G.P.S.

Encore des initiales barbares qui masquent la fin programmée du supplice de la carte routière, destinée au glorieux archivages de ces objets qui ne le seront plus…

Mais alors, me diras -tu, comment se repérer au milieu du Sahara en pleine tempête de sable ? Michelin n’étant plus et préférant attendre Dieu, Allah, Yahvé et consorts, que faire ? Bill Gates ?

Le chercheur dans sa grande sagesse a décidé de limiter le boulot de l’au delà et a inventé un nouveau système qui évitera dans un proche avenir les inévitables conflits sur la route des vacances : le GPS.

Nul besoin d’ une intervention divine pour te sortir dorénavant d’une situation compromettante, l’explication est bien plus humaine et voici le début de la réponse.

I. HISTORIQUE DES SYSTEMES DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE

 

La radionavigation a pris un nouveau cap avec l'arrivée des systèmes de navigation par satellites G.N.S.S (Global Navigation Satellite System).

Il existe actuellement deux systèmes candidats pour remplir les fonctions du GNSS : le système militaire américain NAV.S.T.A.R-G.P.S (NAVigation System Time And Ranging - Global Positioning System) et le système soviétique GLO.NA.S.S(GLObal NAvigation Satellite System).

Ces systèmes ont des potentialités très importantes, car ils allient pour la première fois des qualités exceptionnelles : navigation tridimensionnelle, couverture quasi mondiale et quasi permanente, précision de localisation, nombre d'utilisateurs illimités et coût très faible du service.

Les spécifications de l'époque imposèrent au système GPS de fournir à un utilisateur autorisé une information précise de position, de vitesse et de temps, à tout instant et en tout point sur le globe.

Le succès scientifique et opérationnel du GPS est universel, mais la tutelle du gouvernement des Etats-Unis rend le monde entier dépendant d'un seul état. Or la nécessité d'utiliser les satellites pour les opérations de positionnement et de navigation est un phénomène désormais irréversible.

Pour échapper à cette dépendance les instances internationales, ainsi que certains états, évoquent l'idée d'un ou plusieurs GNSS.

Par abus de langage, le terme "Système G.P.S." est utilisé à la place de son nom initial NAV.S.TA.R.- G.P.S. Donc on utilise le système américain.

 

II. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS

2.1 – ARCHITECTURE DU SYSTEME

2.1.1. Le Segment Spatial

               La constellation GPS est constitué de 24 satellites (Space Vehicles SVs) maintenues en orbite dont 21 garantis disponibles en permanence. Le terme " constellation " implique une orbite circulaire inclinée : le satellite est en orbite autour de la terre et maintient un rayon constant par rapport au centre de la terre, et une vitesse constante.

               Ces satellites défilent par rapport à la terre dans des plans qui font des angles plus ou moins grands avec le plan équatorial terrestre.

               La période orbitale de chaque satellite est de 12 heures. Le nombre, l'altitude des satellites et l'inclinaison des plans des orbites sont choisis de telle sorte qu'à tout instant, en tout point de la terre, on puisse voir le nombre de satellites minimal pour l'utilisation envisagée.

               6 plans orbitaux sont définis (4 satellites par plan également espacés de 60°, formant un agke de 55° avec l’équateur), et le même trajet est répété toutes les 24 Heures. Ainsi, sur n’importe quel point de la planète, de 5 à 8 satellites sont toujours visibles.

               4 satellites sont nécessaires pour avoir un positionnement tri dimensionnelle et la vitesse d’un récepteur.

                                            

                       

           

 Le satellite : caractéristique

·        Durée de vie : 7 ans et demie

·        Masse : 815 kg

·        Puissance embarquée : 700 w en fin de vie

·        2 antennes : une bande L pour la localisation et une bande S pour la télémesure

·        2 horloges au césium.

·        2 horloges au rubidium.

2.1.2. Le Segment de Contrôle

Comme son nom l’indique, ce segment permet de dialoguer avec les satellites :

·         Réception des données du satellite

·         Calcul des éphémérides(données orbitales) et correction d’horloge

·         Contrôle des satellites et échange des données avec les autres stations

·         A partir des calculs précédents, il transmet au satellite les corrections qu’il doit adopter

Il existe 5 stations de surveillance (monitor stations) dispersées dans le monde : Hawaï, Ascension, Diego Garcia, Kwajalein, Colorado Springs ; 4 stations de réémission (up load stations) : idem sauf Hawaï. Colorado Springs est la station principale (master control station) :elle gère toutes les transmissions ainsi que les calculs (Ephémérides et horloge de chaque SV).

2.1.3. Le Segment Utilisateur

Ce segment se compose essentiellement des utilisateurs ainsi que de leurs récepteurs. Nous aborderons ce thème dans le chapitre Applications.

 

2.2 - LES SIGNAUX EMIS PAR LES SATELLITES GPS

2.2.1. Modulation

Chaque satellite émet simultanément sur deux fréquences porteuses, l'une à 1575.42 Mhz (L1), l'autre à 1227.6 Mhz (L2). Le signal est modulé en modulation de phase.

 

3 codes binaires modulent la phase de la porteuse :

o       C/A code (Coarse Acquisition).Utilisé pour la modulation de L1, il répète à 1 MHz le PRN (pseudo Random Noise, code de 1023 bits).

o       P-Code (Précis). Utilisé pour le PPS (donc les bidasses), il s’agit d’un message PRN long (7jours) de 10 MHz. C’est le décodage antispoofing (AS).

o       Message de navigation pour L1 (à 50 Hz).

 

2.2.2. Message de navigation

Chaque satellite GPS émet un message de navigation, qui contient toutes les données nécessaires au récepteur pour effectuer tous les calculs de navigation (Orbite du satellite, correction d’horloges…).

Ce message est une suite de données binaires transmises en mode série à 50 bits/s (50 Hz, soit 0.02s /bit). Il est composé de 5 sous-trame de 300 bits chacune. Donc pour chaque sous trame il faut (300*0.02 = 6s). Une trame comporte donc 1500 bits et il faut 30 secondes au récepteur pour l’acquérir entièrement.

Ces données comprennent :

2.2.3. PRN

La durée d’un bit est de 1µs (1MHZ) (soit un créneau NAV de 2000 bits PRN).

32 codes PRN sont disponibles, que l’on doit comparer au signal reçu afin de pouvoir décoder le message de navigation.

On effectue une coréllation entre le signal reçu et le PRN testé.

  

Ensuite nous démodulons le Message Nav de 50 Hz.

2.3 - ACQUISITION DU SIGNAL

 

Le signal reçu diffère du signal émis pour plusieurs raisons :

La conception du récepteur doit tenir compte des incertitudes des signaux et de leurs variations.

Le signal GPS présente de nombreux avantages essentiellement liés à sa non-détérioration lors de l'émission et de la propagation, mais il est également facile à acquérir, à décomposer et est riche en informations.

 

2.4 - LA SYNCHRONISATION D'HORLOGES

Les satellites de la constellation Navstar comportent des horloges atomiques qui sont quotidiennement remises à l'heure par les stations de contrôle de l'armée américaine.

Il est donc possible à l'utilisateur de régler également son horloge sur cette heure précise.

Le calcul de positionnement fournit la valeur de l'imprécision dT de l'horloge utilisateur par rapport à l'heure du système GPS donnant le moyen de corriger cette première.

 

2.5 - DETERMINATION DE LA POSITION

 

Le principe du positionnement GPS est très proche du principe de triangularisation. On mesure la distance entre l'utilisateur et un certain nombre de satellites de positions connues.

On définit ainsi des sphères centrées sur des satellites et dont l'intersection donne la position. Le récepteur GPS est capable d'identifier le satellite qu'il utilise à l'aide du signal pseudo aléatoire émis par chaque satellite.

Il charge, à l'aide de ce signal, les informations sur l'orbite et la position du satellite. Pour mesurer la distance qui sépare le satellite du GPS, on mesure le temps T mis par le signal pour aller de l'un vers l'autre.

Le signal voyageant à la vitesse de la lumière, la distance recherchée est donnée par :

d = c.T

 

La mesure de T nécessite une manipulation : Le satellite et le récepteur émettent tous deux au même instant(instant réglé sur l'horloge générale du système GPS) le code pseudo aléatoire PRN (le récepteur en génère une réplique).

Le récepteur retarde ensuite le début de cette émission jusqu'à ce que son signal se superpose avec celui provenant du satellite. La valeur de ce retard est ainsi le temps mis par le signal pour se propager du satellite jusqu'à l'utilisateur. 

 

L'utilisation de cette méthode avec trois satellites permet alors à l'utilisateur de déterminer ses distances R1, R2 et R3 par rapport à trois satellites de positions connues.

Ainsi, si (x, y, z )sont les coordonnées de l'utilisateur et ( xi, yi, zi) celles des satellites, on obtient le système de trois équations à trois inconnues ci-dessous dont la résolution aboutit aux coordonnées de l'utilisateur.

R12= (x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2

R22=(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z3)2

R32= (x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2

 

Ti correspond à la durée du trajet reliant le satellite au récepteur. (Ri = c. Ti), c = 3.333*108

2.6 - LA DETERMINATION DE LA VITESSE

 

Le système GPS permet également de mesurer la vitesse à laquelle se déplace l'utilisateur. Cette évaluation se fait par mesure de Doppler sur le signal provenant d'un satellite GPS.

Le principe de Doppler explique pourquoi la sirène d'une ambulance paraît plus aiguë quand elle s'approche d'un observateur et plus grave si elle s'éloigne de lui. En effet, le signal perçu par le récepteur GPS n'a pas exactement la même fréquence que lorsqu'il est généré par le satellite.

Suivant le principe Doppler, le rapport des fréquences est fonction des positions et des vitesses relatives du satellite et de l'utilisateur.

La vitesse du satellite est calculée à partir de l'éphéméride transmis par celui-ci et les coordonnées sont calculées lors de la détermination de la position.

 

2.7 - LA PRECISION DU SYSTEME

 

2.7.1. Les causes involontaires de dégradation et leur compensation.

Le principe de positionnement Navstar étant une triangulation, deux facteurs interviennent directement dans l'erreur sur la position finale :

                                       

La précision finale de localisation peut s'exprimer comme le produit de l'erreur de distance équivalente et du facteur représentatif de la qualité de la géométrie satellites-utilisateur : Erreur de position = (U.E.R.E) * (G.D.O.P)

 

Source d'erreur

erreur sur la mesure du temps

(en nanosecondes)

erreur sur la distance

(en mètres)

Synchro. Sur l'horloge GPS

3

1

Connaissance position du satellite

4.5

1.5

Traversée de l'ionosphère

9

3

Stabilité horloge utilisateur

3

1

Précision de la résolution équations

3

1

Contributions dynamique utilisateur

4.5

1.5

Total (compensé)

12.6

4.2

 

Cette erreur totale de 4.2 m associée à une valeur pessimiste du G.D.O.P de 6 donne une erreur approximative sur la position finale de 25 m.

 

2.7.2. La dégradation volontaire de la précision

Deux précisions sont disponibles sur le GPS. Une pour les militaires, le PPS (Precise Positioning Service) et l’autre volontairement dégradée le SPS (Standard Positioning Service) pour les civiles.

 

 

PPS

SPS

Précision Horizontale (m)

22

100

Précison Verticale      (m)

23

156

Précision Horloge       (ns)

100

340

 

De plus, le SPS a 0.3 mètres par seconde d'incertitude sur la vitesse.

La précision du système russe Glonass semble légèrement supérieure.

L'armée américaine dispose de plusieurs moyens de dégradation de la précision du positionnement :

 

2.7 – DGPS

Il existe une version améliorée de ce système qui permet d’obtenir une précision pouvant descendre en dessous de 10m. C’est le DGPS (GPS Différentiel).

Son principe est basé sur le fait qu’il est raisonnable de considérer que deux positions mesurées par le système GPS, à un instant donné, distantes l’une de l’autre de moins de 100 km, présentent la même erreur.

En partant de cette hypothèse, si on effectue régulièrement une mesure à un point donné, dont on connaît parfaitement la position, il est possible de calculer cette erreur et de la transmettre à tous les véhicules en mouvement dans un rayon de 100 km pour qu’ils puissent en tenir compte lors de leur calcul de position.

Pour que le système soit efficace, il faut que les mobiles reçoivent les informations de correction à intervalles réguliers, le plus souvent possible. Les périodes d’envoi qui permettent d’obtenir des résultats intéressants (précision < 10m) sans trop surcharger le réseau radio se situent entre 20s et 30s.

Les courbes suivantes représentent les mesures qui ont été faites toutes les 10s, pendant une nuit entière, en un point fixe. La première correspond à des mesures en GPS " normal "; les mesures présentent une erreur qui peut atteindre 80m.

La deuxième correspond à des mesures en mode différentiel, en envoyant les corrections toutes les 20s ; les erreurs de mesure sont alors pratiquement toutes inférieures à 10m.

            

GPS " normal "                                                      GPS Différentiel (DGPS)

 

2.8 - PROTECTION ET INTEGRITE DU SYSTEME :

2.8.1. Protection contre la destruction :

L'altitude des satellites de 20 200 km est une distance qui demande des ressources considérables pour une destruction physique unitaire. De plus, l'espacement entre les satellites est optimisé pour éviter une destruction multiple.

A titre de comparaison, les satellites du système russe Glonass ont une altitude d'orbite équivalente mais leur position coïncide avec celle d'un de leurs homologues toutes les trois heures, les exposant ainsi au risque d'une destruction double.

