Le GPS - IPNAS - Université de Liège

Le GPS
et l'avenir des systèmes de
positionnement
Henri-Pierre GARNIR
Physicien
Professeur à l’Université de Liège
Institut de Physique Nucléaire, Atomique et de Spectroscopie
Université de Liège, B4000 Liège, Belgique
[email protected]
LiËge, 7 fÈvrier 2007
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Chapitre 1
S’orienter sur la terre
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Le GPS
Un rêve qui se réalise
Connaître sa position
sur la terre pour ne
plus se perdre...
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Comment indique-t-on une position
sur la terre ?
Par ses coordonnées : latitude, longitude, altitude.
OK pour les pros (marin, aviateur, etc…) mais peu pratique pour les autres…
Par une adresse : pays, ville, code postal, rue, n°.
Par un point sur une carte (vue globale).
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Rappel : notion de latitude / longitude
Système de repérage de la position sur notre terre :
• Latitude (Nord/Sud) : +90°/-90°
• Longitude (Est/Ouest) : +180°/-180°
Latitude (réf. zéro : Equateur)
Longitude (réf. zéro : Greenwitch)
Liège : N 50°.39’ ; E 5°.34’
http://nationalatlas.gov/articles/mapping/a_latlong.html
http://www.mapquest.com/maps/latlong.adp
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Passage à la carte
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Un GPS de navigation dispose de données cartographiques et
de bases de données de points de référence (favoris et
points d’intérêt). Il fonctionne de façon interactive.
Il obtient des satellites les coordonnées de sa position.
Un logiciel ad-hoc traduit cette information sous format graphique.
Il peut même calculer le meilleur trajet pour se rendre d’un point à
un autre et vous guider pour le suivre.
Mio H610 “lady”
(GPS pour piéton)
Tomtom
Mio C250
(sur support)
Medion 500T
(un GPS basique)
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Chapitre 2
Comment ça marche ?
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Comment ça marche?
Un GPS contient une horloge très précise
qui est réglée par les satellites.
La trajectoire de chaque satellite est parfaitement connue à chaque instant
(exactitude de l’ordre du cm).
Le récepteur GPS évalue sa position en calculant les distances qui le
séparent des satellites à partir du retard dû au transit des signaux provenant
des satellites (cf. c = vitesse de la lumière).
c = 300 000 km/s
Soit 30 cm en une nanoseconde (10-9s)
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TRIANGULATION DU GPS
A l'instant T, le récepteur reçoit les informations de position
de deux satellites S1 et S2 émises respectivement aux temps
T1 et T2. De là, il déduit qu'il est à une distance
D1=c.(T-T1) de S1 et D2=c.(T-T2) de S2.
Mais il ne peut pas garantir que son horloge est à l'heure!
Donc, tout ce que l'on peut déduire de cela est la
différence de parcours entre les points S1 et S2 :
D1-D2 =c.(T1-T2)
On est donc quelque part sur un hyperboloïde de révolution dont les deux satellites sont les foyers. (Le
lieu des points dont la différence des distances à deux points fixes est constante.)
Un troisième satellite S3 définit, avec S2, un deuxième hyperboloïde (=> intersection = une courbe).
Un quatrième satellite (non coplanaire à S1, S2 et S3!) définit avec S3 un troisième hyperboloïde (=> la position
du récepteur est le point d'intersection des trois hyperboloïdes. CQFD!)
De là, le récepteur peut synchroniser son horloge et obtenir un temps ultra-précis!
Les signaux des autres satellites affinent les calculs.
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Deux satellites
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Trois satellites
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Quatre satellites
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Ce qu’il faut retenir :
Il faut au moins quatre satellites à vue pour se positionner
Un GPS n’émet aucun signal
(contrairement au GSM, il se contente d’«écouter»)
Les horloges doivent être exactes
1 sec sur 100 ans!
Les calculs sont très compliqués
il faut un (micro) ordinateur
puissant et des données précises
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La structure du système
3 segments :
1.
Le segment spatial (les satellites)
2.
Le segment de contrôle (sur terre)
3.
Le segment utilisateur (le «gps»)
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(1) Le segment spatial
Minimum 24 satellites*
répartis sur 6 plans inclinés à 55° (contenant chacun 4
satellites) à une altitude de 20 200 km et qui effectuent
donc deux rotations par jour.
Exemple d’une trajectoire typique vue de la terre
* En pratique, il y en a plus de trente et Galileo en ajoutera une quarantaine à 24000 km…
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Chaque satellite contient :
•plusieurs horloges atomiques ultra précises,
•un émetteur de signaux GPS d’environ 160 W,
•un système de contrôle de trajectoire.
Une mini horloge atomique
Un satellite et le spectre
des signaux qu’il envoie.
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Un satellite U.S. NAVSTAR (2005)
en phase de test
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(2) Le segment de contrôle du GPS US
Le fonctionnement des satellites est constamment contrôlé depuis la terre.
La station de Colorado Spring effectue les réglages et les tests, les autres
servent simplement de retransmetteurs. Les satellites sont testés et corrigés
toutes les 3h.
Le système GPS dépend de l'armée américaine (outil stratégique!).
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Le segment de contrôle de Galileo
En gestation…
OPERPFAFFENHOFEN
Galileo est le nom du projet européen
destiné à imiter le GPS US. Il s’agit d’un
programme civil.
(Il devrait fonctionner en 2012)
Pose de la première pierre du centre de contrôle Galileo de Oberpfaffenhofen (Munich)
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(3) Le segment utilisateur
C’est le récepteur GPS proprement dit.
Il contient un récepteur et toute la logique de
présentation et de calcul.
C’est un instrument «high tech» particulièrement sophistiqué qui
peut décoder des signaux ultra-complexes!
Nouvelles tendances :
• Améliorer the TTFF (time to first fix <1s)
• Continuer à fonctionner dans des conditions de réception
difficiles (indoor et «urban cañion» -160 dBm au lieu de -140dBm)
• Disposer d’une cartographie et de fonctions de guidages de plus
en plus puissantes.
• Améliorer l’autonomie.
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Structure des signaux
Tous les satellites émettent sur la même fréquence de 1 575,42 MHz (signal L1).
Chaque satellite a un code spécifique qui signe ses informations.
C’est une sorte de clé qui permet de l’identifier (multiplexage fréquenciel à env.
1.023MHz).
Les données utiles sont transmises à 50 bps (cas du GPS - Galileo pas encore finalisé).
Le cycle complet de transmission dure env. 12 minutes.
• Un top de synchro
• L'heure
• L'état du satellite
• Sa position (table d’éphémérides)
• L'état de l'ionosphère et l'almanach complet du système...
Structure of the GPS data of one "frame"
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Les nouveaux récepteurs tiennent sur un seul circuit
et utilisent des corrélateurs
Principe du corrélateur pour «accrocher» un signal
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http://www.kowoma.de/en/gps/signals_runtime.htm
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Dans les circuits récents on trouve jusqu’à un million de
«corrélateurs»* qui décodent très rapidement les signaux.
Doppler shift
Satellite n°
Matrice de corrélateurs
fréquence / code
*équivalent à 1 000 000 récepteurs de radio fonctionnant en même temps!
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Bien utile pour l’avenir, car les signaux GPS vont se complexifier...
Actuellement
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Le but est d’améliorer les performances :
•Meilleure précision
•Couverture plus étendue
•Mieux prendre en compte l’atmosphère
•Garantie de bon fonctionnement en permanence
(sécurité!)
http://www.kowoma.de/en/gps/index.htm
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Pour que le GPS marche bien, il faut que plusieurs
satellites soient en vue directe et que le trajet des signaux
ne soit pas perturbé par l’environnement.
Les ondes sont perturbées par :
•L’ionosphére (orage magnétique) ± 5m
•Les obstacles
arbres, maisons, buildings
•Les pare-brises athermiques
http://www.kowoma.de/en/gps/
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Tenir compte des conditions atmosphériques car la vitesse des
signaux change dans les 100 derniers kilomètres.
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Comment s’affranchir de l’obligation d’avoir les
satellites à vue ?
Un GPS mesure la vitesse* par effet Doppler, c-à-d en mesurant la
différence entre la fréquence du signal théorique et celle du signal reçu.
(Même technique que les «radars» de contrôle de vitesse!)
Le calcul du vecteur vitesse ne dépend donc que de la fréquence des
signaux reçus.
Ceci permet d’utiliser des signaux réfléchis ou retransmis et ouvre la
possibilité de fonctionner à l’intérieur ou dans des tunnels.
(En augmentant la sensibilité du récepteur et en acceptant les signaux «multipath».)
C’est la méthode du
«dead reckoning»
(gps haut de gamme avec centrale inertielle)
*Un GPS donne la vitesse avec une erreur inférieure à 0.01 km/h.
