Geomatique - Localisation Par Satéllite

Elments de Gomatique Polycopi 7 : Localisation par satellites

Pierre-Yves Gilliron Audrey Ueberschlag

Geoffrey Vincent

Lausanne, dition Fvrier 2014

Facult de lEnvironnement Naturel, Architectural et Construit Institut dIngnierie de lEnvironnement

Gomatique - Topomtrie

Elments de gomatique

SOMMAIRE

1. LOCALISATION PAR SATELLITES 3

1.1. INTRODUCTION 3 1.2. DESCRIPTION DU SYSTME GPS 4 1.2.1. LE SEGMENT ESPACE 5 1.2.2. LE SEGMENT DE CONTRLE 8 1.2.3. LE SEGMENT UTILISATEUR 9 1.3. LE SIGNAL GPS 10 1.3.1. LA STRUCTURE DU SIGNAL 10 1.3.2. ACCS AU SYSTME GPS 12 1.4. LES MTHODES DE LOCALISATION 13 1.4.1. LA MESURE DES PSEUDO-DISTANCES 13 1.4.2. LA LOCALISATION ABSOLUE 14 1.4.3. LA LOCALISATION RELATIVE 15 1.4.4. BILAN D'ERREUR ET PRCISION DU GPS 16 1.5. SYSTME DAUGMENTATION : WAAS 17 1.6. SYSTME EUROPEN GALILEO 20 1.6.1. ARCHITECTURE 20 1.6.2. SERVICES 21

2. RFRENCES 23

3. TABLE DES FIGURES 24

Avertissement

La plupart des figures de ce polycopi ont t cres lEPFL. Toutefois, les auteurs ont utilis un certain nombre de ressources dont les rfrences sont cites. Si lune ou lautre de ces ressources ne sont pas rfrences correctement ou font lobjet dun droit dusage particulier, nous vous prions de bien vouloir le signaler lauteur. Toute utilisation de ce support de cours doit se faire avec le consentement de lauteur.

2 Localisation par satellites


1. Localisation par satellites

1.1. Introduction La localisation par satellites occupe une place importante dans les techniques modernes de la gomatique et dans les systmes de navigation. Le plus connu des systmes est le NAVSTAR-GPS (NAVigation System with Time And Ranging - Global Positioning System), conu et gr par le Dpartement de la Dfense des Etats-Unis (DoD). Ce systme tait lorigine vou la navigation ainsi qu la dtermination des paramtres de temps et de position qui sy rattachent. Il devait permettre un positionnement tridimensionnel 10 m, fonctionner en temps rel, 24h sur 24, indpendamment des conditions mtorologiques et sur la totalit du globe. Son utilisation tait prvue prioritairement pour des activits militaires, alors que les applications civiles pouvaient librement se dvelopper en second plan. Depuis son avnement, le GPS a pris une place de premier ordre dans les applications civiles, en particulier dans les domaines des transports et des tlcommunications. La localisation par satellites sest impose comme un instrument stratgique, ce qui a pouss les europens dvelopper leur propre programme de navigation avec dune part EGNOS, en tant que systme daugmentation de GPS, et dautre part avec Galileo comme nouveau systme de navigation par satellites. Dautres pays dveloppent ou modernisent leurs infrastructures spatiales de navigation : la Russie avec GLONASS, la Chine avec COMPASS, lInde et le Japon avec des systmes daugmentation. Le GPS peut, en plus de son exploitation pour la navigation, rpondre des besoins pour la topographie et la godsie. Il permet notamment de connatre les diffrences de coordonnes entre points terrestres avec une prcision meilleure que le centimtre, sur des distances de plusieurs dizaines ou centaines de kilomtres. Par rapport aux mthodes topomtriques conventionnelles (mesures angulaires, mesures lectroniques de distances), lutilisation de GPS possde les avantages suivants :

- la visibilit entre les stations de mesures nest plus ncessaire, do une diminution importante des oprations de reconnaissance.

- les mesures sont indpendantes des conditions mtorologiques (brouillard par exemple).

- les mesures sont possibles 24 h sur 24h. Actuellement, la mthode prsente toutefois quelques inconvnients :

- la visibilit du ciel peut tre limite par des arbres, btiments ou autres lments, empchant la rception des signaux envoys par les satellites et rendant le GPS inoprant,

Localisation par satellites 3


- la prcision nominale de la localisation varie en fonction du temps. Suivant la disposition des satellites dans le ciel, la prcision des coordonnes ne sera pas toujours la mme,

- pour les applications de haute prcision, le prix dun quipement complet reste relativement lev.

