Applications des satellites - Définition

Satellite de positionnement

La société de l’information inclut non seulement les télécommunications mais aussi la localisation et la navigation. Cette dernière est l'ensemble des technologies qui permettent de :

1. connaître la position d'un mobile par rapport à un système de référence ;
2. calculer ou mesurer le cap à suivre pour rejoindre un autre point de coordonnées connues ;
3. calculer d'autres informations pertinentes (distance, vitesse de déplacement, heure estimée d'arrivée, etc.).

Le système de référence

Les satellites actuels de géopositionnement utilisent pour se situer par rapport au globe terrestre, qui est loin d’être parfaitement sphérique, le système WSG84 (World Geodetic System, 1984) qui est une représentation du système ITRF défini par l'IERS. Les coordonnées d'un point sont données par la longitude (méridien) et la latitude (parallèle) à partir d'une origine arbitrairement choisie : l'intersection du méridien de Greenwich avec l'équateur. La latitude varie de 0 ° à 90 ° nord ou sud et la longitude varie de 0 ° à 180 ° ouest ou est. Connaissant les coordonnées du mobile et celles du point de destination on peut alors calculer (ou mesurer sur une carte) le cap à suivre pour rejoindre ce dernier point. Traditionnellement, ce sont les astres qui avaient été utilisés pour servir de points de repères pour la navigation. Cependant, ces anciens repères laissent de plus en plus la place à des satellites artificiels.

Avantages d'un système de positionnement par satellite

1. Les satellites ne sont pas influencés par les conditions météorologiques.
2. Ils sont largement plus précis et plus rapides que les anciens systèmes de navigation (radionavigation par exemple) (précision de l’ordre de 15 mètres avec le GPS et de 1 mètre avec Galiléo).
3. Le système peut être utilisé aussi bien par des mobiles évoluant au niveau du sol ou de la mer, que par des mobiles évoluant dans l'atmosphère.
4. Le système est beaucoup plus accessible que les anciens moyens de positionnement (par ondes radios), qui n’étaient utilisés que dans les avions.
5. Le système en lui-même est gratuit, il n’y a que les récepteurs qui sont plus ou moins onéreux (tout en le restant bien moins que les récepteurs des anciens systèmes).

Fonctionnement général

Les systèmes à trajet descendant

Les systèmes de géopositionnement existants et Galiléo fonctionnent tous sur le même principe de base : le système est constitué de trois « segments » : une constellation de satellites en orbites autour de la Terre, des récepteurs et enfin des stations aux sol qui contrôlent les satellites, se chargent de contrôler leurs orbites et d’autres informations rediffusées par les satellites eux-mêmes aux récepteurs.

Afin de déterminer la position d’un mobile, les principaux systèmes actuels et futurs, GPS, GLONASS ou Galiléo, utilisent le principe du « trajet descendant », c'est-à-dire que les satellites ont une charge utile relativement simple et émettent des signaux cadencés par une horloge ultra stable, le récepteur ayant une instrumentation plus importante que le satellite lui-même. Les satellites émettent en permanence des micro-ondes (ondes électromagnétiques) qui se propagent à la vitesse de la lumière et qui sont captés par les récepteurs. Connaissant la vitesse de propagation de la lumière ils peuvent alors calculer la distance qui les séparent du satellite en comparant l'heure d'émission (incluse dans le signal) et de réception de l'onde. Une erreur de 1 millième de seconde dans le calcul se transforme en une erreur de 300 km sur le terrain ! C’est pour cela que les satellites doivent contenir une horloge atomique extrêmement précise. Pour connaître sa position en temps réel dans l’espace à trois dimensions, il faut un minimum de quatre satellites reçu en permanence. En effet, il faut au minimum quatre points de repères pour effectuer une triangulation précise. Trois satellites vont être utiles pour pouvoir avoir les coordonnées latitude, longitude et altitude et un quatrième servira à déterminer le décalage entre l’horloge de l’utilisateur par rapport au référentiel de temps du système de géopositionnement. Placer une horloge atomique qui serait parfaitement synchronisée avec le référentiel de temps dans chaque récepteur est pour l'instant impossible. La triangulation consiste donc ici à résoudre un système d'équations à 4 inconnues qui sont la position dans les 3 dimensions plus le décalage de l'horloge du récepteur avec l'heure de référence du système. Pour connaître uniquement sa position dans 2 dimensions, 3 satellites suffisent ; plus de 4 satellites ne fait qu’augmenter la précision de la réponse et donc de la position. En clair, pour obtenir les coordonnées du récepteur, on cherche l’intersection des sphères dont le rayon est la « distance calculée entre les satellites » et le centre la position du « satellites » et on reporte cette intersection par rapport au géoïde terrestre. On connaît cette position car les messages de navigation contiennent des paramètres sur les orbites des satellites.

Galileo

Le GPS étant un système développé pour les militaires américains, une disponibilité sélective a été prévue. Depuis 1990, les civils n'avaient accès qu'à une précision faible (environ 100 m). Le 1^er mai 2000, le président Bill Clinton a annoncé qu'il mettait fin à cette dégradation volontaire du service. Cependant, le système peut toujours être soumis à un brouillage du signal sans que les utilisateurs n’en soient informés, ce qui en fait un service très peu sûr pour les activités comme le guidage des avions par exemple. De plus, la plupart des nouveaux satellites sont maintenant équipés de récepteurs GPS afin de pouvoir calculer leur position, ce qui crée une situation de dépendance vis-à-vis de l’armée américaine. En effet, si chaque satellite est équipé d’un récepteur GPS, elle peut se permettre de créer un chaos total en brouillant les émissions du système GPS. Enfin, le marché de la localisation par satellite est en pleine expansion et devrait représenter 155 milliards d’euros en 2020. L’Europe ne pouvait donc pas se permettre de ne pas réagir face au monopole américain et a décidé de lancer sa propre constellation de satellite de navigation : Galileo. Celle-ci sera complémentaire du GPS tout en étant beaucoup plus précise (précision de l’ordre du mètre, pour 15 mètres au GPS) et exploitant 5 « canaux » (fréquence particulière). Chaque « canal » sera utile à 1 service en particulier, dont certains seront payants. Ces services sont :

1. le service ouvert (ou OS pour Open Service) : comme le service gratuit offert par le GPS, mais la précision est plus grande : de l'ordre de 1 mètre. Aucune information d'intégrité n'est assurée. C'est ce service qui sera principalement utilisé par les particuliers ;
2. le service commercial (ou CS pour Commercial Service) : en échange d’une redevance versée à l’opérateur Galileo, il offrira de nombreux services à valeur ajoutée (garantie du service, intégrité et continuité du signal, meilleur précision de la datation et des données de positionnement ou encore la diffusion d'informations cryptées à l'aide de 2 signaux supplémentaires). Ce sont principalement les abonnements à ce service qui assureront le financement de Galileo ;
3. le service de sûreté de la vie (ou SOL pour Safety Of Life service) : il délivrera un service sécurisé, intègre et fiable, en vue des applications critiques sur le plan de la sécurité de la vie tels que le transport aérien, maritime et terrestre ;
4. le service public réglementé (ou PRS pour Public Regulated Service) : s’adressera en priorité aux utilisateurs remplissant une mission de service public, très dépendants de la précision, de la qualité du signal et de la fiabilité de sa transmission (services d’urgence, transport de matières dangereuses, transport de fonds, etc.). Comme ce service doit être disponible en tout temps, il utilise deux signaux à part et dispose de plusieurs systèmes prévenant un brouillage du signal ;
5. le service de recherche et secours (ou SAR pour Search And Rescue service) : il permettra de localiser l’ensemble du parc des balises Cospas-Sarsat 406 MHz et de renvoyer un message d'acquittement vers les balises en détresse. La réglementation et la définition des fonctions sont sous la charge de l'Organisation Maritime Internationale (OMI) et de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI).

Avec Galileo enfin, on espère la création de 140 000 emplois directs en Europe.

Les systèmes à trajet montant

Contrairement aux satellites à trajet descendant, les satellites à trajet montant ont une charge utile complexe et leurs émissions peuvent être brouillées mais l’émetteur au sol, ou en mer, dans le cas d’une bouée, est très simple. Pour faire connaître sa position et les données scientifiques que celui-ci est censé recueillir, un émetteur, qui peut peser moins de 20 grammes, émet un message codé régulièrement vers l’espace. Un des satellites de la constellation va alors capter l’information qui lui sera arrivée par liaison montante et l’enregistrer. Le satellite peut calculer la distance de l’émetteur en connaissant le temps que l’onde a mis pour parcourir le trajet et sa position grâce à l’effet Doppler. Dès que le satellite passe au-dessus d’un des 21 centres de traitement des données, il renvoie les informations collectées qui seront alors analysées par après.

