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État du système mondial de navigation par satellites (GNSS) – Partie 1 : Modernisation du GPS

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Le système GPS, pionnier de tous les systèmes mondiaux de navigation par satellites (GNSS), est le seul qui soit resté entièrement opérationnel aux fins d’une utilisation civile depuis plus de deux décennies. Son nombre d’applications dans le domaine civil a explosé ces dernières années et sa popularité demeure incontestable. Les autres GNSS ont connu des problèmes (GLONASS à la fin des années 1990 et dans les années 2000) ou sont encore incomplets (Galileo, BeiDou). Cela explique le fait qu’un grand pourcentage de la population connaisse bien le terme « GPS », mais pas le nom des autres GNSS, soit GLONASS, Galileo et BeiDou. Cependant, on prévoit que ces derniers rattraperont cet écart d’ici quelques années; le GPS doit donc maintenir son avance et rester concurrentiel.

Depuis l’arrivée du GPS, des améliorations techniques et de rendement ont été apportées régulièrement à chaque nouvelle génération (appelée « Block ») de satellites GPS lancés. Toutefois, en raison de la durée de vie relativement longue des satellites (entre 8 et 20 ans), et parce que ceux-ci sont remplacés progressivement chaque année ou aux deux ans en moyenne, les effets des améliorations de rendement sont graduels et passent souvent inaperçus. Dans les premières générations de GPS, la plupart de ces améliorations touchaient les satellites et l’équipement qui s’y trouvaient (rendement de l’horloge, autonomie du satellite et conception, etc.). À partir du Block IIR-M, dont le premier satellite a été lancé en 2005, de nouveaux signaux GPS ont été ajoutés. Ces nouveaux signaux comportent plusieurs améliorations qui sont intéressantes du point de vue de l’utilisateur, car elles assurent une meilleure précision et une plus grande fiabilité du positionnement. Avant de vous les présenter, laissez-moi vous donner un aperçu des signaux GPS de première génération utilisés à l’heure actuelle.

 

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Image: Block IIR-M

 

Signaux de première génération : L1 C/A, L1P(Y) et L2P(Y)

Dès leur apparition, les satellites GPS ont transmis trois signaux : un signal civil (L1 C/A) et deux signaux militaires cryptés (L1P(Y) et L2P(Y)). Ainsi, un seul signal est disponible pour les utilisateurs civils. Les signaux militaires sont transmis sur deux bandes de fréquences, soit L1 (1575,42 MHz) et L2 (1227,60 MHz), et sont cryptés. Le fait d’avoir deux bandes est très bénéfique pour l’amélioration de la précision et du temps de convergence, car les effets ionosphériques indésirables peuvent être considérablement réduits. Depuis les années 1990, les concepteurs de récepteurs de type géodésique ont réussi à accéder au signal crypté L2P(Y) à l’aide d’une technique appelée « verrouillage de phase partiellement sans code » (traduction libre de semi-codeless tracking) et à offrir ainsi tous les avantages de deux fréquences aux utilisateurs civils. Cependant, d’une part, les récepteurs géodésiques sont offerts à un prix beaucoup plus élevé par rapport aux récepteurs bas de gamme, et, d’autre part, les techniques utilisées pour accéder au signal crypté L2P introduisent une légère dégradation du signal.

Signal L2C

Comme je l’ai mentionné précédemment, les avantages de la réception d’un deuxième signal GPS dans une autre bande de fréquence sont assez significatifs. En raison de la demande sans cesse croissante pour des applications civiles du système GPS, le ministère américain de la Défense (DoD) a donc décidé d’inclure un nouveau signal civil sur la bande de fréquence L2 – appelé L2C –, en commençant par les satellites Block IIR-M. Plutôt que d’utiliser simplement un signal identique au signal existant L1 C/A et de le transmettre sur la fréquence L2, le signal L2C a été repensé de manière à pouvoir fournir plusieurs améliorations techniques par rapport au signal L1 C/A. Le L2C utilise des techniques de modulation plus sophistiquées et modernes qui offrent les avantages suivants par rapport au signal existant :

  • Seuil de sensibilité ou de verrouillage accru, ce qui se traduit par une amélioration dans le maintien du verrouillage du signal dans des conditions défavorables, comme en présence d’obstacles ou même à l’intérieur.
  • Plus grande corrélation croisée entre les signaux, ce qui permet une plus forte tolérance aux interférences et aux trajets multiples.

Étant donné que le L2C est un signal non crypté destiné à un usage civil, on estime que même les récepteurs à bas prix, de type non-géodésique, seront en mesure de le recevoir et de le suivre.

Même si le signal L2C semble prometteur, nous devrons encore attendre quelques années avant de pouvoir en profiter. En date de juillet 2015, sur 30 satellites opérationnels, seuls 15 transmettaient le signal L2C. On prévoit que tous les satellites le transmettront d’ici 2020. En outre, même si le premier satellite de transmission L2C a été lancé en 2005, les satellites Block IIR ont commencé à transmettre des messages de navigation utilisables (mis à jour quotidiennement) le 31 décembre 2014. Toutefois, selon la page Web GPS du gouvernement américain, [TRADUCTION] « (…) le signal L2C devrait continuer à être considéré comme pré-opérationnel et être utilisé aux risques de l’utilisateur. » Dès que la constellation de satellites GPS transmettra le signal L2C : [TRADUCTION] « Le gouvernement américain encourage tous les utilisateurs de technologies GPS sans code/partiellement sans code à utiliser les signaux civils modernisés d’ici le 31 décembre 2020, puisque le signal P(Y) pourra changer après cette date. »

Signal L5

Après le Block IIR-M, la prochaine génération de satellites, Block IIF, propose un troisième signal civil sur une autre bande de fréquence, soit la bande L5 (1176,45 MHz). Contrairement à la bande L2, cette bande radio est réservée exclusivement aux services de sécurité de l’aviation, et, par conséquent, devra être favorisée par les utilisateurs civils plutôt que la L2 à l’avenir. Le premier satellite Block IIF a été lancé en 2010, et, en date de juillet 2015, huit satellites Block IIF étaient en service. La bande L5 sera entièrement utilisée pour les signaux civils et sera exempte de signaux militaires. Un signal plus puissant, avec une bande passante plus élevée par rapport aux bandes L1 et L2, est donc transmis sur la bande L5. Voici les principaux avantages du signal L5 :

  • Possibilité de suivre des signaux plus faibles grâce à une séquence de code plus longue et de meilleures corrélations croisées entre les codes. En outre, la puissance émise est plus élevée;
  • Meilleure immunité aux interférences grâce à sa plus grande bande passante et donc davantage d’étalement de spectre;
  • Atténuation de l’effet ionosphérique par la combinaison L1/L5, similaire à la combinaison L1/L2;
  • Résolution d’ambiguïté instantanée ou quasi instantanée menant à une convergence vers une solution de type fixe plus rapide étant donné l’utilisation d’une combinaison de signaux de fréquence triple (L1/L2/L5).

Pour disposer d’une constellation complète de satellites émettant le signal L5, nous devrons faire preuve de plus de patience que pour la constellation complète L2C. Alors que cette dernière est prévue d’ici 2020, la première prendra plusieurs années supplémentaires.

Signal L1C

Par rapport aux signaux L2C et L5 modernes en service, le signal L1 C/A est moins performant. On doit le mettre à niveau pour qu’il soit à égalité avec les signaux modernisés. C’est là que la prochaine génération de satellites GPS Block III entre en jeu. Ce bloc de satellites comprendra un autre signal civil modernisé, le L1C, qui finira par remplacer le L1 C/A existant. Les caractéristiques du signal L1C sont semblables à celles de L2C et de L5. La conception et la fabrication de certains satellites Block III sont déjà terminées, mais aucun lancement n’a encore eu lieu. Le premier lancement est prévu au cours de 2016. Cela dit, étant donné le rythme de remplacement des satellites actuel (qui peut changer en fonction de circonstances économiques et politiques imprévues), l’arrivée d’une constellation de GPS complète avec signaux L1C devrait prendre au moins une autre décennie.

Conclusion

Depuis le début du nouveau millénaire, les professionnels du GPS attendent avec impatience le déploiement complet des tout nouveaux signaux GPS. Bien qu’elle ne résoudra pas par magie tous nos maux actuels, notamment la dégradation du rendement dans les zones obstruées ou les longues périodes de convergence pour une solution fixe, je crois que la modernisation du système GPS semble très prometteuse.

 

Blogue-GNSS-DMacias-12-08-2015-image-Diagramme-Signaux-GPS

Légende : Utilisation du spectre des signaux GPS existants et nouveaux.

 

a) Signaux existants : L1 C/A, L1 P(Y) et L2 P(Y). Notez que le signal civil utilise la composante I (en phase) et que les signaux militaires utilisent la composante Q (en quadrature) afin qu’ils puissent partager la même bande.

b) Nouveaux signaux depuis Block IIR-M : L2C et depuis Block IIF : L5. Notez qu’il existe également de nouveaux signaux militaires (M) sur L1 et L2. Notez également que le signal L5 utilise deux composantes, soit I et Q.

c) Nouveau signal depuis Block III : L1C. Notez que ce signal utilise un type de modulation (BOC) qui lui permet de partager la bande et la composante en phase/quadrature avec les signaux existants et militaires.

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