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TOUT SUR LE GPS (General positionning system)

(2ème partie)

NB - Ce document, largement animé,  a été préparé à l’origine par Trimble Tutorial http://www.trimble.com/gps/index.shtml pour être diffusé sans restriction, si ce n’est que les auteurs veulent savoir à quelle fin servira le document.  Sur un formulaire à cet effet, j’ai déclaré que je voulais le traduire en langue française et qu’il servirait à la formation de radioamateurs..

Traduction et allègement du texte par Claude Lalande VE2LCF

Le GPS différentiel (DGPS)

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Dans cette section, il vous sera possible de voir comment il est simple d’accroître la précision du GPS jusque dans des retranchements à peine imaginables.

Allons-y section par section.

  • Pourquoi le GPS différentiel est-il nécessaire ?

-  Le DGPS a la capacité de situer un objet en mouvement à deux mètres près et un objet arrêté à quelques centimètres près.

  • Comment fonctionne le DGPS

-  Le GPS différentiel requiert deux récepteurs. Un est stationnaire et l’autre nomade. Le premier, qui ne bouge pas, est le récepteur de « référence » ; l’autre, qui s’active à recueillir les mesures positionnelles de l’objet, prendra le nom de « nomade »

  • Quels récepteurs choisir pour lire les corrections « différentielles »

-  Plusieurs récepteurs sont conçus pour recevoir le matériel nécessaire à la lecture de corrections différentielles. D’autres sont équipés au montage pour lire ce type de corrections.

  • Autres moyens de travailler en GPS différentiel.

-  Toutes les applications GPS ne sont pas de même niveau. Certaines n’ont pas besoin de lien radio parce que l’application ne requiert pas une lecture précise instantanée

  • Concepts avancés

-  Imaginez le GPS différentiel au service  de la construction de route où il ne sera plus nécessaire de recourir  à des mesures conventionnelles manuelles pour en suivre le tracé précis.  Imaginez le GPS comme un instrument d’atterrissage au mètre près, à vision nulle.

1 – Pourquoi le GPS différentiel ?

Le GPS, même de base, demeure le système de radio navigation le plus raffiné. Il convient amplement à la plupart de nos besoins. Mais il faut comprendre que l’être humain est insatiable en tout. Alors ...

Ainsi, il n’en fallait pas plus pour que des ingénieurs futés décident de se mettre à la recherche d’un système encore plus raffiné : le GPS différentiel, un système capable de repousser les limites de la performance du GPS à un niveau impressionnant. Le GPS différentiel ou DGPS est capable de repérer un objet en mouvement à deux mètres près, et un fixe, à quelques centimètres près.

Cette capacité de précision améliorée fait du GPS un instrument inégalé de navigation. Le GPS dépasse les exigences d’un système de navigation maritime ou aérien. Il est un système de repérage universel capable d’indiquer la position d’un objet avec une très haute précision.

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2 – Comment fonctionne le GPS différentiel (DGPS) ?

Le fonctionnement du DGPS nécessite l’action combinée de deux récepteurs, un fixe et un autre en action « autour » d’un objet pour recueillir toutes les mesures positionnelles requises à son repérage.  Le récepteur stationnaire est primordial. Il est le point d’aboutissement et de référence de toutes les mesures satellitaires.

2.a  La problématique

Rappelons-nous que le récepteur GPS utilise les mesures du temps d’au moins quatre (4) satellites pour établir correctement une position. Mais, chacun des signaux est susceptible de contenir un certain nombre d’erreurs et de délais dépendamment des obstacles rencontrés durant son parcours du satellite vers le récepteur (revoir la section de la correction des erreurs à « Tout sur le GPS » partie 1, au besoin).

Puisqu’il faut prendre en compte toutes les erreurs dans le calcul de la position d’un objet, l’exercice s’annonce  fastidieux. Fort heureusement la tâche est confiée au récepteur ! En fait, c’est tout le système vient à notre secours.


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Les satellites sont si éloignés de nous que nos distances terrestres sont relativement peu importantes par rapport à celle qui nous des satellites.

