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Le GPS Navstar : Exposé théorique

mardi 8 août 2006, par Loic


  1. HISTORIQUE DES SYSTEMES DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITES.
  2. ORBITES ET CONTRÔLES DES SATELLITES COMPOSANT LE SYSTEME NAVSTAR.
  3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS.
  4. APPLICATIONS DU GPS


Remerciements & Bibliographie
L’auteur


PROBLEMATIQUE

Créé par et pour les militaires américains, aujourd’hui accessible aux civils mais bridé en précision par ses propres créateurs quel est l’avenir du GPS ?


I)HISTORIQUE DES SYSTEMES DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE

La radionavigation est en cours de transformation radicale avec l’arrivée des systèmes de navigation par satellites G.N.S.S (Global Navigation Satellite Système). Il existe actuellement deux systèmes candidats pour remplir les fonctions du GNSS :le système militaire américain NAV.S.TAR-G.P.S (navigation system time and ranging - Global Positioning System) et le systeme soviétique GLO.NA.S.S(GLObale NAvigation Satellite System).

Ces systèmes ont un potentiel très important car ils allient pour la première fois des qualités exceptionnelles : couverture quasi mondiale et quasi permanente , précision de localisation, nombre d’utilisateur illimité et coût très faible du service.

Le système GPS est à l’origine un système de navigation par satellites imaginé par les militaires américains du DoD (departement of Defense), qui contrôle et finance entièrement le projet. Il voit le jour dans le but de remplacer le système TRANSIT/NNS.

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 satellite 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.



2)ORBITES ET CONTRÔLE DES SATELLITES COMPOSANT LE SYSTEME NAVSTAR

2.1-ORBITES DES SATELLITES NAVSTAR

Il existe essentiellement trois type d’orbites qui peuvent être employées dans les concepts ou configuration de système de navigation par satellites :

1- Orbites géostationnaires : la vitesse et la direction du satellite correspondent a peu près à la rotation de la terre de telle sorte que le satellite semble stationnaire au dessus d’un point fixe sur l’équateur. Ces orbites ne peuvent être réalisées que pour les satellites qui évoluent dans le plan de l’équateur terrestre.

Les systèmes de satellites basés sur des configuration orbitales géostationnaire peuvent assurer une fonction régionale de navigation et de localisation avec une petit nombre de satellites (deux au minimum). Les satellites se trouvent à une altitude d’environ 37 000 Km.
Mais étant donnée la position du satellite il n’est pas possible d’obtenir une couverture aux latitudes supèrieur à 70 . En raison de leur position apparemment fixe par rapport à la terre, les satellites de ce type conviennent pour les communications. La plupart des satellites de communication et de radiodiffusion sont géostationnaires ; Par contre c’est une très mauvaise solution pour la navigation à couverture mondiale, sauf si l’on cherche à desservir une zone limitée de latitude moyenne.

2-Orbites fortement excentriques : étant connus les inconvénients de l’orbite géostationnaire pour la navigation, on a étudié d’autres types d’orbites susceptibles de fournir une meilleure réception tout en assurant la couverture des latitudes élevées et des régions polaire .
Lorsque les satellites évoluent en orbite inclinée fortement elliptique, leur vitesse apparente semble, pour l’usager, relativement faible à proximité de l’apogée et, compte tenu de la vitesse de rotation de la terre les satellites sembleront presque stationnaires au dessus d’une zone géographique donnée pendant une partie de leur pèriode orbitale(point fort de l’apogée)

3-Orbites circulaires inclinées : le satellite est en orbite autour de la terre en maintenant un rayon a peu près constant par rapport au centre de la terre, et une vitese a peu près constante. La trajectoire suivie par chaque satellite autour de la terre, sur une orbite quelconque, ressemble de très près à la trajectoire suivie sur l’orbitre precedente, avec un decalage en longitude qui dépend du rayon de l’orbite. Ces satellites défilent par rapport à la terre dans des plans qui font des angles plus ou moins grands avec le plan équatorial terrestre. 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.

Des paramètres de forme de l’orbite :
a :demi grand axe de l’ellipse
b :demi petit axe de l’ellipse
e :excentricité, fonction de a et de b ;l’excentricité est nulle dans le cas d’une orbite circulaire

FAIRE DESSIN

2.2-LANCEMENT DES SATELLITES NAVSTAR

On peut distinguer trois familles (bloc) de satellites correspondant à différentes technologies.

La majorité des satellites du bloc 1 ont été mis sur orbite par le lanceur américain Atlas. Ce lanceur est une fusée trés éprouvée avec plusieurs centaine de lancement depuis 1962. La plupart des satellites experimentaux du bloc 1 ont soit cessé d’émettre soit n’ont jamais fonctionné suite à des incidents au lancement.

