Systèmes d'augmentation par satellite pour améliorer la sécurité de la navigation aérienne

Quels sont les systèmes d'augmentation par satellite?

Les systèmes d'augmentation par satellite sont des réseaux de stations de référence au sol, de stations de commande principales et de satellites géostationnaires qui mesurent et corrigent les erreurs dans les signaux transmis par les constellations GNSS centrales. Le problème fondamental que pose le SBAS est que les signaux GPS standard peuvent être dégradés par des retards atmosphériques, des dérives d'horloges satellitaires, des inexactitudes orbitales et des effets multipathes.

SBAS travaille en déployant un réseau de stations au sol précisément sondées dans une vaste région géographique. Chaque station surveille en permanence les signaux GNSS et calcule la différence entre l'emplacement fixe connu de la station et la position signalée par les signaux satellites. Ces corrections différentielles sont ensuite transmises à une station de commande principale où elles sont traitées en modèle de correction régionale. Les données corrigées sont liées vers le haut aux satellites géostationnaires, qui diffusent les messages d'augmentation vers les récepteurs d'aéronef sur une large zone.

L'architecture d'un SBAS comprend trois segments principaux : le segment sol, le segment espace et le segment utilisateur. Le segment sol comprend des stations de référence qui recueillent les mesures GNSS, des moniteurs d'intégrité qui détectent les défauts et des stations-maîtres qui calculent les messages de correction et les paramètres d'intégrité. Le segment espace est constitué de satellites géostationnaires qui diffusent les données d'augmentation sur la même fréquence que le GPS L1. Le segment utilisateur est le récepteur GNSS de l'aéronef, qui a la logique de traitement intégrée pour décoder les messages SBAS et appliquer des avertissements de correction et d'intégrité.

Paramètres clés de performance améliorés par le SBAS

La précision est la mesure de la confiance qui peut être placée dans la justesse des informations de navigation; SBAS fournit un avertissement d'intégrité dans les six secondes suivant la détection d'une faille, empêchant la dépendance aux signaux corrompus. La continuité est la capacité du système à remplir sa fonction sans interruptions imprévues pendant une opération. La disponibilité est le pourcentage de temps pendant lequel le service de navigation satisfait aux exigences de précision et d'intégrité. SBAS stimule tous ces paramètres en surveillant l'ensemble de l'environnement de signal et en fournissant des alertes en temps opportun.

Comment le SBAS améliore-t-il la sécurité aérienne?

Précision accrue pour les approches de précision

Avec le GPS standard, les approches de navigation latérale (LNAV) ne fournissent que des conseils horizontaux et le guidage vertical nécessite un altimètre barométrique ou un système d'augmentation séparé. Le SBAS permet d'effectuer des performances de localisation avec des approches de guidage vertical (LPV), qui fournissent des conseils latéraux et verticaux jusqu'à des minima équivalents à des approches de catégorie I du Système d'atterrissage aux instruments (SIL). Cela signifie que les aéronefs peuvent exécuter des approches de précision aux aéroports qui manquent d'équipement ILS au sol, ce qui augmente l'accès et la sécurité dans les aérodromes régionaux et éloignés.

Surveillance et alerte de l'intégrité en temps réel

Le niveau de protection est une limite supérieure à l'erreur de position réelle, calculée en temps réel à partir de la géométrie du satellite, du bruit de mesure et des estimations des erreurs résiduelles. Si le niveau de protection dépasse la limite d'alarme (l'erreur maximale admissible pour une phase donnée du vol), le SBAS émet une alerte --ne pas utiliser. Ce mécanisme d'intégrité empêche l'aéronef de naviguer à l'aide de données erronées. Par exemple, si un satellite subit une erreur d'éphémérise ou une anomalie d'horloge, le réseau au sol détecte l'anomalie en quelques secondes et le satellite géostationnaire diffuse un drapeau d'intégrité. L'avionique exclut alors le satellite défectueux de la solution de position, et le pilote est alerté aux performances de navigation dégradées. Cette capacité d'alerte rapide est particulièrement critique lors de l'approche et de l'atterrissage, où il y a peu de temps pour réagir aux erreurs inattendues.

