Le gps introduction








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date de publication11.06.2018
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Le GPS



Introduction




  1. Définition


Le Global Positionning System ( GPS ) peut se traduire par Système  de  Positionnement  Général. C'est un système de positionnement par satellites créé par l'armée américaine dans le contexte de la Guerre Froide. Son objectif est de fournir à un utilisateur fixe ou mobile sa position, sa vitesse et une information de temps ; ceci à tout moment et à tout endroit du globe terrestre.

Afin de comprendre le contexte de son développement, il faut bien rappeler que c'est une propriété américaine accessible au monde entier.



  1. Historique


Le GPS a été développé dans le contexte de la Guerre Froide, et a donc, à la base, une utilisation militaire. Les missiles téléguidés avaient parfaitement à l'époque la capacité de suivre exactement un itinéraire précis, cependant pour connaître le point d'impact exact, il fallait connaître précisément le point de tir. Or, souvent lancés d'un sous-marin, les missiles ne connaissaient pas les coordonnées du point de départ. Le GPS permettait donc de repérer le positionnement du sous-marin et ainsi d’augmenter la précision des missiles. Evidemment le GPS pouvait servir également à positionner les installations ennemies ou à coordonner des déplacements d'armée. Le GPS est le résultat d'un projet, appelé NAVSTAR, lancé au début des années 60 aux Etats-Unis par l'armée de l'air et la marine américaines.
1965         Premier concept suite aux recherches du Department of Defense

1972         Etudes préliminaires de faisabilité

1974 - 79  Validation du modèle

1978 - 86  Mise en place de la première constellation de satellites BLOCK I

 

L'explosion de la navette Chalenger survenue en janvier 1986 a interrompue la procédure de lancement, ce qui a entraîné une remise en cause du projet et la décision d'utiliser un lanceur spécifique (DELTA II) pour les prochains satellites. Les lancements ont repris en 1989.

 

1989 - 94  Mise en place de la deuxième constellation et de ses variantes BLOCK II/IIA/IIR
Le département de la défense a déclaré le système GPS totalement opérationnel en 1995.



  1. Objectifs


A l'origine le GPS a été conçu afin de fournir aux forces armées un système de repérage globale et de très bonne précision. Cependant, il s'est très rapidement posé le problème de l'accessibilité du service. En effet, de nombreuses applications civiles pouvaient vouloir recourir à ce système et il n'était pas imaginable de laisser le service en libre accès à tout le monde, n'importe quel pays agresseur pouvant alors l'utiliser à son profit. Dés le début, les USA voulaient s'assurer la maîtrise totale quand à l'exploitation du système GPS, mais ne voulaient pas exclure les applications civiles. Ils ont alors su intelligemment allier leurs intérêts militaires à leurs intérêts économiques. Ce fût le départ de deux orientations: la version militaire et la version civile du GPS. Il fallait trouver un système permettant une utilisation simple et efficace du GPS pour les civils, tout en laissant à l'armée américaine le contrôle et l'utilisation optimale du concept.
Le système GPS offre donc deux services se différenciant par la précision des résultats obtenus :


  • PPS (Precise Position Service) : Ce service de grande précision ( quelques mètres ) est réservé aux militaires américains et à certains utilisateurs autorisés par le département de la défense.




  • SPS (Standard Position Service) : Ce service a été mis à disposition des utilisateurs civils. Une dégradation volontaire à été mise en place par les gérants du système GPS et limite la précision de positionnement à +/- 100m en soumettant le système à une dégradation volontaire des signaux.



PS : A noter que le 1er mai 2000 le Select Avaibility (dégradation volontaire du signal) a été abandonné par les Etats Unis. Cette décision est renouvelable tous les ans et des dégradations ponctuelles (géographiquement) restent possibles.


Architecture du système GPS






Le GPS est constitué de 3 parties distinctes :

- le segment spatial

- le segment de contrôle

- le segment utilisateur



  1. Le segment spatial



La constellation GPS est constituée de 24 satellites maintenus en orbite, dont 21 sont 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, ainsi qu’une vitesse constante.

Ces satellites évoluent à une altitude d'environ 20200 km et mettent 12 heures pour effectuer une rotation autour de la terre. 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.

Ces satellites défilent par rapport à la terre dans des plans qui font des angles plus ou moins grands avec le plan équatorial terrestre :

    • 6 plans orbitaux sont définis.

    • On compte 4 satellites par plan.

    • Chaque satellite est espacé de 60°, formant un angle de 55° avec l’équateur.


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 alors que seulement 4 satellites sont nécessaires pour avoir un positionnement tri dimensionnelle et la vitesse d’un récepteur. (voir principe de fonctionnement)

Chaque satellite possède un oscillateur qui fournit une fréquence fondamentale de 10,23 MHz calibrée sur des horloges atomiques. L'émetteur génère deux ondes (L1 et L2) de fréquence respective 1575,42 MHz et 1227,60 MHz. Il transmet régulièrement des signaux horaires, la description de l'orbite suivie (éphéméride) et diverses autres informations.
Le satellite : caractéristiques

    • Durée de vie : 7 ans et demie

    • Masse : entre 500 et 800 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.



  1. Le segment de contrôle


Il s’agit de l’ensemble des bases de contrôle au sol qui suivent toutes les secondes la trajectoire des satellites. Elles sont réparties sur différents pays afin qu’au moins une station contrôle un satellite donné. La station principale est située sur la Falcon Air Force Base dans le Colorado. Le rôle de ces stations est d’assurer le suivi des satellites, mais aussi de leur envoyer les corrections d’erreurs de positionnement. Ceci permet d’augmenter la fiabilité du système en permettant à tout instant de vérifier que les informations générées par chacun des satellites sont correctes.

Chaque station est capable de :

  • Recevoir des données du satellite.

  • Calculer des éphémérides (données orbitales).

  • Corriger l’horloge.

  • Contrôler les satellites.

  • Echanger des données avec les autres stations.

  • Transmettre 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


Et 4 stations de ré-émission (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 satellite).




  1. Le segment utilisateur





La partie utilisateur comprend l'ensemble des récepteurs civils et militaires qui ne font que recevoir les informations des satellites. Les récepteurs convertissent les signaux émis par les satellites afin de récupérer les informations de position, vitesse et estimation de temps. Pour déterminer ces paramètres, quatre signaux satellites sont nécessaires.
 

 

Principe de fonctionnement




  1. Principe de triangularisation


Le principe du positionnement GPS est très proche du principe de triangularisation. La détermination d'un lieu géographique est basée sur l'intersection de trois sphères dans l'espace. Chaque sphère est définie par son centre correspondant à la position d'un satellite, et par son rayon qui est la distance entre le centre et le récepteur GPS de l'utilisateur. On peut décomposer ce principe en 3 étapes :

1ère étape

 

Supposons pour commencer que nous connaissions la distance séparant un satellite d’un recepteur GPS. Sachant que le satellite a une position X précise et définie dans un espace à 3 dimensions, l’ensemble des points possibles où pourrait se situer l’utilisateur du GPS est la sphère de centre le satellite et de rayon la distance connue




2ème étape
En faisant intervenir un 2ème satellite qui connaît la distance le séparant du récepteur, on obtient pour ensemble des points possibles, un cercle, issu de l’intersection des 2 sphères.

3ème étape
Le raisonnement est identique avec un 3ème satellite. On obtient alors 2 points possibles. Dans notre contexte, l’utilisateur n’est pas un astronaute flottant dans l’espace, donc il se trouve sur la surface terrestre. Connaissant cette donnée, on peut en déduire sa position exacte en éliminant le point donnant un résultat incohérent.


  1. Mesure de la position


On mesure ainsi la distance entre l'utilisateur et un certain nombre de satellites de positions connues, le récepteur GPS étant capable d'identifier le satellite qu'il utilise à l'aide du signal pseudo aléatoire émis par chacun d’entre eux. 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


Les signaux GPS




  1. Les signaux satellites – La modulation


Les satellites transmettent sur deux fréquences porteuses. La première, L1, de fréquence 1575,42 MHz, est utilisée pour le message de navigation et les signaux du code SPS, alors que la deuxième, L2, de fréquence 1227,60 MHz, est utilisée pour mesurer le temps de retard dû à la ionosphère pour les récepteurs travaillant en PPS.

Le signal est modulé en modulation de phase. Trois codes binaires modulent la phase de la porteuse :

  • Le code C/A (Coarse Acquisition) module la porteuse L1. Ce code est un code pseudo aléatoire répétitif de 1 MHz (Pseudo Random Noise Code) . Chaque satellite possède un code pseudo aléatoire différent . Il sert de base pour le système de mesure SPS.




  • Le P-Code (Precise Code) module les deux porteuses L1 et L2. C'est un long code pseudo aléatoire de 10 MHz. Il sert de base pour le système PPS. Le cryptage de ce code dépend du département de la défense et nécessite une clef.




  • Le message de navigation module également le code C/A sur la porteuse L1. Ce message est un signal de 50 Hz constitué de bits de données décrivant les orbites du satellite GPS, les corrections de son horloge, ainsi que d'autres paramètres système.


 


  1. Le message de navigation


Chaque satellite GPS émet un message de navigation qui contient toutes les données nécessaires au récepteur pour effectuer les calculs de navigation (Orbite du satellite, correction d’horloges, etc…).

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 :


  • 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 dû à la ionosphère

  • les éphémérides du satellite





  • Clock data décrit l’horloge du satellite et sa relation avec le temps GPS.

  • Ephemeris data décrit l’orbite du satellite. Les données sont mises à jour toutes les heures et restent valides pour 4 heures sans trop d’erreurs.

  • Almanacs data décrit les orbites de tous les satellites.

  • Chaque message délivre les données sur la ionosphère qui permettent de calculer les délais à travers cette dernière depuis n’importe où et à n’importe qu’elle heure.

  • L’heure GPS est calée sur l’heure universelle (UTC, Universal Coordinated Time).


  1. Le décodage


La modulation par un signal pseudo aléatoire entraîne qu’un démodulateur normal verra le signal de réception comme du bruit. La réception dans le GPS est donc basée sur l'utilisation de corrélateurs qui déterminent la qualité "d'identité" de deux signaux.

A partir de la séquence pseudo aléatoire connue, le récepteur va générer une réplique du signal que produit le satellite. Le signal reçu va ensuite être corrélé au signal généré par le récepteur. La corrélation des deux signaux va permettre d’identifier ou non les deux signaux. Chaque satellite possède une signature pseudo aléatoire différente.

Les émissions sont effectuées toutes les secondes et synchronisées sur l'heure GMT. Toutes les horloges de bord des satellites étant au césium, il se trouve donc que les messages de tous les satellites sont émis rigoureusement simultanément. Le récepteur et le satellite émettent donc au même moment une trame pseudo-aléatoire identique (appelée ainsi car elle est générée par des équations très complexe, la rendant ainsi unique). Une fois que cette trame sera reçue par le récepteur, celui-ci pourra la décaler dans le temps de façon à la faire coïncider avec celle qu’il a généré, la mesure du temps de transmission est déduite de ce procédé, et ainsi on peut connaître la distance séparant le récepteur du satellite.  
Exemple :



Le satellite génère le signal ci-contre.




A la réception, le GPS essaie de faire coïncider les 2 signaux par corrélation.



  1. La génération du code pseudo aléatoire C/A


Lorsque le récepteur veut se positionner, il lui faut recevoir le code d'un satellite. Pour cela il génère une séquence pseudo aléatoire qui malheureusement risque d'être inexacte. Ceci a pour conséquence la non-détection par le corrélateur puisque les 2 séquences du récepteur GPS et du satellite n'étant pas synchronisées.

Après une milliseconde de scrutation, le récepteur décale la séquence d'un bit, puis recommence autant de fois que nécessaire pour les 1024 possibilités. Au bout d'une seconde environ (1024 x 1ms), le récepteur doit avoir trouvé le satellite. Dans le cas contraire, il recherche un autre satellite. La recherche complète lui prend donc au maximum 24 secondes (temps nécessaire pour scruter les 24 satellites). Dans le cas où le positionnement est une mise à jour à partir d'une mesure de position récente, le récepteur GPS est capable d'optimiser la recherche en mettant une priorité dans son choix des satellites à rechercher.

Une fois le récepteur synchronisé avec le satellite, il génère toutes les 1024 ms le code similaire à celui du satellite. Ce qui va lui permettre de mesurer sa pseudo distance vis à vis de ce premier satellite. Puis le récepteur refait de même pour trois autres satellites pour établir son système d'équations de positionnement.

Le code pseudo aléatoire C/A de chaque satellite est en réalité constitué de 2 générateurs pseudo-aléatoire, ils sont initialisés à 1 et les polynomes générateurs sont connus (code civil), les signaux issus des 2 générateurs sont mélangé, mais le second est décalé de n bits, ce qui définit la signature du satellite, le tout forme toujours u code pseudo-aléatoire.

Remarque : Le code P
C'est la partie du système qui est chasse gardée puisque réservé au militaire. Le débit est plus important, la génération pseudo-aléatoire identique mise a part que les polynômes ne sont pas connus. La synchronisation se fait aussi par glissement d'une réplique. Pour que cela ne prenne pas trop de temps, le code HOW envoyé dans les messages donne une indication sur l'état du générateur P.

L1 et L2 étant utilisées, un recoupement est possible. Ce qui en outre permet de mieux corriger les perturbations atmosphérique gênant les délais de transmission et donc faussant les pseudo-distances. En mode P cette correction est faite depuis un modèle mathématique.


  1. La démodulation




Le GPS reçoit la fréquence L1 à un niveau de signal de -130 dBm et la largeur de sa bande est de 2 MHz. Le niveau de réception des signaux reçus étant très faible, il est nécessaire d’amplifier ce signal par l’intermédiaire d’un amplificateur (Il s’agit du premier étage du récepteur des ondes radio). C’est en fait un amplificateur faible bruit ayant un gain important permettant ainsi d’augmenter le niveau du signal reçu sans ajouter de bruits supplémentaires. A la suite de cet amplificateur, se trouve un filtre passe bande laissant passer les fréquences utiles du signal (fréquences radio du satellite). La majorité des informations sont contenues dans la bande centrale d’1 Mhz.

Trois paramètres principaux sont à prendre en compte : le bruit, le gain en puissance et la sensibilité du récepteur. Le processus de traitement du signal consiste en deux étages diminuant la fréquence et trois étages d’amplification. Une simple diminution de fréquence est théoriquement préférable, mais avec un double abaissement on obtient des systèmes plus simples à réaliser. Un abaissement avec un double étage a été choisi car le gain est réparti sur trois étages d’amplification. De plus, l’oscillateur local est ainsi mieux isolé du bruit du récepteur.

Une PLL (boucle à verrouillage de phase) et une référence basse fréquence sont utilisées pour produire les signaux RF et IF du signal de l’oscillateur local (un Quartz génère la fréquence de référence). La majorité des PLL comportent un VCO. Un réseau LC est nécessaire pour les opérations du VCO et de la PLL.

En sortie du Mixer, le signal est filtré à l’aide d’un filtre bande de base. La fonction de ce filtre est d’une part de supprimer les fréquences radio et les signaux de l’oscillateur local, et d’autre part de fixer une largeur de bande prédéfinie. Enfin, un amplificateur bande de base amplifie ce signal contenu dans la bande de fréquence désirée.

Le signal ainsi obtenu en bande de base constitue les trames d’informations des satellites. Ces dernières portent les éphémérides et sont analysées de manière logiciel.




Remarque : Les éphémérides
Le satellite envoie les informations a un débit de 50 b/s, elles sont découpées en cinq sous trame de 30 bits. Chaque sous trame contient le mot de télémesures et le mot de passage du code C/A au code P(HOW). Les trois premières sous-trames contiennent les informations de corrections relatives au satellites, les deux autres les éphémérides moins précises des autres satellites. Un faible débit est nécessaire pour que l'on obtienne une bonne synchronisation du récepteur. Celle ci permet aussi d'assurer le bon fonctionnement du corrélateur de signaux. Il faut 2mn et demi pour transmettre l'ensemble des informations. Les données sont valide pendant 4 heures.

Un allumage a froid (première fois) conduit le récepteur à charger toutes les éphémérides des satellites visibles. Ensuite il les réactualisera au fur et a mesure. Pour cette raison une première mise sous tension dure généralement prés d'un quart d'heure, un mise sous tension à froid environs 1mn (TTFF Time To First Fix) et une mise sous tension à chaud (hors tension depuis peu de temps) est très rapide car les éphémérides sont encore d'actualité.

  1. Le protocole NMEA


Le protocole NMEA est un langage employé par un récepteur GPS pour discuter avec son environnement (ordinateur, autre GPS, traceur de route, etc…). Ce sont des séquences de lettres et de chiffres. Une séquence se compose :

  • d'un en-tête de longueur fixe (5 lettres)

  • précédé d'un préfixe (un symbole, le $ en principe).


L'en tête explique au récepteur (un microprocesseur par exemple) le sens des informations qui le suivent. La longueur du texte suivant l'en tête est variable. Pour connaître la fin de la chaîne il faut trouver le caractère "Retour Chariot" parfois accompagné du caractère "Nouvelle ligne". D'autres paramètres sont à connaître comme ceux de la liaison série :


  • 4800 bauds

  • 8 caractères

  • pas de parité

  • 1 bit de stop

Elle doit être aux normes EIA-422A mais la norme RS-232 (voltage, ligne de masse etc…) marche très bien.
Exemple de réception :


