurs à la surface de Mars.

Allongement de la durée des communications

La bande passante ne sera pas la seule à bénéficier d'une amélioration. Les contacts avec les sonde seront beaucoup plus fréquents et la durée des sessions de communication sensiblement rallongée. Alors qu'il fallait bien souvent patienter de nombreuses heures avant d'établir une communication avec une sonde martienne, il deviendra possible de rester en contact quasi permanent avec les engins d'explorations.

Aide à la navigation

Les anciennes missions martiennes devaient s'appuyer sur les informations fournies par le réseau d'écoute de l'espace profond (DSN ou Deep Space Network) pour la navigation, que ce soit pendant la phase de croisière (le voyage entre Mars et la Terre) ou la phase de descente dans le cas des atterrisseurs. La position des sondes est entachée d'une certaine incertitude : +/- 15 km à 125 km de la surface et +/- 75 km une fois au sol. Une marge d'erreur bien trop importante pour les futures missions que l'on projette d'envoyer vers la planète rouge. Pour les missions de retour d'échantillons ou le débarquement de l'homme sur Mars, un atterrissage de précision est indispensable. Par exemple, dans une mission habitée de type Mars Direct, le vaisseau transportant l'équipage doit se poser à proximité immédiate d'une base martienne assemblée lors de vols précédents. Si un atterrissage à 100 km de la base ne met pas en péril l'équipage (qui dispose d'une jeep martienne à habitacle pressurisé capable de parcourir de longs trajets), ce n'est certainement pas la meilleure façon de commencer une mission d'exploration !

C'est ici qu'interviennent les microsatellites du réseau martien. Avec un ensemble de trois microsatellites (ou deux microsatellites et une balise au sol), il est possible de réduire l'incertitude à 125 km de la surface en dessous du kilomètre. Quant à l'atterrissage, il est réalisable dans un mouchoir de poche, puisque la précision sera de 10 à 100 mètres ! Une fois l'atterrissage terminé, chaque engin d'exploration peut à nouveau interroger le réseau de microsatellites pour connaître avec précision sa localisation à la surface de la planète Mars (Mars Network joue alors le rôle du système GPS terrestre). Le pas en avant est énorme, et le réseau martien va permettre d'implémenter des missions qui appartenaient avant au domaine de l'impossible : robot entièrement autonome, suivi du déplacement en temps réel, etc.

Vers un Internet interplanétaire

La mise en place d'un réseau de communication martien marquera aussi l'extension d'Internet vers les autres planètes et la naissance d'un Internet Interplanétaire. Sur Terre, Internet avait déjà permis à des ordinateurs de tous types de communiquer entre eux en s'affranchissant totalement de la localisation géographique. Si nous avons le privilège immense d'utiliser Internet dans notre vie de tous les jours, c'est parce que des chercheurs ont dressé au début des années 70 les spécifications d'un ensemble de protocoles standards et ouverts. Internet assure désormais sur Terre une bonne partie des communications, qu'elles soient locales ou planétaires. Il semble normal que cette solution d'une rare intelligence soit retenue pour assurer les communications entre la Terre et Mars. La NASA travaille donc étroitement avec les personnes qui sont à l'origine d'Internet (comme Vinton Cerf, que l'on considère comme l'un des pères de notre fabuleux réseau).

La première expérimentation des protocoles Internet a eu lieu grâce au réseau universitaire ARPANET (réalisé sous financement militaire). Celui-ci ne devait posséder aucun talon d'Achille. Tout y était décentralisé et son réseau maillé ressemblait à une toile d'araignée, qui connectait tout le monde avec tout le monde. Si une attaque avait lieu, le système s'arrangeait pour ignorer les liaisons détruites ou surchargées et les paquets de données empruntaient automatiquement une autre route pour parvenir à destination. C'est cette robustesse, en plus de la nature ouverte du protocole (il n'appartenait à personne et tout le monde pouvait l'utiliser), qui a permis à Internet de s'imposer et de conquérir finalement la planète.

L'un des principaux protocoles en vigueur sur Internet est le protocole IP (Internet Protocol). Ce protocole permet l'envoi des données sous la forme de paquet. Chaque paquet (que l'on peut assimiler à un colis postal) comporte l'adresse du destinataire et l'adresse de l'émetteur, en plus des informations à transmettre. Les paquets sont envoyés en rafale les uns derrière les autres, et peuvent suivre des chemins différents jusqu'au destinataire. Chaque paquet est numéroté, ce qui permet au destinataire de les remettre dans l'ordre (l'ordre d'arrivée peut effectivement être différent de l'ordre de départ, et le premier paquet envoyé peut très bien parvenir au destinataire en quatrième ou cinquième position).

