Système de positionnement par satellites

Un système de positionnement par satellites [Note 1] également désigné sous le sigle anglais GNSS (pour Global Navigation Satellite System) 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 et l'heure. Cette catégorie de système de géopositionnement se caractérise par une précision décamétrique, sa couverture mondiale et la compacité des terminaux. Certains systèmes d'augmentation et de fiabilisation de portée régionale ou mondiales, gratuits ou payant, permettant de fiabiliser et d'améliorer encore la précision disponible.( DGPS, EGNOS, etc.)

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. Le terminal de l'utilisateur calcule sa position grâce au signal émis par chacun des satellites.

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.

L'utilisation de terminaux s'est généralisée pour répondre aux besoins des professionnels et grands publics (militaire, navigation, topographie et synchronisation du temps). Les terminaux permettent souvent d'exploiter les signaux de plusieurs systèmes notamment GLONASS et GPS. 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).

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

Principe de fonctionnement

Un système de positionnement par satellites fournit sur un récepteur les coordonnées géographiques ( longitude, latitude), la vitesse de déplacement et l'heure à son utilisateur. Cette information est obtenue en mesurant la distance à un instant donné entre le récepteur de l'utilisateur et un satellite artificiel dont la position dans l'espace est connue avec précision. En combinant la mesure simultanée de la distance d'au moins quatre satellites, le récepteur est capable par trilatération de fournir la position et l'altitude avec une précision de l'ordre d'une dizaine de mètres et la vitesse avec une précision de quelques cm/s. Le récepteur peut être au sol ou embarqué ou positionné dans un véhicule en déplacement : automobile, navire, avion.

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 message envoyé 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 cout et d'encombrement. L'heure est fournie par un oscillateur à quartz dont la dérive journalière moyenne est de 10 millisecondes.

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'erreur (on parle de pseudo-distance) du fait de la désynchronisation des horloges mais également parce que différents phénomènes viennent perturber la propagation du signal :

  • 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 ;
  • 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 est néanmoins requis pour permettre de déterminer le décalage des horloges et réduire les incertitudes liées aux autres sources de perturbation du signal.

Augmentation du signal

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.

Interface avec des applications

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.

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