1. GP
S
Hanen Ghazel

2. PLAN
1
2
3
4
5
6
Origine du GPS
Généralités sur le système
Composition du GPS
Principe de fonctionnement
Trame GPS
Exemple : Galileo

3. Origine du GPS
 Années 70 : Conception réalisé par DoD 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
Force face aux travaux débutés par la société "Californian
Aerospace Corporation" concernant un système de radionavigation.
Corporation
 1978 : Lancement des 4 premiers satellites (Bloc I) , l'année même où le
département des transport DoT s'associe au projet.
 1983 : Fixation de nouveaux objectifs par le président Reagan : une
précision horizontale civile de 100m (pour 95% des cas) et ceci dans le
monde entier.

4. 



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 (1996) le
président Clinton 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 DOD et du DOT des US.
US

5. Généralités sur le système
 GPS ( Global Positioning System) : Système de positionnement/localisation global/mondial par sattelites;
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

6.  Le GPS utilise le système géodésique WGS84 (World Geodetic System,
révision de 1984), auquel se réfèrent les coordonnées calculées grâce au
système.
Un géoïde est une représentation de la surface terrestre plus précise que
Un géoïde est une représentation de la surface terrestre plus précise que
l'approximation sphérique ou ellipsoïdale. Il est défini de manière àà
l'approximation sphérique ou ellipsoïdale. Il est défini de manière
coller au plus près ààla «surface réelle».
coller au plus près la «surface réelle».
 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)

7.  Les coordonnées géodésiques d'un point dans le système géodésique considéré 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.

8.  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).

9. Composition du GPS
 Composé de 3 parties :

10. 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.

11. 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 !

12. 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 :
•
SPS (Standard Positioning Service) : service offert a tous les
utilisateurs, mais qui peut malheureusement être dégradé
volontairement, à l'exemple de la SA.

13. 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.PPS (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.

14. 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

15.  En recoupant les informations de 2 satellites, le lieu géométrique du
récepteur devient un cercle

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

17.  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

18.  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 :

19. 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

20.  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 minimales exploitables spécifiques

21. 4.
5.
6.
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.
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.
Suit la fermeture de la séquence avec un [CR][LF].
 Un total de 82 caractères maximum pour une trame.

22. 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

23. Compris?