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PROBLEMATIQUE
I)HISTORIQUE DES SYSTEMES DE POSITIONNEMENT PAR
SATELLITE
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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
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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 :
FAIRE DESSIN
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.
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 :
3-PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS
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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.
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 :
3.5.AQUISITION DU SIGNAL
Le signal reçu diffère du signal émis pour plusieurs
raisons :
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 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 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 :
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 :
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
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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 pr‚cis 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.
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Merci encore à Benjamin et ses copains de m'avoir fourni leur
dossier sur le GPS.
Je me dois cependant de tempérer mes remerciements car une
immense partie du dossier était manquante...Enfin au moins
l'intro et la conclusion.
En ce qui concerne la conclusion, je ne me suis pas trop
foulé, j'ai considéré que la partie applications pouvait
constituer une parfaite ouverture de fin d'exposé et de toute
facon l'exposé ne devait durer qu'au maximum 10 minutes.
Et l'intro? Ne vous inquietez pas, elle ne m'a pas empéchée de
dormir...
Merci de me faire part de vos remarques: gps_AT_deguibert.com (remplacer _AT_ par @)
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