Système de positionnement par satellites

GNSS (Global Navigation Satellite System) est le nom général des systèmes de navigation satellitaires fournissant une couverture globale de géopositionnement à usage civil. Les GNSS utilisent les constellations existantes de satellite de navigation, et des systèmes satellitaires complémentaires d’amélioration de performance, comme EGNOS, ou des compléments au sol, comme le DGPS.

Jusqu’en 2007, le système de satellites NAVSTAR, développé aux États-Unis, constituant le GPS, est la seule constellation totalement opérationnelle. Le système russe GLONASS est en cours de restauration opérationnelle.

Le système de l’Union européenne, Galileo, est la seconde génération de GNSS en phase de développement, deux satellites de validation ayant été lancés, il est planifié opérationnel en 2013. La Chine et l’Inde développent également un système régional, via des satellites géostationnaires, voir Beidou.

Un GNSS permet à des récepteurs portables de déterminer leur position sur la terre en longitude latitude et altitude, avec une précision variant de quelques dizaines de mètres à quelques mètres selon les corrections et le temps d’intégration utilisé. Des récepteurs fixes peuvent déterminer leur position avec une précision centimétrique.

Les services utilisant ces systèmes sont principalement la navigation maritime, aérienne, et routière, la topographie, la synchronisation du temps.

Ces systèmes passifs peuvent être complétés par des émetteurs de radiolocalisation pour des applications de suivi logistique (APRS), de sauvetage (SAR), de surveillance de trafic maritime (AIS), d’étude océanographique, de biologie (radiotracking).

Les principaux systèmes de positionnement reposent aujourd'hui sur plusieurs dizaines de satellites émetteurs spécialisés en orbite et de récepteurs-calculateurs mobiles sur Terre. La réception par le calculateur, d'un minimum de quatre satellites assure un calcul de positionnement précis par trilatération.

Le récepteur, qui peut être au sol ou embarqué sur un véhicule (une automobile, un navire, un avion, etc.), reçoit des signaux en provenance des satellites qui lui permettent de calculer ses coordonnées géographiques y compris l'altitude.

Pour assurer des performances de précision et de sécurité garanties, des signaux supplémentaires sont émis par des satellites ou des balises de correction, appelés systèmes d'augmentation.

Le récepteur est souvent couplé à un calculateur qui détermine le cap à suivre pour rejoindre un point de coordonnées connues ou qui affiche une carte numérique sur un écran.

Le récepteur peut également être interfacé à un ordinateur portable muni d'un logiciel cartographique, ou à une centrale de navigation intégrant également tous les autres senseurs de bord (compas, tachymètre, autres systèmes de radionavigation..).

Le récepteur peut aussi être couplé à un téléphone cellulaire ou satellitaire qui retransmet automatiquement la position du mobile à un central. Ce central peut alors contrôler, gérer ou surveiller le déplacement des mobiles.

Les systèmes de radionavigation terrestres

Le systèmes satellitaires ont été précédés par les systèmes terrestres de radionavigation , comme le DECCA, le LORAN et l’Oméga, qui utilisaient des émetteurs terrestres et non des satellites. Certains de ces systèmes sont encore opérationnels, particulièrement en aéronautique, en raison de leur fiabilité et de leur précision locale, comme l’ILS ou l’ADF.

Le système “TRANSIT”

Le système TRANSIT fut le premier système satellitaire global opérationnel, déployé en 1960-70. Il utilisait l’effet doppler, permettant le calcul du gisement du satellite, et non le temps d’arrivée comme les systèmes modernes, qui calculent la distance au satellite. Le nombre de satellites était d’une dizaine, ne permettant un point que toutes les heures en moyenne.

Le signal à 400MHz du Transit contenait les éphémérides ( la position orbitale précise ) du satellite, indispensable pour le calcul du point. Ces éphémérides étaient déterminées par le US Naval Observatory (USNO) qui mettait à jour ces données à bord des satellites.

Sa précision était modeste, environ 1 km, suffisante pour la navigation hauturière.

Les systèmes actuels sont plus directs pour l’utilisateur: Le satellite transmet un signal contenant sa position et l’instant exact d’émission. Ce message est superposé au code qui contient la référence temporelle. La synchronisation des signaux est obtenue par des horloges atomiques à bord de chaque satellite.

Le récepteur compare l’instant d’arrivée vis-à-vis de son horloge propre, avec l’instant d’émission indiqué et mesure ainsi la distance du satellite. Ces mesures sont répétées sur tous les satellites visibles et permettent de calculer une position en continu.

