Le JPL étudie la mise en place d'un réseau de satellites autour de Mars conçu pour servir de relais aux futures missions de reconnaissance globale, aux missions de retour d'échantillons, aux postes avancés robotiques et aux futures missions habitées. Ce projet appelé "Mars Network" ou "Réseau martien" pourrait devenir un élément du programme Mars Surveyor de la NASA.

Le réseau permettrait :

• De développer les capacités de communication par un accroissement substantiel des débits de transfert des données vers la Terre.
• De développer les capacités de navigation sur Mars en améliorant la précision de la localisation pour l'approche, l'atterrissage et le déplacement à la surface de la planète.

L'augmentation du débit des transmissions des données permettra également d'augmenter le flux d'information à destination du public, et de l'impliquer plus dans la grande aventure de l'exploration martienne. "Mars Network" serait une porte vers Mars accessible au public.

L'architecture à l'étude prévoit une constellation de micro-satellites appelés Microsat et un ou plusieurs gros satellites relais en orbite géostationnaire. Les Microsats serviront à la fois, d'aide à la navigation, et de relais de communication avec la Terre, aux systèmes d'exploration au sol (atterrisseurs, astromobiles, ballons, avions etc.…). Les satellites géostationnaires, appelés MARSat, ressembleront aux satellites de communication à très haut débit actuellement en orbite autour de la Terre. Comme ces derniers, ils seront positionnés sur une orbite équatoriale à une altitude telle que leur vitesse de rotation soit identique à celle de Mars. De cette manière ils paraîtront immobiles pour un observateur à la surface de Mars. Afin de distinguer l'orbite géostationnaire terrestre de celui de Mars, on parlera d'orbite "Aréostationnaire" pour la planète rouge.

Pour les 2 types de satellites, le protocole de communication avec les éléments d'exploration au sol sera similaire à celui utilisé pour les communications Internet sur Terre. Les Microsats pourraient être déployés à partir de 2003 et constitueraient les premiers éléments d'un "Internet" martien.

Une des priorités du plan stratégique de la NASA est d'établir une" présence virtuelle à travers le système solaire". Pour cela la NASA ne doit pas seulement déployer des sondes robotiques, mais également assurer une communication fiable et performante avec elles. Comme les performances d'un système de communication diminuent avec le carré de la distance, l'établissement d'un lien fiable avec les sondes voyageant dans le système solaire n'est pas aisé.

Un satellite de communication géostationnaire se trouve sur une orbite d'environ 40 000km d'altitude. Mais un satellite transmettant des données de Mars vers la Terre peut se trouver à une distance de 400 000 000km, ce qui rend la communication 100 000 000 fois plus difficile. Pour surmonter cette difficulté les sondes doivent être équipées d'émetteurs assez puissants et d'antennes de grandes dimensions, ce qui requiert des masses importantes. Ces niveaux de puissance, de volume et de masse ne sont pas adaptés aux petits atterrisseurs, rovers et autres pénétrateurs.

Un relais de communication installé autour de Mars pourrait servir d'intermédiaire entre les unités au sol et la Terre. On allégerait ainsi de manière significative les équipements destinés aux communications.

Entre 2003 et 2010, 18 missions robotiques vers Mars sont à l'étude, faisant de notre voisine la première cible pour la mise en place d'un système de relais de communication.

Amélioration des communications pour nous "sentir" plus près de Mars.

Tandis que les unités d'exploration seront toujours équipées de systèmes de communication directe avec la Terre, Mars Network permettrait d'augmenter de manière considérable le taux de transfert des données ainsi que la durée des communications. La quantité d'information transmise sera augmentée au point que l'on pourrait envisager de transmettre de la vidéo et permettrait ainsi d'établir une véritable présence virtuelle sur Mars.

Amélioration de la précision de localisation.

Les Microsats du Mars Network seront également équipés pour fournir des informations de localisation. Pour le moment c'est le "Deep Space Network" qui suit les sondes à partir de la Terre pour l'approche et la descente vers Mars. On obtient ainsi une précision d'environ 15 km sur la position d'une sonde à 125 km d'altitude et d'environ 75 km au sol. Pour de nombreuses missions automatiques et pilotées, prévues dans le futur, ce niveau d'incertitude est inadmissible. Supposons que l'on veuille atterrir près d'une unité de production de carburant, un atterrissage à 75 km n'est pas souhaitable. Par contre avec 3 Microsats (ou 2 Microsats et un équipement adéquat des unités au sol) utilisant un système de positionnement à 2 canaux, l'incertitude sur la position serait réduite à 1km lorsque le véhicule se trouve à 125 km d'altitude et serait de l'ordre de 10 à 100 m au sol.

