Notions fondamentales sur la navigation par satellite

MEMOIRE Présenté pour l’obtention du diplôme de MASTER

En : Télécommunications

Spécialité : Système de Télécommunications

CONCEPT DE GEOLOCALISATION

   La GEO LOCALISATION (ou GEO-référencement) est une technologie avancée qui permet de spécifier des informations permettant de localiser un objet ou un individu à l’aide de coordonnées géographiques. Avec l’apparition des nouvelles technologies telles que les téléphones mobiles, les tablettes numériques, les systèmes de géolocalisation ont connu un grand essor. En effet, ces systèmes impliquent une infrastructure contenant un ensemble de capteurs permettant d’acquérir les informations nécessaires sous diverses formes (acoustique, électrique, etc.), une référence par rapport à laquelle la position de l’objet à localiser est déterminée et une partie intelligente permettant de traiter les échantillons acquis et d’extraire l’information nécessaire pour déterminer la position [ ?]. Le traitement des données peut être effectué à un emplacement dédié du réseau ou au niveau de l’objet mobile souhaitant se localiser. Dans ce cas, nous pouvons observer trois types positionnement :
 Positions absolues.
 Positions relatives.
 Positions symboliques.

LES SYSTEMES DE GEOLOCALISATION

  La navigation par satellites a débuté dans les années 1970. Quelques systèmes satellitaires ont été explorés avant la mise en place du système GPS, parmi eux le programme TRANSIT qui a été le premier à utiliser les émissions continues d’ondes à partir de satellites [2]. À l’origine il était prévu qu’il soit utilisé pour détecter la position des missiles, des sous-marins et autres navires. Son principal inconvénient est sa lenteur d’acquisition. Le système TRANSIT demeurait inadapté à la localisation d’objets à grande mobilité.
a) Système GPS : Le GPS est le premier système de géolocalisation mondial fonctionnant sur l’exploitation de signaux radio émis par une constellation de satellites dédiés. Mis en place à des fins militaires à partir de 1973, le système avec 24 satellites est totalement opérationnel en 1995 et s’ouvre au civil en 2000. Les signaux transmis par les satellites peuvent être librement reçus et exploités. Le principe de fonctionnement repose sur la trilatération de signaux électromagnétiques synchronisés émis par les satellites. Pour assurer la précision du positionnement, le système GPS utilise : horloges atomiques embarquées, compensation d’effets relativistes, mise en place de stations d’observation et de synchronisation. Les coordonnées terrestres calculées se référent au système géodésique WGS 84.
b) Système GALILEO : GALILEO est un système de positionnement par satellites développée par l’union européenne [6]. Il permettra à un utilisateur muni d’un terminal de réception d’obtenir sa position sur une carte géographique. GALILEO couvrira toute la surface de la terre, chaque point donnée étant balayée à tout moment par 06 à 08 satellites.
c) Système GLONASS : Le système GLONASS est l’équivalent russe du GPS, conçu pour apporter des performances comparables à celles du GPS. GLONASS utilisait initialement le système géodésique russe PZ-90 qui est sensiblement différent du système WGS84. Le PZ-90 a été adapté et mis à jour en accord avec le système ITRF2000, auquel se conforme WGS84. En 2008, seize satellites actifs sont en orbite, ce qui permet la couverture de tout le territoire russe. En 2011, pour la première fois, GLONASS assure la couverture de toute la surface terrestre.

L’EVOLUTION DU GPS :

  Les systèmes de navigation par radio ont été développés dans les années 1920. Celles-ci ont été largement utilisées dans la seconde guerre mondiale par les navires et les avions des deux côtés. L’inconvénient de l’utilisation des ondes radio qui sont générées sur le sol est qu’on doit choisir entre un système très précis mais qui ne couvre pas une large zone (haute fréquence ondes radio, comme UHF TV) et celui qui couvre un large zone, mais n’est pas très précis (comme radio AM). La seule façon de fournir une couverture pour l’ensemble du monde consiste à placer des émetteurs radio à haute fréquence dans l’espace. Le développement du satellite artificiel a rendu possible la transmission des signaux de radionavigation à visibilité directe plus précis et a déclenché une nouvelle technologie de navigation. Une onde radio HF peut couvrir une grande surface et être très précis (il surmonte le bruit sur le chemin du sol en ayant un signal spécialement codé). Les satellites ont d’abord été utilisés dans la recherche de position dans un simple système de navigation bidimensionnel fiable appelé TRANSIT. Cela a jeté les bases pour un système qui allait révolutionner la navigation pour toujours (GPS Positionnement Global Système)

ERREURS ET PRECISION INTRINSEQUE DU SYSTEME GPS :

