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La localisation par satellites : 40 ans de révolutions

Les orbites des satellites GPS sont inclinées de 55° par rapport à l’équateur. © NOAA

Avec l’ère spatiale, les satellites deviennent des outils indispensables au service des activités humaines. Dans les années 60, la technique de positionnement par satellites apparaît et, à partir de février 1978, prend son essor avec le fameux GPS.

« Depuis des siècles, écrivait en 2001 Annick Haudebourg (chargée de projet au Syndicat des transports d’Ile-de-France) dans Les Cahiers du Numérique, l’homme s’est tourné vers le ciel pour trouver son chemin. Les étoiles et le Soleil fournissaient une source d’information providentielle et fiable aux premiers explorateurs et marins qui s’aventuraient dans des contrées inconnues. Aujourd’hui, le ciel offre de nouveaux moyens pour naviguer, ce sont les satellites de navigation. »

Comme bien souvent, l’idée a d’abord été formulée par des romanciers.

 

De l’imagination au besoin militaire.

En 1869, alors que Jules Verne publie la seconde partie de ses aventures lunaires (Autour de la Lune), l’écrivain et pasteur américain Edward Everett Hale fait paraître The Brick Moon, un court roman –jamais traduit à ce jour en français– dans lequel est évoquée la mise sur orbite d’un satellite de 60 mètres de diamètre…en briques ! Celui-ci doit alors servir de point de repère pour les marins, telle une nouvelle étoile polaire. Sans révéler toute la trame de l’histoire, précisons seulement que cette lune artificielle ne réussit pas à atteindre la position prévue.

Quatre-vingt-dix ans plus tard, la « conquête de l’espace » a pris son envol. A partir des années 60, avec l’essor d’un certain nombre de technologies, se profilent les satellites d’application dans les télécommunications, la météorologie, l’observation de la Terre, ou encore la navigation. Toutes ces applications intéressent tant les civils que les militaires. Si la plupart de celles-ci sont développées par les civils, ce sont en revanche les militaires qui déploient les premiers satellites de navigation. Pour eux, il est alors impératif de connaître le positionnement de leurs navires, de leurs avions, de leurs troupes.

 

De l’opportunité…

Lorsque les premiers Spoutnik soviétiques sont lancés, les Américains se mettent à les écouter et à les suivre. Ainsi, après avoir placé un système d’écoute sur le toit de leur laboratoire, les scientifiques William Guier et George Weiffenbach, du centre de recherche du Laboratoire de physique appliquée (dirigé par Frank McClure) de l’Université Johns Hopkins (Maryland), reçoivent les célèbres « bip, bip ». Ils comprennent qu’il est possible d’en déduire les paramètres orbitaux et de connaître la position du satellite. Et si le satellite pouvait servir à se repérer ? L’idée est importante car, pendant la Seconde Guerre mondiale, des navires et des sous-marins s’étaient égarés…

 

…au précurseur.

L’idée est alors exploitée par Frank McClure et Richard Kershner, qui mettent au point pour l’US Navy le premier système de navigation par satellites : Transit. Ce dernier est constitué de cinq satellites en orbite polaire basse diffusant leurs emplacements par ondes radio, pouvant être captés au sol par des récepteurs qui en déduisent ensuite leur propre localisation. Après un échec en septembre 1959, le premier Transit est placé sur orbite le 13 avril 1960. Opérationnel quatre ans plus tard, le système est d’abord utilisé par les sous-marins nucléaires lanceurs de missiles balistiques (SNLE), puis par des navires de guerre et même des cargos civils à partir de 1967. Toutefois, le système n’était pas pratique : il fallait notamment attendre plus d’une heure qu’un satellite soit en bonne position pour obtenir une réception.

 

La constellation Navstar.

Le Naval Research Laboratory de l’US Navy engage alors la construction de nouveaux satellites plus performants avec le programme Timation (TIMe navigATION), dont le premier satellite est lancé le 31 mai 1967 (deux autres suivent en 1969 et 1974). Ils emportent des instruments de haute précision (horloges à quartz).

Egalement intéressée, l’US Air Force décide son propre programme (projet 621B). Toutefois, afin d’éviter toute redondance, celui-ci fusionne en 1973 avec le Timation de l’US Navy pour aboutir au système GPS (Global Positioning System)/NAVSTAR (NAVigation System Timing and Ranging). Pour que celui-ci soit opérationnel 24 heures/24, jour et nuit, il nécessite une constellation de 24 satellites, placés sur six plans orbitaux à plus de 20 000 km d’altitude. Ils doivent également être capables de diffuser leurs signaux sur la même fréquence, sans interférences et avec une grande synchronisation entre eux, pour une précision de l’ordre de quelques mètres, voire centimètres. Conduite par une brillante équipe de spécialistes (Bradford Parkinson, Roger L. Easton, Ivan A. Getting, etc.), l’entreprise n’était pas simple. La société Rockwell International a été retenue pour construire les satellites.

Pour tester les nouvelles technologies nécessaires (batterie au nickel-hydrogène, stabilisation par gradient de gravité à trois axes, contrôle de l'orbite des engins spatiaux, rétro-réflecteurs laser, dosimètres à radiation, etc.), deux satellites NTS (Navigation Technology Satellite) sont lancés en 1974 et 1977. Le succès était au rendez-vous, la constellation pouvait être déployée.

D’une masse de 800 kg, doté d’une autonomie énergétique assurée par des panneaux solaires, le premier Navstar GPS1-1 est lancé avec succès le 22 février 1978 par une fusée Atlas F. Année après année, la constellation est patiemment construite : trois Navstar rejoignent le premier en 1978, puis deux en 1980, un en 1981, un en 1983, deux en 1984, un en 1985, cinq en 1989, cinq en 1990, un en 1991, six en 1992, six en 1993 et un en 1994, date à laquelle le réseau est alors complet. Au printemps 1995, le système GPS est déclaré opérationnel. Précisons que l’absence de lancement entre 1986 et 1989 est liée à l’accident de Challenger, précédé et suivi par des échecs du Titan 34D (les 28 août 1985 et 18 avril 1986) et du Delta 3914 (le 3 mai 1986) : tous les lanceurs américains connaissaient alors des soucis en même temps !

Au cours des années suivantes, d’autres satellites plus performants viennent régulièrement remplacer les anciens satellites, maintenant ainsi l’opérationnalité du réseau. Au total, le développement du GPS a coûté entre 10 et 12 milliards de dollars.

 

Une révolution planétaire.

En l’an 2000, le système GPS s’ouvre aux civils (avec une précision d’une dizaine de mètres). Le succès a permis une véritable révolution planétaire. Le système fait désormais partie de notre mode de vie, exploité par des millions d’usagers en voiture, en bateau, en avion… L'automne prochain, le premier satellite de la troisième génération du système, Navstar 74 (GPS IIIA-01), doit être lancé par un Falcon 9 de SpaceX.

Pour ne pas dépendre du réseau américain, d’autres nations ont emboîté le pas des Etats-Unis en construisant à leur tour un système de localisation à l’échelle planétaire ou régionale : la Russie avec son Glonass (1996), la Chine avec Beidou (2003), l’Europe avec Galileo (2016), l’Inde avec IRNSS (2016), le Japon avec QZSS (en 2017).

 

Philippe Varnoteaux est docteur en histoire, spécialiste des débuts de l’exploration spatiale en France et auteur de plusieurs ouvrages de référence.

 

Références.

Un article : « Applications des technologies satellitaires dans les transports terrestres », Annick Haudebourg, in Les Cahiers du Numérique, 2001/1 (vol.2), Lavoisier.

Un ouvrage : GPS. Localisation et navigation par satellites, DUQUENNE Françoise ; BOTTON Serge ; PEYRET François ; BÉTAILLE David ; WILLIS Pascal, éd. Hermès, 2005.

Une vidéo sur la naissance du GPS, reportage de l’US Air Force (1979).

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