Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies Nice – 7 mai 2009.
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Banalisation de la géolocalisation
et nouvelles technologies
Nice – 7 mai 2009
2Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Banalisation de la géo localisation et nouvelles technologies
Déroulement• 1ère partie : Quelques rappels pour
comprendre le système GPS
• 2ème partie : GPS et intégration
• 3ème partie : L’évolution des récepteurs GPS OEM en vingt ans vers GALILEO
3Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Banalisation de la géolocalisationet nouvelles technologies
1ère partie :
Quelques rappels pour comprendre
le système GPS
4Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et constellation• Système
24 satellites orbitant à 20 200 km d’altitude
6 orbites espacées de 55°
2 orbites par jour
4 satellites minimum visibles sur terre
5Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et signal émis Signaux codés sur L1 (1575,42Mhz) et L2 (1227,60Mhz)
Signal complexe à large spectre
Addition d'un code pseudo-aléatoire et des données
Signal civil émis sur L1 (code C/A)
Chaque satellite a son propre code C/A
Tous les codes C/A sont synchrones (Horloge atomique)
Par corrélation le récepteur détermine l'instant exact d'émission
Le code C/A peut être dégradé (Select Availability)
6Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et satellites NAVSTARIl y a eu jusqu'à présent 3 Blocs de satellites • Bloc I : 11 satellites ente 1978 et 1985. Durée de vie de 5ans
Plus aucun satellite en service
• Bloc II : 9 satellites ente 1989 et 1990. Durée de vie de 8 ansPlus aucun satellite en service
• Bloc IIA : A partir de 1990. Durée de vie de 10 ans. Peuvent fonctionner en mode dégradé (SA selective availability) Sont équipés de 2 horloges au césium et 2 horloges au rubidium 13 satellites en service
• Bloc IIR : De 1996 à mars 2008. Durée de vie supérieure à 10 ans. Peuvent communiquer entre satellites 18 satellites en service Celui lancé le 24 mars dernier "IIRM (20)" présente des soucis d'horloge. Le dernier, "IIRM (21)" devait être lancé en août 2009 mais sera donc retardé pour fin 2009, voire début 2010
• Bloc IIF : Initialement à partir de 2009 – Pas avant mi-2010
• Bloc III : A partir de 2014 jusqu’en 2030
• Actuellement, constellation de 32 satellites GPS et 1 satellite GALILEO Giove B en essai
(Navigation Satellite Timing And Ranging)
7Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et visibilité des satellites
8Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et signal
• Puissance du signal 5 fois moins puissant que le bruit
thermique
100 000 fois moins puissant que le signal GSM
• Traitement du signal Acquisition
• Recherche du signal des satellites
• Réception des données GPS Localisation (Tracking)
»Emission Satellite (22W) = 43dBm»gain de l’antenne TX = + 10dB»Atténuation dans Espace/Atmosphère = - 184dB / -2dB»gain de l’antenne du récepteur = + 3dB»Signal à l’entrée du récepteur - 130dBm
10
25
30
TrackingReceive GPS DataSearch
GPS Dataavailable
Signalfound
dBHz
9Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et Immunité aux interférences
• Brouillage Hors-Bande Fréquences différentes de celles du GPS
fréquences porteuses Principales sources sont les systèmes de communication ( GSM, CDMA, WCDMA, WiFi, BT, etc.) Harmoniques des écrans, contrôleurs, etc. qui peuvent
aussi être néfastes
• Brouillage dans la bande Toutes les fréquences proches de celles du GPS (1575Mhz)
Généralement causées par les harmoniques des afficheurs, microcontrôleurs, bus systèmes, etc.
0 500 1000 1500 2000
Frequency [MHz]
GSM900
GSM 1800
GSM 1900Power [dBm]
GPS input filter characteristics
GPS 1575
0
-110
GPSsignals
1525 1550 1625
Frequency [MHz]
Power [dBm]
Caractéristiques du filtre d’entrée du GPS
GPS Carrier 1575.4
MHz
1575 1600
0
-110
Jammingsignal
GPSsignals
10Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et Interférences
• Bruit thermique du sol –110dBm (2MHz bande passante) 20dB au-dessus du signal GPS reçu • Du bruit additionnel peut influer sur les performances du GPS.• Un bon design Hardware est nécessaire (Eloigner le plus possible
la partie RF des circuits logiques, placer des blindages RF quand cela est nécessaire,..)
