Géo-positionnement et Systèmes d’information géographique

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1 Géo-positionnement et Systèmes d’information géographique
DRT Génie informatique Géo-positionnement et Systèmes d’information géographique - Baptiste Burles - DRT GI. enseignement EA master 2003.

2 DRT GI. enseignement EA master 2003.
Sommaire 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement Je vais parler des technologies utilisé pour se positionner ainsi que des techno Pour récupérer des infos DRT GI. enseignement EA master 2003.

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1 - Technologies de positionnement GPS : Global Positioning System Historique Structure et composantes GPS Principe de positionnement Fonctionnement : fréquence, codage, transmission… Technologies complémentaires et alternatives Première techno : le GPS. Je vais détailler plusieurs point. Présentation de l’histoire générale Puis de la structure du système, ensuite je vais détailler le principe utilisé pour se positionner Enfin je vais décrire le fonctionnement : fréquence utilisé, codage de l’info, transmission Enfin, système US ! Quel son les techno alternatives. DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GPS : Historique Étude lancé dans les années 70 par le DoD. Objectif : un système de repérage globale. Février 1978 : premier satellite GPS. 1983 : Signaux GPS accessible aux civils. 1990 : Précision dégradé. 1994 : GPS déclaré opérationnel. 2000 : Les restrictions d’accès sont supprimées. 1983 : 100 mètres 95 % des cas. 2000 : 10 mètres. DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GPS : Structure Le segment spatial : 24 satellites à km. Révolution en 12 heures. Horloge atomique pour énergie et précision. Transmet signaux horaires et éphémérides. Le segment de contrôle : 5 stations terrestres. Suivi des satellites. Corrections des erreurs de position. Le segment utilisateur : récepteur GPS Mesure distance récepteur – satellite. Calcul position utilisateur. 24 satellites : sur 6 plans orbitaux pour couvrir la terre entière. Cependant pas de garanti que l’utilisateur est 3 sait nécessaires. Éphémérides : orbites suivis par satellites. Segment contrôle : Base militaire sur surface du globe (sur îles) Positionnement des satellites par tuyères des sat pour correction. DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GPS : Principe de positionnement Principe : Utilisation des coordonnées des satellites X2,Y2,Z2 et T2 X,Y,Z et T X1,Y1,Z1 et T1 X3,Y3,Z3 et T3 R1 R2 R3 Sur coordonnées : satellites ont une position Xi Yi et Zi et un temps référence Ti. La position et le temps peut être corrigé par les stations au sol. Utilisateur a 4 inconnus X Y Z et T. Que l’on obtient par une triangulation avec les données des satellites (position et temps). Plus on a de satellites, plus on a une bonne précision. DRT GI. enseignement EA master 2003.

7 GPS : Fréquence et codage
Fréquence de communication : 1783 MHz 2275 MHz Segment utilisateur : L MHz en BPSK L MHz en QPSK. Segment de contrôle Codage de l’information (segment utilisateur) : Modulation BPSK ou QPSK Ou exclusif Données Code P Code C/A Chaque satellite a son propre code C/A (coarse acquisition ) et code P (protected). BPSK = Bynary Phase Shift Keing. 0 = une phase 1 = une autre phase. QPSK = Quadra Phase Shift Keing. 2 symboles binaires par phase. Prend moins de bande passabte par rapport au BPSK. Étalement de spectre (numérique) sur 20 MHz. A la transmission : Codage puis modulation. Les codes sont générés par des polynômes connus. Taille des codes 1024 bits. OU EXCLUSIF : 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GPS : Transmission et réception Transmission : 5 trames de 30 bits (temps UTC, position satellite, état satellite…) sont envoyées. Les trames sont codées par le code C/A et le code P. Réception : Le récepteur civil connaît tous les codes C/A des 24 satellites Auto corrélation entre le signal reçu et un signal interne généré par récepteur. Ce signal interne est obtenu entre horloge récepteur et choix d’un code C/A. Enfin, décodage et vérification de la cohérence des informations. Coté reception : Aucorr : TF = intégrale du signal par le signal décalé dans le temps. Le but : retrouver la plus forte puissance : donc récepteur doit générer un signal avec horloge interne du recepteur puis auto corréler ce signal avec le signal reçu si puissance à la fréquence L1 ou L2 alors OK. Transition avec prochain transparent : transmission et émission a travers atmosphère, calcul précèdent genre erreur … d’où quel est la précision GPS ? DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GPS : Sécurité Dégradation du signal : Par envoi de position satellites erronés pour une région donnée Par désynchronisation des horloges des satellites Codage de l’information par des codes permet : de limiter l’accès aux alliés (OTAN) d’éviter le brouillage de l’information : anti spoffing mais des brouilleurs existent : phrack… Depuis 2000, code P est connu : Précision de +/- 3 mètres pour les civils sans restriction. Militaires ont introduit un nouveau code pour une meilleure précision (code Y) DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GPS : NMEA NMEA : National Marine Electronic Association. Récupération des données : standard NMEA 0183 Format textuel : envoi sur liaison série. Exemple de trame NMEA : $ ID MSG ,D1,D2,D3,…Dn * CS [CR][LF] Message id terminateur Début du msg delimiter Talker id (GP pour GPS) Ckecksum 2 hexa for 8 bits Msg data fields DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : IUT Valence. Denis Genon Catalot.

