GLONASS

Glonass n'est pas le premier système de positionnement par satellites conçu par l'Union soviétique. Dès le début de l'ère spatiale, ce pays développe un système baptisé Tsiklon reposant sur l'analyse de l'effet Doppler du signal radio transmis par une constellation de plusieurs satellites circulant sur une orbite basse. A l'époque le monde est en pleine guerre froide et l'Union soviétique développe des missiles balistiques intercontinentaux dont la viabilité dépend de la précision de leur frappe. L'objectif du système Tsiklon est de permettre aux sous-marins nucléaires lanceurs d'engins de calculer leur position pour que les missiles lancés depuis ces navires atteignent leur cible avec suffisamment de précision. Le système est déclaré opérationnel en 1982 mais il est rapidement remplacé par le système Parous (Tsiklon-B), qui repose sur le même principe technique et permet d'obtenir une meilleure précision (environ 100 mètres). Parous est un système analogue au système américain Transit développé à la même époque[1] - [2]. Une version à usage civil, baptisée Tsikada, est déployée à la fin des années 1970. Une variante baptisée Nadejda, caractérisée par l'emport d'une charge utile Cospas-Sarsat (système de détection des signaux émis par les balises de détresse), est déployée entre 1982 et 2002[3] - [4] - [5].

Parous permettait d'obtenir une position précise mais, du fait de la solution technique employée, ne fournissait celle-ci qu'au bout de plusieurs heures. Ces performances n'étaient pas suffisantes dans de nombreux cas de figure en navigation ainsi que pour la nouvelle génération de missiles balistiques. Pour développer un système plus performant les instituts de recherche du ministère de la Défense, de l'Académie des sciences et de la Marine de guerre soviétique travaillent ensemble dès 1968 sur le cahier des charges d'un nouveau système de navigation par satellites interarmes. Celui-ci est finalisé en 1970 après trois ans de travaux. Six ans plus tard, en décembre 1976, le Comité central du Parti communiste de l'Union soviétique et le Conseil des ministres de l'URSS publient un décret (intitulé déploiement du système de navigation spatial unifié GLONASS) qui lance le développement du programme GLONASS. Son développement est confié au Bureau d'études en mécanique appliquée NPO PM (renommé par la suite ISS Reshetnev) qui avait déjà conçu les systèmes Tsiklon et Parous. NPO PM est situé dans la ville fermée (ville dont l'existence est tenue secrète) de Krasnoïarsk-26 dans le krai de Krasnoïarsk en Sibérie occidentale (aujourd'hui Jeleznogorsk)[6].

Plusieurs solutions sont étudiées et la phase de conception s'achève à la fin des années 1970. Le système de navigation par satellites Glonass utilise une toute autre technique, analogue à celle du système américain GPS, reposant sur l'emport d'horloges atomiques à bord des satellites. Il est prévu de maintenir une constellation de 24 satellites circulant sur une orbite moyenne circulaire de 20 000 kilomètres. L'exploitation des signaux de quatre satellites doivent permettre de déterminer la position de l'utilisateur avec une précision de 65 mètres (le système fournira finalement cette position avec une précision de 10 mètres et avec le signal dégradé à usage civil de 20 mètres). Les satellites de 1,26 tonnes doivent être placés en orbite par grappe de trois par un lanceur lourd Proton. NPO PM n'étant pas équipé pour la production en série des satellites, celle-ci est confiée à PO Polyot implanté à Omsk (Sibérie occidentale)[7] - [8].

Il faudra plus d'une décennie pour que le système Glonass soit déclaré comme complètement opérationnel. Le premier satellite de la constellation est lancé le 12 octobre 1982. En 1991, la constellation en orbite comprend 12 satellites, ce qui permet une couverture globale avec toutefois des performances réduites. Le service de positionnement qui était jusque là réservé à un usage militaire est ouvert aux utilisateurs civils en mars 1995. Le 24 septembre 1995, la constellation en orbite atteint 24 satellites et le système Glonass est désormais pleinement opérationnel[9].