1.2. Description du systme GPS Le systme GPS peut tre divis en trois segments :

- le segment espace, - le segment utilisateur, - le segment de contrle,

dont les fonctions et les interactions sont prsentes dans la figure suivante :

Figure 1-1 : Les 3 segments du systme GPS


Elments de gomatique Comme on peut le constater, les utilisateurs (civils) nont aucun moyen de communication avec les autres segments de GPS. Ils ne font que recevoir les signaux provenant du segment spatial.

1.2.1. Le segment espace

Le satellite

La pice matresse du systme de navigation est le satellite NAVSTAR. Caractristique dun satellite GPS :

- Producteur : Rockwell International

- Poids : env. 850 kg - Dure de vie planifie : 7-8

ans - Largeur : 5.20 m avec

panneaux solaires - Hauteur de vol : ~ 20'200

km - Priode de rvolution :

11h 58 min

Figure 1-2 : Satellite NAVSTAR GPS Les fonctions que doivent assurer ce satellite sont :

- maintenir une chelle de temps trs prcise. Dans ce but, deux horloges atomiques au csium et deux horloges au rubidium trs stables dans le temps sont embarques bord du satellite.

- mettre des signaux ultra-stables en frquence, moduls en phase par des codes pseudo-alatoires sur les deux frquences L1 et L2 spcifiques du systme.

- recevoir et stocker linformation provenant du segment de contrle. - effectuer des manuvres orbitales limites, soit pour garder sa

position dfinie dans la constellation, soit pour remplacer un satellite dfaillant.

- effectuer bord des calculs limits. - retransmettre de linformation au sol (message).

La constellation

La constellation GPS prvue par le DoD comprend nominalement 24 satellites. Leur lancement a t planifi en trois blocs :

- le bloc I lancs entre 1978 et 1985 ; - le bloc II lancs en 1989 et 1990 ; - le bloc IIA lancs entre 1990 et 1997 ; - le bloc IIR comprend une vingtaine de satellites afin de remplacer

les premiers. Dvelopps par Lockheed Martin, ils contiennent trois



horloges atomiques au Rubidium. Leur lancement a commenc en 1997 ;

- Les derniers satellites du bloc IIR comprendront un deuxime signal (C/A code sur L2) pour les civils ainsi qu'un nouveau signal militaire (M-code) ;

- le bloc IIF qui servira la maintenance de la constellation comprendra une nouvelle frquence L5 prvue dans la bande rserve laronautique ;

- le bloc III constituera le prochain bloc de satellites. Le bloc IIIA transmettra un nouveau signal pour les civils conu pour tre hautement interoprable avec les signaux du systme de navigation par satellite europen.

La maintenance dune constellation de 24 satellites est planifie pour une trentaine dannes, alors que la mise disposition dun service de positionnement gratuit aux utilisateurs civils est garantie pour les annes venir. Les satellites sont rpartis sur 6 plans orbitaux spars de 60 en longitude et de 55 dinclinaison par rapport au plan quatorial. Sur chaque plan orbital, 4 satellites sont espacs rgulirement. Leur priode de rvolution est de 11h 58 (un demi-jour sidral), leur altitude de 20 200 km. Ceci permet une visibilit permanente dau moins 4 satellites 24 h sur 24 en tout point de la Terre. Compte tenu du programme de remplacement des satellites, la constellation actuelle (2011) est de 32 satellites. On peut observer plus de 8 satellites certaines priodes du jour.

Figure 1-3 : Constellation des satellites GPS autour de la Terre



Figure 1-4 : Disponibilit des satellites GPS pour une priode de 24 heures lEPFL

La Figure 9-4 montre le nombre de satellites disponibles 10 au dessus de lhorizon pour une priode de 24 heures. On constate que le nombre de satellites observables peut passer du simple au double.

Les orbites

Les orbites des satellites GPS sont des ellipses presque circulaires dont la Terre occupe lun des foyers. Les trois lois de Kepler fournissent les formules de base pour leur description. Elles ne sont quune premire approche, parce quelles ne tiennent pas compte des forces perturbatrices agissant sur le satellite. La description de lorbite doit en fait voluer dans le temps selon lintensit des perturbations existantes, par exemple :

- le renflement quatorial ; - lattraction de la Lune et du Soleil ; - linhomognit du champ de pesanteur terrestre ; - la pression de la radiation solaire ; - le freinage par les rsidus atmosphriques.

