Système de navigation par satellite BeiDou expliqué : comment il se démarque du GPS

L'administration spatiale chinoise (CNSA) n'est ni la plus ancienne ni la plus grande agence spatiale au monde, mais elle s'apprête à réaliser un exploit accompli par seulement quelques nations : établir un système de navigation par satellite mondial (GNSS) pleinement fonctionnel.

Un GNSS est simplement un système de navigation par satellite fournissant divers services géospatiaux à l'échelle mondiale. À ce jour, le GPS américain et le GLONASS russe sont les seuls systèmes de ce type opérationnels.

La plupart de nos lecteurs connaissent bien le GPS (Global Positioning System) et son concurrent légèrement moins populaire, le GLONASS. Mais le nom BeiDou vous dit-il quelque chose ? Pour ceux qui l'ignorent, BeiDou (BDS) est le système de navigation par satellite phare de la Chine, géré uniquement par la CNSA.

On pense que l'idée d'un tel projet étendu a été conçue dans les années 1980 par le gouvernement chinois en réponse aux avancées américaines dans les technologies spatiales militaires. BeiDou tire son nom de l'astérisme de la Grande Ourse, un groupe d'étoiles brillantes dans la constellation de la Grande Ourse.

Comme le GPS, GLONASS, Galilée et d'autres systèmes de navigation en développement, l'objectif ultime de BeiDou est de fournir ses services mondialement avec une plus grande précision (relative aux autres GNSS).

Pour y parvenir, le projet a été soigneusement organisé en trois phases : la première (BeiDou-1) a débuté en 2000, la seconde en 2007, et la troisième et dernière en 2015. Le système de navigation par satellite BeiDou devrait opérer mondialement quelque part en 2020.

Simplement dit, BeiDou est la version chinoise du GPS mais à l'échelle régionale (pour l'instant). C'est seulement le deuxième système de navigation régional opérationnel en Asie, l'autre étant NAVIC (appartenant à l'Inde). Si tout se passe bien, le BeiDou chinois rivalisera avec GLONASS et GPS à l'échelle mondiale.

BeiDou-1 et 2

Comparaison des orbites de différents systèmes satellites incluant BeiDou-2 (COMPASS)

La première phase exploratoire du système de navigation par satellite BeiDou a démarré le 30 octobre 2000 avec le lancement du satellite BeiDou-1A. Il a été suivi par BeiDou-1B et BeiDou-1C, lancés respectivement le 20 décembre 2000 et le 25 mai 2003.

Le déploiement réussi des trois satellites BeiDou a marqué le succès initial du projet. Un satellite de secours (BeiDou-4D) a également été lancé plus tard en cas d'urgence.

Il est intéressant de noter que les quatre satellites BeiDou-1 étaient positionnés en orbite géostationnaire (GEO) et non en orbite terrestre moyenne (MEO) comme pour le GPS et GLONASS.

En utilisant ses satellites en orbite géostationnaire, BeiDou-1 a éliminé le besoin d'une grande constellation de satellites, mais a également limité la zone maximale de couverture sur Terre. Sa zone de couverture effective allait de 70°E à 140°E en longitude et de 5°N à 55°N en latitude. BeiDou-1 a été entièrement mis hors service en 2012.

Notons qu'en 2008, un récepteur BeiDou-1 unique coûtait environ 2 929 $ US (20 000 RMB), soit près de 10 fois plus cher qu'un terminal GPS à l'époque. Ce prix exorbitant était dû aux puces importées coûteuses. Une fois la fabrication de puces nationalisée, les prix ont chuté.

Comparaison de la zone couverte par BeiDou-1 et BeiDou-2 - Image : BeiDou.gov.cn

La seconde phase du système de navigation BeiDou, BeiDou-2, aussi connue sous le nom de COMPASS, a été introduite en 2007 comme une mise à niveau significative. Jusqu'en 2008, l'appareil de navigation chinois ne fournissait ses services qu'aux militaires et agences gouvernementales chinoises, mais a ensuite été ouvert à l'usage civil et commercial.

Dans cette phase, 19 satellites au total ont été déployés (dont deux sont maintenant retirés) avec un satellite prévu pour 2019. Au stade initial, COMPASS offrait une précision de positionnement de 25 mètres, mais s'est considérablement amélioré après la mise en service de plus de satellites.