La dissolution de l'Union soviétique est suivie d'une profonde crise économique qui touche plus particulièrement le secteur spatial. Le budget alloué au système Glonass ne permet plus de maintenir une constellation de satellites au complet d'autant que leur durée de vie est particulière courte (3 à 4 ans contre 7 ans pour les satellites GPS). Seulement six satellites sont lancés entre 1995 et 2000 et il ne reste plus en octobre 2000 que six satellites Glonass en état de fonctionner.

Maquette de satellite Glonass-M, développé pour restaurer le système Glonass et qui est caractérisé notamment par une durée de vie allongée par rapport à la première génération des satellites Glonass.

Devant l'urgence de la situation, les autorités russes lancent le développement de deux nouvelles générations de satellites, dont la durée de vie est allongée : Ouragan-M (7 ans) et Ouragan-K (10 ans). Le premier satellite Ouragan-M, qui bénéficie d'antennes plus performantes et émet un nouveau signal baptisé L2 pour une utilisation civile est lancé en 2001. Ses signaux permettent une précision de 20 mètres dans le plan horizontal, de 30 mètres dans le plan vertical et 5 cm/s en vitesse. Sa durée de vie est de sept ans. Un lancement le 25 décembre 2007 a placé trois nouveaux satellites en orbite.

En novembre 2003, une déclaration d'intention est signée entre l'Agence spatiale fédérale russe et l'Organisation indienne pour la recherche spatiale pour étudier la possibilité de mettre sur orbite des Ouragan-K au moyen de lanceurs indiens. Elle n'a pas de suite.

Les Ouragan-K pèsent environ 745 kg ; ils permettent une précision de positionnement améliorée de 14 mètres dans le plan horizontal, de 20 m en altitude, 5 cm/s en vitesse et peuvent être lancés par groupe de six par des lanceurs Proton-M/Briz-M. Le lancement du premier Ouragan-K était prévu pour 2008.

Vladimir Poutine en 2007, avec un récepteur GLONASS pour le grand public.

Début 2008, seize satellites actifs sont en orbite, ce qui permet la couverture de tout le territoire russe. Les premiers appareils de positionnement étaient prévus pour être commercialisés fin décembre 2007. Cependant, les premiers appareils en service souffrent de défauts fonctionnels (manque de précision, interruption de service…) ou de couverture territoriale insuffisante, ce qui a amené, le 23 janvier 2008, le premier vice-premier ministre russe Ivanov à critiquer sévèrement les concepteurs du système pour les manquements de qualité.

L'Agence spatiale fédérale russe Roscosmos prévoyait la fin de déploiement des vingt-quatre satellites couvrant le monde entier vers la fin 2009. Elle a ensuite décidé de passer à un système comprenant trente satellites en 2011[10]. Il faut dix-huit satellites opérationnels pour avoir une couverture mondiale.

Le 19 mai 2010, le système comptabilise vingt-et-un satellites opérationnels, plus deux de secours. Le 26 septembre 2010, après avoir lancé de nouveaux satellites, la constellation comporte vingt-six satellites en orbite. Le 20 novembre 2010, vingt sont opérationnels, quatre en maintenance et deux en réparation[11].

Le 5 décembre 2010, trois satellites, à la suite d'une défaillance du lanceur Proton, plongent dans le Pacifique à 1 500 kilomètres d'Honolulu. Les satellites étaient de type Glonass-M, d'une masse d'1,4 tonne chacun, leur chute n'a fait ni dégâts ni victimes[12]. Le 8 décembre 2011, pour la première fois, GLONASS assure la couverture de toute la surface terrestre.

En cette année 2011, le développement de cette constellation a été accéléré et de nombreuses applications civiles lui sont trouvées, sous l'impulsion du gouvernement russe qui déclare vouloir, dès fin 2012, taxer d'un malus tous les produits électroniques disposant d'une compatibilité GPS mais pas d'une compatibilité GLONASS, sur le marché russe.

