Introduction

L’idée d’utiliser des satellites comme aides à la navigation n’est pas nouvelle. De fait, dès le début des années 1960, quelques systèmes furent étudiés, tels Dioscures et Aérostat pour la France ; Timation et Transit pour les États-Unis. Toutefois, seul le système Transit fut mis en service dans la Navy.

Pour éviter une dispersion coûteuse des recherches et développements, les États-Unis décidèrent en 1979 de concentrer leurs efforts sur un seul système global de positionnement : le NAVSTAR/GPS (Navigation System with Time and Ranging – Global Positioning System).

La base du NAVSTAR/GPS est une constellation spatiale de satellites émettant des signaux dans la bande L. Un utilisateur, possédant un récepteur approprié peut en mesurer le temps de parcours et la fréquence pour en déduire, avec précision, une position à 3 dimensions, une information de vitesse et, comme sous-produit, une référence de temps. Très schématiquement, la mesure du temps écoulé entre l’émission de satellites, dont les localisations sont parfaitement connues, et la réception, permet de déterminer des distances émetteurs-récepteurs et donc la position de ce dernier. Les précisions maximales attendues du système sont particulièrement étonnantes car elles atteignent 15 mètres en erreur sphérique globale, 0,1 m par seconde en vitesse et 0,1 microseconde en temps. Initialement, NAVSTAR devait mettre en œuvre 24 satellites placés sur orbites circulaires afin d’obtenir une couverture globale avec plus de 6 satellites observables en un point quelconque. Pour des raisons de coût, le système ne comportera que 18 satellites avec un regroupement tel qu’il sera possible d’observer 4 satellites, au minimum, en tout point.

Description

Le système NAVSTAR a été scindé en 3 parties généralement appelées « segments ». On distingue ainsi le segment spatial, le segment de contrôle et le segment de l’utilisateur.

Le segment spatial comprend les satellites. Comme il a été dit précédemment, lorsque NAVSTAR sera opérationnel vers 1988, 18 satellites seront placés en orbites circulaires de 12 heures. Le rayon des orbites sera de 20 183 kilomètres et leur inclinaison sur l’équateur de 55 degrés. La durée de vie des satellites opérationnels devrait atteindre 7 ans au moins. L’énergie électrique sera fournie par des panneaux solaires relayés par des batteries.

Tous les satellites émettront leurs informations sur deux porteuses différentes : L1 à 1 575,42 MHZ et L2 à 1 227,60 MHZ avec utilisation de 2 codes spécifiques. Le code SPS ou C/A (Standard Positioning Service ou Clear/Acquisition) est destiné à fournir un signal de dégrossissage aux utilisateurs dont les besoins de navigation sont moins précis. Il sert de plus d’aide à l’acquisition du 2^nd code pour les utilisateurs qui peuvent y accéder. Ce 2^nd code, appelé PPS (Precise Positioning Service) ou P (Protected code), autorise les précisions de mesures évoquées plus haut et résiste aux contre-mesures électroniques. Ces codes P et C/A sont, en fait, ajoutés par modulation aux messages transmis par les satellites qui eux-mêmes se composent de données telles que : corrections de propagation, temps du système, éphéméride du satellite considéré, etc.

Le segment de contrôle désigne les stations sol chargées d’assurer la gestion et la surveillance des satellites, de leur transmettre des données.

On distingue une station de contrôle maîtresse (MCS ou Master Control Station), elle-même associée à un centre de contrôle au sol et des stations de surveillance (MS pour Monitor Station) ; au nombre de 4 actuellement, elles sont situées en Alaska, à Guam, Hawaii et Vandenberg aux États-Unis.

Chaque station MS poursuit passivement tout satellite visible, elle en reçoit des informations de distance qu’elle transmet, conjointement à des relevés sur l’environnement, à la station MCS.

Celle-ci traite les informations reçues, détermine l’orbite des satellites, les erreurs de temps, les rectifications éventuelles de phase et de fréquence de l’horloge satellite. Enfin, le centre de contrôle associé transmet quotidiennement à chaque satellite les messages de données élaborés par la station MCS. Consistant en éléments d’éphémérides, dérivés d’horloge, informations sur la propagation, ces données sont introduites dans la mémoire des satellites et utilisées pour réactualiser leurs messages de navigation.

Le dernier segment du système désigne les équipements des utilisateurs. Ces équipements seront plus ou moins performants en fonction des besoins de chacun mais ils comporteront tous un ensemble de réception, un ensemble de calcul et de gestion et un module d’interface pour le dialogue et la visualisation.

Très schématiquement il s’agira :

– de déterminer le groupe de 4 satellites qui doit pouvoir procurer la position la plus précise ;
– de mesurer les temps d’arrivée et les sauts de fréquence doppler des signaux provenant de ces satellites – opération qui s’effectuera soit simultanément en utilisant des boucles différentes pour chaque satellite, soit successivement ou séquentiellement en utilisant un seul circuit ;
– de démoduler les messages de navigation, de déterminer les positions exactes et les vitesses des satellites ;
– de calculer la position et la vitesse de l’utilisateur.

Cette simple énumération montre que le nombre et la complexité des opérations à effectuer exigent l’emploi de microprocesseurs et calculateurs de haut niveau. Toutefois, l’éventail des performances nécessaires et suffisantes pour un récepteur reste assez large. Ainsi, pour obtenir immédiatement la position d’un missile ou d’un avion très performant, le récepteur devra pouvoir acquérir et poursuivre simultanément 4 satellites et donc posséder 4 voies au moins. En revanche, un navire de commerce pourra se contenter d’un récepteur à une voie en faisant des mesures successives ou séquentielles. Le choix d’un récepteur particulier et donc de ses capacités, simultanées, successives ou séquentielles d’acquisition, de poursuite, de traitement de signaux n’est lié qu’aux contraintes induites par les possibilités dynamiques du porteur et non à la précision de navigation souhaitée. Cette précision ne dépend que du code auquel le récepteur a accès, le P ou le C/A.

Évolution – conclusion

La phase validation du concept NAVSTAR s’est déroulée de décembre 1973 à juin 1979. Quatre satellites furent utilisés afin de procéder à des essais limités. Les résultats s’étant avérés extrêmement positifs, le secrétaire à la Défense des États-Unis approuva le 14 août 1979 le passage à la phase de développement qui doit s’étendre jusqu’à la mi 1984. NAVSTAR 5 et 6 furent lancés en 1980. D’autres satellites seront lancés si le besoin s’en fait sentir afin de conserver une constellation de 5. La constellation complète à 18 doit être en place en 1988.

Les essais du système NAVSTAR/GPS confirment qu’il est capable de fournir des informations extrêmement précises en position, vitesse et temps. Accessible aux usagers civils, c’est toutefois dans le domaine militaire que NAVSTAR sera véritablement révolutionnaire. La possibilité d’avoir à chaque instant une position extrêmement précise (15 mètres d’erreur sphérique globale) permet d’imaginer toutes formes d’utilisation : pénétrations de tous types, rejointes en vol, assauts, parachutages tactiques, emploi de terrains ne disposant d’aucune infrastructure radio électrique, etc.

Ainsi que le disait à l’origine l’un des directeurs du programme : « les applications de ce système ne sont limitées que par notre imagination. Qui peut prévoir l’apport d’un système dans lequel chacun peut déterminer sa position exacte en poussant simplement un bouton… ».