Les missions

Se positionner

 Se repérer, un défi vieux comme le monde

  • Les premiers marins explorateurs devaient suivre les côtes et malheur à ceux qui les perdaient de vue ….
  • Les phéniciens parmi les premiers ont su utiliser l’espace : le Soleil, les étoiles… pour se repérer et ils ont ainsi pu s’assurer la maîtrise du monde méditerranéen.
  • « Galileo » et les autres systèmes de Navigation sont les héritiers de ce défi technologique vieux comme le monde …

La position d’un point à la surface du globe est déterminée par la longitude et la latitude.

Avant le spatial, deux instruments permettaient de calculer la position :

  • La montre pour la longitude (l’heure de passage du soleil au zénith permet de connaître la différence de longitude par rapport au méridien de Greenwich)
  • Le sextant pour la latitude (en mesurant la hauteur de l’étoile polaire par rapport à l’horizon)
Sextant - montre

Le positionnement a été ensuite amélioré grâce aux radiophares ou radiobalises, situés en des lieus connus émettant un signal radio permettant de se repérer par rapport à eux.
Des informations précises sur la position des avions, bateaux, trains et tous véhicules terrestres sont vitales dans le monde d’aujourd’hui.

Le positionnement par satellite

Deux catégories de systèmes existent selon la technique utilisée pour déterminer la position du terminal de l’utilisateur :

  • Soit le terminal est actif et émet un signal qui est capté par le satellite lorsqu’il passe au-dessus du terminal et ensuite transmis à un centre de traitement au sol qui en analysant les caractéristiques du signal est capable de déterminer la position du terminal au moment où le signal a été émis. 

Argos

C’est le cas du système de localisation et de collecte de données Argos.

Argos permet de localiser les terminaux (balises Argos) n’importe où à la surface de la terre avec une précision d’environ 150 mètres. Argos est dédié à la protection ou à l’étude de l’environnement ainsi qu’à à la protection de la vie humaine (exemple des balises Argos sur les voiliers pour les courses au large).

Principe d'Argos
  • Avec les systèmes de navigation GNSS (Global Navigation Satellite Systems), le terminal reçoit les signaux de plusieurs satellites, signaux permettant la mesure du temps de trajet entre chaque satellite et le terminal. En connaissant la vitesse de l’onde et la position du satellite (obtenue à partir des données transmises sur les signaux), le terminal calcule sa position en temps réel selon le principe de triangulation.

Les systèmes GNSS utilisent des constellations (ensemble de satellites sur des orbites coordonnées) de 25 à 30 satellites en orbite moyenne (MEO) d’altitude de l’ordre de 20 000 km, ce qui permet une couverture globale en assurant la visibilité simultanée d’au moins 4 satellites. Plusieurs systèmes sont en service aujourd’hui : NAVSTAR GPS (USA), GLONASS (Russie), BEIDOU (Chine) et GALILEO (Europe).

Il existe aussi des systèmes avec un nombre réduit de satellites assurant seulement une couverture régionale (exemple QZSS pour le Japon et IRNSS pour l’Inde)

Le système GALILEO

Galileo est né de l’initiative de l’Union européenne de devenir autonome en termes de service de localisation par rapport aux États-Unis (GPS) et à la Russie (GLONASS).

Satellite Galileo  ©CNES

Le récepteur de l’utilisateur (intégré par exemple dans un téléphone portable) reçoit les signaux des satellites en visibilité, identifie chaque satellite, compare le temps d’arrivée du signal avec son horloge interne et détermine ainsi le temps mis par le signal pour arriver jusqu’à lui. A partir de la vitesse de propagation de l’onde radio, il calcule la distance qui le sépare du satellite.
En combinant les mesures de distances obtenues à partir de 3 satellites dont il connaît la position dans l’espace le récepteur peut calculer par triangulation sa position repérée par latitude, longitude et altitude. En pratique, le récepteur a besoin d’un quatrième satellite pour estimer l’écart entre le temps de référence de l’horloge du satellite et le temps de son horloge qui est peu précise.

