22618860 Cours GPS Global Positioning System

7/22/2019 22618860 Cours GPS Global Positioning System

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CHAPITRE I : DESCRIPTIONS GENERALE 2

1. INTRODUCTION 22. HISTORIQUE 33. UTILISATION DES GPS 34. COMPOSANTES DU SYSTEME 4

4.1 Introduction 44.2 Le segment Spatial 44.2.1 La constellation 54.2.2 Les satellites 54.4 Les catgories de satellites 64.5 Le segment de contrle 74.6 Segment utilisateur 84.7 Vulnrabilit du systme 9CHAPITRE II : SERVICE OFFERT PAR LE GPS 10

1. INTRODUCTION 102. LE SERVICE SPS 10

3. SELECTIVE AVAILABILITY 104. LE SERVICE PPS 11CHAPITRE III : LES SIGNAUX GPS 12

1. LES FREQUENCES UTILISEES 122. TECHNIQUE DETALEMENT DE SPECTRE 143. LES CODES 143.1 Le code P 153.2 Code coarse acquisition (C/A) 154. MESSAGES DE NAVIGATION 164.1 Les sous-trames 174.1.1 La sous-trame 1 174.1.2 Les sous-trames 2 et 3 174.1.3 la sous-trames 4 184.1.1 La sous-trames 5 184.2 La modulation 19CHAPITRE IV : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 201. INTRODUCTION 202. CALCUL DE LA DISTANCE ENTRE UN SATELLITE ET UN REC. GPS 203. NOMBRE DE SATELLITES NECESSAIRES 214. DETERMINATION DE LA POSITION 215. LA PSEUDO-DISTANCE 23

6. CALCUL DE LA VITESSE 247. ACQUISITION DUN SATELLITE 24CHAPITRE V : LES ANTENNES 251. INTRODUCTION 252. ANTENNE AUTOCAPTIVE 253. ANTENNE PARABOLIQUE 254. INSTALLATION DUNE ANTENNE 254.1 La longueur lectrique 26CHAPITRE VI ; DIFFERENTS TYPES DE RECEPTEURS 27

1. INTRODUCTION 272. RECEPTEURS C/A CODE PSEUDORANGE 27

3. RECEPTEURS C/A CODE CARRIER 274. RECEPTEURS CODE-P 275. RECEPTEURS CODE-Y 27


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6. GPS DIFFERENTIEL 286.1 Diffrents procds 296.2 Transmission de donnes 307. SYSTEME EMBARQUE DANS UN VEHICULE 307.1 Calculateur et cartographie lectronique 30

7.2 Sonde de champs magntique (flux valve) 307.3 Capteurs de roues 308. LE SYSTEME GLONASS (Global Navigation System) 31CHAPITRE VII : PERFORMANCE DES RECEPTEURS 321. INTRODUCTION 322. EXPRESSION DE LA PRECISION 323. GDOP (Global Dilution Of Precision) 324. FIGURE OF MERIT (FOM) 34CHAPITRE VIII : LE TEMPS 35

1. TEMPS UTC (Univervsal Time Coordinated) 352. TEMPS GPS 35

CHAPITRE IX : LES SOURCES DERREURS 361. ERREUR DHORLOGE SATELLITE 362. ERREUR DEPHEMERIDES 363. DELAI SATELLITE 364. ERREUR IONOSPHERIQUE 365. ERREUR TROPOSPHERIQUE 366. ERREUR DE MUTI-TRAJETS 367. ERREUR CODE S/A 37CHAPITRE X : LES COORDONNEES 391. INTRODUCTION 392. LES COODONNEES GEOGRAPHIQUES 393. SYSTEME UTM 403.1 Les fuseaux 403.2 Les bandes 413.3 Les carrs de 100 Km 423.4 Les carrs de 10 Km 423.5 Les carrs de 1 Km 423.6 Exemple avec des coordonnes UTM 423.7 Le systme UTM et la GPS 434. LAMBERT 72 444.1 Exemple de coordonnes LAMBERT 45

5. LES COORDONNEES SUR LES CARTES DETAT-MAJOR 45CHAPITRE XI : LES SYSTEMES DE REFERENCES 461. LE GEOIDE 462. LES ELLIPSOIDES DE REVOLUTION 462.1 Le DATUM godsique WGS-84 472.2 Le DATUM godsique ED 50 473. IMPORTANCE DU DATUM GEODESIQUE LORS DELINITIALISATION 474. CONVERSION WGS-84 VERS ED 50 485. LES GPS ET LALTITUDE 49CHAPITRE XII : PRINCIPE DINITIALISATION DUN NAVIGATEUR GPS 511. DEMARAGE DU NAVIGATEUR (pour First FIX) 51

2. REGLAGE DE LHEURE LOCALE 513. PRESENTATION DES COORDONNEES 514. LE CHOIX DU DATUM GEODESIQUE 51


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CHAPITRE XIII : LA NAVIGATION 52

1. INTRODUCTION 522. RETOURNER A LA POSITION DE DEPART (BACK TRACK) 533. NAVIGATION DANS UN MILIEU DEFAVORABLE 544. NAVIGATION SANS ALTITUDE 55

CHAPITRE XIV : GLOSSAIRE 56


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Table des figures

Figure I.1 : Les trois segments 11

Figure I.2 : Full Operational Capability 12Figure I.3 : Reprsentation simplifie 13Figure I.4 : Stations de contrle et de surveillance 14Figure I.5: Station de contrle 14Tableau I.1: Validit des donnes sans rechargement 15Figure II.1: Prcision du service SPS

17Figuere II.2 : Prcision du service PPS 18Figure III.I : Signaux de modulation 19Figure III.2 : Spectre de L1 20Figure III.3 : Spectre de L2 20

Figure III.4 : Etalement du spectre 21Figure III.5 : Modulation du code P 22Figure III.12 : Modulation BPSK 26Figure IV.1 : Calcul de la distance 27Figure IV.2 : Position du GPS 28Figure IV.3 : Dtermination de la position 29Figure IV.4 : La pseudo-distance 30Figure IV.1 : Rcepteur avec ou sans cls 35Figure IV.2 : Rcepteur diffrentiel 36Figure VII.1 : GDOP 40Figure VII.2 : GDOP 40Figure IX.1 : Erreur de multi-trajets 44Figure IX.2 : Erreur de position due la S/A 44Tableau IX.1 : Rcapitulatif des erreurs 45Tableau X.1 : Le systme UTM 47Figure X.2 : Fuseaux 30,31 et 32 48Figure X.3 Les bandes 48Figure X.4 : Projection Lambert 51Figure X.5 : Projection Lambert I 51Figure X.6 : Lescoordonnes sur une carte dtat-major 52Figure XI.1 : Forme relle de la terre

53Figure XI.2 : Le World Geodetic System ( WGS-84) 54Figure XI.3 : Diffrences entre des ellipsodes 55Tableau XI.1 : Exemple de lgende dune carte IGN 55Figure XI.4 : Transformation WGS-84 vers ED-50 56Figure XI.5 : Diffrences daltitudes 57Figure XIII.1 : Termes de navigation

59Figure XIII.2 : Termes de navigation (suite) 60Figure XIII.3 : Rception dans un milieu dfavorable 61


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CHAPITRE I

DESCRIPTIONS GENERALES

1. INTRODUCTION.

Le systme NAVSTAR est un systme de position par satellite (GPS pour GlobalPositioning System) de trs grande prcision financ et ralis par US Department OfDefense.Le GPS est compltement oprationnel depuis le dbut de lanne 1994, il doit permettre

de pallier la plupart des inconvnients des systmes de navigation inertielle ou deradionavigation tels que :

Pour la radionavigation :

navigation uniquement en 2 dimensions pas dinformation de vitesse et daltitude

couverture incomplte ou de porte limite sensibilit aux conditions mto installations au sol trs importantes inadaptation aux fortes dynamiques de vol

Pour la navigation inertielle :

quipement trs complexe

dgradation des performances dans le temps quipement cher mise en uvre complexe

Le systme GPS fournit aux utilisateurs une position, une rfrence horaire et unenavigation tri-dimentionnelle :

prcise (33 m en 3 D 95 % du temps) continue (24 Hrs sur 24) mondiale tous temps de rfrence commune

Les rcepteurs GPS sont totalement passifs, donc discrets. Le Systme GPS a la possibilitde dgrader les signaux quil dlivre aux usagers non autoriss.


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2. HISTORIQUE.

Depuis les annes 60, lUS AIR FORCE et la NAVY ont eu des programmes de navigation

par satellites. LUS NAVY dveloppait deux programmes: Le systme TRANSIT qui futoprationnel en 1964 et utilis par les mobiles ayant de faibles vitesses de dplacement, le

second programme appel TIMATION (TIMe navigATION) de technologie trs avanceextrmement performant pour des navigations en deux dimensions.LUS AIR FORCE simultanment conduisait ltude dun systme de positionnement en 3

dimensions appel 621B.

Cest en 1973 que le ministre US de la dfense dsigne lUS AIR FORCE afin

damliorer les systmes TIMATION et 631B pour disposer dun concept de navigation

tridimensionnel le NAVSTAR GPS.

Le systme a t dvelopp en trois phases :

phase I concept et validation ( 1973-1979). Le premier satellite de srie du bloc 1 a tlanc en 78 par une fuse de type ATLAS.Phase II dveloppement et test du systme (1979-1985)Phase III production et dploiement (1985-1994)Projet pour 2001 2010, satellites avec tables inertie pour la navigation.

3. UTILISATION DES GPS.

Les rcepteurs GPS ont t utiliss grande chelle pour la premire fois pendant laguerre du Golfe. Ils permettaient deffectuer des dterminations prcises de position l oil ny avait pas de point de rfrence, le dsert.

Quelques applications militaires :

Guidage de missile navigation dplacement de section drne opration de sauvetage pose de mines ou marquage des champs mins.

Quelques applications civiles :

aviation voiture agriculture trafic arien godsie extraction de ptrole et de gaz remplacement du MLS (Microwave Landing System)


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4. COMPOSANTES DU SYTEME.

4.1 Introduction.

Le systme est compos de trois parties ( segments) :

le segment spatial le segment de contrle le segment utilisateur.

Figure I.1 : Les trois segments

4.2 Le segment spatial.

Le segment spatial est form par une constellation de satellites en orbite autour de laterre. Chaque satellite met un signal RF constitu de codes distance et de messages denavigationLes codes diffuss par les satellites, sont utiliss par les rcepteurs pour mesurer le dlai

de transmission des signaux RF et dterminer ainsi la distance entre le satellite etlusager.Les messages de navigation sont utiliss pour calculer la position de chaque satellite et letemps de transmission.Quatre satellites sont ncessaires pour dterminer une position 3D. Trois satellitesdterminent une position si lusager connat prcisment son altitude.


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4.2.1 La constellation.

La FOC (Full Operational Capabilities) constellation est constitue de 24 satellitesoprationnels du block II et IIA , la constellation peut videmment comporter plus de24 satellites. Ils sont placs sur une orbite une altitude de 20.175 km .

Les satellites sont rpartis sur 6 plans dorbite 60 les unes des autres, et uneinclinaison de 55 par rapport lquateur.Ils effectuent 1 rvolution autour de la terre environ toute les 12 h (1/2 jour sidral) lavitesse de 16.265 km Hr.Avec la constellation complte, le segment spatial fournit une couverture globale avec 4 8 satellites observable simultanment au-dessus de 15 dlvation. En fonction durelief (masque dlvation) ,12 satellitespeuvent tre visible partir 5 dlvation parrapport lhorizon.

Figure I.2 : Full Operational Capability

4.2.2 Les satellites.

Les satellites sont pilots par plusieurs horloges trs stables, dont une est au csium( atomique).

La dure de vie dun satellite est de 10 ans (Carburant, batteries...), ils ont une liaisonavec des stations de contrle ainsi quune liaison inter satellite (Cross Data Link).

Les satellites transmettent leurs signaux vers les rcepteurs GPS sur deux frquences,Link 1 : 1575,42 MHz (L1) et Link 2 : 1227,2 MHz, (L2) en utilisant la technique deltalement du spectre.

Les liaisons entre les satellites et les stations de contrle se font dans la bande S.La liaison satellites vers la station de contrle 1783,74 Mhz (Downlink) et de la stationde contle vers satellites 2227,5 Mhz (Uplink).


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Figure I.3 : Reprsentation simplifie

4.4 Les catgories de satellitesIl y avait cinq types de satellites, Block I, Block II, Block IIA, Block IIR et Block IIF.Sur les onze satellites du block I qui ont t lancs partir de 1978, plus aucun nest enservice. Les satellites du Block II qui permettent un accs rserv ( S/A) ont t lanc la

premire fois en 1989 et ont une dure de vie de 10 ans.

Parmi les satellites du Block IIA lanc partir de 1990, certains sont quip derflecteurs afin de permettre un systme de calcul de distance par suivi Laser.Les satellites partir de 1996 sont ceux du BlocK IIR, ils sont placs en orbite par unenavette spatiale . Les satellites du Block IIF sont prvu pour lancement entre 2001 et2010.

4.5 Le segment de contrle

B4a E2a

A B C D E F

160

120

80

40

0 Equator

320

280

240

200

317 17 77 137 197 257

A4a

E3aC3a

A1a

E4a

D1a

C1a

A2a

F3s

B1a

F2a

D4aC4a

D2s

F4a

D3a

E1a

F1aC2a

B3s

B2a

A3a

Orbit Planes

Latitude

S = SpareA= Active


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Le segment de contrle est utilis pour la surveillance de la constellation (charge lesmessages de navigation, modifie les orbites...).

Figure I.4 : Stations de contrle et de surveillance

Ce segment est constitu dune station principale, de 5 stations de surveillance et de 3stations de chargement munie dantennes paraboliques.

Les stations de surveillance sont conues pour observer 12 satellites simultanment.Outre les donnes dorbite, elles contrlent les signaux satellites, leurs paramtresdhorloge et les conditions de propagation.

Les stations de poursuite permettent de dterminer ltat dun satellite (Status flag).

Les stations de chargement sont dotes de puissants calculateurs. Ces stations traitent lesdonnes des stations de surveillance, laborent le contenu des messages de navigation etchargent les messages de navigation dans les satellites. Le chargement se fait dans la

bande S 2227.5 Mhz.

Figure I.5: Station de contrle


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Les cinq stations de surveillance reoivent les mme signaux mis par les satellites queles rcepteurs GPS des utilisateurs. Ces informations sont alors envoyes vers la stationde contrle principale via des rcepteurs de tlcommunication du ministre de la dfenseamricaine. Toutes les donnes de navigation y sont contrles et au besoin, de nouveaux

paramtres ( correction dhorloge, phmrides...) seront tlchargs via les stations dechargement.

Ces paramtres sont trs importants pour la dtermination exacte de la position dusatellite et pour avoir toutes les horloges des satellites la mme heure, ce sont l deuxexigences pour la dtermination de la solution Position Vitesse Temps (PVT) par lesrcepteurs GPS.

Types desat.

Dure

Block II

Block IIABlock IIR

14 jours

180 jours> 180 jours

Tableau I.1: Validit des donnes sans rechargement

A lheure actuelle (2000), dautres stations de surveillance ont t implantes (CIGNETCooperative International GPS Network) dans le but damliorer la prcision du systme

4.6 Le segment utilisateur

Chaque segment utilisateur (navigateur) est constitu dune antenne et dun rcepteurGPS qui poursuivent les satellites, dmodulent les donnes et calculent une solutionPVT : position en 3D vitesse Temps li lUTC (Universal Time Conversion)

Antenna

RF Section

Microprocessor

Control Device Memory

Power supply

Figure I.6: Shma bloc d'un rcepteur GPS


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Ce segment comprend un grand nombre de rcepteurs (ou navigateurs) GPS fabriquspar un tout aussi grand nombre de constructeurs (Magnavox, Collins, Trimble, Garmin,Magellan, Dcathlon...).Si tous les rcepteurs calculent la solution PVT pour dterminer la position delutilisateur, leur prix est fonction de leurs performances, PPS ou SPS, prcision (en m

par % du temps), rapidit de calcul, du Time To First Fix (TTFF), des options (Time OfDay -TOD), NMEA ...

4.7 Vulnrabilit du systme

Pour le segment Spatial : Le LASER Les missilesPour le segment de contrle : attaque des stations de contrles le sabotage le brouillagePour le segment utilisateur : systme de cryptage les cls brouillage les leurres


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CHAPITRE II

SERVICES OFFERTS PAR LE GPS

1.

INTRODUCTION

Deux niveaux de navigation son offert :

Precise Positioning Service - PPS Standard Positioning Service - SPS

2. LE SERVICE SPS.Libre daccs tous les utilisateurs, il permet dobtenir une prcision minimale de 20 m 95% du temps sur le plan horizontal (30 m en 3D 95% du temps). La prcision de lheure

est de 337 n Sec UTC. La prcision peut tre dgrade par les autorits amricaines grce la Selective Availability. Le service SPS utilise le code Clear Acquisition - C/A - sur lelink L1.

Figure II.1: Prcision du service SPS

Note : Les prcision indiques diminuent en fonction du type de rcepteur GPS et du

temps de mesure.

3. SELECTIVE AVAILABILITY (SA)

II est possible pour la station matre de dgrader les signaux des satellites. Les donnescontenues dans les phmrides et la correction dhorloge peuvent tre changes et

l'utilisateur verra la position du satellite entache d'une erreur. Le code C/A peut lui aussitre modifi.

La prcision des signaux dlivrs sera rduite. L'usager ne peut pas discerner les erreursdues la SA.

< 20 m < 30 m


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L'erreur SA est diffuse depuis Mai 1990. Elle fut arrte pendant la guerre du golfe, etremise en NOV 1991.Depuis le mois de mai 2000 la SA est supprime.

4. LE SERVICE PPS.

Rsistant au brouillage et prcis ; 30 m en 3D ( 95% ) et 197 nanosecondes pourl'heure, il est rserv aux forces militaires US, l'OTAN et aux forces militaires ayantl'accord de l'US DOD telles que les Forces australiennes ou bien la DMA (DfenseMapping Agency). L'accs est contrl par une technique de cryptage : l'Anti-Spoofing(AS).

Le but de lAS est d'liminer la possibilit d'imiter les signaux transmis. Pour crer lAS,

les Etats-Unis codent deux fois les signaux mis par les satellites. Cette techniquen'affecte que le code P qui est appel alors code Y (le code C/A reste inchang). L'usager

utilise des cls afin de supprimer les effets du codage AS et retrouver ainsi la prcisionmaximale.Les rcepteurs PPS peuvent utiliser le code P (Y), le code C/A ou bien les deux. LaPrcision maximale est obtenue par le traitement des signaux du code P (Y) sur lesfrquences Ll et L2. La diffrence du temps de propagation des deux frquences estutilise pour le calcul des corrections ionosphriques. Les rcepteurs P (Y) se servent ducode C/A pour accrocher les satellites puis dterminent approximativement la phase ducode P (Y). Certains rcepteurs se passent du code C/A et font l'acquisition directe ducode P grce une horloge trs prcise. Les navigateurs C/A, du fait que le code est misuniquement sur une seule frquence Ll doivent pour effectuer les correctionsionosphriques se servir de modles de corrections contenus dans les messages de

navigation.

Figuere II.2 : Prcision du service PPS

Note : Comme vous pouvez le remarquer, les prcisions SPS sans la S/A et PPS sont

presque identiques sans la S/A. Les prcision renseignes ici sont donnes titre

indicatif .

< 15 m < 20 m


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CHAPITRE III

LES SIGNAUX GPS

1. LES FREQUENCES UTILISEES

Les satellites transmettent, grce 2 frquences Link 1 et Link 2, des messages denavigation. L1 a une frquence de 1575,42 Mhz et L2 de 1227,6 Mhz.Les messages de navigation ont une frquence de 50 Hz et sont cods par deux codes, lecode P et le code C/A.

Figure III.I : Signaux de modulation

Le code P est un code avec une frquence de 10,23 Mhz, le code C/A une frquence1,023 Mhz

Les deux codes P et C/A seront utiliss pour dterminer la distance entre les satellites et lenavigateur GPS. Ces deux codes sont superposs aux messages de navigation contenantdes informations sur les phmrides, la propagation, les signaux d'horloges

Les porteuses sont modules en mode BPSK (Biphase Phase Shift Keying). Grce auxfrquences de modulation ( code P et code CA) on obtient une modulation avec talementde spectre .

L1 carrier 1575,42 MHz

C/A code 1.023 MHz

Nav/System data 50 Hz

P-code 10.23 MHz

L2 carrier 1227,6 MHz

L1 signal

L2 signal

Mixer

Sum.


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Le Link Ll 1575,42 Mhz est modul par le Code P, par les donnes (messages denavigation) et par le code C/A.

Figure III.2 : Spectre de L1

La porteuse L2: 1227,60 Mhz est module par le code P et par les messages de navigation.

Figure III.3 : Spectre de L2

La bande L t prfre la bande UHF car il est plus facile d'obtenir des canaux prochesl'un de l'autre et les dlais de propagation atmosphrique sont moindres.

-166

L1

2,045Mhz C/

P

-160

2,045Mhz

P (dBw)

-166

L2

20,45Mhz


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2. TECHNIQUE DETALEMENT DE SPECTRE

En radiocommunications, la slection dune mission est base sur un filtrage de laporteuse. Dans la technique du spectre tal, la slection sopre par la corrlation dune

squence alatoire appele code, qui module la porteuse en superposition la modulation

utile les messages de navigation Cette modulation supplmentaire (code C/A et P) est beaucoup plus rapide que lamodulation utile ( message de navigation) . Dans le SYSTEME G.P.S alors que lamodulation utile est 50Hz,la modulation supplmentaire est de 1,023 Mhz pour le code

Figure III.4 : Etalement du spectre

C/A et de10,23 Mhz pour le code P. L'adjonction d'une modulation 20 000 fois plus rapidea pour effet d'largir dans les mmes proportions le spectre de l'mission. Pour unobservateur non averti, la porteuse ainsi tale par la modulation pseudo-alatoire prsenteles caractristiques d'un bruit.

La rception se fait par corrlation.Les avantages de l'talement de spectre sont: forte rjection de bruit, contrle de l'accs parle "code" et rsistance (ou faible sensibilit) au brouillage.

Note : Pour illustrer lavantage de cette technique, il suffit de regarder une antenne derception de tlvision par satellite et une antenne de rcepteur GPS pour toute suitecomprendre que la technique dtalement de spectre permet davoir des antennes beaucoup

plus petites donc des navigateurs portables.

3. LES CODES

Les codes transmis ont deux fonctions: identifier les satellites par un code unique affect chaque satellite. Ce code sera

compar celui gnr par le rcepteur. mesurer le dlai de transmission du code ( dphasage entre le code satellite et le

code interne rcepteur).Le code P est un code de trs grande longueur 10,23 MHz mais difficile acqurir.Le code C/A (Clear Accs) est plus facile acqurir. Il est normalement le premier trait etil contient un mot particulier (Hand.Over.Word) dans les messages de navigation

permettant de se situer sur le code P. Sa frquence est de 1,023 Mhz ce qui produit uneprcision grossire pour ce qui est de la mesure du temps.

Bruit thermique

Signal utile


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3.1 Le code P

C'est un code d'une longueur de 267 jours.Le code P est transmis la vitesse de 10,23 Mhz et chaque satellite a une portion de cecode (une semaine) qui est remis zro tous les samedi minuit.

Le code P est transmis sur Ll et L2. Le code P est protg contre le "piratage " par soncryptage appel code Y. Le code Y est rserv aux utilisateurs autoriss.

Figure III.5 : Modulation du code P

Chaque satellite est charg minuit chaque samedi (temps G.P.S).

3.2 Le code coarse acquisition (C/A).

II est form par un code de 1023 bits d'une horloge de 1,023 Mhz. Il faut donc 1 ms

pour transmettre le code. Un code diffrent est affect chaque satellite. Le codeC/A peut tre utilis par tous les rcepteurs GPS. Le code C/A est utilis par lesrcepteurs de type PPS afin de rduire le temps d'acquisition du code P. Le codeC/A est transmit sur la frquence Ll mais il peut galement tre mis sur L2 la

place du code P.

Figure III.6 : Modulation du code C/A

98 ns

980 ns


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4. MESSAGES DE NAVIGATION

Ils sont superposs la fois sur le code P et sur le code C/A la vitesse de 50 Bits/s. Ilssont forms par 25 trames de donnes. Chaque trame comporte 1500 bits et est divise en 5sous-trames de 300 bits. Il faut 30 secondes pour recevoir une trame et 12,5 mn pouracqurir l'ensemble des 25 trames. Les sous-trames 1,2,3 rptent les mmes 900 bits surles 25 trames ce qui permet au rcepteur GPS de faire l'acquisition des donnes les plusimportantes dans les 30 premires secondes.

Les messages de navigation contiennent:

l'heure G.P.S, un Hand Over Word (H.O.W), il permet de se caler sur le code P. l'phmride et les donnes d'horloge du satellite que l'on poursuit. l'almanach de l'ensemble des satellites de la constellation.

Sont galement contenus les donnes telles que:

- l'tat du satellite, les modles de correction ionosphrique pour les rcepteurs C/A, etles coefficients pour le calcul du temps U.T.C.

EPHEMERIDE ALMANACH

Figure III.6 : Trames et soue-trames

Chaque trame est constitue de deux parties (phmride et almanach).Les phmride sont les donnes de navigation d'un satellite.Lalmanach reprsente les donnes de navigation de la constellation (ensemble dessatellites).25 trames sont ncessaires pour obtenir l'almanach complet.

Sous- trames

1 2 3 4 5

Trame 1

Trame 25


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4.1Les sous-trames

4.1.1 La sous-trame 1

La tlmtrie dbute par un prambule afin de se synchroniser,puis suivent les

donnesutiles au segment de contrle.HOWc'est une partie du temps G.P.S pour accrocher le code P.

TLM HOW N de semaine Correctiondhorloge

IODC

Figure III.7 : La sous-trame 1

Le N de la semaine est converti en date et la correction d'horloge est convertieen temps dans le rcepteur.IODC, Issue Of Data Clock : cest lheure de validit de la donne et permet dedceler s'il y a eu changement dans les donnes.

4.1.2 La sous-trame 2 et 3

TLM HOW I.O.D.E EPHEMERIDE

Figure III.8 : Les sous-trames 2 et 3

I.O.D.E : Issue Of Data Ephemeris dtecte les changements dans l'phmride.Ephmride: contient les trajectoire d'orbite des satellites afin de dterminer la

position exacte des satellites.Les Ephmrides sont bases sur les effets qu'ont: la gravit de la terre, de la lune, du soleil, les anomalies de la gravit de la terre les radiations solaires sur la trajectoire des satellites.Les phmrides sont charges dans les satellites 3 fois par jour.


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La sous-trame 4 est multiplexe dans l'ensemble des 25 trames. L'almanach dessatellites 25 32 est contenu dans les trames 2,3,4,5,7,8,9 et 10.

TLM HOW ALMANACH

DATA BLOC N3Health status

Almanachlonospherique model

U.T.Csatellite configuration


L'almanach fournit une description complte de l'orbite de chaque satellite, laconfiguration de la constellation et donne la position du satellite par rapport au

centre de la terre. Il favorise l'acquisition de nouveaux satellites.


De la mme manire que pour la sous-trame 4 elle est multiplexe. Les trames 1 24 contiennent l'almanach des satellites 1 24. La trame 25 contient larfrence temps de l'almanach et la semaine de rfrence.

TLM HOW ALMANACH

DATA BLOC N'4 : Health status Almanach


4.2La modulation


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Les satellites G.P.S utilisent la modulation B.P.S.K Bi-Phase Shift Keying. Cette techniqueinverse la phase de la porteuse lorsque le code SPA passe de 0 l. La squence de zro etde un apparat de faon alatoire.