Ainsi, si deux récepteurs ne sont pas trop éloignés l’un de l’autre, disons 200 kilomètres (tout est relatif !),  les signaux venant des deux satellites qui arrivent jusqu’à eux auront eu à traverser à peu près le même type d’atmosphère et vraisemblablement, subir les mêmes erreurs.


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L’idée qui sous-tend le principe du GPS différentiel est comme suit : un récepteur mesure les erreurs et les soumet à l’autre qui les utilisera comme données de correction. De cette façon, toutes les erreurs sont éliminées, même celles introduites volontairement dans le système par le US Department of Defence, connues sous le nom de Selective Availability (SA).


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N’est-ce pas qu’elle est simple cette idée !  Recourir à un récepteur dont le point d’emplacement est rigoureusement fixe et stable, et l’en pas bouger. Cette station de référence reçoit le même signal GPS que l’autre station dite nomade (celle qui suit l’objet) mais s’appliquera à faire ses calculs à l’inverse de ceux d’une station GPS nomade.

Au lieu d’utiliser le temps pour calculer sa position, la station de référence utilisera sa position pour calculer le temps.  La station de référence  nous indique donc ce que doit être le temps correct de déplacement du signal GPS ; et permet ainsi la comparaison avec le temps obtenu par la station GPS nomade. La différence constitue la correction à effectuer. Le récepteur de référence transmet alors l’information au récepteur nomade de manière à ce que l’erreur soit corrigée.


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Parce que  le récepteur de référence ne dispose d’aucun moyen pour savoir lequel des satellites (accessibles) le récepteur nomade utilise pour calculer sa position, le récepteur de référence s’adresse à tous les satellites placés dans son « champ de vision » et emmagasine les erreurs de chacun.

Il les transmettra, après codification, au récepteur nomadeError Code TransmissionGPS receivers don't actually transmit corrections by themselves. They are linked to separate radio transmitters.. Celui-ci, en possession de la liste de toutes les erreurs sera alors en mesure d’appliquer les corrections aux données reçues des satellites qu’il utilise.

3 – Où peut-on trouver les corrections différentielles?


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Au début de « l’ère GPS », les stations de référence étaient établies par des entreprises privées gérant d’importants projets pour lesquels la désignation d’un lieu précis de travail était de la plus haute importance (eg. activités de forage). Cette façon de faire est encore d’actualité. Simplement, on achète un récepteur de référence et on établit un lien de communication avec des récepteurs nomades. C’est simple mais assez coûteux  et pas toujours pratique !

Aujourd’hui, il existe plusieurs agences publiques qui peuvent transmettent ce type de  corrections. On peut obtenir le service gratuitement. Les garde-côtes américains et autres agences internationales préparent des stations à cet effet, particulièrement près des voies navigables et des ports maritimes.

Ces stations, déjà en place, émettent un signal – balise habituellement à la fréquence de 300 kHz, à l’intention de navigateurs (ou autres) intéressés à connaître leur position précise.

Pour quiconque se déplace à l’intérieur du rayon d’action de la balise, il est possible de prendre connaissance des corrections qui s’y trouvent « emmagasinées » et d’améliorer ainsi la précision des données de son propre GPS.

La plupart des bateaux possèdent les équipements nécessaires à la réception du signal de la balise. Les plus récents récepteurs GPS sont conçus pour s’adapter à l’installation  de ces équipements. D’autres en sont même équipés au moment de la fabrication.

4 - Autres façons de travailler avec le GPS différentiel (DGPS)

 


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4.a  Un signal GPS en réserve

Les applications du GPS diffèrent. Certaines n’ont pas besoin de lien radio parce que l’application ne requiert pas une lecture immédiate.

Enregistrer le tracé d’une nouvelle route sur une carte ne requiert pas la même instantanéité d’action de la part du GPS que le positionnement du trépan d’une foreuse installée sur une embarcation, qui s’apprête à percer le fond marin.

Dans le premier cas, le récepteur nomade n’a besoin que d’enregistrer les calculs positionnels de la route et le temps exact de chacune des mesures. Le lien radio pour des données en temps réel n’est donc pas requis.

