Généralités GPS = Global Positioning System : système de navigation mondial composé de 3 unités (appelées segments) NAVSTAR (Navigation System by Timing And Ranging) A l’origine système militaire américain conçu dans les années 70 et mis en service par le Département de la Défense (USDoD) Le système GPS a remplacé le système TRANSIT (années 60) Couverture insuffisante Faible précision en navigation Le système GPS est déclaré opérationnel en 1994 par USDoD et mis à disposition pour des applications civiles, en particulier la géodésie L’équivalent Russe : Glonass Système Galileo (Européen) En essaie depuis 2004, OP 2010/13

(Satellites en orbite) Segment Spatial (Satellites en orbite) 27 satellites disponibles dont 4 en réserve pour remplacement - Répartis sur 6 plans orbitaux à une altitude de 20 200 km La période de révolution est de 12 heures sidérales (11h 58’) Permet à n’importe quel récepteur sur terre, à n’importe quel moment, de recevoir le signal d’ au moins 4 satellites (élévation > 15°) La durée de vie d’un satellite est d’environ 7 ans Galileo (essaie depuis 2004) Opérationnel en xxx avec 30 satellites Système Glonass en Russie Segment terrestre (Stations au sol) Stations qui suivent en permanence les satellites (segment spatial) et leur transmettent des informations : Mesure des trajectoires Mesures météorologiques et transmission à Colorado Spring (station maîtresse) Colorado Spring calcule les éphémérides et les paramètres d’horloge

Segment utilisateur (Les récepteurs) Les récepteurs reçoivent les signaux GPS - Regroupe l’ensemble des utilisateurs civils et militaires : réception et exploitation des informations provenant des satellites

Le message GPS Quelles informations? Message d’identification L’heure GPS Données brutes (distance + mesures de phases) Ephémérides sont mis à jour tous les ¼ d’heure, déterminent les paramètres orbitaux des satellites. Message de santé du satellites Le département américain de la défense peut intervenir sur les éphémérides et l’heure GPS pour diminuer la précision de la mesure (Selective Availability)

La mesure GPS 2 techniques de mesure se basant sur l’analyse du signal transmis par les satellites au récepteur : - Mesures de déphasage sur le code - Mesures de déphasage sur l’onde porteuse phases Mesures basées sur les signaux GPS émis par les satellites Chaque satellite émet deux ondes porteuses : L1 à 1572.42 MHz dont la longueur d’onde est de 19 cm et la fréquence L2 à 1227.60 avec 1 longueur d’onde de 24 cm. La stabilité est assurée par des horloges atomiques (10-12 secondes). L’horloge des récepteurs est précise de 10-5 secondes

Type de mesure 1 Mesures de codes ou pseudo-distances 2 codes : C/A (Coarse Acquisition) modulant L1 et disponible pour les civils et le code P (Precise) modulant sur les 2 fréquences porteuses (L1/L2). Ce code est crypté par l’armée américaine et possède un système anti-brouillage. Pseudo-distance est la distance Satellite-récepteur au décalage des horloges à partir d’un top horaire. La mesure de code C/A à l’avantage de donnée une position instantanée. Cependant, elle est peu précise : de l’ordre de la dizaine de mètre.

Type de mesure 2 Mesures de phase (Positionnement différentiel) Il s’agit de déterminer le nombre de tours de phase entière réalisé par l’onde porteuse pour définir la distance Satellite-Récepteur Il faut connaître la valeur entière N qu’on appelle ambiguïté de phase (nombre entier de tours de phases) Il est nécessaire de faire une initialisation au récepteur et d’un deuxième récepteur pour réaliser le différentiel On élimine ainsi les erreurs provenant des satellites, mais on perd la notion de positionnement absolu La précision est centimétrique voire inférieure entre les 2 récepteurs

Simple différence : décalage horloge satellite est éliminé Double différence : décalage des horloges des récepteurs est éliminé Triple différence : ambiguïtés entières sont éliminées (mesure à 2 époques)

Exemple de trajet multiple Les erreurs Erreurs atmosphériques (troposphère, ionosphère) Les masques Erreurs multi- trajet S/B : signal du bruit comprise entre 32 et 52. Trajet multiple, d’autres GPS à proximité, Mauvais GDOP (configuration des satellites) Erreur horloge(s) Erreurs matériel Erreurs humaine Le brouillage volontaire Exemple de trajet multiple Exemple de GDOP

Types de GPS GPS de navigation Précision environ 15 m, mesures de code Aux USA le système complémentaire d’amélioration de la précision WAAS permet une précision de 5 m. Un système équivalent sera opérationnel en 2009 : EGNOS GPS géodésique Précision centimétrique si le chantier est inférieur à 1 Km Il existe 2 types de récepteur : mono-fréquence et bi-fréquence. La différence tient au temps d’initialisation. Le mono-fréquence travaille uniquement sur l’onde porteuse L1 et le bi-fréquence reçoit sur les 2 ondes porteuses L1 et L2 On peut travailler de 2 manières : post-traitements ou temps réel. L’avantage du post- traitement est que les 2 stations sont indépendantes (pas de lien radio), mais on travaille en aveugle. En temps réel, on voit ce que l’on fait, donc détecter les erreurs pouvant survenir. Cependant, les 2 récepteurs doivent être en contact permanent soit par modem radio ou autres modes de communication.

Techniques différentielles Positionnement statique Le mode statique est réalisé avec un GPS mono-fréquence ou bi-fréquence et une initialisation est nécessaire - Statique longue durée : plusieurs heures (ou plus) sur un point pour des mesures très précises Statique rapide : initialisation de 10 à 30 minutes pour le mono-fréquence et d’environ 4 minutes pour le bi-fréquence. Mode cinématique : Sto and Go, en vol

Les systèmes géodésiques La géodésie spatiale a obligé la globalisation des systèmes de référence géographique Système géodésique GPS : WGS84 Ellipsoïde : ~GRS80 Méridien : Greenwich Projection : UTM Système géodésique français : NTF (Nouvelle Triangulation de la Fce) - Ellipsoïde : Clarke 1880 Méridien : Paris Projection : Lambert Nouveau réseau géodésique français : RGF93, calé sur le système GPS. Le système de référence est ETRS89 et l’ellipsoïde GRS80