Comme nous lavons dj expliqu, l'talement de spectre rsulte de la modulation par lecode P et par le code C/A.

Le code C/A et le code P sont de manire prcise et parfaitement connus. L'utilisateur peutde ce fait produire une rplique du code mis par le satellite. La valeur du dcalage entre larplique et le code reu afin que les deux codes se superposent est directement

proportionnelle la distance entre l'antenne du rcepteur et le satellite.Lorsque le signal spectre tal est reu par l'antenne il est compltement noy dans le bruitthermique du rcepteur. Le signal est multipli par le code gnr par le rcepteur. Il setrouve alors concentr nouveau autour de la porteuse dans une bande trs troite bien audessus du bruit et devient exploitable par le rcepteur.

Figure III.12 : Modulation BPSK

Porteuse

Messagesde

navigation

BPSK


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CHAPIRE IV

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

1. INTRODUCTION

Avec ce que nous avons vus prcdemment, nous sommes en mesure daborder le principe

de positionnement.Chacun des 24 satellites met un signal constitu de deux codes pseudo-alatoires ( C/A etP) ainsi que dun code compos par les messages de navigation. Ces codes vont permettre

de calculer instantanment la distance sparant le satellite du rcepteur GPS. Le rcepteurse trouve donc lintersection des diffrentes sphres ayant pour centre chacun des

satellites en vue . Pour arriver un positionnement, plusieurs paramtres vont treutiliss.

2. CALCUL DE LA DISTANCE ENTRE UN SATELLITE ET UN REC. GPS

Pour se positionner par rapport un satellite, le rcepteur GPS va mesurer la diffrence detemps entre le code reu et le code gnr par ce mme rcepteur GPS. Comme les deuxcodes sont gnrs avec la mme (ou presque) rfrence, cette diffrence reprsente letemps que met le signal mis par un satellite pour arriver un rcepteur GPS.Cette diffrence est alors multiplie par la vitesse de propagation de londe (300.000

Km/Sec) pour ainsi donner la distance sparant un satellite et un rcepteur GPS.

Figure IV.1 : Calcul de la distance

tt

Si t = 0,066 Secdonc le sat. est :0.066 x 300.000 = 19800 Km


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Figure IV.2 : Position du GPS

Si l'on traite les signaux d'un seul satellite, on se trouve positionn la surface d'une sphredont le centre est le satellite.En mesurant le temps de 2 satellites l'usager se situe l'intersection de deux sphres. 3satellites permettent de se positionner l intersection des 3 sphres.

3. NOMBRES DE SATELLITES NECESSAIRES3 satellites sont ncessaires pour dterminer une position en 3 dimensions. 4 satellites

permettent de s'affranchir de l'erreur de l'horloge interne du rcepteur GPS (qui estbeaucoup moins prcis que la rfrence temps des satellites) et daugmenter la prcision

surtout au niveau de laltitude.

4. DETERMINATION DE LA POSITIONAfin d'effectuer une navigation le rcepteur doit poursuivre les signaux mis par lessatellites, calculer la pseudo distance , la vitesse et collecter les messages de navigation. Le

terme pseudo distance est employ car la drive de l'horloge interne du rcepteur introduitune erreur surladistance vraie satellite - rcepteur.

Pour se positionner sur un plan par rapport une rfrence, seules deux coordonnes sontncessaires X et Y

X

Y


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Pour se positionner dans une sphre, par apport une rfrence, il faut trois coordonnes

X, Y, et Z

Les satellites sont positionns par rapport au centre de la terre, la position exacte des satellitesest connues. Les positions sont places dans les phmrides et transmisses via les messagesde navigation. Le navigateur devra calculer les paramtres XYZ pour 4 satellites. L'utilisationde quatre satellites permet de traiter le SYSTEME d'quation suivant:

(X1-Ux) + (Y1-Uy) + (Z1-Uz) = (R1-H)(X2-Ux) + (Y2-Uy) + (Z2-Uz) = (R1-H)(X3-Ux) + (Y3-Uy) + (Z3-Uz) = (R3-H)(X4-Ux) + (Y4-Uy) + (Z4-Uz) = (R4-H)

avec:- RI = c x t est la pseudo-distance, c vitesse de la lumire.- H est l'erreur de l'horloge du rcepteur "inconnue".- Ux,y,z sont les coordonnes de l'utilisateur "inconnues".- XYZ 1,2,3 sont les coordonnes satellites "connues" elles sont contenues dans les messagesde navigation.

Figure IV.3 : Dtermination de la position

X

Y

Z

Sat4(X4,Y4,Z4)Sat1

X1,Y1,Z1Sat2

X2,Y2,Z2Sat3

X3,Y3,Z3


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Ds que le rcepteur a reu les signaux de 4 satellites il est prt pour une "navigation". Lercepteur calcule ses pseudo distances et sa vitesse relative une fois par seconde. Ensuite ildtermine sa position, sa vitesse et son heure G. P. S en rsolvant simultanment les quatrequations quatre inconnues. Les informations de dlai mesures l'aide du CODE C/A etdes messages de navigation sont converties en distance entre le rcepteur et le satellite. La

position est obtenue par triangulation entre le centre de la terre et le mobile.

5. LA PSEUDO-DISTANCE

(ci-dessous distance SPA) est la distance que va traiter le rcepteur, c'est la distance vraiesatellite rcepteur plus l'erreur due l'horloge interne de ce mme rcepteur.

Figure IV.4 : La pseudo-distance

t


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6. CALCUL DELA VITESSE

La dterminationde la vitesse instantane dun vhicule est ralise par le calcul de leffetDoppler. La phase du signal mit et du signal reut est diffrente. Cette diffrence de

phase va donner le vitesse instantane du vhicule.

7. ACQUISITION DUN SATELLITEEn premier lieu, il faut dterminer lequel des satellites est visible. Ceci est bas sur la

prcision des paramtres: position prsente, la vitesse et le temps qui ont t chargs lorsde l'initialisation et de l'almanach rsidant en mmoire dans le rcepteur.

Si aucun almanach n'est disponible, ou si bien la position prsente et lheure sont peu

prcises, le rcepteur doit tenter d'accrocher un satellite au hasard. L'acquisition del'almanach peut se faire de trois faons:

par celui stock en NVRAM. par celui d'un autre rcepteur. par celui transmit par les satellites.

Ds qu'un satellite est poursuivi on peut faire l'acquisition de l'almanach "donnesconcernant les coordonnes des autres satellites de la constellation" en dcodant lesmessages de navigation. Une boucle de poursuite de la porteuse et une boucle de poursuitedu code sont interactives et verrouillent en permanence les signaux satellites.


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CHAPITRE V

LES ANTENNES

1. INTRODUCTION.

Les porteuses Ll et L2 sont mises sous forme d'ondes polarisation circulaire droite.Elles sont largement captes par une antenne hlicodale. Ces antennes doivent avoirundiagramme hmisphrique afin de pouvoir recevoir les satellites faible lvation aussi

bien que ceux situs au znith. Elles sont gnralement associes un pramplificateur quidoit:

Fonctionner en haute frquences. Avoir un faible bruit. Avoir une large bande (spectre tal).

Rsister aux surcharges, la bande L tant trs utilise.

2. ANTENNE AUTOCAPTIVE.

Certains rcepteurs militaires sont quips d'antennes complexes combinant les signauxfournis par plusieurs capteurs de manire crer des rjections dans certaines directions.Cette sgrgation directionnelle permet aux antennes auto-adaptatives d'liminer ouattnuer les missions de brouillage.

3. ANTENNE PARABOLIQUE.

Dans les cas de brouillages trs intenses on peut utiliser des antennes paraboliques.Le diagramme de telles antennes est trs troit, procure une excellente rjection desmissions indsirables. Du fait qu'il soit ncessaire de mettre en uvre simultanment 4 ou

5 antennes montes sur un mcanisme de poursuite, cette solution encombrante et coteusene peut tre envisage que sur de grosses units navales.

4. INSTALLATION DUNE ANTENNE.Pour linstallation dune antenne GPS, ou lextension de lantenne dun rcepteur GPS de

type handheld, on utilise un cble coaxial.Le cble coaxial est dfini par plusieurs paramtres, dont les plus utiliss sontlimpdance, la capacitance, lattnuation et pour certaines applications la longueur

lectrique du cble.Dans les installations de systmes lectroniques comme les GPS, le temps de propagation une trs grande influence pour le calcul de la position. La vitesse de propagation delonde dans un cble est diffrente que dans lair, cette diffrence de vitesse est calcule

par les constructeurs qui imposent ds lors une longueur maximale de cble entre lercepteur et lantenne.

Si pour une raison ou lautre, on doit allonger un cble dantenne, il ne faut en aucun cas

dpasser la longueur lectrique impose par le constructeur, il faudra chercher un cble


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qui pour une plus grande longueur mcanique aura la longueur lectrique prescrite par leconstructeur.

4.1La longueur lectriqueLa longueur lectrique est diffrente de longueur relle ou mcanique dun cble. Le

facteur dterminant est la composition du dilectrique qui va ralentir la vitesse depropagation de londe dans un cble par rapport la propagation de londe dans lair

qui est ici gale la vitesse de la lumire ( 300.000 Km sec).

