Systèmes de positionnement par satellite

Avant-propos

• Document issu de travaux réalisés depuis 2009 à l'École Nationale des Sciences Géographiques (ENSG / IGN) puis à l'École Nationale Supérieures des Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne).
• Bénéficié de relectures partielles au fil du temps.
• Répond aux compétences F1.3 et H1.2 de la norme internationale FIG-OHI-ACI Hydrographie catégorie A (OHI, 2018).

Organisation du cours

• Présentation des systèmes de positionnement par satellite, de leur principe et des notions de géodésie.
• Description des signaux et des mesures.
• Revue des modèles et sources de données pour réduire les erreurs affectant le positionnement par GNSS.
• Examen des méthodes de positionnement utilisant les GNSS pour diverses précisions.
• Présentation des quatre systèmes globaux de positionnement par satellite, opérationnels ou en cours de déploiement.
• Aperçu des réseaux GNSS permanents, leur origine, fonctionnement et finalités.
• Description de la réalisation d'un positionnement précis par GNSS, du choix de la station à l'analyse des observations.
• Pour une description plus approfondie des GNSS, voir (TEUNISSEN et Oliver MONTENBRUCK, 2017).

GPS

Présentation

• GPS (Global Positioning System), appelé officiellement NAVSTAR (Navigation System by Timing And Ranging) est un système militaire américain de radio positionnement par satellite.
• Conçu et mis en service par la NGA (National Geospatial Intelligence Agency), service de l'US DoD (United States Department of Defense).
• Géré par l'USAF (US Air Force).
• Premier système global de positionnement par satellite opérationnel.

Bref historique

• Développement du GPS débute en 1960 avec le système TRANSIT, composé de 6 satellites pour la détermination de la position par effet Doppler
• Projet TIMATION (1964) vise à étudier le comportement en orbite d'horloges atomiques, deux satellites lancés en 1967 sont prototypes des satellites GPS.
• Système conçu entre 1973 et 1978, durant cette période les satellites sont développés et plusieurs centres de contrôles sont mis en place.
• Entre 1978 et 1985 (phase pré-opérationnelle), les premiers satellites de la constellation sont lancés (10 satellites du bloc I).
• Après l'interception en vol du vol civil KAL007 par l'armée soviétique (1983), R. Reagan annonce la disponibilité de la navigation GPS au secteur civil.
• En décembre 1993, première phase d'opérationnalité atteinte grâce au lancement de 28 satellites (blocs II et IIA, en 1989 et 1995).
• Système est pleinement opérationnel en avril 1995.
• En 1998, le vice-président Gore annonce la création de 2 nouveaux signaux destinés au secteur civil pour améliorer efficacité et précision du système.
• En mai 2000, la dégradation volontaire SA (Selective Availability), limitant l'utilisation du GPS par le secteur civil, est désactivée.
• Premier satellite moderne émettant le nouveau signal civil lancé en 2005 (bloc IIR).
• Dernier lancement d'un satellite GPS date de janvier 2023 : fait est de la dernière génération de satellites (bloc III).

Organisation

• En septembre 2024, la constellation GPS est composée de 31 satellites (24 pour fonctionnement nominal) placés sur des orbites.
• Orbits:
  • Quasi-circulaires (excentricité ≈ 0).
  • Demi-grand axe a de l'ordre de 26 500 km.
  • Période T = 11h58 min (demi-jour sidéral).
  • Inclinés de i = 55° par rapport à l'équateur avec 6 nœuds ascendants distincts (soit 6 plans orbitaux).
  • Répétition de la trace au sol : 1 jour sidéral / 2 orbites.
• Constellation assure la visibilité de 4 à 8 satellites avec élévation supérieure à 15° en tout point du globe.
• Classes de satellites définis en fonction de la génération :
  • 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 satellite (depuis décembre 2018 (6 opérationnels)).
  • Bloc IIIF: future génération des satellites, horizon 2026.
• Systèmes de numérotation pour identifier les satellites:
  • Numérotation séquentielle dans ordre de lancement (SVN, Space Vehicle Number).
  • Numéro lié au plan de l'orbite du satellite et à sa position sur l'orbite. Numérotation PRN (Pseudo Random Noise) liée aux signaux émis.