Disponibilité accrue dans l'espace aérien éloigné et océanique

La couverture GPS standard peut être intermittente ou vulnérable dans certaines régions, en particulier aux latitudes élevées, dans les vallées profondes ou sur de vastes étendues océaniques. Le SBAS étend la disponibilité de signaux de navigation fiables en fournissant une sauvegarde spatiale aux aides au sol et en utilisant des satellites géostationnaires qui maintiennent une visibilité constante à partir de la plupart des endroits de la région visée. Par exemple, le Système d'augmentation de la superficie (SWAAS) couvre les États-Unis, l'Alaska, le Canada et le Mexique.

Réduction de la charge de travail des pilotes et des contrôleurs

Si les pilotes et les contrôleurs de la circulation aérienne ont accès à des informations de navigation précises, fiables et surveillées en permanence, la charge de travail cognitive associée à la vérification croisée de plusieurs sources de navigation est considérablement réduite. Sans le SBAS, un pilote pourrait devoir vérifier la position GPS par rapport aux valeurs VOR ou DME, aux roulements NDB de référence croisée et aux corrections manuelles de dérive. Avec le SBAS, le système de gestion de vol (FMS) peut compter sur une seule source de position authentifiée qui répond aux normes de performance de navigation requise (RNP).

Exemples mondiaux de SBAS

WAAS (Wide Area Augmentation System) – États-Unis

La WAAS est exploitée par la Federal Aviation Administration (FAA) et a été déclarée opérationnelle pour l'aviation en 2003. Elle utilise un réseau de plus de 38 stations de référence à large zone (WRS) réparties en Amérique du Nord, deux stations-maîtres et six satellites géostationnaires. La WAAS fournit une capacité d'approche LPV à plus de 3 900 aéroports des États-Unis, dont beaucoup n'ont pas de système d'atterrissage aux instruments. La précision horizontale est supérieure à 1 mètre et la précision verticale supérieure à 1,5 mètre, avec des temps d'alerte d'intégrité inférieurs à six secondes. La WAAS est également utilisée par l'aviation générale, les hélicoptères et les compagnies aériennes commerciales pour la navigation en route et les opérations océaniques (p. ex., les vols au-dessus de l'Atlantique et du Pacifique utilisant la RNP compatible avec la WAAS).

Lien externe : GAA Bureau du programme (lien externe)

EGNOS est un projet conjoint de l'Agence spatiale européenne (ESA), de la Commission européenne et d'Eurocontrol. Il est entré en service en 2009 et couvre l'ensemble du continent européen, y compris des parties de l'Afrique du Nord et du Moyen-Orient. EGNOS utilise un réseau de 40 stations de surveillance de l'intégrité et de la portée (RIMS), quatre centres de contrôle principaux et trois satellites géostationnaires. Il supporte les approches LPV dans plus de 200 aéroports et est utilisé pour les approches de navigation en route et non-précision dans toute l'Europe. EGNOS fournit également le service de sécurité de la vie (SOL) certifié pour l'aviation.

Lien externe: Agence de l'Union européenne pour le programme spatial – EGNOS (lien externe)

MSAS (Système multi-fonctionnel d'augmentation de satellite) – Japon

Le MSAS est exploité par le Japan Civil Aviation Bureau (JCAB) et couvre l'archipel japonais et les zones océaniques adjacentes. Il utilise deux satellites de transport multifonctionnels (MTSAT) et un réseau de stations de surveillance au sol situées au Japon, à Hawaii et en Australie. Le MSAS a été déclaré opérationnel en 2007 et fournit des directives d'approche de précision à des dizaines d'aéroports au Japon, y compris des îles éloignées. Le système améliore les signaux GPS pour les phases de route et d'approche, avec des performances verticales de guidage qui répondent aux normes de l'OACI.

GAGAN est développé par l'Organisation indienne de recherche spatiale (ISRO) et l'Autorité aéroportuaire de l'Inde (AAI). Le système est devenu opérationnel pour l'aviation en 2015 et couvre l'ensemble de l'espace aérien indien et les régions environnantes. GAGAN utilise 15 stations de référence, trois centres de contrôle principaux et deux satellites géostationnaires (GSAT-8 et GSAT-10). Il fournit des approches LPV-200 permettant des atterrissages aux instruments avec des hauteurs de décision aussi bas que 200 pieds. GAGAN est certifié pour les opérations en route, terminal et approche, et a amélioré de façon significative la sécurité dans les aéroports indiens, dont beaucoup n'avaient pas auparavant d'aide au sol en raison de contraintes de terrain ou d'infrastructure.

