ORIENTATION A L’AIDE D’UN GPS

POSITIONNEMENT PAR GPS

Le premier satellite artificiel à orbite autour de la Terre, Spoutnik 1, a été lancé en octobre 1957 par l’Union soviétique. Cet événement marquant a donné le départ d’une course effrénée à la conquête de l’espace. Dès le début des années soixante, un système de navigation par satellites (appelé Transit) était déjà exploité par la Marine américaine. Quant à lui, le système de positionnement GPS a été développé par le Département de la Défense des Etats-Unis (DoD) au début des années 1970. Les quatre premiers satellites prototypes ont été lancés en 1978. Une constellation de 24 satellites opérationnels dont 3 de secours a été complétée en 1993. Son utilisation était prévue avant tout pour des activités militaires, alors que les applications civiles pouvaient librement se développer en second plan. Les spécifications initiales prévoyaient l’accès d’une part à une position absolue dans un système de référence mondial avec une précision de 10 m, et d’autre part au temps avec la précision de la microseconde. 1.1 Description du système GPS Le GPS est l’un des systèmes les plus complexes au monde. Son contrôle, sa gestion ainsi que sa maintenance sont à la fois difficiles et coûteux. Le concept de GPS ne se réduit pas uniquement aux récepteurs GPS [1] Le système GPS se compose de trois segments fonctionnels :  Le segment spatial ou secteur spatial  Le segment contrôle ou secteur de contrôle  Le segment utilisateur ou secteur utilisateur  La figure 1.01 donne un aperçu général des différents secteurs constituant ce système. Figure 1.01: Secteurs du GPS .

Secteur spatial

Il s’agit d’un réseau de 24 satellites qui émettent sur 2 fréquences, L1 (1575.42 MHz) et L2 (1227.6MHz) ; ils se meuvent sur 6 plans orbitaux, à 20 000 km d’altitude. La fréquence est modulée par les codes C/A et P, la fréquence L2 est modulée par le code P. Figure 1.02: Aspect général du système GPS [2]  1.1.1.1 Constellation GPS Officiellement, la constellation GPS comporte vingt quatre (24) satellites situés sur des orbites quasi circulaires à une altitude moyenne de 20.200 Km (Figure 1.03). Il existe trois types d’orbites circulaires, à savoir les LEO (Low Earth Orbit) situés entre 350 Km et 1400 Km d’altitude, les MEO (Medium Earth Orbit) à environ 20.000 Km d’altitude et les GEO (Geostationary Earth Orbit) situés à 36 000 Km d’altitude. Les orbites des satellites GPS figurent parmi les MEO. La période de révolution orbitale Ts des satellites est de 11h 58mn 02s en temps UTC [3]. Figure 1.03: Constellation GPS [3] Ainsi, chaque satellite effectue deux rotations complètes par jour. Due à la rotation de la Terre autour d’elle-même en jour, pour un observateur au sol, la constellation GPS se répète alors toutes les 23h 56mn O4s en temps UTC En effet, supposant qu’à un instant to, la constellation GPS est décrite par un ensemble de position notée Pto défini par : Pto = {P(1,to), P(2,to), P(3,to), … , P(24,to)} (1.1) Avec P (i, to) : position du satellite GPS n° i à l’instant to  Dans un système de référence d’espace, la position P (i, to) peut être exprimée par ses coordonnées cartésiennes, d’où la notation : Xi (to) P (i, to) Yi (to) Zi (to) La période de révolution orbitale d’un satellite GPS étant Ts, les coordonnées satellitaires n° i à l’instant (to + nTs) où n est un entier relatif, sont alors identiques à celles de l’instant to. Ceci peut s’écrire à l’aide de l’équation (1.2) : P (i,to + nTs) == P(i, to), n  Z (1.2) Si O(to) est la position d’un observateur au sol, à l’instant to dans le même système de référence d’espace, cette position ne sera de nouveau acquise qu’après un délai To qui n’est autre que le temps que met la Terre pour effectuer un tour complet autour d’elle-même. Ce délai To vaut le double de Ts. L’évènement décrit par l’ensemble {Pto, O (to)} ne se répète alors que toutes les (23h 56mn 04s) en temps UTC. 1.1.1.2 Configuration de la constellation GPS Les satellites de la constellation GPS sont répartis en six orbites quasi circulaires [6]. La répartition est de quatre à cinq satellites par orbite. Les six plans orbitaux sont inclinés de 55° par rapport à l’équateur pour assurer une couverture des régions polaires et séparés d’environ 60° sur l’équateur. Cette configuration permet d’assurer en tout point du globe et à chaque instant une visibilité d’au moins quatre satellites.

