Quelques nouvelles de Galileo, le système de navigation européen

On a tendance à dire « GPS » pour parler des systèmes de navigation. Mais il ne faut pas oublier que derrière cette appellation se cache en réalité plusieurs constellations de satellites permettant le bon fonctionnement de la géolocalisation, dont l’historique GPS américain. A lui s’est ajouté le russe Glonass, le chinois Beidou (ex-Compass), ou encore l’européen Galileo. Ce dernier est opérationnel – mais toujours en cours de déploiement – depuis 2016. Pour savoir où en est son déploiement, ses applications mais également ses futurs développements, nous avons échangé avec Jean Maréchal, responsable du programme Navigation et localisation au Centre national d’études spatiales (CNES).

Techniques de l’Ingénieur : Où en est le développement de Galileo ?

Jean Maréchal : Le déploiement de Galileo touche à sa fin. Un prochain lancement est prévu le 2 décembre 2021, puis encore deux en 2022. Chaque lancement comprend 2 satellites. Avec ces trois lancements, la constellation passera à 24 satellites nominaux et 4 satellites redondants en orbite. Ces derniers satellites, en finalisant la constellation, permettront de terminer le déploiement du service ouvert public et gratuit fin 2022. Nous sommes déjà très près du but et ce sera transparent pour l’utilisateur…

En parallèle de la constellation, le système déployé au sol est lui aussi mis à jour pour apporter plus de robustesse afin de garantir la disponibilité du service. Il est composé d’un réseau mondial de 16 stations, de 2 centres de contrôle en Italie et en Allemagne, et de 2 centres de sécurité en France et en Espagne. Dans un système de navigation comme Galileo, la contribution du segment sol est essentielle pour la performance finale : c’est lui qui synchronise tous les satellites entre eux et calcule leur orbite à 25 cm près, quasiment en temps réel.

Les systèmes de navigation embarqués ont-ils dû s’adapter à Galileo ?

Oui, il faut que la puce GNSS (pour Global Navigation Satellite System) – historiquement la puce GPS – soit compatible et devienne multi-constellations. Galileo nécessite un certain nombre de traitements spécifiques des signaux, qui diffèrent des autres systèmes car ils ne sont pas codés de la même façon. Les signaux Galileo sont un peu plus performants et sont transmis sur plusieurs fréquences, certaines spécifiques à Galileo et qu’il faut décoder si on veut profiter au maximum de la performance du système.

Les signaux Galileo sont interopérables avec les signaux GPS et les autres constellations. Ils partagent en particulier deux fréquences (L1-E1/L5-E5a) et se mélangent. Mais pour les mélanger, il y a des processus mathématiques spécifiques. La différenciation des signaux se fait ensuite grâce à l’accès par identification de code. Plus simplement : le récepteur va chercher le signal de chaque satellite parmi tous les autres en appliquant une sorte de filtre qui utilise le code du satellite. Avec les quatre constellations, jusqu’à une trentaine de satellites peut être suivie en parallèle par un récepteur quand le ciel est dégagé.

Et si la puce n’est pas faite pour décoder Galileo, on ne peut pas simplement la mettre à jour. Il faut la changer. Mais aujourd’hui, les fabricants de récepteur satellite intègrent tous Galileo. N’importe quel téléphone de haute ou moyenne gamme reçoit les signaux des quatre constellations (GPS, Galileo, Glonass, Beidou) qui sont devenues des standards.

Quels sont les futurs développements ?

Parmi les futurs services Galileo prévus dans les années à venir, il y aura un service pour les usages critiques : l’authentification qu’on appelle aussi OS-NMA, pour Open Service Navigation Message Authentication. On aura dans le message Galileo une sorte de sceau qui prouvera qu’on n’est pas en train d’écouter un faux signal mais bien Galileo. Une certification utile pour les usages légaux et se protéger du « leurrage ». Par exemple, le service sera intégré dans les futurs tachygraphes digitaux qui font l’objet d’un règlement européen, à bord des camions. Ils devront utiliser au moins Galileo ainsi que sa fonction d’authentification dès qu’elle sera disponible. Ce service permet de prouver que le camion a roulé à une certaine vitesse et un certain moment. Et pour éviter la triche sur ces informations, on les authentifiera avec les signaux Galileo. Ce que le GPS n’offre pas. Des tests sont en cours, le service sera disponible en 2023.

Un autre développement est le positionnement précis, que l’on nomme HAS pour High Accuracy Service et qui sera gratuit. Aujourd’hui nous sommes à un mètre, mais pour le véhicule autonome, la précision visée est de 20 cm, voire moins. Cette précision permet de localiser un véhicule dans sa voie, par exemple. Les travaux sont en cours, la fonction devrait arriver en 2023-24. Cette fonction pourrait venir compléter les moyens de navigation d’un véhicule quasi autonome sur une portion d’autoroute par exemple. Aujourd’hui les capteurs utilisés par les véhicules quasi autonomes sont principalement les caméras et le radar. La navigation par satellite viendra s’hybrider avec ces capteurs pour apporter des informations de position fiables et absolues, c’est-à-dire calculées directement par rapport à une carte.

Et pour finir, nous sommes en train de préparer la deuxième génération de satellites. Deux gros contrats ont été signés cette année avec Airbus et Thalès. Ces nouveaux satellites, trois fois plus gros et beaucoup plus flexibles, seront capables d’envoyer de nouveaux signaux, par exemple des signaux dédiés à l’internet des objets (IoT). En effet, un récepteur de navigation consomme beaucoup d’électricité pour décoder les signaux actuels, ce qui est une contrainte forte pour une balise IoT. Nous développons donc de nouveaux signaux basiques et robustes qui seront dans cette deuxième génération.

Quelles sont les applications ?

Galileo a d’abord été développé pour des besoins de souveraineté de l’Union européenne. Donc la souveraineté économique, mais pas seulement. Un des services importants est aussi le signal gouvernemental réglementé, le PRS, pour Public Regulated Service. Ce service, plus compliqué à mettre en place que le service public de géolocalisation, sera disponible en 2024. Il est crypté et très sécurisé. Il est réservé à des utilisations gouvernementales et nécessite des récepteurs très spécifiques qui utilisent des clés numériques pour décrypter les signaux.

Les autres applications sont le train autonome et les nouveaux concepts de géolocalisation des trains, la robotique agricole ainsi que l’agriculture de précision. Cette dernière utilise systématiquement le plus de constellations possibles et utilisera le futur HAS. Elle utilise déjà des services complémentaires payants qui ajoutent des informations au GPS et à Galileo pour faire des positionnements précis avec des récepteurs très spécifiques et des antennes de bonne qualité travaillant sur plusieurs fréquences. Ces récepteurs sont capables de faire des mesures plus complexes pour avoir un positionnement à quelques centimètres.

Pourquoi en agriculture la précision est-elle plus fine ? Est-ce grâce au complément des capteurs ?

Pour avoir une précision très fine, de l’ordre du centimètre, on utilise non seulement les messages codés dans les signaux (la façon simple de faire des mesures avec une précision d’un ou deux mètres), mais aussi les messagers eux-mêmes. C’est-à-dire qu’on effectue une deuxième mesure plus précise sur l’onde sinusoïdale qui porte les informations. On appelle ça la mesure de phase.

Mais il est difficile de l’utiliser car il y a une incertitude sur cette mesure : elle a été faite sur un cycle de l’onde sinusoïdale, mais on ne sait pas lequel ! En recevant des corrections transmises par des systèmes complémentaires comme RTK (cinématique en temps réel) ou PPP (positionnement précis), le récepteur arrive à éliminer les points ambigus pour n’en conserver qu’un seul très précis. Ça peut être instantané ou demander un temps de convergence de quelques minutes selon les technologies utilisées et le prix du service.

Cette technologie est particulièrement adaptée à l’agriculture car la réception des satellites sur un tracteur est de bonne qualité et n’est pas interrompue. En voiture, c’est plus compliqué car les signaux sont parfois masqués par les ponts, les bâtiments ou les tunnels. C’est pour cette raison qu’on mélange les informations du récepteur de navigation par satellite avec celles d’autres capteurs très différents et complémentaires. Cette fonction de localisation hybridée permet de toujours savoir où on est et, grâce à la navigation par satellite, de recaler régulièrement la position dans un référentiel absolu.

Pour bien utiliser les mesures de Galileo HAS, il faudra d’ailleurs mettre en œuvre ces techniques.