Les satellites du bloc II ont été mis sur orbite par le lanceur américain delta II. Cette fusée fut a l’origine d’un missile balistique appelé missile thor ¯.Sa fabrication fut arrétée en 1984, jusqu’à ce que le drame de Challenger en Janvier 1986 vienne tout remettre en question. La fusée delta ressuscita avec la suspension des vols de la navette et la remise en cause de sa fonction commerciale.

2.3-ENVIRONNEMENT SPATIALE DES SATELLITES ET LES CONSEQUENCES SUR LES CIRCUIT ELECTRONIQUES <

Les composant électronique embarqués sur satellite reçoivent en permanence des rayonnement solaires et cosmique. Les particules chargées de l’espace créent non seulement des dommages, mais peuvent aussi créer des perturbations temporaires.

Les phénomènes principaux correspondent à un transfert d’énergie depuis le soleil jusqu’à la terre sous forme de particules, de champs magnétiques ou de rayonnement . Au cours des dernières années, les systèmes électroniques pour l’espace sont devenus de plus en plus complexes, nécessitant l’utilisation de composants miniaturises de plus en plus performants. La plupart des circuits sont installés dansdes boîtiers qui jouent le rôle d’‚écrans de protection. Cependant ilest impossible d’éviter tout rayonnement, les plusénergétiquespouvant traverser des épaisseurs de plusieurs mètres de plomb.Les défaillance dues aux rayonnement, et observées sur ce type de composants se classent essentiellement en deux catégories :

  • Les défaillances dues aux dégradation permanentes des matèriaux constituant les circuits. Elles sont conséquences de la dose cumulée par l’exposition aux rayonnements (la dose caractérise une quantité d’énergie déposée par unité de masse).
  • Les défaillances aléatoires dues au passage d’une particule fortement ionisante au voisinage d’une zone sensible du composant.

3-PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS

3.1-LA 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 :

R = 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 (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.

Ti correspond à la durée du trajet reliant le satellite au récepteur.

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+(x-x2)2+(x-x3)2

R22=(y-y1)2+(y-y2)2+(y-y3)2

R32=(z-z1)2+(z-z2)2+(z-z3)2

3.2.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. 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.

Si N est la fréquence du signal généré dans le satellite et N’ la fréquence à laquelle il est perçu par le récepteur, on a : N’= .N
où est le vecteur unitaire de l’axe satellite-utilisateur, et c la vitesse de la lumière.

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

3.3.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.

3.4-LES SIGNAUX EMIS PAR LES SATELLITES GPS

3.4.1.Modulation

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

3.4.2.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.

Ces données comprennent :

  • une information de l’état de santé du satellite
  • les informations nécessaires à l’acquisition du code du message
  • les informations de précision du satellite
  • une information concernant le retard de propagation du à la ionosphère
  • les éphémérides du satellite

3.5.AQUISITION DU SIGNAL

Le signal reçu diffère du signal émis pour plusieurs raisons :

  • le bruit du canal de transmission
  • le décalage temporel dû au temps de propagation et aux décalage des horloges de l’émetteur et du récepteur
  • le décalage fréquenciel dû à l’effet Doppler et aux instabilités des horloges d’émission et de réception.

La conception du récepteur doit tenir compte des incertitudes du signaux et de leurs variations. Des principes de détection et d’atténuation de décalage temporel et fréquenciel sont à l’étude.

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.


3.6-LA PRECISION DU SYSTEME

3.6.1.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 géométrie des satellites par rapport à l’utilisateur. Le facteur représentatif de cette géométrie est le G.D.O.P (Geometric Dilution Of Precision )
  • La précision de la mesure de distance entre l’utilisateur et chaque satellite : c’est l’erreur de distance équivalente utilisateur U.E.R.E (User Equivalent Ranging Error )

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)

U.E.R.E
Source d’erreur erreur sur la mesure du temps( en nanosecondes) erreur sur la distance(en metres)
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 P.D.O.P de 6 donne une erreur approximative sur la position finale de 25 m.

Compte tenu de toutes ces incertitudes, la précision du système Navstar utilisé en Precise Positioning System (P.P.S), c’est à dire en l’absence de perturbations volontaires est :

  • 22 mètres d’incertitude horizontale
  • 23 mètres d’incertitude verticale
  • 100 nanosecondes d’incertitude sur le temps
  • une fraction de mètre par seconde d’incertitude sur la vitesse.


3.6.2.La dégradation volontaire de la précision

Suivant les recommandations du Departement of Defense américain (DoD) la précision est ainsi dégradé pour le Standarding Positioning System (S.P.S), c’est à dire pour les civils, aux valeurs suivantes :

100 mètres d’incertitude horizontale
156 mètres d’incertitude verticale
340 nanosecondes d’incertitude sur le temps

0.3 mètres par seconde d’incertitude sur la vitesse.