Comme la poste, Internet propose aussi des envois en recommandé. Il faut alors s'adresser au protocole TCP (Transmission Control Protocol), qui est avec le protocole IP, l'un des principaux protocoles d'Internet (c'est pourquoi on désigne souvent les protocoles Internet sous le nom TCP/IP, en oubliant souvent que ce réseau s'appuie sur quelques 150 normes de communication !). Lorsqu'un paquet arrive chez le destinataire, celui ci s'assure de son intégrité. Si le paquet n'est pas endommagé, le destinataire renvoie un accusé de réception. Dans le cas contraire, si le paquet est corrompu, le destinataire indique clairement à l'expéditeur son mécontentement. Mais les paquets ou même l'accusé de réception peuvent aussi se perdre dans les méandres du réseau. L'émetteur surveille donc les accusés de réception. Si, au bout d'un certain temps, il n'a pas reçu un accusé de réception, il considère que le paquet est perdu corps et âme, et le retransmet (chaque paquet est identifié grâce à son numéro d'ordre). Les routeurs (éléments du réseaux dont le rôle est d'acheminer les paquets de la meilleure façon possible entre l'émetteur et le destinataire) peuvent aussi déterminer qu'une liaison est surchargée ou coupée, auquel cas ils forceront les paquets à emprunter un autre chemin. Le processus ne prend fin que lorsque l'émetteur est certain que le destinataire a reçu tous les paquets en bon état (ceci n'est valable que pour le protocole TCP. D'autres protocoles, comme le protocole UDP, très utilisé sur Internet, n'offrent pas un aussi haut niveau de fiabilité).

Sur Internet, les données voyagent à la vitesse de la lumière, et les paquets parviennent à bon port en quelques fractions de seconde. Un retard (que l'on désigne également sous le terme anglais de timeout) de plusieurs secondes indique bien souvent une liaison ou un serveur qui ne fonctionne plus. Les délais d'attente, qui conditionnent les processus de vérifications et de corrections d'erreurs, se comptent en millisecondes !

Les spécificités des communications spatiales

La transition d'un Internet terrestre vers un Internet interplanétaire ne sera pas immédiate. Les communications interplanétaires ont leurs particularités, et les protocoles en vigueur sur Internet devront tenir compte des ces spécificités.

Maintenir une liaison radio avec un ensemble de sondes spatiales peut rapidement devenir un casse tête. Pour illustrer le dilemme, étudions brièvement le mode de fonctionnement des antennes du Deep Space Network. Chaque antenne doit être pointée en permanence au bon endroit et au bon moment. Si une sonde martienne envoie des données et que le délai de transmission entre la Terre et Mars est de 14 minutes, l'antenne du DSN doit pivoter pour être dans la bonne direction au moment de l'arrivée des données, c'est à dire 14 minutes exactement après l'émission de celles-ci. Une fois la réception terminée, l'antenne suit son planning. Sa tache suivante consiste à envoyer des instructions à une sonde évoluant dans le système de Jupiter. Elle change donc de position avant d'émettre ses données vers la sonde qui devra impérativement être à l'écoute à ce moment là ! On le voit, le système à de quoi donner des cheveux blancs au plus blasé des organisateurs !

Mais, en dehors d'une grande complexité quand le nombre de sondes à suivre est important, les communications spatiales posent d'autres problèmes, le principal étant bien entendu celui de la distance. Même si les informations voyagent à la vitesse de la lumière, l'envoi ou la réception d'un message dans l'espace peut prendre plusieurs dizaines de minutes. Ainsi, quand Mars est à 400 millions de kilomètres de la Terre, un aller-retour prend 40 minutes. Et lorsque la planète rouge est au plus proche de la Terre, à 56 millions de kilomètres, un aller et retour prend encore 6 minutes. C'est déjà mieux, mais c'est encore bien trop long pour Internet. 

Sur Internet, des retards pareils sont inacceptables et ils conduiraient à court terme à une paralysie complète et permanente du réseau. Nous l'avons vu, quand un ordinateur émet une demande vers un autre ordinateur, il surveille les délais de transmission. Si la réponse ne lui parvient pas rapidement (par exemple en moins de 500 millisecondes), il va assumer que le chemin suivi par les paquets de données n'est plus fonctionnel, que le lien est surchargé ou que la machine distante ne répond plus. Les protocoles Internet utilisent intensément la notion d'interactivité et les ordinateurs traitent les signaux sur des durées de quelques millisecondes. On imagine donc bien ce que signifieraient des retards de plusieurs dizaines de minutes, qui sont pourtant monnaie courante dans l'espace (de plus, sur de longues distances, les signaux radios sont atténués ou altérés).

Sur Terre, chaque nœud du réseau Internet est en général fixe, ce qui n'est pas le cas avec des robots à la surface de Mars ou des sondes spatiales voyageant à plusieurs kilomètres par seconde au sein du système solaire. Les planètes ou les sondes spatiales obéissent effectivement aux règles inflexibles de la mécanique céleste, et changent de position en permanence. Ainsi, les délais entre les différents objets du réseau varient continuellement. Ces variations peuvent bien sur être calculées mathématiquement, ce qui permettrait de connaître à tout instant le retard entre une sonde et la Terre, mais c'est l'existence même de ces variations qui pose problème.

Les communications spatiales sont par nature intermittentes. Les déplacements peuvent conduire à la rupture temporaire de la communication, comme dans le cas d'une éclipse, lorsqu'un satellite passe derrière une planète.

Enfin, il existe une certaine asymétrie entre le débit d'une sonde spatiale (qui est forcément faible pour des questions de masse, de volume et de puissance énergétique) et celui d'une station de réception au sol, dont il faut tenir compte. La différence peut atteindre plusieurs ordres de grandeur.

Architecture de SolarNet

Le réseau interplanétaire sera dénommé IPN (pour InterPlaNet), mais je lui préfère le terme de SolarNet. L'architecture retenue pour SolarNet sera certainement un réseau de réseaux Internet. Chaque planète, chaque vaisseau, chaque station orbitale possédera son propre réseau Internet (nous aurons donc un réseau Internet martien, un réseau Internet terrien). Tous ces réseaux "locaux", qui portent aussi le nom de "réseaux déployés", seront reliés aux autres grâce à une épine dorsale, une infrastructure permettant le transfert des données dans l'espace interplanétaire. Le règne des protocoles Internet se terminera au niveau de passerelles et des protocoles entièrement nouveaux (SCP, Space Communication Protocol) prendront le relais pour assurer le transit des données dans l'espace.

Ces protocoles seront aussi fiables et robustes que les protocoles Internet tout en étant parfaitement adaptés aux spécificités de la communication spatiale : longue distance, atténuation des signaux radios, intermittence des communications, variation des délais de transmission, asymétrie. Au moment du transit par la passerelle, les données seront extraites des paquets Internet puis converties, de manière à ce qu'elles adhérent aux nouvelles règles des protocoles spatiaux. Le processus inverse aura lieu au moment de la réception. Les données en provenance du milieu interplanétaire seront récupérées puis encapsulées dans des paquets Internet pour parcourir la partie restante du trajet.

L'un des rôles des protocoles SCP sera de rassembler à l'intérieur d'un gros colis toutes les informations reçues par la passerelle, puis de l'envoyer en une seule fois. L'interactivité restera possible à l'intérieur de chaque réseau local, mais il ne faudra plus compter dessus dès le moment ou l'on sortira dans l'espace. Toutes les informations nécessaires à une transaction devront donc partir ensemble, sinon chaque session de communication avec une autre planète se traduira par une crise de nerf. 