Chaque mesure de distance, quel que soit le système utilisé (constellation basse ou géostationnaire ou balise locale) place le récepteur sur une sphère centrée sur l’émetteur. En utilisant au moins trois émetteurs, ces sphères ont un seul point d’intersection. Ce principe simple se complique cependant:

• L’horloge locale du récepteur est rarement de précision atomique, seuls les différences de temps sont donc précises, ce qui demande quatre balises ou satellites pour faire un point au lieu de trois (si on connaît l’altitude, trois balises suffisent)
• Les récepteurs sont mobiles, et les mesures sont donc effectuées en des points différents.
• Les ondes radio ont une vitesse légèrement variable selon les couches ionosphériques traversées.

Le récepteur intègre donc ces diverses erreurs, utilisant des corrections et des mesures de divers satellites ou balises, puis des techniques d’intégration et de filtrage comme les filtres de Kalman, pour obtenir le point le plus probable et sa précision estimée, sa vitesse ainsi que le temps universel.

Pour les applications demandant une sécurité absolue du point (atterrissage sans visibilité, anticollision, ...) les signaux de navigation sont complétés par un signal dit d’«intégrité» qui permet d’éliminer toute mesure issue d’un émetteur en défaut temporaire ou prolongé.

Les systèmes de navigation satellitaires ont été développés d’abord pour le besoin militaire. Ils permettent en effet une précision inégalée dans le guidage des missiles au but, augmentant leur efficacité et réduisant les risques de dégâts collatéraux. Ces systèmes permettent également aux forces terrestres de se positionner avec précision, réduisant les incertitudes tactiques, aux marines et aux forces aériennes de naviguer avec précision, indépendamment de tout support au sol.

Ainsi, les satellites de navigation agissent en multiplicateur de puissance militaire, et dans les conflits très médiatisés, réduisent les retentissements des pertes civiles. Toute nation ayant des ambitions militaires souhaite donc se doter de ces systèmes.

La possibilité de distribuer des signaux de radionavigation inclut également la possibilité de les interdire d’emploi sur certaines zones sans une clé de décryptage. Le signal civil du GPS était muni jusqu’en 1990 d’un code d’étalement aléatoire de précision, pour éviter son emploi militaire (‘’selective availability’’ ), qui réduisait la précision à 100m au lieu des 10m actuels.

Les systèmes sont caractérisés par leurs performance pour les applications souhaitées, principalement:

Précision

La précision de la localisation dépend du nombre de satellites reçus et du temps d’intégration, ainsi que de la géométrie des mesures. Les récepteurs les plus simples permettent de localiser en quelques secondes un mobile avec une précision meilleure que 100 mètres. Les récepteurs sophistiqués tels que ceux embarqués sur les avions civils et militaires permettent une précision inférieure au décamètre, voire au mètre. Un récepteur fixe au sol permet, après une intégration sur une période de plusieurs minutes, de connaître la position d’un point avec une précision centimétrique.

La position est calculée par rapport au système géodésique World Geodetic System en 1984 WGS 84), mais les références cartographiques sont souvent basées sur des systèmes géodésiques plus anciens (WGS 72 ou antérieurs). L'écart entre ces systèmes cartographiques locaux et le système de référence (jusqu'à 500m dans certaines iles océaniques) peut entraîner une erreur de positionnement supérieure à l'imprécision du système. Ces corrections doivent donc être introduites.

Intégrité

L'intégrité est le terme officiel de l'OACI pour désigner la fiabilité du point fourni: une position utilisée en navigation au large, par exemple peut être occasionnellement erronée (faible intégrité) sans conséquences graves, si le mobile possède des instruments autonomes, alors qu'une position utilisée pour un atterrissage sans visibilité doit au contraire avoir une intégrité absolue.

Couverture et disponibilité

Un système peut avoir une couverture globale ou régionale, il peut être indisponible pendant des périodes plus ou moins longues, avoir des manques de satellites (par exemple GLONASS). Le but des systèmes combinés comme les GNSS-1 et GNSS-2 est de pallier les défauts de chaque système individuel grâce à des combinaisons et compléments dits d'augmentation.

Les systèmes de positionnement satellitaires globaux sont :

• Galileo pour l'Europe (en cours de développement, mise en service prévue pour 2013) ;
• GLONASS pour la Russie ;
• GPS pour les États-Unis ;
• Beidou pour la Chine.

Les systèmes d'overlay existant (ou en développement) sont :

• WAAS, pour les États-Unis (zone de service appelée CONUS), complémentant le GPS
• EGNOS, pour l'Europe (zone de service appelée ECAC), complétant les GPS & GLONASS.
• MSAS en cours de test par le Japon.
• GAGAN en cours de développement par l'Inde.

