Navigation par satellite - Satellite navigation

Le US Space Force de l » Global Positioning System a été le premier système mondial de navigation par satellite et a été le premier à fournir un service global gratuit.

Une navigation par satellite ou d'un GPS est un système qui utilise des satellites pour assurer le positionnement géospatial autonome. Il permet à de petits récepteurs électroniques de déterminer leur emplacement ( longitude , latitude et altitude / élévation ) avec une grande précision (quelques centimètres à quelques mètres) en utilisant des signaux horaires transmis le long d'une ligne de visée par radio à partir de satellites. Le système peut être utilisé pour fournir une position, une navigation ou pour suivre la position de quelque chose équipé d'un récepteur (suivi par satellite). Les signaux permettent également au récepteur électronique de calculer l'heure locale actuelle avec une grande précision, ce qui permet une synchronisation horaire. Ces utilisations sont collectivement connues sous le nom de positionnement, navigation et synchronisation (PNT). Les systèmes de navigation par satellite fonctionnent indépendamment de toute réception téléphonique ou Internet, bien que ces technologies puissent améliorer l'utilité des informations de positionnement générées.

Un système de navigation par satellite à couverture mondiale peut être appelé système mondial de navigation par satellite ( GNSS ). A partir de 2020 Septembre, les Etats-Unis ' Système de positionnement global (GPS), la Russie ' Système mondial de navigation par satellite de ( GLONASS ), la Chine est Beidou (BDS) et l' Union européenne est Galileo sont pleinement opérationnels GNSS. Le système de satellites Quasi-Zenith du Japon (QZSS) est un système d'augmentation par satellite GPS (États-Unis) pour améliorer la précision du GPS, avec une navigation par satellite indépendante du GPS prévue pour 2023. Le système indien de navigation par satellite régional (IRNSS) prévoit de s'étendre à une version globale à long terme.

La couverture mondiale de chaque système est généralement assurée par une constellation de 18 à 30 satellites en orbite terrestre moyenne (MEO) répartis entre plusieurs plans orbitaux . Les systèmes réels varient, mais utilisent des inclinaisons orbitales de > 50 ° et des périodes orbitales d'environ douze heures (à une altitude d'environ 20 000 kilomètres ou 12 000 milles).

Classification

Les systèmes GNSS qui offrent une surveillance améliorée de la précision et de l'intégrité utilisables pour la navigation civile sont classés comme suit :

  • Le GNSS-1 est le système de première génération et est la combinaison des systèmes de navigation par satellite existants (GPS et GLONASS), avec des systèmes d'augmentation par satellite (SBAS) ou des systèmes d'augmentation au sol (GBAS). Aux États-Unis, le composant satellitaire est le Wide Area Augmentation System (WAAS), en Europe, il s'agit du European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) et au Japon, il s'agit du Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS). L'augmentation au sol est fournie par des systèmes tels que le système d'augmentation de zone locale (LAAS).
  • Le GNSS-2 est la deuxième génération de systèmes qui fournit indépendamment un système civil complet de navigation par satellite, illustré par le système de positionnement européen Galileo. Ces systèmes fourniront la surveillance de précision et d'intégrité nécessaire à la navigation civile ; y compris les avions. Initialement, ce système se composait uniquement d' ensembles de fréquences de la bande L supérieure (L1 pour GPS, E1 pour Galileo, G1 pour GLONASS). Ces dernières années, les systèmes GNSS ont commencé à activer des ensembles de fréquences de la bande L inférieure (L2 et L5 pour GPS, E5a et E5b pour Galileo, G3 pour GLONASS) à usage civil ; ils présentent une précision globale plus élevée et moins de problèmes de réflexion du signal. À la fin de 2018, quelques appareils GNSS de qualité grand public sont vendus qui tirent parti des deux, et sont généralement appelés appareils « GNSS double bande » ou « GPS double bande ».