Pour obtenir un rsultat correct, nous devons calculer le temps de propagation dans lesdeux parties de transit de londe ou alors allonger le cble mathmatiquement pour

travailler avec la mme vitesse aussi bien dans lair que dans un cble.Quelque soit la solution choisie, nous devons calculer le facteur de vlocit :

Vp = 1 x 100 = en % par rapport la vitesse de la lumire

est une la constante du dilectrique dfinie par le constructeur.Si notre facteur de vlocit est de 0,66 , la vitesse de propagation dans ce cble est de66% par apport la vitesse de la lumire cest dire 240.000 Km/sec pour trouver

notre rapport longueur lectrique : 300.000/240.000 = 1.25La longueur lectrique est gale la longueur mcanique x le rapport longueurlectrique.

Exemple :

longueur mcanique x le rapport longueur lectrique2m x 1,25= 2 ,5 mLa distance tenir en compte est de 2,5 mPour avoir un cble avec une propagation idale, la constante doit se rapprocher de1

Exemple de constante dilectrique :

ETFE= 2,6PTFE= 2,1

CELLOFLON=1,1 2,1


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CHAPITRE VI

DIFFERENTS TYPES DE RECEPTEURS

1. INTRODUCTIONActuellement, les rcepteurs GPS peuvent tre classs en quatre catgorie :

Rcepteurs C/A - code pseudorange (pseudo distance)

Rcepteurs C/A- code carrier

Rcepteur P-code

Rcepteur Y-code

2. RECEPTEURS C/ACODE PSEUDORANGEAvec ce type de rcepteur, cest uniquement le code C/A qui est utilis pour calculer la

pseudo distance. Ces rcepteurs sont habituellement portables (hand-held) et ont de un six canaux de rception. La position en 3D est fournie soit en coordonnes gographiques(Lat Long) avec laltitude ou en coordonnes planes (UTM).Les rcepteurs avec quatre canaux ou plus sont prfrs pour des applications o lesrcepteurs sont en mouvement.Les rcepteurs un canal sont adquats sur des positions fixe o les mesures peuvent trefaites squentiellement.Les rcepteurs multi canaux de base sont principalement utiliss par les marcheurs, lescyclistes, les marins et ventuellement ils peuvent tre utiliss dans les voitures.

3. RECEPTEURS C/ACODE CARRIERAvec ce genre de rcepteur, Le code et la phase sont uniquement obtenu sur L1 (L2 nest

pas modul par le code C/A). La majorit des rcepteurs de cette catgorie ont 12 canaux.Ils ont les mmes fonctions que les rcepteurs C/A - code pseudorange avec en plus unemesure de phase sur L2 (utilisation dune technique spciale). Ce type de rcepteurs est

utilis pour des mesures prcises de gomtres (moins dun mtre dans certain cas).

4. RECEPTEURS CODE-PIls sont capables de faire une acquisition sur L1 et L2. Mais avec lAnti-Spoofing (AS)ces rcepteurs civils ne peuvent pas faire lacquisition du code P sur L2.Par des techniques spciales ils peuvent quand mme utiliser la phase de L2 et avoir unetrs grande prcision.

5. RECEPTEURS CODE-YCesrcepteurs ont un accs au code P crypt (appel code Y) . La distance et le calcul de

phase sont fait sur les deux links L1 et L2.Laccs au code P estralis par linstallation dun Auxiliary Output Chip (AOC) qui va

permettre de dcoder le code P


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Figure IV.1 : Rcepteur avec ou sans cls

6. G.P.S DIFFERENTIEL

Le concept du G.P.S diffrentiel est de disposer d'un rcepteur de rfrence bas au sol

dont la position est connue. Ce rcepteur doit poursuivre tous les satellites puiscalculer leurs pseudo-distances et en dduire les corrections apporter. Cescorrections sont dtermines par comparaison des mesures faites par le rcepteur aveccelles bases sur la relle position de ce mme rcepteur. Les lments de correctionssont ensuite transmis par ondes radio. Les corrections sont incorpores par le rcepteurdans les solutions de navigation et de ce fait amliorent considrablement la prcision.

L1L1 et L2

Civil C/Aonly

SPS

MilitaryEncrypted

PPS

MilataryForgot to loadcrypto keys

SPS


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6.1 Diffrents procds

La mthode la plus simple consiste transmettre les pseudo-ranges corrections detous les satellites en vue. L'utilisateur utilise ces donnes pour affiner ses mesuresde pseudo distances.

Une autre possibilit est de transmettre les corrections de position, latitude,longitude et altitude. Mais il faut que l'utilisateur utilise la mme combinaison desatellites. La station sol doit donc connatre quels sont les satellites utiliss parl'utilisateur.

L'utilisateur peut galement ne pas calculer de solution de navigation etsimplement transmettre les signaux G.P.S la station sol qui va calculer leslments pour un utilisateur particulier.

Figure IV.2 : Rcepteur diffrentiel

Liaison enVHF

Rcpteur GPSde

rference


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6.2 Transmissions de donnes

Liaison montante, les corrections sont transmisses depuis une station de rfrencevers les utilisateurs.Liaison descendante, dans ce cas la solution de navigation pour l'utilisateur est

calcule au sol.Une autre possibilit utilise est appele "pseudolites". L un signal G.P.S et ungnrateur de codes mettent les corrections sur la bande L. C'est un procd pluscomplexe et la station doit mettre sur Ll et L2.

7. SYSTEME EMBARQUE DANS UN VEHICULEPour raliser un systme de navigation automobile de grande prcision et ayant une

position utilisable en temps rel sur une carte routire, il faut en plus du rcepteur GPS :- une cartographie lectronique- des informations routires en temps rel- un capteur de champs magntique (flux valve)- des capteurs de roues- un calculateur

7.1Calculateur et cartographie lectroniqueLe calculateur de bord (avec lecteur de CD-ROM) analyse les paramtres transmis parle rcepteur GPS, les capteurs et par la sonde de champs magntique pour positionnerle vhicule sur un carte lectronique affiche sur un cran LCD.Des informations complmentaires peuvent tre fournies en fonctions des options :- informations vocales de directions- changement ditinraire en fonction du trafic.

7.2 Sonde de champs magntique (flux valve)Elle permet de se situer le vhicule en fonction du champ magntique terrestre. Cetteinformation est ncessaire pour comparer la position du vhicule par rapport unecarte routire.

7.3Capteurs de rouesSur les roue avant, sont installs deux capteurs permettant de connatre la distance

parcourue avec exactitude.

8. LE SYSTEME GLONASS (Global Navigation Satellite System)


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Ce systme, est un systme de navigation par satellites dvelopp par les russes. Laconstellation est complte depuis 1996 et comporte 24 satellites. Dans ce systme, lafrquence porteuse des messages est spcifique chaque satellite. Deux sont fournis C/A

et P le code P nest pas accessible au public et le systme de rfrence est le SGS-85Soviet Geodetic System. Des rcepteurs sur le march intgrent les deux systmes depositionnement (GPS et GLONASS).


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CHAPITRE VII

PERFORMANCES DES RECEPTEURS

1. INTRODUCTION

La comparaison des rcepteurs doit tenir compte des paramtres suivants:Prcision dans la mesure de la POSITION.Prcision dans la mesure de la VITESSE.Prcision dans la mesure du TEMPS.Dure que met le rcepteur pour dterminer sa position sans aide linitialisation (TimeToFirst Fix).

2. EXPRESSION DE LA PRECISION

La prcision du SYSTEME GPS est donne en terme de statistiques c d un taux deprobabilit et le nombre de dimensions impliques (2D ou bien 3D). La prcisionminimum dlivre par le SYSTEME est de 16 m Spherical Error Probable (SEP = 3D)

pour le service P.P.S et de 100 m avec la S/A pour le service S.P.S 95 % sur le planhorizontal (CEP Circular Error Probable = 2 D).Une donne de prcision exprime sans pourcentage, et doffice 50% du temps.

La prcision dpend principalement de trois facteurs indpendants, soit:

de la prcision avec laquelle on connat la position des satellites. Il s'agit du

U.E.R.E (User Equivalent Range Error), une donne calcule partir des messagesde navigation de chaque satellites.

des angles d'observation. C'est le facteur gomtrique dont dcoule la notion deG.D.O.P (Gomtrie Dilution Of Prcision) ou diminution de la prcision d'originegomtrique.

des erreurs de mesures.

3. G.D.O.P (Global Dilution Of Precision)

C'est la mesure de l'erreur due la gomtrie que font les satellites entre eux vue du cotrcepteur.Le G.D.O.P varie car les satellites sont en mouvement permanent et leur gomtrie enconstante variation.Si deux lignes sont ncessaires pour dterminer une position, l'erreur sera minime lorsqueces deux lignes seront perpendiculaires.C'est un nombre sans dimension qui dpend uniquement des situations relatives dessatellites et de l'utilisateur et il permet d'valuer pour un instant donn l'erreur imputable la gomtrie du SYSTEME.


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Le GDOP dpend des facteurs suivant :

P.D.O.P (Position Dilution Of Prcision) H.D.O.P (Horizontal DOP), V.D.O.P (Vertical DOP),

T.D.O.P (Time DOP).

Il faut que le G.D.O.P soit le plus faible possible. Des valeurs de 2 3 sont excellentes. Onadmet que le G.D.O.P est bon lorsque sa valeur n'excde pas 6 et qu'il n'est pas acceptableau del de 10.Pour des mesure prcises, il faut donner le GDOP au moment de la prise de celle-ci .H.D.O.P est prendre en compte pour les aronefs car l'altitude est dtermine avec

prcision par l'altimtre.P.D.O.P est considrer pour les systmes d'armes.T.D.O.P est bien videment pour les applications ncessitant unerfrence temps prcise(comparaisons d'horloges).

