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.
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.
2.2.1. 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.
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.
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.
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
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.
2.7.1. 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 :
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)
2.8.1. 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.
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.
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.
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