M1 STIC/Elec Cours de Transmission des informations Étude descriptive de la localisation par GPS Étude descriptive de la localisation par GPS 1

GPS: système de positionnement global par satellite Introduction GPS: système de positionnement global par satellite Qui indique à un utilisateur : sa position précise en 3D (latitude, longitude et altitude) 24h/24 et partout dans le monde l’ heure universelle UTC avec une très grande précision sa direction et sa vitesse Réseau de satellites, milieu des années 70 par le DoD Objectif initial militaire mais ouverture civile en 1993 Nombreuses application (ex : navigation routière assistée) Étude descriptive de la localisation par GPS 2

Technologie (les 3 segments du GPS) Bande L Bande S Étude descriptive de la localisation par GPS 3

Le segment SPATIAL Constellation Satellite 28 satellites en orbite autour de la terre répartis sur 6 orbites inclinées de 55° / équateur Altitude ≃ 20 200 Km Période de révolution ≃ 12 heures (pas géostationnaires !) Minimum 4 satellites visibles partout Satellite Horloge de bord extrêmement précise (horloges atomiques) 2 Porteuses L1 (1575,42 MHz) et L2 (1227,6 MHz) Étude descriptive de la localisation par GPS 4

Piloter, contrôler et surveiller les satellites depuis la terre Le segment de CONTRÔLE Piloter, contrôler et surveiller les satellites depuis la terre Composé de 5 stations terrestres Étude descriptive de la localisation par GPS 5

Le Secteur UTILISATEUR Ensemble des utilisateurs civils et militaires Récepteurs passifs N’envoient aucune information au satellite Nombre d’utilisateurs illimité Utilisation anonyme et gratuite Pour la géolocalisation, il faut un autre moyen de communication Étude descriptive de la localisation par GPS 6

Détermination de la position Système GPS : Une constellation de satellite (minimum 4 satellites visibles) Un repère géocentrique à 3 dimensions Pour se positionner le récepteur utilise les satellites comme des points de repère dans le ciel. Si le récepteur connaît : les positions de 3 satellites (leurs coordonnées dans le repère) et les 3 distances qui le sépare des 3 satellites, Alors, il pourra se positionner dans le repère en 3D par trilatération Étude descriptive de la localisation par GPS 7

3 distances par rapport à 3 satellites = Trilatération ? 3 distances par rapport à 3 satellites = 3 sphères centrées sur les 3 satellites. Position du récepteur = Intersection des 3 sphères Étude descriptive de la localisation par GPS 8

Position des satellites et distance ? Chaque satellite envoie des messages répétés à intervalle régulier : son identifiant ses éphémérides (informations très précises sur son orbite) l’heure précise d’envoi du message (horloge de bord du satellite) Pour connaître la position du satellite, le récepteur utilise les éphémérides qui sont valables 4 heures. Pour mesurer la distance qui le sépare du satellite, le récepteur compare l’heure de réception et l’heure d’envoi du message, afin de connaître la durée de trajet des signaux Durée du trajet des signaux X vitesse de la lumière = distance satellite - récepteur Étude descriptive de la localisation par GPS 9

Pourquoi un 4ème satellite ? Heures satellites très précises et synchronisées Heure récepteur peu précise (coût) Délai d’horloge entre satellites et récepteur Erreur systématique sur mesure du temps de trajet des signaux qui se reporte sur la distance mesurée satellite–récepteur (pseudo distance) 4ème satellite  4ème pseudo-distance Résoudre un système de 4 équations à 4 inconnues (latitude, longitude, altitude et délai d’horloge) Étude descriptive de la localisation par GPS 10

Restriction de l’accès au service PPS (Precise Positioning System) Émis sur les porteuses L1 et L2 Précision élevée (≃ 10 m) Crypté et réservé aux militaires américains et à leurs alliés SPS (Standard Positioning System) Émis sur la porteuse L1 Accessible à tout le monde Précision limitée volontairement (≃ 100 m) Disponibilité sélective activée entre juillet 1991 et mai 2000 Depuis précision pour les civils (≃ 10 m) Remise en service possible (à tout moment, globalement ou localement) Étude descriptive de la localisation par GPS 11