Prenons un exemple pour bien comprendre ce point. Imaginons qu'un ordinateur martien soit disponible pour accueillir mon site web (on peut rêver un peu non ?). Sur Terre, pour mettre à jour mon site, je prépare mes fichiers sur mon ordinateur, puis j'ouvre une connexion Internet et j'envoie tous les fichiers modifiés vers le serveur qui héberge mon site grâce à un logiciel de transfert de fichier (qui utilise le protocole de transfert de fichier FTP). Les fichiers sont envoyés les uns derrière les autres. Le premier part vers le site, puis, si tout va bien, le second est envoyé à son tour. Si le premier envoi n'est pas correct, le serveur FTP l'indique à mon logiciel de transfert de fichier, qui tente un nouvel envoi. Cette méthode ne serait certainement pas applicable dans le cas d'un serveur martien, ou les délais de transmission se comptent en moyenne en dizaines de minutes. La session de communication devra absolument être optimisée. Voici comment l'opération pourrait avoir lieu : les fichiers seraient envoyés à la suite les uns des autres vers la passerelle terrestre. Quand la passerelle serait certaine d'avoir reçu tous les fichiers intacts, ceux ci (ainsi que toutes les opérations que j'aurai pu faire sur mon site, comme la destruction d'un vieux fichier, la création d'un nouveau répertoire) seraient rassemblés ensemble dans un colis numérique. C'est ce colis qui serait ensuite émis dans le froid de l'espace en direction de Mars.

Chaque planète devra posséder un portail, point de passage obligé vers l'épine dorsale interplanétaire. Toutes les données destinées à l'extérieur de la planète devront passer par cette porte de sortie. Sur Terre, le rôle de passerelle sera certainement dévolu aux antennes du réseau d'écoute de l'espace profond, le fameux DSN (Deep Space Network). Pour Mars, ce sera le réseau Mars Network qui jouera ce rôle. Bien entendu, la sécurité devra être maximale au niveau des passerelles pour éviter des attaques délibérées de nos chers hackers contre des sondes spatiales. Ainsi, il est clair que tout le monde ne pourra pas envoyer un email à une adresse comme rover@pathfinder.mars.sol. L'accès sera clairement limité à la NASA ou à d'autres agences spatiales. L'absence d'interactivité ne permettra pas non plus d'initialiser des sessions cryptées similaires à celles mises en oeuvre sur Internet (par exemple, création de clés privées de session qui sont échangées grâce à un couple clé publique / clé privée).

Bien entendu, vous vous doutez que le système sera dans un premier temps très limité et qu'il faudra rester réaliste. La NASA n'est pas encore prête à envoyer un robot de plusieurs dizaines de millions de dollars sur Mars pour laisser un gamin de 10 ans jouer avec via Internet (tôt au tard, le robot finira toujours par se retrouver les six roues en l'air !). Mais nous nous consolerons en obtenant chaque jour des images en temps réel pour suivre la météorologie de la planète rouge, la randonnée d'un robot sur les pentes d'Olympus Mons ou le vol erratique d'un ballon au-dessus de Valles Marineris.  Nous pourrons également admirer le lever du soleil sur une plaine désertique et entendre le souffle du vent grâce à de nombreuses webcams équipées de microphones qui auront été disséminées un peu partout à la surface de la planète. Des possibilités que l'on a peine à imaginer seront à notre portée. Le développement d'un Internet Interplanétaire permettra à tous d'être présent au sein de notre système solaire, de suivre son exploration, de contempler ses merveilles et de quitter - au moins virtuellement - notre Terre pour voyager sur des mondes extra-terrestres.

Pathfinder puissance 10 !

Si Pathfinder avait été un succès technologique impressionnant, cette mission va également rester dans les mémoires du point de vue médiatique. Rien que sur le mois de juillet 1997, le site officiel de la NASA, grâce auquel on pouvait suivre la progression du robot Sojourner et admirer chaque jour de nouvelles images du site d'atterrissage, a reçu quelques 520 millions de hits. Même si ce record a depuis été dépassé, en particulier par les Jeux Olympiques de Nagano qui se sont tenus au Japon en 1998, l'atterrissage de Mars Pathfinder reste encore l'un des plus beaux évènements liés à Internet. Malgré la perte catastrophique de Mars Polar Lander le jour de son atterrissage (3 décembre 1999), la NASA a enregistré pour cette seule journée 54,6 millions de hits. Si l'on compte les serveurs miroirs disséminés un peu partout dans le monde entier, le total de hits est encore plus important, ce qui prouve que l'engouement pour la planète Mars est bien réel et n'était pas juste un phénomène de mode lié à une seule mission.

En fait, pour être honnête, si le site que vous êtes en train de consulter existe, c'est bien grâce à Pathfinder. Je me rappelle encore avec une certaine émotion le jour de l'atterrissage. La NASA avait mis en place une page qui permettait de suivre en temps réel le déroulement de l'atterrissage. Le vendredi 4 juillet 1997 à 19h07, en même temps que les techniciens et scientifiques du JPL, j'ai bondi de joie dans mon fauteuil en apprenant la réception d'un signal ! 20 après les atterrisseurs Viking, une sonde nommée Pathfinder venait de toucher la surface de Mars, saine et sauve !