 Caractéristiques d’un satellite GPS

Chaque satellite de la constellation GPS peut être identifié de différentes manières selon les informations dont on dispose [9]. Un satellite GPS est généralement connu :  par son numéro séquentiel SVN (Space Vehicule number) qui correspond à son ordre de lancement,  par son numéro PRN (Pseudo Random Noise) qui permet d’identifier le code pseudo-aléatoire de 1.023 bits que le satellite émet toutes les millisecondes,  par son numéro indiquant le plan de l’orbite et de la position du satellite sur cette orbite,  par un numéro permettant d’identifier sa date de lancement,  par son identifiant dans la catalogue interne de la NASA (National Aeronautics and Space administration). En outre, chacun dispose de quatre horloges atomiques. Ces horloges ne présentent un retard d’une seconde que tous les 30.000 ans à 1.000.000 d’années et sont régulièrement ajustées ou synchronisées à partir de stations de contrôle terrestres Les satellites sont alimentés par l’énergie solaire. Ils s’orientent continuellement pour pointer vers le soleil les panneaux solaires qui les alimentent en électricité et vers la terre les antennes émettant les signaux. Ils disposent également à bord des batteries de rechange pour leur permettre de  fonctionner au cas où l’énergie solaire manquerait. Afin de conserver la bonne orbite, des propulseurs sont installés sur chaque satellite. La durée de vie moyenne d’un satellite GPS est de dix ans. Une fois ce délai écoulé, la NASA se charge de le retirer et de le remplacer par un autre. Des maintenances régulières sont également effectuées par la NASA. 1.1.2 Secteur de contrôle Figure 1.05: Les cinq centres de contrôle du système GPS [3] Le secteur de contrôle est constitué par l’ensemble des structures au sol qui permettent d’observer et d’administrer le système tout entier. Ce secteur est entièrement géré par le Ministère de la Défense américaine et le Ministère des Transports américains. Ce segment se compose de :  Une station de contrôle principale, MCS (Master control station) située à Colorado Springs,  Quatre stations de poursuite qui enregistrent en continu les signaux GPS,  Trois antennes terriennes réparties autour de la terre pour la transmission des données. [2]

Le Master control station (MCS)

La station de contrôle principale ou MCS est un centre de contrôle permettant de centraliser la gestion, le contrôle des satellites de la constellation GPS. Il permet de  Superviser les manœuvres de mise en orbite,  Reconfigurer les équipements redondants de tous les satellites. D’un autre coté, le MCS utilise les données collectées par les stations de surveillance pour prédire la trajectoire de chaque satellite ainsi que le comportement de chaque horloge des satellites. Des corrections sont alors effectuées. Ceci se traduit par une mise à jour des données orbitales et une synchronisation de toutes les horloges de chaque satellite. Les données prévisionnelles sur la position, l’orbite, l’état de santé de chaque satellite sont transmises à tous les satellites de la constellation GPS via les antennes terrestres. Ainsi, le MCS assure la mise à jour régulière des messages de navigation transmis par les satellites GPS et veille à ce que les trajectoires de ces satellites ainsi que leurs horloges ne s’écartent pas trop de leurs caractéristiques nominales. 1.1.2.2 Station de surveillance ou MS Les stations de surveillance, dites aussi stations de poursuite ou MS (Monitor Station) surveillent tous les satellites GPS en vue et recueillent les données contenues dans leurs messages. Ces stations éloignées sont capables de poursuivre et de surveiller la position de chacun des satellites du GPS. Les stations de poursuite transmettent les données obtenues des satellites à la station de contrôle principale qui calcule alors les orbites très précises des satellites. Ces données sont ensuite formatées en des messages de navigation actualisés pour chaque satellite. Les données actualisées sont ensuite transmises sur une liaison montante à chacun des satellites à partir des antennes terriennes. Ces antennes servent également à transmettre et à recevoir les signaux de commande et de surveillance des satellites. 

Antennes terrestres

Le MCS utilise les antennes terrestres pour transmettre aux satellites les données orbitales et les paramètres d’horloge corrigés afin de mettre à jour les messages de navigation.

Communication entre secteur de contrôle et satellites GPS

Le MCS et les stations de surveillance sont interdépendants. Afin d’apporter des corrections et des améliorations aux services fournis aux utilisateurs, des échanges de données sont effectués entre les stations du secteur de contrôle et les satellites de la constellation GPS. La figure 1.06 décrit les communications permettant de réaliser ces échanges de données. [4