2.8.2. Protection des télécommunications :

Le signal de recalage et d'entretien des satellites Navstar émis par la station de contrôle est chiffré.

Le signal de navigation est normalement protégé du brouillage par un très fort étalement du spectre et toute émission à haut niveau d'énergie supérieure au bruit est discriminée comme un brouilleur.

2.8.3. Intégrité du système :

On définit l'intégrité d'un système comme sa capacité à prévenir l'utilisateur en temps opportun lorsque le système ne doit pas être utilisé parce que ses performances sont trop dégradées.

Un satellite Navstar peut émettre de fausses informations pendant deux heures avant d'être réparé ou neutralisé. Dans ce cas, les très nombreux utilisateurs simultanés de ce satellite non intègre se positionnent mal à leur insu.

Le segment de contrôle qui analyse l'ensemble des signaux destinés aux utilisateurs détecte un dysfonctionnement avec un délai de 15 à 20 minutes. Une heure supplémentaire est nécessaire pour charger un nouveau message de navigation vers le satellite incriminé.

 

III. APPLICATIONS DU GPS  

 

La navigation en temps réel est l'une des applications élémentaires et principales du GPS. Tout objet mobile muni d'un récepteur GPS peut connaître en temps réel sa position et sa vitesse dans un repère terrestre.

La précision attendue pour un tel mode de navigation est de 10 à 15 mètres sur sa position et de quelques centimètres par seconde sur sa vitesse si l'utilisateur utilise le code précis et une centaine de mètres dans le cas contraire.

Que ce soit sur terre, sur mer, dans les airs ou dans l'espace, ces performances excellentes et le faible coût du récepteur GPS, font de ce système un instrument de navigation très prisé.

Seule la navigation civile aérienne est encore réticente pour des raisons techniques (l'intégrité du système, c'est à dire la certitude dans un temps très court, que tel ou tel satellite fournit ou non des données correctes, n'est pas assurée, et il faut installer de lourds moyens de surveillance de la constellation GPS) et politiques ( il faut beaucoup de garanties pour faire accepter par la communauté internationale un instrument essentiel de navigation qui est entièrement dans les mains des militaires d'un pays).

Mais la navigation en temps réel est loin d'être l'unique application du GPS.

 

3.1. - APPLICATIONS MILITAIRES

 

Des essais de guidage de bombes ont eu lieu dans le désert de Yuma (Arizona, USA). Les bombes ont été larguées à une altitude de 10 000 pieds (environ 3 kilomètres). L'erreur maximale entre la déflagration et la cible initiale était en moyenne de 56 pieds (17 mètres ).

L'application directe du GPS se trouve dans l'utilisation des missiles de croisière. A priori, le système NAVSTAR n'est pas approprié au guidage de missiles intercontinentaux (ou de tous autres missiles) en terrain ennemi sur des milliers de kilomètres.

Cependant l'utilisation de la navigation par GPS permet d'accroître les performances de certains missiles utilisés par les ricains.

Les bombardiers utilisant le système NAVSTAR, pour déterminer la position de leurs cibles, peuvent potentiellement détruire de 400 à 600% d'unités ennemies de plus qu'en utilisant les systèmes de localisation habituels.

 

3.2. - APPLICATIONS CIVILES

 

Le système Navstar est financé par des organismes militaires. Pourtant, nombreuses sont les applications civiles. Le GPS présente des avantages non négligeables vis-a-vis des conditions atmosphériques mais également vis-à-vis de sa non-dépendance en luminosité (signal accessible jour et nuit). Ainsi il donne lieu à de multiples utilisations :

Certains satellites d'observation de la surface terrestre utilisent le GPS pour déterminer leur position. Le GPS leur permet de calibrer très précisément les images qui leur sont commandées. 

La constellation NAVSTAR permet un positionnement précis aux satellites de basses et moyennes altitudes mais lorsqu'on franchit les 20 200 Km d'altitude des satellites GPS, le positionnement est plus délicat.

Au delà de cette altitude on ne peut recevoir des signaux GPS que des satellites situés dans l'hémisphère opposée de celle ou l'on se trouve. La plupart de ces signaux sont cachés par la terre, ceux qui proviennent des satellites plus excentrés sont très affaiblis.

Le système GPS reste cependant exploitable pour des satellites munis d'antennes à gain très important. La géométrie des satellites utilisables n'étant pas optimum, la précision atteinte reste très en dessous de celle des satellites de basse altitude. 

Ainsi, les compagnies de transport en commun, de taxis ou encore les ambulances ou les pompiers, afin d'améliorer leur efficacité, peuvent gérer en temps réel la position de leur 'flotte' de véhicules.