Secteur de contrôle

• Permet de piloter et de surveiller le système.
• Composé de:
  • 5 stations de contrôle américaines au sol (gérées par l'USAF).
    • Rôle: enregistrer toutes les informations émises par les satellites afin de déterminer leur position.
  • Station principale: Colorado Springs.
    • Chargée du calcul des éphémérides des satellites et les paramètres des horloges satellites et d'envoyer les résultats aux stations de transmission.
  • Quatre stations de transmission et surveillance: Ascencion, Diego Garcia, Kwajallein island, Cap Canaveral
    • Enregistrent en continu les signaux GPS, effectuent des mesures météorologiques, transmettent les informations du message GPS aux satellites.
  • Une station de surveillance : Hawaï.
  • Un réseau de 11 stations de poursuite GPS géré par la NIMA (National Imagery and Mapping Agency).
    • Sert de référence à la constellation GPS.

Secteur utilisateur

• Regroupe l'ensemble des utilisateurs civils et militaires du GPS.
• Utilisations principales: positionnement absolu ou relatif par le code, la phase et datation précise d'évènements.
• Deux types de services, basés sur des mesures de code, sont offerts aux utilisateurs :
  • SPS (Standard Positioning Service): service de positionnement accessible à tout utilisateur avec un récepteur GPS; service gratuit et anonyme; soumis au SA, activable par les américains
    • Exactitude : 13 m en horizontal, 22 m en vertical (à 95 %); typiquement l'exactitude est de l'ordre de 5 m.
  • PPS (Precise Positioning Service) : service de positionnement précis du GPS; nécessite d'obtenir des clés de décodage auprès du DoD américain; réservé aux militaires américains et leurs alliés.
• GPS initialement doté de 2 processus pour dégrader les signaux:
  • Accès sélectif (SA, Selective Availability): pour limiter l'utilisation civile et protéger l'utilisation militaire du GPS; suspendu depuis mai 2000; absent des satellites du bloc III.
  • Anti-leurrage (AS, Anti Spoofing): pour éviter le brouillage du système par un tiers; actif sur les codes réservés à la défense (PPS).

Signaux

• Initialement, deux porteuses utilisées pour la transmission des signaux GPS: L1 et L2.
• Avec la modernisation du système, une nouvelle fréquence a été mise en place, L5 (première émission opérationnelle en 2010) sur les satellites des blocs IIF et III.
• Signaux transmis à une fréquence multiple de la fréquence fondamentale du système fo = 10,23 MHz.
• Deux codes étaient disponibles initialement: code civil (C/A-code) et code militaire (P(Y)-code).
• Suite à la modernisation, 4 codes ont été ajoutés.
• Le système fonctionne selon le mode CDMA; les codes sont donc uniques pour chaque satellite, caractérisé par un numéro PRN.
  • Lorsque le satellite est amené à disparaitre, le satellite remplaçant récupère son numéro PRN. Il existe 32 codes PRN GPS correspondant donc à 32 patrons différents.
  • C/A-code : code civil non-classifié d'origine, suite de 1023 bits (0 ou 1) de durée 1 ms (soit 1,023 Mbps), répété toutes les 1 ms (soit environ 300 km); codes générés selon la méthode de Gold Code.
  • P(Y)-code : code militaire original; le code P est non classifié mais un second code, Y, est utilisé pour le crypter; il se compose de 2,3527-1014 bits émis à la cadence de 10,23 Mbps; sa longueur est de 266,41 jours, réinitialisés chaque dimanche à minuit.
  • L2C-code: nouveau code civil à usage commercial, en cours de déploiement (émis par les satellites du bloc II-M); décomposé en deux codes pseudo-aléatoires, générés à 511,5 kbps, soit L2C à 1,023 Mbps.
  • M-code : nouveau code militaire (et donc protégé) émis avec le lancement des satellites du bloc IIR-M; module les porteuses L1 et L2; plus rapide à analyser et un cryptage amélioré par rapport au code P(Y).
  • Codes 15 et Q5: 2 codes pour à la sureté de la vie émis par les satellites du bloc IIF modulés sur la porteuse L5; composés de 10 230 bits à un taux de répétition de 10,23 Mbps; permettant une meilleur corrélation croisée et résistance aux interférences.
  • L1C-code : évolution du C/A code (première émission est intervenue en 2018 avec le premier lancement d'un satellite du bloc III); module L1 et est compatible avec des codes de Galileo.

Message de navigation

• Message de navigation << historique » (LNAV) contient des informations relatives à la constellation GPS (orbites, horloges, ionosphère) et est nécessaire au récepteur pour calculer sa position. Modules les porteuses du GPS.
• Est codé sur 37 500 bits à 50 bps: 12 min 30 s nécessaires à la réception de la totalité du message.
• Suit la structure suivante :
  • Message est composé de 25 frames de 30 s contenant 1500 bits de données.
  • Chaque frame est composée de 5 subframes de 6 s contenant 300 bits de données.
  • Chaque subframe est composée de 10 words de 0,6 s, contenant chacune 30 bits de données.
  • Chaque subframe débute avec 2 words nommés TLM (Telemetry word) et HOW (Handover Word).
    • TLM synchronise les subframes et HOW indique date d'émission.
• Subframes 1 à 3 contiennent des informations spécifiques au satellite éméteur (erreur d'horloge, état du satellite, paramètres d'orbite); ces informations sont répétées dans chaque frame.
• Subframes 4 et 5 contiennent les almanachs de l'ensemble de la constellation, un modèle de correction ionosphérique, ensemble de ces informations complètes au bout de 12 min 30 s.
• Modernisation du GPS:
  • CNAV est un message de navigation civil (transmis sur L2).
  • MNAV est un message de navigation réservé aux militaires.
  • Un message, CNAV-2, est émis sur L1 avec le nouveau code L1C.
    • ces messages contiennent des données plus précises et sont transmis à une cadence plus rapide.

Référentiels spatio-temporel

• Système de référence: le système de référence associé au GPS est le WGS84 (World Geodetic System). Différentes réalisations se sont succédées pour améliorer son exactitude.
  • la première réalisation (observations réalisées sur 1500 stations à l'aide du système TRANSIT), présente alors des écarts de de l'ordre de 1 à 2 m avec la réalisation contemporaine de l'ITRS (obtenue à partir d'observations SLR et VLBI).
  • La version actuelle (G2296, la semaine du 7 janvier 2024) à partir de 17 stations de référence réparties sur tout le globe est au niveau centimétrique avec la réalisation contemporaine de l'ITRS (ITRF2020) à l'époque 2024.0.

Le temps GPS

• Une échelle de temps continue, basée sur l'analyse des données des horloges atomiques situées à l'USNO.
• Utilisée uniquement pour des besoins de synchronisation du système.
• Reliée à l'échelle temps international UTC par le temps universel coordonné de l'USNO avec une exactitude de l'ordre de 1 μs.
• Temps GPS coïncide avec le temps UTC le 6 janvier 1980 à 00:00:00,0.
• Contrairement à l'UTC, il n'est pas corrigé pour coïncider avec la rotation de la Terre, donc présente un biais constant avec le TAI.
• Date GPS est comptée en semaines et secondes dans la semaine, ou en jours et secondes dans le jour.

GLONASS

Présentation

• (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 durant la guerre froide et maintenu par la Russie Tout comme GPS, il a été développé dans un cadre militaire.

