Intégrité GNSS et enjeux pour la navigation maritime 7ème JST CETMEF 9 Décembre 2008 S38_8045b 09.12.2008

Présentation générale de FDC Société d’Étude et d’Ingénierie Indépendante créée en 1989 et basée à VINCENNES Spécialisée dans les domaines de la Navigation par Satellite, Sécurité et Défense, et Technologies de l’Information Expertise particulière dans les domaines maritime (e.g. AIS, LRIT, VTS Committee, ERMF…) et Aéronautique (e.g. syst. d’atterrissage, surveillance, navigabilité, certification) Principaux Clients: DRAST, DGA, CNES, DGE, CE (GJU/GSA, DGs INFSO, ENTREP. RECHERCHE, TREN,) Organisations internationales (ESA,EUROCONTROL) Industrie (ASTRA, COMDEV, Kongsberg, Origo Mobikom) S38_8045b 09.12.2008

Compétences particulières SATNAV Besoins utilisateurs, marchés, applications, civiles et militaires Politique et Institutionnel, National et International Architecture des récepteurs navigation par satellites Concepts et contrôle d’intégrité Menaces et Vulnérabilités des signaux (e.g. Brouillage, Leurrage, Interférences) Cryptographie et Authentification Navigabilité et Certification des systèmes sol et bord (CNS/ATM, interface civil/militaire, interopérabilité) GPS PPS et Galileo PRS – Augmentations (GBAS, SBAS) S38_8045b 09.12.2008

Agenda Rappel sur la Navigation par Satellite Notion d’intégrité Concepts d’intégrité Intégrité Galileo Recommandations Conclusions S38_8045b 09.12.2008

Principe du GNSS Source: ESA S38_8045b 09.12.2008

Le Concept d’erreur de position GNSS Erreur sur les Mesures x Facteur Géométrique Erreur d’orbite: 1 m Biais d’horloge: 3 m Erreur Ionosphérique: 10 m Erreur Troposphérique: 2 m Bruit du récepteur: 1,5 m Multitrajet: jusqu’à 10 m DoP : de 1 to 6 Erreur Totale (95%) : A peu près 20 m S38_8045b 09.12.2008

Intégrité et précision DEFINITION: L’intégrité est une mesure de la confiance que l’on peut avoir dans l’exactitude des informations fournies par l’ensemble du système. L’intégrité comprend la capacité d’un système à fournir des alertes valides et opportunes quand le système ne doit pas être utilisé pour l’opération prévue. Précision 8 cm 95% 100% 18 cm Risque d’integrité (% d’étoile dans la cible) 10cm 20cm S38_8045b 09.12.2008

L’intégrité pour un utilisateur Grande Précision mais pas d’intégrité Faible précision mais intégrité S38_8045b 09.12.2008

Expression des besoins GNSS Exigences GNSS: Précision, Intégrité, Continuité, Disponibilité Ces 4 paramètres répondent à des besoins exprimés initialement par l’aviation civile Trois paramètres caractérisent la notion d’intégrité : La limite d’alerte (HAL, VAL); Le risque d’intégrité (IR); Le délai d’alarme (TTA). S38_8045b 09.12.2008

Généralités sur les concepts d’intégrité Plusieurs types de mécanismes de détection de pannes existent: Contrôle de la Qualité du Signal (SQM) Comparaison d’une mesure avec une référence connue Comparaison d’une mesure avec d’autres mesures Comparaison d’une mesure avec des mesures précédentes S38_8045b 09.12.2008

Mécanismes d’intégrité GNSS Identification d’une quinzaine de mécanismes et services d’intégrité (existants et futurs). Mécanismes regroupés en trois familles: Les systèmes d’augmentation régionale ou locale (e.g. EGNOS, DGNSS) ; Les mécanismes autonomes utilisant la redondance des signaux et des capteurs (e.g. RAIM) ; Les systèmes fournissant leur propre service d’intégrité comme Galileo ; S38_8045b 09.12.2008

Mécanismes existants S38_8045b 09.12.2008

Précision Position EGNOS Précision position GNSS Satellite Géostationnaire Envoie les corrections différentielles et les paramètres UDRE, GIVE Constellation GNSS Précision Position EGNOS Liaison ascendante: Transmission des données au GEO Précision position GNSS Stations de surveillance Reçoivent les données GNSS et les envoient au centre de contrôle Centre Contrôle Traite les données GNSS pour déterminer les corrections et les indicateurs de précision des corrections (iono et horloge/éphémérides) S38_8045b 09.12.2008

