Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies Nice – 7 mai 2009

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


Banalisation de la géolocalisationet nouvelles technologies

1ère partie :

Quelques rappels pour comprendre

le système GPS


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


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)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/GPS_signal_modulation_scheme.svg


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)


GPS et visibilité des satellites


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


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


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


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


GPS et message de navigation


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



2ème partie :

GPS et intégration


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


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


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


L’antenne TINY

• Entre PATCH et Hélicoïdale• Sensible sur un grand angle (>90°) (position verticale non obligatoire)• Polarisation circulaire• Prix intéressant


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)



3ème partie :

L’évolution des récepteurs GPS OEM

en vingt ans


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



• Modèle de grande diffusion• Coût faible ! (160€ actuels)• Carte petite ! (90mmx46mm)• Faible consommation ! (250mA)

• 6 canaux • Cold Start : 12mn • Hot Start : 5 secondes



• 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


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


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)


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.


Qu'est-ce que l'A-GPS


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


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)


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


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



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.

Documents

Banalisation de la géolocalisation et nouvelles technologies Nice – 7 mai 2009