Se repérer sur la Terre
Des technologies complémentaires


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II] Fonctionnement

Le système de repérage global n’est pas unipolaire : trois segments sont nécessairement corrélés pour obtenir finalement les coordonnées souhaitées. En orbite se trouve l'indispensable segment spatial, sur la Terre se situent les composantes traditionnelles du segment utilisateur, tandis qu'un segment de contrôle assure la cohérence du tout.

  1. Le segment spatial

30 satellites pour le système GPS et 24 pour le système russe ! Si cela pourrait paraître peu par rapport à la surface de la Terre (500 millions de km²), il est en réalité tout à fait pertinent d’assimiler les G.N.S.S à des constellations, puisque la couverture de leurs signaux est planétaire ! Pour le GPS, la répartition orbitale a été dessinée de telle sorte qu’au moins quatre satellites soient visibles en tout point de la terre, à tout moment (la constellation correspond à ce cahier des charges depuis avril 1994) :

A l’aide du logiciel de simulation spatiale Celestia (cliquer ici pour le télécharger), nous avons comparé le nombre de satellites de deux constellations différentes visibles à Belfort au cours du temps :

  • la constellation GPS composée de 30 satellites à 20180 km d'altitude
  • la constellation Globalstar (télécommunications) composée de 52 satellites orbitant à 1450 km d'altitude.

Le résultat, que nous avons en partie pu confronter à la réalité avec notre récepteur GPS, est éloquent : au cours d’une journée, il y a en moyenne 4 satellites Globalstar visibles, contre 6 à 8 satellites GPS. En outre, les satellites Globalstar restent visibles pendant 30 minutes environ, tandis que l'on peut observer un satellite GPS pendant 5 heures d'affilée en moyenne. Ces derniers sont répartis sur 6 orbites, à raison de 5 par orbites. Chaque orbite forme un angle de 55° avec l'équateur et de 60° avec une autre orbite. La période de révolution de chaque satellite est d’environ 12 heures. Ainsi, dans 99.9% des cas, au minimum 4 satellites sont visibles à plus de 5° au-dessus de l’horizon. Bien sûr, ce chiffre est théorique et les caractéristiques environnementales de l’utilisateur (champ de vison, obstacles, interférences) peuvent réduire les capacités de réception réelle.

 

On distingue six grandes familles de satellites GPS :

  • Les satellites Block I : ce sont des prototypes qui ont été lancés entre 1978 et 1985. Ils étaient prévus pour une mission moyenne de 4.5 ans et une durée de vie de 5 ans. Mais leur durée de vie moyenne s'éleva à 8.76 années. Leur mission principale était de valider les différents concepts du système GPS.

Satellite de type BLOCK I

  • Les satellites Block II : premiers satellites opérationnels du système GPS, leur autonomie a été particulièrement améliorée par rapport à leurs prédécesseurs. Ils sont capables de rester 14 jours sans contact avec le segment de contrôle tout en gardant une précision suffisante. Neuf satellites furent lancés entre 1989 et 1990. Bien que leur durée de vie avait été estimée à 7.5 ans, la plupart d'entre eux sont restés en fonction pendant plus de dix ans. Il reste aujourd'hui encore trois satellites du Block II.

Satellite de type BLOCK II

  • Les satellites du Block IIA (Avancés) : ils furent mis sur orbite entre 1990 et 1999, et correspondent à une version perfectionnée des satellites du Block II Initial, puisqu’il peuvent se transmettre mutuellement des messages pendant six mois sans aucun contact avec le sol.
  • Les satellites Block IIR (Remplacement) : lancés entre 1999 à 2004, d’une durée de vie supérieure à 10 ans, ils permettent de régénérer la constellation GPS et de remplacer les satellites en panne.
  • Les satellites Block IIF (Follow-On) construits par Boeing : ils doivent être lancés dès 2007. Le programme cherche ainsi à atteindre une constellation de 33 satellites.
  • Les satellites du Block III : ces satellites encore en phase de développement auront pour mission de faire perdurer le GPS jusqu'en 2030 et plus
La constellation russe est quant à elle triorbitale, avec 8 satellites sur chaque plan, tandis que le système Galiléo sera constitué de 30 satellites répartis sur 3 orbites.


