Le GPS (Global Positionning System) est un système global de positionnement par satellite.
Il a été mis en œuvre par le ministère de la défense Américaine dès les années 1970. De ce fait il est entièrement sous contrôle américain et ceci permet une disponibilité sélective du signal en cryptant certaines informations. Le codage est susceptible de donner aux forces américaines une précision supérieure à celle d’un usager civil. De plus l’armée US se réserve le droit de dégrader l’information, comme par exemple en cas de conflit où les USA sont partie prenante.

Le GPS est un système de positionnement par satellites capable de donner n’importe où sur le globe une position absolue, instantanée, en temps réel, avec une précision de quelques mètres, de jour comme de nuit, et quelles que soient les conditions météorologiques.
La partie visible est un petit boîtier électronique, qui quel que soit l’heure et le lieu, indique l’endroit exact, l’altitude, la vitesse et l’heure, et ceci avec rapidité et précision.

Les utilisateurs sont militaires, civils ou scientifiques dans des domaines d’applications aéronautiques, terrestres ou marines, voire spatiales.

Généralités sur la mesure GPS

Des signaux émis par radio à partir d’une constellation de satellites sont reçus par un récepteur au sol, qui en déduit à tout instant, et n’importe où sur Terre, en mer ou dans les airs, une datation précise et sa position en latitude, longitude, altitude.

Des traitements appropriés permettent de déterminer la vitesse et de fournir au récepteur, des indications de navigation. L’évaluation de la vitesse se fait par mesure 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.

Satellite NAVSTAR

Structure du système

il est composé de 3 segments :

Segment spatial comprend 24 satellites NAVSTAR de 500 kg à 800 kg répartis sur 6 orbites (~26600km de rayon, déphasées de 60°, inclinées à 55° sur le plan équatorial) à une altitude de 20184 km. Il y a 4 satellites équidistants par plan orbital, et chacun fait le tour de la terre en 12h (11h 58 min) à la vitesse de 3 km/s. Chaque satellite possède une horloge (énergie et précision). Les horloges de l’ensemble de la constellation sont parfaitement synchronisées (précision de 100ns). Cette répartition spatiale garantit la visibilité en permanence d’au moins 6 satellites, en tout point du globe.

Structure du système GPS

Segment de contrôle surveille et maintient l’état de chaque satellite. Il est composé de 5 stations de surveillance au sol dont le rôle est de suivre les satellites pour estimer leur orbite,d’ajuster les éphémérides, de modéliser la dérive des horloges et de remettre à jour les paramètres du message de navigation que les satellites diffusent.

La station de contrôle maîtresse située aux Etats-Unis, traite toutes les informations diffusées par les satellites y compris les informations de télémesure. Elle calcule les éphémérides et la dérive des horloges des satellites (référence temporelle). De plus elle estime les temps de propagation ionosphérique, et calcule les paramètres du modèle de correction.
Ces informations sont ensuite retransmises aux satellites de la constellation.

stations de poursuite au sol

Segment utilisateur rassemble l’ensemble des utilisateurs. Il est formé par des récepteurs GPS qui reçoivent, décodent et traitent les signaux émis par les satellites GPS. Les utilisateurs disposent ainsi d’un moyen unique pour leurs applications de localisation, de navigation, de référence de temps, de géodésie…

Principe de localisation GPS

a) Positionnement simple sur le globe

Pour effectuer une mesure correcte, un récepteur doit capter les signaux d’au moins trois satellites (triangulation). On définit ainsi des sphères centrées sur des satellites et dont l’intersection donne la position.

Chaque satellite envoie son propre numéro d’identification, sa position précise par rapport à la terre, ou dans le repère lié à Greenwich, l’heure exacte d’émission du signal. Le récepteur GPS, grâce à son horloge synchronisée sur celle des satellites, détermine le temps que met une onde pour parcourir la distance qui le sépare d’un satellite et la multiplie par la vitesse de la lumière pour en déduire la distance au satellite (pseudo-distance à corriger du fait des perturbations naturelles). La latitude et la longitude du récepteur GPS sur le globe terrestre sont alors connues.

