GNSS : Systèmes globaux de positionnement par satellite

GNSS : Systèmes globaux de positionnement par satellite

• Document issu de travaux réalisés depuis 2009 à l’ENSTA Bretagne, avec relectures partielles.
• Répond aux compétences F1.3 et H1.2 de la norme FIG-OHI-ACI Hydrographie catégorie A.
• Le cours est organisé en sept parties portant sur la présentation des systèmes, la description des signaux, l'examen des modèles, les méthodes de positionnement, les systèmes globaux, les réseaux GNSS permanents, et la réalisation d'un positionnement précis.
• Pour une description plus approfondie des GNSS, se référer à Teunissen et Oliver Montenbruck (2017).
• Les cartes ont été réalisées à l'aide de GMT, The Generic Mapping Tools.
• Illustration de la page de garde : "Galileo in Lego", ©ESA.
• Citation : Bosser, P. ; « GNSS : Systèmes globaux de positionnement par satellites », Cours de l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées Bretagne, 2015.

GPS

• GPS (Global Positioning System), officiellement NAVSTAR (Navigation System by Timing And Ranging), est un système militaire américain.
• Conçu et mis en service par la NGA, il est géré par l’USAF et est le premier système global de positionnement par satellite opérationnel.
• Pour une étude plus approfondie, consulter l'USAF Space Command (2013) et les sites http://www.gps.gov et www.navipedia.net.

Bref historique GPS

• Le développement du GPS a commencé avec le lancement du système TRANSIT en 1960, composé de 6 satellites.
• En 1964, le projet TIMATION a étudié le comportement en orbite des horloges atomiques embarquées.
• Deux satellites lancés en 1967 sont considérés comme des prototypes des satellites GPS.
• Le système a été conçu entre 1973 et 1978, avec le développement des satellites et la mise en place de centres de contrôle.
• Les premiers satellites de la constellation ont été lancés entre 1978 et 1985 (10 satellites du bloc I).
• En 1983, R. Reagan a annoncé la disponibilité de la navigation GPS au secteur civil, à la suite de l’interception du vol civil KAL007.
• La première phase d'opérabilité a été atteinte en décembre 1993 avec le lancement de 28 satellites (blocs II et IIA).
• L'entière capacité opérationnelle a été déclarée en avril 1995.
• En 1998, le vice-président Gore a annoncé la création de nouveaux signaux pour le secteur civil.
• En mai 2000, la dégradation volontaire SA a été désactivée, limitant fortement l’utilisation civile du GPS.
• Plus récemment, le premier satellite moderne émettant le nouveau signal civil a été lancé en 2005 (bloc IIR).
• Le dernier lancement d’un satellite GPS date de janvier 2023 et fait partie de la dernière génération (bloc III).

Organisation du Secteur spatial GPS

• En septembre 2024, la constellation GPS compte 31 satellites (24 opérationnels).
• Les satellites sont placés sur des orbites quasi-circulaires (e ≈ 0) et de demi-grand axe a de 26 500 km.
• La période T est de 11h58 min (demi-jour sidéral).
• L'inclinaison i est de 55° par rapport à l'équateur (6 plans orbitaux).
• La trace au sol se répète tous les 1 jour sidéral / 2 orbites.
• La constellation permet la visibilité de 4 à 8 satellites avec une élévation supérieure à 15° en tout point du globe.

Classes de satellites GPS

• Bloc I : 11 satellites lancés entre 1978 et 1985.
• Bloc II et IIA : 28 satellites lancés entre 1989 et 1997.
• Bloc IIR : 12 satellites mis en place depuis 1997 (6 opérationnels).
• Bloc IIR-M : 8 satellites mis en place depuis 2005 (7 opérationnels).
• Bloc IIF : 12 satellites depuis 2010 (12 opérationnels).
• Bloc III : 5 satellites depuis décembre 2018 (6 opérationnels).
• Bloc IIIF : future génération de satellites, horizon 2026.
• Plusieurs systèmes de numérotation permettent de reconnaître les satellites.

Secteur de contrôle GPS

• Le secteur de contrôle pilote et surveille le système et est composé par 5 stations de contrôle américaines au sol (gérées par l’USAF).
• Leur rôle est d’enregistrer toutes les informations émises par les satellites afin de déterminer leur position.
• La station principale est à Colorado Springs, et est chargée de calculer les éphémérides et les paramètres des horloges satellites.
• Quatre stations de transmission et surveillance sont à Ascencion, Diego Garcia, Kwajallein island et Cap Canaveral.
• Elles enregistrent les signaux, effectuent des mesures météorologiques et transmettent les informations du message GPS aux satellites.
• La station de surveillance est à Hawaï.
• Un réseau de 11 stations de poursuite GPS géré par la NIMA sert de référence à la constellation GPS.

Secteur utilisateur GPS

• Regroupe l’ensemble des utilisateurs civils et militaires, avec comme utilisations principales le positionnement absolu ou relatif.
• Deux types de services basés sur des mesures de code sont offerts aux utilisateurs.
• Le SPS (Standard Positioning Service) est un service de positionnement accessible à tous, gratuit et anonyme. Il est limité par le SA.
• Le positionnement se fait avec une exactitude de 13 m (horizontal), 22 m (vertical) à 95 %; typiquement l'exactitude du positionnement SPS est de l'ordre de 5 m.
• Le PPS (Precise Positioning Service) est le service de positionnement précis et est réservé aux militaires américains et à leurs alliés.
• Le GPS était initialement pourvu de deux processus pour dégrader les signaux.
• L'Accès sélectif SA limite l’utilisation civile et protège l’utilisation militaire du GPS. A été suspendu en mai 2000, et est absent des satellites appartenant au bloc III.
• L'Anti-leurrage AS évite le brouillage volontaire du système, et est actuellement actif sur les codes réservés à la défense (PPS).

Signaux GPS

• Initialement, deux porteuses sont utilisées : L1 et L2.
• Une nouvelle fréquence a été mise en place, L5 (première émission opérationnelle en 2010) sur les satellites des blocs IIF et III.
• Les signaux sont transmis à une fréquence multiple de la fréquence fondamentale du système f0 = 10,23 MHz.
• Ces porteuses sont modulées par des codes de pseudo-distance et le message de navigation.
• Il existe deux codes sont disponibles pour; civil CA code, militaire p(y) code, quatre codes de positionnement sont disponibles

Codes utilisés par GPS

• Le C/A-code est le code civil non-classifié, se compose d’une suite de 1023 bits de durée 1 ms (1,023 Mbps), et se répète toutes les 1 ms (300 km). Ils modulent uniquement la porteuse L1.
• Le code P(Y) est original militaire, code P est non classifié, anti-spoofing, 2,3527·1014 bits émis (10,23 Mbps).
• Le L2C-code est le nouveau code civil, commercial depuis GPS modernisé, deux codes pseudo-aléatoires (L2CL et L2CM) générés à (511,5 kbps), 1,023 Mbps. Ce code une longueur de (767 250 bits) dure (1,5 s). La porteuse L2 des signaux.
• Le M-code est un code militaire protégé, lancement des satellites bloc (IIR-M). Module les porteuses (L1 et L2), un cryptage amélioré.
• Les codes I5 et Q5 sont destinés à la sureté de la vie émis par le bloc IIF. L5 la porteuse. Les deux codes sont de composées de (10 230 bits à un taux de répétition de 10,23 Mbps.)
• Le L1C est une évolution du C/A code, première émission du satellite bloc III, le module L1est compatible.

Message de navigation GPS

• Contient les informations relatives à la constellation (orbites, horloges, ionosphère) et est nécessaire au récepteur GPS.
• Est codé sur 37 500 bits à 50 bps, ce qui requiert 12 min 30 s pour réception complète.
• Un message est composé de 25 frames (30 s, 1500 bits), chaque frame est composée de 5 subframes (6 s, 300 bits).
• Chaque subframe est composée de 10 words (0,6 s, 30 bits chacune) et débute avec les words (TLM et HOW).
• Les subframes 1 à 3 contiennent les informations spécifiques au satellite (état, orbite, erreur d'horloge), répétées dans chaque frame.
• Les subframes 4 et 5 contiennent des almanachs et un modèle de correction ionosphérique.
• L’ensemble de ces informations sont complètes au bout de 12 min 30 s.
• Avec la modernisation du GPS, des nouveaux messages de navigation sont émis sur L2 (CNAV) ou réservés aux militaires (MNAV), ou sur L1 avec le code L1C (CNAV-2), contenant plus de données précises.

Référentiels spatio-temporel GPS

• Le système de référence est le WGS84 (World Geodetic System).
• La première réalisation a été obtenue à partir des observations (1500 stations, système TRANSIT), avec écarts de l’ordre de 1 à 2 m par rapport à l’ITRS.
• La version actuelle (G2296, depuis la semaine GPS 2296) est alignée au niveau centimétrique avec l’ITRF2020 (époque 2024.0), à partir de 17 stations.
• Le temps GPS est une échelle de temps continue, basée sur l’analyse des données des horloges atomiques de l'USNO.
• N’est utilisée que pour la synchronisation du système.
• Le temps GPS rejoint l'UTC le 6 janvier 1980, mais n’est pas corrigé pour la rotation de la Terre, présentant un biais constant avec le TAI (19 s).
• La date GPS (origine le 6 janvier 1980) est comptée en semaines et secondes.
• Chaque 1024e semaine, le numéro de la semaine GPS est remis à zéro, codée sur 10 bits. La première remise a eu lieu le 22 aout 1999, la dernière le 7 avril 2019.

GLONASS: Généralités

• GLONASS (GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema en russe romanisé, ou GLObal Navigation Satellite System en anglais) est le système de positionnement global par satellite développé par l'URSS.
• Maintenu par la Russie et développé dans un cadre militaire.
• Pour une étude et une vue d'ensemble, il faut se référer aux documents suivants: (Russian Institute of Space Device Engineering, 2008), (http://www.glonass-iac.ru/), ( www.navipedia.net.).

Bref historique GLONASS

• En 1976, le projet GLONASS débute mis en place par la Marine Russe et après 5 ans de conception le premier satellite est lancé en 1982.
• La couverture mondiale a atteint 12 satellites ou mars 1995, les mesures de code du système sont ouvertes.
• La constellation a 24 satellites en place en novembre 1995, toutefois seulement (6 satellites) en raison du financement du bloc soviétique.
• En 2001 la génération Ouragan-M plus longue fut mis en développement, toutefois le système fut seulement actif avec des (31 satellites) en 2011.
• Un récent lancement un nouveau satellite fut mis en service en aout 2023.

Organisation de GLONASS

• En 2024 la constellation de GLONASS se compose de 26 satellites opérationnels donc deux en phase le test.
• Quasi-circulaires(e ≈ 0).
• Le demi grand axe de l'ordre (25 500 km), la période de (T = 11 h 15 min 44 s) la même la position en 8 h.
• Ils sont inclinés de (i = 64,8◦ ) par 3 nœuds distincts, les satellites séparés de (45◦) sur le même plan.
• Répétition 8 jours sidéraux/17 orbites.
• Assure la visibilité de (5 satellites) sur 99% de la Terre en surface, toutefois actuellement il existe 28 satellites ( deux en test, et deux de réserve, et 24 d'exploitation.
• L’inclinaison permet une couverture des zones polaires, au détriment des zones de latitude moyenne.
• De nombreux types de satellites furent mis en place (https://glonass-iac.ru/en/sostavOG/), consulté le 21/09/2023):

Satellites GLONASS: Générations

• première satellites (Ouragan), et ceux de courtes durée et lancés de (1982-2005), ceux de la seconde génération Ouragan-M lancement en (2003-2017), et finalement Ouragan-K1 dont leur durée de vie se situe en (10-12 ans) et certains d entre eux, actuellement est l'Ouragan-K2 qui fut lancé en octobre 2023. Pour le moment il y a deux projets en cours l'élaboration.