Le nouveau système est devenu pleinement opérationnel en décembre 2011 et a ouvert ses services de positionnement et navigation aux autres nations de la région Asie-Pacifique fin 2012. L'étendue actuelle de la couverture de BeiDou se situe entre 55°E et 180°E en longitude et de 55°S à 55°N en latitude.

Précision et fréquences

Tout comme le GPS et Galilée, BeiDou fournit ses services sur deux niveaux : un service librement accessible pour usage civil et une version restreinte pour les militaires. Le service civil a une précision de suivi de position de 10 mètres et une précision de synchronisation d'horloge de 10 nanosecondes.

En revanche, ses services restreints ont une précision de suivi bien supérieure de 10 centimètres et des capacités avancées de transmission de données. L'accès au canal restreint de BeiDou est, à ce jour, accordé uniquement aux forces armées chinoises et pakistanaises. Les signaux de mesure de distance de BeiDou reposent sur la méthode d'accès multiple par répartition de code (CDMA).

Allocation des fréquences du GPS, Galilée et BeiDou 2 (COMPASS)

BeiDou-2 dispose de quatre bandes de fréquences reconnues : E1, E2, E6 et E5B (barres rouges dans la figure ci-dessus). Comme on peut le voir, ses quatre bandes chevauchent celles de Galilée. Bien que ces chevauchements puissent être bénéfiques dans une certaine mesure (résolution de problèmes de conception de récepteurs ou terminaux au sol), ils créent surtout de graves problèmes d'interférence de signal.

Il y a une forte probabilité que si les deux systèmes de navigation sont opérationnels simultanément dans des circonstances similaires, ils subissent de lourdes interférences, particulièrement dans les bandes E1 et E2, actuellement allouées au service public de Galilée.

Cependant, pour éviter ces conflits, l'Union internationale des télécommunications (UIT) a mis en place une loi universelle « premier arrivé, premier servi » accordant les droits d'une fréquence particulière à la nation qui y émet en premier. Toute nation ultérieure souhaitant utiliser cette fréquence doit obtenir l'autorisation de la nation propriétaire avant utilisation. Ainsi, les deux parties peuvent s'assurer qu'il n'y a pas d'interférence avec leur diffusion.

Il est presque certain que le BeiDou-2 chinois commencera à émettre dans les bandes susmentionnées avant les satellites Galilée et obtiendra ainsi les droits primaires sur ces fréquences.

BeiDou-3

L'Administration spatiale nationale chinoise (CNSA) a lancé la troisième phase du système de navigation par satellite BeiDou le 30 mars 2015 avec le lancement inaugural du satellite BDS-3 depuis le centre spatial de Xichang, dans la province du Sichuan. Au total, 35 satellites sont prévus pour cette phase, dont 19 sont déjà en orbite.

BeiDou-3 introduira de nouvelles bandes de fréquences : B1C/B1I/B1A (1575,42 MHz), B2a/B2b (1191,795 MHz), B3I/B3Q/B3A (1268,52 MHz) incluant une fréquence de test Bs (2492,028 MHz).

Sur les 35 satellites totaux, 27 sont en orbite terrestre moyenne (MEO), 5 en orbite géosynchrone inclinée (IGSO) et 3 en orbite géostationnaire (GEO). Ces satellites possèdent également des capacités SAR (radar à synthèse d'ouverture) et SBAS (système d'augmentation par satellite) similaires au GPS et GLONASS.

Utilisation commerciale de BeiDou

Le système de navigation par satellite BeiDou a connu un succès commercial en Chine. Selon China Daily, BDS a aidé diverses entreprises privées et d'État comme China Aerospace Science and Industry Corp et AutoNavi Holdings Ltd à générer plus de 31 milliards de dollars (200 milliards de yuans) de revenus en 2015. Ce chiffre pourrait atteindre 400 milliards de yuans d'ici 2020.

Depuis 2013, de nombreux fabricants de téléphones mobiles en Chine ont rendu leurs produits compatibles avec le système de navigation BeiDou. Des millions de véhicules commerciaux et des milliers de navires de pêche (en Chine) ont également été équipés du BDS et il est probable qu'il gagne en clientèle dans les années à venir.

Comme vous le savez, de plus en plus d'appareils mobiles intègrent à la fois les technologies GPS et GLONASS pour une meilleure couverture et des services de localisation. Il ne fait donc probablement qu'une question de temps avant que BeiDou ne rejoigne le mélange.

