Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies Nice – 7 mai 2009

1ère partie : Quelques rappels pour comprendre le système GPS Banalisation de la géo localisation et nouvelles technologies Déroulement 1ère partie : Quelques rappels pour comprendre le système GPS 2ème partie : GPS et intégration 3ème partie : L’évolution des récepteurs GPS OEM en vingt ans vers GALILEO Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies 1ère partie : Quelques rappels pour comprendre le système GPS Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et constellation Système 24 satellites orbitant à 20 200 km d’altitude 6 orbites espacées de 55° 2 orbites par jour 4 satellites minimum visibles sur terre Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et signal émis Signaux codés sur L1 (1575,42Mhz) et L2 (1227,60Mhz) Signal complexe à large spectre Addition d'un code pseudo-aléatoire et des données Signal civil émis sur L1 (code C/A) Chaque satellite a son propre code C/A Tous les codes C/A sont synchrones (Horloge atomique) Par corrélation le récepteur détermine l'instant exact d'émission Le code C/A peut être dégradé (Select Availability) Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et satellites NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging) GPS et satellites NAVSTAR Il y a eu jusqu'à présent 3 Blocs de satellites Bloc I : 11 satellites ente 1978 et 1985. Durée de vie de 5ans Plus aucun satellite en service Bloc II : 9 satellites ente 1989 et 1990. Durée de vie de 8 ans Bloc IIA : A partir de 1990. Durée de vie de 10 ans.  Peuvent fonctionner en mode dégradé (SA selective availability)  Sont équipés de 2 horloges au césium et 2 horloges au rubidium 13 satellites en service Bloc IIR : De 1996 à mars 2008. Durée de vie supérieure à 10 ans.  Peuvent communiquer entre satellites 18 satellites en service Celui lancé le 24 mars dernier "IIRM (20)" présente des soucis d'horloge. Le dernier, "IIRM (21)" devait être lancé en août 2009 mais sera donc retardé pour fin 2009, voire début 2010 Bloc IIF : Initialement à partir de 2009 – Pas avant mi-2010 Bloc III : A partir de 2014 jusqu’en 2030 Actuellement, constellation de 32 satellites GPS et 1 satellite GALILEO Giove B en essai Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et visibilité des satellites Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et signal Puissance du signal Traitement du signal 5 fois moins puissant que le bruit thermique 100 000 fois moins puissant que le signal GSM Traitement du signal Acquisition Recherche du signal des satellites Réception des données GPS Localisation (Tracking) Emission Satellite (22W) = 43dBm gain de l’antenne TX = + 10dB Atténuation dans Espace/Atmosphère = - 184dB / -2dB gain de l’antenne du récepteur = + 3dB Signal à l’entrée du récepteur  - 130dBm 10 25 30 Tracking Receive GPS Data Search GPS Data available Signal found dBHz Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et Immunité aux interférences 500 1000 1500 2000 Frequency [MHz] GSM 900 GSM 1800 1900 Power [dBm] GPS input filter characteristics GPS 1575 -110 GPS signals Brouillage Hors-Bande Fréquences différentes de celles du GPS fréquences porteuses Principales sources sont les systèmes de communication ( GSM, CDMA, WCDMA, WiFi, BT, etc.) Harmoniques des écrans, contrôleurs, etc. qui peuvent aussi être néfastes Brouillage dans la bande Toutes les fréquences proches de celles du GPS (1575Mhz) Généralement causées par les harmoniques des afficheurs, microcontrôleurs, bus systèmes, etc. 1525 1550 1625 Frequency [MHz] Power [dBm] Caractéristiques du filtre d’entrée du GPS GPS Carrier 1575.4 MHz 1575 1600 -110 Jamming signal GPS signals Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et Interférences Plan de masse Patch Blindage RF Bruit thermique du sol  –110dBm (2MHz bande passante)  20dB au-dessus du signal GPS reçu Du bruit additionnel peut influer sur les performances du GPS. Un bon design Hardware est nécessaire (Eloigner le plus possible la partie RF des circuits logiques, placer des blindages RF quand cela est nécessaire,..) Plan de masse Patch Blindage RF Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et données Données GPS : Almanach Données GPS : Ephéméride Données de faible précision sur la position du satellite en orbite Permet d’accélérer la recherche des satellites 1 satellite envoie les almanachs de tous les satellites La transmission de l’ensemble des almanachs prend 12,5 minutes Validité de plusieurs jours (1 à 10 jours) Mise à jour quotidienne Données GPS : Ephéméride Données de grande précision sur la position du satellite en orbite Nécessaire pour la navigation précise Chaque satellite transmet son propre éphéméride Validité de 2 à 4 heures Mise à jour chaque heure Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et message de navigation Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

GPS et vocabulaire Time to First Fix (TTFF) Temps pour obtenir la première position valide après la mise en service du récepteur Cold Start (29 secondes pour les derniers récepteurs actuels) Sans batterie de sauvegarde des données Sans données de référence (éphéméride, almanach, date) Warm Start (15 secondes pour les derniers récepteurs actuels) Avec batterie de sauvegarde, récepteur éteint depuis plusieurs heures Date et almanach connus, éphéméride non valide Hot Start (1 seconde pour les derniers récepteurs actuels) Avec batterie de sauvegarde, récepteur éteint depuis moins de deux heures Date et dernière position connues, éphéméride valide Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies 2ème partie : GPS et intégration Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Type d’antenne : Active ou Passive ? Antenne Passive + LNA (low noise amplifier) qui compense les pertes dans le câble Alimentation externe (20mA) Nécessaire lorsque l’antenne est éloignée du récepteur. Grande amplification (13…35dB) Bon gain d’antenne (0dBic+3dBic) Faible bruit = meilleure performance (cf tension d’alimentation) Pas d’adaptation d’impédance requise Nécessite un minimum d’expertise Antenne Passive Elément rayonnant seul Pas d’alimentation externe Longueur câble < 100mm Faible gain d’antenne (–3dBic +3dBic) Adaptation 50 Ohm nécessaire Le bruit peut devenir un problème Nécessite une bonne expertise pour une adaptation correcte Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

et plan de masse de 70mmx70mm L’antenne PATCH Bon marché Sensibilité/Gain en corrélation avec la taille Nécessite un plan de sol Existe dans de nombreuses tailles et formes Ces antennes sont directionnelles Les modèles amplifiés existent aussi. Antenne de 25mmx25mm et plan de masse de 70mmx70mm Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

