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