Système de positionnement par satellites - Définition
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Introduction
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).
Principe
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.
Fonctionnement
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.
