Mr LPINARD Philippe Localisation et navigation par satellites

Mr LÉPINARD Philippe Localisation et navigation par satellites 12/7/2020 1

Mr LÉPINARD Philippe Sommaire u u u u u 12/7/2020 Bibliographie Rappels sur la cartographie Fonctionnement Les sources d’erreur Les récepteurs Les différents systèmes La navigation Liaison informatique Conclusion Questions 2

Mr LÉPINARD Philippe Bibliographie 12/7/2020 3

Mr LÉPINARD Philippe Bibliographie 12/7/2020 4

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie 12/7/2020 5

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u Le système de coordonnées géographique (Longitude et latitude) Des coordonnées géographiques n’ont aucun sens si on le les accompagne Pas des informations sur le système géodésique dans lequel elles sont exprimées 12/7/2020 6

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u Le système de coordonnées projetées Des coordonnées planes n’ont aucun sens si on le les accompagne Pas des informations sur le système géodésique dans lequel elles sont exprimées 12/7/2020 7

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u Ellipsoïde (local ou global) Ellipsoïde local Ex : Clarke 1880 (NTF) Projection Lambert Point de référence De l’ellipsoïde local Ellipsoïde global spatial Ex : GRS 80 (WGS 84) Projection possible UTM 12/7/2020 8

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u Géoïde Forme réelle de la terre Niveau réel de la mer 12/7/2020 Géoïde Ellipsoïde 9

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u Attention ! Vol « à égale Altitude pression » Vol « à égale Altitude GPS» Forme réelle de la terre Niveau réel de la mer 12/7/2020 Géoïde Ellipsoïde 10

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u L’UTM • couvre le monde entier (Universal) • est constituée de 60 fuseaux de 6 degrés de longitude (N et S) La France comprend 3 fuseaux : • UTM nord fuseau 30 entre 6° ouest et 0° de Greenwich • UTM nord fuseau 31 entre 0° et 6° est de Greenwich • UTM nord fuseau 32 entre 6° est et 12° Est de Greenwich 12/7/2020 11

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u La projection UTM est associée à un point de référence virtuel situé : • Pour l’hémisphère Nord : sur l’équateur à 500 km à l’Ouest du méridien central de la zone considérée • Pour l’hémisphère Sud : sur le parallèle situé à 10 000 km au Sud de l’équateur et 500 km à l’Ouest du méridien central de la zone considérée. u Ce décalage de point de référence permet d’avoir des coordonnées positives pour l’intégralité des points de la zone 12/7/2020 12

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u La projection conforme conique de Lambert • Dans le but de minimiser les déformations, la France a été découpée en 4 zones • L’ellipsoïde associé est celle de Clarke 1880 IGN 12/7/2020 13

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie N’oubliez pas : L’initialisation de votre récepteur passe donc obligatoirement par deux étapes : - Choix cohérent du système géodésique si vous travaillez avec un support cartographique papier - Choix de la présentation des coordonnées (hddd°mm. mmm’, hddd°mm’ss. s“…) 12/7/2020 14

Mr LÉPINARD Philippe Rappels sur la cartographie u Conclusion sur les coordonnées Ellipsoïde de référence Système géodésique Méridien D’origine Coordonnées géographiques LAT/LONG (Angles) Système géodésique = Datum Projection 12/7/2020 Coordonnées planes X/Y (Mètres) 15

Mr LÉPINARD Philippe Fonctionnement 12/7/2020 16

Mr LÉPINARD Philippe Fonctionnement Segment spatial : -Une constellation de satellites -Chacun diffuse un signal à la vitesse de la lumière -Chacun inclut dans ce signal sa position dans l’espace 12/7/2020 17

Mr LÉPINARD Philippe Fonctionnement 3 nc e ta is D ce 2 Distan 1 ce an st Di a st Di 4 e nc Segment utilisateur : -Nombre illimité de récepteurs -Chacun reçoit les signaux d’au moins 4 satellites -Mesure les distances qui le sépare de ces 4 satellites (pseudo-distance) -Calcul sa position en combinant ces 4 mesures 12/7/2020 18

Mr LÉPINARD Philippe Fonctionnement 1 ce an st Di Seconde S Synchronisation entre l’heure système et l’heure du récepteur effectuée Code émit par le satellite Code généré par le récepteur Temps de propagation L’équation Vi (vitesse de la lumière) X Tps (temps de propagation) peut être résolue 12/7/2020 19

Mr LÉPINARD Philippe Fonctionnement Segment sol : -Des stations de surveillance -Des stations de contrôle -Des antennes 12/7/2020 20

Mr LÉPINARD Philippe Fonctionnement 3 nc e ta is D an st Di ce 2 Distan Synchronisation entre L’heure système et l’heure du récepteur 1 ce a st i D 4 e nc 4 satellites pour résoudre une équation à 4 inconnues ! -Longitude ? -Latitude ? -Altitude ? -Décalage de l’horloge du récepteur avec le temps système ? 12/7/2020 21

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur 12/7/2020 22

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur u DOP (dilution of Precision) ? VDOP (DOP vertical): mauvaise précision HDOP (DOP horizontal) : bonne précision 12/7/2020 23

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur HDOP : mauvaise précision VDOP : bonne précision ? 12/7/2020 24

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur u Le masquage ? 12/7/2020 25

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur u Mauvais positionnement des satellites Position vraie Position diffusée ? ? ? Erreur de positionnement due à l’erreur de mesure de distance 12/7/2020 26

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur u Mauvaise synchronisation du satellite ? ? ? 3 nanosecondes de décalage = 1 mètre d’erreur de positionnement 12/7/2020 27

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur u Effets atmosphériques (ionosphère) Récepteur mono-fréquence Modèle de correction transmis Par les satellites = Diminution de la précision Jusqu’à 15 mètres 12/7/2020 Récepteur bi-fréquences Comparaison des effets Puis Déduction des corrections = Erreurs ionosphériques Complètement corrigées ! 28

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur u Effets des multitrajets ? Réflecteur 12/7/2020 29

Mr LÉPINARD Philippe Les sources d’erreur u Erreurs humaines • Erreur lors du relevé des coordonnées • Erreur lors du choix du système géodésique ATTENTION WGS 84 <> ED 50 environ 150 mètres d’erreur WGS 84 <> NTF environ 300 mètres d’erreur 12/7/2020 30

Mr LÉPINARD Philippe Les systèmes 12/7/2020 31

Mr LÉPINARD Philippe Le GPS 12/7/2020 32

Mr LÉPINARD Philippe Le GPS u u u u Global Positioning System Système américain Système géodésique utilisé WGS 84 1 er lancement : 1978 Déploiement complet : 25/03/90 Géré par le DOD et le DOT Au minimum 24 satellites • 20200 Km • 6 Plans orbitaux à 55° par rapport à l’équateur u CDMA (Code Division Multiple Access) • 1 même fréquence et 1 code par satellite 12/7/2020 33

Mr LÉPINARD Philippe Le GPS Précision : (SA désactivée) Théorique : - de 50 mètres sur 95% du temps Pratique : - de 15 mètres dans 95% du temps Théorique : - de 33 mètres sur 95% du temps Pratique : - de 10 mètres dans 95% du temps 12/7/2020 34

Mr LÉPINARD Philippe Le GPS u Les services : • SPS : Standard Positioning System C/A (clear access) u Une seule fréquence (L 1) u Modifiable en SA u • PPS : Precise Postioning System P/(Y) (si le signal est crypté) u Deux fréquences (L 1 et L 2) u • D’autres services à l’étude pour les satellites du Block III (2013) 12/7/2020 35

Mr LÉPINARD Philippe Les 6 plans orbitaux du système GPS 12/7/2020 36

Mr LÉPINARD Philippe Le GPS u La SA • Selective Availability (disponibilité sélective) • Augmentation de l’erreur + 100 mètres • Suppression officielle le 02/05/2000 • Nouvelle technologie qui permet d’isoler une zone sans perturber les autres régions u Dépendance stratégique ! 12/7/2020 37

Mr LÉPINARD Philippe Galileo 12/7/2020 38

Mr LÉPINARD Philippe Galileo u u u Système européen Système géodésique utilisé GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame) : conçu pour coïncider à moins de 10 cm du WGS 84 1 er lancement : 2005 Déploiement complet prévu : 2012 30 satellites • 23222 Km • 3 Plans orbitaux à 56° par rapport à l’équateur u CDMA (Code Division Multiple Access) • 1 même fréquence et 1 code par satellite 12/7/2020 39

