Gps

GPSGPS

Hanen Ghazel

PLAN

Origine du GPS1

Généralités sur le système2

Composition du GPS3

Principe de fonctionnement4

Trame GPS5

Exemple : Galileo6

Origine du GPS

Années 70 : Conception réalisé par DoDDoD d’un système permettant à tous les avions, navires, blindés, troupes de se positionner de manière précise et quasi instantanée, n'importe quand et n'importe où à la surface de la Terre.

Outil développé initialement par les militaires. 1963 : Intérêt de la division spatiale de l'US Air l'US Air

ForceForce face aux travaux débutés par la société "Californian Californian

Aerospace CorporationAerospace Corporation" concernant un système de radionavigation. 1978 : Lancement des 4 premiers satellites (Bloc I) , l'année même où le

département des transport DoTDoT s'associe au projet. 1983 : Fixation de nouveaux objectifs par le président ReaganReagan : une

précision horizontale civile de 100m (pour 95% des cas) et ceci dans le

monde entier.

À partir de 1989 : Mise en service de satellites plus précis (bloc II) ; Dés juillet 1991 : Dégradation du signal destiné aux civils. Manipulation appelée : SA (Selective Availability). Sur demande de l'Office de Sciences et de la Technologie Office de Sciences et de la Technologie (1996) le

président ClintonClinton annonce en mai 2001 la suppression de la SA.

La précision du GPS, qui était de 100m (pour 95% des cas) est améliorée

d'un facteur de 10, le positionnement se fait alors à 10m près dans 95% des cas.

Aujourd'hui : sous contrôle commun du DODDOD et du DOTDOT des USUS.

Généralités sur le système

GPS ( Global Positioning System) : Système de positionnement/localisa-

tion global/mondial par sattelitespar sattelites; À la base, le système prévoit 24 satellites opérationnels à une altitude de

20000 km répartis sur 6 orbites; Pour assurer une couverture mondiale continue, les satellites sont répartis à

4 par orbite; Système utilisé dans tous les domaines :

Navigation aérienne; Navigation routière et ferroviaire; Navigation maritime

Le GPS utilise le système géodésique WGS84 (World Geodetic System,

révision de 1984), auquel se réfèrent les coordonnées calculées grâce au

système.

Système géodésique : un système de référence permettant d'exprimer les

positions au voisinage de la Terre. C’est un repère tridimensionnel

défini par: Son centre O (choisi à proximité du centre de gravité terrestre) Trois axes orthonormés définis par leur orientation (Oz est orienté suivant l'axe

de rotation terrestre; Ox et Oy se trouvent dans le plan équatorial terrestre). Les coordonnées cartésiennes d'un point dans un système géodésique sont

données par trois valeurs (X,Y,Z)

Un géoïde est une représentation de la surface terrestre plus précise que l'approximation sphérique ou ellipsoïdale. Il est défini de manière àcoller au plus près à la «surface réelle».

Un géoïde est une représentation de la surface terrestre plus précise que l'approximation sphérique ou ellipsoïdale. Il est défini de manière àcoller au plus près à la «surface réelle».

Les coordonnées géodésiques d'un point dans le système géodésique consi-

déré sont alors : La longitude λ : angle orienté entre le plan méridien origine et le plan méridien

contenant le point M, La latitude θ : angle orienté entre le plan de l'équateur et la normale à

l'ellipsoïde passant par le point M. La hauteur géodésique h : distance algébrique entre le point M et l'ellipsoïde.

Il existe quatre systèmes de localisation de position par satellites:

1. GPS: Global Positioning System.

2. GLONASS: GLobalnaïa NAvigatsionnaïa Spoutnikovaïa Sistéma

(système russe désactivé depuis l’année 2000).

3. Galileo: Système de positionnement par satellites Européen (sera opérationnel en 2019-2020).

4. Beidou: Système de positionnement par satellites chinois (sera opérationnel en 2019-2020).

Composition du GPS

Composé de 3 parties :

1. Le segment de contrôle : formé de 6 stations de contrôle appartenant aux forces armées américaines

de l'air (USAF), réparties tout autour du globe en fonction de la longitude. Le but de ces stations est de contrôler la santé du segment spatial et de

maintenir le temps du système, le GPS-time (GPST).

De manière plus précise, ces stations permettent de : contrôler l‘état de sante des satellites ainsi que leur trajectoire, prédire les éphémérides des satellites et les paramètres de l'horloge, mettre a jour les messages de navigation des satellites, commander de petites manœuvres afin de réinitialiser une orbite.

2. Le segment spatial : Le système GPS est formé de 31 satellites (situation au 27 août 2009) en

orbite quasi circulaire (excentricité <0,01) à une altitude de 20'200 km.

