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Hanen Ghazel
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Origine du GPS

Généralités sur le système
Composition du GPS

Principe de fonctionnement
Trame GPS

Exemple : Galileo
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.





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
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
 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)
 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.
 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 :

•

SPS (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.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.
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 minimales exploitables spécifiques
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.
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
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  • 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

Notes de l'éditeur

  1. Bloc I : les satellites du Bloc I sont les 11 premiers satellites du système, mis en orbite entre 1978 et 1985, fabriqués par Rockwell International, ils étaient prévus pour une mission moyenne de 4,5 anset une durée de vie de cinq ans, mais leur durée de vie moyenne s&apos;éleva à 8,76 années ; l’un d’entre eux est même resté pendant 10 ans en activité. Leur mission principale était de valider les différents concepts du GPS. Aujourd’hui, plus aucun satellite du Bloc I n&apos;est encore en service ; Bloc II : les satellites du Bloc II sont les premiers satellites opérationnels du GPS. De nombreuses améliorations ont été apportées à ces satellites par rapport à la version précédente, notamment en ce qui concerne leur autonomie. Ils sont capables de rester 14 jours sans contact avec le segment sol tout en gardant une précision suffisante. Neuf satellites furent lancés en 1989 et 1990. Bien qu&apos;on ait estimé leur durée de vie à 7,5 ans, la plupart d&apos;entre eux sont restés en fonction pendant plus de dix ans. Il ne reste plus aucun satellite du Bloc II actif ; Bloc IIA : les satellites du Bloc IIA, au nombre de 19 et lancés entre 1990 et 1997, correspondent à une version perfectionnée des satellites du Bloc II initial. Ils sont équipés de deux horloges atomiques au césium et de deux horloges au rubidium. Ils ont marqué à partir de 1993 le début de la phase opérationnelle du GPS. En 2011, 9 satellites du Bloc IIA sont toujours actifs ; Bloc IIR : les satellites du Bloc IIR sont dotés d&apos;une meilleure autonomie, fabriqués par Lockheed Martin Corporation, et mis en orbite entre 1997 et 2009, ils peuvent se transmettre mutuellement des messages sans aucun contact au sol, permettant ainsi aux opérateurs du système de pouvoir communiquer avec des satellites qui leur sont inaccessibles dans une communication directe. Ils sont équipés de trois horloges atomiques au rubidium. Vingt-et-un satellites du Bloc IIR ont été lancés, le dernier le 17 août 2009. Vingt sont actifs. Les huit derniers sont désignés sous le sigle IIR-M parce qu&apos;ils émettent un nouveau code civil (L2C) et un nouveau code militaire (M). Le satellite IIR-M7 a été modifié pour émettre le nouveau signal sur la fréquence L5, qui sera implanté sur les satellites du Bloc F[note 1] ; Bloc IIF : les satellites du Bloc IIF (Follow-On) construits par Boeing sont au nombre de 12, le premier de la série a été lancé en mai 2010, le second en juillet 2011. Ces satellites émettent un nouveau signal L5 ; Bloc III : les satellites du Bloc III sont encore en phase de développement en 2011 et ont pour but de faire perdurer le GPS jusqu&apos;en 2030 et plus. Les premières études furent lancées en novembre 2000, et en mai 2008, Lockheed Martin Corporation fut choisi pour réaliser 32 satellites. Une première série composée de 8 satellites (Bloc IIIA) doit être lancée à partir de 2014[9].
  2. Révolution sidérale, retour d’une étoile au même point du ciel. Jour sidéral, temps que met une étoile pour revenir au même méridien. Année sidérale, temps que met le soleil pour revenir occuper le même point du ciel par rapport aux étoiles, l’année sidérale est un peu plus longue que l’année solaire.  métal alcalin, mou et argenté, dont la température de fusion n&apos;est que de 39,3 °C. L&apos;emploi de cette transition permet d&apos;obtenir des horloges commerciales compactes et de bas coût, ayant une stabilité relative de fréquence de 5×10-11 (soit une erreur possible de 1 seconde sur un peu plus de 600 ans)