Principe de base

Le fonctionnement du système de positionnement par satellites est simple. Un récepteur reçoit une onde émise par le satellite. En connaissant la vitesse de la lumière, il est possible de déterminer la distance entre le satellite et le récepteur. Pour mesurer le temps mis par l'onde pour arriver au récepteur, celui-ci compare l'heure d'émission, insérée dans le code émis par le satellite, avec celle de la réception. Cette mesure est ce qu'on appelle, la pseudo-distance. Il s'agit d'une mesure approximative, liée à la précision de la synchronisation du récepteur. Une erreur d'un millionième de seconde provoque une erreur de 300 mètres sur la position. Pour pallier à ce manque de précision, plusieurs satellites sont nécessaires. En recoupant les données de 3 satellites, on obtient les coordonnées précises du récepteur.

En fonction de l'utilisation que l'on en fait, le système de positionnement est plus ou moins précis. Pour les applications militaires, la précision est centimétrique alors que pour les applications civiles, une précision métrique est suffisante.

Les applications

Applications militaires

L'objectif premier du système de navigation est militaire. Il permettait de localiser les troupes sur le terrain des opérations. Des équipements GPS ont par la suite équipés les missiles permettant d'offrir un taux d'efficacité dans les attaques plus importantes et d'avoir moins de dommages collatéraux.

Applications civiles

Bien que la performance du signal GPS soit moins précise que celui destiné aux militaires, il permet d'offrir une panoplie d'applications aussi vastes que variées dont en voici quelques exemples:

  • Localisation: services de positionnement fiables et précis des véhicules, que ce soit dans les airs, sur les mers, rails ou routes.
  • Sauvetage: rendre plus efficace les opérations de sauvetage.
  • Gestion: recherche environnementale, surveillance des volcans, étude des tremblements de terre, contribuer à la défense de l’environnement en permettant de localiser les pollueurs, de surveiller l’atmosphère ou encore de suivre les déplacements des animaux sauvages afin de préserver leur habitat.
  • Guidage: aide au déplacement des personnes aveugles notamment, améliorer la sécurité du trafic aérien, avoir des transports plus sûrs (moins d’accidents, moins de victimes sur les routes).
  • Assistance: assistance les agriculteurs dans la gestion de leur production, prospecter de nouvelles ressources naturelles plus facile et plus fiable.

Les systèmes

GPS américain

Le premier système de positionnement par satellites est sans conteste le GPS (Global Positioning System) mis en place par l'US Air Force. C'est en 1973 que le Pentagone prend la décision de développer un système de navigation par satellites connu sous le nom Navstar (Navigation System using Timing And Ranging) ou encore GPS. Ces satellites évoluent sur 6 plans d'orbite différents, inclinés de 55° par rapport à l'équateur à une altitude de 20 000 km environ. Ils mettent 12 heures pour faire un tour complet de la Terre. Pour avoir un système efficace, il est nécessaire d'avoir toujours trois satellites clairement "visibles" de n'importe quel point à la surface du globe.

Un satellite GPS IIF
Préparation d'un satellite GPS IIF dans les ateliers de Boeing - Photo Boeing (Agrandir)

Avant l'avènement du programme GPS/Navstar, les Américains avaient déjà eux le programme Transit développé par l'US Navy. Ces satellites de radionavigation maritime a débuté en 1959 et est devenu opérationnel en 1964 avant de s'ouvrir aux services commerciaux à partir de 1967. A partir de 1990, ils ont été remplacés par les NOVA plus performants. Ils circulent à 1 000 km d'altitude sur une orbite polaire.

Glonass russe

Le programme de navigation par satellites des Russes est le Glonass (Global Orbiting Navigation Satellite System) composé de satellites Uragan. Le programme a vu le jour au début des années 80. Tout comme le GPS américain, Glonass dispose d'un réseau de satellites placés sur une orbite culminant à environ 20 000 km et inclinée de 65° sur 3 plans orbitaux. Après la chute de l’Union Soviétique, la Russie n’a pu maintenir le réseau pleinement opérationnel en raison de difficultés financières. En 2001, le gouvernement russe signe un décret pour renouveler la flotte et compléter le système.