Positionnement simple

b) Positionnement en altitude

Pour connaître en plus de la latitude et longitude, l’altitude, un quatrième satellite est nécessaire. Plus ce dernier sera proche de la verticale de la position du récepteur GPS, plus l’altitude sera fiable. Un algorithme de calcul affine donc la position 3D en utilisant un maximum de satellites.
D’ailleurs le récepteur GPS indique de lui même, le nombre de satellites en vue, c’est à dire utilisables.

Positionnement en altitude

Par exemple un satellite visible au ras de l’horizon sera inopérant pour calculer l’altitude. Réciproquement un satellite à la verticale du point de localisation donnera un mauvais positionnement horizontal. Pour des appareils évolués, le récepteur affiche le positionnement des satellites utilisés, ce qui permet d’apprécier la qualité de l’information calculée.
Certains appareils indiquent même la précision de la localisation.

Coordonnées des satellites

Positionnement tridimensionnel
à partir de trois satellites

T1, T2 et T3 sont les dates d’émission des ondes de chaque satellite.
R1, R2 et R3 sont les distances respectives entre les satellites et le récepteur.
Ces distances Ri se déterminent de la manière suivante :
Ri = Vitesse × (T – Ti)
ou bien
Ri = √ (X – Xi) 2 + (Y – Yi) 2 + (Z – Zi) 2

Transmission et réception du signal GPS

Les satellites émettent simultanément deux ondes radio (ondes porteuses) délivrées par les horloges atomiques sur une fréquence fondamentale de 10,23 MHz. En multipliant cette fréquence par 154 ou 120, on élabore deux fréquences élevées en bande L 1 : L1 = 1575,42 MHz et L2 = 1227,60 MHz

Réception du signal GPS

Ces fréquences ne traversent ni le béton ni un feuillage dense. Il est donc nécessaire que le récepteur soit dans une zone dégagée.

Transmission des messages de navigation

Chaque satellite envoie à intervalle de temps régulier un message de navigation (temps UTC,position satellite, état satellite…). Ce message s’effectue par émission de plusieurs signaux.
Trois types de signaux sont émis :

  • Un message de navigation avec l’almanach du système (état de santé, éphémérides, identification, positions, temps, correcteurs d’horloge, etc.), sur la fréquence L1. Le message est constitué de 1500 bits, à 50 Hz (durée 30 s) est appelé trame de communication.
  • Un code dit C/A. (Coarse/Acquisition, acquisition grossière du code du message, pour les utilisateurs civils) au rythme de la milliseconde, permettant la mesure de la distance, et qui module L1. Le code de 1023 bits est émis à 1,023 Mbits/s et dure donc 1 seconde. C’est ce signal qui peut être dégradé par une erreur volontaire appelée SA
  • Un code dit P (Precise Code) à intervalles longs et réservé uniquement aux utilisateurs privilégiés du GPS. Ce code est émis sur L1 et L2 à une fréquence 10 fois plus grande de 10,23 Mbits/s. Sa durée est de 7 jours. Les clients utilisent des clés de décryptage.

Nota : La fréquence L2 étant réservée exclusivement à l’armée américaine.
Chaque satellite possède son propre code C/A et code P . Le code C/A est dit « modulé » par le message de navigation (modulation de phase).
Depuis 2000, le code P est connu (précision de +/- 3 mètres pour les civils sans restriction). Les militaires ont donc alors introduit un nouveau code pour une meilleure précision (code Y). Ce code Y (code antispoofing AS) est obtenu en multipliant le code P à ≈ 20 KHz (modulation très lente).

Y est inconnu, et ne se répète jamais.

Réception des messages

Le récepteur GPS civil connaît tous les codes C/A des 24 satellites. Le récepteur effectue une auto corrélation entre le signal reçu et un signal généré en interne. Ce signal interne est obtenu entre l’horloge du récepteur et le choix d’un code C/A.
Enfin, un décodage et une vérification de la cohérence des informations issues du message sont réalisés en interne.

Extraction et exploitation des données

Le récepteur GPS peut alors communiquer ses informations traitées avec son environnement (ordinateur, autre GPS, traceur de route, etc.) selon le protocole de communication NMEA-0183 (National Marine Electronic Association) ou SiRF.

Précision sur la mesure

L’acquisition du signal est quelque peu « dégradée ». En effet, le signal reçu par le récepteur GPS diffère du signal émis, pour plusieurs raisons. Les principales sources d’erreurs sont dues:

  • Au bruit du canal de transmission.
  • Aux problèmes de trajectoire des satellites (erreurs d’éphéméride).
  • Aux couches atmosphériques (troposphère et ionosphère) : elles peuvent engendrer des erreurs sur les résultats de localisation (les signaux sont retardés ou accélérés en traversant les couches).
  • Au décalage temporel dû au temps de propagation et aux décalages des horloges de l’émetteur et du récepteur.
  • Au décalage fréquentiel dû à l’effet Doppler et aux instabilités des horloges d’émission et de réception.
  • à la SA (Selective Availability) : dégradation volontaire du ministère de la Défense Américaine sur ces signaux, mais cette dernière a été supprimée fin 2000.
couches atmosphériques

D’autres sources d’erreurs sont possibles, elles sont liées à l’environnement dans lequel se trouve le GPS :

  • On rencontre le multi-trajet dans des contextes non-dégagés type forêt ou milieu urbain ; les arbres ou les bâtiments sont des obstacles sur la trajectoire du signal, et ce dernier peut alors être absorbé, réfléchi, atténué ou réfracté.
  • La dilution de la précision ou DOP : il s’agit de la configuration géométrique formée par les satellites au moment de la retransmission ; il existe plusieurs types d’indicateurs de qualité pour la position en 3D : PDOP, HDOP (horizontale), VDOP (verticale), TDOP (temporelle).
  • La qualité intrinsèque du récepteur GPS.

En résumé sur le principe du système GPS

A intervalles de temps réguliers, les satellites de la constellation émettent des signaux radios comportant :

  • Le code d’identification de chaque satellite,
  • L’instant de temps t auquel le signal a été émis,
  • Sa position et sa hauteur par rapport aux coordonnées géographiques terrestres (3 coordonnées).

Les signaux radio voyagent à 300 000 km/s : le récepteur GPS au sol reçoit ces informations plus ou moins décalées par le temps de propagation de l’onde de chaque satellite en fonction de sa distance.

Le récepteur est capable, en synthétisant les données reçues, de calculer sa position par rapport aux satellites et de déterminer sa propre position à quelques mètres près, ainsi que son altitude. Il donne aussi l’heure atomique quel que soit l’endroit où se situe le récepteur sur le globe ou
dans les airs. Avec l’arrivée des satellites de nouvelle génération, de nouvelles fréquences de signal sont créées.

Le GPS est mondialement connu et utilisé mais son principal défaut est que son signal ne traverse pas les mûrs. Donc impossible de se localiser dans un bâtiment fermé. De plus certaines zones géographiques ne sont pas couvertes.
La méthode de correction différentielle permet de corriger en partie tous ces types d’erreurs. Ce principe associé au GPS est le DGPS Differential Global Positionning System (GPS différentiel).

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. Même si ses applications sont aujourd’hui très diversifiées, il n’en reste pas moins que les objectifs d’évolution sont aussi très nombreux.
Il existe d’autres systèmes de positionnement et de navigation :

  • Galiléo (futur concurrent européen du GPS)
  • Glonass (équivalent russe du GPS)
  • Egnos (amélioration des performances du GPS)

0 commentaire

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *