Les systèmes de positionnement par satellite

Galileo, un système de navigation par satellite, à la mesure de l’industrie spatiale européenne

Dossier : Navigation par satelliteMagazine N°594 Avril 2004
Par Jean-Claude HUSSON (57)
Par Alain BORIES (76)

Introduction

Introduction

L'industrie européenne déploie des efforts importants, aux côtés de l'Union européenne et de l'ESA (Agence spatiale européenne), pour mener à terme le projet de système européen de navigation par satellite : Galileo, qui devrait être opérationnel à partir de 2008. Celui-ci apportera aux utilisateurs civils une multitude de services de positionnement et de datation avec toutes les garanties d'intégrité et de disponibilité souhaitables. Ce programme ambitieux, lancé à l'initiative de l'Union européenne, libérera l'Europe de sa dépendance actuelle à l'égard des systèmes militaires américain GPS (Global Positioning System) et russe Glonass. Il sera aussi un facteur de développement économique puisqu'il ouvrira le marché des équipements et des services à de nombreuses entreprises européennes.

Des enjeux qui engagent l'avenir de l'Europe

Les enjeux de sécurité et de souveraineté

Bien que sous contrôle militaire et destinés à l'origine à l'usage exclusif des armées russe et américaine, les systèmes existants, Glonass et surtout GPS, permettent à des millions d'utilisateurs de par le monde de connaître instantanément leur position, presque à tout moment et en tout lieu. Par ailleurs, de nombreuses applications utilisent la fonction de datation. Néanmoins, l'utilisateur ne bénéficie des services de GPS et Glonass que partiellement :

  • le GPS (constellation de 24 satellites MEO – Medium Earth Orbit – répartis sur six orbites circulaires à 20 000 km d'altitude) présente des contraintes d'utilisation telles que l'OACI (Organisation de l'aviation civile internationale) n'accepte pas qu'il puisse être, à terme, le moyen unique de navigation par satellite :
    —  ses performances techniques peuvent être intentionnellement dégradées (précision de l'ordre de 100 mètres en horizontal) : même si le département de la Défense américain a ouvert depuis mai 2000 l'accès au service précis pour les applications civiles, GPS conservera, à l'horizon 2008, une capacité de brouillage incompatible avec les applications à haut niveau de sécurité ;
    —  il n'existe aucune garantie de services ;
    —  il n'y a pas de message donnant l'état du système et son intégrité ;
  • le système Glonass (constellation de 24 satellites répartis sur trois orbites à 19 100 km d'altitude), qui doit délivrer en principe un service identique à celui du GPS, subit les conséquences des difficultés économiques de la Russie. Faute de moyens financiers suffisants, le remplacement des satellites n'est pas assuré. Une dizaine sont opérationnels. Des lancements réalisés en 2003 montrent l'intention russe de rendre opérationnel Glonass. Celui-ci restera, comme GPS, sous contrôle militaire.

 
L'Europe ne peut rester tributaire de cette situation, d'autant que diverses catégories d'utilisateurs attendent également beaucoup des services de navigation et de datation par satellite :

  • le transport routier (gestion de flottes de véhicules, assistance/dépannage ou, à l'avenir, les autoroutes automatiques),
  • le transport maritime et fluvial (circulation dans les ports ou dans les zones à risques – la Manche par temps de brouillard, secours maritime),
  • le transport ferroviaire (gestion des trains, suivi des wagons…).

 
La datation est également un enjeu considérable : synchronisation des communications (en particulier mobiles), opérations bancaires, etc. La double nécessité de sécurité et d'indépendance se traduit par les exigences suivantes pour le futur système Galileo :

  • intégrité,
  • disponibilité et continuité du service,
  • précision (pour des utilisateurs spécifiques),
  • contrôle par une autorité civile internationale.

Les enjeux économiques

Les entreprises européennes doivent participer à un marché en très forte croissance, marché engendré par la multitude des applications que la navigation par satellite rend possible. Cela concerne les équipements des utilisateurs terrestres, maritimes, aériens, voire spatiaux et les services à valeur ajoutée.

Les estimations actuelles font état, pour le seul périmètre européen, et sur les dix-huit premières années de fonctionnement de Galileo, d'un marché potentiel de 120 milliards d'euros pour les équipements (essentiellement les récepteurs) et de 110 milliards d'euros pour les services. Le marché à l'exportation est estimé à 50 milliards d'euros. Le potentiel de croissance devrait être comparable à celui du téléphone mobile. En regard, le montant de l'investissement dans l'infrastructure spatiale, soit trois milliards d'euros, est (relativement) modeste.