Applications des systèmes à trajet descendant

La navigation militaire

Étant réservé uniquement aux militaires, elle n'est pas accessible aux récepteurs du commerce. Mais le GPS étant à la base un projet militaire, il est clair qu’il y a de nombreuses applications dans ce domaine : il a notamment été utilisé durant les campagnes de la guerre des Balkans et de la seconde guerre du Golfe pour guider des missiles, pour guider les troupes et les localiser, avoir une bonne vue d’ensemble du champ d’action…

Les relevés topologiques et études des mouvements terrestres

Les systèmes de géopositionnement peuvent jouer un rôle de prévention dans certaines catastrophes naturelles. En effet de nombreux systèmes sont développés ou sont en cours de développement sur Terre pour surveiller une faille active ou encore mesurer les déformations d’un volcan. Des applications en géophysiques, certes moins spectaculaires, sont elles aussi faites grâce aux GPS : la mesure de la tectonique des plaques, la mesure du géoïde, etc.

Mesures de la tectonique des plaques

Pour mesurer la vitesse à laquelle les plaques terrestres avançaient, on faisait, avant d’avoir le système GPS, des estimations à partir des roches situées près des dorsales océaniques. On constate qu’il y a des bandes de roches aimantées vers le nord ou vers le sud selon la période à laquelle elles se sont solidifiées car le magnétisme terrestre change de sens de manière périodique.

L'inconvénient majeur de cette méthode est qu'elle ne fournit qu'une estimation calculée sur les temps géologiques. Les vitesses des déplacements présents pouvant être très différentes, il était indispensable de pouvoir mesurer la vitesse instantanée des déformations actuelles.

Le système utilisant le GPS est relativement simple : à un endroit donné, on fixe une tige métallique solidement liée à la roche. À l’exacte verticale de celle-ci, on place l'antenne GPS exactement à la verticale du centre du repère, à une certaine hauteur. Grâce au système GPS, on calcule avec précision la position du repère dans l’espace. Un certain temps après, on recommence l’opération et on calcule ainsi la vitesse de déplacement.

Pour avoir la déformation dans une zone considérée, on mesure le déplacement d’un certain nombre de points répartis sur ladite zone.

Pour obtenir des mesures précises (de l’ordre du millimètre), on est obligé de faire de nombreuses mesures durant un certain temps et simultanément avec tous les repères de la zone. Habituellement, on effectue une mesure toutes les 30 secondes, pendant 3 jours, sur tous les satellites visibles à chaque instant.

Cela représente une moyenne de 30 000 à 40 000 mesures par point. Évidemment, le temps de mesure est conditionné par la précision requise. Pour une précision de quelques centimètres, il faut mesurer pendant une durée de l'ordre de l'heure. Grâce à cette technique, on a pu avoir des mesures extrêmement précises de la vitesse et de la direction des plaques terrestres ce qui a aidé les chercheurs à affiner leurs modèles.

Résultats obtenus grâce au procédé GPS : Pacifique : 10 cm/an vers le N-O Amérique du Sud : 1 cm/an vers le N Eurasie : 1 cm/an vers l’E Nazca : 7 cm/an vers l’E Afrique : 2 cm/an vers le N Philippines : 8 cm/an vers l’O Antarctique : tourne sur elle-même Arabie : 3 cm/an vers le N-E Inde-Australie : 7 cm/an vers le N Coco : 5 cm/an vers le N-E Amérique du Nord : 1 cm/an Caraïbe : 1 cm/an vers le N-E

La surveillance d’une faille active

Les séismes et les phénomènes liés à ceux-ci ont été la première cause de mortalité dans les catastrophes naturelles durant le siècle dernier. Malheureusement, les scientifiques ont énormément de difficultés à créer un modèle précis pour prévoir les tremblements de terre, car ils ne disposent pas d’un temps d’étude suffisamment grand et subissent l’effet aléatoire de ces événements. Malgré tout, de nombreuses études sont menées afin de découvrir les signes avant-coureurs de ces catastrophes et de pouvoir créer un système d’alerte efficace pour les populations. Les américains furent les premiers à envisager l'application du système GPS à la géophysique. Principalement à cause du très grand risque de séisme majeur dans l’État de Californie. Dans cette région du monde, le coulissement de deux plaques tectoniques le long de la faille de « San Andréas » provoque régulièrement des séismes dévastateurs. En mesurant la position de points répartis de part et d'autre de la faille, et les mouvements de ces points au cours du temps, il est possible de cartographier celle-ci précisément. L'analyse de la déformation de la surface du sol dans la région de la faille donne des informations sur la profondeur de la fracture, la longueur des segments actifs, les zones où le risque de séisme est le plus important, bref affine les modèles des géologues.