Dans l’autre cas, les données du récepteur nomade sont soumises à des corrections venant du récepteur de référence. Ces corrections sont nécessaires à la mise à niveau continue des données.  Le besoin de données correctives en temps réel est donc essentiel.

En l’absence de récepteur de référence,  il pourrait y avoir une autre source de corrections : Internet ! Des recherches se poursuivent en ce sens par des institutions reconnues.


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4.b Le DGPS inversé

Une autre forme de DGPS est accessible et peut sauver de l’argent  lors de certaines applications.  Son mon : le DGPS inversé !

Disons que vous êtes le propriétaire d’une flotte d’autobus et que vous aimeriez pouvoir les localiser sur une carte routière en temps réel avec une haute précision sans recourir à une installation, forcément coûteuse, de GPS différentiel dans chaque autobus.

Avec le système inversé de GPS, les autobus seraient équipés de simples récepteurs GPS standard et d’émetteurs qui transmettraient  leur position au bureau de contrôle. Doté de l’équipement DGPS, le bureau de contrôle se chargerait d’appliquer les corrections.

Sans doute faudra-t-il vous équiper d’un ordinateur capable d’effectuer les calculs requis par les critères DGPS, mais quelle épargne de coûts pour connaître la position exacte unitaire de toute une flotte de véhicules !

5 - Concepts avancés

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Si vous voulez savoir jusqu’où ira la précision du DGPS, regardez votre main, voyez la largeur de votre petit doigt et vous en aurez une bonne idée.

Imaginons les possibilités ! Des instruments ou équipements de construction fabriqués de telle manière que les mesures et les données, autrefois  effectuées et conservées manuellement,  seraient  confiées à la technologie DGPS. L’ère des voitures auto guidées qui vous ferons traverser la ville, le journal à la main, n’est peut-être pas si loin !

Pour saisir comment ce type de GPS sera développé, il vous faut comprendre comment les signaux GPS fonctionnent.  Si deux récepteurs sont relativement près l’un de l’autre, disons à quelques centaines de kilomètres (tout est relatif n’est-ce pas !),  les signaux venant des deux satellites qui arriveront jusqu’à nos deux récepteurs, auront eu à traverser à peu près le même type d’atmosphère et vraisemblablement, rencontrer les mêmes obstacles bref, suivi le même chemin.

 

5.a  Code-Phase vs Carrier-Phase (1)


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Ce que nous appelons  “code-phase” et “carrier-phase”  fait référence au signal particulier que nous utilisons pour mesurer le temps. L’utilisation de l’onde porteuse GPS (GPS carrier frequency) peut améliorer grandement  la précision du GPS. L’idée de base est simple, mais pour le bien comprendre, revoyons quelques principes fondamentaux du GPS.

Souvenons-nous que c’est le récepteur GPS qui détermine le temps que prend un signal pour franchir la distance qui le sépare du satellite. Il le fait en comparant  le « pseudo random code »  qu’il génère à celui identique produit par le satellite.  C’est l’effort d’ajustement, aidé par le jeu d’un curseur glissant sur les deux signaux codés, qui indique le temps de parcours du signal. Les codes au satellite et dans le récepteur sont émis exactement en même temps. Mais en raison de la largeur des  pulsions, de l’imprécision subsiste. Voyons cela de plus près en comparant les deux signaux (codes).

Si nous comparons les deux signaux une fois l’effort de synchronisation accompli, donc en concordance, logiquement nous devrions dire que la distance du satellite au récepteur est exacte.  Ce n’est pas toujours le cas.  Un léger déphasage peut toujours subsister entre nos deux signaux codes.  Comme l’ajustement se fait progressivement, quelques microsecondes peuvent manquer pour une parfaite concordance. Et, à la vitesse de la lumière, considérant la distance du satellite du récepteur, une seule microseconde signifie 300 mètres d’erreur.

Le code phase GPS donne des résultats tout à fait acceptables en raison principalement de l’amélioration des récepteurs. Le phasage des deux signaux frise maintenant la perfection. On est parvenu à réduire l’erreur à environ un pourcent. Ce qui laisse néanmoins de la place pour une erreur de localisation de 3 à 6 mètres. On peut faire mieux !