Un satellite Glonass K2
Illustration d'un satellite Glonass K2 - Photo Academician MF Reshetnev

Les Russes ont également développé un programme équivalent au Transit américain, le Kosmos-Tsikada. La partie militaire (Kosmos) circulent sur une orbite culminant à 1 000 km d'altitude et inclinée de 83°. La partie civile (Tsikada) est opérationnelle depuis 1978. Ils emportent la balise COSPAS-SARSAT pour le sauvetage de personnes en détresse. COSPAS-SARSAT est un système de balise embarquée à bord de satellites sur orbite basse (LEOSAR) et sur orbite géostationnaire (GEOSAR). Un émetteur envoie un signal de détresse à la balise qui est réceptionnée par l'un ou l'autre satellite au moment de son passage. Le signal d'alerte est envoyé aux secouristes qui peuvent dès lors organiser le sauvetage. A la fin décembre 2005, le système COSPAS-SARSAT avait contribué au sauvetage de plus de 20 531 personnes au cours de plus de 5 752 incidents.

Galileo européen

Jusqu'à présent, le monopole de la navigation par satellites est détenu par les Américains avec le système GPS. L'inconvénient majeur du système américain, c'est qu'il est financé sur des fonds militaires. A tout moment, l'armée peut dégrader les performances du signal et la localisation devient moins précise. Pour la seule année 2004, le chiffre d'affaires dépassait 30 milliards d'euros (23 pour les produits et 7 pour les services). D'ici 2020, on estime que ce chiffre pourrait monter à 276 milliards (178 pour les produits et 98 pour les services). Devant une telle opportunité, l'Europe ne pouvait pas rester les bras croisés. Au début des années 2000, la Commission européenne, en collaboration avec les industriels et l'ESA, a décidé de développer son propre programme de navigation par satellites, Galileo. Une étude montre que le système Galileo va engendrer à travers l'Europe près de 10 000 emplois. Galileo sera interopérable et donc complémentaire du GPS. Les satellites Galileo seront équipés de 4 horloges: 2 au rubidium offrant une stabilité de 10 nanosecondes sur 24 heures et 2 horloges maser passif à hydrogène garantissant une stabilité de 1 nanoseconde. La précision Galileo devrait atteindre le mètre. Galileo comprendra 30 satellites (27 en service + 3 en réserve) placés sur une orbite culminant à 23 222 km inclinée de 56° sur 3 plans. Le coût est estimé à 2,5 milliards d'euros répartis 1/3 public et 2/3 privés.

Réseau Galileo
Illustration des différents plans d'orbite du système de géolocalisation européen Galileo - Photo ESA/P. Carril (Agrandir)
  • GIOVE (Galileo In-Orbit Validation Element): satellites expérimentaux destinés à tester les technologies et l'environnement de travail des futurs Galileo. Deux satellites étaient prévus. Suite aux retards du programme Galileo, un troisième satellite a été commandé par l'ESA.
  • Galileo: constellation de 27 satellites + 3 de réserves lancés à partir de 2011.

Beidou chinois

Le GPS américain, bien qu'ouvert aux applications civiles, dépend entièrement de l'armée américaine. A tout moment, pour des raisons stratégiques, notamment dans le cadre d'opérations militaires dans certaines régions du globe, le signal peut être dégradé, offrant une précision amoindrie. C'est l'une des raisons qui ont poussé la Chine à développer son propre système de navigation par satellites, le Compass Navigation Satellite System. Mais contrairement au GPS, Glonass ou autre Galileo, le système sera domestique. C'est pourquoi il diffère des autres systèmes. Il est composé de 4 satellites Beidou placés sur orbite géostationnaire et de 30 satellites du même nom placés sur une orbite MEO (Medium Earth Orbit) à forte inclinaison. Beidou devrait compatible avec les systèmes existants et offrir une précision de l'ordre d'une dizaine de mètres.

Reste du monde

Le système japonais
En septembre 2010, le Japon a lancé le premier des trois satellites QZSS (Quasi Zenit Satellite System) de navigation. Tout comme la Chine, le Japon vise une utilisation domestique de son programme et servira à augmenter le signal GPS et donc la précision.

Le système indien
L'Inde, qui a toujours affiché un intérêt pour les retombées spatiales dans la vie de tous les jours, ne pouvait passer à coté du positionnement par satellites. En mai 2006, le gouvernement indien a approuvé le développement du programme IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) qui vu ses premiers satellites lancés en 2015.

Sources