D'autre part, après un séisme, la mesure GPS donne accès au déplacement total du sol occasionné par celui-ci. Cette information est particulièrement utile pour la compréhension des mécanismes fondamentaux de la rupture sismique. Enfin, il est même possible de mesurer la position de points GPS pendant un séisme. En calculant la position du point à chaque mesure, on peut littéralement voire le point se déplacer pendant les quelques dizaines de secondes que dure le tremblement de Terre. Si ces points sont bien répartis, on peut également voire la rupture se propager le long de la faille. Là encore, toutes ces informations permettent d'analyser la propagation des ondes sismiques, et les mouvements de la surface qui en résultent. Ce type de réseau est maintenant mis en place autour d'un grand nombre de failles actives de par le monde : au Japon, en Indonésie, en Birmanie, ou encore en Turquie. Il faut rappeler que 500 millions de personnes dans le monde vivent dans une zone sismique à risque.

La vulcanologie

Grâce au GPS, il est possible de surveiller la déformation d'un volcan en activité. Avec quelques points GPS judicieusement placés et mesurés en continu, on peut suivre jour après jour les déformations dues à la montée de lave. Ces mesures sont utiles aux volcanologues pour quantifier les phénomènes associés à une éruption. On peut également imaginer un processus de prédiction : les données seraient envoyées en permanence à un centre de contrôle qui rassemblerait les informations obtenues avec les capteurs GPS. Grâce aux précédents modèles établis par ces derniers on pourrait donc déterminer à quel moment la situation devient critique et qu’il faut évacuer la zone. Ce système est testé actuellement sur l’Etna, sur le Piton de La Fournaise, à la Réunion et en Martinique, à la Soufrière.

La navigation civile

C’est le secteur d’applications que le grand public connaît le mieux. C’est d’ailleurs le GPS qui est cité en premier lieu dans les applications de la recherche spatiale. Il y a bien sûr le fait que le système GPS équipe de plus en plus de voitures… Mais les applications destinées aux civils ne se limitent pas à cela uniquement. Il existe en effet bien d’autres systèmes qui utilisent le GPS ou le GPS couplé avec un autre système afin d’obtenir un meilleur service. Ces derniers sont extrêmement divers : il y a notamment l’agriculture de précision, à la lutte contre le car-jacking en passant par le repérage des balises de détresses.

• L’agriculture de précision

L'agriculture de précision est un concept de gestion des parcelles agricoles. Elle repose sur le principe d’apporter la bonne dose, au bon endroit, au bon moment. L'agriculture de précision peut être utilisée pour optimiser la gestion d'un terrain à 3 niveaux :

1. environnemental : on limite les pesticides, les engrais et autres produits polluants.
2. agronomique : on ajuste les besoins de la plante à ses vrais besoins d’une manière extrêmement précise.
3. économique : on augmente la compétitivité en augmentant le rendement du terrain et du temps de travail.

Elle requiert l’utilisation de nouvelles techniques, telles que la localisation par satellite et l'informatique. Le GPS est ici utile dans la première phase de l’agriculture de précision, c'est-à-dire la maîtrise de l'espace de travail. Grâce à la précision du système GPS et de capteurs spéciaux, prenant en mémoire certaines indications et notes de l’agriculteur à certaines coordonnées prises lors de son travail, il sera possible en cas de problème de retourner précisément sur les lieux. Mais l’agriculteur peut aussi noter les endroits les plus fertiles. Grâce à des « cartes de fertilités » extrêmement précises, obtenues au fur et à mesure des années, il peut ainsi décider de sa future politique d’occupation de ses parcelles. S’il veut mettre de l’herbicide afin d’éliminer toute trace de résistance dans son champ, il pourra également le faire de manière plus productive en évitant de repasser là où il est déjà passé et ne pas oublier certaines zones.