En conjoncture avec le code (code phase), l’utilisation d’un fréquence porteuse (carrier phase) émise à la manière du code phase, comme le démontre l’animation 5b, vient préciser encore davantage la localisation de l’objet.  Le code phase a recours à une fréquence pulsative de 1 MHz, mais la porteuse utilisée fonctionne à une fréquence d’environ 1250 fois plus élevée, donc à 1.25 Ghz. Pour cette fréquence, la longueur d’onde est de 24 cm, et peut agir avec beaucoup plus de raffinement que ne le fait le code phase dont la « longueur d’onde » est de  300 mètres.  Le « code phase » et  le « carrier phase »  agissant en tandem, nous propulsent à une précision de l’ordre de 3 à 4 millimètres.

 

5.b  Code-Phase vs Carrier-Phase (2)


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Cette méthode de localisation, facile à concevoir en théorie est exigeante en application. Elle requiert le comptage exact des cycles de la porteuse entre le satellite et le récepteur. Tâche pas facile en effet, considérant l’uniformité de la sinusoïde de la porteuse ; tous les cycles se ressemblent. Pour le code phase, dont les pulsions sont irrégulières, la tâche est beaucoup plus simple.

La difficulté est contournée par la concentration de l’analyse sur seulement quelques cycles de la porteuse, ceux qui, une fois le comptage effectué avec la plus grande précision, se placent le plus près des deux signaux code phase synchronisés. Il ne reste plus qu’à trouver quel cycle correspond au centre de la partie verticale (ici oblique) de la pulsion du code phase.  Les récepteurs de nouvelle génération y arrivent sans recourir à un rituel d’ajustement semblable à celui exigé par la synchronisation des codes phases que nous avons étudiée plus tôt.

 

5.c  Un GPS « plus » !


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Les concepteurs du GPS différentiel et la Federation Aviation Administration (FAA) ont réalisé rapidement ce que le système pouvait apporter de positif à l’aviation.  Mais, réflexion faite,  ils ont constaté que les services reliés au système GPS  pouvaient s’étendre à d’autres domaines. Pour eux l’utilisation du GPS différentiel peut s’appliquer à toutes sortes d’activités à travers le monde.  Ainsi naquit le “Wide Area Augmentation System" (WAAS).

Le GPS différentiel possède ce qu’il faut pour détecter avec précision la localisation d’un avion ou tout autre objet en mouvement, mais en cas de mauvais fonctionnement  du système, un satellite qui flanche par exemple, il faudra du temps (jusqu’à quelques minutes), pour détecter le problème et le corriger. Entre temps, les données sont fausses. C’est évidemment trop long et dangereux pour la sécurité d’un avion en approche d’atterrissage.

Devant ce constat, la FAA a imaginé une technologie capable d’alerter rapidement les utilisateurs du GPS d’une défaillance du système. Le système proposé par la FAA repose sur la présence d’un satellite géostationnaire en mesure d’alerter rapidement les utilisateurs du GPS de l’existence d’un problème fonctionnel du système.

Les anomalies détectées par le satellite géostationnaire sont transmises sur une fréquence dédiée au système GPS à laquelle le récepteur de l’avion a accès.

5.d  Un GPS local « plus »


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Ce système ne serait pas complet sans une version locale du WAAS. Il prendra alors le nom de LAAS (Local Area Augmentation System) et sera situé près de l’aéroport.

Le fonctionnement est similaire à celui d’un WAAS mais à une échelle réduite. Le récepteur de référence est situé près de l’aéroport et est ainsi capable de fournir des indications correctives plus précises aux avions qui se préparent à atterrir.  Le LAAS rend possible l’atterrissage à vision nulle !

Voilà pour la deuxième partie.

Le GPS peut répondre à la plupart des besoins en repérage ou en localisation d’objets. De ce fait, son application rejoint tous les domaines reliés à la navigation, au déplacement d’objet et au transport. Nous verrons cela de plus près dans la troisième partie de ce document alors que nous nous attarderons au rôle du GPS dans les domaines de la navigation maritime, de la navigation aérienne, de la navigation terrestre, du tracking, de la cartographie et de la synchronisation d’activités.

À bientôt !

Claude Lalande VE2LCF