Le lendemain matin, tout en prenant mon petit déjeuner, je me suis reconnecté sur le site de la NASA pour me laisser submerger par la beauté de paysages extraterrestres que personne n'avait encore jamais contemplé. Impossible d'oublier l'image montrant le petit robot Sojourner attendant patiemment son départ vers sur la surface rouillée de Mars. Jamais la planète rouge n'avait été aussi proche !

Pour Mars Polar Lander, la NASA avait bien eu l'attention de reprendre sa place en tête du box office d'Internet. Les premières images reçues, après traitement, auraient été publiées immédiatement, et n'importe quelle personne équipée d'un accès Internet aurait pu y avoir accès en même temps que les scientifiques.

[Petite parenthèse en passant, histoire d'être objectif : La diffusion relativement rapide des premières images n'est qu'une exception. Essayez donc de récupérer d'autres images de la sonde Mars Global Surveyor que celles qui sont officiellement publiées sur le site de Malin Space Science Systems. Les données et images de Mars Global Surveyor sont tellement exceptionnelles que les scientifiques américains se gardent bien de les faire partager à d'autres ! Et ça c'est pas gentil !]

Mais revenons à Mars Polar Lander. Les enregistrements sonores du microphone de la Planetary Society devaient aussi être mis en ligne dès réception. D'autres pages permettaient de suivre seconde après seconde le déroulement de la mission : webcam dans la salle de contrôle de mission (les utilisateurs devaient pouvoir zoomer sur n'importe quelle partie de la pièce, un point que je n'ai pas vérifié), diffusion vidéo des conférences de presse et du programme NASA TV. Une belle orchestration qui s'est transformée en désastre suite à la perte de la sonde lors de l'atterrissage.

En guise de conclusion

En 2040, si tout va bien, toutes les planètes du système solaire, leurs principaux satellites et les astéroïdes dignes d'intérêt devraient faire partie du maillage de SolarNet.

Notez que pour que SolarNet fonctionne, il faut que tous les ordinateurs puissent se synchroniser avec une horloge universelle, un point qui n'est possible que si les vaisseaux voyagent à des vitesses qui ne représentent qu'une très petite fraction de la vitesse de la lumière. Ce n'est pas aujourd'hui que cette règle sera transgressée, mais il arrivera bien un jour ou les moteurs à anti-matière rendront l'architecture de notre réseau spatial de communication obsolète ...

Un autre truc particulièrement amusant va concerner les adresses qu'il faudra utiliser pour atteindre un site web ou envoyer un message. Il va falloir créer des domaines pour les différentes planètes du système solaire (.earth, .mars) ainsi qu'un super domaine pour le système solaire (.sol). Par exemple, voici le message qu'il faudrait envoyer au robot martien Batalix pour lui demander de transmettre en retour les dernières images de la journée : 

From : philippe.labrot@france.earth.sol
To : batalix@dsn.rover.mars.sol
Subject : send daily pictures

Plutôt cool non ? 

Pour en savoir plus :

Go ! Les micromissions.
Go ! Liste de liens concernant Mars Network (page de bibliographie).

Microsat

Les petits microsatellites (microsats) utiliseront le bus standard retenu pour les micromissions. Celui ci possède grossièrement la forme d'un quart de cercle. Chaque sonde ne pèsera que 220 kg, dont 140 kg d'ergols. Tous les systèmes de communication devront donc peser moins de 80 kg. La contrainte de place est également importante, le volume disponible pour les systèmes étant plutôt faible. On distingue sur cette image les panneaux solaires, qui recouvrent la paroi extérieure du bus, les tuyères des moteurs et l'antenne grand gain pour les communications avec la Terre. Pour capter les données en provenance des engins d'exploration martiens, chaque microsatellite est équipé d'un ensemble d'antennes omnidirectionnelles (Crédit photo : NASA/JPL).

Un réseau de 3 microsats

Dans l'ancien programme de la NASA, le premier microsatellite devait décoller en direction de Mars en 2003. En 2005, le nombre de microsatellites en orbite autour de Mars était de 3, pour atteindre 6 en 2009. Placés sur des orbites équatoriales, inclinées ou polaires, la constellation de microsatellites aurait assuré une couverture radio complète de la planète Mars (Crédit photo : NASA/JPL). 

