Principe de fonctionnement dispositifs GNSS 

Historique des systèmes de localisation satellitaires :

   Au début des années 60 plusieurs organisations Américaines à l’image du département de la défense DOD, le ministère du transport et la NASA (National Aeronautics and Space Administration), ont décidé de développer un système de localisation par satellite capable de déterminer la position des utilisateurs en trois dimensions. Le premier système proposé est le system 621B qui se compose d’une constellation de 15 à 20 satellites qui tournent dans des orbites avec des inclinaison de 0°, 30° et 60°, ces satellites transmettent en permanence des signaux codés par des codes pseudo aléatoire. En 1973 le programme GPS a été approuvé par le département de la défense et le premier satellite a été lancé en 1978.En Aout 1993, 24 satellites sont mis en orbite [7], dans la même période exactement en 1970 l’Agence fédérale spatiale russe et le ministère de la Défense ont commencé le développent de leur propre système de navigation par satellite nommé GLONASS. Pour ce dernier, le premier satellite a été lancé en 1984 et le système est devenu pleinement opérationnel avec une constellation complète de 24 satellites en 1996[10].La chine a décidé de développer son propre système en 1983, le système est proposé d’être opérationnel en 2020[11]. L’Union européenne (UE) et de l’Agence spatiale européenne (ESA) (European Space Agency) commence le développement d’un système de localisation par satellite européen nommé Galileo en 2002, deux premiers satellites expérimentaux pour ce système, GIOVE-A et GIOVE-B, ont été lancés en 2005 et 2008, ce système est programmé d’être pleinement opérationnel en 2018.

Le système GPS :

  Le système Américain de localisation par satellite GPS est le système de localisation le plus connu et le plus utilisé aujourd’hui. Les voitures, bateaux, avions et même la plupart des smart phones sont dotés d’un récepteur GPS. Ce système de radionavigation par satellites donne la possibilité à un nombre illimité d’utilisateurs de calculer leurs positions instantanément avec une précision de quelque mètres en trois dimensions (latitude, longitude et altitude) dans n’importe quel point de la terre à l’aide d’un récepteur électronique qui traite les signaux transmis par quatre satellites au minimum. Ce système a été développé et mis en place par le département de la Défense américaine DoD. Conçu en premier lieu pour des raisons militaires, actuellement il est couramment utilisé dans des applications civiles telles que le transport, l’agriculture, opérations de sauvetage et des autres applications ou services qui ne cessent de voir le jour .

Architecture du système GPS : Le système GPS se compose de trois segments principaux, le segment spatial, le segment de contrôle et le segment utilisateur. Le secteur spatial représente l’ensemble des satellites GPS qui transmettent des signaux contenant les informations nécessaires pour la navigation. Le secteur utilisateur qui est un récepteur électronique qui reçoit ces signaux et calcule sa position à base de ces informations. Le rôle du secteur de contrôle est de gérer et suivre les satellites pendant leur durée de vie[3].
a. Secteur spatial : Le secteur spatial est une constellation de 28 satellites partagés en six différentes orbites MEO avec une inclinaison de 55° par rapport à l’équateur et une altitude moyenne de 20200 Km, les orbites sont séparées par 60° entre elles pour couvrir les 360°. Chaque satellite parcourt l’orbite en 11h58m02s avec une vitesse de 3874 m/s, donc chacun tourne autour de la terre deux fois par jour, les satellites GPS transmettent les signaux GPS dans deux bandes de fréquences, la première nommée L1 à 1575.42 MHz, et la deuxième nommée L2 à 1227.60 MHz.

b. Secteur contrôle : Le rôle du secteur de contrôle est de gérer, surveiller et piloter les satellites GPS, pour assurer le bon fonctionnement du système, ce secteur doit corriger les orbites et recharger les batteries des satellites en plus de mettre à jour les informations nécessaires pour la navigation comme les données éphéméride et horloge du satellite.Le secteur de contrôle se compose de plusieurs stations, une station principale nommée MSC pour (Master Control Station) située dans le Colorado USA et cinq autres stations MS (Monitor Station), dont le rôle est de suivre les satellites pour assurer les corrections des horloges et des corrections sur les orbites. En plus, ces stations transmettent en permanence les données éphémérides à la constellation pour faire une mise à jour de ces données et assurer le bon fonctionnement du système. L’autre composante du secteur contrôle sont les stations antennes. Deux types des antennes sont utilisées, la première émettrice qui travaille dans la bande L utilisée pour transmettre les informations aux satellites et la deuxième réceptrice dont le rôle est de récupérer les données transmises par les satellites dans les bande L1 et L2.

c.  Secteur utilisateur : Le secteur utilisateur représente l’interface entre les utilisateurs et le système GPS, ce secteur c’est les récepteurs GPS qui sont des équipements électroniques dont le rôle est de collecter les signaux transmis par les satellites à l’aide d’une antenne intégrée qui travaille dans les fréquences GPS L1 et L2, puis faire un traitement de ces signaux basé sur plusieurs algorithmes développés pour calculer la position.

Services du système GPS : Le système GPS assure deux types de services pour les utilisateurs avec des performances différentes, un service pour les applications civiles nommé SPS (Standard Positioning Service) et un autre service dédié aux applications militaires de l’armée Américain PPS (Precise Positioning Service).
a. Le service SPS : Le SPS est un service de positionnement et de synchronisation fourni par le système GPS à la fréquence L1 transmise par tous les satellites. Il utilise le code C/A, ce service est disponible pour un usage civil, commercial, scientifique et pacifique.
b. Le service PPS : Le PPS est un service de positionnement et de synchronisation fourni par le système GPS aux fréquences L1 et L2, transmises par tous les satellites, contient un code P, ce code sera normalement crypto graphiquement modifié par un code Y. Le code Y ne sera pas disponible pour les utilisateurs qui ne disposent pas des clés cryptographiques valides. Ce service et principalement destiné aux forces armées et agences gouvernementales américaines, qui est également rendu disponible à d’autres gouvernements.

Modernisation du système GPS : Dès que le système GPS est mis en service, des développements et des améliorations techniques ont été effectués à chaque nouveau satellite lancé, basé sur ces améliorations les satellites GPS sont distribués sur plusieurs générations. Dans la première génération ces renouvèlements touchaient les équipements et les composants des satellites pour améliorer le rendement de l’horloge, autonomie du satellite et la conception, etc. Dans cette génération, les satellites GPS utilisent deux porteuses et deux codes pour transmettre les données de navigation, donc chaque satellite émet trois signaux, un pour les applications civiles codé par le code C/A dans la bande L1 (1575,42 MHz) et deux pour les applications militaires cryptées par le code P(Y) dans les deux bande L1 (1575,42 MHz) et L2 (1227,60 MHz) [2]. En 2005 le premier satellite du block IIR-M a été lancé. Le progrès majeur dans cette nouvelle génération des satellites GPS c’est l’ajout des nouveaux signaux qui comportent plusieurs améliorations qui sont très intéressantes aux utilisateurs, car elles assurent une meilleure précision et peuvent donner la possibilité aux récepteurs de corriger les différentes erreurs. Elles assurent une plus grande fiabilité de positionnement avec l’avantage d’avoir plusieurs bandes ce qui est très utile pour l’amélioration de la précision. En effet, la majorité des bruits indésirables peuvent être considérablement réduits, à l’image des effets ionosphérique et troposphérique. Pour ces raisons et à cause de l’augmentation des applications civiles qui nécessitent une haute précision, que le ministère américain de la Défense (DoD) a décidé d’inclure un nouveau signal civil dans les satellites du block IIR-M sur la bande de fréquence L2. Ce signal qui est similaire au signal civil existant dans la bande L1 appelé L2C apporte plusieurs améliorations techniques qui peuvent aider les récepteurs à améliorer leur précision. La deuxième révolution dans le système GPS c’est l’ajout d’un troisième signal civil sur une autre bande de fréquence appelée L5 dans le block IIR-M, ce signal qui est réservé exclusivement aux services de sécurité de l’aviation a une porteuse de fréquence 1176,45 MHz.

