Introduction

Les systèmes de positionnement par satellites (Global Navigation Satellite System – GNSS) sont basés sur des constellations de satellites assurant une couverturemondiale pour le géopositionnement. Suite à l’intérêt militaire pour le positionnement précis et la navigation, l’usage civil du GNSS s’est rapidement développé et démocratisé au travers de nombreuses applications. Il n’est pas nécessaire de rappeler l’usage quotidien et maintenant indispensable du – communément appelé – GPS dans nos sociétés actuelles pour l’aide à la navigation.
De nombreuses autres applications directes ou dérivées on également vu le jour. On évoquera, par exemple, la mesure des déplacements tectoniques, des déplacements de glaciers ou d’icebergs, le suivi du déplacement d’oiseaux ou de mammifères, ou, plus récemment, les systèmes de détection de tsunamis, ou les applications climatologiques ou d’analyses atmosphériques.
Enfin, on citera bien évidemment l’application qui fait l’objet de mes recherches de thèse : la réflectométrie GNSS ou GNSS-R (voir chapitre 3, page 39).
Ce furent les américains qui, dès les années 1970, commencèrent à mettre en place la première constellation de satellites GNSS (Seeber, 1993) : le GPS (Global Positioning System), qui fut longtemps la seule constellation pleinement opérationnelle, avant l’arrivée de la constellation russe GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) qui assure une couverture globale depuis 2011 (Duquenne et al., 2005). Le réseau GNSS pour le positionnement ne faitmaintenant que se densifier avec le développement récent de nouvelles constellations comme le système européen Galileo, le système chinois COMPASS-BeiDou, indien IRNSS ou japonais QZSS.

Principe du positionnement GNSS

Un système de positionnement GNSS est classiquement composé de trois segments (Duquenne et al., 2005) :
– le segment spatial constitué de l’ensemble des satellites (une vingtaine généralement pour une couverture globale) ;
– le segment de contrôle permet de piloter le système au travers d’une détermination et d’une prédiction des paramètres d’orbites et d’horloges de chaque satellite.Ces paramètres sont transmis (toutes les 8 h environ pour la constellation GPS) à tous les satellites par un ensemble de stations au sol ;
– le segment utilisateur correspond à l’ensemble des utilisateurs civils et militaires du système.
On évoquera notamment les organisations nationales et internationales qui maintiennent leurs propres réseaux GNSS permanents constitués de stations au sol, comme l’IGS (International GNSS Service) ou le RGP (Réseau GNSS Permanent) mis en place et maintenu par l’IGN (Institut Géographique National) en France. Ces organismes collectent et traitent les données des différentes constellations GNSS avant de les redistribuer aux utilisateurs.

Le signal satellite

Chaque satellite GNSS émet en continu unemicro-onde de type L (gamme de fréquence de 1 à 2 GHz, longueur d’onde de 15 à 30 cm) dont la fréquence fondamentale est modulée. Cette modulation de phase permet au satellite d’envoyer :

Lamesure de phase

Le principal problème de lamesure de pseudo-distances par le code réside dans la précision nécessaire de la mesure temporelle. Pour une résolution de la mesure de pseudo-distance de l’ordre du centimètre, il faudrait une estimation du temps de propagation à moins d’un dixième de nano-secondes près. C’est pourquoi, pour estimer la distance séparant les satellites du récepteur, les récepteurs GNSS géodésiques préfèrent se baser sur la phase du signal satellite (c’est à dire le nombre de cycles observés par la porteuse depuis l’émission) plutôt que sur le temps de propagation. Malheureusement, s’il est facile de mesurer le déphasage de la porteuse par rapport à une réplique locale générée par le récepteur, il n’est pas possible de mesurer directement le nombre de cycles total qu’elle a observé depuis son émission par le satellite.
On comprend dès lors que l’observation de la distance séparant le récepteur et le satellite est ambigüe d’un nombre entier de longueur d’onde, ou ambiguïté entière. Pour obtenir la distance séparant le satellite du récepteur, il faudra alors additionner cette ambiguïté entière au déphasage, et multiplier le résultat par la longueur d’onde. Tout le problème réside donc dans la détermination de cette ambiguïté entière.
Une méthode classique dans le cas d’un positionnement relatif est la double différences de phases, c’est à dire la combinaison des observations de deux récepteurs (dont un de coordonnées connues) observant deux mêmes satellites simultanément. La résolution se fait alors gé- néralement en deux étapes. Un première étape en considérant les ambiguités entières et les coordonnées du récepteur comme inconnues. On obtient alors, par ajustement au sens des moindres carrés, des valeurs non entières pour les ambiguïtés (on parle de solution flottante). Une seconde étape facultative consiste donc à « fixer les ambiguïtés », c’est à dire à attribuer aux ambiguïtés la valeur entière la plus proche puis à faire une nouvelle estimation des coordonnées en considérant les ambiguïtés comme connues (Duquenne et al., 2005). Ceci peut se faire par exemple par la méthode LAMBDA (Teunissen, 1995).
L’ambiguïté entière relative à un satellite, une fois déterminée, reste constante dans le temps
dès lors que le récepteur garde une connexion avec ce satellite (lock). C’est ce que l’on appelle le suivi de phase, c’est à dire que le récepteur tient compte du nombre entier de cycles entre chaque mesure et incrémente d’autant la valeur initiale d’ambiguïté déterminée. Il peut toutefois arriver que l’on perde le signal en raison d’un mauvais fonctionnement du récepteur ou bien encore à cause de la présence d’un masque entre le satellite et le récepteur. La conséquence est l’apparition d’un saut de cycle. Dans ce cas, il faudra réaliser une nouvelle  détermination de l’ambiguïté entière (Hofmann-Wellenhof et al., 2001).