Malgré tout, l’agriculture de précision reste un outil cher (le coût d'équipement en matériel informatique et logiciel SIG, associé au prix d'un GPS et d'un capteur de rendement est d'environ 15 000 euros) et n’est souvent réservé qu’aux plus gros propriétaires. Mais l’on prévoit une diminution des prix dans le futur et ainsi une plus grand utilisation de ce système.

• Pour le « guidage privé »

Les récepteurs GPS sont vendus dans les grandes surfaces ou équipent de série les véhicules. Les plus petits tiennent dans la poche et valent le prix d’un agenda électronique haut de gamme. Le GPS est aussi utilisé comme système de navigation par les concurrents des rallye-raids ainsi que par les randonneurs et autres pratiquants de sports en pleine nature.

• La pêche de précision

Les pêcheurs peuvent, eux, localiser leur(s) bateau(x) avec une grande précision pour assurer leur sécurité face aux dangers de la mer (intempéries ou collisions) et augmenter la productivité de leurs activités de pêche. Sans compter que les GPS peuvent les guider pendant les tempêtes et lors des manœuvres dans les ports.

• Le guidage des avions

Une des premières applications pratique du GPS dépassant le simple positionnement a été mise en œuvre sur l’aéroport de Chicago, un des plus encombrés des États Unis. Il ne s’agissait pas de permettre aux pilotes de se positionner en vol, comme on pourrait le croire, mais de permettre à la tour de contrôle de connaître à tout moment la position des avions au sol afin de gérer au mieux leurs déplacements, le séquençage des décollages et d’éviter les collisions, en particulier les jours de brouillard. Chaque avion est muni d’un récepteur GPS qui calcule sa position en permanence et la diffuse par radio à la tour de contrôle. Dans la tour, un ordinateur reçoit ces positions et les affiche en temps réel sur écran, sur le plan de l’aéroport. Un « radar sans radar », en somme, qui permet aux contrôleurs d’avoir toute l’information nécessaire résumée sur un simple écran. Et puis, qui ne connaît pas le pilote automatique dans les avions, système qui a déjà aidé maints pilotes en difficultés ? Le pilote automatique n’est en fait une prise en charge de l’appareil, couplée avec une trajectographie guidée par des positions GPS en temps réel !

• La lutte contre le car-jacking

C’est en fait un processus passif. Dans ce cas, on installe un récepteur GPS sous le capot du véhicule à protéger. En cas de vol du véhicule, l’utilisateur appelle un centre de recherche qui va alors capter le message radio envoyé en continu par le récepteur pour donner sa position. Il ne reste alors plus à la police qu’à se rendre au domicile des voleurs pour les « cueillir » et récupérer la voiture.

Application des systèmes à trajet montant

Sauver des vies

Développé dans ce but, on estime qu'entre 1982 et 2005, le système Copsas-Sarsat a permis de secourir plus de 14 000 personnes, en majorité dans le domaine maritime.

Protéger et sauvegarder la faune sauvage

En plaçant des balises sur les animaux sauvages tels que les oiseaux migrateurs, les scientifiques peuvent aisément observer leurs déplacements. Ils peuvent ainsi obtenir des informations, inaccessibles normalement, nécessaires à la sauvegarde de certaines espèces protégées.

Connaître et comprendre l’océan et l’atmosphère

Argos contribue activement à comprendre les océans en collectant et traitant les données fournies par 5 000 bouées dérivantes, 1 500 flotteurs de grand fond, 300 bouées ancrées et stations fixes. Ces balises mesurent la pression atmosphérique, la direction et la vitesse du vent, les courants de surface, etc.

Surveiller les volcans

La surveillance permanente des volcans permet de détecter immédiatement tout risque pour la population et les compagnies aériennes, qui sont parfois amenées à traverser des nuages de cendres volcaniques.

Le système Argos a été introduit dès 1992 dans des réseaux de pré-alerte volcanique (associés parfois à des détecteurs GPS). Une quarantaine des 120 volcans que compte l’Indonésie sont ainsi équipés de stations de mesures Argos autonomes.

Mesurer et gérer les ressources en eau

En plaçant des émetteurs sur certains fleuves, on peut prévenir d’éventuelles pénuries. Les émetteurs Argos donnent en effet l’élévation du niveau du fleuve. Ces données permettent de mieux gérer l’exploitation des barrages, le refroidissement des centrales thermiques et nucléaires, etc.