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The Galileo system

 

Using frequencies for positioning: the Galileo system

The Galileo system is the European satellite navigation and positioning system. Operational since 2016, Galileo provides the same services as its American (the famous GPS), Russian (GLONASS) or Chinese (BEIDOU) equivalents. The complete Galileo system will be composed of 30 satellites in medium orbit at an altitude of 23,222 km. With the four new satellites launched on 25 July 2018, the constellation will have 26 operational satellites. It reaches its full operational capacity and further improves accuracy and global cover.

All these systems provide the receivers of their signals enough to reconstitute two items of information: their own position and the exact time. Using these two items of information, multiple applications have been developed ranging from route calculation on smartphones to precision farming in which the fields are mapped to better farm them.  This information also makes it possible to manage fleets of vehicles as close as possible to business needs, thereby reducing fuel consumption. We should finally remember applications in other transport sectors: trains, ships or aircraft use all the satellite receivers to track their position, facilitate manoeuvres and optimise their routes.

Even though the main purpose of satellite navigation systems is to calculate the receiver position, the fact that all the satellites in one system broadcast a synchronous time scale to do it, has resulted in the appearance of applications that only use that function. This, for example, is the case for the synchronisation of electricity distribution grids, of telephone communications networks (mobile phones, internet) or those that broadcast television (DTT). These systems also allow the precise dating of messages, which can be crucially important for the reliability of financial transactions.

All these systems share three frequency bands: 1559 – 1610 MHz (core band assigned from the start), 1215 – 1300 MHz (extension band) and 1164 – 1215 MHz (new extension band). 

The Galileo system is deployed under the authority of the European Commission by the European Space Agency, (ASE/ESA) and the European global satellite navigation system agency (GSA). Contrary to its American, Russian or Chinese counterparts, Galileo was designed to be operated by civil entities for essentially civil purposes. In the current geopolitical situation, no one can doubt that it is important for Europe to be self-sufficient in resources allowing it to guarantee satellite navigation and positioning services. 

Practically, how do these systems operate?

The basic principle of satellite positioning systems is triangulation.

The satellites permanently broadcast accurate data on their positions in orbit. The user receiver (the one built into cars for example) receives and decodes these signals, allowing it to know the exact position of the satellites.

As the receiver also contains a clock, it can determine how long the signal took to reach it and therefore its distance from it. Using the three satellite positions and the three calculated distances, the receiver can work out its position.

Three satellites would be enough to calculate a position if all the clocks were perfectly synchronised. In practice, receivers do not have clocks that are as accurate as the satellites.  Therefore, a fourth satellite is needed to work out the exact position.

Certain conditions need to be met to be able to use satellite navigation systems: the receiver must be able to receive a sufficient number of satellites (at least four) and the signals can only be used if there are no obstacles between the receiver and the satellites. This explains why these systems do not work well inside houses, but also between buildings or in dense forests.

All that remains is to reveal how the satellites determine their exact position in orbit! They calculate it from their trajectory, but drifts are unavoidable. To avoid this, the satellites are corrected using a network of reference stations on the ground. The exact position of these stations is known. They receive the signal containing the position that each satellite believes to be in, then they calculate their position just like a classic receiver and compare it with their actual coordinates. The difference is then broadcast to the satellites so that they re-broadcast it to the receivers which will include it in their calculations. This is how the system can permanently correct inaccuracies.

To finish, what does the ANFR have to do with all that?

The ANFR mainly acts on two themes to support the deployment of the Galileo system.

At a national level, the Agency guarantees the proper operation of the Galileo system by using resources to fight against receiver interference and by making sure of the radio protection of the Galileo reference receiver stations installed in French territories (in particular in overseas territories). The reference stations must be protected from interfering transmissions that could alter their satellite position estimates. Furthermore, the Agency carries out actions to monitor and eliminate satellite navigation scramblers as well as communication actions reminding of their harmful effects (on radio navigation and timestamping) and their prohibition on French territory.

Internationally, in the 2000s, the ANFR acted alongside its European peers so that new spectrum resources could be assigned during the 2000 World Radiocommunications Conference (WRC -2000) to satellite navigation systems, in order to make it possible to develop Galileo.  The technical conditions for the use of these assignments was indicated by the WRC -2003. Since then , the Agency makes sure that these resources are not reassigned to other uses or shared with interfering applications.