En ROUGE la partie d'en-tête,

En VERT LA séquence la plus intéressante pour un positionnement




$GPBOD ,,T,,M,,*47

$GPRTE ,1,1,c,0*07

$GPRMC,154354,A,4856.189,N,00225.605,E,000.0,211.1,191097,002.6,W*6F   

$GPRMB ,A,,,,,,,,,,,,V*71

$GPGGA ,154354,4856.189,N,00225.604,E,1,03,2.9,37.3,M,47.6,M,,*72

$GPGSA ,A,3,02,,,,,,26,27,,,,,2.9,2.9,1.0*30

$GPGSV ,2,1,08,02,56,112,50,09,14,244,00,10,39,186,00,17,17,296,00*73

$GPGSV ,2,2,08,19,06,066,00,23,08,322,00,26,54,296,49,27,45,064,47*75

$PGRME ,68.3,M,150.0,M,164.8,M*1C

$GPGLL ,4856.189,N,00225.604,E,154354,A*20

$PGRMZ ,122,f,3*1A

$PGRMM ,WGS 84*06

$GPBOD ,,T,,M,,*47

$GPRTE ,1,1,c,0*07

$GPRMC,154356,A,4856.188,N,00225.603,E,000.0,211.1,191097,002.6,W*6A

$GPRMB ,A,,,,,,,,,,,,V*71

$GPGGA ,154356,4856.188,N,00225.603,E,1,03,2.9,37.3,M,47.6,M,,*76

$GPGSA ,A,3,02,,,,,,26,27,,,,,2.9,2.9,1.0*30

La séquence la plus importante pour connaître sa position est celle qui débute par : $GPRMC

Il existe d’autre séquence telle que :

$GPRMB = Information minimales de navigation

$GPRMC = Données spécifiques minimum de travail

$GPGGA = Données globales du système de positionnement

$GPVTG = Piste (track) bonne sur le sol

Séquence reçue :
$GPRMC, 154356 ,A, 4856.188,N , 00225.603,E ,000.0,211.1, 191097 ,002.6,W*6A  /*68 caractères*/

Traduction des points importants :
154356  = heure de reception

4856.188,N  = 48° 56 minutes 188 millièmes de secondes, N déclinaison NORD

00225.603,E = 002° 25 minutes 603 millièmes de secondes E Longitude Est

191097 = 19 octobre 1997
La latitude fait TOUJOURS 8 caractères + la lettre (la latitude varie de 0° - équateur - à 90° - pôles N ou S)
La longitude fait TOUJOURS 9 caratères + la lettre (la longitude, elle comporte 3 chiffres, de 0 à 180 ° E ou W, plus les minutes et 1/1000 de secondes, donc 1 caractère de plus)

La précision du système




  1. Sources d’erreurs


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 décalages des horloges de l'émetteur et du récepteur

    • le décalage fréquentiel dû à l'effet Doppler et aux instabilités des horloges d'émission et de réception.

La conception du récepteur doit tenir compte des incertitudes des signaux et de leurs variations.
D’autre part, le principe de positionnement GPS 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 ). Si les angles entre le récepteur et les satellites sont proches, on a un GDOP pauvre, et inversement. Mais il ne suffit pas de se fixer par rapport aux éphémérides pour sélectionner les meilleurs satellites, car un obstacle peut toujours être présent et fausser les mesures.





  • 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)

 

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.

Les applications




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. En effet, 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. Il faudrait installer de lourds moyens de surveillance de la constellation GPS et de lourds moyens politiques ( il faut beaucoup de garanties pour faire accepter par la communauté internationale qu’un instrument essentiel de navigation soit entièrement dans les mains des militaires d'un pays).

Mais la navigation en temps réel est loin d'être l'unique application du GPS.

 


  1. Applications militaires

 

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 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 américains.

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.
 
  1. Applications civiles


 

Le système NAVSTAR est financé par des organismes militaires. Pourtant, nombreuses sont les applications civiles. Le GPS présente des avantages non négligeables vis-à-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 :



  • 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 altitude :


La constellation NAVSTAR permet un positionnement précis aux satellites de basses et moyennes altitudes mais lorsqu'on franchit les 20200 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 où l'on se trouve. La plupart de ces signaux sont cachés par la terre et 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 de service public :


Les compagnies de transport en commun, de taxis, les ambulances ou encore les pompiers, utilisent le GPS afin d'améliorer leur efficacité, pouvant ainsi gérer en temps réel la position de leur 'flotte' de véhicules.



  • La voiture du futur :


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. 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...

 

  • 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'intermédiaire d'ondes radio à 900 MHz, 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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