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GPS : Conclusion Très bonne précision si les conditions sont réunies : plus de 3 satellites. horloge synchronisé. antenne récepteur en terrain découvert. Mais : Coût de l’ordre du milliard de dollar par an. Ne fonctionne pas en environnement fermé (bâtiment) Technologies contrôler par armée américaine. En cas de crise quel peut être l’accès ? DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GPS : Les technologies alternatives GLONASS : GLObal Navigation System Premier satellite lancé en 1982 par URSS Similaire au GPS américain Aucune détérioration du signal civil Mais système à l’abandon depuis la fin de l’URSS (6 satellites…) Aide à la navigation aérienne : But : accroître la précision et la fiabilité du GPS pour la navigation aérienne et maritime Programme EGNOS (Europe) : Utilise les signaux du GPS et du GLONASS Corrections par 3 satellites européens et des stations au sol Programme similaire : WAAS américains (Wide Area Augmentation System) et MSAS japonais (MT Sat - Based Augmentation System) DRT GI. enseignement EA master 2003.

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Le GPS européen : Galileo Pourquoi un GPS européen : problème de la couverture satellite (plus de 3 satellites nécessaires) problème d’accès en cas de crise indépendance de l’Europe (emploi, recherche) Structure générale de Galileo (en 2005) : 30 satellites dont 3 de secours 2 centres de contrôles Galileo en Europe 20 stations de télémesures réparties sur la terre L’utilisateur est en mesure de recevoir des données d’au moins 2 satellites à tout instant DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : European Space Agency.

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Le GPS européen : Galileo Fréquence et type de signal : 4 fréquences : 1202 MHz, 1278 MHz, 1561 MHz et 1589 MHz. Différents signaux accessibles : signal d’intérêt général : accessible sans autorisation signal commercial : accès payant, protégé par des clés d’accès signal d’intérêt public : accès restreint à la navigation aérienne, aux militaires, aux péages routiers, aux sauvetages. La réception se fait par un récepteur spécifique. Récupération des données : Au format XML sur les récepteurs. Ground Segment Data Model & Data Standard (GXML) DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : European Space Agency.

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Plan 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003.

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2 - Communication mobile : le GSM Objectif du GSM Généralités : notion de cellule, itinérance… Code de l’information : fréquence et sécurité Architecture du système Description des éléments du système DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : Objectif GSM : Global System for Mobile Communication Utilisation d’une liaison radio entre le téléphone et le réseau Cette liaison radio doit permettre : l’itinérance (roaming) de l’utilisateur à travers le réseau la communication en tout point du réseau : nécessité de réaliser un transfert intercellulaire (handover) Mais : problème de confidentialité : diffusion des ondes radios coût de la fréquence radio : ressource limitée interférences du milieu de l’utilisateur mobile : système embarqué : peu de puissance DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : Généralités Nécessité d’une installation fixe pour gérer l’itinérance et le transfert L’opérateur doit installer des antennes fixes Chaque antenne définie une cellule Toutes les antennes définissent une zone de couverture propre à l’opérateur Les cellules sont de taille variable : macro cellule : 1 à 35 Km micro cellule : 100 m à 1 Km pico cellule : 10 à 100 m DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : Généralités Les cellules : chaque cellule a sa fréquence de communication pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer entre les cellules : technique SDMA F1 F2 F3 Cellule Space Division Multiple Access : schéma d’attribution des fréquences But : les cellules adjacentes ne doivent pas avoir la même fréquence de communication DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : Digitel Espagne.

