DRT Gnie informatique Gopositionnement et Systmes dinformation gographique

DRT Génie informatique Géo-positionnement et Systèmes d’information géographique - Baptiste Burles DRT GI. enseignement EA master 2003. 1

Sommaire 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003. 2

1 - Technologies de positionnement GPS : Global Positioning System § Historique § Structure et composantes GPS § Principe de positionnement § Fonctionnement : fréquence, codage, transmission… § Technologies complémentaires et alternatives DRT GI. enseignement EA master 2003. 3

GPS : Historique § Étude lancé dans les années 70 par le Do. D. § Objectif : un système de repérage globale. § Février 1978 : premier satellite GPS. § 1983 : Signaux GPS accessible aux civils. § 1990 : Précision dégradé. § 1994 : GPS déclaré opérationnel. § 2000 : Les restrictions d’accès sont supprimées. DRT GI. enseignement EA master 2003. 4

GPS : Structure § Le segment spatial : 24 satellites à 20 000 km. § Révolution en 12 heures. § Horloge atomique pour énergie et précision. § Transmet signaux horaires et éphémérides. § Le segment de contrôle : 5 stations terrestres. § Suivi des satellites. § Corrections des erreurs de position. § Le segment utilisateur : récepteur GPS § Mesure distance récepteur – satellite. § Calcul position utilisateur. DRT GI. enseignement EA master 2003. 5

GPS : Principe de positionnement § Principe : Utilisation des coordonnées des satellites X 1, Y 1, Z 1 et T 1 R 1 X 2, Y 2, Z 2 et T 2 R 2 X 3, Y 3, Z 3 et T 3 R 3 X, Y, Z et T DRT GI. enseignement EA master 2003. 6

GPS : Fréquence et codage § Fréquence de communication : Segment utilisateur : Segment de contrôle L 2 1227 MHz en BPSK L 1 1575 MHz en QPSK. 2275 MHz 1783 MHz § Codage de l’information (segment utilisateur) : Code C/A Ou exclusif Données Code P Modulation BPSK ou QPSK Ou exclusif Chaque satellite a son propre code C/A (coarse acquisition ) et code P (protected). DRT GI. enseignement EA master 2003. 7

GPS : Transmission et réception § Transmission : § 5 trames de 30 bits (temps UTC, position satellite, état satellite…) sont envoyées. § Les trames sont codées par le code C/A et le code P. § Réception : § Le récepteur civil connaît tous les codes C/A des 24 satellites § Auto corrélation entre le signal reçu et un signal interne généré par récepteur. § Ce signal interne est obtenu entre horloge récepteur et choix d’un code C/A. § Enfin, décodage et vérification de la cohérence des informations. DRT GI. enseignement EA master 2003. 8

GPS : Sécurité § Dégradation du signal : § Par envoi de position satellites erronés pour une région donnée § Par désynchronisation des horloges des satellites § Codage de l’information par des codes permet : § de limiter l’accès aux alliés (OTAN) § d’éviter le brouillage de l’information : anti spoffing § mais des brouilleurs existent : phrack… § Depuis 2000, code P est connu : § Précision de +/- 3 mètres pour les civils sans restriction. § Militaires ont introduit un nouveau code pour une meilleure précision (code Y) DRT GI. enseignement EA master 2003. 9

GPS : NMEA § NMEA : National Marine Electronic Association. § Récupération des données : standard NMEA 0183 § Format textuel : envoi sur liaison série. § Exemple de trame NMEA : $IDMSG , D 1, D 2, D 3, …Dn * CS[CR][LF] Début du msg Message id Talker id (GP pour GPS) terminateur delimit er Msg data fields DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : IUT Valence. Denis Genon Catalot. Ckecksum 2 hexa for 8 bits 10

GPS : Conclusion § Très bonne précision si les conditions sont réunies : § plus de 3 satellites. § horloge synchronisé. § antenne récepteur en terrain découvert. § Mais : § Coût de l’ordre du milliard de dollar par an. § Ne fonctionne pas en environnement fermé (bâtiment) § Technologies contrôler par armée américaine. § En cas de crise quel peut être l’accès ? DRT GI. enseignement EA master 2003. 11

GPS : Les technologies alternatives § GLONASS : GLObal Navigation System § Premier satellite lancé en 1982 par URSS § Similaire au GPS américain § Aucune détérioration du signal civil § Mais système à l’abandon depuis la fin de l’URSS (6 satellites…) § Aide à la navigation aérienne : § But : accroître la précision et la fiabilité du GPS pour la navigation aérienne et maritime § Programme EGNOS (Europe) : Utilise les signaux du GPS et du GLONASS § Corrections par 3 satellites européens et des stations au sol § Programme similaire : WAAS américains (Wide Area Augmentation System) et MSAS japonais (MT Sat - Based Augmentation System) DRT GI. enseignement EA master 2003. 12

Le GPS européen : Galileo § Pourquoi un GPS européen : § problème de la couverture satellite (plus de 3 satellites nécessaires) § problème d’accès en cas de crise § indépendance de l’Europe (emploi, recherche) § Structure générale de Galileo (en 2005) : § 30 satellites dont 3 de secours § 2 centres de contrôles Galileo en Europe § 20 stations de télémesures réparties sur la terre § L’utilisateur est en mesure de recevoir des données d’au moins 2 satellites à tout instant Source : European Space Agency. DRT GI. enseignement EA master 2003. 13

Le GPS européen : Galileo § Fréquence et type de signal : § 4 fréquences : 1202 MHz, 1278 MHz, 1561 MHz et 1589 MHz. § Différents signaux accessibles : § signal d’intérêt général : accessible sans autorisation § signal commercial : accès payant, protégé par des clés d’accès § signal d’intérêt public : accès restreint à la navigation aérienne, aux militaires, aux péages routiers, aux sauvetages. La réception se fait par un récepteur spécifique. § Récupération des données : § Au format XML sur les récepteurs. § Ground Segment Data Model & Data Standard (GXML) Source : European Space Agency. DRT GI. enseignement EA master 2003. 14

Plan 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003. 15

2 - Communication mobile : le GSM § Objectif du GSM § Généralités : notion de cellule, itinérance… § Code de l’information : fréquence et sécurité § Architecture du système § Description des éléments du système DRT GI. enseignement EA master 2003. 16

GSM : Objectif § GSM : Global System for Mobile Communication § Utilisation d’une liaison radio entre le téléphone et le réseau § Cette liaison radio doit permettre : § l’itinérance (roaming) de l’utilisateur à travers le réseau § la communication en tout point du réseau : nécessité de réaliser un transfert intercellulaire (handover) § Mais : § problème de confidentialité : diffusion des ondes radios § coût de la fréquence radio : ressource limitée § interférences du milieu de l’utilisateur § mobile : système embarqué : peu de puissance DRT GI. enseignement EA master 2003. 17

GSM : Généralités § Nécessité d’une installation fixe pour gérer l’itinérance et le transfert § L’opérateur doit installer des antennes fixes § Chaque antenne définie une cellule § Toutes les antennes définissent une zone de couverture propre à l’opérateur § Les cellules sont de taille variable : § macro cellule : 1 à 35 Km § micro cellule : 100 m à 1 Km § pico cellule : 10 à 100 m DRT GI. enseignement EA master 2003. 18

GSM : Généralités § Les cellules : § chaque cellule a sa fréquence de communication § pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer entre les cellules : technique SDMA Cellule § Space Division Multiple Access : § schéma d’attribution des fréquences F 1 F 2 § But : les cellules adjacentes ne doivent pas avoir la même fréquence de communication F 1 F 3 F 1 F 2 F 3 F 1 Source : Digitel Espagne. DRT GI. enseignement EA master 2003. F 3 F 1 19

GSM : Généralités § Gestion du transfert intercellulaire : Couverture radio des cellules Puissance en d. B B Cellule A cellule B MOBILE A Cellule C C Temps Zone de couverture de la cellule Source : Digitel Espagne. DRT GI. enseignement EA master 2003. 20

GSM : Codage de l’information § GSM utilise : § la bande 890 – 915 MHz pour antenne vers mobile § la bande 935 – 960 MHz pour mobile vers antenne § GSM partage l’accès aux fréquences : § FDMA (Frequency Division Multiple Access) 124 canaux de 200 KHz § TDMA (Time Division Multiple Access) 8 tranches de 0. 576 ms par canaux DRT GI. enseignement EA master 2003. 21

GSM : Codage de l’information § Sécurité des transmissions assuré par : § un numéro secret pour l’authentification : International Mobile Subscriber Identity § un clé d’authentification Ki (128 bits) § une clé de chiffrement Kc (64 bits) § 3 algorithmes de chiffrement sont utilisé dans le GSM : A 3, A 8 et A 5 § Les algorithmes sont secret ! § But : éviter la fraude et l’écoute des communications § Mais : § chiffrement intervient pour la partie radio uniquement § Traçage de l’utilisateur par les numéros de session dans les bases de l’opérateur DRT GI. enseignement EA master 2003. 22

GSM : Architecture § Le GSM est organisé de la façon suivante : § le système radio mobile (Mobile Station) : l’utilisateur § le système de gestion radio (Base Station Subsystem) : l’antenne § le sous système réseau (Network Switching Subsystem) interconnexion des antennes § le système de gestion réseau (Network Management Subsystem) : supervision du réseau § L’ensemble forme le Public Land Mobile Network DRT GI. enseignement EA master 2003. 23

GSM : Architecture PLMN NMS NSS MSC BSS BSC BTS BTS MS Source : Digitel Espagne. DRT GI. enseignement EA master 2003. 24

GSM : la partie MS § la partie mobile du système : § un terminal § une carte à puce Subscriber Identity Module § liaison radio avec le réseau § La carte SIM contient : § les infos liées à la sécurité (IMSI, clé, …) § les infos personnelles de l’abonné (annuaire) § la carte SIM permet de changer de terminal § Un seul numéro connu de l’extérieur : numéro d’appel du mobile DRT GI. enseignement EA master 2003. 25

GSM : la partie BBS § La partie BSS comprend : § Base Transceiver Station : L’antenne gère la liaison radio antenne – mobile gère la couche physique et liaison de donnée § Base Station Controler : Organe intelligent du BSS Allocation des canaux de communication Gestion itinérance et transfert communication DRT GI. enseignement EA master 2003. BSC BTS 26

GSM : la partie NSS et NMS § Le sous système réseau NSS : le MSC § commutateur MSC : Mobile-services Switching Center § donne accès aux base de données du réseau § supervise plusieurs BSC § assure l’interconnexion des BSC, la mobilité, le transfert intercellulaires § peut servir de passerelle vers d’autres réseaux § Le système de gestion réseau NMS : § gestion et exploitation du réseau § regroupe les base de données des abonnés et des infos de sécurité (clé, numéro SIM…) DRT GI. enseignement EA master 2003. 27

GSM : Conclusion § Le système GSM : § couvre les zones terrestres § nécessite une infrastructure lourde § permet d’envoyer/recevoir la voix et des messages court (SMS) § évolue vers des systèmes plus interactifs web, mail, agenda… § nouvelle norme : UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) , WAP, GPRS (General Packet Radio Service) DRT GI. enseignement EA master 2003. 28

Plan 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003. 29

Application GPS et GSM § GPS : application de positionnement : § Navigation civile : localisation navire, aide au positionnement des avions, assistance à la conduite, secours… § Relevé topologiques et étude des mouvements terrestres § Militaire : navigation, guidage d’armement, localisation des troupes… DRT GI. enseignement EA master 2003. 30

Application GPS et GSM § Application GPS et GSM : § But de marier les 2 systèmes : Localisation (GPS) et envoie d’informations (GSM) § Gestion de flotte à distance (location de camion, parc de bus urbain…) § Traçabilité : gestion de stock à distance, de pièce détaché § mais problème de la couverture GSM… DRT GI. enseignement EA master 2003. 31

FIN § Des remarques ? § Des questions ? DRT GI. enseignement EA master 2003. 32