Système de positionnement par satellites

Un système de positionnement par satellites[Note 1] également désigné sous le sigle GNSS (pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites[1],[Note 2]) est un ensemble de composants reposant sur une constellation de satellites artificiels permettant de fournir à un utilisateur par l’intermédiaire d'un récepteur portable de petite taille sa position 3D, sa vitesse 3D et l'heure. Cette catégorie de système de géopositionnement se caractérise par une précision métrique, sa couverture mondiale et la compacité des terminaux, mais également par sa sensibilité aux obstacles présents entre le terminal récepteur et les satellites. Certains systèmes d'augmentation et de fiabilisation de portée régionale ou mondiales, gratuits ou payants, permettent de fiabiliser le système et d'améliorer les performances (DGPS, EGNOS, Assisted GPS (A-GNSS), etc.).

Constellation de satellites constituant un système de positionnement par satellites ; ici celle du système GPS.

Le premier système de positionnement par satellites est développé par les États-Unis avec TRANSIT à usage uniquement militaire en 1964 puis avec le Global Positioning System (GPS), devenu opérationnel en 1995, qui fixe les principes de fonctionnement repris par les systèmes de navigation par satellites développés par d'autres pays. Le système GPS repose sur une constellation d'une trentaine de satellites qui permet à un utilisateur, situé sur n'importe quel point du globe, d'avoir toujours au minimum quatre satellites à portée, dans l'hypothèse d'un environnement dégagé (« clear sky »). Le terminal de l'utilisateur calcule sa position grâce au signal émis par chacun des satellites. À ce stade, la communication est mono-directionnelle, c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'émission de signaux du terminal vers les satellites, ce qui implique que le système ne reçoit aucune information de la part de l'utilisateur. Celui-ci est donc le seul à connaître sa position calculée.

L'URSS, à la suite des États-Unis, développe GLONASS entré en fonction en 1996 et qui, après une période d'éclipse liée à l'éclatement de l'Union soviétique, est redevenu opérationnel en 2010. L’Union européenne avec le système Galileo et la Chine avec le système Beidou-2 (COMPASS) développent leur propre système qui devrait être complètement opérationnel en 2020. Le Japon (QZSS) et l’Inde avec l'IRNSS développent de leur côté un système assurant une couverture uniquement régionale dont la Chine dispose également avec Beidou-1.

Après une exploitation purement militaire par les États-Unis, l'utilisation des terminaux GPS (et plus généralement GNSS) s'est généralisée pour répondre aux besoins des professionnels et du grand public (navigation — maritime, aérienne, terrestre —, topographie, géodésie, génie civil, agriculture, synchronisation du temps, etc.) Les terminaux permettent souvent d'exploiter les signaux de plusieurs systèmes, notamment GLONASS et GPS, augmentant de ce fait les performances de positionnement grâce à la redondance des satellites. Les terminaux, qui sont des 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), etc. Cette retransmission de la position du terminal par télécommunication est également largement généralisée aux smartphones qui sont aujourd'hui tous munis d'un récepteur GNSS et dont de multiples applications exploitent la position de l'utilisateur. Cette fonction de suivi, ou tracking, est souvent attribuée à tort au système GNSS lui-même alors qu'il n'y est pour rien.

Principe de fonctionnement

Un système de positionnement par satellites fournit sur un récepteur les coordonnées géographiques en trois dimensions (longitude, latitude, hauteur ellipsoïdale), la vitesse de déplacement et la date / heure à son utilisateur. Ces informations sont calculées à partir des mesures de distance à un instant donné entre le récepteur de l'utilisateur et plusieurs satellites artificiels dont les positions dans l'espace sont connues avec précision. En combinant la mesure simultanée de la distance d'au moins quatre satellites, le récepteur est capable par multilatération de fournir la position et l'altitude avec une précision de l'ordre du mètre, la vitesse avec une précision de quelques cm/s et le temps avec une précision atomique. La précision dépend de très nombreux facteurs, dont la qualité du récepteur, le mode de calcul et l'environnement proche. En termes de position, elle peut descendre à quelques millimètres pour un récepteur de type géodésique bi-fréquence utilisant la phase des signaux jusqu'à plusieurs dizaines, voire centaines de mètres pour un récepteur bas de gamme en environnement urbain dense. Le récepteur peut être au sol ou embarqué positionné dans un véhicule en déplacement : automobile, navire, avion.

Par abus de langage, il est souvent fait référence au GPS alors que la plupart des téléphones modernes embarquent de fait des puces de type GNSS capables d’utiliser plusieurs constellations simultanément[2].

