Les constellations de satellites type GPS et Galileo ne servent pas uniquement à faire du positionnement, les usages sont très variés. Elles servent notamment à surveiller les séismes, les volcans, la météo, les changements climatiques, etc.

GNSS, GPS, Galileo : quelles différences ?

Un peu de vocabulaire pour commencer. Lorsque l’on parle de système de positionnement par satellites, on utilise le sigle GNSS (Global Navigation Satellite System). Il existe plusieurs constellations permettant de profiter d’un tel service, la plus connue étant le GPS américain. Depuis plusieurs années maintenant, il est complété par le système européen Galileo, mais on a aussi le GLONASS russe ainsi que le BeiDou chinois.

À l’heure actuelle, plus de 3,4 milliards de smartphones compatibles avec Galileo auraient été vendus dans le monde, selon l’EUSPA (EU Agency for the Space Programme). Pour savoir si le vôtre est compatible, c’est par ici que ça se passe.

Le positionnement n’est pas le seul atout de ces constellations de satellites, comme le rappelle le CNES : « D’autres usages tirent profit de sa précision et de ses capacités d’hybridation, pour la science comme pour les performances des NanoSat ». Ces derniers sont de petits satellites de quelques dizaines de centimètres de côté, avec une masse de quelques kilogrammes. Avec l’évolution des technologies, ils « n'ont rien à envier à leurs camarades plus grands », affirmait il y a quelque temps l’Agence spatiale européenne.

• Des nanosatellites pour la science ? Ils « n'ont rien à envier à leurs camarades plus grands  »

« Détourner le potentiel » des GNSS : séismes et volcans

« Détourner le potentiel de GPS d’abord, puis de Galileo aujourd’hui, permet certaines ruptures technologiques majeures pour le monde scientifique », détaille Félix Perosanz (responsable du programme Terre-Solide au CNES). Ces usages ne font pas partie des spécifications du système, précise le CNES, mais sont entrés dans les mœurs.

L’un d’entre eux concerne la surveillance des séismes et des volcans : « En utilisant des récepteurs et des algorithmes spécifiques, les GNSS permettent d’observer la déformation de la Terre avec une précision millimétrique ! Toutes les failles tectoniques, les volcans en activités sont aujourd’hui surveillés par GNSS », explique Félix Perosanz.

Ces mesures permettent d’anticiper l’arrivée d’événements majeurs et de prévenir certains risques. À Mayotte par exemple, les données des satellites ont « permis de constater que l’île se courbait vers l’Est tout en s’enfonçant dans la mer de plusieurs dizaines de centimètres ». 

Une aide pour la météo et le changement climatique

Galileo est aussi une source « complémentaire puissante des outils météorologiques classiques ». Les météorologues peuvent récupérer des données de la troposphère – située entre le sol et la stratosphère – pour affiner leurs modélisations. Il est en effet possible d’utiliser une technique de radio-occultation du signal, c’est-à-dire en étudiant la manière dont la troposphère modifie un signal.

Dans le cas présent, cela donne des indications sur les niveaux de pressions, de températures et de vapeur d’eau. « Des publications montrent que l’exploitation de telles données permet de faire de la tomographie atmosphérique pour repérer les masses d’eau précipitables qui s’accumulent. Cela sera probablement exploité prochainement », explique Félix Perosanz.

Avec des stations de bases GNSS mobiles (sur un bateau ou une bouée), les satellites pourraient renforcer les données sur la mer méditerranéenne, un endroit où l’on manque de stations météo. Le champ océanographique ouvre d’ailleurs de nouvelles perspectives aux scientifiques, avec des « mesures stratégiques pour la compréhension du changement climatique ».

De son côté, la réflectométrie GNSS (ou GNSS – R) se développe rapidement. Cette technique se base sur la réflexion par l'eau des signaux satellites. En analysant les données, on peut estimer la hauteur d’une antenne installée au sol. On peut ainsi avoir des informations sur la hauteur d’une zone avec de la neige, une rivière ou une mer.

Améliorer la précision temps réel des autres satellites

Dans un autre registre, les constellations GNSS sont également utilisées pour améliorer la précision temps réel d’autres satellites. La technique n’est pas nouvelle, loin de là : « Thalès équipait dès les années 1990 ses grandes plateformes satellites de son récepteur GPS TopStar 3000 » rappelle Thomas Junique, spécialiste des récepteurs GNSS embarqués au sein du service radionavigation au CNES.

Pour les récepteurs GNSS, les contraintes en vol et dans l’espace sont différentes de celles au sol. Galileo permet d’améliorer ces usages, car il y a plus de satellites en orbite et donc visibles par les récepteurs en l’air ou dans l’espace. Il y a également plus de données, entrainant un besoin en puissance de calcul plus important dans le cadre d’un traitement en temps réel.

Dans tous les cas, le CNES assure que « les industriels veulent désormais disposer d’un récepteur GNSS embarqué générique à leur plateforme, capable d’assurer un large éventail de missions ». Le Centre national d'études spatiales travaille sur le sujet, notamment au travers de N-SPHERE avec un récepteur mis au point par Syrlinks : « il permettra de contribuer à la détermination d'orbite précise multi-constellations (GPS, Galileo) et multi-fréquences GNSS, il sera capable de fournir une excellente précision en temps réel embarqué… inférieure à un mètre ».

Le repère ITRF alimenté par Galileo, qui « s’aligne en retour dessus »

Dernier point et pas des moindres, le repère ITRF est alimenté par des données Galileo. Vous êtes perdu ? Pas de panique, on vous explique.

ITRF signifie International Terrestrial Reference Frame ou repère international des références terrestres. L’ITRF est maintenu par le Service international de la rotation terrestre et des systèmes de référence ou IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) créé par l'Union astronomique internationale et l'Union géodésique et géophysique internationale en 1988.

Ce repère (ITRF) est mis à jour tous les cinq ans en moyenne, précise l’IGN qui en a la charge. Le dernier – ITRF2020 publié début 2022 après ITRF2014, ITRF 2008… – « s'appuie sur les observations de géodésie [science qui étudie les dimensions et la forme de la Terre, ndlr] spatiale effectuées jusqu'au 31 décembre 2020 ». L’ITRS compile ainsi « les coordonnées et les vitesses moyennes de plus de 1 000 instruments de géodésie spatiale – antennes GNSS, balises DORIS, télescopes LASER et antennes VLBI », rappelle l’IGN.

En effet, « la Terre est une planète dynamique, dont la surface est en constante évolution sous l'effet des processus internes, des événements sismiques et telluriques ou transferts de masses hydrologiques par exemple », explique l’Institut de physique du globe de Paris. Il faut donc se mettre à jour régulièrement. Les premiers rapports faisaient généralement état d’une différence de l’ordre du centimètre, contre le millimètre pour les derniers en date. 

Comme d’autres GNSS, les données de Galileo sont utilisées pour établir le référentiel, mais surtout « Galileo s’aligne en retour dessus. Ce n’est en revanche pas le cas des systèmes GPS, de Glonass ou Beidou ».

De plus amples informations sur l’ITRF sont disponibles dans ce document de l’IGN. Il a été mis en ligne en 2018, avant donc la publication d’ITRF2020, mais reste valable pour tout le reste.