Précision et limites du signal civil Précision (atteinte dans 95 % des cas et sans disponibilité sélective) Précision horizontale < 13 m Précision verticale < 22 m Précision sur l’heure universelle UTC ≃ 40 ns Amélioration de la précision GPS différentiel (DGPS) Limites du système Ne fonctionne pas à l’intérieur des bâtiments et sous les tunnels Fonctionne mal dans les zones urbaines denses et dans les forêts Étude descriptive de la localisation par GPS 12

Liaison satellite - récepteur Signal civil sur porteuse L1 : Émission du satellite = 21,9 W (+13,4 dBW) Atténuation du signal dans l’espace ≃ -185 dB Puissance du signal reçu très faible = -160 à –153 dBW Tous les satellites émettent sur la même fréquence Étude descriptive de la localisation par GPS 13

1 code par communication (1 code par satellite) Multiplexage CDMA 1 code par communication (1 code par satellite) Code = séquence de bruit pseudo-aléatoire Étalement de spectre Résistant au brouillage volontaire (système militaire) Résistant aux interférences Étude descriptive de la localisation par GPS 14

Le code pseudo aléatoire Code C/A SPS 1,023 MHz Séquence connue de 1023 bits Durée 1 ms Étude descriptive de la localisation par GPS 15

Génération du code C/A par le satellite Étude descriptive de la localisation par GPS 16

Génération du signal par le satellite Étude descriptive de la localisation par GPS 17

Aspect des signaux générés Étude descriptive de la localisation par GPS 18

Le message de navigation Flot continu de données à 50 bits par secondes Heure de bord du satellite et correction horloge Informations sur la santé du système Éphémérides (du satellite) transmises toutes les 30 secondes Almanach (tous les satellites) complet transmis en 12 minutes et 30 s ! Étude descriptive de la localisation par GPS 19

Fonctionnement d’un récepteur Génération de code C/A identique à celui du satellite Décalage Comparaison Étude descriptive de la localisation par GPS 20

Récepteur GPS Étude descriptive de la localisation par GPS 21

Rôle : Convertir ondes électromagnétiques en signaux électriques Antennes Rôle : Convertir ondes électromagnétiques en signaux électriques 2 types d’antennes : Antennes passives Antennes actives Étude descriptive de la localisation par GPS 22

Antenne Hélice et Quadri-Hélice Antennes passives Antenne Patch Forme plate Métal ou céramique Antenne Hélice et Quadri-Hélice Forme cylindrique Gain faible : ≃ 3 dB Étude descriptive de la localisation par GPS 23

Alimentée par le récepteur Antennes actives Patch et Hélice LNA Alimentée par le récepteur Gain élevé : de 16 à 30 dB Étude descriptive de la localisation par GPS 24

Modules de réception GPS ≃ 4 MHz ≃ 100 MHz Processeur en bande de base Étage d’entrée RF ≃ 1575 MHz ≃ 1472 MHz Étude descriptive de la localisation par GPS 25

Interfaces matérielles Étude descriptive de la localisation par GPS 26

National Marine Electronics Association Protocole NMEA 0183 National Marine Electronics Association Protocole de transmission des données de navigation Utilisé également par d’autres systèmes de navigation Données transmises en série sur 8 bits (1, 1, N) Caractères ASCII imprimables Format identique pour toutes les trames (extraction facilitée) Longueur des trames variables (longueur maxi = 82 caractères) Étude descriptive de la localisation par GPS 27

Trames identifiées par 3 lettres Type de trames NMEA Trames identifiées par 3 lettres Étude descriptive de la localisation par GPS 28

Exemple de phrase NMEA $GPGLL,4916.46,N,12311.12,W,225446,A*4F 4916.46,N : Latitude = 49°16’46 Nord 12311.12,W : Longitude =123°11’12 West 225446 : Heure = 22h54 et 46 secondes A : Validité des données (A=OK, W=Warning) *4F : Checksum = 0x4F Étude descriptive de la localisation par GPS 29

GPS actuellement très utilisé : Conclusion GPS actuellement très utilisé : Miniaturisation et réduction de la consommation des modules de réception le GPS devrait s’imposer dans nos téléphones portables et occuper une place de plus en plus grande dans notre vie GPS sous contrôle américain de plus en plus dépendant des États-unis En attendant, Galileo système européen de positionnement par satellite entièrement civil qui sera opérationnel en 2010/2011. Étude descriptive de la localisation par GPS 30