SDCM (Système de correction différentielle et de surveillance) – Russie

SDCM est le SBAS russe, exploité par Roscosmos et l'entreprise d'État - - Systèmes spatiaux russes. - Il augmente les satellites GPS et GLONASS, fournissant des corrections et la surveillance de l'intégrité sur le territoire russe et les États voisins. SDCM utilise des stations au sol situées en Russie et à l'étranger, et les satellites géostationnaires Luch-5A et Luch-5B pour diffuser des signaux de correction.

SouthPAN (Réseau d'augmentation de positionnement sud) – Australie et Nouvelle-Zélande

Le SouthPAN est une initiative conjointe entre Geoscience Australia et Land Information New Zealand, financée par les gouvernements respectifs. Il s'agit du nouveau SBAS opérationnel, qui commence les services initiaux en 2022 avec une capacité opérationnelle totale prévue d'ici 2027. Le SouthPAN couvre l'Australie, la Nouvelle-Zélande et les zones maritimes du Pacifique Sud. Il fournit une augmentation pour GPS et Galileo, offrant des capacités d'approche LPV pour les aéroports régionaux et soutenant l'agriculture de précision et les utilisations maritimes.

Cadre technique : Comment le SBAS en tire profit

Corrections différentielles et modélisation ionosphérique

La source d'erreur la plus importante dans le positionnement du SBNS est l'ionosphère, une couche de particules chargées qui provoque une réfraction du signal. Les stations au sol SBAS avec des coordonnées connues mesurent le retard ionosphérique à différents points de référence et génèrent une grille d'estimations verticales du retard. Cette grille est diffusée dans le cadre du message SBAS, et le récepteur aéroporté applique la correction appropriée en fonction de l'emplacement de l'utilisateur.

Intervalles de confiance : niveaux de protection

Pour chaque solution de position, le récepteur SBAS calcule un niveau de protection horizontale (HPL) et un niveau de protection verticale (VPL). Ces niveaux sont calculés en fonction de l'erreur résiduelle après correction, de la géométrie du satellite (dilution de précision) et des paramètres d'intégrité diffusés par le satellite géostationnaire. Les niveaux de protection sont comparés aux limites d'alarme fixées pour chaque phase de vol. Par exemple, lors d'une approche LPV avec une hauteur de décision de 200 pieds, la limite d'alarme pour l'erreur verticale peut être de 35 mètres. Si la VPL dépasse cette limite, le système avertit le pilote et l'approche est interrompu.

Risque d'intégrité et délai d'alerte

La surveillance de l'intégrité du SBAS repose sur la surveillance au sol en temps réel de chaque satellite, la santé et la qualité des signaux de diffusion. Le segment au sol traite les données à chaque seconde et calcule les valeurs de risque d'intégrité. Si un satellite échoue (p. ex., une montre dérive au-delà du seuil), la station-maîtree relie immédiatement un drapeau -don-t à l'utilisation du satellite géostationnaire.

Impact opérationnel sur les opérations aériennes

Dans les zones de route et de terminal, le SBAS permet aux aéronefs de voler des profils latéraux et verticaux optimisés sans dépendre de navaidés au sol. Les aéronefs peuvent suivre des itinéraires de navigation de zone (RNAV) et des performances de navigation requises (RNP) avec une grande précision et une tenue de piste prévisible.

Approches de non-précision et de précision

Contrairement à l'ILS, qui nécessite un équipement au sol coûteux et se limite à une seule piste d'approche, les approches SBS-LPV peuvent être superposées aux procédures de non-précision existantes et peuvent desservir plusieurs pistes à un même aéroport. Cela a permis à des milliers d'aéroports aériens régionaux et généraux d'acquérir pour la première fois des capacités d'approche de précision. Les statistiques de la FAA montrent que les approches LPV basées sur l'AWAS ont réduit le taux d'approche et d'atterrissage par rapport aux approches traditionnelles de non-précision et ont amélioré la régularité des opérations dans les aéroports qui avaient déjà eu des difficultés à consulter les conditions.

Opérations d'hélicoptères et de rotors

Le SBAS est particulièrement utile pour les opérations d'hélicoptères, notamment les services médicaux d'urgence, les opérations de recherche et de sauvetage et le transport en mer de pétrole et de gaz, qui nécessitent souvent des vols dans des zones confinées, avec des sites d'atterrissage qui ne disposent d'aucune aide à l'approche.