Détermination de la trajectoire du satellite

Pour mesurer la distance entre le récepteur et le satellite, la trajectoire précise de ce dernier doit être connue. Celle-ci est reconstituée à partir de deux types de messages envoyés par le satellite au récepteur :

  • les données d'almanach sont transmises en permanence et fournissent la position approximative des satellites de navigation dans le ciel. Elles permettent au récepteur de repérer rapidement les satellites visibles depuis la position de son utilisateur ;
  • les données d'éphémérides fournissent des données de position beaucoup plus précises qui sont actualisées périodiquement (toutes les 4 à 6 heures pour le système GPS) afin de tenir compte des plus petits changements affectant l'orbite des satellites. Ce sont ces données qui sont utilisées pour le calcul de la position.

Détermination de l'heure

Connaissant la trajectoire que suit le satellite, le récepteur, pour calculer la position, doit théoriquement utiliser la même heure que le satellite. En effet, compte tenu de la vitesse à laquelle circule le signal (300 000 km/s), une désynchronisation de 10 millisecondes entre l'horloge du satellite et celle du récepteur engendre une erreur de calcul de la position de 3 000 km. La précision et la stabilité de l'heure du satellite est garantie par l'emport de plusieurs horloges atomiques qui fournissent une heure qui ne dérive que de quelques nanosecondes par jour. Le récepteur, par contre, ne peut être équipé d'une horloge aussi précise pour des raisons de coût et d'encombrement. L'heure est fournie par un oscillateur à quartz dont la dérive journalière moyenne est de 10 millisecondes. Lors du calcul de la position, le décalage entre le temps du récepteur et le temps des satellites est traité comme une inconnue et calculé en même temps que les coordonnées du récepteur.

Calcul de la position

Pour déterminer sa position, sa vitesse et l'heure, le récepteur calcule la distance à laquelle se trouve le satellite à partir des données de l'éphéméride et en se basant sur son horloge interne. Mais ce calcul est entaché d'erreurs (on parle de pseudo-distance) du fait principalement de la désynchronisation des horloges mais également parce que différents phénomènes physiques viennent perturber la propagation du signal, dont les principaux sont listés ci-dessous :

  • l'éphéméride n'est pas parfaitement exacte ;
  • malgré sa très haute performance, l'horloge du satellite est néanmoins entachée d'une légère erreur ;
  • le signal est ralenti durant sa traversée de l'atmosphère (ionosphère et troposphère) de manière variable ;
  • le signal peut être réfléchi par des objets au sol (bâtiments) avant d'atteindre le récepteur, on parle alors de « multi-trajets » ;
  • enfin en milieu urbain, en montagne ou dans une région boisée le signal peut être bloqué.

La méthode de trilatération permet théoriquement de calculer position, vitesse et temps en utilisant le signal de trois satellites : la distance à laquelle se situe un satellite positionne l'utilisateur à la surface d'une sphère dont le centre est le satellite. L'intersection de 3 sphères permet d'identifier un point unique dans l'espace. Un quatrième satellite au minimum est néanmoins requis pour permettre de déterminer le décalage des horloges et réduire les incertitudes liées aux autres sources de perturbation du signal, on parle alors de multilatération. Dans la réalité, le récepteur utilise le maximum de satellites dont il reçoit correctement le signal et calcule la solution qui lui semble « optimale », c'est-à-dire la plus vraisemblable en fonction des erreurs estimées sur chaque pseudo-distance.

Augmentation du signal

Pour améliorer les performances de précision et garantir des performances minimales associées à un certain facteur de risque (notion d’intégrité), des signaux supplémentaires peuvent être émis par des satellites ou des balises terrestres de correction, appelés systèmes d'augmentation.

Interface avec des applications

Le récepteur GNSS strictement dit, dont la seule fonction est de calculer la position et la vitesse, est souvent couplé à d'autres composants (calculateur, écran…) qui fournissent à l'utilisateur des fonctions de navigation, par exemple la détermination de la route à suivre pour rejoindre un point de coordonnées connues ou le calcul du trajet routier optimal pour se rendre d'un point A à un point B, avec la fourniture des indications nécessaires au conducteur à chaque endroit stratégique. Le récepteur peut également (principalement en navigation aérienne) être interfacé à d'autres moyens de navigation : centrale inertielle, autres senseurs de bord (compas, tachymètre, autres systèmes de radionavigation…) pour augmenter ses performances et la disponibilité de la position finale.