GPS

Le système GPS est en 2008 le seul système de navigation satellitaire global entièrement opérationnel, il est constitué de 32 satellites en orbite intermédiaire (MEO) en six plans orbitaux. Le nombre exact de satellites varie en fonction des remplacements de satellites en fin de vie. Le GPS est opérationnel depuis 1978 et disponible librement depuis 1994, c’est le système le plus largement utilisé.

GLONASS

Le système GLONASS de l’ex union soviétique, aujourd’hui Russie, en russe Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, était également une constellation entièrement opérationnelle, mais avec l’écroulement de l’union soviétique, il n’est plus entretenu, provoquant des trous de couverture et une disponibilité partielle. La fédération russe s’est engagée à le restaurer avant 2010 avec une collaboration indienne dans ce projet

Galileo

L’Union européenne a signé avec l’agence spatiale européenne en Mars 2002 l’accord sur le développement du système global Galileo. Le coût est estimé à environ 3 milliards d’euros. Le système est prévu opérationnel en 2012. Le premier satellite expérimental a été lancé le 28 décembre 2005. Un second satellite de validation a été lancé en 2008 Les signaux de navigation de Galileo seront compatibles avec ceux du futur GPS, permettant aux récepteurs de les combiner pour augmenter la précision ainsi que la véracité du point.

Compass

La Chine a indiqué son intention d’étendre son système régional Beidou en système global. Ce programme est appelé Compass dans l’agence d’informations chinoises officielle « Xinhua News Agency ». Le système Compass doit comporter 30 satellites en orbite MEO et 5 géostationnaires. Cette annonce est accompagnée d’une invitation à d’autres pays désirant y collaborer, alors que la Chine est également engagée dans le programme Galileo.

IRNSS

Le système IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) est un projet de système autonome de navigation régionale construit et contrôlé par le gouvernement indien. Il doit permettre une précision absolue de 20 mètres sur l’Inde et jusqu’à 1500 à 2000 km au voisinage. Le but est un système entièrement sous contrôle indien, le segment spatial, terrestre et les récepteurs étant développés par l’Inde. Le projet a été approuvé par le gouvernement indien en Mai 2006, avec un objectif de développement en 6 à 7 ans.

QZSS

Le système QZSS ( Quasi-Zenith Satellite System), est développé par le Japon pour un premier lancement en 2008. Il sera constitué de trois satellites géostationnaires permettant le transfert de temps et une augmentation du GPS. Il couvrira le Japon et sa région

Autres systèmes de positionnement satellitaires

Le système français DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite) peut être considéré comme l’inverse des GNSS : à partir de balises au sol, il permet de déterminer avec précision la position d’un satellite. Il est utilisé par exemple sur les satellites d’observation

Les systèmes ARGOS et Cospas-Sarsat ne sont pas à proprement parler des systèmes de navigation, mais de positionnement à distance: le mobile ne contient qu'un émetteur, et la position est connue par le centre de calcul du système. Quoique de précision médiocre (1à 2km) Ils sont utilisés pour la sécurité aérienne et maritime ou le radiotracking d'animaux, grâce à la simplicité des balises embarquées. Ils fonctionnent, comme le TRANSIT, par mesure d'effet doppler.

Les systèmes satellitaires existants (GPS & GLONASS) peuvent être complétés par des systèmes dits d'augmentation ou d'overlay qui délivrent en temps réel des corrections permettant d'accroître la précision ainsi que des informations permettant de garantir l'intégrité de ces corrections. Le principe de ces systèmes est qu'une ou plusieurs stations au sol mesurent en permanence l'erreur et transmettent un signal de correction aux utilisateurs.

Il existe de nombreux systèmes différents selon les corrections fournies au récepteur. Certains systèmes transmettent des informations sur les sources d’erreur (écarts d’horloge, éphémérides, retards ionosphériques), d’autres fournissent l’écart constaté total (différentiel), d’autres ajoutent des informations issus du véhicule lui-même (vitesse, altitude..)

On classe généralement ces systèmes d'augmentation en trois catégories, selon la manière dont la correction est calculée et transmise :

• Augmentation basée sur des satellites : SBAS (Satellite-Based Augmentation System) tels que WAAS (Wide Area Augmentation System), EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) et MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System)
• Augmentation basée sur des systèmes sol : GBAS (Ground-Based Augmentation system) tels que le DGPS (differential GPS) ou les pseudolites (pseudo-satellites au sol)
• Augmentation basée sur des systèmes à bord (pour les avions) : ABAS (Aircraft Based Augmentation System) telles les centrales à inertie.

Ces systèmes permettent d'obtenir une précision allant jusqu'au centimètre. Pour la navigation aérienne, le concept GNSS (Global Navigation Satellite System) de l'OACI demande que l'intégrité des systèmes de navigation par satellite soit surveillée, et qu'une alerte soit émise à bord en cas de perte de l'intégrité nécessaire (qui dépend de la phase du vol).