Évolution et tendances futures

SBAS de la double fréquence de constellation multifréquence (DFMC)

La prochaine génération de SBAS utilisera la technologie de la double fréquence multiconstellation (DFMC). La SBAS actuelle fonctionne sur la fréquence L1 (1575,42 MHz), qui est susceptible de retarder et de brouillages ionosphériques. La DMFC SBAS utilisera les fréquences L1 et L5, permettant aux récepteurs aéroportés de mesurer et d'éliminer directement les erreurs ionosphériques. Cela améliorera la disponibilité, en particulier aux latitudes moyennes et pendant les périodes maximales solaires lorsque les perturbations ionosphériques sont graves. La DMFC SBAS augmentera également plusieurs constellations GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) simultanément, augmentant le nombre de satellites visibles et améliorant la géométrie.

Élargissement des zones de couverture

L'Afrique et le Moyen-Orient développent le SBAS de l'océan africain et indien (AIO-SBAS) et une initiative conjointe du SBAS arabe. Le projet SBAS pour l'Afrique, dirigé par la Commission africaine de l'aviation civile (AFCAC) et soutenu par l'ESA, vise à déployer l'infrastructure terrestre et à utiliser les satellites géostationnaires disponibles pour apporter la capacité de VPL aux aéroports africains.

Intégration avec NextGen et SESAR

SBAS est une pierre angulaire du système de transport aérien de nouvelle génération des États-Unis (NextGen) et de la recherche européenne sur les systèmes de navigation aérienne du ciel unique européen (SESAR). Les deux programmes prévoient une transition vers la navigation axée sur les performances (PBN) où les aéronefs utilisent le GNSS augmenté par SBAS comme source principale de navigation, ce qui permettra de concevoir un espace aérien plus souple et plus efficace.

Défis et considérations

Vulnérabilité à l'interférence et au jamming

Comme tous les services GNSS, SBAS est vulnérable aux interférences radiofréquences (RFI), y compris aux interférences involontaires d'autres systèmes et au brouillage ou au brouillage intentionnel. Bien que les récepteurs SBAS aient une certaine résilience en raison de l'utilisation de signaux de propagation et de contrôles d'intégrité, la menace de brouillage – lorsqu'un émetteur malveillant envoie de faux signaux GPS pour induire le récepteur en erreur – est une préoccupation croissante.

Anomalies ionosphériques à basse latitude

Dans les régions à basse latitude près de l'équateur (Asie du Sud-Est, régions d'Afrique et Amérique du Sud, par exemple), l'ionosphère présente des gradients forts, des scintillations et des changements rapides de la densité des électrons.Ces anomalies peuvent dégrader les performances du SBAS monofréquence parce que le modèle ionosphérique utilisé peut être insuffisamment précis. Le SBAS du DFMC permet de mesurer directement le retard ionosphérique sur deux fréquences, mais l'infrastructure du DFMC n'est pas encore globale.

Coût et certification

Le déploiement d'un SBAS nécessite des investissements importants dans les infrastructures au sol, les charges utiles par satellite et les processus de certification.Tous les pays n'ont pas les ressources ou la capacité technique nécessaires pour construire un SBAS autonome. Par conséquent, de nombreux pays participent aux initiatives régionales du SBAS ou négocient l'utilisation de systèmes adjacents (p. ex., l'utilisation d'EGNOS par les États d'Afrique du Nord, ou la possibilité pour le SouthPAN de servir les pays insulaires du Pacifique Sud).

Conclusion

En améliorant la précision, l'intégrité, la continuité et la disponibilité des signaux GNSS, le SBAS permet des approches de précision dans des milliers d'aéroports, réduit le risque de vol contrôlé en terrain et améliore l'efficacité de toutes les phases de vol. Des systèmes mondiaux comme WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN et des réseaux émergents comme SouthPAN et SDCM démontrent l'adoption généralisée de cette technologie. À mesure que l'industrie aéronautique se dirige vers l'augmentation à double fréquence de la multiconstellation, l'élargissement de la couverture et l'intégration à la gestion du trafic aérien de nouvelle génération, le SBAS restera un pilier essentiel de la sécurité et de l'efficacité des voyages aériens.

Lien externe: ICAO – Systèmes d'augmentation par satellite (lien externe)