La précision du système russe Glonass semble légèrement supèrieure.

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

  • Manipulation de l’horloge : on génère des variations de la fréquence fondamentale de l’horloge du satellite, ce qui a un impact direct sur la distance mesurée par le récepteur.
  • Suppression d’une partie de l’éphéméride envoyé par le satellite à l’utilisateur. La position du satellite ne peut alors pas être calculée avec précision. La position de l’utilisateur ne peut donc pas non plus être calculée avec précision.
  • Anti-spoofing : Le GPS inclut la possibilité de coder ou d’annuler une certaine partie du code envoyé par chaque satellite pour en interdire l’accès aux utilisateurs non autorisés. Le but de cette précaution est d’empècher l’adversaire d’envoyer de faux signaux GPS qui fausseraient le positionnement. Ce dispositif a été mis en service pour la première fois durant le week-end du 1er Août 1992 et le fut plusieurs fois depuis. Il est désormais actif en permanence depuis le 31 Janvier 1994.

3.7-PROTECTION ET INTEGRITE DU SYSTEME :

3.7.1.Protection contre la destruction :

L’altitude des satellites de 20200 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 su système russe Glonass ont une altitude d’orbite équivalente mais leur position coïncide avec celle d’un de leur homologues toutes les trois heures, les exposant ainsi au risque d’une destruction double.

3.7.2.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 pat un très fort étalement du spectre et toute émission à haut niveau d’énergie supèrieure au bruit est discriminé comme un brouilleur.

3.7.3.Intgrité 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’ê 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.



4-APPLICATIONS DU GPS


La navigation en temps réel est l’une des applications élémentaire et principale 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 quelque 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 coùt 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.

4.1.APPLICATIONS MILITAIRES

Des essais de guidage de bombes ont eu lieu dans le désert de Yuma. Les bombes ont été larguées a 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 tout autre de 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 le DoD.
Pour 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.


4.2.APPLICATIONS CIVILES

Le systèmes Navstar est financé par des organisme militaires. Pourtant, nombreuses sont les applications civiles. Le GPS présente des avantages non négligeables vis avis des conditions atmosphériques mais également vis avis de sa non dépendance en luminosité (signal accessible jours et nuits). Ainsi il donne lieu à de multiples utilisations :

l’utilisation du système NAVSTAR par d’autres satellites.
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.

L’orbitographie des satellites de haute altitudes.
La constellation NAVSTAR permet un positionnement précis aux satellites de basse et moyennes altitudes mais lorsqu’on franchit les 20 200 Km d’altitude des satellites GPS, le positionnement est plus d‚=élicat. Au delà de cette altitude on ne peut recevoir des signaux GPS que des satellites situes 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.

Pour les compagnies d’ambulances ou les services de police responsables de la vie et de la securite des citoyens mais aussi pour les compagnies de taxis désireuses d’améliorer leur efficacité, il est capital de connaître instantanément la position de chaque véhicule d’une flotte. Grâce au GPS, il nous est 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 :
les équipements embarqués sur les véhicules
le centre de commandement et de conduite
la liason de télécommunication
L’AVLS doit être complétée des deux logiciels et utilise les réseaux de données existants.

(Bintôt les schémas.)

Le systeme GPS présente plusieurs avantages pour ces applications de localisation de véhicules :
il est disponible 24h/24h dans le monde entier
il est ind‚pendant des conditions m‚t‚orologiques
il est gratuit et le restera pendant au moins 7 ans
il permet un positionnement précis en n’importe quel point du globe.

La voiture du futur :
Bientôt, nos véhicules seront surement tous équipés de systèmes de navigation GPS avec un système informatique embarqué permettant de donner des informations vocales sur un chemin à suivre, sur des lieux à éviter ou à visiter et sur les conditions météos.

Aide à la navigation pour les trains :
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’interm‚diaire 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.



REMERCIEMENTS

Merci encore à Benjamin et ses copains de m’avoir fourni son dossier sur le Navstar.


BIBLIOGRAPHIE

  • Navstar GPS de Benjamin PENET, Stéphane LAURAS et Eric EDELSTEIN , Institut Supérieur d’Electronique de Paris
  • Systèmes de navigations par satellites deJ.L JONQUIERE, École Nationale de l’Aviation Civile.
  • Revue des Télécommunications 2eme trimeste 1994
  • Global Positioning System Overview par Peter H.DANA,




L’AUTEUR : Loïc de GUIBERT

Merci de me faire part de vos remarques : gps_AT_deguibert.com (remplacer _AT_ par @)



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