GLONASS

Description

Le développement de la constellation GLONASS commença en 1976 dans l’Union Soviétique. Quelques satellites furent lancés dès 1982 et le système fut déclaré opérationnel en 1995. Malheureusement, pour des raisons essentiellement économiques et politiques, la maintenance du système fut réduite jusqu’en 2001, et la constellation atteignit difficilement plus de 10 satellites opérationnels en même temps. Depuis une politique de restauration en 2001, de nombreux nouveaux satellites ont été lancés, et la constellation assure un géopositionnement global depuis 2011 (Polischuk et al., 2002). La constellation russe est actuellement nominale avec 24 satellites répartis sur trois plans orbitaux inclinés de 64,8°. L’inclinaison des orbites, plus élevée que les orbites GPS, permet d’avoir des satellites qui passent un peu plus sur les zones polaires que le GPS (Hofmann-Wellenhof et al., 2001). Les orbites quasicirculaires se situent à une altitude de 19100 km au-dessus de la surface terrestre, et leur période de révolution est de 11 h 15 min 44 s. Leur répétabilité est de 8 jours sidéraux.

Structure du signal

La structure du signal GLONASS est différente de celle du signal GPS (Hofmann-Wellenhof et al., 2001). Si le système GPS utilise le CDMA (Code DivisionMultiple Access) qui permet de différencier les satellites, le système GLONASS utilise le FDMA (Frequency Division Multiple Access). Chaque satellite possède ainsi sa propre fréquence :

Galileo

Description

Le système Européen de navigation par satellite Galileo est issu de la volonté commune des États membres de se doter d’un système de navigation par satellites indépendant. En juin 2004, l’Union Européenne et les Etats-Unis ont signé un accord sur la compatibilité et l’interopérabilité complète entre le système européen Galileo et le système américain GPS.

COMPASS-BeiDou

Description

Souhaitant eux aussi s’affranchir de la dépendance au GPS américain, les autorités chinoises mirent très rapidement en place un système de géopositionnement régional : BeiDou-1. Ce système, initié dès le début des années 1990, s’est réellement concrétisé par le lancement de deux premiers satellites BeiDou-1A et BeiDou-1B en 2000. Ce système présente l’originalité de s’appuyer sur quatre satellites géostationnaires (trois opérationnels et un de réserve) et un mobile en orbite moyenne. Ce système, uniquement régional (i.e., il couvre uniquement la Chine), nécessite une émission de la part du segment utilisateur, et il est donc très vite limité par rapport au système GPS, dont les utilisateurs sont uniquement récepteurs passifs.
Les autorités chinoises décidèrent alors de compléter (pour à terme remplacer) ce système régional limité géographiquement en lançant le projet BeiDou-2 aussi connu sous le nom de COMPASS (Chong, 2009). Cette fois global, ce système étendu prévoit une constellation nominale de 35 satellites :
– 5 satellites géostationnairesGEO(Geostationary EarthOrbit) pour une compatibilité rétroactive avec BeiDou-1, a une altitude d’environ 35786 km;
– 30 satellites non-géostationnaires : 27 en orbite moyenne MEO (Meidum Earth Orbit) à une altitude de 21150 km, de lamêmemanière que les autres GNSS, et 3 en orbite géosynchrone inclinée : IGSO (Inclined GeoSynchronous Orbits).
La période de révolution des 27 satellites MEO est de 12 h 53 min et leurs plans orbitaux sont inclinés à 55,5° par rapport à l’équateur. (ILRS, 2012).
La constellation actuelle de COMPASS est constituée de 5 satellites GEO, 5 satellites IGSO et 4 satellites MEO (Inside-GNSS, 2013).

Perspectives

Les constellations GNSS américaine (GPS) et russe (GLONASS) cumulent actuellement plus de cinquante satellites opérationnels qui émettent des signaux exploitables en permanence, et susceptibles d’être captés n’importe où dans le monde. Lorsque les constellations Galileo et COMPASS seront opérationnelles, plus d’une centaine de satellites de positionnement graviteront autour de la Terre et émettront en permanence, sans compter l’avènement d’autres constellations. Actuellement, à nos latitudes moyennes, une dizaine de satellites GPS et environ 8 satellites GLONASS sont en vue en permanence. (Dach, 2012).