Mr LÉPINARD Philippe Les 3 plans orbitaux du système Galileo 12/7/2020 40

Mr LÉPINARD Philippe Galileo Précision : Théorique : - de 16 mètres sur 95% du temps Théorique : - de 10 mètres sur 95% du temps 12/7/2020 41

Mr LÉPINARD Philippe Galileo u Les services : • OS (Open Service) u u Mono-fréquence (E 5 a, E 5 b ou L 1 b) Bi-fréquences (E 5 a + L 1 b) • SOL (Safety Of Life) u u u Pour la navigation aérienne Bi-fréquences (L 1 b + E 5 b) Diffusion de données d’intégrité (temps d’alarme : 6 secondes) • PRS (Public Regulated Service) u L 1 a + E 6 a : cryptées et contrôlées • CS (Commercial Service) u Service OS + E 6 b • SAR (Search and Rescue) u Le satellite transmet un « Accusé de réception » aux personnes en détresse • D’autres services sont à l’étude 12/7/2020 42

Mr LÉPINARD Philippe Galileo SAR : -Usager en détresse -Antenne (réception) -Centre de secours -Centre de contrôle SAR -Antenne (émissions) 12/7/2020 43

Mr LÉPINARD Philippe Glonass 12/7/2020 44

Mr LÉPINARD Philippe Glonass u u u Système russe Système géodésique utilisé PZ-90 (ne coïncide pas avec le WGS 84) 1 er lancement : 12/10/1982 Déploiement actuel : 14 satellites A terme 24 satellites • 19100 Km • 3 Plans orbitaux à 64, 8° par rapport à l’équateur u FDMA (Frequency Division Multiple Access) • 1 Fréquence par satellite 12/7/2020 45

Mr LÉPINARD Philippe Glonass Précision : Probable : - de 50 mètres sur l’EURASIE 12/7/2020 46

Mr LÉPINARD Philippe Glonass u Les services : • C/A (Clear Access) u Bande de fréquence 1 • P (Militaire) u Bande de fréquences 1 + 2 • D’autres services sont à l’étude 12/7/2020 47

Mr LÉPINARD Philippe Glonass Sat n+1 FRQ n+1 Sat n FRQ n -24 satellites -2 Bandes de 12 fréquences chacune G 1 et G 2 (ou L 1 et L 2) -2 satellites opposés émettent sur une même fréquence pour éviter la redondance Sat n + x FRQ n Sat n + x + 1 FRQ n + 1 12/7/2020 48

Mr LÉPINARD Philippe Beidou (KOMPASS) u u u u Système chinois Concerne uniquement le territoire chinois 3 satellites géostationnaires (précision probable 30 mètres) 1 er lancement en octobre 2000 A terme 5 satellites géostationnaires et 30 satellites en orbite moyenne Très peu d’informations 2 services : • Ouvert : 10 mètres de précision • Sécurisé 12/7/2020 49

Mr LÉPINARD Philippe Les systèmes différentiels régionaux ou SBAS u u Satellite Based Augmentation Area System EGNOS • European Geostationary Navigation Overlay Service • Opérationnel depuis 2004 • Les récepteurs modernes sont compatibles EGNOS (signaux identiques au GPS) • 3 satellites géostationnaires (36000 km) • Un segment sol de plus de 40 modules • Correction des messages GPS + GLONASS (+ GALILEO) 12/7/2020 50

Mr LÉPINARD Philippe EGNOS Précision : Satellite Glonass Satellite GPS Satellite Galileo 4 mètres sur l’EUROPE 12/7/2020 2 mètres sur l’EUROPE 51

Mr LÉPINARD Philippe Les systèmes différentiels régionaux ou SBAS u WAAS • Wide Area Augmentation System • Opérationnel depuis 2005 • Mars 2006, la FAA a autorisé son utilisation pour les approches de précision • Les récepteurs modernes sont compatibles WAAS (signaux identiques au GPS) • 4 satellites géostationnaires • Un segment sol de prêt de 30 modules • Correction des messages GPS uniquement 12/7/2020 52

Mr LÉPINARD Philippe WAAS Précision : Satellite GPS 4 mètres sur les USA 12/7/2020 2 mètres sur Les USA 53

