La composition du système

Le système GPS est composé de trois segments (ou secteurs) : le segment spatial, le segment de contrôle et le segment utilisateur. La Figure II- 1 illustre cette décomposition.

2.1.1

Le segment spatial

Le segment spatial est constitué d‘une constellation12

de satellites diffusant des signaux radios. La constellation de base est constituée de 24 satellites. La constellation actuelle (juillet 2009) compte 31 satellites actifs (utilisables). Ils font partie de la deuxième génération : BLOC IIA (Advanced), IIR (Replenishment) et IIR-M (Modernized). Ils ont été lancés entre 1990 et 2009 et ils seront suivis par les satellites IIF (Follow on) et les satellites d‘une nouvelle génération (BLOC III). La Figure II- 3 montre des images de satellites GPS de différentes générations. Des images supplémentaires sont accessibles à partir du site suivant : http://pnt.gov/public/images/

Les orbites des satellites sont :

 Quasi-circulaires de 26 500 km de rayon (soit à une altitude d'environ 20 200 km). Le temps de propagation des signaux radios est au minimum de 67 ms et au maximum de 86 ms.

 De période égale à environ 11 heures et 58 minutes.

 Inclinées de 55° par rapport à l'équateur. Cette inclinaison a été choisie afin d'optimiser la qualité de la constellation au-dessus des Etats-Unis. Par contre dans les zones polaires les satellites sont très bas par rapport à l‘horizon, ce qui rend la localisation plus difficile.

 Au nombre de six également espacées autour de l‘équateur,

 Chaque orbite contient, en général, 4 satellites actifs et un de réserve. L‘intérêt de satellites complémentaires est de renforcer la fiabilité, la disponibilité et l‘intégrité de la navigation. La constellation GPS a été choisie de la sorte qu‘au moins 4 satellites soient visibles en tout point du globe. La Figure II- 2 illustre la constellation du système GPS.

Figure II- 2 La constellation GPS

Figure II- 3 Des satellites GPS des blocs II/IIA, IIR-M, IIF et III

Pour le public, l‘état de la constellation est consultable sur le site des gardes-de-côtes américains13

(Navigation Center, US. Coast Guard). On y trouve notamment l‘état de la constellation, les indisponibilités programmées, l‘almanach, les modifications planifiées de la constellation.

L’identification des satellites

Plusieurs numérotations des satellites GPS cohabitent. La plus utilisée est la numérotation PRN (Pseudo Random Noise) car elle est fournie aux utilisateurs par le message de navigation envoyé par les satellites ; pour cette raison elle est très souvent utilsée par les récepteurs et les logiciels de calculs.

Les autres types numérotation sont :

 La numérotation du type Space Vehicule (SV) qui correspond à l'ordre de lancement des satellites. SVN1 pour le premier satellite GPS lancé, ainsi de suite ;

 La numérotation dans le catalogue de la NASA ;  La numérotation internationale.

L’almanach et les éphémérides

Chaque satellite transmet l‘almanach de tous les satellites en position. Les coefficients de dérive de l‘horloge et de l‘état de fonctionnement des satellites se rajoutent au paramètres définissant l‘orbite du satellite. L‘almanach est réactualisé (généralement) une fois par semaine.

La précision de position d‘un satellite obtenue à partir de l‘almanach est kilométrique. L‘almanach est principalement utilisé pour prévoir la visibilté des satellites en vue de capter leurs signaux.

Les éphémérides permettent de déterminer les positions des satellites avec une plus grande précision. Elles ne sont valides normalement que pendant six heures. L‘ordre de grandeur de la précision de position d‘un satellite calculée à partir des éphémérides est de 1 m sur le rayon de son orbite, de plusieurs mètres sur sa trajectoire et de quelques mètres dans la direction perpendiculaire aux deux directions précitées.

Un extrait d‘almanach ainsi que la description des paramètres des orbites donnés par le format YUMA et 3a sont présentés dans l‘annexe I.

2.1.2

Le segment de contrôle

Le segment de contrôle dépend de l'armée américaine. Son rôle est de maintenir en permanence le système GPS opérationnel. Ses fonctions principales sont les suivantes : suivre les satellites pour estimer leurs orbites, ajuster leurs éphémérides, modéliser les dérives des horloges et mettre à jour les paramètres du message de navigation que les satellites diffusent.

Actuellement les stations de contrôle sont entièrement terrestres. Dans le futur, l‘évolution du GPS III programmée pour 2013 inclura une version spatiale des stations de contrôle [9].

13

Il y a 5 stations qui se trouvent à Colorado Spring (la station principale), Ascension, Diego Garcia, Kwajalein et Hawaii. Seulement les trois stations (Ascension, Diego Garcia, Kwajalein) assurrent le chargement des informations vers les satellites.

En 2005, 6 stations du NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) ont été rajoutées au réseau des stations de contrôle (de couleur magenta sur la carte14 de la Figure II- 4).

Le rôle des stations de contrôle est de poursuivre passivement les satellites en code et en phase (porteuse) quelque soient leurs positions et d‘acquérir le message de navigation. Le niveau des signaux GPS est également surveillé.

Ces informations sont transmises à la station principale lui permettant de calculer les éphémérides et d‘estimer la dérive d‘horloge de chaque satellites. Par ailleurs la station principale estime le retard ionosphérique et calcule les paramètres du modèle de correction.

La station principale contrôle, asservit la position des satellites et gère la constellation spatiale. Elle doit rapidement détecter toute défaillance d‘un satellite et, le cas échéant, le mettre en mode dégradé ou interdire son usage tout en informant les utilisateurs par l‘intermédiare du message de navigation. L‘actualisation de l‘almanach à chaque modification de la constellation spatiale, du lancement ou à la fin de vie d‘un satellite, est également de son ressort.

Le segment de contrôle est transparent pour l‘utilisateur final du GPS.

Figure II- 4 Carte des stations du segment de contrôle

2.1.3

Le segment utilisateur

Le segment utilisateur est formé par toute personne possédant un récepteur GPS dans le monde entier. Les utilisateurs sont des militaires ou des civils et leurs applications sont diverses : terrestes, maritimes ou aéronautiques, voire spatiales.

Un récepteur GPS est conçu pour recevoir, décoder et traiter les signaux émis par les satellites GPS. Les récepteurs intégrés dans d‘autres systèmes (téléphone portable, appareil photo, …) sont également inclus dans le segment utilisateur.