Etude et réalisation d’antennes ultra-compactes à base de métamatériaux: Application à la réalisation d’une antenne GNSS miniature

Introduction au GNSS 

Le GNSS (Global Navigation Satellite System) est l’ensemble des systèmes permettant la géolocalisation par satellites. 

 Historique 

A ce jour, il y a cinq systèmes GNSS opérationnels ou en cours de développement dans le monde. Chaque grande puissance mondiale a voulu se doter d’un système qui lui est propre an de ne pas dépendre d’un autre pays (notamment des États-Unis). L’utilité du GNSS est en eet aujourd’hui acquise et primordiale, autant sur un plan stratégique que commercial ou encore pour la sûreté de la vie. Les Étas-Unis ont été les premiers à comprendre la nécessité de tels systèmes et ont été précurseurs sur la mise en oeuvre avec succès d’un système opérationnel et performant : le GPS (Global Positioning System). Lancé dans les années 60 et opérationnel au débuts des années 0, il orait au public une précision de localisation alors volontairement dégradée (de l’ordre de 0 m). Ce n’est qu’après l’intervention de Clinton en 00 que la dégradation volontaire a été supprimée et que la précision pour le public est passée alors à une dizaine de mètres. C’est cette décision qui va lancer le GPS dans le domaine des appareils électroniques grand public et vulgariser l’utilisation de GPS pour la vie de tous les jours. Le contexte politique pendant la guerre froide incita l’URSS à débuter son propre programme : le GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema). La chute de l’URSS et par conséquent la diminution des budgets alloués au GLONASS, vont cependant fortement nuir au projet et bien qu’il fut entièrement opérationnel sur le territoire russe à la n des années 0, le système est aujourd’hui seulement partiellement fonctionnel. Il est notamment utilisé par les topographes et les géomètres. A peu près dans le même temps que les Russes, le gouvernement chinois lance aussi son propre système de géolocalisation : BeiDou appelé aussi Compass. Contrairement aux constellations américaines et russes qui sont composées d’une vingtaine de satellites en orbite quasi-circulaire, le programme chinois prévoit l’utilisation de seulement 2 satellites géostationnaires. Les tests montrent que les performances de ce système sont comparables en précision à celles du GPS américain. Ce programme nécessite donc moins de lancements de satellites mais malgré le démarrage ociel au début des années 0, il n’est toujours pas totalement opérationnel. L’Europe plus tardivement s’est lancée dans la course au GNSS avec en 01 le début du programme Galiléo. L’Europe n’étant pas un pays mais un regroupement de pays, le programme a souert de problèmes de gestion et a par conséquent pris du retard. Il sera a priori opérationnel en . L’Inde est elle aussi en train de développer son système GNSS : l’IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System). Elle prévoit comme les Chinois l’utilisation d’une constellation de satellites géostationnaires [1]. Un historique plus détaillé des diérents programmes est visible dans le Tableau 1.1. Début Lancement du premier satellite 0 Début (guerre froide) 3 Promesse de Reagan de Début la gratuité pour les civils Nouveaux lancements Test avec 2 (otte susante) satellites géostationnaires 3 Lancement ociel (objectif 4 satellites Geostationnaires + 1 en orbite moyenne) 5 Opérationnel 24 satellites en orbite (précision environ 0m) 6 Derniers satellites opérationnels Chute del’URSS et des budgets alloués 00 Intervention de Clinton 6 satellites en service lancement des deux (précision environ m) premiers satellites 01 La recherche continue Début 03 Lancement nouveaux Lancement d’un autre satellites (Ouragan) satellite 05 Tests avec les satellites (Glove A – B) 0 3 nouveaux satellites 2 nouveaux lancements ( satellites actifs) satellites opérationnels (6 HS) octobre-lancement des deux premiers satellites Mise en service des satellites Ouragan KM 24 satellites en service opérationnel Table 1.1 

Historique des programmes GNSS. 