Lorbite de chaque satellite est dcrite dans le temps par 16 paramtres appels phmrides. A chaque heure, de nouvelles valeurs sont dtermines pour ces orbites, sous la forme de prdiction et de rsultat de calcul par les moindres carrs. Ces valeurs sont mises par le segment contrle et diffuses lensemble des satellites.



Figure 1-5 : Description de lorbite dun satellite

1.2.2. Le segment de contrle

Le segment de contrle est lensemble des six stations amricaines (Air force monitor stations) au sol (Hawa, Cape Canaveral, Ascension, Colorado Springs, Diego Garcia et Kwajalein), dont la position est connue avec grande prcision. Elles enregistrent toutes les signaux mis par les satellites GPS, effectuent des mesures mtorologiques et envoient les donnes la station principale de Colorado Springs. A Colorado Springs, les phmrides des satellites ainsi que les coefficients des paramtres du polynme dhorloge sont calculs, prdits et envoys aux stations de transmission. Celles-ci (Ascension, Diego Garcia et Kwajalein) sont charges de transmettre ces donnes aux satellites, avec dautres informations telles que ltat de sant des satellites et des antennes de transmission au sol. Depuis 2005, ces stations de contrle sont compltes par le rseau de stations de lagence amricaine NGA (National Geospatial Intelligence Agency).



Figure 1-6 : Situation des stations amricaines de contrle de GPS

(source : http://www.gps.gov/systems/gps/control )

1.2.3. Le segment utilisateur

Le segment utilisateur reprsente - comme son nom lindique - lensemble des rcepteurs militaires et civils capables de mesurer les signaux mis par les satellites, dans un but godsique ou de navigation. Pour soutenir les utilisateurs, il existe des services dinformation internationaux et nationaux divulguant des informations plus dtailles et prcises que celles drivant des mesures elles-mmes. Au niveau suisse par exemple, lOffice Fdral de Topographie (swisstopo) gre un tel service, dont la base se situe Zimmerwald (BE). Ce service gre notamment un rseau permanent, appel AGNES (Automatisches GPS Netz Schweiz) de stations de rfrence GNSS qui couvre lensemble du territoire suisse.

Figure 1-7 : Positions des stations du rseau AGNES (source swisstopo, 2010)


Elments de gomatique 1.3. Le signal GPS

1.3.1. La structure du signal

Le GPS utilise une technique de mesure de distance unidirectionnelle o le satellite NAVSTAR est actif et envoie continuellement un signal. Le paramtre fondamental de la mesure de distance est le temps, qui doit tre fourni avec une trs grande prcision. Les oscillateurs des satellites assurent une stabilit de lordre de 10-14 (dfinie comme un rapport de frquence, f/f ). Ils sont rgls sur une frquence fondamentale de 10.23 MHz, de laquelle drivent les frquences L1, L2 et la nouvelle L5, ainsi que les diffrents codes (Figure 9-8). Du point de vue de sa structure, le signal mis peut tre spar en trois parties :

- les ondes porteuses L1, L2 et L5 ; - les codes ou signaux ; - le message.

Figure 1-8 : Les frquences et signaux GPS

Les ondes porteuses L1, L2 et L5

A lorigine, les satellites GPS (blocs I, IIA et IIR) transmettent deux ondes porteuses L1 et L2, obtenues en multipliant la frquence fondamentale par 154 et par 120, ce qui donne les frquences respectives de 1575.42 MHz et de 1227.60 MHz et les longueurs donde de 19,1 et 24.5 cm. Avec le nouveau bloc IIF, le GPS bnficie dune troisime frquence L5 qui est un multiple de 115 de la frquence fondamentale.


Elments de gomatique En admettant une rsolution de 1% de la longueur donde, on voit immdiatement que la prcision dpend de celle-ci (Figure 9-9).