Les systèmes GNSS capable de fournir une précision et une intégrité compatible avec les exigences de la navigation aéronautique civile sont définis ainsi par l'OACI:

GNSS-1

Le GNSS-1 est la première génération, combinant l’utilisation des systèmes GPS et GLONASS, avec des systèmes d’augmentation satellitaires (SBAS) ou terrestres (GBAS). Aux États-Unis, le complément satellitaire est le WAAS, en Europe, c’est EGNOS, et au japon, le MSAS. Les systèmes complémentaires terrestres (GBAS) sont généralement locaux, comme le ‘’Local Area Augmentation System’’ (LAAS). Les performances du GNSS1 sont compatibles avec la navigation « en route » (suivi des couloirs aériens et des espacements) et éventuellement d’approche si un système LAAS est disponible.

GNSS-2

Le GNSS-2 est la seconde génération de systèmes, capable de fournir tous les services civils, dont l’exemple le plus avancé est le Galileo européen. Ces systèmes procureront simultanément la précision et l’intégrité nécessaire à la navigation civile dans toutes les phases de vol. Le système GPS en développement doit inclure également la porteuse L5 d’intégrité, le mettant ainsi au niveau GNSS2.

• Les systèmes de base sont les constellations opérationnelles existantes ou en déploiement: GPS, Galileo et GLONASS.
• Les systèmes d’augmentation satellitaires globaux: Omnistar et StarFire.
• Les systèmes d’augmentation satellitaires régionaux ( SBAS) incluent le WAAS américain, l’ EGNOS européen, le MSAS japonais, et le GAGAN indien.
• Les systèmes de navigation satellitaires régionaux tels que le QZSS japonais, le IRNSS indien et le Beidou chinois.
• Les systèmes d’augmentation terrestres continentaux (GBAS) par exemple l’australien GRAS et le service DGPS du ministère des transports américain.
• Les GBAS régionaux comme le réseau CORS .
• Les GBAS locaux utilisant une seule station de référence fonctionnant en corrections cinématiques. (Real Time Kinematic).

Les usages civils des GNSS sont multiples :

• La navigation, depuis les récepteurs portables de randonnée, les navigateurs de véhicules, jusqu’aux centrales de navigation des aéronefs et navires
• Le transfert de temps et la synchronisation, scientifique ou pour les télécommunications
• La surveillance, en liaison avec un émetteur APRS
• La topographie, en constructions ou travaux publics.
• Le sauvetage aéronautique ou maritime (Search and rescue), en liaison avec une balise-émetteur de détresses.
• La géophysique, par exemple la surveillance des failles.
• Le suivi des animaux migrateurs ou des populations d'espèces menacées, par radiotracking
• La gestion de réseaux de transport, bus, remorques, etc
• La surveillance des zones de pèche
• l'agriculture de précision, par exemple en permettant les épandages sans recouvrement.
• la gestion des collectivités locales, par la mise à jour du cadastre
• la lutte contre le vol, en particulier des véhicules ou des containers.
• la lutte contre la piraterie maritime
• etc.

Ils sont également à la disposition des particuliers, qui peuvent acheter du matériel leur permettant de localiser leur position exacte à tout moment, par exemple au cours de leurs déplacements en automobile ou en randonnée.

Les systèmes GNSS ont plusieurs implications économiques:

• Leur construction représente d'énormes budgets, que seuls les États Unis peuvent envisager seuls. L'ex union soviétique a laissé se dégrader le système GLONASS pour raison budgétaire. L'Europe s'est unie pour Galileo, mais les décisions budgétaires difficiles ont retardé le programme.
• Les entreprises sont choisies pour construire le segment spatial après de fortes luttes d'influence politiques.
• Le marché des applications, en matériel et logiciel est en expansion, mais ne peut contribuer au budget d'un système nouveau, le système existant GPS étant d'usage gratuit.
• Les économies réalisées sur les systèmes terrestres anciens permettent de compenser en partie les coûts. Par exemple, le développement complet du GNSS2 doit permettre d'éliminer une partie des moyens de radionavigation aéronautiques actuels (VOR ILS DME ADF..)
• La navigation plus précise permet des économies sur les coûts de carburant, et le désengorgement des couloirs aériens et des terminaux par réduction des intervalles.

Pour arriver à ce but, les états cherchent une indépendance vis-à-vis du GPS des États-unis, afin de développer des applications civiles ou militaires nationales. Le développement d'un système de navigation satellitaire est également un élément de prestige pour les nouvelles nations spatiales (Chine et Inde).