Radionavigation par satellite : présentation et problématiques

Les systèmes de positionnement par satellite, pouvant être également désignés par le sigle anglais GNSS²¹, sont des dispositifs permettant à un utilisateur d’accéder à sa position dans l’espace tridimensionnel, sa vitesse, la date et l’heure. Généralement inclus dans des récepteurs portables de faibles dimensions (ordinateurs de bord des véhicules de loisirs, téléphones portables, etc.), ils s’appuient sur une constellation de satellites artificiels orbitant constamment autour du globe terrestre.

Comme l’illustre l’infographie reportée en Figure 77, le principe de cette technologie repose sur la méthode mathématique de la trilatération. À l’instar de la triangulation, cette technique permet de déterminer la position relative d’un point en s’appuyant sur la géométrie des triangles. Toutefois, là où la triangulation utilise les angles et les distances, la trilatération utilise uniquement les distances qui séparent les points émetteurs de l’objet cible. Il est alors nécessaire de disposer d’au moins trois satellites pour déterminer la position exacte d’un terminal.

Figure 77 : Illustration du principe de fonctionnement du système de positionnement par satellite. Source : <GISGeography22>

Développés à l’initiative des États-Unis dans les années 70, le GPS23 est le premier système du genre à être opérationnel en 1995. Sa constellation, constituée d’au moins 24 satellites, permet à un utilisateur de pouvoir toujours établir un contact avec 4 d’entre eux. Son usage se démocratise dans les années 2000 lorsque le président Bill Clinton annonce la fin de la dégradation volontaire du signal pour les applications civiles. La résolution horizontale qui était avant d’environ une centaine de mètres passa alors à une dizaine de mètres et permit des applications telles que la navigation routière.

Conscients des intérêts sous-jacents à ces technologies, d’autres pays ou associations d’états ont développé leurs propres systèmes concurrents : GLONASS (URSS puis Russie), Galileo (Union européenne), COMPASS (Chine), QZSS (Japon) et IRNSS (Inde). Ces deux derniers assurant uniquement une couverture régionale au niveau du pays concerné. Les terminaux

21 Acronyme de l’anglais : Global Navigation Satellite System.

22 https://gisgeography.com/gps-accuracy-hdop-pdop-gdop-multipath/

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 104

Licence CC BY-NC-ND 3.0

actuellement commercialisés permettent généralement l’exploitation des signaux de plusieurs de ces systèmes ; typiquement GPS et GLONASS.

Grand succès commercial des années 2000, le GPS est rapidement devenu incontournable et a permis des développements dans un grand nombre de domaine : navigation aérienne, maritime et terrestre, suivi et traçage de parcours, agriculture de précision et bien d’autres applications. L’intégration de puces électroniques GPS au sein des smartphones a récemment multiplié le nombre d’usages domestiques et individuels. Bien qu’étant à présent une technologie éprouvée, les signaux GNSS font encore l’objet de travaux de recherches tels que : géodésie, synchronisation entre horloges atomiques ou encore utilisation en environnement marin [172].

L’application développée dans le cas présent compte utiliser deux standards GNSS différents : • GPS qui fonctionne sur trois bandes de fréquences distinctes : L1 centrée sur 1575,42

MHz, L2 centrée sur 1227,60 MHz et L5 centrée sur 1176,45 MHz.

• Galileo qui fonctionne lui, sur trois bandes de fréquences : E1 centrée 1575,42 MHz, E5 centrée sur 1191,795 MHz et E6 centrée sur 1278,75 MHz. Les systèmes Galileo, plus récents, embarquent des horloges atomiques plus précises qui permettent une meilleure synchronisation. Un décalage d’une nanoseconde étant équivalent à trente centimètres de décalage, les dispositifs Galileo offrent donc une meilleure résolution que ceux du GPS : annoncée à moins d’un mètre pour les services de haute précision et moins de 5 mètres pour les applications grand public.

Figure 78 : Répartition des bandes de fréquence GNSS pour 3 standards : GPS, GLONASS et Galileo.