Marsat

En plus des microsatellites, le futur réseau martien comprendra aussi des énormes satellites entièrement dédiés aux télécommunications (les marsats). Chaque satellite sera équipé de deux panneaux solaires de grande envergure. Ils mesureront 6 mètres de longueur pour 2 mètres de large et seront capables de délivrer une puissance électrique de l'ordre du kilowatt. L'antenne grand gain de 1,5 mètres de diamètre fixée au corps doré de la sonde permettra d'établir une communication directe avec la Terre (bande Ka, très hautes fréquences). Cette antenne est surmontée d'une seconde antenne grand gain de 1,3 mètres de diamètre (bande X) qui servira à communiquer avec les engins d'explorations martiens. Les transmissions seront également possibles par l'intermédiaire d'une antenne à gain moyen de 25 centimètres de diamètre travaillant en bande X (le petit bâton en forme de coton tige). Le satellite sera enfin équipé de deux antennes de secours à faible gain pour les communications montantes et descentes en direction de la Terre. Ces antennes, qui fonctionneront en bande Ka, ne sont pas visibles sur le schéma (Crédit photo : NASA/JPL). 

Antenne DSN de 70 mètres de Goldstone

Les immenses antennes du réseau d'écoute de l'espace lointain (DSN, Deep Space Network), comme celle de 70 mètres du complexe de Goldstone, situé dans le désert de Mojave en Californie, joueront le rôle de passerelle de communication entre la Terre et le réseau interplanétaire. Actuellement, le DSN est utilisé pour toutes les communications radios avec les sondes interplanétaires de la NASA. Les protocoles de liaison actuellement en vigueur au niveau du DSN ont été définis par le comité consultatif sur les systèmes de données spatiales (Consultative Commitee on Space Data Systems, CCSDS). Les antennes sont également mises à profit pour des études radio-astronomiques et des observations radars des planètes du système solaire et de l'Univers en général (Crédit photo : NASA/JPL).

Sojourner sur Mars

Les exploits de Sojourner, le petit robot de la mission Pathfinder, ont été suivis grâce à Internet par des centaines de millions de personnes (Crédit photo : NASA/JPL).

Simulation de la descente de Mars Polar Lander

Pour la mission Mars Polar Lander, la NASA comptait bien réitérer l'exploit de Pathfinder. Les premières images prises par la sonde auraient été immédiatement disponibles sur Internet, et il était possible de suivre le déroulement de l'atterrissage, seconde après seconde, grâce à des webcams (placées dans la salle de contrôle de mission) et un site web relayant les télémesures. La caméra de descente qui équipait l'atterrisseur (MARDI) aurait du fournir les images les plus spectaculaires : la surface martienne se rapprochant, lentement mais inéluctablement, alors que Mars Polar Lander plongeait vers la bordure de la calotte polaire australe. L'image de synthèse ci-dessus donne une toute petite idée de ce que l'on aurait pu admirer, si l'atterrissage s'était déroulé correctement. Alors que Mars Polar Lander est encore à plusieurs kilomètres au-dessus des terrains polaires, les premiers reliefs commencent à se dessiner. Au loin, l'horizon est embrassé par un soleil qui ne se couche jamais. (Crédit photo : NASA/JPL).

 

La mise en place d'un réseau de communication martien (Mars Network) permettra de franchir un cap important en augmentant sensiblement les possibilités de communication entre la Terre et les engins d'exploration martiens (sonde de reconnaissance, postes avancés robotiques, missions habitées). Un tel réseau possédera également des capacités de navigation et assurera la localisation des sondes lors des phases d'approche, d'atterrissage et de déplacement en surface avec une précision sans précédent. Le réseau comprend une constellation de microsatellites positionnés sur différentes orbites et un ou plusieurs gros satellites de télécommunication placés sur une orbite aréostationnaire à 17 000 km d'altitude. Les protocoles de communication qui définiront les règles de dialogue entre les satellites de télécommunication et les sondes exploratrices martiennes seront ceux en vigueur sur le réseau Internet, avec quelques petites différences toutefois. Le projet Mars Network va donc marquer l'envol d'un Internet de dimension planétaire. (Crédit photo : NASA/JPL).

 

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