Bref historique

• Le projet GLONASS débute en 1976 sous l'impulsion de la marine russe.
• Premier satellite de la constellation lancé le 12 octobre 1982.
• Couverture globale atteinte en 1991 (12 satellites).
• Mars 1995, des mesures de code sont ouvertes pour le secteur civil: n'est plus uniquement militaire.
• Constellation est complète avec 24 satellites en orbite en novembre 1995.
• Octobre 2000: plus que 6 satellites en orbite (en raison de la durée de vie constituent le système et du manque de financement).
• Renouveau lancé en 2001 avec la conception de nouveaux satellites (Ouragan - M); plus fiables et de durée de vie plus longue.
• Décembre 2011: de nouveau déclaré opérationnel avec une constellation complète de 31 satellites (dont 24 opérationnels).
• Le dernier lancement de satellite datent d'août 2023.

Organisation

• Septembre 2024: la constellation GLONASS est composée de 26 satellites opérationnels (2 en phase de test), placés sur orbites:
  • Quasi-circulaires (excentricité ≈ 0)
  • Demi-grand axe a de l'ordre de 25 500 km.
  • Période T = 11 h 15 min 44 s; chaque satellite se retrouve à la même position par rapport à la Terre au bout de 8 jours
  • Inclinés de i = 64,8° par rapport à l'équateur avec 3 nœuds ascendants distincts (les satellites sur le même plan orbital sont séparés de 45°).
  • Répétition de la trace au sol : 8 jours sidéraux / 17 orbites.
• La constellation garantit la visibilité d'au moins 5 satellites sur 99% de la surface de la Terre.
• Générations de satellites:
  • Satellites Ouragan : première génération (50 satellites lancés entre 1982 et 2005, durée de vie 1 à 3 ans).
  • Satellites Ouragan M : seconde génération (lancements depuis 2003 jusqu'en 2017, 21 satellites actuellement).
  • Satellites Ouragan K1 : dernière génération (durée de vie 10 à 12 ans); lancés conjointement avec les satellites Ouragan M (2 satellites en orbite, 3 opérationnels et 1 en test).
  • Satellites Ouragan K2: Nouvelle génération ; premier lancement en août 2023 (1 satellite en test).
  • Deux nouvelles générations (V et KM) en cour d'étude.

Secteur de contrôle

• La composante sol est constituée de 3 types de stations:
  • Une station de contrôle du système: située en banlieue de Moscou (Krasnoznamensk Space Center)
  • Une station de synchronisation temporelle: située en banlieue de Moscou (Schelkovo), chargée de la synchronisation des horloges satellite avec l'échelle de temps GLONASS
  • Cinq stations de suivi: (Saint-Petersbourg, Schelkovo, Eniseisk, Ussuriysk et Komsomolsk-na-Amure); le suivi est effectué par mesures radar ou laser en direction des satellites.
• 18 stations de référence: pour le suivi des applications différentielles et temps-réel (réseau en développement dans le cadre de la modernisation du système).

Secteur utilisateur

• Segment utilisateur regroupe l'ensemble de tous les utilisateurs civils et militaires de GLONASS (les utilisations principales sont le positionnement absolu ou relatif et la datation précise d'événements )
• Les deux services offerts aux utilisateurs GLONASS:
  • OS (Open Service ou OS PS (Open Serivce Performance Standard): le service gratuit; exactitude: 12 m en planimétrie et 25 m en vertical
  • SS (Special Service) : il nécessité d'obtenir des clés de décodage auprès du ministère russe de la défense.