En permettant un positionnement précis, Mars Network permettrait d'engager des missions automatiques plus sophistiquées et, ultérieurement, une exploration humaine plus sûre.

Le réseau Mars Network à l'étude s'articule autour d'une constellation de microsatellites (Microsats) et de un ou plusieurs satellites plus gros les MARSats.

Les Microsats utiliseront un système de communication développé pour les micromissions dans le cadre du programme Mars Surveyor. La contrainte principale lors de l'élaboration de ce système de communication était le besoin de minimiser le coût. Les efforts ont porté sur 2 axes : la réduction des coûts de développement et la réduction des coûts de lancement.

Pour réduire les coûts de développement des satellites, le système de communication a été conçu sans éléments redondants, pour une durée de vie de 3 à 5 ans.

Pour réduire les coûts de mise en orbite, un lancement en tant que charge auxiliaire sur Ariane 5 est à l'étude. Le départ des 2 premiers Microsats d'essai est prévu pour 2003.

Pour tenir dans le faible volume en forme de banane disponible sur Ariane 5, ces satellites seront, comme leur nom l'indique, très petits. Les dimensions seront d'environ 250´60´80 cm, et la masse, carburant inclus, sera d'environ 220kg. La masse de ce dernier, estimée à 140 kg, sera juste suffisante pour propulser le satellite d'une orbite de transfert géosynchrone sur une orbite Terre-Lune permettant par assistance gravitationnelle d'injecter les Microsats sur une trajectoire interplanétaire, freiner à l'approche de Mars pour se placer sur une orbite elliptique autour de la planète, aérofreiner pour atteindre une orbite circulaire à 800 km d'altitude et maintenir cette orbite pendant la durée de la mission. La masse à sec des satellites ne sera donc que de 80kg. Dans ces contraintes de masse et de volume très serrées devront prendre place un transpondeur (émetteur-récepteur) associé à une antenne parabolique à grand gain pour la communication avec la Terre et un autre transpondeur associé à plusieurs petites antennes pour la communication avec les éléments à la surface de Mars.

La communication avec la Terre se fera en bande X (8 à 12 GHz) à 8,4 GHz, pour assurer à cette liaison à grande distance une forte capacité de transmission de données. Les microsats pourraient même être équipés plus tard de systèmes de communication travaillant sur une fréquence encore plus élevée. La bande Ka (27 à 40 GHz), en cours de développement, permettra encore d'augmenter le débit des données.

Pour la communication avec les éléments d'explorations à la surface de Mars, les Microsats seront équipés d'un transpondeur UHF associé à une antenne omnidirectionnelle (ou un réseau d'antennes directionnelles). Cette bande de fréquence est utilisée pour les communications locales car elle est moins exigeante en termes de pointage des antennes. Ceci permettra de communiquer avec des éléments travaillant sur des sites différents sans nécessiter un pointage séquentiel de l'antenne vers chaque élément.

Les MARSats seront la deuxième composante du "Mars Network". Ils seront comparables aux satellites de communication géostationnaires à très large bande passante en orbite terrestre. Alors que ces satellites n'intégreront probablement pas de fonctions de navigation, ils réaliseront une véritable percée en matière de connectivité et de taux de transfert de données. Cette amélioration vient essentiellement de 2 facteurs : d'une part de leur orbite, et d'autre part des équipements de télécommunication qui les équiperont.

Leur orbite aréostationnaire (orbite géostationnaire martienne) permettra un contact permanent avec les éléments d'exploration au sol et donc un transfert de gros volumes de données. Les MARSats utiliseront un transpondeur très haute fréquence en bande Ka de forte puissance associé à une antenne parabolique de grande taille à grand gain pour assurer les liaisons à très haut débit vers la Terre. La communication avec les éléments d'exploration au sol se fera en bande X en utilisant une parabole à grand gain orientable ainsi que plusieurs petites antennes fixes. Le taux de transfert pourrait atteindre 1 mégabit par seconde et pourrait permettre la transmission de vidéo en continu. Ce taux de transfert combiné à une transmission continue des données permettrait de décupler le volume d'information recueilli par rapport aux Microsats seuls.

(Gb/Sol = Gigabit / Jour martien)

Les transpondeurs à grande puissance nécessiteront l'installation d'une alimentation électrique de forte puissance. De plus atteindre l'orbite aréostationnaire requiert une grande quantité de carburant, ce qui rendra les MARSats assez volumineux et lourds.