Principe de fonctionnement

Le principe de base du GNSS est d’eectuer des mesures de distances et de vitesses radiales entre des satellites de trajectoires connues et des récepteurs de positions inconnues. Ces mesures de distances sont en fait des mesures de temps de propagation du signal entre l’antenne satellite et l’antenne de l’utilisateur. Grâce à ces mesures de distances, tout utilisateur peut déterminer la position et la vitesse de son antenne, et synchroniser un oscillateur local avec la référence de temps du système GNSS, comme indiqué sur la Figure 1.1. Il faut donc connaître :  la position de chaque satellite à l’instant d’émission du signal,  le décalage entre une référence de temps de la constellation GNSS et l’horloge de chaque satellite,  le décalage entre un référence de temps de la constellation GNSS et l’horloge du récepteur. Les signaux se propageant à la vitesse de la lumière, une erreur de synchronisation de 1 ns sur 1 mesure équivaut à une erreur de mesure de distance de 30 cm. Pour accroître la précision de positionnement qui est l’enjeu des constellations GNSS, il faut minimiser l’impact des perturbations aectant le temps de propagation. Le décalage entre le temps ‘satellite’ et le temps de la constellation GNSS de référence est diérent pour chaque satellite ; cela implique que chaque mesure de distance entre le satellite et l’antenne récepteur est donc biaisée diéremment. Il est important d’avoir accès à ces décalages temporels de manière précise, sinon cela crée autant d’inconnues que de mesures. Il faut noter que le décalage entre l’horloge du récepteur et le temps GNSS aecte toutes les mesures de la même manière. Cela n’ajoute donc aucune inconnue. En supposant que nous pouvons estimer précisément :  le décalage entre le temps GNSS et chaque temps satellite,  la position de chaque satellite à chaque instant d’émission. Il n’y a donc que quatres inconnues à estimer : la position 3D (3 inconnues) et le décalage entre temps GNSS et temps récepteur. Pour cela il faut donc un réseau de stations sol qui mesure :  le décalage entre le temps propre de chaque satellite et le temps GNSS,  la position de chaque satellite. Une fois estimées et modélisées, les informations concernant l’erreur du temps satellite et la position satellite doivent être fournies à l’utilisateur via un modèle dans le signal émis par les satellites. Pour avoir un modèle able et qui puisse être utilisé le plus longtemps possible, les horloges des satellites doivent être très stables (horloges atomiques) et les modèles doivent être mis à jour fréquemment.

Composition du GNSS

Pour le bon fonctionnement des programmes GNSS trois parties distinctes sont primordiales. Chaque partie est appelée segment. Il y a donc : 

Le segment spatial

 ce segment est constitué par la constellation de satellites associés au système GNSS. Suivant le programme GNSS, l’orbite des satellites, leur altitude et par conséquent la période à laquelle le même satellite se retrouve au-dessus du même point sont diérentes, voir le Tableau 1.2. Chaque satellite transmet continuellement des messages qui incluent :  l’heure précise à laquelle le message est transmis,  les informations orbitales précises, appelées éphémérides,  l’état de santé général du système et les orbites approximatives de tous les satellites, appelés almanachs. Pour le GPS chaque satellite contient 3 à 4 horloges atomiques ; ceci permet à long terme une bonne stabilité entre le temps GPS et le temps des satellites. 

 Le segment sol 

ce segment est constitué par les stations de contrôle situées au sol. Leur nombre varie suivant le programme, voir Tableau 1.2. Elles servent à piloter et surveiller le système. Elles mettent à jour, entre autre, les informations transmises par les satellites, comme les éphémérides et les paramètres d’horloge, et contrôlent leur bon fonctionnement. 

 Le segment utilisateur

 ce segment regroupe tous les utilisateurs qui reçoivent et exploitent les données satellitaires. Ces utilisateurs utilisent des récepteurs GNSS. Chaque récepteur GNSS peut être alloué à un système ; cependant si les bandes de fonctionnement et le codage du signal le permettent, certains récepteurs peuvent être interopérationnels et donc fonctionner pour plusieurs constellations GNSS.