   Les erreurs intrinsèques au système de positionnement par satellites sont principalement liées aux limites technologiques des équipements. Parmi ces limites, on a la précision des horloges embarquées parmi eux les horloges atomiques, elles présentent une infime dérive qui entrainera une erreur de distance de l’ordre du (dm) lorsque la dérive horloge est de l’ordre de (ƞs). Pour affaiblir l’impact de cette dérive, des corrections sont calculées par les stations sol (segment de control) puis envoyées au satellite qui les inclura dans le message de navigation afin que l’utilisateur puisse apporter les corrections nécessaires. L’horloge embarquée dans le récepteur fait également partie des sources d’erreurs. Les horloges utilisées pour les récepteurs grand public sont des horloges qui présentent une précision et une dérive d’horloge bien plus grandes que celles des horloges atomiques. Cette imprécision représente la grande majorité de la dérive horloge à estimer pour le calcul de la position. Les erreurs de synchronisation d’horloge liées à des phénomènes relativistes doivent être également être prises en compte. En effet, d’après les théories d’Einstein sur la relativité restreinte et la relativité générale, des erreurs d’horloge entre les satellites et le récepteur apparaissent du fait de l’altitude et de la vitesse de déplacement des satellites par rapport au récepteur. Des erreurs sont également présentes au niveau de la précision de localisation des satellites. Ces derniers étant suivis par les stations sol, des corrections sur les éphémérides sont envoyées aux satellites pour qu’ils puissent mettre à jour leurs messages de navigation. Pour connaître l’impact final sur la précision du positionnement des erreurs précédemment décrites il faut tenir compte du GDOP (GeometryDilution Of Precision).

STRUCTURE DU SIGNAL GPS L1 :

  La bande L1 GPS (1575,42 MHz) est devenue le groupe le plus important pour la navigation. En effet, la plupart des applications dans le monde de nos jours, sont basées sur les signaux émis à cette fréquence. Trois signaux sont transmis à l’heure actuelle par GPS L1 C/A code, P (Y) et le code MCode. Les satellites GPS émettent plusieurs signaux codés, à destination civile ou militaire. Le signal civil pour l’utilisation libre correspond au code C/A, émis sur la porteuse L1 de 1575 MHz .Sur cette porteuse, le signal de modulation est une séquence résultant de l’addition modulo 2 du code pseudo aléatoire C/A à 1 Mb/s et des données à 50 b/s contenant les éphémérides des satellites et d’autres informations de navigation..

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Notions Fondamentales sur la Navigation par Satellite
I.INTRODUCTION
II.CONCEPT DE GEOLOCALISATION
III.LES SYSTEMES DE GEOLOCALISATION
a) Système GPS
b) Système GALILEO
c) Système GLONASS
III.1. CARACTERISTIQUES DES SYSTEMES DE GEOLOCALISATION
a) Modèles des données de localisation
a) Identification
b) Position absolue ou relative
c) L’exactitude et la précision
d) L’échelle
III.2. LES SOLUTIONS POSSIBLES POUR LES APPLICATIONS DE LOCALISATION
IV. LE SYSTEME GPS
IV.1. L’EVOLUTION DU GPS
IV.2. APPLICATIONS DU GPS
a) L’application personnelle
b) Les applications professionnelles du GPS
IV.3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS
IV.4. COMPOSITION DU GPS
a) Le segment spatial
b) Le segment de contrôle
c) Le segment utilisateur
IV.5. METHODES DE GEOLOCALISATION
a) Méthode de Triangulation
b) Méthode de Trilatération
IV.6. POSITIONNEMENT DANS LE SYSTEME GPS
IV.6.1. Positionnement dans le repère sphérique
a) Latitude
b) Longitude
c) L’altitude
IV.7. LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS DU SYSTEME GPS
IV.7.1. Les avantages
IV.7.2. Les inconvénients
IV.8. ERREURS ET PRECISION INTRINSEQUE DU SYSTEME GPS
V : CALCUL DE LA POSITION D‟UN UTILISATEUR
VI.CONCLUSION
Chapitre II : CARACTERISTIQUE DU SIGNAL GPS
I.INTRODUCTION 
II. SIGNAL GPS L1
II.1. Propriétés générales du signal L1
II.2. CODES GOLD
II.2.1. Le code C/A
II.2.2. Le code P
II.2.3. Message de navigation
II.3. STRUCTURE DU SIGNAL GPS L1
II.3.1. Signal émis
II.3.2 Signal reçu
II.4. LE SIGNAL GPS-C/A SUR L1 (EXEMPLE DE SIGNAUX GNSS)
II.5. GENERATION DU SIGNAL GPS DANS LA BANDE DE FREQUENCE L1
III. LES SIGNAUX RF ET CAN
IV. LE RAPPORT SNR ET C/N0 POUR UN GPS 
IV.1. LE RAPPORT SNR
IV.3. LE RAPPORT C/N0
V. MODULATION DU SIGNAL GPS L1
VI. ACQUISITION DU SIGNAL GPS
VI.1. EXEMPLES D‟ACQUISITION
VI.2. POURSUITE DES SIGNAUX
VII. CONCLUSION
Chapitre III : RECEPTEUR GPS
I.INTRODUCTION
III.PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE BOUCLE DE COSTAS 
IV.ARCHITECTURE DES BOUCLES DU RECEPTEUR GPS NUMERIQUE
IV.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
IV.2. MESURES REALISEES PAR UN RECEPTEUR GPS
IV.2.2. Mesure sur la phase de l’onde porteuse (la boucle PLL)
IV.2.2.1. Comment suivre la phase porteuse ?
IV.2.2.2. Mesure sur la phase de l’onde porteuse
IV.2.2.3. Avantages et inconvénients des mesures de code et de la phase
V. CONCLUSION
Chapitre IV : Simulation et résultats
I. INTRODUCTION
II. UTILISATIONS DU SDR
III. PARTIE 1 : Configuration du matériel 
III.1. EQUIPEMENT
III.2. BRANCHEMENT DU MATERIEL
Bibliographie
RESUME

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