Only States can be members of the International Telecommunications Union (ITU); but Galileo is managed by the European Commission which is not a state. As a result, the French government has put the Agency in charge of submitting frequency requests to allow the development and design of the Galileo satellites, and several other EU member states have done the same.  The French administration is the “notifying” administration for the F/GLS administrations for the Galileo system and the ITU level. Mid-2014, France, Germany and Italy signed an agreement with the European Commission which is the equivalent of an operating licence for the Galileo satellites. In this context, the Agency also supports the European Commission in its negotiations with the other satellite navigation systems.

The actions taken by the Agency as part of the Galileo programme are a good example of the complementarity of its tasks, ranging from international negotiations to the protection of the national spectrum

[Translate to Anglais:] Le système Galileo est le système européen de positionnement et de navigation par satellite. Opérationnel depuis 2016, Galileo fournit les mêmes services que ses homologues américain (le fameux GPS), russe (GLONASS) ou encore chinois (BEIDOU). Le système Galileo sera  composé à terme d’une constellation de 30 satellites en orbite moyenne à 23 222 km d’altitude. Avec les quatre nouveaux satellites lancés le 25 juillet 2018, la constellation comptera désormais 26 satellites opérationnels. Elle atteint sa pleine capacité opérationnelle et améliore encore la précision et couverture mondiale.

Tous ces systèmes fournissent aux récepteurs qui reçoivent leurs signaux de quoi reconstituer deux informations : leur propre position et l’heure exacte. A partir de ces deux données, de multiples applications ont été développées allant du calcul d’itinéraire sur les smartphones à l’agriculture de précision où les champs sont cartographiés pour mieux les exploiter. Ces informations permettent aussi de gérer des flottes de véhicules au plus près des besoins de l’entreprise, ce qui réduit la consommation de carburant. N’oublions pas enfin les applications dans les autres domaines du transport : trains, bateaux ou avions utilisent tous des récepteurs satellitaires pour connaître leur position, faciliter leurs manœuvres, optimiser leurs trajets.

Bien que l’objectif principal des systèmes de navigation par satellite soit de permettre de calculer la position du récepteur, le fait que tous les satellites d’un système diffusent pour cela une échelle de temps synchrone a conduit à l’apparition d’applications qui n’utilisent que cette fonction. C’est par exemple le cas de la synchronisation des réseaux de distribution électrique, des réseaux de communications (téléphonie mobile, Internet) ou de ceux qui diffusent la télévision (TNT). Ces systèmes autorisent également la datation précise de messages, ce qui revêt une importance cruciale pour la fiabilité des échanges financiers.

Tous ces systèmes partagent trois bandes de fréquences : 1559 – 1610 MHz (bande cœur attribuée dès l’origine), 1215 – 1300 MHz (bande d’extension) et 1164 – 1215 MHz (nouvelle bande d’extension).

Le système Galileo est déployé sous l’égide de la Commission européenne par l’Agence spatiale européenne (ASE/ESA) et l’Agence européenne des systèmes mondiaux de navigation par satellite (GSA). A la différence de ses cousins américains, russes ou chinois, Galileo a été conçu pour être exploité par des entités civiles afin de répondre à des besoins essentiellement civils. Dans le contexte géopolitique que nous connaissons, personne ne peut douter qu’il est important pour l’Europe d’avoir une autonomie de moyens lui permettant d’assurer des services de positionnement et de navigation par satellite.

En pratique, comment ces systèmes fonctionnent-ils ?

Le principe de base des systèmes de positionnement par satellite est la triangulation.

Les satellites diffusent en permanence des données précises sur leurs positions en orbite. Le récepteur utilisateur (celui intégré dans les voitures par exemple) reçoit et décode ces signaux, qui lui permettent de connaître la position exacte des satellites.

Comme le récepteur contient aussi une horloge, il peut déterminer le temps qu’a mis le signal de chaque satellite pour lui parvenir, donc sa distance par rapport à lui. Avec les trois positions des satellites et les trois distances ainsi calculées, le récepteur déduit sa position.

Trois satellites seraient suffisants pour connaître la position si toutes les horloges étaient parfaitement synchronisées. Mais, en pratique, les récepteurs ne disposent pas d’une horloge aussi précise que celle des satellites. Un quatrième satellite est donc nécessaire pour déterminer la position exacte.

Certaines conditions doivent donc être réunies pour pouvoir utiliser les systèmes de navigation par satellite : un nombre suffisant de satellites doit être capté par le récepteur (au moins quatre), et les signaux ne sont exploitables que si des obstacles ne s’interposent pas entre le récepteur et les satellites. C’est ce qui explique que ces systèmes fonctionnent mal à l’intérieur des habitations, mais aussi entre des immeubles ou dans des forêts denses.

Il reste toutefois à révéler comment les satellites déterminent leur position précise sur leur orbite ! Ils la calculent à partir de leur trajectoire, mais des dérives sont inévitables. Pour éviter cela, les satellites sont recalés grâce à un réseau de stations de référence installées au sol. La position de ces stations est connue avec précision. Elles reçoivent le signal contenant la position que chaque satellite pense occuper, elles calculent alors, comme un récepteur classique, leur position, et la comparent avec leurs coordonnées réelles. L’écart est alors diffusé vers les satellites, pour qu’ils la rediffusent vers les récepteurs, qui l’intègreront dans leurs calculs. Le système peut ainsi corriger les imprécisions en permanence.

Pour finir, que fait l’ANFR dans tout cela ?

En appui au déploiement du système Galileo, l’ANFR agit principalement selon deux axes.

Au niveau national, l’Agence garantit le bon fonctionnement du système Galileo en mobilisant des moyens de lutte contre les brouillages des récepteurs et en s’assurant de la protection radioélectrique des sites des stations de référence du système Galileo qui sont installées sur le territoire français (notamment outre-mer). Les stations de référence doivent en effet rester protégées contre les émissions brouilleuses, qui pourraient fausser leurs estimations de la position des satellites. Par ailleurs, l’Agence mène des actions de surveillance et d’élimination des brouilleurs de systèmes de radionavigation par satellite, ainsi que des actions de communication rappelant leurs effets néfastes (sur la radionavigation et sur l’horodatage) et leur interdiction sur le territoire français.

Au niveau international, l’ANFR a, dans les années 2000, agi de concert avec ses homologues européens pour que de nouvelles ressources spectrales soient attribuées lors de la Conférence Mondiale des Radiocommunications de 2000 (CMR -2000) aux systèmes de navigation par satellite, afin de permettre le développement de Galileo. Les conditions techniques d’utilisation de ces attributions ont été précisées lors de la CMR-2003. Depuis, l’Agence s’assure que ces ressources ne soient pas réaffectées à d’autres usages, ou partagées avec des applications perturbatrices.

Seuls des Etats peuvent adhérer à l’Union internationale des télécommunications (UIT) ; or, Galileo est géré par la Commission européenne, qui n’est pas un Etat. De ce fait, l’Agence a été chargée par le Gouvernement français de déposer des demandes de fréquences pour permettre le développement et la conception des satellites Galileo, et plusieurs autres pays membres de l’UE ont fait de même. L’administration française est l’administration « notificatrice » du groupe des administrations F/GLS pour le système Galileo au niveau de l’UIT. Mi-2014, la France, l’Allemagne et l’Italie ont signé, avec la Commission européenne, un accord équivalent à une licence d’exploitation pour les satellites Galileo. Dans ce cadre, l’Agence soutient également la Commission européenne dans ses négociations de coordination avec les autres systèmes de navigation par satellite.

Les actions que mène l’Agence dans le cadre du programme Galileo offrent ainsi un bon exemple de la complémentarité de ses tâches, allant des négociations internationales à la protection du spectre national.

Galileo programme key dates

May 2000 (WRC -2000): assignment of new frequencies to satellite navigation during the WRC -2000. France had the anteriority of the applications for these new bands

June 2003 (WRC -2003): confirmation of the technical conditions to use these new bands

28 December 2005 and 27 April 2008: respective launch of satellites GIOVE-A and GIOVE-B (test of components in orbit, in particular the atomic clocks that equip the satellites)

21 October 2011 and 12 October 2012: the first four Galileo satellites are launched in clusters of two and are used to validate the system design in orbit

12 March 2013: first autonomous determination of the position of a Galileo receiver using the first four satellites ( see figure). 

First autonomous determination of a Galileo receiver position

 

22 August 2014: launch of two Galileo satellites by a Soyuz rocket that injects them into an abnormal orbit without the operating capacities being impacted

27 March 2015: launch of Galileo satellites (7th and 8th in the constellation) on Soyuz from Kourou

Artists impression of the separation of two Galileo satellites from the upper stage of the Soyuz rocket, which is what should happen on 27 March!

 

11 September 2015 (9th and 10th), 17 December 2015 (11th and 12th), 24 May 2016 (13th and 14th): launches of new Galileo satellites in pairs.  

17 November 2016 (15th, 16th, 17th and 18th), 12 December 2017 (19th, 20th, 21st and 22nd), 25 July 2018 (23rd, 24th, 25th and 26th): launches of new Galileo satellites in clusters of four.

2021: complete constellation of 30 satellites, services fully operational

L'@anfr publie une analyse de toutes les mesures réalisées à la demande de particuliers entre juin et décembre 2018 pour évaluer l’exposition due aux compteurs Linky.

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