Les architectures actuellement à l'étude prévoient des puissances électriques de quelques kilowatts obtenues par 2 panneaux solaires de l'ordre de 6m de long sur 2 m de large. La masse des MARSats est estimée entre 800 et 1000kg.

Ces considérations de puissance, de volume et de masse feront des MARSats une charge primaire pour un lanceur de la classe Delta. Les coûts de développement et de lancement seront donc significativement plus élevés que pour les Microsats.

Mars Network est actuellement au stade d'étude conceptuelle pour une future implémentation en tant que projet du programme "Mars Surveyor".

Le premier travail consiste à dresser un inventaire des besoins de communication et de navigation des futurs éléments d'exploration. En s'appuyant sur ces besoins, l'équipe Mars Network étudie la meilleure façon de déployer et d'améliorer les Microsats et les Marsats dans le temps. Les ingénieurs étudient ainsi les orbites les mieux adaptées, le nombre simultané d'utilisateurs potentiels, les fréquences des émetteurs et des récepteurs, les protocoles de liaison entre le réseau et les éléments d'exploration au sol, la nécessité d'une liaison inter satellites et comment la constellation sera opérée et maintenue.

Quelle que soit l'architecture finalement retenue, Mars Network sera essentiellement une "autoroute", par laquelle les éléments au sol pourront transmettre leurs données vers la Terre. L'amélioration de la bande passante et du temps de connexion permettront d'envoyer un flot plus important d'information vers le public et de l'intéresser davantage à l'aventure martienne. Pour ce faire l'équipe Mars Network travaille en coordination avec les équipes des autres programmes martiens, les bureaux de la communication et des programmes technologiques commerciaux du JPL, pour créer une "Porte d'exploration de Mars" basée sur Internet, et permettant d'offrir au public une présence virtuelle sur Mars. Des partenariats avec l'industrie, le milieu universitaire et d'autres sont recherchés, afin de rendre l'interface simple et de bonne qualité. Ce sera le premier pas vers un Internet interplanétaire.

Mais il y a une différence de taille entre l'utilisation d'Internet sur Terre et une liaison vers Mars, une différence d'au minimum 56 millions de kilomètres, pour être précis. Même à la vitesse de la lumière les signaux mettent 3 minutes pour parcourir cette distance. De plus la distance entre Mars et la Terre varie continuellement et les durées de transmissions peuvent atteindre 20 minutes. Or Internet est principalement basé sur la notion d'interactivité. Les ordinateurs manipulent les données en quelques millisecondes, vérifient l'intégrité des paquets de données entrants, les traitent et les retransmettent si nécessaire. Tout ceci marche bien dans un environnement terrestre mais est tout à fait impraticable lorsque les temps de communication se chiffrent en dizaines de minutes. Pour venir à bout de la limitation de la vitesse de transmission imposée par les lois de la physique, l'architecture du réseau ressemblera à un super réseau Internet assurant la communication avec des sous réseaux locaux au moyen de nouveaux protocoles.

Avant d'ouvrir la porte vers Mars au public, Mars Network permettra surtout de décupler le flot de données transmis à partir des engins d'exploration et améliorera de façon notable le rapport coût/efficacité des missions. En 1997, Mars Pathfinder pouvait seulement transmettre 30 mégabits par jour soit une moyenne d'environ 300 bits par seconde. A titre de comparaison, le modem connecté à votre ordinateur transmet 56 000 bits par seconde. Avec Mars Network le débit sera plus de 30 fois plus élevé, soit environ 10 000 bits par seconde, ce qui serait suffisant pour transmettre un panorama de 360° en haute résolution une fois par jour. À partir de 2007, on peut espérer une présence robotique permanente sur Mars, transférant des données dans les deux sens grâce aux protocoles Internet.

Le JPL a sélectionné Ball Aerospace & Technologie corp. de Boulder, Colorado, pour des négociations comme fournisseur du programme "Mars Micromission", une série de petites missions à bas prix destinées à être lancées vers la planète rouge comme charges auxiliaires lors de lancements commerciaux. Ces micro-missions seront constituées pour moitié de satellites scientifiques et pour l'autre moitié de satellites de communication.

Le contrat est en cours de négociation et la décision de la NASA pour le financement est attendue ce mois.

Le premier tir par une Ariane 5 est prévu au printemps 2003. Dans le cadre du partenariat NASA-CNES, les frais de lancement seront pris en charge par le CNES.

Des partenariats avec l'industrie et le milieu universitaire sont recherchés pour créer une porte virtuelle vers Mars, basée sur les techniques Internet, a travers laquelle chaque personne pourra passer et explorer la nouvelle frontière.