Les appareils grand-public – téléphones et tablettes – compatibles avec le système GLONASS sont annoncés en 2012, notamment par Samsung Electronics avec la Galaxy Tab 2[13] et le Samsung Wave 3[14], Google avec le Nexus 4[15], ou encore Apple avec l'iPhone 4S[16].

En 2013, la constellation russe GLONASS comprend vingt-huit satellites de navigation Glonass dont vingt-quatre satellites opérationnels, aucun satellite de réserve, deux satellites en maintenance et deux satellites en période d'essais[17].

Le vendredi 26 avril 2013 à 5 h 23 UTC, un lanceur Soyouz 2.1b lance avec succès un satellite Glonass-M depuis le cosmodrome russe de Plessetsk[18].

Le 8 juin 2013, le commandant des troupes russes de défense aérospatiale Alexandre Golovko a annoncé au cosmodrome russe de Plessetsk le lancement de quatre nouveaux satellites en 2013. Le lancement de trois satellites par un lanceur Proton est prévu depuis le cosmodrome de Baïkonour.

Le 2 juillet 2013, une fusée Proton-M emportant trois satellites GLONASS explose après dix secondes de vol[19].

Une nouvelle version des satellites Ouragan, baptisée Ouragan KM, est annoncée officiellement en 2012 avec un premier lancement programmé en 2017. Mais le premier lancement est repoussé à plusieurs reprises et ne devrait pas intervenir avant 2023[20].

La première version des satellites Ouragan/Glonass a une masse de 1 413 kg et une durée de vie 4 ans. L'énergie est fournie par des panneaux solaires qui produisent 1000 Watts dont 600 utilisés par la charge utile. Cette dernière a une masse de 180 kilogrammes. La précision de pointage des panneaux solaires est de 5 degrés. La précision du contrôle d'orientation est de 0,5 degrés[24] - [20].

Les satellites sont placés en orbite par groupe de trois par une fusée Proton-K décollant du cosmodrome de Baïkonour. 87 exemplaires sont lancés entre 1982 et 2005. Pour les premiers vols, un à deux satellites sont remplacés par des maquettes ayant une masse similaire pour tester le déploiement de trois satellites[24].

La version Ouragan-M émet un nouveau signal L2 qui est destiné à répondre aux besoins d'utilisateurs non militaires. Ces signaux permettent d'obtenir une position avec une précision de 20 mètres dans le plan horizontal, de 30 mètres dans le plan vertical et 5 cm/s en vitesse. Par ailleurs la durée de vie est allongée, passant de 3 à 7 ans, et le satellite bénéficie d'antennes plus performantes. La puissance électrique fournie par les panneaux solaires passe de 1000 à 1450 Watts dont 580 utilisés par la charge utile. Cette dernière a une masse de 250 kilogrammes. La précision de pointage des panneaux solaires est de 2 degrés. La précision du contrôle d'orientation est de 0,5 degrés[25] - [26] - [20].

53 satellites sont lancés entre 2001 et 2022 par des fusées Proton-K et Proton-M décollant du cosmodrome de Baïkonour (2 échecs soit 6 satellites perdus) et des fusées Soyouz 2-1b/Fregat décollant du cosmodrome de Plessetsk. Les Proton emportent trois satellites tandis que les Soyouz emportent un seul satellite[25].

La version Ouragan-K inaugure une nouvelle plateforme (Ekspress-1000). Contrairement à celle utilisée par les versions précédentes, les équipements ne sont pas enfermés dans une structure pressurisée, ce qui permet d'alléger la masse du satellite qui passe de 1570 kilogrammes à 962 kg. Par ailleurs la durée de vie est allongée, passant de 7 à 10 ans. La puissance électrique fournie par les panneaux solaires passe de 1450 à 1270 Watts dont 750 utilisés par la charge utile. Cette dernière a une masse de 260 kilogrammes. La précision de pointage des panneaux solaires est de 1 degré. La précision du contrôle d'orientation est de 0,5 degré[27] - [20].