Intégrité EGNOS Précision H: 3m, V: 4m, Intégrité: HAL: 40m, VAL: 50m IR: 1-2.10-7 par 150s TTA: 10 s Garantie de l’intégrité même lorsque certains messages ne sont pas reçus S38_8045b 09.12.2008

Principales caractéristiques: pré opérationnel, certification Av. Civ. prévue en 2009; couverture: ECAC (extensions à l’étude); conçu d’abord pour un usage aéronautique, (phase d’atterrissage); utilisable par tous (dans la limite des performances disponibles); Nécessite une simple mise à jour logicielle des récepteurs GPS; Visibilité d’un des trois satellites géostationnaires nécessaire (prob. de dispo en hautes latitudes) ; Ne couvre pas les erreurs dues aux interférences et aux multitrajets. S38_8045b 09.12.2008

RAIM Principale caractéristiques: Deux grandes familles de RAIM: Technique algorithmique basée sur la redondance des pseudomesures GNSS disponibles au niveau du récepteur Deux grandes familles de RAIM: RAIM « snapshot »: n’utilise que les mesures instantanées sans prendre en compte l’historique des mesures ; RAIM « séquentiel »: utilise l’historique des mesures et considère les changements dans les propriétés statistiques des erreurs. Certains algorithmes RAIM peuvent également utiliser les informations fournies par des capteurs externes Principales limitations: Disponibilité du RAIM Détection des erreurs variant lentement Pannes multiples S38_8045b 09.12.2008

GBAS Description: Deux à quatre récepteurs GNSS de référence Corrections et données d’intégrité transmises par VHF Destiné aux approches de précision et atterrissages (standardisation OACI en cours pour CatII/III) Repose sur un mécanisme de majoration des distributions d’erreur Couverture: 23 miles nautiques (Nm) S38_8045b 09.12.2008

DGNSS Description Système utilisant un réseau de stations fixes de référence qui transmet des corrections différentielles ainsi que des alarmes d’intégrité pour les satellites GPS S38_8045b 09.12.2008

DGNSS Principales caractéristiques Réseaux de stations terrestres Une station couvre une surface circulaire de l’ordre de 200 km Transmet des paramètres de corrections différentielles Transmet des informations rudimentaires d’intégrité (alarmes dans les domaines de pseudo distance et de position) Couvre principalement les erreurs relatives au temps de propagation dans l’atmosphère S38_8045b 09.12.2008

Systèmes Futurs S38_8045b 09.12.2008

Eloran Description Loran-c Liaison de données Temps UTC, Alertes d’intégrité Authentification ... S38_8045b 09.12.2008

Eloran Principales caractéristiques Système de positionnement autonome Couverture littorale élargie; quasi inexistante dans l’hémisphère sud Système en cours de développement (transmission de données EUROFIX & LDC) Transmet des paramètres de correction et d’alertes d’intégrité du LORAN Couvre principalement les erreurs de propagation du signal S38_8045b 09.12.2008

GPS-III Description Principales caractéristiques En termes d’architecture générale GPS III est identique au système GPS actuel (nb de satellites, stations sols, ...) Ajout de données dans les messages de navigation: corrections d’orbite et d’horloges valeur de l’URA signal d’intégrité Principales caractéristiques Prise en compte des aspects intégrité dans le système GPS Ajout de corrections URA et horloge TTA évoqué serait de 5 min Système en cours de définition et les caractéristiques évoquées sous sujettes à caution 1er satellite opérationnel en 2013 S38_8045b 09.12.2008

Galileo S38_8045b 09.12.2008

Galileo Système Européen sous contrôle civil 30 satellites répartis dans 3 plans MEO altitude 23 616 km, inclinaison 56° Performances et fiabilité accrues Compatible et interopérable avec GPS Opérationel en 2013 2 satellites de test en orbite ● GCC Sites ■ TTC Sites ● GSS Sites S38_8045b 09.12.2008