Ces chiffres colossaux portent en eux une indication dont les gouvernements européens ont conscience : il s'agit, non pas d'un marché qui profiterait avant tout à l'industrie spatiale – bien que les retombées industrielles n'y soient pas négligeables -, mais de nouveaux débouchés pour nombre de petites entreprises et fournisseurs de services locaux. On estime que, sur la période désignée, plus de 100 000 emplois pourraient être créés sur le Vieux Continent grâce à Galileo.

Vers de nouvelles applications

Contrairement à ce que d'aucuns pourraient penser, la part de ce marché occupée par le secteur aéronautique est très faible : de l'ordre de 5 %, les applications terrestres et maritimes en représentant près de 95 %. Les besoins du secteur aéronautique sont par contre déterminants pour la spécification des performances de Galileo.

Le transport routier est de loin le plus gros consommateur de données de positionnement. Les taxis, par exemple, sont localisés grâce au GPS et peuvent être gérés en fonction des demandes en optimisant la proximité du véhicule par rapport au client. Les constructeurs automobiles intègrent de plus en plus souvent dans leurs voitures, et de plus en plus souvent en série, un équipement d'aide à la navigation basé sur le GPS. Le conducteur peut choisir son itinéraire en fonction des conditions de circulation, connaître le temps qu'il mettra pour arriver à destination et, en cas d'accident ou de panne, être secouru très vite : le système transmet automatiquement la position du véhicule aux services de secours. Le garage peut, de son côté, diagnostiquer à distance la défaillance technique et commander immédiatement les pièces nécessaires. L'arrivée de Galileo permettra de diminuer le coût de ces équipements, grâce à la plus grande disponibilité du signal liée à la présence des deux constellations satellites (ce qui permet de diminuer le recours à des mécanismes complexes pour pallier les phénomènes de masquage dans les " canyons " urbains).

Le couplage navigation par satellite/télécommunications est porteur d'avenir. L'intégration de puces GPS – ou Galileo – dans les nouvelles générations de téléphones portables donnera naissance à une profusion de nouvelles applications, comme les besoins liés aux situations d'urgence. Le combiné donnera automatiquement les coordonnées en trois dimensions (latitude, longitude, altitude) de la personne en danger. Mais il pourra aussi informer l'utilisateur des parkings libres, de la météo dans la région ou de l'adresse de la pharmacie de garde la plus proche.

Galileo, objet de la volonté européenne

Pour toutes ces raisons, économiques, stratégiques et politiques, les institutions européennes ont posé les bases de la création d'un système civil européen global de navigation par satellite dit de seconde génération (GNSS2), par opposition à la première génération basée sur GPS et Glonass, Egnos (European Geostationary Navigation Overlay System).

Si l'idée d'un système européen de positionnement et de datation par satellite, indépendant du GPS et de Glonass mais compatible, a pris corps depuis quelques années seulement, les investissements réalisés dans Egnos avaient en effet déjà mis l'Europe sur la voie. En effet, l'adoption par l'OACI en 1991 du concept CNS/ATM (Communication navigation surveillance/Air traffic management), ensemble de normes de fiabilité et de précision applicables à la gestion du trafic aérien, a entraîné la décision de compléter le GPS et Glonass par de nouveaux segments sol pour en améliorer la précision, l'intégrité et la disponibilité. La réalisation de trois compléments régionaux a été engagée : le WAAS (Wide Area Augmentation System) par les États-Unis, le MSAS (Multi-Transport Satellite based Augmentation System) par le Japon et Egnos (European Geostationary Navigation Overlay System) par l'Europe. L'ensemble de ces systèmes d'augmentation forme le système global civil de navigation par satellite de première génération (GNSS1).

Egnos est une première étape vers le système Galileo, permettant de mettre en œuvre un certain nombre de services de positionnement en anticipation de Galileo, et en particulier de commencer les opérations de certification pour les applications à haut niveau de sécurité comme l'aviation civile.

