Transcript G.P.S

Bien après le Big Bang
Groupe Pour Seins
Nous allons tenter
• Oui !!!
• Nous allons tenter
de vous présenter une nouvelle Galaxie
Celle qui nous remet dans le droit chemin
G.P.S
Global .Positionning .Satellite
C’est beau !
sommaire
– Les limites volontaires de la présentation.
– Le principe de base
• Les divers segments.
» Le segment spatial
» Le segment de contrôle
» Le segment utilisateurs
• Le W.G.S 84.
– L’ellipsoïde de base de la représentation de la terre.
– Les données UTM
• Les divers Datum.
Les limites volontaires de la présentation
Afin de rester clair et de nous en tenir aux aspects généraux.
Nous n’évoquerons pas les différentes applications des récepteurs GPS
qu’ils soient embarqués sur des véhicules, individuels ou autres .
Nous nous contenterons du positionnement brut. Les différentes
applications ne sont que des problèmes de logiciels et de bases de
données propres à chaque récepteurs.
Il est évident qu’un système embarqué disposant d’une source d’énergie
importante aura plus de potentialités qu’un GPS portable disposant de
deux piles de 1volt 5.
Le principe de base
• C’est la triangulation.
•
Imaginez que vous êtes que vous connaissiez la distance D en ligne droite qui vous sépare de votre but.
•
Vous êtes sur le périmètre du cercle de rayon D qui a pour centre votre but .
Les possibilités se réduisent
La constellation des satellites du G.P.S
Six orbites de quatre satellites actifs (Plus le dépannage )
Un point sur terre est visible par 12 satellites
Altitude 20200 km
6 plans orbitaux à 55° par rapport au plan de l’équateur
Satellite de la première génération
Les études actuelles portent sur la quatrième génération
Quelques données Techniques sur les satellites
- Attention pour avoir des données valables, il faut que le satellite soit suffisamment haut sur
l’horizon ( supérieur à 15 °= pour éviter les difficultés de réception.
-Il est nécessaire de « voir » quatre satellites pour un récepteur sur terre.
-Tous calculs faits : seuls 18 satellites sont nécessaires pour une altitude de 20200 km.
-Toutefois observons : 18 satellites pour la couverture, 3 pour effectuer des tests et 3 au titre
de la redondance soit un total de 24 satellites à l’altitude 20200 km. (En realité 32 satellites)
-A cette constellation que les grecs n’avaient pas prévue, s’ajoute depuis quelques années
trois satellites complémentaires situe à 36000 km d’altitude ( géostationnaires) qui portent
les noms de WAAS, EGNOS et MSAS.
-Les satellites de la constellation sont semi synchrones avec la Terre ( cette belle en bleu).
-Ce qui veut dire que leur vitesse est deux fois celle de notre Gé bien aimée !
-Chaque satellite fait le tour de la terre en 12 heures et ainsi il repasse sur le même point
toutes les 24 heures. (vitesse presque 4km/s)
La constellation des satellites du G.P.S
Six orbites de quatre satellites actifs (Plus le dépannage )
Un point sur terre est visible par 12 satellites
Altitude 20200 km
6 plans orbitaux à 55° par rapport au plan de l’équateur
Le segment Terrestre
Il s’agit la de stations au sol qui sont chargées de la mises à jour des paramètres
des satellites et plus précisément des horloges de bord qu’il faut synchroniser
en permanence ( enfin presque ) .
Il y a cinq stations servant le GPS .:
Une station à Colorado Spring c’est la station maitresse et chef d’orchestre .
Cette station reçoit les informations des quatre stations filles , les traites et
émet en direction de chaque satellites ces instructions de correction d’altitude,
de vitesse , de trajectoire , avec en outre des données de corrections pour les
ordinateurs de bord et la resynchronisation des horloges
Quatre stations de servitude : à Hawai, Ile d’Ascension, ile Diégo Garcia et
Kwajalein. Comme vous pouvez le voir , elles sont reparties autour du globe et
leurs positions sert de référence comparative. Les données provenant des
satellites sont retransmises à la station de Colorado Spring .
La synchronisation
Comme je ne l’ai pas dit la clé de voute du système c’est le temps et sa
mesure . Seulement voila de la précision de cette mesure dépend la
précision de l’ensemble . Pour avoir une précision au sol de 1 m , il faut
que la précision de l’horloge soit de 3, 3 nanosecondes.
