Les satellites aussi utilisent le GPS

Le GPS est un système de positionnement par satellites conçu par le Département de la défense des États-Unis. Son but initial était de pouvoir déterminer la position d’une personne, d’un véhicule (voiture, bateau, avion) voire d’un missile, partout sur la planète, 24 h sur 24, si celui-ci est équipé du récepteur adéquat. Par conséquent, le GPS a été conçu avec certaines contraintes particulières, le but étant clairement d’obtenir une position sur la Terre, à des altitudes relativement basses.

Cependant, depuis de nombreuses années, des recherches sont faites sur la possibilité d’utiliser les signaux GPS pour qu’un satellite ou tout autre véhicule spatial puisse déterminer sa position [1]. Cela permettrait une mise à jour des orbites plus rapide et moins coûteuse que ce qui est obtenu au moyen de stations de contrôle au sol, et pourrait améliorer la gestion de l’espace sur les différentes orbites. Cette idée a même déjà été mise en application pour certains satellites et certaines missions spatiales. Le cas le plus impressionnant est celui de la mission MMS (Magnetospheric MultiScale Mission) de la NASA, qui étudie, entre autres, les champs magnétiques terrestre et solaire et la reconnexion magnétique à l’aide de quatre astronefs (véhicules spatiaux) devant rester en formation pyramidale. Pour ce faire, la position des astronefs est en partie déterminée à l’aide des signaux GPS. En 2016, la mission MMS a battu le record mondial de la position obtenue à l’aide de signaux GPS à la plus haute altitude : 76 000 km [1][2]. Bien entendu, la précision à une telle distance n’est pas du tout la même que sur Terre.

Des signaux de plus en plus utilisés

Cette tendance à utiliser les systèmes de positionnement par satellites (GNSS) dans l’espace ira en grandissant. En effet, d’ici le début des années 2020, quatre systèmes mondiaux seront pleinement fonctionnels : le GPS (États-Unis), GLONASS (Russie), Galileo (Europe) et BeiDou (Chine). De plus, chaque satellite transmettra plusieurs signaux à différentes fréquences. Les possibilités et les performances seront donc décuplées comparativement à l’utilisation actuelle d’un seul signal provenant d’une seule constellation et une visibilité des satellites restreintes.

Le Laboratoire des technologies spatiales, systèmes embarqués, navigation et avionique (LASSENA) de l’ÉTS travaille sur la détection et le traitement des signaux GNSS utilisés pour l’espace. Les défis sont nombreux dans ce champ de recherche.

Les défis liés à l’utilisation des GNSS dans l’espace

En effet, les conditions dans l’espace et sur Terre sont bien différentes, et un récepteur GPS ou, comme on l’appelle maintenant, un récepteur GNSS, n’a pas les mêmes caractéristiques et ne peut pas obtenir les mêmes performances dans ces deux situations. Plusieurs paramètres diffèrent entre les applications dites terrestres et celles dites spatiales, notamment, la vitesse des mobiles utilisant le récepteur GNSS, leur visibilité des satellites GNSS, l’intensité du signal reçu, etc. En particulier, on peut distinguer quatre différences principales entre ces deux contextes :

1. La position du récepteur par rapport à l’antenne des satellites GNSS, qui affecte considérablement la puissance reçue;
2. Les distances en jeu, qui influent également sur la puissance reçue;
3.  La géométrie, qui va affecter la précision finale;
4. Les dynamiques, qui demandent au récepteur de plus grandes capacités de calcul et d’adaptation.

Nous vous présenterons plus en détail ces différences dans un article intitulé Utiliser le GNSS dans l’espace : les défis, à paraître dans Substance très bientôt.

Information supplémentaire

Plus d’informations sur l’utilisation du GNSS dans l’espace :

• Mission MMS de la NASA : https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nasa-s-mms-breaks-guinness-world-record
• Diagramme de rayonnement réel des antennes GPS : https://www.lockheedmartin.com/us/products/gps/gps-publications.html
• Plus d’applications du GNSS dans l’espace : http://itsnt.recherche.enac.fr/index.php/download_file/view/196/174
• Projet GFS (GNSS For Space), à l’ÉTS : https://lassena.etsmtl.ca/spip.php?rubrique29#1878