Figure VII.1 : GDOP

Figure VII.2 : GDOP

Les constructeurs expriment aussi les performances de leurs navigateurs avec les notions2D RMS et 3D RMS.


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2D RMS = Pseudo Range Error (Total de toutes les erreurs) x PDOP3D RMS = Pseudo Range Error (Total de toutes les erreurs) x HDOP

4. FIGURE OF MERIT (FOM)

Le FOM est une autre reprsentation de lestimation derreur de position:

FOM = 1 prcision de < 25mFOM = 2 prcision de < 50mFOM = 3 prcision de < 75mFOM = 4 prcision de < 100mFOM = 5 prcision de


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CHAPITRE VIII

LE TEMPS

1. TEMPS U.T.C (Universal Time Cordinated)

La seconde du temps "atomique" est dfinie comme tant 9192631770 cycles de larsonance du CESIUM. Cependant aucune horloge mme atomique n'est parfaitementstable. Le temps U.T.C (Universal Coordination Time) est maintenu par plusieurs horlogesatomiques situes sur le globe et notamment par US.N.O (U.S Naval Observatory deWASHINGTON) qui maintient le temps G.P.S. Le temps U.T.C est occasionnellementajust cause de la rotation irrgulire de la terre. Le Service International de Rotation dela Terre situ PARIS dtermine quand l'ajustement doit se produire. Le temps UTCreprsente une moyenne du temps de 58 laboratoires diffrents, gnralement ils sesynchronisent sur le temps U.T.C. Chaque pays maintient son propre temps U.T.C.

A PARIS, le Bureau International des Poids et Mesures fourni un Temps AtomiqueInternational qui est la moyenne des 58 laboratoires.

2. TEMPS G.P.S

II est tabli par le segment de contrle et rfrenc U.T.C Coordinate Universal Time, il estmaintenu par U.S Naval Observatory (US.N.O). Le dbut du temps G.P.S est minuit dansla nuit du 5 au 6 janvier 1980.Une semaine G.P.S est 604800 secondes, le temps G.P.S est diffrent du temps U.T.C carLe temps U.T.C est continuellement corrig. Le temps G.P.S est maintenu par la stationmatre par utilisation de plusieurs horloges atomiques.La relation entre le temps G.P.S et le temps U.T.C est:

Temps G.P.S = U.T.C - n secondes "recalage".

Pour information en 1990 la diffrence entre temps G.P.S et U.T.C tait de 6 secondes. Lesmessages de navigation contiennent la relation G.P.S temps U.T.C temps. Les satellites ontdes horloges atomiques trs stables. L'US.N.O compare ce temps avec son temps U.T.C ettransmet le degr de la prcision du temps G.P.S la station matre. Cette dernire modifiel'offset des satellites, information prsente dans les messages de navigation. Pour aider le

rcepteur dans l'acquisition du code P une partie du T.O.W (Time Of Week) c'est dire 17MSB sur les 19 bits que forment le T.O.W est diffuse dans le H.O.W des messages denavigation.Les satellites dlivrent dans la transmission des messages de navigation l'heure G.P.S et ladate, ils seront transforms en GREENWICH TIME.


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CHAPITRE IX

LES SOURCES D'ERREURS

1. ERREUR DHORLOGE SATELLITE

Les erreurs de dlai de transmission sont prvisibles sauf dans le cas du code S.A. Lesatellite a deux horloges une au Csium et l'autre au Ridium lithium. Le temps G.P.S adonc une trs faible drive qui est dtermine par les stations de contrle puis retransmisedans les phmrides (donnes correction d'horloge).

2. ERREUR DEPHEMERIDESErreur de l'phmride: C'est la diffrence entre la position du satellite et sa position

prvue dans l'phmride. Erreur de moins de 3 m.

3. DELAI SATELLITE

Dlai de transmission du satellite: Caus par les circuits lectroniques du satellite mesurau sol avant de placer le satellite en orbite et inclus dans les donnes de correction horloge.

4. ERREUR IONOSPHERIQUE

Le signal G.P.S lorsqu'il traverse la ionosphre est perturb (sa vitesse est rduite et latrajectoire dpend de l'angle d'attaque). L'erreur peut varier de 20 30 m le jour et de 3 6m la nuit. Cela pose donc un problme pour les rcepteurs C/A. Les rcepteur bi-frquences tiennent compte de ces dlais et ramnent l'erreur 2 m.Les phmridescontiennent les informations ncessaires afin de faire les corrections.

5. ERREUR TROPOSPHERIQUEDlai du la troposphre: du la densit de l'atmosphre prs de la terre et de laMtorologie. Il dpend de l'altitude de l'avion et de la saison. L'erreur peut tre de 3 m.les rcepteurs sont dots d'algorythmes pour minimiser ce dlai.

6. ERREUR DE MULTI-TRAJETSLonde peut tre rflchie par diffrents obstacles avant darriver au rcepteur GPS etaugmenter le dlai donc introduire une erreur de position.


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Figure IX.1 : Erreur de multi-trajets7. ERREUR DE CODE S/A

Lors de son application, lerreur due a la Selective Availability est inconnue et la prcision du

rcepteur varie de faon alatoire entre 30 et 100 m

Figure IX.2 : Erreur de position due la S/A

Types derreurs Erreur en mtre

Coordonnes

50 m

Erreur de position SA.

Les mesures ont t effectuespar un rcepteurs fixe.

On peut voir les variations descoordonns.


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Horloge des satellites 1

Ephmrides sans la SA 1

Rcepteur 2Propagation ionosphrique 16

Total 20

Tableau IX.1 : Rcapitulatif des erreurs


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CHAPITRE X

LES COORDONNEES

1. INTRODUCTION

Pour se localiser sur la terre, il est ncessaire d'utiliser un systme godsique duqueldcoulent les coordonnes gographiques figurant sur les cartes. Celles-ci peuvent treexprimes soit sous la forme de longitude et latitude (coordonnes dites gographiques),soit en reprsentation cartographique plane (coordonnes dites en projection).

2. LES COORDONNEES GEOGRAPHIQUES

II est possible de se positionner directement par 'intermdiaire des coordonnesgographiques exprimes par leslongitudesetlatitudes.On remarque que la longitudeest, dans le plan de l'quateur, l'angle pris entre le mridien de rfrence (en gnralGreenwich) et le mridien du lieu considr. La longitude se compte de 0 180 de part etd'autre du mridien origine vers l'est ou l'ouest. La latitude est l'angle entre le plan de

l'quateur et la verticale abaisse depuis le lieu considr. La latitude se compte de 0 90de part et d'autre de l'quateur vers le nord ou le sud.Les coordonnes gographique peuvent tre prsentes sous diffrents formats : soit endegrs dcimaux, soit en degrs et minutes dcimales ou encore en degrs, minutes etsecondes dcimales.

Le corps de garde du quartier Rucquoy Tournai exprim en Degr Minute Seconde :

50 36 04 N 003 2414 E

Le corps de garde du quartier Rucquoy Tournai exprim en Degr Minutes dcimales

50 36 07 N 00324 23 E

Conversion DMS vers DMd = Sec / 0,6 = d exemple 04/ 0,6 = 07


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3. SYSTEME UTM

Le systme de coordonnes U.T.M. permet de reprsenter les coordonnes gographiquesd'un point du globe terrestre au moyen d'un quadrillage bas sur la projection dite deMercator (mathmaticien et gographe flamand Gerhard Kremer 1512-1594 dit Gerard

Mercator).Il est principalement utilis par les Forces Armes, mais il devient de plus en plus

populaire en raison de sa simplicit d'utilisation et des possibilits qu'il offre, notammenten matire de calculs assists par ordinateur. Il est disponible sur la plupart des rcepteursG.P.S.

Tableau X.1 : Le systme UTMLe systme U.T.M. est fond sur une division de la surface terrestre en carrs bass sur lesmridiens et les parallles.Chaque carr est lui-mme divis en carrs secondaires, eux-mmes diviss en carrs plus

petits, et ainsi de suite. Il n'y a pas de limite thorique la profondeur des divisions, celle-ci dpendant uniquement de la prcision de l'outil utilis (cartes, rcepteur G.P.S., etc.).

3.1 Les fuseauxLe monde est divis en fuseaux ayant une amplitude de 6 en longitude, numrotsd'ouest en est de 1 60 (360 = 60 x 6) en partant du mridien 180.

Ainsi, la Belgique est traverse par deux fuseaux :Le fuseau n 31 (longitude allant de 0 6 Est)Le fuseau n 32 pour les cantons de lEst (longitude allant de 6 Est 12 Est)


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Figure X.2 : Fuseaux 30,31 et 32

3.2 Les bandes

Horizontalement, le monde est divis en bandes d'une amplitude de 8 enlatitude, identifies par une lettre allant de C X ( l'exception des lettres I etO qui pourraient tre confondues avec les chiffres 1 et 0).

Pour des raisons videntes de distorsions trop importante due la projection, lesystme couvre de 84 N 80 S.