C’est une prouesse technologique car les satellites se déplacent à 13600 km/h !
http://www.gpsworld.com/gpsworld/article/articleDetail.jsp?id=154870
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Comment améliorer le fonctionnement :
•Augmenter le nombre de satellites (de 24 à 80) de façon qu’il y en
ait toujours plusieurs en vue.
•Utiliser simultanément tous les systèmes (GPS, Galileo et Glonas).
•Utiliser plusieurs fréquences et améliorer notre modélisation de
l’atmosphère.
Bientôt, il sera aussi facile de se positionner que de lire l’heure!
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Chapitre 3
Quelques notions de physique
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Le fonctionnement correct du GPS implique
des corrections relativistes
• Les satellites se déplacent à des vitesses de l'ordre de 3.8 km/s.Contraction des longueurs et dilatation
des temps...
Dérive de 3 cm/s ou 100 m/h
• Les photons «tombent» vers la terre et subissent un «Gravitational shift»
Effet perceptible entre les horloges de Denver et Paris
• Le signal qui part des satellites et qui atteint le récepteur décrit une spirale.
Le phénomène est subtil mais peut se calculer (Effet Sagnac)
Le GPS : un véritable
test de la relativité
Isaac Newton (1642 - 1727)
Albert Einstein (1879 - 1955)
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Le GPS repose sur l’amélioration des
horloges
L'avenir : l'horloge à ion(s)
Principe du «peigne optique»
Supercontinuum
PRIX NOBEL DE PHYS. 2005
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Chapitre 4
Le passé et l’avenir
GPS & Galileo
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Historique & Avenir
HISTORIQUE DU GPS US
Le GPS est le résultat d'un projet lancé au début des années 60 aux Etats-Unis, appelé NAVSTAR.
• 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 interrompu 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 satellites suivants. Les lancements ont repris en 1989.
• 1989 Le premier block de satellites est opérationnel et sera immédiatement utilisé à grande échelle
lors de la première guerre du golf (1990 - 1991).
• 1993 Les civils seront autorisés à utiliser gratuitement le système.
• 17.07.1995 Annonce officielle de l’activation complète du système
Le 01.05.2000, Clinton fait arrêter le la dégradation (dite “selective availability”) - on passe de 100 m à 10 m de précision.
L’annonce que l’Europe entre dans le jeu y est probablement pour quelque chose!
HISTORIQUE DE GALILEO
• 2001 - premier pas (projet GALILEI) - Les études techniques de l’ESA ont débuté en 1990
• 2002 - L’Europe se lance sur base d’un compromis entre l’ ESA et UE.
• 2005 - Le projet prend forme et le premier satellite (de test) GIOVE-A est mis en orbite en
décembre (Heureusement - sinon l’Europe perdait ses fréquences!)
• 2006 - Tant sur le plan technique que sur le plan politique, le projet avance mal!
• 2007 - L’échéance de 2008 s’éloigne vers 2011-2012 !!!!
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Le premier satellite de test de Galileo
le satellite de démonstration Giove-A,
construit par SSTL une petite
entreprise anglaise issue de
l'université du Surrey, fonctionne
parfaitement depuis son lancement en
décembre 2005 (28 millions d’€).
GIOVE-A atop the Soyuz launcher on
pad six at Baikonur Cosmodrome
GIOVE-A mated with Fregat launcher upper stage
http://www.sstl.co.uk/index.php?loc=27&id=414
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Le projet Galileo
La pub…
Le problème…
Articles de Presse
Le coût :
Coût : env. 3.200 Milliard €
(150 km d'autoroute - à voir...)
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(7 décembre 2005)
International Herald Tribune: France-U.K. base for Galileo office
Le Monde: Le siège de Galileo sera à Toulouse
Nouvel Observateur : Galileo s’installe à Toulouse
Libération: Toulouse accueillera le siège de Galileo
Le Figaro: Galileo se partage entre Toulouse et Munich
Frankfurter Allgemeine Zeitung: Galileo wird von Deutschland aus gesteuert
Die Welt: Durchbruch im Streit um Satellitenprojekt Galileo
tagesschau.de: Deutsches Konsortium wird an Galileo beteiligt
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18 janvier 2007 : 06h00
Le satellite Giove-B, qui devait décoller en avril dernier, est toujours cloué au sol.