L1 = 19 cmL2 = 24 cm

1% = 1.9 mm (L1)2.4 mm (L2)

MESURE DE LA PHASE (f 1 = 1.575 GHZ, f 2 = 1.228 GHZ)

Figure 1-9 : Prcision interne des mesures de phase de l'onde porteuse

Les codes

Pour permettre la mesure du temps de propagation dune marque horaire, un code pseudo-alatoire (PRN, Pseudo-Random Noise) est modul sur les porteuses selon une squence binaire, cest dire une suite de 1 et de 0. Bien que ce signal paraisse similaire du bruit pour un rcepteur radio standard, il est reconstructible par un rcepteur disposant de lalgorithme gnrant ce code. Parmi les codes pseudo-alatoires gnrs par chaque satellite, on peut dcrire :

- le code C/A (Coarse Acquisition), de frquence 10 fois infrieure la frquence fondamentale, est un code grossier transmis uniquement par la porteuse L1 ;

- le code P (Precise), de frquence identique la frquence fondamentale, est transmis sur L1 et L2.

En admettant comme pour les porteuses une rsolution de 1% de la dure du code, lordre de prcision est le suivant pour les codes P et C/A :

Figure 1-10 : Prcision interne des mesures de code P et C/A


Elments de gomatique Le message

En plus du code, les satellites transmettent un message raison de 50 bits/seconde, contenant tous les renseignements ncessaires pour calculer la position du satellite. Il se prsente comme un bloc de 1500 bits correspondant une dure de trente secondes et comprend 5 sous-blocs contenant 10 mots chacun. Sous-bloc 1 : Il contient les paramtres de correction de lhorloge du satellite afin dinformer lutilisateur du dcalage entre lheure de rfrence du systme GPS et lheure du satellite. On y trouve aussi les coefficients modlisant la propagation des ondes dans lionosphre (couche de latmosphre perturbant la vitesse de propagation des signaux). Sous-blocs 2 et 3 : Ils contiennent les phmrides calcules et envoyes aux satellites par les stations de contrle. A partir de ces phmrides, la position du satellite peut tre calcule de manire prcise dans un systme gocentrique de coordonnes cartsiennes. Les phmrides des satellites sont mises jour chaque heure mais sont valables pour au moins 1h 30. Sous-bloc 4 : Il est rserv pour des applications futures. Sous-bloc 5 : Il contient lalmanach pour un satellite. Pour obtenir un almanach complet de tous les satellites, il faut enregistrer une suite de 25 messages, dont chacun contient lalmanach relatif un seul satellite. Cette opration dure 12 minutes et 30 secondes, partir du moment o le signal dun satellite a t reconnu. Lalmanach contient des paramtres dorbites approches permettant de calculer les trajectoires des satellites plusieurs jours, voire plusieurs semaines lavance. Grce lui, lutilisateur peut rapidement calculer la position et par consquent la visibilit de tous les satellites, pour un lieu et un instant futur. Cest loutil indispensable la prparation et la planification dune campagne de mesures. Dans la pratique, lutilisateur reprend toujours un nouvel almanach avant une campagne de mesures si celui dont il dispose date de plus dun mois.

1.3.2. Accs au systme GPS

Le systme GPS offre deux services qui se diffrencient par la prcision atteignable dans les rsultats :

- le service SPS (Standard Positioning Service) - le service PPS (Precise Positioning Service)

Ds dcembre 1993, Le service SPS a officiellement t mis la disposition des utilisateurs civils par lintermdiaire du code C/A modul sur la porteuse L1. Il noccasionnera aucun cot dutilisation dans les annes venir, mais son contrle reste une exclusivit des militaires amricains qui se rservent le droit de brouiller les signaux en cas de conflit.


Elments de gomatique La disponibilit slective SA (Selective Availabilty) tait une dgradation volontaire de la qualit en vigueur jusqu'en mai 2000 (Figure 9-11). La frquence de base de 10.23 MHz des oscillateurs ainsi que les paramtres orbitaux radio-diffuss taient alors entachs derreurs. Ce dispositif a permis de limiter pour des raisons militaires la prcision environ 100 m.

Figure 1-11 : Effet de la suppression de la SA sur les mesures de code (C/A)

Lanti-leurrage A-S (Anti-Spoofing) doit permettre une contre-mesure lectronique une tentative dlibre de brouillage par lennemi. Le code P est alors remplac par un code secret Y. Lanti-leurrage a t mis en activit continue depuis la fin janvier 1994, si bien que la mesure du code P est ds lors impossible pour les utilisateurs civils. Le service PPS est rserv aux militaires amricains et certains utilisateurs autoriss par le DoD. Les rcepteurs sont alors quips dalgorithmes de dcryptage permettant de reconstituer les brouillements et encodages dus la disponibilit slective et lanti-leurrage.