Dans le cas du suivi de flotte, le récepteur peut aussi être couplé à un moyen de télécommunication : téléphone cellulaire ou satellitaire, liaison UHF ou VHF, qui retransmet automatiquement la position du mobile à un central. Ce central peut alors contrôler, gérer ou surveiller le déplacement des mobiles.

Enfin, dans le contexte de l'Internet mobile, c'est-à-dire de la géolocalisation sur smartphones, les applications faisant usage du positionnement satellitaire sont absolument innombrables et se caractérisent toutes par le couplage du positionnement avec la communication cellulaire, c'est-à-dire généralement par une remontée des positions aux serveurs des applications.

Historique

Les systèmes de radionavigation terrestres

Les systèmes satellitaires ont été précédés par les systèmes terrestres de radionavigation, comme le DECCA, le LORAN (LOng RAnge Navigation) 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 le VOR (VHF Omnidirectional Range), le DME, le TACAN (TACtical Air Navigation), l’ILS ou l’ADF. Tous ces systèmes reposent sur un réseau de stations terrestres qui émettent un signal radio. En analysant le signal de plusieurs stations émettrices, le système de radionavigation détermine la position. Ces systèmes présentent les inconvénients suivants :

  • une couverture très partielle. Chaque station a une portée limitée du fait de la rotondité de la Terre et de l’affaiblissement du signal. Il faut disposer d'un réseau dense de stations. Pour des raisons financières et techniques (océans) la couverture se limite aux régions continentales ou proches des côtes où le nombre d'utilisateurs est suffisamment important ;
  • une précision réduite lorsqu'on s'éloigne des stations ou lorsque les conditions de propagation des ondes sont mauvaises.

Le système TRANSIT
Satellite Transit-O (Génération opérationnelle).

Le début de l'ère spatiale modifie la donne. Les États-Unis développent Transit, le premier système de positionnement par satellites . Celui-ci est développé pour la marine de guerre des États-Unis par le laboratoire Applied Physics Laboratory de l'université Johns-Hopkins en 1958. Il devient opérationnel en 1964. Le système Transit repose sur l'exploitation de l’effet Doppler de signaux radio émis par des satellites de petite taille (une cinquantaine de kilogrammes) circulant sur une orbite polaire et stabilisés par gradient de gravité. La constellation de satellites Transit compte quatre satellites dans sa configuration opérationnelle. Une fois un des satellites en vue, soit en général après une attente de l'ordre de l'heure, le récepteur Transit parvenait à calculer dans un délai d'une quinzaine de minutes la position avec une précision d'environ 200 mètres. Le système est développé initialement pour obtenir une frappe précise des missiles Polaris embarqués à bord des sous-marins nucléaires lanceurs d'engins américains. Dès 1967 son utilisation se généralise à bord des navires civils américains comme étrangers et une centaine de milliers de récepteurs Transit étaient en fonctionnement au début des années 1990[3].

Création du système GPS

Au début des années 1970, les États-Unis décident de concevoir un système plus précis pour répondre à leurs besoins militaires. Les concepts du système GPS sont définis entre 1973 et 1978. Une première phase pré-opérationnelle est atteinte après les lancements de onze satellites dits du bloc I d'une durée de vie de 4,5 ans qui s'échelonnent entre 1978 et 1985. En 1983, le gouvernement américain décide que le système GPS sera ouvert aux civils dès qu'il deviendra opérationnel. Entre 1989 et 1997, 28 autres satellites aux durées de vie allongées en version II (7,5 ans) et IIr (10 ans) sont lancés. Le système est déclaré opérationnel en . Le signal est alors volontairement dégradé pour l'usage civil (précision de l'ordre de 100 mètres au lieu de 10 mètres) mais en 2000 le gouvernement américain décide de mettre fin à cette dégradation. Cela permit la navigation routière.

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, seules 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, anti-collision…) 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. Ce signal d'intégrité est, dans le cas des GNSS actuels, fourni par un système d'augmentation qui surveille en temps réel la santé des satellites, tel le système satellitaire européen EGNOS qui a été développé spécifiquement pour l'aviation civile, mais qui peut, sous certaines conditions, rendre aussi des services en navigation maritime ou terrestre.

Usage civil ou militaire

Les systèmes de navigation satellitaires ont été développés d’abord pour les besoins militaires. 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.

Navigation avec un portable et un récepteur GPS.

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.