Définis d’après les besoins des utilisateurs Services Galileo Définis d’après les besoins des utilisateurs Open Service Signaux supplémentaires Safety of Life Service Intégrité Commercial Service Authentification & Garanties Public Regulated Service Robustesse du signal Search and Rescue Temps de Réponse & Notification Galileo will provide highly accurate and reliable positioning, navigation and timing services to enable ITS applications. Galileo will be compatible and interoperable with GPS and GLONASS, offering additional positioning signals available on multiple civil frequencies.   Galileo will also offer guarantees on service availability and will inform users within 6 seconds of a failure of any satellite. This will allow the system to be used in safety-critical, mission-critical and business-dependent applications. The combined use of Galileo, GPS and GLONASS systems will offer a very high level of performances for the ITS community. The fully deployed Galileo system will consist of 30 satellites and the associated ground infrastructure. The System will offer the following services: Open Service (OS) Free to air; Mass Market; Real-time Positioning, Navigation and Timing The open service will provide additional, higher power, more precise signals, which when combined with GPS signals will be able to provide seamless and universal navigation. Safety of Life (SoL) Unencrypted; Integrity; Authentication of signal This service is particularly important for ITS applications where safety is paramount. Examples include ADAS type services and train control and signaling. Commercial Service (CS) Encrypted; High Accuracy; Guaranteed Service The commercial service could have potential in delivering authenticated signals for applications requiring guarantees and traceability. Public Regulated Service (PRS) Encrypted; Integrity; Continuous Availability The PRS can be used to support ITS applications within the emergency services, civil protection and security services domains. Search & Rescue (SAR) Near Real Time; Precise; Return Link Feasible This is the baseline set for the global services for Galileo. However, Galileo has also developed additional concepts for integrating services at both regional and local scales. S38_8045b 09.12.2008

Exigences Le niveau C est conçu pour les opérations maritimes (naviation océanique et côtière, approches portuaires et voies navigables) telles que spécifiées dans la Résolution IMO A.915 (22) S38_8045b 09.12.2008

Intégrité Galileo Galileo est le premier système offrant un service de navigation intègre sur toute la surface du globe Son intégrité est conçue pour s’adapter aux exigences des utilisateurs: le satellite envoie des paramètres d’intégrité (SISA, SISMA, IF); l’utilisateur personnalise son récepteur en fonction de ses besoins (e.g. HAL); le récepteur calcule à l’aide des paramètres transmis par les satellites un niveau de confiance en probabilité; quand cette probabilité dépasse l’IR, il donne à l’utilisateur des informations qualitatives sur les sources d’erreurs, l’avertit voire exclut les satellites défaillants. S38_8045b 09.12.2008

Paramètres d’intégrité TH: Threshold est lié au taux de fausse alarme, c.à.d à la spécification de continuité du SoL IF: Integrity Flag invalide l’utilisation d’un satellite lorsqu’il ne doit pas être utilisé, c.à.d lorsque l’erreur estimée dépasse le seuil TH SISA: Signal In Space Acuracy Estimée de l’erreur de distance calculée à partir de l’erreur probable sur les informations de position et d’horloge du satellite, SISMA: Signal In Space Monitoring Accuracy Précision du contrôle par le segment sol du signal transmis par les satellites, en faisant l’hypothèse d’une panne non détectée, SISA et SISMA sont calculés de façon prédictive à partir de l’historique des erreurs observées et de modèles. S38_8045b 09.12.2008

Transmission des informations d’intégrité Le message de navigation de chaque satellite émet les paramètres SISA de tous les satellites Galileo et est mis à jour toutes les 30 secondes. Le message d’intégrité est également mise à jour toutes les 30 secondes. Il contient la table d’intégrité, i.e. les valeurs de SISMA et d’IF pour tous les satellites. Les alertes, si nécessaire, peuvent être transmises en quasi temps réel (chaque seconde et sous 6 secondes) pour informer l’utilisateur d’une dégradation de l’intégrité d’un satellite. L’erreur sur le SiS est estimée à chaque seconde. Si il est constaté que l’erreur est plus grande que le seuil TH, une alarme est générée. S38_8045b 09.12.2008

Complémentarité S38_8045b 09.12.2008

Complémentarités – Compatibilité De nombreuses complémentarités existent entre certains de ces mécanismes Leur utilisation en combinaison doit permettre d’améliorer leurs performances individuelles. Avec l’arrivée des futurs signaux et services GNSS, de nouvelles combinaisons seront possibles Le choix définitif de la combinaison dépendra de l’application et de son contexte environnementale et réglementaire. S38_8045b 09.12.2008

RAIM Multi Constellations Principales caractéristiques Principe similaire au RAIM « classique » Études en cours pour déterminer les gains en performance des algos RAIM multi constellations Problématique de l’hypothèse des pannes multiples (e.g. dues à des interférences ou à des multi trajets) Problématique des budgets d’erreur Dispo d’un algo RAIM en présence d’interférence (CW) S38_8045b 09.12.2008