Pour mettre en place un système indépendant de GPS et Glonass, la Conférence de juin 1999 des ministres européens des Transports a engagé l'ensemble des parties prenantes sur la phase de définition de GNSS2, dénommé alors Galileo. Plusieurs sommets des chefs d'état européens (Cologne, Feira, Nice, Stockholm et Laeken) ont confirmé l'importance stratégique du programme, le lancement effectif pouvant être daté de mars 2002, quand le Conseil a décidé de l'ensemble des mécanismes institutionnels et financiers :

  • un financement de la phase de développement et de validation (jusqu'au lancement effectif de 3 ou 4 satellites prototypes) partagé entre l'Agence spatiale européenne et la Commission, de 550 millions d'euros chacun, au travers d'une " Entreprise commune ", entité définie par l'article 171 du traité de Maastricht ;
  • un financement sous forme de Concession pour la phase de déploiement et d'opérations des 30 satellites de la constellation (environ 2,2 milliards d'euros) ; le concessionnaire devant être sélectionné après une procédure d'appel d'offres conduite par l'Entreprise commune.

  
L'Agence spatiale européenne a lancé la souscription auprès de ses États membres pour sa part de 550 millions d'euros. Il y a eu, pour la première fois dans l'histoire de l'ESA, sursouscription à presque 150 %, et ce ne sont pas les pays les plus réticents à Galileo qui ont été les moins motivés à payer ! Par contre, compte tenu des règles de l'ESA, cette sursouscription devant être ramenée à 100 %, il a fallu un an de négociations entre les États pour parvenir à un accord, avec des périodes de tension très fortes, en particulier entre l'Allemagne et l'Italie où le conflit a été jusqu'aux chefs de gouvernement ! L'accord final est intervenu en mai 2003, ouvrant ainsi la voie à la création effective de l'Entreprise commune (juillet 2003), au lancement du début de la phase de développement et au lancement de l'appel d'offres pour la concession.

Galileo : des choix  et des questions

Les services

Le système Galileo comporte trois composantes correspondant à des niveaux de performance différents :

  • globale, donc à couverture mondiale,
  • régionale, typiquement la zone Europe,
  • locale, typiquement les zones aéroportuaires ou urbaines.

 
Par ailleurs, cinq types de services sont à ce jour définis :

  • le service ouvert OS (Open Service), service gratuit grand public offert à tous les utilisateurs civils,
  • le service commercial CS, service payant à accès contrôlé et garantie de services pour les applications commerciales,
  • le service " Safety of Life ", service payant à accès contrôlé pour des applications mettant en jeu la sécurité des personnes ;
  • le service gouvernemental (PRS, Public Regulated Service), à accès contrôlé et protégé vis-à-vis des brouillages pour les applications gouvernementales (en particulier militaires) ;
  • le service SAR (Search and Rescue) est particulier, c'est un complément du système COSPAS-SARSAT actuel pour identifier et localiser les signaux de détresse.

 
La précision sera meilleure que 10 mètres pour tout type d'utilisation, soit la précision envisagée par les États-Unis pour la composante civile du futur GPS/2F, le successeur du GPS actuel. Le service Safety of Life répondra aux critères fixés pour l'atterrissage tous temps.

L'architecture

La constellation sera composée de 30 satellites en orbite moyenne (MEO Medium Earth Orbit), sur trois plans inclinés à 56 degrés, à 23 616 kilomètres. La constellation de Walker est optimisée pour couvrir, mieux que ne le fait le système GPS, l'Europe et les pays de hautes latitudes.

Les satellites devraient avoir une masse d'environ 700 kilogrammes, pour une puissance de 1,5 kilowatt. Cela permet de délivrer un signal au sol plus puissant que le signal GPS actuel, ce qui permet d'être plus résistant au brouillage.

L'architecture envisagée partage la complexité technologique entre le bord et le sol.

Le principal défi concerne la datation, c'est-à-dire la synchronisation de l'heure. Galileo utilisera des horloges atomiques au césium installées au sol alors que le GPS les embarque. À bord, les satellites seront équipés de 2 horloges au rubidium et de 2 horloges à Maser à hydrogène passif, ce qui permet une datation à quelques nanosecondes. Le calcul d'orbite se fera au sol.

L'interopérabilité avec le GPS et Glonass

Pour rendre les trois systèmes interopérables, il faut une compatibilité radioélectrique : les émissions de Galileo ne doivent pas créer des interférences de nature à dégrader la performance d'un récepteur GPS et inversement. Une coordination adéquate au niveau des fréquences et des puissances transmises a donc été mise en place lors des conférences mondiales des radiocommunications de 2000 et 2003. Cela suppose également la fabrication de récepteurs bi-mode (ou tri-mode) capables de prendre en compte l'écart de " temps système " entre le GPS et Galileo et fonctionnant avec des références géodésiques compatibles.