Le premier Ouragan-K est lancé en 2011. Courant décembre 2022, cinq satellites de ce type ont été placés en orbite depuis le cosmodrome de Plessetsk par une fusée Soyouz 2-1B/Fregat emportant à chaque fois un seul exemplaire[27].

La version Ouragan-K2 a une masse nettement plus importante que la version précédente (celle-ci passe de 962 à 1645 kg) et sa hauteur est de 6 mètres contre 3 mètres pour la génération précédente. La production des panneaux solaires augmente également fortement, passant de 1600 watts à 4370 Watts. Ces chiffres s'expliquent sans doute en partie par l'emport de nouvelles charges utiles secondaires. Le satellite émettra trois types de signal au lieu de deux. Le système de contrôle thermique ne repose plus sur la circulation de fluide caloporteur mais sur des revêtements isolants qui permettent, selon son constructeur, de maintenir la température de l'avionique dans une fourchette de 0,1 degrés. Le développement de cette version a pris beaucoup de retard. L'embargo des pays occidentaux sur les composants électroniques découlant des sanctions prises après l'annexion de la Crimée par la Russie a contribué au glissement du calendrier. Le lancement du premier satellite qui était initialement planifié en 2013 est attendu en 2023 (actualisation décembre 2022)[28] - [29] - [30].

L'Ouragan KM, dont le premier exemplaire pourrait être lancé en 2023, se différencie notamment par sa durée de vie qui est allongée à 12 ans et la quantité d'énergie fournie par ses panneaux solaires (3000 Watts). Sa masse est de 1265 kilogrammes. Deux exemplaires peuvent être lancés par une fusée Angara/Briz-M ou un seul exemplaire par une fusée Soyouz-2/Fregat[20].

Les dernières générations de satellites Glonass emportent des charges utiles secondaires dont la fonction n'a aucun rapport avec leur mission principale. Ce sont[30] :

Le détecteur d'explosion nucléaire Lira (Lyre en français). Lira semble avoir été conçu à la fin années 1980 lorsque les satellites américains GPS ont été équipés de ce type de détecteur. Le développement de Lira a été confié en 1990 par NPO PM au Centre de recherche optique et physique (NTsOFI). À la suite de difficultés financières, NTsOFI a annulé le projet qui a été confié à l'Institut de recherche scientifique sur la construction des équipements de précision (NII PP) rebaptisé par la suite Société scientifique et industrielle des systèmes instrumentaux de précision (NPK SPP). L'instrument Lira est introduit sur la version Glonass-M dont le premier exemplaire est lancé en décembre 2004. Mais ce n'est qu'en 2019 que le système Lira devient opérationnel. L'équipement Lira installé sur les satellites Glonass-M, baptisé BAL-M, comprend plusieurs détecteurs dont on a une connaissance fragmentaire grâce à différents articles. Un premier type de détecteur est chargé de détecter le rayonnement ionisant émis par l'explosion nucléaire sous forme de rayons gamma. Il est constitué de trois scintillateurs installés à différents emplacements du corps du satellite pour éviter les fausses alertes. Il est complété par un détecteur optique qui observe l'explosion nucléaire dans le spectre optique et proche infrarouge. Celui-ci détermine en utilisant plusieurs filtres le temps mis par le signal pour arriver jusqu'au satellite ainsi que l'amplitude et la longueur de celui-ci. Le lieu de l'explosion nucléaire est déterminé en rapprochant les observations de l'explosion effectuées par plusieurs satellites Glonass. Le système est capable de détecter les explosions nucléaires d'une puissance allant de un kilotonne équivalent TNT à cinq mégatonnes se produisant entre le sol et une altitude de 20 000 kilomètres en localisant celle-ci avec une précision de 300 mètres. Les utilisateurs reçoivent l'information dans un délai de 30 secondes si les satellites Glonass observant le phénomène sont visibles par les terminaux. Les satellites des générations suivantes Glonass-K et Glonass-K2 doivent revoir une version améliorée de l'équipement Lira mais peu d'informations sont disponibles sur ses capacités. Bien que les satellites Glonass-M disposent d'une liaison inter-satellites radio, il ne semble pas que celle-ci puisse être utilisée pour relayer l'information jusqu'à un terminal utilisateur situé hors de portée des satellites ayant détecté l'explosion[30].

