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

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

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

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

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

Étude descriptive de la localisation par GPS 6 Le Secteur UTILISATEUR  N’envoient aucune information au satellite Récepteurs passifs Ensemble des utilisateurs civils et militaires  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 7 Détermination de la position Un repère géocentrique à 3 dimensions Une constellation de satellite (minimum 4 satellites visibles) Système GPS : Pour se positionner le récepteur utilise les satellites comme des points de repère dans le ciel. Si le récepteur connaît : et les 3 distances qui le sépare des 3 satellites, les positions de 3 satellites (leurs coordonnées dans le repère)  Alors, il pourra se positionner dans le repère en 3D par trilatération

Étude descriptive de la localisation par GPS 8 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 9 Position des satellites et distance ? ses éphémérides (informations très précises sur son orbite) son identifiant l’heure précise d’envoi du message (horloge de bord du satellite) Chaque satellite envoie des messages répétés à intervalle régulier : Durée du trajet des signaux X vitesse de la lumière = distance satellite - récepteur 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 Pour connaître la position du satellite, le récepteur utilise les éphémérides qui sont valables 4 heures.

Étude descriptive de la localisation par GPS 10 Pourquoi un 4 ème satellite ? Heures satellites très précises et synchronisées Erreur systématique sur mesure du temps de trajet des signaux Délai d’horloge entre satellites et récepteur Heure récepteur peu précise (coût) 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 11 Restriction de l’accès au service SPS (Standard Positioning System)  Disponibilité sélective activée entre juillet 1991 et mai 2000 Précision limitée volontairement ( ≃ 100 m) Accessible à tout le monde PPS (Precise Positioning System) Crypté et réservé aux militaires américains et à leurs alliés Précision élevée ( ≃ 10 m)  Depuis précision pour les civils ( ≃ 10 m)  Remise en service possible (à tout moment, globalement ou localement) Émis sur les porteuses L1 et L2 Émis sur la porteuse L1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Étude descriptive de la localisation par GPS 21 Récepteur GPS

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

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

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

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

Étude descriptive de la localisation par GPS 26 Interfaces matérielles

Étude descriptive de la localisation par GPS 27 Protocole NMEA 0183 National Marine Electronics Association Utilisé également par d’autres systèmes de navigation Données transmises en série sur 8 bits (1, 1, N) Protocole de transmission des données de navigation 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 28 Type de trames NMEA Trames identifiées par 3 lettres

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

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