Les USA ont été les premiers avec le GPS, mais l'URSS a suivi avec GLONASS et maintenant[Quand ?] l'Europe et la Chine se dotent également de leur propre GNSS, capable de fonctionner de façon complétement indépendante du GPS américain, bien que tous ces systèmes demeurent interopérables pour les applications civiles en temps de paix.

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 100 m au lieu des 10 m actuels.

À l'heure actuelle[Quand ?], le marché des GNSS est largement dominé par les applications civiles, principalement les applications grand public (les smartphones et tablettes, et ultérieurement les objets connectés en général) et le transport routier, qui se partagent plus de 90 % du marché. L'agriculture et la géomatique se partagent la moitié du segment restant devant les drones et la navigation maritime[4].

Caractéristiques

Les systèmes sont caractérisés par leurs performances 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 500 m dans certaines îles 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'Organisation de l'aviation civile internationale (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 de positionnement par satellites 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 ».

Systèmes de navigation satellitaires existants ou en développement
Comparaison des orbites des différents systèmes.

Les systèmes de positionnement satellitaires avec une couverture globale sont :

  • GPS pour les États-Unis (pleinement opérationnel depuis 1995) ;
  • GLONASS pour la Russie (opérationnel entre 1996 et 1999, puis de nouveau opérationnel depuis 2010) ;
  • Galileo pour l'Europe (opérationnel depuis 2016[5]) ;
  • Compass ou Beidou-2 et 3 (évolution à dimension mondiale de Beidou-1, régional) pour la Chine.

Les systèmes de positionnement avec une couverture régionale :

  • Beidou-1 pour la Chine ;
  • IRNSS pour l'Inde (en cours de déploiement en 2015) ;
  • QZSS pour le Japon (en cours de déploiement en 2015).
Comparaison des caractéristiques du segment spatial (2017)
Caractéristique GPS GLONASS GALILEO Beidou/Compass
Segment spatial
Altitude20 200 km19 100 km23 222 km21 528 km
Inclinaison55°64,8°56°55°
Période orbitale11 h 5811 h 1514 h 712 h 53
Nombre de plans orbitaux6333
Nombre de satellites opérationnels (en cible)31 (31)24 (24)22 (24)20[6] (27 + 5)

GPS

Le système GPS, se développe, à partir de 1978 (année de mise en service du premier satellite) et devient disponible librement en 1994 (avec un accès qui n'est alors plus réservé à l'armée américaine) et pleinement opérationnel en 1995 (avec une constellation de 24 satellites). Il est alors, pendant un an, le seul système de positionnement par satellite, pleinement efficace et fonctionnel.

Un an plus tard (1996), le système GLONASS russe devient, lui aussi, pleinement opérationnel. Cependant, entre 1999 et 2010 (à cause de l’obsolescence de GLONASS), le système GPS était redevenu le seul système mondial de navigation satellitaire entièrement opérationnel. En 2015, Il est constitué de 31 satellites[7] (24 à l'origine) en orbite intermédiaire (MEO) en six plans orbitaux. Le nombre exact de satellites varie en fonction des remplacements de satellites en fin de vie.

GLONASS

Le système GLONASS de l’ex Union Soviétique, aujourd’hui la Russie (en russe Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), était également une constellation fonctionnelle apparue en 1995 et rendue opérationnelle dès 1996, mais avec l’écroulement de l’Union soviétique, il n’était plus entretenu, provoquant des pannes matérielles dès 1997 (deux ans après son lancement), s'aggravant entre 1997 et 2000 et générant des trous de couvertures, rendant obsolète et non-fonctionnel ce système de positionnement. Entre 2000 et 2010, la disponibilité était donc devenue partielle. En 2005, cependant, la Fédération de Russie s’est engagée à le restaurer avant 2010, avec une collaboration indienne dans ce projet. Entre 2008 et 2010, de nouveaux satellites sont lancés, le rendant de nouveau, progressivement fonctionnel. Depuis 2010, il est enfin redevenu opérationnel et depuis 2011, sa précision s'améliore, le rendant pleinement efficace. Entre et , pour la première fois, la constellation GLONASS couvre 100 % de la surface de la planète. L'iPhone 4S et le Samsung Wave III deviennent en 2011, les premiers smartphones grand public (en dehors du marché russe) à recevoir nativement les signaux GLONASS et à les utiliser pour évaluer le positionnement[8],[9].