Mais le système GNSS a également besoin au sol de moyens complexes :

  • Des stations pour recevoir les informations sur l’état de santé des satellites, envoyer des commandes pour effectuer une action à bord, envoyer les informations qui seront nécessaires pour générer le signal de navigation…
  • Des centres de contrôle et de traitement pour déterminer les orbites précises des satellites afin de définir les paramètres caractérisant l’orbite qui seront retransmis par les satellites dans leur signal de navigation, surveiller la qualité des signaux émis par les satellites, identifier les sources d’erreurs…

Galileo est entré en fonction le 15 décembre 2016 et comporte en 2020 24 satellites opérationnels. Sa précision de positionnement peut descendre jusqu’à 1 à 2 mètres, alors que la précision des autres systèmes GNSS (dont GPS) est de 5 à 10 mètres.
Mais la précision n’est pas la seule qualité attendue pour un système GNSS. Une autre caractéristique très importante est l’intégrité, c’est à dire la capacité du système à informer l’utilisateur sur la confiance qu’il peut donner à la position calculée et en cas de défaut le prévenir par une alarme. L’intégrité est une notion particulièrement importante lorsqu’une erreur sur la position peut avoir des conséquences critiques, comme par exemple dans le guidage des avions à l’approche des pistes des aéroports.
Pour améliorer la précision et l’intégrité (ainsi que d’autres caractéristiques comme la continuité et la disponibilité) des systèmes GNSS, des systèmes satellitaires d’augmentation régionaux ont été développés, tel que EGNOS pour l’Europe. Ces systèmes surveillent les signaux émis par les systèmes GNSS et fournissent des corrections à apporter par les récepteurs.

EGNOS : Un positionnement plus précis et plus fiable sur l’Europe 

European Geostationary Navigation Overlay Service (Service Européen de Navigation par Recouvrement Géostationnaire)

Egnos est composé :

  • D’un réseau de quarante stations (Ranging Integrity Monitoring Stations : RIMS), au sol réparties partout en Europe pour analyser les signaux transmis par les systèmes GNSS
  • De deux centres de contrôle mission (Mission Control Centres : MCC), qui reçoivent les informations des RIMS et calculent les messages de correction et d’intégrité.
  • De 6 stations satellites (Navigation Land Earth Stations : NLES) qui transmettent les signaux de élaborés par les MCC vers 3 satellites géostationnaires (2 stations par satellite pour la redondance)
  • De 3 satellites géostationnaires qui diffusent les messages de correction et d’intégrité pour être exploités dans les récepteurs GNSS des utilisateurs.

En exploitant les informations fournies par EGNOS pour traiter les mesures faites à partir des signaux GNSS reçus conjointement, le récepteur de l’utilisateur :

  • Délivre une position avec une précision de l’ordre du mètre, contre de quelques mètres pour une système GNSS seul.
  • Avertit l’utilisateur de défauts repérés sur les signaux GNSS en moins de 6 s. 

Cette dernière propriété est particulièrement importante pour les applications critiques obéissant à de strictes règles de sécurité, comme la navigation aérienne ou la navigation maritime dans des couloirs de circulation étroits. En effet il peut arriver que par suite d’une défaillance au sol ou à bord d’un satellite, un système GNSS transmette des informations erronées conduisant à des erreurs de position de quelques dizaines de mètres à quelques kilomètres !

Le service ouvert EGNOS a été lancé en octobre 2009, pour des applications de navigation ne mettant pas en jeu la sécurité de la vie humaine, tels que la navigation individuelle, le suivi des marchandises et l’agriculture de précision. Aujourd’hui, à l’issue d’un processus de certification et de vérification très poussé, le service à information garantie d’EGNOS a été déclaré opérationnel et peut être utilisé par l’aviation européenne. En effet, les signaux respectent des niveaux de fiabilité très élevés fixés par la norme de l’OACI (Organisation internationale de l’aviation civile), adaptée à l’Europe par Eurocontrol, l’organisation européenne pour la sécurité de la navigation aérienne.

Utilisation EGNOS ©Telespazio
Fonctionnement d'EGNOS © CNES/ill./DUCROS David

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