Mr LÉPINARD Philippe Les systèmes différentiels régionaux ou SBAS u MAAS • Multi Satellite-based Augmentation • Japon u GAGAN • • u GPS and Geo Augmented Navigation Inde SNAS (Chine) et CWAAS (Canada) 12/7/2020 54

Mr LÉPINARD Philippe Les récepteurs 12/7/2020 55

Mr LÉPINARD Philippe Les récepteurs Antenne Préamplification Canaux de réception 1 Convertisseur de fréquence Canaux de réception 2 Processeur Calcul de position Canaux de réception n Oscillateur 12/7/2020 56

Mr LÉPINARD Philippe Les récepteurs u Un peu de théorie ! • Almanach : information de position de tous les satellites de la constellation u Validité plusieurs mois • Ephéméride : information de position précise des satellites u • • • Validité de quelques heures Temps d’acquisition = temps de 1 er fix Acquisition = signal lock Démarrage à froid (cold start) u u Acquisition en aveugle Temps de 1 er fix : 20 à 30 minutes • Démarrage à chaud (warm start) u 30 secondes (récupération d’un éphéméride) • Redémarrage (restart) u u 12/7/2020 GPS non éteint Quelques secondes 57

Mr LÉPINARD Philippe Les récepteurs u Grand public • 12 canaux u Certifiés transport (DGAC et FAA) • Récepteurs avec intégrité autonome • Récepteurs utilisant une augmentation régionale ou locale • Récepteurs Galileo SOL u De qualité géodésique (centimétrique) • Fixes u Militaires • Signaux réservés et codes de cryptage • Résistance au brouillage • Couplés à des centrales à inertielles 12/7/2020 58

Mr LÉPINARD Philippe La navigation 12/7/2020 59

Mr LÉPINARD Philippe La navigation u u u u Waypoint Route Track/Trace/Tracé/Log/Tracklog User Goto/Direct to/Rallie Bearing (relèvement) / Course (Route désirée) / Cap ETA / ETE Les définitions sont dans les vues suivantes 12/7/2020 60

Mr LÉPINARD Philippe La navigation Go. To Une fonction qui active une Route de votre position vers un Waypoint enregistré Route Une succession de Waypoints ! Waypoints Coordonnées x et Y De type « User » (créé par un utilisateur) Ou d’une BDD officielle (aéroport, ville, etc. ) 12/7/2020 Track Votre trace sol enregistrée par votre récepteur 61

Mr LÉPINARD Philippe La navigation Cap Direction vers laquelle l’aéronef est orienté : le 080° Bearing La Route à suivre (dans le sens de la direction et pas de la Route GPS) pour rejoindre un point : le 100° Course La Route à suivre lors de l’activation du Go. To : le 090° 12/7/2020 62

Mr LÉPINARD Philippe La navigation ETE Estimated Time Enroute (temps du trajet) : X heures ou Y minutes de vol Conclusion Heure actuelle + ETE = ETA 12/7/2020 ETA Estimated Time of Arrival (Heure d’arrivée) « J’arriverai à XXh YYm » 63

Mr LÉPINARD Philippe La liaison informatique (exemples) 12/7/2020 64

Mr LÉPINARD Philippe La liaison informatique (exemples) Configuration 1 Configuration 2 Temps réel Temps différés Standard NMEA Exportation des données Suivi automatique Cartographie embarquée Logiciels de cartographie Rejeux des vols Port série (Ordinateur) 12/7/2020 Port série ou USB (Ordinateur) 65

Mr LÉPINARD Philippe La liaison informatique (exemples) Utilisation de l’Hyper Terminal (Windows) pour vérifier la bonne Connexion avec le récepteur N’oubliez pas de régler l’interface de votre récepteur sur Entrée/Sortie NMEA ! Site officiel : www. nmea. org 12/7/2020 66

Mr LÉPINARD Philippe La liaison informatique (exemples) Utilisation de Photo. Exploreur en mode NMEA N’oubliez pas de régler l’interface de votre récepteur sur Entrée/Sortie NMEA ! 12/7/2020 67

Mr LÉPINARD Philippe Conclusion Ces systèmes ont démontré une performance exceptionnelle u Ils sont de plus en plus simples u u u 12/7/2020 Fiabilité ≠ 100% Précision non constante Erreur humaine très importante Dépendance stratégique envers le GPS 68

Mr LÉPINARD Philippe QUESTIONS 12/7/2020 Plus d’info ? www. sig-gps. net 69