Par leurs rôles dans le système de navigation, les systèmes peuvent être classés comme :

  • Systèmes de navigation par satellite de base, actuellement GPS (États-Unis), GLONASS (Fédération de Russie), Beidou (Chine) et Galileo (Union européenne).
  • Systèmes mondiaux d'augmentation par satellite (SBAS) tels que OmniSTAR et StarFire .
  • SBAS régional, y compris WAAS (États-Unis), EGNOS (UE), MSAS (Japon), GAGAN (Inde), SDCM (Russie).
  • Systèmes régionaux de navigation par satellite tels que NAVIC en Inde et QZSS au Japon .
  • Systèmes d'augmentation au sol (GBAS) à l'échelle continentale, par exemple le GRAS australien et le service conjoint des garde-côtes américains, des garde-côtes canadiens, du corps des ingénieurs de l'armée américaine et du département des transports des États-Unis. National Differential GPS (DGPS).
  • GBAS à l'échelle régionale tels que les réseaux CORS.
  • GBAS local caractérisé par une seule station de référence GPS opérant des corrections cinématiques en temps réel (RTK).

Comme de nombreux systèmes GNSS mondiaux (et systèmes de renforcement) utilisent des fréquences et des signaux similaires autour de L1, de nombreux récepteurs « multi-GNSS » capables d'utiliser plusieurs systèmes ont été produits. Alors que certains systèmes s'efforcent d'interopérer au mieux avec le GPS en fournissant la même horloge, d'autres ne le font pas.

Histoire et théorie

Précision des systèmes de navigation.svg

La radionavigation au sol est vieille de plusieurs décennies. Les systèmes DECCA , LORAN , GEE et Omega utilisaient des émetteurs radio terrestres à ondes longues qui diffusaient une impulsion radio à partir d'un emplacement « maître » connu, suivie d'une impulsion répétée à partir d'un certain nombre de stations « esclaves ». Le délai entre la réception du signal maître et les signaux esclaves a permis au récepteur de déduire la distance à chacun des esclaves, fournissant un repère .

Le premier système de navigation par satellite était Transit , un système déployé par l'armée américaine dans les années 1960. Le fonctionnement de Transit était basé sur l' effet Doppler : les satellites voyageaient sur des trajets bien connus et diffusaient leurs signaux sur une fréquence radio bien connue . La fréquence reçue sera légèrement différente de la fréquence de diffusion en raison du mouvement du satellite par rapport au récepteur. En surveillant ce décalage de fréquence sur un court intervalle de temps, le récepteur peut déterminer sa position d'un côté ou de l'autre du satellite, et plusieurs de ces mesures combinées à une connaissance précise de l'orbite du satellite peuvent fixer une position particulière. Les erreurs de position orbitale des satellites sont causées par la réfraction des ondes radio , les changements du champ de gravité (car le champ gravitationnel de la Terre n'est pas uniforme) et d'autres phénomènes. Une équipe, dirigée par Harold L Jury de la Pan Am Aerospace Division en Floride de 1970 à 1973, a trouvé des solutions et/ou des corrections pour de nombreuses sources d'erreur. En utilisant des données en temps réel et une estimation récursive, les erreurs systématiques et résiduelles ont été réduites à une précision suffisante pour la navigation.

Une partie de la diffusion d'un satellite en orbite comprend ses données orbitales précises. À l'origine, l' US Naval Observatory (USNO) observait en continu les orbites précises de ces satellites. Au fur et à mesure que l'orbite d'un satellite déviait, l'USNO envoyait les informations mises à jour au satellite. Les émissions ultérieures d'un satellite mis à jour contiendraient ses éphémérides les plus récentes .

Les systèmes modernes sont plus directs. Le satellite diffuse un signal qui contient des données orbitales (à partir desquelles la position du satellite peut être calculée) et l'heure précise à laquelle le signal a été transmis. Les données orbitales incluent un almanach approximatif pour tous les satellites pour aider à les trouver, et une éphéméride précise pour ce satellite. L' éphéméride orbitale est transmise dans un message de données qui se superpose à un code qui sert de référence temporelle. Le satellite utilise une horloge atomique pour maintenir la synchronisation de tous les satellites de la constellation. Le récepteur compare l'heure de diffusion codée dans la transmission de trois (au niveau de la mer) ou quatre (ce qui permet un calcul d'altitude également) différents satellites, en mesurant le temps de vol vers chaque satellite. Plusieurs de ces mesures peuvent être effectuées en même temps sur différents satellites, ce qui permet de générer un repère continu en temps réel en utilisant une version adaptée de la trilatération : voir calcul de positionnement GNSS pour plus de détails.