•
J. Huart/ESA/AFP
Retour | Rubrique L'actualité économique
ESPACE Le directeur général de l'ESA leur demande de régler des « problèmes d'organisation ».
LORS de la présentation de ses voeux à la presse, le directeur général de l'Agence spatiale européenne (ESA), Jean-Jacques
Dordain, a adressé hier une mise en garde à peine voilée à Galileo Industries, le consortium chargé de construire les satellites du
système européen de navigation appelé à concurrencer le GPS américain à l'horizon 2011-2012.
Alors que le satellite de démonstration Giove-A, construit par SSTL, une petite entreprise anglaise issue de l'université du Surrey,
fonctionne parfaitement depuis son lancement en décembre 2005, son successeur Giove-B, qui devait décoller en avril dernier,
est toujours cloué au sol.
Or ce deuxième satellite destiné à valider en orbite les technologies du futur « GPS européen » a été fabriqué par Galileo
Industries, un géant qui regroupe la fine fleur du secteur spatial européen. À savoir, Alcatel Alenia Space (38 %), EADS Astrium
(38 %), Thales (12 %) et Galileo Sistemas y Servicios (12 %).
Selon M. Dordain, le retard « est dû à un problème technique sur un composant » de l'ordinateur de bord « qui a défailli lors
d'essais » en chambre sous vide réalisés cet été. Mais il y a eu aussi des «problèmes d'organisation » au sein de Galileo
Industries, relève le directeur général de l'ESA, qui veut s'assurer que le même scénario ne se reproduira pas avec les quatre
premiers satellites opérationnels IOV de la constellation Galileo (sur une trentaine au total) dont le lancement est prévu fin 2008.
« Les actionnaires de Galileo Industries, qui sont par ailleurs des concurrents, n'ont pas réussi à surmonter leur méfiance
réciproque et à se doter d'une structure de management efficace », confirme un expert auprès du gouvernement.
Si le lancement d'un nouvel appel d'offres paraît improbable, M. Dordain a demandé au consortium de « mettre en place, d'ici à
mars 2007, les actions permettant d'être sûr qu'IOV fonctionnera correctement. » En revanche, les autres retards pris par
Galileo - notamment la signature du contrat de concession au secteur privé - ne sont pas du ressort de l'ESA dont la
responsabilité se limite au lancement des deux démonstrateurs et des quatre premiers satellites IOV.
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5 décembre 2005
Face à Munich, Rome et Barcelone, c’est la candidature de Toulouse qui a été retenue
pour accueillir le siège du concessionnaire de GALILEO qui débutera ses opérations dès
2006. GALILEO, c’est la création immédiate de 100 à 150 emplois sur ce site, une forte
attraction des PME qui ont misé sur la navigation par satellite, la création de 150 000
emplois sur 20 ans, dont 10 000 à 15 000 pour la seule région toulousaine. GALILEO est
également un instrument de coopération internationale pour l’Europe. Des accords de
coopération ont déjà été conclus avec plusieurs pays dont la Chine, l’Inde, Israël, la
Russie, l’Ukraine.
The Council agreed on 5 December 2005 to split the headquarters of Galileo between
France and the United Kingdom. The administrative base in charge of financial and judicial
matters and business development will be located in Toulouse, while the operations will be
run from London. Germany, Italy and Spain will host Galileo control and evaluation
centres.
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Chapitre 5
Des applications…
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Surface et balisage
Guidage moissonneuses
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SPORT
skis et randonnées
Course à pied
GPS sur un cheval
Vete Ulg (oct 03)
Formule I
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Même pour le golf...
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Chapitre 6
Conclusions
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Conclusions
Savoir où nous nous trouvons a toujours été un aspect critique de la vie. Depuis tous les temps, les
marins pointent leurs instruments et leurs compas vers des constellations d'étoiles, et déterminent
ainsi leur position avec un degré de précision dépendant de la précision des outils et de leur propres
talents. Aujourd'hui, une nouvelle constellation, de satellites cette fois, remplace tout ceci. Elle est
connue sous le nom de Système de Navigation Global par Satellite, en anglais G.N.S.S.
Mais l' ambition du G.N.S.S. ne se limite pas au positionnement. Son utilisation dans divers
domaines peut changer notre monde.
Merci de votre
attention!
Questions ?
Version .pdf disponible en :
http://www.ipnas.org/garnir/presentations/2007GNSS.pdf
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Illusion…
(Impossible object- «Cascade» - M.C. Escher (1961)
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