Signaux

• GLONASS émet actuellement ses signaux sur 2 porteuses (notées G1 et G2); des signaux sont émis sur une troisième porteuse (G3).
• Fréquences sont des fréquences centrales.
• GLONASS fonctionnant en FDMA, un décalage en fréquence spécifique à chaque satellite est ajouté à l'émission.
• Un fonctionnement en CDMA est prévu à partir de la génération de satellites K2.
• Porteuses modulées par des codes de positionnement et par un message de navigation.
• Historiquement : deux codes émis par GLONASS (C/A-code et P-code).
• Codes opérationnels du système GLONASS:
  • C/A-code (L1OF / L2OF en fonction de la porteuse): module les porteuses G1 et G2; utilisé pour le SPS et est identique pour tous les satellites et la différenciation se faisant sur la fréquence su signal reçu.
  • P-code (L1SF / L2SF en fonction de la porteuse) module également les porteuses G1 et G2; utilisé pour le PPS et permet une utilisation plus rapide que le P(Y)-code de GPS, mais déconseillée en raison d'un manque de fiabilité.
  • Codes L1OC, L2OC et L3OC nouveaux codes de positionnement ouverts disponibles à partir de la génération K2 (ils diffèrent par l'utilisation du mode CDMA pour la séparation des codes).
  • Les codes L1SC et L2SC, codes réservés aux autorités non décrits.

Message de navigation

• Durée de 2 min 30 s et composé de 7 500 bits.
• Décomposé en 5 frames de 30 s (1500 bits).
• Frames décomposées en 15 strings de 100 bits, de durée 2 s :
  • Les 5 premières strings sont répétées dans chaque frame et contiennent des informations relatives aux éphémérides du satellite et à son horloge.
  • Les 10 autres strings contiennent les almanachs de la constellation GLONASS.

Référentiels spatio-temporel

• Le système de référence (PZ-90), cohérent à 1 m avec la réalisation 1997 de l'ITRS.
• PZ90.11 alignée sur ITRF2008 (époque 2011.0) avec une exactitude de 5 cm.
• L'échelle de temps est donnée par le centre de synchronisation du système.
• Maintenu à partir de l'analyse d'un ensemble d'horloges atomiques.
• Le message fournit des informations relatives à l'écart du temps GLONASS au temps UTC.

GALILEO

Présentation

• Futur système européen de navigation par satellite, lancé par l'UE et l'ESA.
• Objectif : disposer de son propre système global et être indépendant vs GPS et GLONASS.
• Fournira des services de localisation précis, sécurisés et certifiés à l'échelle du globe.
• Sera compatible avec GPS et GLONASS, avec une exactitude de localisation en temps réel (métrique) ce qu'aucun système public ne permet.
• Différence majeur de Galileo vs GPS et GLONASS : sous le contrôle d'autorités civiles (et non militaires).

Bref historique

• Définition réalisée entre 1999 et 2000; idée étant de pouvoir se passer de GPS.
• Premiers développements débutèrent en 2001
• 2005: premier satellite d'essai (GIOVE-A) lancé pour l'étude du comportement d'horloges atomiques et l'utilisation des fréquences réservées.
• un second satellite GIOVE-B lancé le 27 avril 2008.
• Octobre 2011: lancement des deux premiers satellites du pas de lancement d'Arianespace depuis Kourou (lanceur Soyouz).
• 2016: première phase atteinte; plein opérationnabilité est prévue pour 2024.
• Aout 2014: lancement de 2 nouveaux satellites échouent en raison d'un problème sur le lanceur Soyouz (satellites placés sur des orbites non-opérationnels);
• Septembre 2024: dernier lancement (2 satellites).

Organisation

• Septembre 2024 : 32 satellites (objectif de 30), 2 en phase de test et 5 inutilisables, d'orbite :
  • Quasi-circulaires (excentricité ≈ 0);
  • Demi-grand axe a de l'ordre de 29500 km;
  • Période T 14 h 04 min 51 s; chaque satellite se retrouve à la même position au bout de 10 jours (17 révolutions);
  • Inclinés de i = 56° par rapport à l'équateur (bonne couverture des régions polaires).
  • Répétition de la trace au sol : 10 jours sidéraux / 17 orbites.
  • Chaque plan orbital compter 9 satellites plus un de rechange en stand-by et durée de vie de 12 ans.
• Il totalise 27 satellites qui sont en orbite dont 4 non utilisables.