Les fréquences

Galileo entraîne des besoins en bandes de fréquence (bande L) pour les liaisons descendantes et les liaisons montantes. Deux largeurs de bande sont actuellement allouées à la navigation par satellite : la bande L1 (1 559-1 610 MHz) et la bande L2 (1 215-1 260 MHz), utilisées en grande partie par le GPS et Glonass. Les fréquences prévues pour Galileo permettront d'émettre 10 signaux de navigation dans les bandes E5A/E5B (1 164 MHz-1 215 MHz), E6 (1 260 MHz-1 300 MHz), E2 (1 559-1 563 MHz) et E1 (1 587 MHz-1 591 MHz). La bande 5 010-5 030 MHz pourra être utilisée. La combinaison de signaux sur ces diverses fréquences permet d'obtenir les services décrits ci-dessus.

La coopération internationale

La coopération internationale s'impose au moins pour deux raisons :

les nécessaires compatibilité et interopérabilité des systèmes pour répondre aux besoins des utilisateurs, ce qui implique des discussions approfondies avec les États-Unis,
. l'utilisation de Galileo dans les pays hors Europe ; c'est la raison pour laquelle aujourd'hui la Commission européenne a signé un accord avec la Chine, et s'apprête à le faire avec l'Inde, Israël et le Brésil.

Le financement

La gratuité du service GPS alimente les débats sur le financement de Galileo : l'Europe ne peut envisager de facturer, sauf pour certaines catégories d'utilisateurs, un service actuellement fourni gratuitement par le GPS. Dans ces conditions, le futur système européen doit être financé, au moins partiellement, sur fonds publics.

Plusieurs schémas de financement dits de partenariat public-privé (PPP) sont possibles : décisions réglementaires, taxes sur les récepteurs, contraintes réglementaires pour les applications sécuritaires, etc.

En tout état de cause, il faudra donc que les pouvoirs publics européens sécurisent une partie du financement. De son côté, le secteur privé (industriels, banques, opérateurs, utilisateurs) prendrait en charge les compléments nécessaires aux services à valeur ajoutée. C'est l'appel d'offres pour le choix d'un concessionnaire qui permettra d'affiner ces questions.

Galileo : une organisation industrielle à la hauteur de l'enjeu

Galileo est un système complexe aux technologies avancées que l'Europe veut déployer en cinq ans. Par comparaison les États-Unis comme la Russie ont mis plus d'une dizaine d'années pour déployer GPS ou pour mettre en place une partie de Glonass. Il faut noter que les études préliminaires en Europe se déroulent depuis de nombreuses années.

Cette possibilité de déploiement rapide par l'Europe tient à la maturité et aux capacités de son industrie spatiale réparties dans toute l'Europe.

Que faut-il construire et mettre en place ?

Le système Galileo nécessite la construction et la mise en place d'une constellation de 30 satellites, la réalisation d'installations au sol importantes pour assurer le contrôle des satellites et permettre d'assurer la mission, enfin la production de terminaux pour les utilisateurs de Galileo.

Les satellites sont très sophistiqués en particulier la charge utile qui comporte des horloges atomiques et des équipements de traitement du signal qui permettront d'assurer des synchronisations à quelques nanosecondes.

Les satellites devront être lancés en grappe sur une orbite haute d'où la nécessité de fusées puissantes.

L'industrie spatiale européenne

L'industrie spatiale européenne dispose de grands maîtres d'œuvre industriels, d'équipementiers qui ont depuis une quarantaine d'années construit des satellites de toute nature, scientifiques comme la dernière sonde Mars Express ou le satellite océanographique Jason, d'observation comme Spot, ERS, Helios, de météorologie comme Meteosat, de télécommunications.

Il y a actuellement trois maîtres d'œuvre de satellites :

  • Alcatel Space, qui dispose d'établissements industriels en France, les plus importants étant à Toulouse et Cannes mais aussi en Belgique, en Espagne ;
  • Astrium, filiale d'EADS, avec des établissements en France à Toulouse mais aussi au Royaume-Uni, en Allemagne, en Espagne ;
  • Alenia Spazzio, du groupe Finmeccanicca qui dispose d'établissements industriels à Rome, Turin, Milan pour les principaux.

 
Dans le domaine des lanceurs, Arianespace assure le développement, la production et la commercialisation d'Ariane 5, en s'appuyant sur toute l'industrie européeenne et en particulier EADS, Snecma, SNPE.

