vignette|Schéma du terminal optique de la sonde spatiale lunaire LADEE de la NASA. vignette|Station de réception optique OGS-2 installée à Hawaï et utilisée comme station de réception secondaire par l'expérience LLCD de la NASA.
Les télécommunications optiques spatiales sont une catégorie de télécommunications spatiales reposant sur l'utilisation de laser pour la transmission des données. Cette technique permet d'accroitre considérablement le débit par rapport aux liaisons radio, grâce à la fréquence élevée du signal et de la divergence réduite du faisceau optique émis par le laser, tout en réduisant la puissance électrique nécessaire ainsi que la masse et le cout des équipements de télécommunications. Les télécommunications optiques spatiales constituent une des applications des communications optiques en espace libre. L'utilisation du laser dans ce contexte se heurte toutefois à la nécessité d'un pointage extrêmement précis depuis un support se déplaçant éventuellement à grande vitesse par rapport au récepteur et lorsque ce dernier se trouve au sol à des problèmes de transparence de l'atmosphère qui peuvent interdire toute liaison durant une fraction significative de l'année. Malgré ces contraintes les premières utilisations opérationnelles se développent au cours de la deuxième moitié de la décennie 2010 après une longue période d'expérimentation de solutions techniques qui se poursuit toujours en 2023.
Le recours aux liaisons optiques vise à répondre à différents contextes : croissance du volume des données transmises par la charge utile embarquée sur les satellites (relais radio, instruments scientifiques, caméras, radars...), recherche d'une réduction des couts des équipements de télécommunications et de la taille des satellites, maintien d'un débit significatif lorsque l'engin spatial se trouve à grande distance de la Terre. Les liaisons optiques peuvent s'appliquer à différentes configurations : liaison directe entre satellite et station au sol ou via un satellite géostationnaire jouant le rôle de relais, liaison entre satellites circulant sur une orbite basse (constellation de satellites de télécommunications), liaison entre une sonde spatiale circulant dans le système solaire et la Terre avec des distances se chiffrant en centaines de millions de kilomètres.
Alors que les applications terrestres des liaisons optiques se développent rapidement dans les années 1970 à travers la création de réseaux utilisant la fibre optique, leur application dans le domaine spatial est freinée par l'impact de l'atmosphère sur les signaux optiques. Ce n'est que dans les années 1990 que les premières expériences sont réalisées par la NASA. Celles-ci profitent de la mise au point de composants intégrés utilisés par les réseaux terrestres. Depuis le début des années 2000, cette technologie fait l'objet de nombreuses expérimentations en particulier de la part de l'agence spatiale américaine, la NASA : LLCD (2013) liaison optique entre une sonde spatiale (LADEE) en orbite autour de la Lune et une station de réception terrestre, OPALS (2014) liaison optique entre la Station spatiale internationale et une station de réception terrestre, LCRD (depuis 2021) test d'une liaison optique passant par un satellite relais en orbite géostationnaire. Les premiers systèmes opérationnels sont en cours de déploiement depuis le milieu de la décennie 2010 : système ERDS européen (liaison entre satellite d'observation de la Terre et satellite relais en orbite géostationnaire) ainsi que les constellations Starlink de SpaceX et Transport Layer du département de la Défense des États-Unis circulant sur une orbite basse (liaisons inter-satellites). En , l’Office national d’études et de recherches aérospatiales [ONERA], réalise une liaison bidirectionnelle laser pré-compensée par optique adaptative à plus de 38’000 km avec le soutien de la DGA, entre la charge utile TELEO développée par Airbus Defence and Space (ADS) en orbite géostationnaire et sa station sol FEELINGS - FEEder LINks Ground Station - située sur le site ONERA du Fauga-Mauzac. En 2021, à la demande de la Direction générale de l’armement [DGA] et l’Agence de l’innovation de défense [AID], Unseenlabs en partenariat avec Cailabs (respectivement cubesat et charge utile) développent le programme Keraunos [« foudre » en grec ancien] qui doit permettre une communication optique par laser à haut débit entre un nanosatellite et une station au sol transportable (terre, air, mer). Un satellite est lancé en sur une orbite basse, une première liaison réussie est réalisée à la mi-2024. Pour les militaires, la liaison optique aérienne permet en plus d'un débit élevé, une grande discrétion et ne pose pas de problème de partage des fréquences entre différents utilisateurs.