Interopérabilité entre les systèmes

  Jusqu’à maintenant il existe quatre systèmes de localisation par satellites GNSS dans le monde, deux entre eux sont opérationnels, le système Américain GPS et le système Russe GLONASS. Deux autres systèmes sont en état de développement, le système chinois Beidou qui est actuellement utilisé comme un système régional est programmé pour atteindre sa capacité finale pour devenir un système de navigation mondiale en 2020, ainsi que le système de navigation par satellites Européen Galileo qui est aussi en état de développement et qui sera opérationnel en 2018. D’autre pays commencent à développer leurs propres systèmes de navigation par satellite, à l’image de l’Inde et le Japon. Tous ces systèmes utilisent le même principe pour localiser un récepteur, chaque utilisateur doit calculer la distance qui le sépare avec plusieurs satellites et à l’aide de la position de chaque satellite il peut estimer sa position. La différence entre les systèmes de navigation concerne le nombre des satellites utilisés pour couvrir toute la surface de la terre pour que le service fourni soit accessible à tout moment. Le système GPS utilise 24 satellites situés dans 6 plans séparés entre eux par 60°, par contre la constellation du système Galileo sera composée de 30 satellites 27 opérationnels et 3 de réserve, situés dans trois plans séparés entre eux par 120°. Beidou utilise 30 satellites et le système GLONASS se compose de 24 satellites dans trois plans orbitaux. Une autre différence entre les systèmes vient de la méthode utilisée par chacun pour distinguer entre les satellites. Les trois systèmes GPS, Galileo et Beidou utilisent la méthode CDMA donc chaque satellite sera défini par un code unique ou bien plusieurs codes si le satellite transmet plusieurs signaux pour plusieurs services. Le système GLONASS utilise la méthode FDMA pour la majorité de ses services donc chaque satellite transmet chaque signal avec une fréquence différente des autres signaux et autres satellites.

Signal L1C :

  Le signal L1C est le quatrième signal civil ajouté aux signaux GNSS. Ce code qui occupe la bande L1 est transmis par les satellites du bloc III, Il est conçu de telle sorte qu’il n’influence pas sur le code militaire M. Le signal L1C a une longueur de 10223 chips, utilise une combinaison (multiplexage dans le temps TMBOC) entre les deux modulations orthogonales BOC (1,1) et BOC (6,1).Il se compose de deux canaux, un canal de données L1CD et un canal pilote L1CP transmis en phase et en quadrature, cette dernière est définie par un code primaire de 10230 chips et un code secondaire de 1800 chips [38]. Le canal pilote combine un code d’étalement et une enveloppe, ou code secondaire, noté par L1CO. Le code secondaire est généré en utilisant un registre transmis à 100 bits/s et contient 1800 bits, d’une durée de 18 secondes. Ce code est unique pour chaque PRN. Ces codes sont diffusés au même débit du code L1 C/A, qui est de 1.023Mbpssur les deux canaux pilotes et de données. Les codes d’étalement ont une période de 10 ms, ils contiennent donc 10,230 chips.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : introduction aux systèmes GNSS 
1. Introduction 
2. Historique des systèmes de localisation satellitaires 
3. Principe de fonctionnement dispositifs GNSS 
3.1 Modèle de la terre
3.2 Système de coordonnées ECEF
3.3 Système géodésique mondial
3.4 Conversion des coordonnées cartésiennes en coordonnées  géodésiques
3.5 Notion sur les orbites
3.5.1 Les trois lois de Kepler
a) Loi des orbites
b) Loi des aires
c) Loi des périodes
3.5.2 Les paramètres Képlérien
4. Le système GPS 
4.1 Architecture du système GPS
a. Secteur spatial
b. Secteur contrôle
c. Secteur utilisateur
4.2 Services du système GPS
a. Le service SPS
b. Le service PPS
4.3 Modernisation du système GPS
5. Le système Russe GLONASS 
5.1 Architecture du système GLONASS
a. Segment spatial
b. Segment de contrôle
c. Secteur utilisateur GLONASS
5.2 Modernisation du système GLONASS
6. Le system Européen Galileo 
6.1 Architecture du système Galileo
a. Segment spatial
b. Segment contrôle
c. Segment utilisateur
6.2 Les services Galileo
a. Service ouvert
b. Service commercial
c. Services de sauvetage et de protection civile
d. Service public réglementé
7. Le système chinois Compass /Beidou 
7.1 Architecture du système Compass
a. Secteur spatial
b. Secteur contrôle
c. Secteur utilisateur Beidou
7.2 Les services Beidou
a. Service public
b. Service réservé
8. Interopérabilité entre les systèmes 
9. Conclusion 
Chapitre 2 : signaux GPS 
1. Introduction 
2. Les méthodes d’accès 
3. Modulation des signaux GPS 
3.1 Modulation BPSK
3.2 Modulation BOC
4 Structure des signaux GPS 
4.1 Les codes d’étalement
4.1.1 Code C/A
4.1.2 Code P
5 Le message de navigation
6 Signal transmis par les satellites 
6.1 Modernisation des signaux GPS
6.2 Le signal L2C
6.3 Signal L1C
6.4 Signal L5C
6.5 Signal par code M
7 Structure des récepteurs GPS 
7.1 Antenne GPS
7.2 Le Front-end
7.2.1 Filtre
7.2.2 Amplificateur à faible bruit LNA
7.2.3 Convertisseur du signal
7.2.4 ADC
7.3 Le circuit utilisé
8 Conclusion
Chapitre 3 : Acquisition des signaux GPS
1. Introduction 
2. L’effet doppler
3. Principe d’acquisition des signaux GPS 
4. Les algorithmes d’acquisition 
4.1 Acquisition par recherche série
4.2 Acquisition par recherche parallèle sur l’espace de fréquences
4.3 Acquisition par recherche parallèle sur la phase de code
5. Nouvel algorithme d’acquisition basé sur la transformée de Fourier 
6. Comparaison entre les algorithmes 
7. Conclusion 
Chapitre 4 : Suivi des signaux GPS 
1. Introduction 
2. Boucles à verrouillage de phase PLL 
2.1 Filtre éjecteur de bruit
2.2 La fonction de transfert d’une PLL
2.3 La bande passante du bruit
2.4 Rapport d’amortissement
3. Boucle à verrouillage de retard (DLL) 
4. Suivi de la fréquence 
5. Boucles de suivi de code 
6. Démodulation du signal GPS 
7. Conclusion 
Chapitre 5 : Extraction des donnés GPS et calcul de la position 
1. Introduction
2. Conversion du signal en un message de navigation
3. Extraction du message de navigation
3.1 Détection du début de chaque sous-trame
3.2 Algorithme de vérification de parité
3.3 Le temps GPS
3.4 Les données de la première sous trame
3.5 Les données de la deuxième sous trame
3.6 Les données de la troisième sous trame
4 Calcul de la position du satellite
5 Calcul de la pseudo-distance 
6 Correction des erreurs GPS 
6.1 Influence de l’atmosphère sur les signaux GPS
6.1.1 Influence troposphérique
6.1.2 Estimation de la vapeur d’eau intégrée IWV
6.1.3 L’effet ionosphérique
6.2 Algorithme utilisateur pour la correction d’horloge SV
7 Calcul de la position 
8 Conclusion 
Conclusion et perspectives
Bibliographie

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