20 GSM : Généralités Gestion du transfert intercellulaire : B A C
Couverture radio des cellules MOBILE Zone de couverture de la cellule A C B Puissance en dB Temps Cellule A cellule B Cellule C DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : Digitel Espagne.

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GSM : Codage de l’information GSM utilise : la bande 890 – 915 MHz pour antenne vers mobile la bande 935 – 960 MHz pour mobile vers antenne GSM partage l’accès aux fréquences : FDMA (Frequency Division Multiple Access) 124 canaux de 200 KHz TDMA (Time Division Multiple Access) 8 tranches de ms par canaux DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : Codage de l’information Sécurité des transmissions assuré par : un numéro secret pour l’authentification : International Mobile Subscriber Identity un clé d’authentification Ki (128 bits) une clé de chiffrement Kc (64 bits) 3 algorithmes de chiffrement sont utilisé dans le GSM : A3, A8 et A5 Les algorithmes sont secret ! But : éviter la fraude et l’écoute des communications Mais : chiffrement intervient pour la partie radio uniquement Traçage de l’utilisateur par les numéros de session dans les bases de l’opérateur DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : Architecture Le GSM est organisé de la façon suivante : le système radio mobile (Mobile Station) : l’utilisateur le système de gestion radio (Base Station Subsystem) : l’antenne le sous système réseau (Network Switching Subsystem) interconnexion des antennes le système de gestion réseau (Network Management Subsystem) : supervision du réseau L’ensemble forme le Public Land Mobile Network DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : Architecture PLMN NMS NSS MSC MSC BSS BSC BSC BTS BTS BTS BTS BTS BTS BSS : sous partie radio NSS : sous parties réseau BTS MS DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : Digitel Espagne.

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GSM : la partie MS la partie mobile du système : un terminal une carte à puce Subscriber Identity Module liaison radio avec le réseau La carte SIM contient : les infos liées à la sécurité (IMSI, clé,…) les infos personnelles de l’abonné (annuaire) la carte SIM permet de changer de terminal Un seul numéro connu de l’extérieur : numéro d’appel du mobile DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : la partie BBS La partie BSS comprend : Base Transceiver Station : L’antenne gère la liaison radio antenne – mobile gère la couche physique et liaison de donnée BSC BTS Base Station Controler : Organe intelligent du BSS Allocation des canaux de communication Gestion itinérance et transfert communication DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : la partie NSS et NMS Le sous système réseau NSS : le MSC commutateur MSC : Mobile-services Switching Center donne accès aux base de données du réseau supervise plusieurs BSC assure l’interconnexion des BSC, la mobilité, le transfert intercellulaires peut servir de passerelle vers d’autres réseaux Le système de gestion réseau NMS : gestion et exploitation du réseau regroupe les base de données des abonnés et des infos de sécurité (clé, numéro SIM…) DRT GI. enseignement EA master 2003.

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GSM : Conclusion Le système GSM : couvre les zones terrestres nécessite une infrastructure lourde permet d’envoyer/recevoir la voix et des messages court (SMS) évolue vers des systèmes plus interactifs web, mail, agenda… nouvelle norme : UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) , WAP, GPRS (General Packet Radio Service) DRT GI. enseignement EA master 2003.

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Plan 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003.

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Application GPS et GSM GPS : application de positionnement : Navigation civile : localisation navire, aide au positionnement des avions, assistance à la conduite, secours… Relevé topologiques et étude des mouvements terrestres Militaire : navigation, guidage d’armement, localisation des troupes… DRT GI. enseignement EA master 2003.

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Application GPS et GSM Application GPS et GSM : But de marier les 2 systèmes : Localisation (GPS) et envoie d’informations (GSM) Gestion de flotte à distance (location de camion, parc de bus urbain…) Traçabilité : gestion de stock à distance, de pièce détaché mais problème de la couverture GSM… DRT GI. enseignement EA master 2003.

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FIN Des remarques ? Des questions ? DRT GI. enseignement EA master 2003.