Nous pouvons plus précisément établir un tableau comparatif des systèmes GPS et GLONASS, où les différentes variables qui leur sont inhérentes révèlent l’orchestration requise pour leur fiabilité et leur disponibilité (reliability et availability).

Étude comparative GLONASS / GPS


 

GLONASS

GPS

Fabricant

NPO PM

Rockwell Space Systems

# de satellites initiaux

24

24

Durée de vie

Minimum 18 mois

Minimum 7 ans

Structure & équipement

¤ Stabilisé sur 3-Axes
¤ Panneaux solaires doubles
¤ pointage directionnel
¤ Horloge atomique au Césium (précision de 1000 ns)

¤ Stabilisé sur 3-Axes
¤ Panneaux solaires doubles (surface déployée de 7,5 m² à 710 watts)
¤ Bande S (SGLS) de communication pour le télécontrôle et les communications
¤ Lien croisé UHF entre les satellites.
¤ Propulsion de trajectoire à l’Hydrazine
¤ Contrôle de direction utilisant des roues de réaction
¤ 4 Horloges atomiques (2 au rubidium et 2 au Césium)
¤ Détecteur d’explosion nucléaire.

Masse du satellite

600 à 1400 kg

Block 1 :
163 à 770 kg
Block 2 :
1165 à 1665 kg
Block 2A :
1105 à 1665 kg

Lanceurs

Proton K/DM-2

Delta 2-7925-6925 / Atlas E-F

Nombre de lanceurs

3

2

Site de lancement

Baïkonour, Kazakhstan

Cap Canaveral, Etats-Unis

Nombre de vols orbitaux

3

6

Inclinaison orbitale

64.8°

55°

Altitude orbitale

19,130 km

20,180 km

Période de révolution

11h15m40s

11h58m00s

Période de répétition de trajectoire au sol

8 jours sidéraux

1 jour sidéral

Données éphémérides du satellite

Position, vitesse et accélération par rapport à des coordonnées géocentriques fixées.

Paramètres de Kepler, perturbations harmoniques

Type de paquet

PZ-90

WGS-84

Référence de temps

UTC (Russie)

UTC (USNO)

Almanach
(paquet envoyé)
Longueur
de la chaîne

152 bits

120 bits

Durée

12m30s

2m30s

Contenu

Jour de validité

Semaine de validité

Numéro de chaîne

Identification S/C

Excentricité

Excentricité

Inclinaison

Inclinaison

Heure à l’équateur

Heure du satellite

Durée de validité du paquet

Etat du satellite

Longitude par rapport à l’équateur

Altitude géoverticale

-

RA : taux de variation

Période de révolution

Racine carrée de l’axe semi majeur

Donnée de périgée

Donnée de périgée

-

Alerte d’anomalie

Décalage de temps

Décalage de temps

-

Perturbation de fréquence

Signaux

FDMA

CDMA

Fréquences porteuses
 L1

1598.06 - 1605.38 MHz

1575.42 MHz

 L2

7/9 L1

60/77 L1

Type de code PRN

ML

GOLD

nombre d’éléments de code
 C/A

511

1023

 P

5110000

2.35·10 14

Vitesse d’envoi du code
 C/A

0.511 Mbit/s

1.023 Mbit/s

 P

5.11 Mbit/s

10.23 Mbit/s

Corrélation croisée d’interférence

-48 dB

-21.6 dB

Message de navigation
Taux de transfert

50 bit/s

50 bit/s

Modulation

BPSK Manchester

BPSK NRZ

Longueur totale

2m30s

12m30s

Longueur
de la frame supérieure

30s

6s

 

 
Satellite GLONASS
 
Satellite GPS (Block II)