Leur période est de 11h58 minutes, soit un demi jour sidéral. Ces satellites sont répartis sur 6 plans orbitaux inclinés 55° par rapport au

plan équatorial. Chaque satellite contient plusieurs horloges atomiques, certains ont 4

horloges (2 au rubidium et 2 au césium), certains en ont 3 en césium; Ce sont les stations au sol qui sélectionnent

l'horloge la plus précise. En effet,

ces horloges perdent ou gagnent moins

d'une nanoseconde par jour !

3. Le segment utilisateur : Rassemble l'ensemble des utilisateurs du système, du simple utilisateur

aux

géomètres et aux militaires. L'ensemble de ces utilisateurs peut être séparé en deux catégories, selon la

prestation du système qu'ils utilisent.

le système GPS offre deux types de services :

• SPSSPS (Standard Positioning Service) : service offert a tous les

utilisateurs, mais qui peut malheureusement être dégradé

volontairement, à l'exemple de la SA.

Actuellement, les civils ont libre accès a l'ensemble des signaux GPS.

Depuis peu de temps, d'autres signaux sont réservés aux civils, leur

permettant d‘être indépendant et d'avoir la même précision que l'armée.

b.b.PPSPPS (Precise Positioning Service)

Service réservé aux militaires américains et aux utilisateurs autorisés par

le DoD . Il donne accès a l'intégralité des codes, sans cryptage, cette fois.

Principe de fonctionnement du GPS

Le GPS calcule la position par triangulation (Trilatération) : le satellite émet une onde électromagnétique de vitesse connue le récepteur calcule le temps mis par cette onde pour l’atteindre le récepteur sait alors qu’il se trouve sur une sphère centrée sur le satellite

En recoupant les informations de 2 satellites, le lieu géométrique du

récepteur devient un cercle

Avec 3 satellites, l’intersection se réduit à un (ou 2) points:

Les signaux se propagent à la vitesse de la lumière

• 11 µs de retard = 300 m de distance il faut une précision de

1 ns pour atteindre une résolution de l’ordre du mètre

Le récepteur n’a pas l’heure exacte et ne connaît donc que l’écart relatif par rapport aux 3 satellites

Il faut un 4e satellite pour figer la position exacte :

Trame GPS

Le module GPS WS5021 permet en sortie les messages dans le format

standard NMEA 0183 Afin que les récepteurs parlent le même langage, La National Marine

Electronis Association a défini une norme pour les équipements marins et

pour les GPS. Il s’agit de la norme NMEA 0183. Celle-ci exploite un

protocole série au format ASCII contenant les informations récoltées par le récepteur GPS.

Ces trames sont généralement émises à la vitesse de 2400 ou 4800 bauds et

présente la structure suivante :

$GPRMC,hhmmss.ss,A,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x.x,x.x,ddmmyy,x.x,a*hh « $GPRMC » indique le type de message; RMC (Recommended Minimum SpecifiC data) pour ‘minimum de données

spécifiques recommandées’. « Minimum » car elle permet de recueillir,

entre autres données, la position du récepteur, l’heure et la qualité de réception

Chaque récepteur propose un nombre différent de trames NMEA qui

permettent, en fonction de l’usage prévu pour le récepteur, de choisir le

modèle le plus adapté à une application spécifique.1. Chaque trame commence avec le caractère spéciale « $ »

2. Suivi par un groupe de 2 lettres pour l'identifiant du récepteur (non limitatif),

citons:• GP pour Global Positioning System.• LC Loran-C receiver.• OM Omega Navigation receiver.• II Integrated Instrumentation (eg. AutoHelm Seatalk system).

3. Puis , un groupe de 3 lettres pour l'identifiant de la trame: GGA pour GPS fix et date, GLL pour Positionnement Géographique Longitude-Latitude, GSA

pour DOP et satellites actifs, GSV pour Satellites visibles, VTG pour Direction

(cap) et vitesse de déplacement (en nœuds et Km/h), RMC pour données mini-males exploitables spécifiques

4. Suivent ensuite un certain nombre de champs (fields) séparés par une

"virgule".

Le rôle de la virgule est d'être le séparateur de champs, qui permet la

déconcaténation des données dans le programme de traitement des données, calculateur, navigateur.

5. Enfin un champs optionnel (checksum) précédé du signe * , qui représente le OR exclusif de tous les caractères compris entre $ et * (sauf les bornes $ et *), certaines trames exigent le checksum.

6. Suit la fermeture de la séquence avec un [CR][LF].

Un total de 82 caractères maximum pour une trame.

Galileo

Constellation de 30 satellites reparties sur 3 orbites circulaires

inclinés à 56° % au plan équateur à une altitude de 23616 km Service pour tout le monde (commercial, public, militaire, civils,… ) Précision> précision GPS: structure de sa constellation et sa station

de relais sur terre Fiabilité> Fiabilité GPS: message d’intégrité d’erreurs Service gratuit pour les fonctions de base

Compris?