Secteur de contrôle

• Est constitué:
  • 2 stations de contrôle GCC (Galileo Control Centers) pou la gestion de l'ensemble.
  • 5 stations de télémétrie TT&C (Telemetry Tracking and Command) pour le contrôle des orbites.
  • 40 stations d'écoute GSS (Galileo Sensor Stations) réparties à travers le monde pour le suivi des signaux Galileo.
  • 9 stations montantes ULS (Up-link stations) pour la transmission des messages aux satellites. Les données de positionnement sont en libre accès pour tout possesseur d'un récepteur Galileo.

Secteur utilisateur

• 6 type de services :
  • le service libre, OS (Open Service), fournit des données de positionnement, de navigation et de datation.
  • le service haute précision, HAS (High Accuracy Service) PPP grâce à des corrections gratuites diffusées par Internet: 20 cm en horizontal et 40 cm avec un temps de convergence inférieur à 300 s.
  • le service libre d'authentification, OSNMA garantissant ainsi l'originalité des signaux.
  • le service public réglementé, PRS, priorité aux applications gouvernementales de sécurité.
  • le service commercial d'authentification, CAS grâce à aux codes cryptés.
  • le service de recherche et secours, SAR.

Signaux

• Quatre porteuses sont utilisées dérivées d'une ƒo = 10,23 MHz
• Deux de ces porteuses coïncident avec les porteuses de GPS : E1 (L1), E5a (L5).
• Les écarts en permettent une correction améliorée de l'ionosphère
• Les porteuses sont modulées par des codes de positionnement et par les messages de navigation.
• Galileo propose un grand nombre de codes en raison de la variété des services existants et fonctionne CDMA
• On distingue 4 types de message de navigation : F/NAV, INAV, C/NAV, G/NAV

Référentiels spatio-temporel

• Le système de référence est nommé GTRF assura la continuité avec l'ITRS.
• Temps Galileo : calée sur le TAI et stabilité assurée par un ensemble d'horloges atomiques et transmis avec les autres temps.

BEIDOU

Présentation

• BEIDOU ou BNSS ou COMPASS, est le GNSS développé par la Chine.
• Deux types de services disponibles : civil et militaire (de précision et de fiabilité).

Bref historique

• Débuta au début des années 1980, exploitation possible depuis 2012 et total en 2020.

Organisation

• Le Secteur spatial est composé de satellites possédant différents types d'orbite : 3 satellites géostationnaires (GEO) 3 satellites géosynchrones (IGSO) d'inclinaison de 55° 24 satellites de moyenne (MEO) Actuellement plus de 40 satellites sont opérationnels Secteur de contrôle : une station principale 2 stations de télétransmission (chargées également de la synchronisation temporelle) et 29 stations de surveillance.
• Secteur utilisateur : Le service ouvert, OS (Open service) pour un positionnement ouvert et global. Le service réglementé, AS (Authorized Service) pour les activités réservées aux autorités. À ces Service un service d'augmentation de précision, de PPP - RTK.

SIGNALS

• le système utilise 4 ondes porteuses, différents codes, code.
• B1I est une fréquence » historique utilisée par BDS - 2 et par les satellites BDS -3.
• 3. Les fréquences B1 et B2 (plus précisément la modulation BD2b de BE, qui par modulation
• AltBOC présente des lobes de puissance décalées de B2) sont partagées avec GPS (L1 et
• future L5), GLONASS (future G3) et Gallileo (El et E5a) à des fins d'interopérabilité.

Systeme d'augmentation de performance apr satellite

• Un système d'augmentation de performance par satellite (SBAS) permet d'améliorer la navigation.
• Ces systèmes proposent en pratique un service de WADGNSS présenté précédemment ils reposent sur un réseau de stations GNSS aux sol.
• Un de ces systèmes permettent d'augmenter le nombre d'observations disponibles détaillée. Par exemple system WAAS et EGNOS.

Système régionaux de positionnement

• Contrairement aux systèmes globaux de positionnement, les système régionaux sont destinés àcouvrir une zone géographique donnée, correspondant en général à l'aire d'influence d'unpays. Les principaux systèmes en cours de développement sont les systèmes chinois (devenul'exemple pour QZSS et IRNSS-