La navigation aérienne par satellites est née des nécessités de la guerre froide, notamment pour le guidage des missiles intercontinentaux. Il fallait en effet connaître avec précision les coordonnées du point de lancement (notamment pour les sous-marins lanceurs d'engins) pour le calage des centrales à inertie du missile. C'est pour cette raison que les Etats-Unis ont été conduits à mettre en oeuvre leur premier système de navigation par satellites (Transit) à partir d'avril 1960. Ce système a ensuite donné naissance au GPS qui assure une précision de quelques mètres et dont le codage des signaux empêchait à un ennemi d'utiliser lui-même le système.

Dès le début du GPS, des indications de positionnement moins précises, de l'ordre d'une centaine de mètres, ont été offertes aux civils. Cette restriction imposée aux civils dans la précision des indications fournies par le GPS a été levée par les Américains en mai 2000, au moment où l'Europe lance Galileo, son propre système de navigation par satellites. Mais rien n'empêche les Etats-Unis de réactiver le bridage des signaux GPS ou d'en interdire l'accès dans certaines régions si le gouvernement américain le juge utile. Ils détiennent donc la clef du système GPS et disposent d'un monopole de fait sur ce moyen de positionnement.  

Avionique GARMIN GNS480 avec GPS

Aujourd'hui, l'usage du GPS s'est généralisé, y compris pour tout ce qui touche à la navigation aérienne : 

• Pour la navigation en route, notamment hors des zones desservies par des moyens de radionavigation dépendant de stations implantées au sol, 
• Pour la navigation à proximité des aérodromes, avec la possibilité d'effectuer des approches de précision terminées par un atterrissage à vue sur les pistes dépourvues de systèmes d'aide à l'atterrissage comme l'ILS moyennant certaines améliorations dans la réception des signaux, qui permettent justement d'obtenir et de garantir une meilleure précision en positionnement horizontal et en altitude,  

à tel point qu'on commence à parler désormais d'un système global de navigation par satellites (GNSS : Global Navigation Satellite System) susceptible de supplanter et de remplacer tous les autres moyens de radionavigation. 

Exemples d'écrans d'affichage du GARMIN GNS480 avec GPS

De leur côté, les Russes ont mis en place un système sensiblement équivalent au GPS, le Glonass, avec quelques années de retard. En 1998, les Russes permirent aux civils d'utiliser le Glonass. Cependant, suite aux difficultés économiques en Russie, les satellites en fin de vie n'ont pas été remplacés dans la constellation des 24 satellites Glonass. L'objectif est de reconstituer une nouvelle constellation complète à l'horizon 2007.

Les Européens ont, quant à eux, décidé de se doter d'un système de navigation satellitaire indépendant, Galileo, qui doit en principe entrer en service en 2008 mais, dès 2005, Galileo sera précédé par Egnos (European Geostationary Overlay Service) qui vise à améliorer les performances du GPS et de Glonass. Cette amélioration se fera soit par le système dit SBAS (Satellite Based Augmentation System) soit par le système dit GBAS (Ground Based Augmentation System). 

Récepteur GPS portable GARMIN GPSMAP296 pour l'aviation légère

Le SBAS s'appuie sur des stations de référence au sol reliées entre elles qui reçoivent les signaux, déterminent les écarts entre une position réelle et celle fournie par les satellites, calculent le différentiel sur une zone donnée et renvoient ces données vers des satellites de télécommunications géostationnaires qui les rediffusent alors vers les utilisateurs. Le SBAS peut offrir une précision de l'ordre du mètre sur une large zone géographique et permet en plus de surveiller l'intégrité des signaux GPS. 

Le GBAS, quant à lui, fonctionne grâce à une station locale dont la position est connue avec précision. Il est utilisé pour les zones non couvertes par le SBAS mais aussi pour obtenir une justesse de guidage encore plus grande permettant ainsi des procédures d'approche de précision de catégorie 1 dans la zone de l'aérodrome. 

En ce qui concerne la France, la DNA (Direction de la Navigation Aérienne) publiera les premières procédures d'approche GPS sur des aérodromes français au cours du second semestre 2004. Il s'agit dans un premier temps de procédures dites NPA (Non Precision Approach) sans guidage vertical de descente vers la piste. Ces procédures permettent une arrivée vers une piste dépourvue de moyen de guidage comme l'ILS, avec des minima météorologiques qui tiennent compte de l'absence de guidage vertical. Pour les approches APV (Approach Procedure with Vertical guidance) avec guidage vertical, les expérimentations se poursuivent. 

Exemples d'écrans d'affichage du récepteur GARMIN GPSMAP296

Fonctionnement :

L'information reçue par la station mobile sera principalement une information de position sur le globe (coordonnées cartésiennes X, Y, Z : latitude, longitude, altitude) et de vitesse (sur les 3 axes). Les informations recueillies pourront être plus nombreuses selon l'utilisation recherchée et le degré de technicité disponible à bord, permettant par exemple le couplage avec d'autres systèmes comme les centrales à inertie. 

Le système GPS est constitué de 3 sous-systèmes appelés segments : 

• Le segment spatial composé de 24 satellites à défilement répartis sur 3 plans d'orbite (8 satellites sur chaque plan) à 20200 km d'altitude. Ils sont inclinés à 63° sur l'équateur et espacés entre eux de 120° de longitude. En tout point du globe, la station mobile est capable de recevoir l'émission de 6 satellites au minimum et de 11 au maximum. Pour connaître sa position, seulement 4 satellites sont nécessaires. La théorie n'en exigerait que 3 mais, pour des problèmes de précision de la référence temps, il en faut 4. Chaque satellite émet 2 signaux en bande L (1227 et 1575 MHz). Le signal à 1575 MHz est modulé par 2 codes et celui à 1227 MHz par un seul code. Le récepteur de bord sélectionne les 4 satellites présentant la meilleure géométrie. Cette sélection s'opère de la manière suivante : Aux codes venant moduler les signaux précédents, sont ajoutés d'autres données (éphémérides du satellite, éléments de correction de la référence temps) permettant la sélection et l'acquisition en fonction de ces données et d'un almanach définissant la position de chaque satellite. Une fois le satellite accroché par la station, le récepteur effectue une synchronisation entre le signal reçu et le code propre du récepteur piloté par sa référence temps. Le déphasage trouvé lors de la synchronisation fournit une estimation de la distance satellite/station mobile. Cette opération répétée pour les 4 satellites donne un résultat précis. Le point ainsi trouvé est renouvelé tous les 1/10 à 60 secondes suivant le récepteur. Ainsi, on détermine par la même occasion la vitesse et la route suivie par le mobile.

• Le segment sol est composé de stations au sol qui assurent une poursuite passive des satellites, le chargement de certaines données, le suivi de l'état des satellites et le contrôle de leur dérive éventuelle. 

• Le segment mobile constitué par la station mobile. Le récepteur détermine la position par l'intermédiaire d'un calculateur. Ce même calculateur effectue la conversion de certaines données en d'autres (vitesse, cap, distance, ...) dans les repères désirés. 

Carte d'approche RNAV / GNSS piste 16 de l'aéroport de Lyon Bron (LFLY)

Performances :

La portée du GPS couvre l'ensemble du globe. La précision est de l'ordre de 1 à 100 m suivant le récepteur utilisé. 

Les principales erreurs sont dues :

• aux erreurs d'horloge de chaque satellite, 

• aux retards éventuels de propagation des ondes dans l'atmosphère (ionisation, réfraction), 

• aux erreurs du récepteur.