L’antenne Hélicoïdale Plus chère que l’antenne Patch Bonne sensibilité Sensible sur un grand angle (>120°) Pas de plan de sol nécessaire Insensible à l’environnement Se monte indifféremment en externe ou en interne Section rayonnante Balun Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

L’antenne TINY Entre PATCH et Hélicoïdale Sensible sur un grand angle (>90°) (position verticale non obligatoire) Polarisation circulaire Prix intéressant Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

L’antenne CHIP Performance médiocre Pas chère Taille très petite Nécessite un bon plan de sol sensibilité grandement liée à la taille du plan de sol. Polarisation linéaire A-GPS fortement recommandé (pour avoir un TTFF acceptable) Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies 3ème partie : L’évolution des récepteurs GPS OEM en vingt ans Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Récepteur GPS OEM type de 1989 1ère carte OEM compatible DGPS Carte miniature ! (94mmx92mm) Faible consommation ! (500mA) Coût modéré ! (340€ actuels) 6 canaux Cold Start : 12mn Hot Start : 5 secondes Signal de sortie de type NMEA Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Récepteur GPS OEM type de 1994 6 canaux Cold Start : 12mn Hot Start : 5 secondes Modèle de grande diffusion Coût faible ! (160€ actuels) Carte petite ! (90mmx46mm) Faible consommation ! (250mA) Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Récepteur GPS OEM type de 1996 Le modèle qui a lancé les Applications GPS « Grand Public » de suivis de flotte et le début de la cartographie numérique Modèle de très grande diffusion DGPS Option DR (Dead Reckoning) disponible (avec ajout d'un "gyrostar" et d'un odomètre) Coût intéressant (100€ actuels) Petit format (71mmx41mm) Format et connectique qui deviennent un standard du commerce. Consommation raisonnable (180mA) 6 canaux Cold Start : 8 mn Warm Start de 2mn Hot start : 2 secondes Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

1997 - Naissance de nombreux fabricants de récepteurs GPS (µBlox – SiRF – etc…) Toujours le même format de cartes OEM ! A partir de l'an 2000, les petits modules GPS apparaissent et font exploser, avec la baisse des prix, le marché de la géolocalisation Prix en grande baisse (50€ actuels) A partir de 2000, petits formats (25mmx25mm) Consommation plus faible (60mA) Apparition de modules fonctionnant sous les 3,3 volts 8 canaux Cold Start : 5 mn Warm Start de 2mn Hot Start : 2 secondes Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

2000 – Explosion de la géolocalisation La cartographie numérique de l'Europe de l'Ouest est enfin proposée à des tarifs raisonnables Deux compétiteurs majeurs pour la cartographie numérique Le GPS devient un module à part entière Les GPS sont des 12 canaux Le TTFF devient de plus en plus court (<3mn) Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

2005 – La géolocalisation se banalise Le récepteur est un composant La consommation est de 30mA sous 3,3V Les GPS sont des 16 canaux Son TTFF devient inférieur à 2 mn La cartographie fait son entrée dans les PDA Le récepteur GPS est associé à un GSM L'A-GPS fait son apparition et permet des TTFF inférieurs à 30 secondes. Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Qu'est-ce que l'A-GPS Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Modes A-GPS : AssistNow Offline et Online Data type Data retrieval at startup Size of downloaded data Data download Achievable TTFF Usability Predicted orbits local memory Up to 70kB (10days) 1x / 10 days As low as 5 sec 10 days offline AssistNow Offline Ephemeris, Time, Almanac, Health from A-GPS server 1 - 3 kB @ every startup As low as 1 sec 2 - 4 hrs AssistNow Online Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

2007 – Les récepteurs GPS ont des caractéristiques étonnantes 50 canaux avec plus d'1 million de corrélateurs Plus d'1 million de corrélateurs Sensibilité de -145dBm à -162dBm en mode tracking Acquisition très rapide pour GPS et SBAS (Satellite Based Augmentation System – WAAS/MSAS/EGNOS/GAGAN) Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

2008 – Amélioration de la géolocalisation grâce à Internet et à la FM Internet est aussi bien à la maison que dans les systèmes portables. La cartographie est sur Internet Le TMC FM (Traffic Message Channel) est largement développé en Europe ainsi que d'autres systèmes via GSM Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

2009 – La géolocalisation est dans la vie de tous les jours au même titre que le GSM L'A-GPS est banalisé Le TMC est en passe de se banaliser Les récepteurs GPS sont dorénavant compatibles GALILEO L'ensemble Récepteur GPS/GSM/Radio FM/BT/Lecteur MP3 ne représente qu'un composant ! Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER

Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies En conclusion : Le GPS a amené ces 10 dernières années la vulgarisation de la géolocalisation Et maintenant le GPS associé à GALILEO va offrir de nouveaux services et donc de nouveaux métiers et de l'emploi. Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER