SCIENCE ACTUALITÉS.fr

Le magazine qui se visite aussi à la Cité des Sciences

Enquêtes
Espace & Astronomie

Galileo ou les péripéties de la géolocalisation européenne

Enfin une bonne nouvelle, depuis le positionnement raté des deux satellites lancés en août dernier ! La transmission de signaux relance le système de navigation par satellites Galileo, développé par les Européens depuis quinze ans déjà.

Illustration du satellite IOV de la constellation Galileo© ESA/CARRIL Pierre, 2011

Ouf ! L’Agence spatiale européenne (Esa) l’a confirmé début décembre : le cinquième satellite de la constellation Galileo a finalement réussi à transmettre des signaux depuis sa nouvelle orbite, signe que les efforts pour remédier à l’incident de l'été dernier n’ont pas été vains. Le 22 août 2014, en effet, les cinquième et sixième satellites du système Galileo quittaient la Terre à bord d’une fusée Soyouz. Cependant, suite à un dysfonctionnement dans le système de refroidissement du quatrième étage du lanceur russe, ils étaient accidentellement placés sur une mauvaise orbite, trop basse –  13 713 km d’altitude au plus près de la Terre au lieu de 23 222 km –, elliptique et dans un plan différent de celui visé. 

Après une série de 11 manœuvres – effectuées en 17 jours et supervisées par le Centre de contrôle Galileo avec le soutien du Centre européen d’opérations spatiales (Esoc) en Allemagne, et le Centre national d’études spatiales (Cnes) en France – le cinquième satellite a pu être dirigé vers une orbite plus circulaire, à une altitude plus haute de 3 500 km. Il entre désormais dans une phase de tests de fonctionnement des charges utiles. S’ils sont concluants, le sixième satellite devrait subir le même sort. L’Esa a précisé que ce serait à la Commission européenne de se prononcer sur un usage de géolocalisation de ces deux satellites, en regard des résultats obtenus.

Seuls quatre satellites bien en place

Sur les trente satellites initialement prévus, seuls quatre sont déjà sur leur bonne orbite. Les deux premiers ont été lancés en octobre 2011 et les deux autres un an plus tard, par Soyouz, depuis le Centre spatial Guyanais de Kourou. Ils forment la mini-constellation IOV, in orbit validation c’est-à-dire de « validation en orbite », correspondant à la phase de tests et d’essais. Le 12 mars 2013, cette constellation a fourni pour la première fois des données de positionnement d’une précision de 10 mètres.

Préparatifs du lancement, du 22 août 2014, des cinquième et sixième satellites de la constellation Galileo.© © ESA-CNES-ARIANESPACE / Optique vidéo du CSG

Il ne s'agit, somme toute, que d’un épisode de plus dans la longue série de péripéties qu’a connues Galileo depuis ses débuts. C'est en 2001, en effet, que dans un livre blanc sur sa politique des transports, la Commission européenne annonçait : « L’Union européenne aura à sa disposition d’ici à 2008 un système de couverture mondiale dont elle aura la maîtrise et qui répondra à ses exigences de précision, de fiabilité, et de sécurité ». Or, à l’horizon 2015, aucun service de ce type n’est encore proposé par le système européen de géolocalisation. Et bien des difficultés restent à surmonter... 

L'option civile

Dès les années 1960, les Américains ont quant à eux cherché à développer des systèmes de géolocalisation utilisant des satellites. L’objectif est alors avant tout militaire et le contrôle du GPS, dont le premier satellite est lancé en 1979, est confié à l’armée américaine. Une trentaine d'années plus tard, la Communauté européenne s’intéresse à son tour aux possibilités offertes par ces systèmes de navigation et s'oriente vers deux dispositifs technologiques. D’une part, EGNOS, qui comprend des satellites géostationnaires et un réseau de structures au sol, permet d’accroître la fiabilité des positions obtenues via les deux systèmes de géolocalisation déjà existants, l'américain GPS et le russe GLONASS. D’autre part, un nouveau GNSS (Global Navigation Satellite Système, système de navigation par satellites) baptisé Galileo vise à doter le continent européen d'un dispositif autonome.

Pour la Communauté européenne, instaurer un contrôle civil du système était un enjeu essentiel. En cela, Galileo s’oppose diamétralement à l’américain GPS et au russe GLONASS, tous deux initiés pendant la Guerre froide, et sous gestion militaire. À l’origine, le programme européen devait être financé dans le cadre d'un partenariat public-privé (PPP), mais les négociations pour le constituer ont échoué, entraînant un retard important dans la mise en œuvre. Il faut attendre 2007 pour que cette idée soit définitivement abandonnée au profit d’un financement public assuré par l’Union européenne. L’Agence spatiale européenne (Esa) est chargée de la maîtrise d’ouvrage.