Il faut aussi noter la coopération avec la Russie pour le lanceur Soyouz. Au moment des premiers lancements de Galileo ces deux lanceurs pourront être tirés depuis Kourou.

Dans le domaine des installations au sol, il faut noter la capacité des maîtres d'œuvre satellites à les réaliser. C'est ainsi qu'Alcatel Space est maître d'œuvre d'Egnos, première composante du GNSS.

Il faut y ajouter la capacité de Thales mais aussi de nombreuses sociétés de service en informatique.

Dans le domaine des terminaux, Thales dispose de toutes les compétences et capacités. Elles sont déjà mises en œuvre pour GPS et Glonass. En outre, vu l'importance de Galileo pour le contrôle de la navigation aérienne, Thales apporte toutes ses compétences et capacités systèmes dans le domaine de la navigation aérienne tant pour les installations au sol qu'embarquées.

Capacité de l'industrie européenne dans la réalisation de constellations

L'industrie européenne a participé à la construction de la constellation Globalstar. Il a fallu construire une soixantaine de satellites en coopération avec l'industriel américain Loral. Cela a impliqué Alenia qui assemblait les satellites dans une usine spécialisée à Rome, Alcatel Space qui réalisait les charges utiles à Toulouse et les structures à Cannes, Astrium qui réalisait le système de propulsion en Allemagne. Cette constellation à laquelle l'industrie européenne a participé à 60 % fonctionne en orbite. L'industrie européenne a montré sa capacité à produire en série des satellites.

Les équipementiers

Les grands maîtres d'œuvre satellites sont aussi des équipementiers. Il y a aussi à côté des maîtres d'œuvre des équipementiers qui interviennent dans différents domaines comme l'alimentation en énergie avec SAFT, les senseurs avec Sodern, les gyros, les oscillateurs, les horloges atomiques. Les horloges atomiques pourraient être réalisées en Suisse.

Galileo Industries

Dès 1999, un consortium industriel, Galileo Industries, s'est formé en société de droit belge pour agréger l'ensemble des compétences spatiales nécessaires à la réussite d'un projet de cette ampleur. Comprenant à l'origine Alcatel Space, DASA/Dornier (maintenant Astrium Allemagne), Matra Marconi Space UK (maintenant Astrium UK) et Alenia Spazzio, il s'est élargi en 2003 à GSS (Galileo Sistemas y Servicios, consortium représentant les intérêts industriels espagnols) et à Thales.

Galileo Industries est aujourd'hui en charge de la majeure partie des travaux d'infrastructure, c'est-à-dire les satellites et le segment sol associé composant le système. La Direction générale est installée à Munich.

Par ailleurs, l'industrie des équipements pour les utilisateurs, des applications et des services, intéressée à ce que le marché Galileo se développe dès la mise en place de la constellation, s'est fédérée en créant une association loi de 1901, Galileo Services.

Cette association a pour objet d'influer en phase de conception du système pour qu'il réponde aux attentes du marché aval, de contribuer à la standardisation et à l'interopérabilité, et de préparer les produits et services en anticipant via les programmes de R & D de l'Union européenne.

Conclusion

Galileo est un précurseur à plus d'un titre de ce que peut faire l'Europe pour asseoir son influence :

  • c'est un programme technologique de grande envergure avec des retombées économiques considérables ;
  • c'est un exemple de coopération entre l'Union européenne et l'Agence spatiale européenne qui préfigure la mise en place d'une Politique spatiale ambitieuse, y compris dans le domaine militaire ;
  • c'est la première fois que les Européens seront confrontés à la mise en pratique d'une politique étrangère commune, puisqu'il faudra bien définir à tout moment qui a accès au signal gouvernemental protégé.

Commentaire

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EMPISrépondre
12 décembre 2016 à 16 h 19 min

Coût de l’abonnement!!!
Je suis un ancien géomètre (retraité).
Très souvent des copains me demandent de leur retrouver leurs limites cadastrales et particulièrement dans les bois.
Pour le moment, je fais ça avec le système américain GPS. Mais il est vrai que la précision laisse à désirer.
Vous parlez pour Galileo d’une précision de l’ordre du mètre pour les professionnels et avec un abonnement.
Ceci me séduit bien entendu. Mais vais-je pouvoir accéder à cette option? Et surtout avez-vous une idée du prix de cet abonnement?
Merci

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