Pour fixer les idées :
1 milli seconde c’est 300 km
1 micro seconde c’est 300 m
1 nano seconde c’est 300mm
1/1000
1/1000.000
1/1000.000.000
Le satellite a quant lui une horloge atomique, mais pas le récepteur
classique au sol. Pour avoir une bonne précision en distance il faut au
minimum une précision proche ce 0,2 microseconde.
En fait avec les calculs itératifs en utilisant quatre satellites la précision
atteint 200 nanoseconde .
Et je vous passe les détails
Les corrections
Les sources d’erreurs :
La trajectoire elliptique des satellites en effet ils ont tendance à se
balader autour de leurs trajectoires théoriques.
Perturbations due à la Lune et au Soleil ( effet de la gravité )
Les effets de la propagation électromagnétique. ( ionosphére et
éruptions solaires ionisantes ).
Les bruits de mesures : incontournables et qu’il est nécessaire de
neutraliser.
L’effet de la relativité. Sur le temps et sa mesures et sa transmission.
Stations au sol mesures. Humidité, ionisations , gravité, réflexions ,
feuillages, niveau du signal etc. etc.
Les effets de la propagation électromagnétique.
Corrections troposphérique et ionosphérique
En l'absence d'obstacles, il reste cependant des facteurs de perturbation
importants nécessitant une correction des résultats de calcul. Le premier
est la traversée des couches basses de l'atmosphère, la troposphère. La
présence d'humidité et les modifications de pression de la troposphère
modifient l'indice de réfraction n et donc la vitesse et la direction de
propagation du signal radio. Si le terme hydrostatique est actuellement
bien connu, les perturbations dues à l'humidité nécessitent, pour être
corrigées, la mesure du profil exact de vapeur d'eau en fonction de
l'altitude, une information difficilement mesurable, sauf par des moyens
extrêmement onéreux comme les lidars, qui ne donnent que des
résultats parcellaires. Les récepteurs courants intègrent un modèle de
correction.
Le deuxième facteur de perturbation est l'ionosphère. Cette couche
ionisée par le rayonnement solaire modifie la vitesse de propagation du
signal. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de correction,
mais en période de forte activité solaire, cette correction n'est plus assez
précise. Pour corriger plus finement cet effet, certains récepteurs bifréquences utilisent le fait que les deux fréquences L1 et L2 du signal GPS
ne sont pas affectées de la même façon et recalculent ainsi la
perturbation réelle.
Lidar =LIght Detection And Range .. Radar= RAdio Detection And Range
Un satellite de 2 éme génération
Cette génération de satellites d’une masse de 1000 Kg environ a couté
deux fois moins cher que la première génération. La troisième
génération est en cours de lancement . ( à partir de 2010 ).
Quelques éléments orbitaux
Théoriquement soumis qu’à la gravité terrestre, son déplacement est soumis aux lois de Kepler ,
lesquelles sont déduites des lois de la mécanique newtoniènne et de la gravité.
Les principales caractéristiques d’un satellite sont :
L’orbite est elliptique avec un foyer au centre de masse de la terre .
Le point le plus proche et le plus éloigné appelés périgée et apogée sont fixes dans un espace inertiel.
Un vecteur radial pointant du centre de masse de la planète vers le satellite balaye des surfaces
constante s durant un même laps de temps .
Deux satellites qui ont un demi axe de même longueur ont des périodes orbitales identiques.
Ainsi la vitesse d’un satellite évolue entre le périgée et l’apogée pour maintenir constant la somme de
son énergie cinétique et de son énergie potentielle. En d’autre termes l’énergie potentielle est plus
importante quand le satellite est éloignée du centre de masse de la terre, alors que l’énergie cinétique
est maximale lorsque le sateilite est a son périgée .
Quelques éléments orbitaux ( suite )
La stationnarité du plan, du périgée , de la taille, de la forme et de la période d’une orbite permet de
spécifier un mouvement Keplerien avec uniquement six paramètres dont l’un est fonction du temps.
Ces six paramètres peuvent être caractérisés par :
-Ohms o : la longitude du nœud ascendant .
- Io
:L’angle d’inclinaison .. Angle entre le plan équatorial et le plan orbital .
- Oméga : argument du périgée … Angle dans le plan de l’orbite entre l’équateur et le périgée .
-VA
: avec A le demi grand axe
-e
: l’excentricité ,
-Mo
: anomalie moyenne au temps de référence .
-Ces 6 paramètres avec la dérivée de la longitude du nœud ascendant, Ohms dot ( nécessaire car le plan
tourne naturellement du fait de son inclinaison et de la non sphéricité de la terre ) et le temps de référence
constituent l’almanach d’un satellite GPS.
-Chaque satellite transmet l’almanach de tous les satellites en position. Les coèfficiants des dérive d’horloge
et l’état de santé des satellites se rajoutent à ces paramètres.
-L’almanach est réactualisé deux ou trois fis par mois .
Les satellites, ils n’arrêtent pas de se parler
Les satellites n’arrêtent pas de communiquer entre eux les fréquences utilisées , car il y a en deux : pour les
usages civils la fréquence est de : 1 575,42 MHz et 1227,60 MHz pour la militaire ( ces deux fréquences sont
cohérentes et sont des multiples de la fréquence de l’horloge de référence
L1= 1575,42MHz= 154 x Fo MHz et L2 = 1227.60 MHz = 120 x Fo MHz )
La fréquence de l’horloge (mesure du temps ) Fo est de 10,23 MHz . Une synchronisation continue et
permanente afin de neutraliser les dérives est nécessaire .
Toutes ces conversations se font en binaire ( 1 et 0 ) selon un formatage précis et immuable
Contenu des messages :
Il y a cinq pages de 1500 données chacune
La page Un : précision et état de santé , Age des données . Coefficients Correctifs (horloge du satellite).
Les pages Deux et trois : paramètres orbitaux
La page Quatre : Almanach pour les satellites 25 à 32
La page Cinq : Almanach pour les satellites 1 à 24
Corrections troposphérique et
ionosphérique
•
•
En l'absence d'obstacles, il reste cependant des facteurs de perturbation
importants nécessitant une correction des résultats de calcul. Le premier est la
traversée des couches basses de l'atmosphère, la troposphère. La présence
d'humidité et les modifications de pression de la troposphère modifient l'indice de
réfraction n et donc la vitesse et la direction de propagation du signal radio. Si le
terme hydrostatique est actuellement bien connu, les perturbations dues à
l'humidité nécessitent, pour être corrigées, la mesure du profil exact de vapeur
d'eau en fonction de l'altitude, une information difficilement colectable, sauf par
des moyens extrêmement onéreux comme les lidars, qui ne donnent que des
résultats parcellaires. Les récepteurs courants intègrent un modèle de correction.
Le deuxième facteur de perturbation est l'ionosphère. Cette couche ionisée par le
rayonnement solaire modifie la vitesse de propagation du signal. La plupart des
récepteurs intègrent un algorithme de correction, mais en période de forte activité
solaire, cette correction n'est plus assez précise. Pour corriger plus finement cet
effet, certains récepteurs bi-fréquences utilisent le fait que les deux fréquences L1
et L2 du signal GPS ne sont pas affectées de la même façon et recalculent ainsi la
perturbation réelle.
L’effet de la relativité.
• Outre l'incertitude associée à l'horloge du récepteur, la
relativité restreinte et la relativité générale interviennent
de façon fondamentale. La première implique que le temps
ne s'écoule pas de la même façon dans le référentiel du
satellite, parce que celui-ci possède une grande vitesse par
rapport au référentiel du récepteur. La seconde explique
que la plus faible gravité au niveau des satellites engendre
un écoulement du temps plus rapide que celui du
récepteur. Le système tient compte de ces deux effets
relativistes dans la synchronisation des horloges. Par
exemple les fréquences émises sont légèrement décalées
(4,5 ppm) pour être reçues au sol avec leur valeur réelle.
World Geodesic System
Rèvision
84
•
C’est un système de coordonnées terrestres, basé sur un géoïde de référence prenant la forme d’un
ellipsoïde de révolution.
•
WGS84 est un système de coordonnées comprenant un modèle de la terre. Il est défini par un
ensemble de paramètres primaires et secondaires :
•
les paramètres primaires définissent la forme de l’ellipsoïde de la terre, sa vitesse angulaire, et sa
masse ;
les paramètres secondaires définissent un modèle détaillé de la pesanteur terrestre.
•
Ces paramètres secondaires sont rendus nécessaires par le fait que WGS84 est employé non
seulement pour définir des coordonnées, mais aussi pour déterminer les orbites des satellites de
navigation GPS.
•
Ce système n’étant pas calé sur la plaque eurasienne, la dérive des continents faits qu’il ne peut
être utilisé pour des précisions meilleures que le mètre (déplacement de la plaque de 0,95cm par
an). Pour cette raison, le système légal d’expression des coordonnées géographiques en France est
le système RGF93.