Chaque mesure de distance, quel que soit le système utilisé, place le récepteur sur une coque sphérique à la distance mesurée du diffuseur. En prenant plusieurs de ces mesures et en recherchant un point où elles se rencontrent, un correctif est généré. Cependant, dans le cas de récepteurs à déplacement rapide, la position du signal change au fur et à mesure que les signaux sont reçus de plusieurs satellites. De plus, les signaux radio ralentissent légèrement lorsqu'ils traversent l'ionosphère, et ce ralentissement varie avec l'angle du récepteur par rapport au satellite, car cela modifie la distance à travers l'ionosphère. Le calcul de base tente ainsi de trouver la ligne dirigée la plus courte tangente à quatre coquilles sphériques aplaties centrées sur quatre satellites. Les récepteurs de navigation par satellite réduisent les erreurs en utilisant des combinaisons de signaux provenant de plusieurs satellites et de plusieurs corrélateurs, puis en utilisant des techniques telles que le filtrage de Kalman pour combiner les données bruyantes, partielles et en constante évolution en une seule estimation de position, de temps et de vitesse.

Applications

La motivation initiale de la navigation par satellite était pour les applications militaires. La navigation par satellite permet une précision dans la livraison des armes aux cibles, augmentant considérablement leur létalité tout en réduisant les pertes accidentelles dues à des armes mal dirigées. (Voir Bombe guidée ). La navigation par satellite permet également de diriger les forces et de se localiser plus facilement, réduisant ainsi le brouillard de guerre .

Désormais, un système mondial de navigation par satellite, tel que Galileo , est utilisé pour déterminer l'emplacement des utilisateurs et l'emplacement d'autres personnes ou objets à un moment donné. La gamme d'applications de la navigation par satellite à l'avenir est énorme, incluant à la fois les secteurs public et privé dans de nombreux segments de marché tels que la science, les transports, l'agriculture, etc.

La capacité de fournir des signaux de navigation par satellite est également la capacité de refuser leur disponibilité. L'opérateur d'un système de navigation par satellite a potentiellement la capacité de dégrader ou d'éliminer les services de navigation par satellite sur tout territoire qu'il souhaite.

Systèmes mondiaux de navigation par satellite

Par ordre de première année de lancement :

Comparaison de la taille de l'orbite des constellations GPS , GLONASS , Galileo , BeiDou-2 et Iridium , de la Station spatiale internationale , du télescope spatial Hubble et de l' orbite géostationnaire (et de son orbite de cimetière ), avec les ceintures de rayonnement de Van Allen et la Terre à l'échelle.
L' orbite de la Lune est environ 9 fois plus grande que l'orbite géostationnaire. (Dans le fichier SVG, survolez une orbite ou son étiquette pour la mettre en surbrillance ; cliquez pour charger son article.)
Lancement des satellites GNSS de 1978 à 2014

GPS

Première année de lancement : 1978

Le système de positionnement global (GPS) des États-Unis comprend jusqu'à 32 satellites en orbite terrestre moyenne dans six plans orbitaux différents . Le nombre exact de satellites varie au fur et à mesure que les anciens satellites sont retirés et remplacés. Opérationnel depuis 1978 et disponible dans le monde entier depuis 1994, le GPS est le système de navigation par satellite le plus utilisé au monde.

GLONASS

Première année de lancement : 1982

L'ex - soviétique , et maintenant russe , Glo bal'naya Na vigatsionnaya S putnikovaya S Istema , (système mondial de navigation par satellite ou GLONASS), est un système de navigation par satellite spatial qui fournit un service de radionavigation par satellite civil et est également utilisé par le Forces de défense aérospatiale russes. GLONASS a une couverture mondiale complète depuis 1995 et avec 24 satellites.

Beidou

Première année de lancement : 2000

BeiDou a commencé en tant que Beidou-1, désormais désaffecté, un réseau local Asie-Pacifique sur les orbites géostationnaires. La deuxième génération du système BeiDou-2 est devenue opérationnelle en Chine en décembre 2011. Il est proposé que le système BeiDou-3 se compose de 30 satellites MEO et de cinq satellites géostationnaires (IGSO). Une version régionale de 16 satellites (couvrant la zone Asie et Pacifique) a été achevée en décembre 2012. Le service mondial a été achevé en décembre 2018. Le 23 juin 2020, le déploiement de la constellation BDS-3 est entièrement achevé après le lancement réussi du dernier satellite au Centre de lancement de satellites de Xichang .