Figure X.3 Les bandes

3.3 La carrs de 100 km


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Chaque rectangle de 6 sur 8 est dcoup en carrs de 100 km de ct. Chaque carrde 100 km de ct est identifi par deux lettres.Les lettres se suivent dans l'ordre alphabtique ( l'exception des lettres I et O) del'ouest vers l'est et du sud au nord.

3.2 Les carrs de 10 kmLes carrs de 100 km de ct se divisent en cent carrs de 10 km de ct. Pour lesidentifier, on utilise deux chiffres allant de 0 9 chacun, indiquant respectivement la

position du carr en abscisse (horizontalement) et en ordonne (verticalement).

3.3 Les carrs de 1 kmComme ci-dessus, les carrs de 10 km de ct sont diviss en carrs de 1 km qui sontidentifis de la mme manire par un couple de deuximes chiffres collrespectivement aux chiffres reprsentant les carrs de 10 km.

Ainsi, par exemple, 07 15 reprsente le carr 7 5 de 1 km de ct situ l'intrieur ducarr 0 1 de 10 km de ct.

3.4 Exemple de coordonnes UTMPour bien comprendre la manire de reprsenter un point en coordonnes U.T.M. nousnous basons sur un exemple.Soit le point (corpd de garde du quartier Rucquoy Tournai) dsign par : 31 U ES27877 05223

Ce point est situ dans le fuseau 31, bande U Il se trouve l'intrieur du carr de 100 km ES

Il est dans le carr de 10 km 2 0

Dans le carr de 1 km 7 5

Dans le carr de 100 m 8 2



On comprend facilement que le nombre de chiffres de chaque groupe reprsentant lepoint donne la prcision. Le relev ci-dessus est ainsi donn l'intrieur d'un carr de1 m de ct.Si l'on avait dsign le point auquel on s'intresse par : 31 FR 27 05, celui-ci seraitalors connu l'intrieur d'un carr de 1 km.En fonction de l'application, on choisira la prcision des coordonnes en choisissant lenombre de chiffres de chaque groupe.

3.5 Le systme UTM et les GPSLa plupart des rcepteurs G.P.S. offrent la possibilit de choisir le systme decoordonnes utilis. Le systme U.T.M. est gnralement disponible. Cependant,


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l'affichage des coordonnes diffre d'un fabricant un autre.Le couple de lettres reprsentant les carrs de 100 km est remplac par deux chiffres.Ces chiffres sont indiqus sur les amorces des cartes.. Voici un exemple de

FR : 07 55ES: 05 56

A B C D E G F H I J K L M N

Est 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Nord 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

O P Q R S T U V W X Y Z

Est 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Nord 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

Reprenons notre exemple comme ci-dessus :31 U FR 2787 0522 sera affich sur un rcepteur G.P.S. Garmin II+ comme suit :

POSITION31u 072787

UTM 550522


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4 LAMBERT 72Le systme de projection utilis pour la reprsentation des cartes dites par l'IGN est la

projection conique conforme (cd qui conserve les angles) de Lambert utilise avec un datumspcifique la Belgique : leBelgian datum 1972 (BD72).

Le BD72 utilise aussi l'ellipsode international, mais son point fondamental est situ l'Observatoire Royal de Belgique Uccle. Cette projection donne lieu aux coordonnesrectangulaire connues sous le nom de Lambert 72 et est reprsente par les lettres x et y.L'origine de ce systme d'axe est choisie arbitrairement quelque part dans le Nord de laFrance, 150 km l'ouest du mridien fondamental et 5400 km au sud du sommet ducne de projection ceci afin d'viter les coordonnes ngatives sur le territoire belge. Dans lesystme conforme "Lambert 72", les angles sont donc conservs et la correction maximale surles distances est d'environ 9 cm par km, ce qui est totalement indcelable l'chelle de lacarte.

Figure X.4 : Projection Lambert

Figure X.5 : Projection Lambert I

4.2 Exemple de coordonnes LAMBERT


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Le corps de garde du quartier Rucquoy Tournai est situ en coordonnes :

X 80.750 Y 143.600

Le point se trouve lEST du point de rfrence de 80Km 750 m (X) et 143 Km 600m(Y) au Nord du point de rfrence.

5. LES COORDONNEES SUR LES CARTE DETAT-MAJOR

Figure X.6 : Les coordonnes sur une carte dtat-major

UTM

Lambert

Lat Long


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CHAPITRE XI

LES SYSTEMES DE REFERENCE

1. LE GEOIDELa premire approximation de la forme relle de la terre est le gode. Il s'agit d'unesurface dite quipotentielle du champ de la pesanteur (c'est dire une surface sur laquellel'eau est en quilibre). Celle-ci est affecte de creux et de bosses : elle est donc totalementirrgulire. On peut l'imaginer comme tant le niveau moyen des ocans et son

prolongement imaginaire sous les continents. Cette surface, dont la dfinitionmathmatique est relativement complexe, est d'un usage peu ais, et son utilisation estrserve des applications scientifiques. Pour les besoins de la cartographie et du

positionnement, une forme beaucoup plus simple lui sera prfre : l'ellipsode dervolution.

Figure XI.1 : Forme relle de la terre

2. LES ELLISPOIDES DE REVOLUTION.

II s'agit, en gros, d'une sphre lgrement aplatie aux ples. Dans le pass, la dterminationdes formes et dimensions des diffrents ellipsodes s'est faite en fonction de l'volution destechniques, mais aussi d'impratifs locaux. La dtermination des seuls paramtres del'ellipsode n'est pas suffisante : il faut encore, au point fondamental, l'orienter (parorientation astronomique) et le positionner correctement en fonction du champ de la

pesanteur. L'ensemble de ces paramtres forme ce qu'on appelle en godsie ledatumgodsique. Les ellipsodes sont choisis afin de minimaliser l'cart avec le gode. Or l'unede leur particularit est de ne minimaliser cet cart que localement. On comprend donc queles datum godsiques soient diffrents pour chaque pays. Par consquent, les centres detous ces ellipsodes sont chaque fois diffrents, et ne concident pas avec le centre demasse de la terre. Dans le cas de GPS, les satellites sont dynamiquement lis au centre demasse de la terre ; c'est donc en toute logique que le systme de rfrence utilis, auquel estli l'ellipsode WGS84 (World Geodetic System),soit gocentrique. Il existe plus de 200

datums diffrents

2.1Le DATUM godsique WGS-84


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Comme expliqu au paragraphe prcdent, le datum godsique WGS 84 est le datumassoci au systme GPS

Figure XI.2 : Le World Geodetic System ( WGS-84)

2.2Le DATUM godsique ED 50Le datum godsique utilis pour les coordonnes gographiques indiques sur

l'ensemble des autres cartes dites par l'IGN estEuropean Datum1950 ouED50(mentionn sur ces cartes RESEAU GODSIQUE EUROPEEN UNIFIE 1951 ).Il s'agit d'un datum godsique commun toute l'Europe de l'Ouest cr la demandedes amricains suite aux problmes rencontrs avec les cartes europennes durant ladeuxime guerre mondiale. Les particularits de ce datum sont le choix de l'ellipsodeinternational (aussi appel ellipsode de Hayford 1924) et le choix du pointfondamental Potsdam en Allemagne. Il s'agit d'un datum utilis pour la plupart descoordonnes gographiques reprsentes sur les cartes officielles des pays d'Europe del'Ouest.

3. IMPORTANCE DU DATUM GEODESIQUE LORS DE LINITIALISATIONLes coordonnes gographiques sont intimement lies un ellipsode et par consquent un datum godsique. Il est donc primordial de dfinir correctement ce datum godsiqueafin d'utiliser correctement les coordonnes gographiques. En effet, les mmes longitudeset latitudes exprimes dans des datums diffrents correspondent des points diffrents qui

peuvent tre loigns de plusieurs centaines de mtres et donc dpasser de loin la prcisionattendue de GPS. C'est pour cette raison que les fabricants de navigateurs proposent une

certaine quantit de datum diffrents, ceci dans le but de permettre un usage ais de cesappareils dans les diffrentes rgions du monde.


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Figure XI.3 : Diffrences entre des ellipsodes

Dans cette figure, on voit quune ellipsode (ED 50), a t cre pour lEurope et on voit ladiffrence avec lellipsode utilis pour lAmrique du Nord (cartexagr pour lexemple)

4. CONVERSION WGS 84 vers ED 50EED= EWGS + 94 m

N ED= NWGS+ 209 m

LONG ED= LONG WGS+ 46

LAT ED= LATWGS+ 30

WGS 84WORLD GEODETIC SYSTEM 1984 ( )

Projection LAMBERT belgeOrigine du nivellement Zro D Oostende

Belgishe LAMBERTprojectie - Oorsprong van de waterpassing : Zero D te Oostende

Tableau XI.1 : Exemple de lgende dune carte IGN

Diffrence entredeux ellipsode WGS 84 Terre


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Figure XI.4 : Transformation WGS-84 vers ED-50

5. Les GPS et laltitude

Comme indiqu plus haut, le navigateur GPS dtermine ses coordonnes tridimensionnellespar rapport au systme de rfrence WGS 84. L'altitude ainsi obtenue est la hauteur au-dessusde l'ellipsode associ ce systme de rfrence (hde la fig XI.4 ) Par contre, l'altitudementionne sur les cartes est une altitude orthomtrique (H dela fig XI.4), c'est dire lahauteur au-dessus du gode qui correspond en Belgique la rfrence altimtrique zro, savoir le niveau moyen des basses mers Ostende. L'ellipsode WGS 84 est situ en dessousdu gode une hauteur variant de =42 m la cte "45 m dans le sud-est du pays. Cettediffrence, appele dnivele godale (Nde la fig XI.4), s'ajoute donc l'erreur sur l'altitudeGPS. Des carts d'environ 100 mtres par rapport l'altitude de la carte sont tout fait

possible. Si l'utilisateur attache une importance l'altitude, l'usage d'un altimtre

conjointement un GPS du type Rcepteur C/A s'avre indispensable.

Note : si possible, utilisez laltitude MSL (Mean Sea Level) si loption vous est possible.

SolutionPVT

AvecWGS 84

Transformation

WGS 84Vers

ED 50

Carte ED 50

Navigateur GPS


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Figure XI.5 : Diffrences daltitudes


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CHAPITE XII

PRINCIPE DINITIALISATION DUN NAVIGATEUR GPS

1. DEMARAGE DU NAVIGATEUR (pour First Fix)

L'introduction des coordonnes locales approches facilite le dmarrage du navigateur etpermet un gain de temps apprciable dans la recherche des satellites disponibles. En gnral,cette possibilit est prsente sur tous les navigateurs sous diffrentes formes (localisation surcarte, slection du pays dans un menu,...), il faut donc se rfrer au manuel d'utilisation.Lintroduction de coordonnes est souhaitable si on a dplac le rcepteur GPS de plus de

400 Km sans lallumer.

2. REGLAGE DE LHEURE LOCALE

L'heure laquelle GPS se rfre est propre au systme : le temps GPS. Les carts entre cetemps de rfrence et UT (Universal Time) sont connus et fournis en permanence par lesmessages de navigation. Par dfaut, c'est UT qui est prsent sur les navigateurs. Pour desraisons pratiques videntes, l'affichage de l'heure locale s'impose. En Belgique les corrections apporter sont "+1 heure" ( Zoulou time ) en hiver, et "+2 heures" ( Bravo time ) lorsdu passage l'heure d't.

3. PRESENTATION DES COORDONNEES

Par dfaut, les coordonnes prsentes sont les longitudes et latitudes exprimes dans lesystme de rfrence de GPS soit en WGS84. Les fabricants ont cependant prvu dansl'installation de base de leurs rcepteurs GPS diffrent Datum godsique ainsi que plusieurs

systmes de coordonnes L'initialisation du navigateur GPS passe donc obligatoirement parles deux tapes dcrites plus en dtail ci-aprs, savoir le choix cohrent du datumgodsique et du carroyage.

4. LE CHOIX DU DATUM GEODESIQUE

En fonction du pays, et par consquent des cartes sur lesquelles on dsire travailler, il fautcommencer par choisir le datum godsique correspondant aux coordonnes de cette carte.Cette indication figure, en principe, sur la carte utilise. Le choix de ce datum est possibledans le menu d'initialisation du GPS. Cette option est souvent dnomme "Map Datum". Lesfabricants offrent un large choix de base : le nombre de datums fournis varie de 70 plus de

100 en fonction des diffrents appareils et de leur marque.WGS 84 : sur les cartes numriques l'chelle du 1/50.000 dites aprs 1994ED 50 : sur toutes les autres cartes (ED 50 est parfois dnomm European 1950 ou EuropeanDatum 1950).


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CHAPITRE XIII

LA NAVIGATION

1. INTRODUCTIONLe navigateur ou rcepteur GPS ne fournit pas seulement des paramtres de navigation, il

permet galement lutilisateur de programmer et de grer son dplacement. Ceci se fait par

lintermdiaire de lenregistrement de points de destination (Waypoints) ou de route.

TRK-Track (route). Direction de votre mouvement par rapport votre point de dpart.

BRG-Bearing. Relvement de langle entre votre position prsente et le Nord gographiquepour rejoindre votre destination.

DST-Distance.Distance parcourir pour rejoindre le point de destination

Figure XIII.1 : Termes de navigation

TRK

Nord

WPT 2

DTK

CMG

XTK

Nord

BRG

GS

Position


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Figure XIII.2 : Termes de navigation (suite)

CMGCourse Made Good. Indique le bearing de la position actuelle par rapport auwaypoynt de dpart

DTK- Desired track. Route souhaite

GS-Ground Speed. Vitesse par rapport au sol

XTK ou XTE - Cross Track Error. Distance la plus courte (donc la perpendiculaire) entre

position actuelle et le DTK.Pour les autre termes lis la navigation, reportez-vous au chapitre XIVGlossaire-

2. RETOURNER A LA POSITION DE DEPART (BACK TRACK)Il est souvent espr retourner un point relev pendant la navigation ou sa position dedpart. Mais, causses des erreurs combines de la navigation aller de retour ainsi que lemanque de prcision dans le relev du point sur lequel on veut retourner (manque de tempssur ce point), vous pouvez vous retrouver entre 50 et 100 m du point de retour.


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3. NAVIGATION DANS UN MILIEU DEFAVORABLE

Figure XIII.3 : Rception dans un milieu dfavorable

Dans certaines configurations de terrain , valles, ravins, milieux urbains, forts denses, lenombre de satellites reus peut tomber en- dessous de trois satellites et temporairementEmpcher une navigation.

Les signaux mis par les satellites passent travers le plexis, le verre et la fibre de verredonc un GPS handleld (portable) peut tre mont dans un vhicule sans antenneextrieure. Attention ,dans ce cas il faut garder en tte que les satellites qui sont situsvers larrire du vhicule ne seront pas ou mal reus.

Sat in view

Sat in view

Sat in view


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4. NAVIGATION SANS ALTITUDEPour une navigation sans besoin de la troisime dimension, et pour autant que le navigateurle permette, il est prfrable de choisir le mode 2D (diminution du temps de calcul,augmentation de la prcision ).


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CHAPITRE XIV

GLOSSAIRE

1PPS 1Pulse Per Second 1 Pulse par seconde : utilis pour

une sync externe2D 2 dimensions 2 dimension3D 3 dimensions 3 dimensionA/J Anti-Jamming Anti brouillageAE Antenna Electronic Antenne lectroniqueAOC Auxillary Output Chip IC qui permet le dcryptage du

code PATD Along Track Distance Distance entre votre position et le

point de destinationAZ Azimuth AzimutBIT Build In Test Test automatique

BPSK Bi Phase Shift Keying Modulation BPSKBRG Bearing AzimuthCDI Course Deviation Indicator Indicateur graphique dcart de

routeCEP Circular Error Probable Erreur circulaire probable (2D)CMG Course Made Good Cap suivi depuis le dpartCTS Course To Steer Azimut suivreDGPS Differential GPS GPS diffrentiel permet damliorer

la prcisionDMG Distance Made Good Distance parcourue depuis le

dpartDOP Dilution Of Precision Coefficient de qualit li la

gomtrie des satellite recuschelle de 1 (meilleure) 10

DTG Distance To GO Distance parcourirDTK Desired Track Azimuth entre le waypoint de

dpart et celui darriveDTM Datum Systme de rfrence

godsiqueED-50 European Datum Datum europenEHE Estimated Horizontal Error Erreur de position (2D) estime

EL Elevation ElvationELA Elevation Angle Angle dlvationELD Elevation difference Diffrence daltitudeEPE Estimated Position Error Erreur estime de positionnementETA Estimated Time Of Arrival Heure estime darrive au

waypoint de destinationETE Estimated Time In Route Temps estim de parcourtFOM Figure Of Merit Chiffr de valeur (de la prcision)ft Feet Pied 0,3048 mGMT Greenwich Mean Time Temps de rfrence sur le

Mridien de Greenwich

GOTO Aller versGS Ground Speed Vitesse par rapport au solHQuick HaveQuick Communication par saut de


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frquence en UHFHDOP Horizontal Dilution Of Precision Erreur de position horizontaleL1 GPS primary frequency, 1575,42 MHz Frquence primaire sur 1575,42

MHzL2 GPS secondary frequency, 1227,6

MHz

Frquence secondaire sur

1227,6MHzLEG LEG Portion de routeMOB Man Over Board Relev instantan de positionMSL Mean Sea Level Niveau moyen de la merMTBF Mean Time Before Failure Temps moyen avant une panneNMEA National Marine Electronics

AssociationNorme dinterface pour appareilsde navigation maritime

P-CODE Precise code Code prcisPOS Position Position actuellePos FIX Pos FIX Position actuellePPS Precise Positioning Service Service de positionnement prcis

PVT Position Velocity Time Position vitesse tempsRNG Range Ecart : Distance entre la position

actuelle et le waypoint dedestination

RTE Route RouteSEP Sherical Error Probable Erreur probable en 3DSR Slant Range Distance entre deux pointsSTR Steering SuivreTDOP Time Dilution Of Precision Erreur probable de tempsTFOM Time Figure Of Merit Chiffre derreur temporelleTracback Route de retourTRK Tack Route actuelleTRN Turn Error in Route L indique que vous devez virer

gauche. Les degr indique lcartde route

TTFF Time To First Fix Temps ncessaire pour avoir unesolution de navigation lors de lapremire intialisation

TTG Time To Go Temps de navigation pourrejoindre le WP de destination

UTC Universal Time Conversion Temps universel

VMG Velocity Made Good Vitesse de rapprochement du WPde destinationWGS-84 World geodetic System - 1984 Systme de rfrence utilis par le

systme GPSWP Waypoint Point de destinationXTE Cross Track Error Ecart de route

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