Constellation des 30 satellites du système Galileo© ESA-J. Huart

Objectif indépendance

Face à une mise en service toujours différée, il est logique de s’interroger sur la raison d’être de Galileo. Le principal argument mis en avant est l’indépendance qu’offrirait le système à l’Europe vis-à-vis des autres GNSS : l’américain GPS, notamment, dont le service peut être suspendu par l’armée, dans un but de défense stratégique.

À l’objectif d’indépendance stratégique, la Commission européenne ajoute celui d'indépendance économique. Elle estime en effet que près de 7 % du PIB de l’Union européenne (UE) dépendent d’une façon ou d’une autre de la navigation par satellites : interventions d’urgence, gestion des réseaux de distribution d’énergie ou encore validation de certains services financiers.

L'ambition de Galileo est d'égaler, voire de dépasser, les performances du géant américain GPS. Plutôt qu'un concurrent du GPS (ou de GLONASS), cependant, Galileo est plutôt conçu comme complémentaire des autres GNSS. Pour pouvoir se reposer sur l’information transmise par un système de géolocalisation, en effet, il faut s’assurer de la qualité de cette donnée. Or multiplier le nombre de constellations accroît la certitude sur la position : « En faisant le jeu des moyennes, on comprend bien qu’on obtient une meilleure précision avec quatre mesures plutôt qu’avec une seule » [en croisant, par exemple, les données fournies par le GPS, GLONASS, Galileo et le système chinois Beidou] commente François Barlier, vice-président du Bureau des longitudes

L’interopérabilité implique qu’un même récepteur peut recevoir et analyser des signaux provenant de plusieurs constellations différentes. Ainsi, le positionnement est obtenu plus rapidement, de façon plus sûre et avec une exactitude renforcée. Si un jour la géolocalisation devient prépondérante dans l’aviation, il faudra absolument garantir la fiabilité des indications. « Un système comme GPS ou Galileo reste un système humain qui peut un jour connaître une panne », ajoute François Barlier. En navigation aérienne, un tel risque ne peut être pris s’il s’agit de piloter des avions avec plusieurs centaines de passagers !

L’intérêt de concevoir un système complémentaire est donc majeur. Aujourd’hui, « Galileo est interopérable avec le GPS, il le sera bientôt avec GLONASS et il est compatible, dans certaines limites, avec le Chinois Beidou », explique la Commission européenne.

Chacun le sien

Lancement du premier satellite de la constellation indienne IRNSS, le 2 juillet 2013© ISRO

Après l’américain GPS, le russe GLONASS, l’européen Galileo, le chinois Beidou, voici l’indien IRNSS ! Le premier satellite de cette constellation a été lancé le 2 juillet 2013 avec succès. L’IRNSS, pour Indian Regional Navigational Satellite System, comportera au final sept satellites, pour offrir une précision de l’ordre de 20 mètres, partout en Inde. Sa mise en service est prévue pour début 2016. La constellation chinoise, également appelée Compass, possède déjà seize satellites en fonction, ce qui lui permet de couvrir la zone Asie-Pacifique, en donnant un positionnement avec une incertitude de 10 mètres seulement. D’autres satellites sont attendus, l’objectif étant de fournir un service mondial d’ici 2020.

Cinq services offerts

Dans son usage gratuit, disponible pour tous les utilisateurs à travers le monde, Galileo devrait permettre un positionnement d’une précision de quelques mètres. Celle-ci pourra être améliorée en souscrivant au service commercial payant. Trois autres services seront proposés au fur et à mesure du développement de la constellation. Pour les domaines d’application où il faut garantir la « sûreté de la vie », comme dans l’aviation et les transports maritimes et ferroviaires où le moindre écart peut avoir un impact fatal, un service de très haute qualité sera proposé, qui avertira l’utilisateur en cas de faiblesse dans la précision du signal.

Galileo permettra également d'améliorer les systèmes de recherche et de sauvetage des personnes en détresse. Celles-ci pourront, si nécessaire, envoyer un signal SOS et seront même averties par un message retour qu’une équipe de secours a bien été alertée.

Enfin, le Public Related Service (PRS) est destiné à un usage gouvernemental, en fournissant un signal crypté et stable malgré les tentatives de brouillage. C’est un enjeu majeur pour assurer la sécurité et la défense de l’Europe. Actuellement, en cas de menace terroriste, de guerre civile ou de catastrophe naturelle, les gouvernements dépendent des informations de géolocalisation fournies par le GPS, donc par l’armée américaine. D’autres secteurs essentiels reposent sur le GPS comme l’énergie, les télécommunications ou la finance, et requièrent un système sécurisé comme le PRS. Pour qu’un pays non européen puisse y accéder, un accord définissant le cadre d’échange et de protection des informations classifiées, et un autre fixant les conditions des modalités d’accès au PRS, devront avoir été négociés.

Un travail d'équipe

Chaque pays européen participe d’une façon ou d’une autre au projet. La Suisse a réalisé les horloges atomiques, les Britanniques s’occupent des charges utiles, les Pays-Bas accueillent le centre de test des futurs satellites… En France, le Cnes a la responsabilité des opérations de mise à poste des satellites Galileo, qui consistent à les placer sur leur orbite après la séparation du lanceur. Il y a d’abord une phase d’acquisition des satellites. Ils sont ensuite mis en dérive pour se rapprocher de leur positionnement. En utilisant les systèmes de propulsion, ils sont enfin placés dans leur disposition finale.

Salle de contrôle principale pour la mise à poste des satellites Galileo au Centre spatial de Toulouse© CNES/GRIMAULT Emmanuel, 2011

Maître d’œuvre du Galileo Mission Segment (GMS), la filiale française de l’entreprise Thalès Alenia Space se concentre sur la correction des signaux satellites au sol. En effet, la vitesse de propagation du signal peut être modifiée selon la composition des couches de l’atmosphère traversées, et il faut continuellement réaliser des mesures au sol pour établir des corrections. Des stations au sol reçoivent donc en permanence les signaux Galileo. Ils les transmettent à des centres de calcul capables d’évaluer, par comparaison avec un modèle théorique, les corrections à effectuer. Les signaux corrigés sont ensuite transmis à des stations qui les réémettent vers les satellites, et ainsi de suite. De cette façon, les termes correctifs sont toujours intégrés. 

Le paradoxe de l’anticipation

À ce jour, seuls quatre satellites sur les trente prévus seraient donc véritablement opérationnels. Pourtant, l’Esa a déjà entamé les premières pré-études pour la deuxième génération de satellites Galileo. Directeur Navigation France pour Thales Alenia Space, Philippe Blatt explique : « Cela prend du temps, de mettre en place une nouvelle génération ! Fabriquer des équipements de haute technologie ou d’une complexité scientifique avancée représente une réelle difficulté ». La durée de vie moyenne d’un satellite est de seulement douze ans, alors que sa construction demande au minimum trois ans. À cela s’ajoutent un délai de plusieurs mois pour le placer sur son orbite, le tester et l’intégrer au système, et le temps, variable, nécessaire aux études et aux appels d’offres. « Donc, pour que les nouvelles générations de Galileo soient prêtes dans dix ans, l’Esa doit commencer à les préparer dès aujourd’hui », insiste Philippe Blatt. 

Ingénieurs de la société OHB travaillant sur un satellite Galileo© ESA-StephaneCORVAJA

Principe de la géolocalisation par satellite

Prenons un satellite de navigation dont la position est connue. Celui-ci émet un signal radioélectrique précisant l’heure exacte à laquelle il a été envoyé. Sur Terre, un récepteur, votre voiture ou votre smartphone, dont vous cherchez à connaître la position, reçoit le signal. Sachant que le signal se propage à la vitesse de la lumière, il est alors possible de déterminer la pseudodistance, c’est-à-dire le temps que le signal a mis pour rejoindre le récepteur. La distance séparant le satellite du récepteur se déduit facilement de la pseudodistance et de la position du satellite dans l’espace.

Pour localiser le récepteur, il faut connaître sa latitude, sa longitude et son altitude. Trois satellites sont donc nécessaires pour obtenir trois mesures de distance qui permettent de trouver les trois inconnues. Il y a cependant une désynchronisation entre l’horloge du satellite et celle du récepteur. S’il n’y a aucune gravité à un écart de quelques minutes entre l’heure indiquée par votre montre et celle de votre voisin, c’est une autre affaire quand il s’agit de géolocalisation. Un décalage de seulement une demi-seconde peut entraîner une erreur de plus de 160 000 km sur la position du récepteur ! Un quatrième satellite permet de résoudre l’incertitude liée au temps.

Pour que n’importe quelle position dans le monde puisse être localisée, chaque point du globe doit être visible par quatre satellites. Galileo sera fonctionnel partout à partir du moment où 24 satellites auront été placés en orbite moyenne, à près de 24 000 km de la Terre. Trente satellites sont pourtant prévus dans la constellation finale, pour qu’en cas de défaillance, un satellite puisse être remplacé par un autre.

Retour en haut