Source : <ESA Navipedia24>

Ces systèmes sont toutefois sensibles aux signaux parasites et à l’environnement. En espace citadin, l’utilisation est complexifiée à cause du masquage d’un certain nombre de satellites par les bâtiments : on parle alors d’un effet de « canyon urbain ». De plus, des phénomènes

de réflexion peuvent avoir lieu sur les bâtiments et ainsi créer des trajets multiples entre l’émetteur et le terminal. Concernant les signaux parasites, deux sources de brouillage peuvent être distinguées : intentionnelles ou non. Dans le cas des sources de brouillage involontaires, il s’agit généralement de systèmes de télécommunications radiofréquences opérant dans des bandes voisines ou partagées. À ces dernières viennent se rajouter, dans un contexte militaire, les tactiques de brouillage intentionnelles. Dans le cadre d’applications nécessitant précision et fiabilité, il est impératif de produire des équipements présentant une certaine immunité à ces sources d’erreurs.

Ce point a déjà été traité dans le premier chapitre où l’on a exposé les caractéristiques que devait présenter un dispositif de radionavigation par satellite. Les systèmes CRPA²⁵

permettent de former le faisceau en contrôlant le diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes par un traitement numérique en temps réel. La prise en charge du signal RF est effectuée comme à l’accoutumé par un module d’amplification faible bruit et un module de filtrage. [173]

En plus de ces aspects sécuritaires, les dispositifs doivent offrir un fort potentiel d’intégrabilité. Les raisons sont plurielles : le peu de place disponible sur les porteurs, l’aérodynamisme esthétique ou encore la furtivité. Cette diminution doit alors s’effectuer dans les trois dimensions de l’espace. L’une des solutions est de réduire l’espace entre les éléments du réseau d’antenne. Les problématiques résultantes de ce rapprochement ont déjà été traitées mais on peut en aborder ici les conséquences. Ainsi, au-delà de la dégradation des performances du réseau, les systèmes de traitement adaptatif CRPA sont impactés ; cela peut se solder, par exemple, par de mauvaises estimations des directions d’arrivée.

Dans le but d’apporter une réponse à ces problématiques qui concernent à la fois les domaines civils et militaires, ce projet propose de concevoir un réseau CRPA pour systèmes GPS et Galileo. S’appuyant sur une approche de co-conception et co-intégration, ce dernier devra présenter les particularités suivantes :

• Compact.

• Tri-bande : L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) et E6 (1278,75 MHz). • À polarisation circulaire.

L’objectif du projet est d’intégrer les fonctions d’amplification faible bruit et de filtrage au plus près de l’antenne. L’ensemble des problématiques de rayonnement, de filtrage et d’amplification seront donc des sujets d’intérêts. La conception conjointe ayant ici pour but d’améliorer l’intégration du système complet tout en optimisant les performances de ce dernier. Ce chapitre porte sur une étape qui est réalisée en amont du processus final : la conception disjointe des différents éléments du système. Dans le cas présent, la réalisation de la chaîne est divisée en plusieurs sous-tâches :

• La conception et la réalisation d’un aérien planaire, tri-bande et à polarisation circulaire seront effectués. La mise en place d’un réseau sera étudiée par la suite à partir de l’élément rayonnant seul développé dans cette partie.

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 106

Licence CC BY-NC-ND 3.0

• L’évaluation des performances électriques et des technologies compatibles avec une intégration du filtre au plus près de l’antenne et du LNA sera accomplie et un filtre multi-bande répondant à ces critères sera conçu et réalisé.

• Un amplificateur faible bruit (LNA) adapté à 50 Ω répondant et aux spécifications fixées sera recherché ou créé.

Cette phase repose sur plusieurs intentions dont la première est de densifier au maximum une fonction de réception performante et fiable pour un système de radionavigation par satellite. Elle permet également d’évaluer les limites technologiques qui se poseront dans le cadre de ces réalisations. Pour terminer et cela en constitue peut-être le point principal, le dispositif conçu ici servira de référence comparative pour la phase de conception conjointe.