Grâce au GPS, il nous est en effet possible de visualiser directement la position d'un véhicule sur un écran. Ce système de localisation automatique de véhicule s'appelle AVLS.

Un AVLS comprend :

L'AVLS doit être complétée des deux logiciels et utilise les réseaux de données existants.

Le système GPS présente plusieurs avantages pour ces applications de localisation de véhicules :

Très bientôt, nos véhicules seront tous équipés de systèmes de navigation GPS avec un système informatique embarqué permettant de donner des informations sur un chemin à suivre, sur des lieux à éviter ou à visiter et sur les conditions météo.

Ces systèmes nécessitent d'avoir une grande précision. Imaginez: en ville, si le véhicule nous dit de tourner à droite dans 100 mètres alors qu'il a lui-même une marge d'erreur de 100 mètres et sachant qu'en ville, il peut y avoir 3 ou 4 voies possibles en l’espace de 100 mètres !

Les systèmes de navigation pour automobiles font donc appel, pour une plus grande précision, à une centrale inertielle (gyroscope) et à une boussole électronique.

Avec le GPS complété de ces deux équipements, le système de navigation arrive alors à une précision record d’environ 5 mètres ! C'est l'effort à faire pour avoir un système fiable...

                        Exemple du logiciel Suivre :

SuiVRe (Suivi de Véhicules par Radio) permet la localisation et le suivi des véhicules d’une flotte. La position de chaque véhicule, calculée par un récepteur GPS (Global Positioning System), est transmise par radio à un ou plusieurs sites de suivi, pour être affichée sur un écran de contrôle.

Le site de suivi est équipé d’un Système Central incluant un poste de travail de type micro-ordinateur, un ou plusieurs émetteurs-récepteurs et éventuellement un Boîtier de Contrôle, selon le support radio. L’applicatif installé sur le micro-ordinateur permet d’afficher sur un fond cartographique vectoriel et/ou raster les positions des véhicules, de les mémoriser, de retracer un parcours sur une période donnée, etc. (Suivi de Véhicules par Radio) permet la localisation et le suivi des véhicules d’une flotte.

La position de chaque véhicule, calculée par un récepteur GPS (Global Positioning System), est transmise par radio à un ou plusieurs sites de suivi, pour être affichée sur un écran de contrôle.

Le site de suivi est équipé d’un Système Central incluant un poste de travail de type micro-ordinateur, un ou plusieurs émetteurs-récepteurs et éventuellement un Boîtier de Contrôle, selon le support radio. L’applicatif installé sur le micro-ordinateur permet d’afficher sur un fond cartographique vectoriel et/ou raster les positions des véhicules, de les mémoriser, de retracer un parcours sur une période donnée, etc.

Le Système Central peut être fourni sous une grande variété de configurations, selon les besoins : depuis un simple noyau logiciel destiné à être intégré dans des applications existantes, jusqu’à une application possédant un grand nombre de fonctions :

·        cartographie vectorielle et/ou raster (fonds Michelin, IGN...) ;

·        fenêtre détail, avec zoom avant ou arrière, et déplacement ;

·        localisation des véhicules à la demande.

·        positionnement d’un véhicule sur alarme

·        transmission de messages alphanumériques 2 x 40 caractères vers un véhicule

·        définition des véhicules selon les besoins de l’utilisateur (numéro/description/affichage/suivi) ;

·        cartographie personnalisable (ajout des sites spécifiques à l’utilisateur) ;

·        fenêtre vue d’ensemble ;

·        définition de groupes de véhicules ;

·        sauvegarde des parcours (véhicule/position/date et heure) ;

·        affichage du parcours d’un véhicule donné sur une période donnée ; annotations possibles ;

·        attribution phonie à un véhicule par menu ;

·        transmission de données (états, messages) ;

·        capacité d’extension en réseau local pour une gestion multi-services de la flotte de mobiles.

·        etc.

 

Exemple de Carte vectorielle :

Exemple de Carte raster :

 

La navigation des trains est également touchée par le syndrome du système NAVSTAR. Des systèmes avancés de voies ferrées (ARES) sont actuellement développés.

Les trains seront précisément positionnés en temps réel grâce au signal GPS. Leurs positions, par l'intermédiaire d'ondes radio 900 MegaHertz, seront relayées au central.

Celui-ci contrôlera le cheminement du train sur un écran et informera les voyageurs de tout retard en temps réel. Il pourra effectuer plus rapidement les interventions de maintenance et contrôler les correspondances entre cars et trains.

 

BIBLIOGRAPHIE

 

BIgrem –L’Artificier Inc. - 2000