Comment il diffère du GPS

Un système de navigation par satellite est sans aucun doute l'une des technologies les plus importantes qu'un pays puisse avoir aujourd'hui, et c'est encore plus précieux pour la Chine compte tenu de sa position géopolitique et économique actuelle avec les États-Unis.

Avec le GPS sous leur contrôle, l'armée américaine peut désactiver efficacement ses services sur n'importe quelle région du globe, c'est pourquoi de nombreuses nations développent leurs propres systèmes de type GPS.

Il n'y a pas beaucoup de différence entre les deux hormis la précision. Le GPS a une constellation de 31 satellites, tandis que le nouveau BeiDou en aura environ 35. Une fois pleinement opérationnel (d'ici 2020), le système de navigation par satellite BeiDou devrait fournir des services de localisation plus précis que le GPS.

En 2016, il a été affirmé que le système chinois atteindrait une précision au millimètre (après post-traitement), ce qui le rendrait dix fois plus précis que les niveaux les plus précis du GPS.

Zone couverte par WAAS (Wide Area Augmentation System) - Image : US Federal Aviation Administration

Aux États-Unis, au Canada et au Mexique, le GPS est souvent utilisé avec une aide à la navigation connue sous le nom de Wide Area Augmentation ou système WAAS qui augmente considérablement la précision du GPS sur le continent nord-américain.

Selon gps.gov, le système américain pourra fournir une précision de positionnement en temps réel au centimètre près et mesurer des distances au millimètre avec des récepteurs haut de gamme et des techniques avancées comme la cinématique en temps réel. Actuellement, l'US Air Force avec Lockheed Martin travaille sur GPS III, la septième génération de satellites GPS.

Bien qu'il soit de notoriété publique que la précision verticale du GPS est bien pire que son service sur le plan horizontal, ses niveaux de précision sur les deux composantes restent supérieurs à ceux de BeiDou (25 mètres horizontalement et 30 mètres verticalement).

Cependant, selon un article du Chinese Journal of Aeronautics, le BDS peut atteindre une précision meilleure que 1 cm en horizontal et 3 cm en vertical, ce qui, selon les normes actuelles, est bien meilleur que le système de positionnement global (GPS).

Autres systèmes de navigation par satellite

Outre BeiDou, il existe quelques autres systèmes de navigation par satellite en construction ou déjà fonctionnels. Le plus notable est Galilée. Le Galilée de l'Union européenne est un projet de plusieurs milliards de dollars initié pour fournir un système de positionnement hautement précis et indépendant aux nations européennes en tenant compte des facteurs géopolitiques. La constellation Galilée complète compte 26 satellites avec six déploiements supplémentaires sur la prochaine décennie.

L'IRNSS (Indian Regional Navigation System) ou NAVIC est un autre système de navigation autonome constitué d'une constellation de quatre satellites (trois autres sont prévus). NAVIC est développé et maintenu indépendamment par l'Organisation indienne de recherche spatiale.

Apparemment, l'IRNSS fournit une précision de positionnement de 10 m (service ouvert) et 10 cm (service restreint). Contrairement au GPS, GLONASS et Galilée, le système de navigation indien n'a pas de plans immédiats pour fournir un service mondial.

Animation représentant l'orbite des satellites QZSS - Image : Hiroshi FUKUDA

Vient ensuite le système quasi-zénithal du Japon ou QZSS. C'est un système d'augmentation par satellite compatible GPS qui augmentera essentiellement la précision et la fiabilité du GPS sur le Japon et ses environs. Actuellement, le système QZSS compte quatre satellites, mais s'étendra progressivement à sept d'ici 2023 (estimation).

Trois de ses quatre satellites sont placés en orbites géosynchrones hautement inclinées, espacées d'environ 120°. Cette forte inclinaison leur permet d'orbiter dans un motif asymétrique unique appelé analemmas et d'avoir une présence au-dessus du Japon en permanence. Les signaux transmis par les satellites QZSS sont identiques aux signaux GPS anciens et modernisés (L1C/A, L1C, L2C), facilitant la collaboration avec le réseau de navigation américain.

Bien qu'il soit presque certain que nous n'aurons plus à dépendre entièrement du GPS pour nos besoins économiques et politiques, il sera très intéressant de voir comment le BeiDou chinois se comportera face à ses homologues américain, russe et européen à l'avenir.