•
L’ellipsoïde de référence du système WGRS84 est le GRS 80 (demi-grand axe a = 6 378 137,0m, 1/f =
298,257 222 101).
•
Les "coordonnées GPS" renvoyées par un récepteur GPS sont en fait une latitude, une longitude et
une altitude dans le système WGS84.
L’aviez vous vue ainsi notre Terre
Ellipsoïde WGS 84
• Définition des paramètres :
•
-demi grand axe
•
- coef harmonique du 2 degré
•
-vitesse angulaire
•
Constante gravitationnelle géocentrique GM
398 600.6 km^3 s^-2
•
- demi petit axe
b
6 356 752.3142 m
•
Aplatissement
f
1/298.257 223 563
a
6 378 137 m
- 484 .166 85 x 10^-6
oméga
7.292 115 1467x 10^-5 rad s^-1
Presque U T M
Les données : Universal Transverse Mercator ou UTM
La Transverse universelle de Mercator (en anglais Universal Transverse Mercator ou UTM) est un type
de projection conforme de la surface de la Terre. Cette projection est une projection cylindrique où l’axe
du cylindre croise perpendiculairement l’axe des pôles de l’ellipsoïde terrestre au centre de l’ellipsoïde.
Schéma de la projection UTM
L'UTM est également un système de référence géospatiale permettant d'identifier n'importe quel point
sur notre planète.
En pratique, pour couvrir la surface de la Terre, on la découpe en 60 fuseaux de 6 degrés en séparant
l’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud. Soit au total 120 zones (60 pour le Nord et 60 pour le Sud). On
développe alors le cylindre tangent à l’ellipsoïde le long d’un méridien pour obtenir une représentation
plane.
Les zones polaires (au-delà de 84,5 degrés de latitude Nord et en deçà de 80,5 degrés de latitude Sud)
ne sont théoriquement pas couvertes par ce système de projection, bien que le cylindre utilisé soit
tangent aux deux pôles.
Ce n’est cependant pas un réel obstacle, si on admet d’étendre le découpage rectangulaire de la
projection, de façon à couvrir plus de 6° de longitudes au-delà de l’équateur. C’est ce qui est
généralement utilisé sur les cartes, où l’extension de longitude permet de conserver une bonne
précision à peu près similaire à celle du long de l’équateur.
Les données Universal Transverse Mercator ou UTM
Cartographie générale : ( systématique )
Chaque fuseau porte un numéro d’ordre qui l’identifie sans ambiguïté l’origine se situe dans le Pacifique
méridien 180°.
Les fuseaux qui intéressent la France sont :
Le fuseau n° 30 (longitude allant de 6° ouest à 0°)
Le fuseau n° 31 (longitude allant de 0° à 6° Est)
Le fuseau n° 32 (longitude allant de 6° Est à 12° Est)
Ces fuseaux sont ensuite découpés de l’équateur vers le pole Nord en bandes circulaires (latitudes) de 8°
baptisée par des lettres majuscules de C à X (sauf I et O qui pourraient être confondus avec 1 ou 0 zero ) et du
pole Sud vers l’équateur.
Deux bandes pour la France T (40° à 48° ) Nord et U ( de 48° à 56° Nord)
Ce découpage en fuseaux et zones permettent un classement systématique aisé de ces grandes cartes générales
que les anglo-saxons nomment « tiles » tuiles . Il est bien entendu que ces cartes sont ensuite le support de
subdivision qui permettent d’aller vers des détails plus petits .
La position se donne traditionnellement en degré, minutes, secondes (ou dérivés ) issue de la navigation
maritime ou par un système plus pratique que sont les coordonnées kilométriques dont le précurseur est un
français dénommé Lambert ( toujours utilisable sur nos cartes, quadrillage en noir) mais qui tend a disparaitre .
Dans le système dit GPS, pour la partie Nord l’origine est l’équateur et les parallèles (latitudes) sont
incrémentés tous les kilomètres jusqu’au pole NORD, pour l’hémisphère Sud, l’équateur porte la valeur 10000
et les parallèles (latitudes) sont décrémentés tous les kilomètres jusqu’au pôle SUD.
OBSERVATOIRE DU SOLER
En coordonnées UTM
31 T 0483520 4725705
31 fuseau
T la bande
‘’ longitude ’’ 0483520 soit le carré 483 à 520m du bord gauche
‘’latitude ’’ 4725705 soit 4725,705 km de l’équateur
Si pour la latitude l’explication est simple , pour la longitude quelques explications sont nécessaires .
Vous vous souvenez que nous avons 60 fuseaux de 6° pour faire 360 °
Eh bien le méridien central partage le fuseau en deux parties symétriques
On lui donne la valeur 500 ( du N au S )et de chaque coté le quadrillage kilométrique est décroissant vers
l’Ouest (à gauche) et croissant vers l’Est ( à droite ). Rappel , une carte a toujours le Nord en haut
494. 495. 496. 497. 498. 499. 500. 501. 502. 503. 504. 505. 506.
Attention : Sauf cas particulier les méridiens UTM n’indiquent pas le Nord géographique ,
par contre le jambage des lettres Oui
En coordonnées classiques
N 42°41’01.1 ’’ E 002°47’55.8’’
Les Datums
La cartographie qui fut longtemps une donnée militaire bénéficiait
d’une masse de données historiquement indépendante d’une nation à
une autre . Les mathématiciens nationaux ont donc , cherchés pour les
portions de territoires qui les concernaient des ellipsoïdes qui collaient
au plus prés de la réalité du terrain . C’est ainsi que l’on trouve une
centaine d’ ellipsoïdes différentes.
Les datums sont les données qui permettent de mettre en adéquations
(par une simple adition vectorielle ) les coordonnées WGS 84 et les
coordonnées des différentes cartographies que nous qualifierons de
locales. Aussi si vous vous déplacez dans le monde avec un GPS
n’oubliez pas de mettre en adéquation votre récepteur GPS avec la carte
papier que vous utilisez , sinon vous vous exposez à des déboires .
Par exemple , le quadrillage espagnol GPS des cartes au1/ 25000 et celui
des cartes IGN au quadrillage 1/25000 ont une différence de 200 m en
longitude et 100 m en latitude .
Il ne faut pas croire non plus que l’IGN utilise toujours le même
quadrillage , pour les cartes routières c’est l’ED 50 qui est utilisé.
Donc pensez à mettre en harmonie la carte et le GPS.
Datum
Le segment Utilisateur
Le récepteur GPS
Le récepteur GPS
•
Comme vous l’avez vu sur le synoptique, plusieurs parties, que nous allons
analyser selon leur intérêt , soit pratique soit didactique sans entrer dans le
détail :
•
A) L’antenne : Cet élément simple, est malgré tout d’une complexité
remarquable et d’entrée de jeu sachez que sa position est prépondérante dans la
réception des signaux. En général il s’agit d’antennes groupées destinées à
augmenter les signaux , elles agissent aussi comme filtres sélectifs de large
bande.
•
B) Après l’antenne se trouve un préamplificateur qui outre sa fonction à une
caractéristique particulière , créer le moins de bruits parasites possibles
•
C) le module Radio-Fréquence est chargé de la transposition des signaux , vers
des fréquences intermédiaires dites FI lesquelles permettront de traiter les
informations. De nombreux filtres, une CAG ( Contrôle Automatique de Gain)
Le récepteur GPS
•
D) A la sortie du module RF , dés la sortie FI le signal est numérisé et dans le
module numérique le/s circuits ASIC (Application Spécific Intégrated Circuits)
dédiés au traitements GPS et un Processeur de Signal. Ce dernier qui gére le/s ASIC
peut dans certains cas gérer l’interface utilisateur, ( entrées/ sorties) . Soit pour
faire simple le clavier et l’affichage.
•
E) le logiciel et ses fonctions :
- la gestion des satellites
- la gestion d’un canal ( recherche, acquisition, accrochage du code ,
démodulation du message de navigation, synchronisation bit et trame ,
raccrochage après perte du signal )
-La navigation fonction qui fournit la position la vitesse à partir des mesures
brutes et des données du message de navigation .
- Tests réalisés en taches de fonds
- Gestion du temps pour la gestion de l’horloge utilisateur.
Le récepteur GPS
•
Outre de nombreux détails qui ne me paraissent pas à priori devoir être
développés ici, nous avons terminé la description sommaire d’un GPS disons
basique .
•
Ne négligeons pas une donnée essentielle, celle de l’alimentation. Elle détermine
l’utilisation car plus on veut faire faire de choses au récepteur plus il faut lui fournir
de l’énergie , si vous voulez le faire travailler plus vite , il consomme plus par
exemple.
•
Donc , en règle générale, le cœur d’un GPS couplé avec un ordinateur pourra
puiser dans les ressources et les possibilités de l’informatique de l’ordinateur
.Bases de données, puissance de calcul, programmes adaptés et spécifiques etc
etc .
Ilet Caret