PatchPlan de masse
Blindage RF
11Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et données
• Données GPS : Almanach Données de faible précision sur la position du satellite en
orbite
Permet d’accélérer la recherche des satellites
1 satellite envoie les almanachs de tous les satellites
La transmission de l’ensemble des almanachs prend 12,5 minutes
Validité de plusieurs jours (1 à 10 jours)
Mise à jour quotidienne
• Données GPS : Ephéméride Données de grande précision sur la position du satellite
en orbite
Nécessaire pour la navigation précise
Chaque satellite transmet son propre éphéméride
Validité de 2 à 4 heures
Mise à jour chaque heure
12Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et message de navigation
13Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
GPS et vocabulaire
• Time to First Fix (TTFF) Temps pour obtenir la première position valide après la mise en
service du récepteur
• Cold Start (29 secondes pour les derniers récepteurs actuels) Sans batterie de sauvegarde des données
Sans données de référence (éphéméride, almanach, date)
• Warm Start (15 secondes pour les derniers récepteurs
actuels) Avec batterie de sauvegarde, récepteur éteint depuis plusieurs heures
Date et almanach connus, éphéméride non valide
• Hot Start (1 seconde pour les derniers récepteurs actuels) Avec batterie de sauvegarde, récepteur éteint depuis moins de deux
heures
Date et dernière position connues, éphéméride valide
14Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Banalisation de la géolocalisationet nouvelles technologies
2ème partie :
GPS et intégration
15Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Type d’antenne : Active ou Passive ?
Antenne Active• Antenne Passive + LNA (low noise
amplifier) qui compense les pertes dans le câble
• Alimentation externe (20mA)• Nécessaire lorsque l’antenne est
éloignée du récepteur.
• Grande amplification (13…35dB)• Bon gain d’antenne (0dBic+3dBic)• Faible bruit = meilleure
performance (cf tension d’alimentation)
• Pas d’adaptation d’impédance requise
• Nécessite un minimum d’expertise
Antenne Passive• Elément rayonnant seul
• Pas d’alimentation externe
• Longueur câble < 100mm
• Faible gain d’antenne (–3dBic +3dBic)
• Adaptation 50 Ohm nécessaire
• Le bruit peut devenir un problème
• Nécessite une bonne expertise pour une adaptation correcte
16Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
L’antenne PATCH
• Bon marché• Sensibilité/Gain en corrélation avec la taille • Nécessite un plan de sol• Existe dans de nombreuses tailles et formes• Ces antennes sont directionnelles• Les modèles amplifiés existent aussi.
et plan de masse de 70mmx70mm
Antenne de 25mmx25mm
17Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
L’antenne Hélicoïdale
• Plus chère que l’antenne Patch• Bonne sensibilité• Sensible sur un grand angle (>120°)• Pas de plan de sol nécessaire• Insensible à l’environnement• Se monte indifféremment en externe ou en interne
Balun
Sectionrayonnante
18Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
L’antenne TINY
• Entre PATCH et Hélicoïdale• Sensible sur un grand angle (>90°) (position verticale non obligatoire)• Polarisation circulaire• Prix intéressant
19Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
L’antenne CHIP
• Performance médiocre• Pas chère• Taille très petite• Nécessite un bon plan de sol• sensibilité grandement liée à la
taille du plan de sol.• Polarisation linéaire • A-GPS fortement recommandé
(pouravoir un TTFF acceptable)
20Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Banalisation de la géolocalisationet nouvelles technologies
3ème partie :
L’évolution des récepteurs GPS OEM
en vingt ans
21Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Récepteur GPS OEM type de 1989
• 1ère carte OEM compatible DGPS• Carte miniature !
(94mmx92mm)• Faible consommation ! (500mA)• Coût modéré ! (340€ actuels)
• 6 canaux • Cold Start : 12mn • Hot Start : 5 secondes• Signal de sortie de type
NMEA
22Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Récepteur GPS OEM type de 1994
• Modèle de grande diffusion• Coût faible ! (160€ actuels)• Carte petite ! (90mmx46mm)• Faible consommation ! (250mA)
• 6 canaux • Cold Start : 12mn • Hot Start : 5 secondes
23Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Récepteur GPS OEM type de 1996
• Modèle de très grande diffusion• DGPS• Option DR (Dead Reckoning) disponible
(avec ajout d'un "gyrostar" et d'un odomètre)
• Coût intéressant (100€ actuels)• Petit format (71mmx41mm)• Format et connectique qui deviennent un
standard du commerce.• Consommation raisonnable (180mA)• 6 canaux • Cold Start : 8 mn • Warm Start de 2mn• Hot start : 2 secondes
Le modèle qui a lancé les
Applications GPS « Grand Public »
de suivis de flotte
et le début de la cartographie numérique
24Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
1997 - Naissance de nombreux fabricants
de récepteurs GPS (µBlox – SiRF – etc…)
• Prix en grande baisse (50€ actuels)• A partir de 2000, petits formats
(25mmx25mm)• Consommation plus faible (60mA)• Apparition de modules fonctionnant
sous les 3,3 volts• 8 canaux • Cold Start : 5 mn • Warm Start de 2mn• Hot Start : 2 secondes
Toujours le même format de cartes OEM !
A partir de l'an 2000, les petits modules
GPS apparaissent et font exploser,
avec la baisse des prix,
le marché de la géolocalisation
25Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
2000 – Explosion de la géolocalisation
• La cartographie numérique de l'Europe de l'Ouest est enfin proposée à des tarifs raisonnables
• Deux compétiteurs majeurs pour la cartographie numérique
• Le GPS devient un module à part entière
• Les GPS sont des 12 canaux
• Le TTFF devient de plus en plus court (<3mn)
26Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
2005 – La géolocalisation se banalise
• Le récepteur est un composant
• La consommation est de 30mA sous 3,3V
• Les GPS sont des 16 canaux
• Son TTFF devient inférieur à 2 mn
• La cartographie fait son entrée dans les PDA
• Le récepteur GPS est associé à un GSM
• L'A-GPS fait son apparition et permet des TTFF inférieurs à 30 secondes.
27Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Qu'est-ce que l'A-GPS
28Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Modes A-GPS : AssistNow Offline et Online
Data type
Data retrieval at startup
Size of downloaded data
Data download
Achievable TTFF
Usability
Predicted orbits
local memory
Up to 70kB (10days)
1x / 10 days
As low as 5 sec
10 days offline
AssistNow Offline
Ephemeris, Time,
Almanac, Health
from A-GPS server
1 - 3 kB
@ every startup
As low as 1 sec
2 - 4 hrs
AssistNow Online
29Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
2007 – Les récepteurs GPS ont des caractéristiques étonnantes
• 50 canaux avec plus d'1 million de corrélateurs
• Plus d'1 million de corrélateurs
• Sensibilité de -145dBm à -162dBm en mode tracking
• Acquisition très rapide pour GPS et SBAS (Satellite Based Augmentation System – WAAS/MSAS/EGNOS/GAGAN)
30Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
2008 – Amélioration de la géolocalisation grâce à Internet et à la
FM
• Internet est aussi bien à la maison que dans les systèmes portables.
• La cartographie est sur Internet
• Le TMC FM (Traffic Message Channel) est largement développé en Europe ainsi que d'autres systèmes via GSM
31Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
2009 – La géolocalisation est dans la vie de tous les jours au même titre que
le GSM• L'ensemble Récepteur
GPS/GSM/Radio FM/BT/Lecteur MP3 ne représente qu'un composant !
• L'A-GPS est banalisé
• Le TMC est en passe de se banaliser
• Les récepteurs GPS sont dorénavant compatibles GALILEO
32Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies – Nice, 7 mai 2009 - Olivier FOURNIER
Banalisation de la géolocalisationet nouvelles technologies
En conclusion : Le GPS a amené ces 10 dernières
années la vulgarisation de la géolocalisation
Et maintenant le GPS associé à GALILEO va offrir de nouveaux services et donc de nouveaux métiers et de l'emploi.