Galileo

L’Union européenne a signé avec l’agence spatiale européenne en l’accord sur le développement du système global Galileo. Le coût est estimé à environ 3 milliards d’euros[10]. La constellation finale sera constituée de 24 satellites qui devraient être opérationnels en 2017, ainsi que de 6 satellites de secours[11]. Le premier satellite expérimental a été lancé le . Un second satellite de validation a été lancé en 2008. Le , dix satellites étaient d'ores et déjà en orbite[12], et on en comptait huit de plus fin 2016[13]. Les premiers services sont opérationnels à partir du [14].

Les signaux de navigation de Galileo sont compatibles avec ceux du GPS, permettant aux récepteurs de les combiner pour augmenter la précision ainsi que la véracité du point.

Compass

La Chine a commencé à transformer son système régional Beidou en système global. Ce programme est appelé « Compass » par l’agence d’informations chinoises officielle Xinhua News Agency.

Le système Compass doit comporter trente satellites en orbite MEO et cinq 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 s'étendrait jusqu’à 1 500 à 2 000 km autour de son voisinage. Le but est d'avoir 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 , avec un objectif de développement en six à sept ans.

QZSS

Le système QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), est développé par le Japon pour un premier lancement en 2008. Il est constitué de trois satellites géostationnaires permettant le transfert de temps et une augmentation du GPS. Il couvrira le Japon et sa région[15]

Autres systèmes de positionnement satellitaires

Le système français Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) 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[16]

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 (1 à 2 km), 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.

Systèmes d'augmentation de performances

Les systèmes satellitaires existants (GPS et 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 garantissant 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)
    • WAAS (Wide Area Augmentation System) pour les États-Unis (zone de service appelée CONUS), complémentant le GPS ;
    • MSAS (en) (MTSAT Satellite Augmentation System) au Japon, complétant le GPS ;
    • EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) pour l'Europe (zone de service appelée ECAC), complétant le GPS ;
    • GAGAN (GPS Aided GEO Augmented Navigation) en Inde, complétant le GPS ;
    • SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring) en Russie, complétant le GPS et GLONASS : ce système n'est pas opérationnel ;
    • D'autres systèmes sont en préparation, notamment pour la Chine (BDSBAS) et pour la Corée du Sud (K-SBAS).
  • Augmentation basée sur des systèmes sol GBAS (Ground-Based Augmentation system (en))
  • Augmentation basée sur des systèmes à bord (pour les avions) ABAS (Aircraft Based Augmentation System)
    • Centrales à inertie ;
    • Exploitation de la redondance des mesures GPS (algorithmes RAIM/FDE pour Receiver Autonomous Integrity Monitoring (en) / Fault Detection and Exclusion) ;
    • Aide barométrique.

Ces systèmes permettent d'obtenir une précision allant jusqu'au centimètre. Pour la navigation aérienne, 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).

Définitions de l'OACI

Les systèmes de positionnement par satellites capables de fournir une précision et une intégrité compatible avec les exigences de la navigation aéronautique civile sont définis ainsi par l'OACI[17] :

GNSS-1

Le GNSS-1 est la première génération de système de positionnement par satellites, 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 (en) 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 (Continuously Operating Reference Station).
  • Les GBAS locaux utilisant une seule station de référence fonctionnant en corrections cinématiques. (Real Time Kinematic).

Utilisations
Un récepteur GPS dans un taxi.

Les usages civils des systèmes de positionnement par satellites 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 pêche ;
  • 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.

En 2014, le nombre de terminaux GPS opérationnels est estimé à 3,5 milliards. Il s'agit en majorité de téléphones mobiles équipés de composants électroniques permettant de traiter le signal des satellites de navigation. Selon les projections effectuées début 2015 ce nombre devrait passer à sept milliards en 2019 et neuf milliards en 2023. Le taux d'équipement en 2014 était de 1,4 terminal par personne en Amérique du Nord (2,5 en 2023), 1,1 en Europe (2,1 en 2023), 0,8 en Russie (2,3 en 2023), 0,5 en Amérique du Sud (1,1 en 2023), 0,4 en Asie (1 en 2023) et 0,2 en Afrique (0,8 en 2023). Une majorité de terminaux a désormais la capacité d'exploiter le signal des satellites de plusieurs systèmes de positionnement : 23 % peuvent utiliser les signaux GPS et GLONASS, 8 % les signaux GPS, GALILEO et GLONASS et 21 % les signaux des quatre systèmes de positionnement ayant une couverture mondiale (GPS, GALILEO, BEIDOU et GLONASS)[18].