Le segment sol du système du système Lira est constitué d'un centre spécialisé qui élabore les commandes et analyse les télémesures concernant cet équipement. Ces données sont reçues et transmise par le centre de contrôle principal du système Glonass (TsUS-UM). Les terminaux (NAPOI) exploitant les données transmises par Lira sont de deux types : mobile (NAPOI-M) et fixe (NAPOI-S). Fin 2016, une quarantaine de véhicules étaient équipés de terminaux NAPOI-M.

Plusieurs publications scientifiques démontrent que Bal-M est également utilisé pour effectuer des observations astronomiques : détection de sursaut gamma, mesures du rayonnement cosmique et galactique ainsi que des interactions entre le Soleil et l'ionosphère, observations des éclairs et de l'activité volcanique[30].

Plusieurs satellites Glonass-K sont équipés de récepteurs radio permettant de capter et relayer les messages de détresse émis par des balises du système international Cospas-Sarsat. Ces récepteurs viennent compléter ceux équipant à la fois certains satellites russes (satellites météorologiques Meteor-M 2-2 et Elektro-L, de télécommunications Loutch), des satellites météorologiques américains (GEOS, NOAA), européens (Météosat, MetOp) et indiens (GSAT) ainsi que des satellites de navigation américains (GPS) et européens (Galileo). Les satellites de la version Glonass-K2 doivent être équipés en plus de récepteurs KSPS-MO permettant de capter et relayer des messages de détresse émis par des balises conçues spécifiquement pour les militaires russes et dont le fonctionnement est analogue aux équipements Cospas-Sarsat. Les messages de détresse sont relayés par ce système aux services du ministère de la défense russe[30].

Le système Ruveta (en français escolier) est un équipement couvert par le secret défense et pour lesquels peu d'informations ont filtré. Il s'agit d'un système de renseignement d'origine électromagnétique conçu pour fournir des cibles aux missiles à longue portée (3M-54 Kalibr) lancés depuis les navires militaires russes. Ce système doit être installé sur la version Glonass-K2. Il est complémentaire des équipements embarqués à bord des satellites Loto-S et Pion-NKS circulant sur des orbites de 900 km avec une inclinaison orbitale de 67 degrés[30].

• Pierre Bosser, GNSS : systèmes globaux de positionnement par satellite, ENSG, 1^er décembre 2013, 113 p. (OCLC 936975932, cours-fad-public.ensg.eu/pluginfile.php/1501/mod_resource/content/1/gnss.pdf)
  Support de cours de l'École nationale des sciences géographiques.
• Jean Marc Pieplu, GPS et Galileo : systèmes de navigation par satellites, Paris, Eyrolles, 2006, 163 p. (ISBN 978-2-212-11947-3, OCLC 421525857, BNF 40228632, lire en ligne).

• Système de positionnement par satellites
• Parous / Tsikada Système de navigation par satellite ayant précédé le système GLONASS
• ISS Reshetnev constructeur des satellites Glonass
• Global Positioning System système de positionnement par satellite américain
• Galileo (système de positionnement) système de positionnement par satellite européen
• Beidou système de positionnement par satellite chinois
• Roscosmos

• (ru) (en) Site officiel
• (ru) GLONASS informations