Poste de contrôle GLONASS

• Trois stations sont en place incluant le contrôle et la synchronisation satellite.
• Le centres de suivis se situent à Saint, Moscou, Ussuriysk, d’antarctique les suivies satellites sont effectué par laser au direction satellites.

Section d’utilisateurs GLONASS

• Même chose au niveau GPSS civiles et militaires. Positionnement relative à (code la phrase) et code datation d evenements.
• Service offerts : lios en 12m et 25m en positions, sinon pas de service militaires clés.
• Des services d'ondes portes par (G1-G2), troisième (G3) mise en place, porteuses modulées par code et navigation. En analogie des groupes le code (c/a) et le code (P).

Codes des signaux émis par GLONASS

• Historiquement, deux codes étaient émis, souvent nommés C/A-code et P-code, par analogie avec le GPS.
• Il existe des nouveaux code soient:
  • L1OC et L2OC sont ouverts et K2 (CDMA).
  • Code L1SC et L2SC, réservés (inconnus).
• Message de navigation: 2 minutes, 30 secondes, 75oo bits, la décomposition 15 strings en (100 bits), la date la navigation.
• les références (E), son l'échelle de temps est de (3 heures pres ) plus à UTCL.

Référentiels spatio-temporel de GLONASS

• PE-90), la toute premiere observation est issue de (Doppler-SLRet alimétrie) et sur 26 stations, cohérent à 1 m de (1997-ITRS). le tout aligné avec (ITRF époque 2011). L'ellipsoïde est éponyme (MAZUROVA et al., 2017). Est donc lié à (UTCL).

Galileo: Présentation

• Le futur système Européen est lancé par (EU-ESA), vis à vis GPS-GLONASS donc on peut garantir la ( localisation) et a (l'échelle du globe ) compatible aux autres systèmes( L'ordre du mètre est publique) et civiles (Pas militariser). (ESA, 2010), (http://www.gsa.europa.eu) www.navipedia.net.

Information importante sur Galileo

• Sa définition (2000), l'idée étant l'armée est dépendant, le développement (2001; fin 2005 GOIVE-A) étudiait ( le comportement des horloges) son lancement. Au niveau interopérabilité la signature des accords est entre (EU et l’États-unies).

Organisation d'un Galileo

• Vingt-quatre est de ( 27500 km),10 révolutions (17 jours), son incline environ (56°) couverture polaires trois distincts la trace est divisé, elle est doublée à en (Stand By ) durant 12 ans estimation 3022 report raison géopolitique.
• Secteur contrôle (phase finale), les (GCC) le TT&C (Télémétrie), et ULS (transmission vers les satellite. 6 services, libre le positionnement. Haute précision l'authentification ( Garantit).

Référenciel spatio-temporel de Gaileo

• A 3CM du et GRS80 est associé. Échelle tempo avec ensemble horloges l'écart TAI ET UTC navigations à 30NS.

BeiDou: Présentation

• Est un système de navigation Chinois les services ( civiles - Militaires précisions intérêt de fiabilité). Lu al . pour servir à (China satellite) son site le ( China Satellie).

Le bref historique de BeiDou

• Les systèmes (2000-2003), première exploitation (2012), régional opération ( août 2020).

Organisation de BeiDou

• L’espace est satellite sur 3 en altitude et géo satellite altitude circulaire tous 15 jours.
• Son contrôle surveillance et centre pékin répartition et altitude L’usagers son service du monde
• Le service la précision

Signaux et réferrentiels de BeiDou

• Le GPS 4 ondes plusieurs codes sur son spectre la première étant (2020 le point le ( China Satellite).
• Systèmes Géo son avec et année à la centimètres

Système d'augementation

• Ce système le par son ( observation ). En effet Le SBAS en en pour le WADGNSS ses la les du GPS en ses ce des du L12 avec et à de par ce les au

Systèmes régionaux de positionnement

• Contrairement systèmes de positionnement, est de l'influence le (QZSS) et (IRNSS). Bien sur est positionnement.