Enjeux politiques et économiques

Les systèmes de positionnement par satellites ont plusieurs répercussions économiques :

  • leur construction et leur entretien (remplacement des satellites…) représentent d'énormes dépenses budgétaires. La Fédération de Russie avait laissé se dégrader le système GLONASS pour des raisons budgétaires, avant le rétablissement de la couverture en 2010. L'Union européenne 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). Dans cette même optique, la Commission européenne a apporté son soutien à la création du Master GNSS[19] par l'École nationale de l'aviation civile et l'Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace.

GPS et protection des données personnelles

La pratique croissante de la géolocalisation d'individus ou de véhicules, d'objets connectés (smartphones et tablettes notamment) ou d'opérations effectuées par des individus (sur un ordinateur en consultant internet ou sur de nombreux terminaux fixe ou mobile de paiement par carte, de distribution d'argent liquide, bornes de contrôle de passage, etc.) est source de stockage d'une grande quantité de données personnelles relatives à la position et aux déplacement des personnes, qui s'ils sont mal sécurisés peuvent poser des problèmes de protection de la vie privée.

La production de tels fichiers ou le suivi de véhicules ou de personnes par géolocalisation GSM/GPS sont des « traitements de données à caractère personnel », qui nécessitent en France une autorisation ou une déclaration à la CNIL (« qui vérifiera que les principes relatifs à la protection de données à caractère personnel sont bien respectés ». La non déclaration de traitement de ce type de données par l'employeur est une faute grave « punie de cinq ans d'emprisonnement et de 300 000 euros d'amende[20]. » Il existe une différence dans le cas du suivi de véhicule entre un véhicule de société (qui n'est utilisé théoriquement que durant les heures de travail) ou de fonction (qui est un avantage en nature).

Notes et références

Notes
  1. Désignation complète : « système de positionnement et de datation par satellites ».
  2. Francisation de l'anglais global navigation satellite system.

Références
  1. « JORF n°25 du 30 janvier 2005, p. 1625 - texte n° 43 - Vocabulaire des sciences et techniques spatiales (liste de termes, expressions et définitions adoptés) », sur legifrance.gouv.fr, (consulté le ).
  2. « Smartphones - Géolocalisation plus précise avec Galileo - Actualité - UFC-Que Choisir », sur quechoisir.org, (consulté le ).
  3. (en) Robert J Danchik, « An Overview of Transit Development », Johns Hopkins APL Technical Digest, Applied Physics Laboratory (université Johns-Hopkins), vol. 19, no 1,‎ , p. 18-26 (lire en ligne)
  4. (en) GSA GNSS market report[PDF], gsa.europa.eu.
  5. (en) FAQ – GALILEO, the EU's satellite navigation programme - Commission européenne, .
  6. (en) BeiDou Satellites mgex.igs.org, consulté en .
  7. (en) GPS Constellation Status - US Coast guards.
  8. (en) India signs GLONASS agreement, rin.org.uk.
  9. (en) India, Russia Agree On Joint Development Of Future Glonas Navigation System, spacedaily.com.
  10. (en) « Boost to Galileo sat-nav system », BBC News, .
  11. « Galileo a entamé sa phase de déploiement opérationnel », ESA, (consulté le ).
  12. « Satellites de Galileo : et deux de plus ! », Europe 1, (consulté le ).
  13. (en) « Galileo navigation satellite system goes live », sur dw.com, Deutsche Welle, (consulté le ).
  14. « Top départ pour Galileo, le « GPS européen » », L'Obs,‎ (lire en ligne, consulté le ).
  15. (en) « Japan Seeking 13 Percent Budget Hike for Space Activities », sur Space.com, .
  16. (mul) AVISO+ - Cnes/CLS.
  17. (en) « A Beginner’s Guide to GNSS in Europe » [PDF], IFATCA.
  18. (en) « GNSS Market report issue 4 » [PDF], European Global Navigation Satellite Systems Agency, , p. 8 et 15.
  19. Création du Master GNSS - AéroBuzz, .
  20. Article 226-16 du code pénal - Légifrance.

Voir aussi

Bibliographie
Cours ou ouvrages en ligne
  • Jean Marc Pieplu, GPS et Galileo : systèmes de navigation par satellites, Paris, Eyrolles, , 163 p. (ISBN 978-2-212-11947-3, OCLC 421525857, BNF 40228632, lire en ligne).
  • Pierre Bosser, GNSS : systèmes globaux de positionnement par satellite, ENSG, , 113 p. (OCLC 936975932, lire en ligne)
    Support de cours de l'École nationale des sciences géographiques.

Articles connexes

Liens externes
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