MCRS Service de contrôle d’intégrité multi constellation indépendant de GPS et Galileo : GPS + Galileo + EGNOS… 2 approches possibles: Diffusion des informations via Galileo (SISA / SISMA / IF) Diffusion via des SBAS (UDRE) Contrôle régional « Option Galileo » permet de diffuser les informations Régionales pour 5 régions différentes mais demande encore à être définie « Option SBAS » maîtrisée mais se heurte aux limitations de masquage et nécessitera une révision du standard (limité à 51 satellites) Concepts pour l’instant à l’état prospectif. Aucune décision n’a été prise quant à leur implémentation à l’heure actuelle S38_8045b 09.12.2008

Exemple d’applications concernées Navigation en entrée de port Navigation fluviale Surveillance du traffic (AIS - VTS) Suivi des matières dangereuses (Trafic 2000) S38_8045b 09.12.2008

Besoins Futurs Exprimés (Navigation) Résolution A915(22) du 29 Novembre 2001 « Revised Maritime Policy and Requirements For a Future Global Navigation Satellite System (GNSS) » Précision Disponibilité Limite d'alarme Temps d'alarme Risque d'intégrité Continuité Océan H : 10 m 99,8% par 30 jours 25 m 10 s 10-5 /3h N/A Côtier Approche portuaire et eaux restreintes 99,97% sur 3 heures Port H : 1 m 2,5 m Navigation fluviale S38_8045b 09.12.2008

Revue des besoins maritimes Ces besoins sont en cours de revue. En particulier le risque d’intégrité de 10-5 exprimé sur 3 heures: ne peut trouver de solutions techniques: moins d’1 panne sur 1 satellite tous les 30 ans (> vie du satellite) Ne semble pas correspondre à un réel besoin opérationnel: la durée de 3 heures peut vraisemblablement être découpée en phases critiques de durée moindre IALA note à ce propos en Décembre 2007: « A more realistic requirement would be for a continuity level of 99.97% over 15 minutes (based on the critical phase of a manoeuvre such as an approach to a harbour mouth, and equivalent to 99.64% over 3 hours) in all harbours, harbour approaches and other restricted waters. » S38_8045b 09.12.2008

Maritime et Fluvial – Recommandations (1/2) Même si les travaux menés depuis plusieurs années dans le domaine de l’aviation peuvent servir à d’autres utilisateurs, il semble nécessaire de privilégier l’émergence d’un pôle d’expertises dédié au maritime Nécessité de consolider l’expression du besoin pour chaque application maritime, portuaire ou fluviale. Évaluer précisément la capacité de Galileo à répondre aux besoins maritimes et si nécessaire formuler des recommandations sur la conception du système. Définir une équation d’intégrité Galileo adaptée aux utilisateurs maritimes. S38_8045b 09.12.2008

Maritime et Fluvial – Recommandations (2/2) Développer des algorithmes RAIM spécifiques à l’environnement maritime, portuaire et fluvial. Étudier un mécanisme d’intégrité hybride (RAIM+Galileo+EGNOS) et en évaluer les performances. Mener des études et simulations sur les performances atteignables par les algorithmes utilisant les infos d’autres senseurs (fusion au niveau utilisateur). Dans le cas des applications les plus critiques, étudier la nécessité de développer ou adapter des augmentations locales. Caractériser les conditions environnementales pour les différents types d’application (campagnes de test). S38_8045b 09.12.2008

Conclusions La plupart des navires SOLAS équipés de GPS Nouveaux enjeux économiques et sécuritaires EGNOS est disponible et bientôt certifié par l’aviation civile Réelle valeur ajoutée de Galileo Les utilisateurs maritimes pourront de plus s’appuyer sur des algorithmes RAIM plus performants pour s’affranchir des erreurs de multitrajets L’utilisation d’augmentations locales du type DGNSS ne doit cependant pas être écartée (prise en compte de certaines problématiques locales) Besoin d’un service de temps précis et intègre pour l’AIS S38_8045b 09.12.2008

Steeve.favre@fdc.eu (affaires maritimes) Contacts: pascal.campagne@fdc.eu robert.tremlett@fdc.eu Steeve.favre@fdc.eu (affaires maritimes) S38_8045b 09.12.2008