Contexte
Des volumes de données de plus en plus importants produits par des satellites de plus en plus petits
L'orbite terrestre basse est le plus souvent retenue pour les satellites d'observation de la Terre car la faible distance avec la surface de la Terre permet d'obtenir une bonne résolution spatiale. Les satellites placés sur cette orbite étaient traditionnellement des satellites de grande taille (masse > ) emportant un grand nombre d'instruments effectuant des mesures dans de multiples fréquences. Le volume cumulé des données produites peut être particulièrement important. Par exemple le satellite Terra de la NASA lancé en 1999 produisait quotidiennement 200 gigaoctets de données. Les satellites n'emportant qu'un seul instrument peuvent également produire des volumes importants de données. Par exemple ICESat-2, placé en orbite en 2018 et équipé d'un lidar, produit quotidiennement un volume de 70 gigaoctets malgré une forte compression des données. Le satellite NISAR, qui est équipé d'un radar à synthèse d'ouverture et qui doit être lancé en 2024, devrait générer au minimum 4300 gigaoctets de données par jour. La mission franco-américaine SWOT (lancée en 2023), un satellite de , transférera vers le sol un volume quotidien de 900 gigaoctets après une compression des données d'un facteur 20.
Les applications spatiales ont de plus en plus recours à des satellites de petite taille mais qui produisent également des volumes considérables de données parfois du même ordre de grandeur que les gros satellites. Par exemple chaque session de 10 secondes du satellite radar ICEYE-X2 () produit 2,4 gigaoctets de données. En cumulé, en partant de l'hypothèse d'un taux d'indisponibilité de 5%, cela représente 1000 gigaoctets de données à transférer. Même les CubeSats de quelques kilogrammes peuvent emporter des instruments générant des volumes considérables de données qui imposent une compression importante avant transfert. Mais les algorithmes de compression sont complexes et consomment des ressources importantes. Par exemple le CubeSat 6U RainCube, qui emporte un radar expérimental, produit 1100 gigaoctets de données (avec un taux d'indisponibilité de 25%) qui sont compressés à bord de manière à réduire le volume à transférer à 200 gigaoctets. Le CubeSat 6U GOMX-4B, qui emporte un imageur hyperspectral, produit chaque jour 1000 gigaoctets de données qui sont compressées d'un facteur 100 avant d'être transférées sur Terre.
Les limites des systèmes de communication radio
Les satellites, qu'ils soient de petite ou de grande taille, doivent désormais transférer quotidiennement des volumes de données qui peuvent atteindre 1000 gigaoctets et il est probable que ces valeurs soient dépassées s'il n'y avait pas un goulot d'étranglement au niveau du système de communications utilisé actuellement. Deux modes d'échange de données entre satellite et les stations de réception existent aujourd'hui : Le transfert direct vers une station terrienne lorsque le satellite la survole. Le recours à un satellite relais, généralement placé sur une orbite géostationnaire qui réceptionne les données transmises par le satellite et les relaie à la (les) station terrienne avec laquelle elle est en liaison permanente grâce à sa position fixe dans le ciel.
Le satellite relais permet un transfert en quasi temps réel (faible temps de latence), en permanence si on dispose d'un nombre de satellites relais suffisant ou sur une portion significative de l'orbite du satellite producteur de données. Par contre, compte tenu de la distance entre d'une part l'orbite basse et l'orbite géostationnaire et d'autre part entre l'orbite géostationnaire et la station de réception, cette architecture nécessite que les terminaux utilisés pour les communications à bord des satellites et sur Terre soient de grande taille donc pesants et consomment beaucoup d'énergie. L'architecture alternative, le transfert direct au moment du survol de la station terrienne, est particulièrement intéressant pour les satellites de petite taille car la distance étant faible il ne nécessite que des terminaux de petite taille. Par contre la durée de la liaison, qui n'est possible que le temps du survol, est relativement brève, de l'ordre de quelques minutes par jour (en moyenne 2% du temps), ce qui limite de manière importante le volume de données transmis. Par exemple un satellite circulant à une altitude de avec une inclinaison orbitale de 51° transférant des données à une station terrienne située à ne latitude de 41° sera survolée en moyenne 45 minutes par jour avec une hauteur au-dessus de l'horizon de 10° En dessous de cette hauteur, les communications sont brouillées par l'épaisseur de la couche atmosphérique traversée par les ondes radio.. Si le satellite dispose d'un émetteur radio reflétant l'état de l'art (100 mégabits / seconde), il pourra transférer environ 30 gigaoctets par jour. Pour dépasser cette limite en ayant recours aux technologies reposant sur des émissions radio, soit les données doivent être compressées à bord avec une dégradation sensible de la qualité soit il faut multiplier les stations terriennes utilisées par le satellite ou les déplacer vers des latitudes élevées (souvent survolées) entrainant une croissance notable des couts d'utilisation. L'alternative consisterait à accroitre le débit durant ces brefs survols grâce au recours à une liaison optique plus performante.
Le cas particulier des sondes spatiales lancés dans le système solaire