Galilée

Première année de lancement : 2011

L' Union européenne et l'Agence spatiale européenne ont convenu en mars 2002 d'introduire leur propre alternative au GPS, appelée système de positionnement Galileo . Galileo est devenu opérationnel le 15 décembre 2016 (global Early Operational Capability, EOC). D'un coût estimé à 10 milliards d'euros, le système de 30 satellites MEO devait initialement être opérationnel en 2010. L'année initiale pour devenir opérationnel était 2014. Le premier satellite expérimental a été lancé le 28 décembre 2005. Galileo devrait être compatible avec le système GPS modernisé . Les récepteurs pourront combiner les signaux des satellites Galileo et GPS pour augmenter considérablement la précision. La constellation Galileo complète comprendra 24 satellites actifs, ce qui est prévu d'ici 2021 et à un coût nettement plus élevé. La principale modulation utilisée dans le signal Galileo Open Service est la modulation CBOC ( Composite Binary Offset Carrier ).

Systèmes régionaux de navigation par satellite

NavIC

Le NavIC ou NAVigation with Indian Constellation est un système régional autonome de navigation par satellite développé par l'Organisation indienne de recherche spatiale (ISRO). Le gouvernement a approuvé le projet en mai 2006, et se compose d'une constellation de 7 satellites de navigation. 3 des satellites sont placés sur l' orbite géostationnaire (GEO) et les 4 autres sur l' orbite géosynchrone (GSO) pour avoir une plus grande empreinte de signal et un nombre réduit de satellites pour cartographier la région. Il est destiné à fournir une précision de position absolue par tous les temps supérieure à 7,6 mètres dans toute l' Inde et dans une région s'étendant sur environ 1 500 km autour de celle-ci. Une zone de service étendue se situe entre la zone de service principale et une zone rectangulaire délimitée par le 30e parallèle sud au 50e parallèle nord et le 30e méridien est au 130e méridien est , entre 1 500 et 6 000 km au-delà des frontières. Un objectif de contrôle indien complet a été énoncé, le segment spatial , le segment sol et les récepteurs utilisateurs étant tous construits en Inde.

La constellation était en orbite à partir de 2018, et le système était disponible pour un usage public au début de 2018. NavIC fournit deux niveaux de service, le "service de positionnement standard", qui sera ouvert à un usage civil, et un "service restreint" ( un crypté ) pour les utilisateurs autorisés (y compris les militaires). Il est prévu d'étendre le système NavIC en augmentant la taille de la constellation de 7 à 11.

QZSS

Le système de satellites Quasi-Zenith (QZSS) est un système de transfert de temps régional à quatre satellites et une amélioration pour le GPS couvrant le Japon et les régions Asie-Océanie . Les services QZSS étaient disponibles à titre d'essai depuis le 12 janvier 2018 et ont été lancés en novembre 2018. Le premier satellite a été lancé en septembre 2010. Un système de navigation par satellite indépendant (à partir du GPS) avec 7 satellites est prévu pour 2023.

Comparaison des systèmes

Système Beidou Galilée GLONASS GPS NavIC QZSS
Propriétaire Chine Union européenne Russie États Unis Inde Japon
Couverture Global Global Global Global Régional Régional
Codage AMRC AMRC AMRF & AMRC AMRC AMRC AMRC
Altitude 21 150 km (13 140 mi) 23 222 km (14 429 mi) 19 130 km (11 890 mi) 20 180 km (12 540 mi) 36 000 km (22 000 mi) 32 600 km (20 300 mi) -
39 000 km (24 000 mi)
Période 12.63 h (12 h 38 min) 14.08 h (14 h 5 min) 11.26h (11h16) 11,97 h (11 h 58 min) 23,93 h (23 h 56 min) 23,93 h (23 h 56 min)
Rev./ S. jour 17/9 (1.888...) 17/10 (1.7) 17/8 (2.125) 2 1 1
Satellites BeiDou-3 :
28 opérationnels
(24 MEO 3 IGSO 1 GSO)
5 en validation orbite
2 GSO prévus 20H1
BeiDou-2 :
15 opérationnels
1 en mise en service
Intentionnellement:

24 actifs + 6 sauvegardes

Actuellement:

26 en orbite
24 opérationnels

2 inactifs
6 à lancer

24 par conception
24 opérationnels
1 mise
en service 1 en essais en vol
30,
24 par conception
3 GEO,
5 GSO MEO
4 opérationnels (3 GSO, 1 GEO)
7 dans le futur
La fréquence 1,561098 GHz (B1)
1,589742 GHz (B1-2)
1,20714 GHz (B2)
1,26852 GHz (B3)
1,559–1,592 GHz (E1)

1,164-1,215 GHz (E5a/b)
1,260-1,300 GHz (E6)

1,593-1,610 GHz (G1)
1,237-1,254 GHz (G2)

1,189-1,214 GHz (G3)

1,563–1,587 GHz (L1)
1,215–1,2396 GHz (L2)

1,164-1,189 GHz (L5)

1,17645 GHz (L5)
2,492028 GHz (S)
1,57542 GHz (L1C/A,L1C,L1S)
1,22760 GHz (L2C)
1,17645 GHz (L5,L5S)
1,27875 GHz (L6)
Statut Opérationnel En exploitation depuis 2016
achèvement 2020
Opérationnel Opérationnel Opérationnel Opérationnel
Précision 3,6
m ( public) 0,1 m (crypté)
1m (Public)
0,01m (Crypté)
2m - 4m 0.3m - 5m (pas de DGPS ou WAAS) 1 m (public)
0,1 m (crypté)
1 m (public)
0,1 m (crypté)
Système Beidou Galilée GLONASS GPS NavIC QZSS

Sources:

L'utilisation de plusieurs systèmes GNSS pour le positionnement de l'utilisateur augmente le nombre de satellites visibles, améliore le positionnement précis des points (PPP) et raccourcit le temps de convergence moyen. L'erreur de télémétrie du signal dans l'espace (SISRE) en novembre 2019 était de 1,6 cm pour Galileo, 2,3 cm pour GPS, 5,2 cm pour GLONASS et 5,5 cm pour BeiDou lors de l'utilisation de corrections en temps réel pour les orbites et les horloges des satellites.

Augmentation

L'augmentation GNSS est une méthode d'amélioration des attributs d'un système de navigation, tels que la précision, la fiabilité et la disponibilité, grâce à l'intégration d'informations externes dans le processus de calcul, par exemple, le Wide Area Augmentation System , le European Geostationary Navigation Overlay Service , le Multi -Système d'augmentation satellitaire fonctionnel , GPS différentiel , navigation augmentée GEO assistée par GPS (GAGAN) et systèmes de navigation inertielle .

Techniques associées

DORIS

L'Orbitographie Doppler et le Radio-positionnement Intégré par Satellite (DORIS) est un système français de navigation de précision. Contrairement aux autres systèmes GNSS, il s'appuie sur des stations émettrices statiques à travers le monde, les récepteurs étant sur des satellites, afin de déterminer avec précision leur position orbitale. Le système peut également être utilisé pour des récepteurs mobiles terrestres avec une utilisation et une couverture plus limitées. Utilisé avec les systèmes GNSS traditionnels, il pousse la précision des positions à une précision centimétrique (et à une précision millimétrique pour les applications altimétriques et permet également de surveiller de très petits changements saisonniers de rotation de la Terre et de déformations), afin de construire un système de référence géodésique beaucoup plus précis.

satellites LEO

Les deux réseaux de téléphonie par satellite actuellement opérationnels en orbite terrestre basse (LEO) sont capables de suivre les émetteurs-récepteurs avec une précision de quelques kilomètres en utilisant des calculs de décalage Doppler à partir du satellite. Les coordonnées sont renvoyées à l'unité émetteur-récepteur où elles peuvent être lues à l'aide de commandes AT ou d'une interface utilisateur graphique . Cela peut également être utilisé par la passerelle pour appliquer des restrictions sur les plans d'appels géographiquement limités.

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

  • Bureau des affaires spatiales des Nations Unies (2010), Report on Current and Planned Global and Regional Navigation Satellite Systems and Satellite-based Augmentation Systems . [1]

Liens externes

Informations sur des systèmes GNSS spécifiques

Organisations liées au GNSS

Sites de support ou d'illustration