1.4. Les mthodes de localisation

1.4.1. La mesure des pseudo-distances

La pseudo-distance lmentaire observable drive de la diffrence t entre lheure dmission et lheure darrive dun signal particulier transmis par un satellite. Ce signal est dans la pratique le code qumet le satellite par lintermdiaire dondes porteuses. Sur terre, le rcepteur met simultanment une rplique synchrone de ce code. Le rcepteur est ainsi en mesure de reconnatre le code satellite son arrive et de le comparer son propre code au moyen dun procd corrlatif.



Figure 1-12 : Principe de mesure de la pseudo-distance

Selon le rsultat de la comparaison, le code rcepteur sera retard jusqu ce quil concide avec le code satellite ; le dcalage correspond la dure de propagation t entre satellite et rcepteur, pour autant que les horloges respectives soient parfaitement synchronises. Cependant, les chelles de temps du rcepteur et du satellite sont gnralement dcales, ce qui produit une erreur systmatique lors de chaque observation. A ce dfaut dhorloge, sajoutent encore les influences non ngligeables de latmosphre sur la vitesse de propagation des ondes porteuses. Le dlai de propagation mesur tant donc systmatiquement fauss, on ne peut en dduire des distances relles entre satellite et rcepteur, cest pourquoi on utilise le terme de pseudo-distance.

1.4.2. La localisation absolue

La localisation absolue consiste en la dtermination des coordonnes dun point quelconque de la Terre. Les messages cods envoys par les satellites sont capts et traits dans un rcepteur stationn sur le point inconnu. La localisation par GPS se caractrise par la mesure de la distance entre lantenne du rcepteur et les diffrents satellites. La dure du trajet du signal GPS permet de calculer en thorie la distance entre le satellite et le rcepteur. Trois distances de ce type suffisent donner une solution gomtrique, la position de lantenne correspondant lintersection de 3 sphres, centres lemplacement des trois satellites, leurs rayons tant gaux aux distances mesures. En ralit une inconnue sajoute au problme, lerreur de lhorloge du rcepteur par rapport au temps GPS, et ncessite lutilisation dun quatrime satellite.



(Le 4e satellite est ncessaire pour dterminer l'inconnue d'horloge du rcepteur)

Figure 1-13 : Localisation absolue partir de trois satellites On a vu prcdemment quil existe 2 principaux types de mesures GPS, pour la localisation :

- les mesures effectues avec les codes appeles pseudo-distances ; - les mesures de phase ralises sur L1, L2 et L5.

Les mesures de code sont exploites dans les techniques de localisation absolue et relative, alors que les mesures de phase ne sont exploites quen localisation relative (Figure 9-14).

1.4.3. La localisation relative

La localisation relative fait intervenir deux rcepteurs qui enregistrent et exploitent simultanment les signaux GPS sur deux points diffrents. Lloignement entre deux points, constituant une base, va jusqu 10 km dans le cas de mesures topographiques et peut atteindre plusieurs centaines de kilomtres pour les mesures godsiques de grands rseaux, tel que le rseau europen EUREF1. La prcision relative de la base est excellente, cest--dire infrieure au cm pour les mesures topographiques. La position absolue de la base dans un systme de rfrence peut tre de lordre de quelques mtres (Figure 9-14). Mais la connaissance de la position dun point fixe dans le systme de coordonnes de rfrence, ainsi que la mesure de deux bases au moins

1 http://www.epncb.oma.be/


Elments de gomatique depuis ce point, appel point de rfrence, rgle le problme de la prcision absolue du GPS diffrentiel.

11

41

52

S 1

S 2

S 3S 4

S 5

P1R12

P2

Figure 1-14 : Principe de la localisation relative (ligne de base P1 P2)

1.4.4. Bilan d'erreur et prcision du GPS

Depuis la suppression de la disponibilit slective (SA), le gain en prcision est important, mais il subsiste des sources d'erreurs dont il faut connatre l'origine. Les mesures GPS de code sont entaches des erreurs systmatiques et alatoires suivantes :

- la synchronisation des horloges ; - les erreurs dues aux orbites ; - les erreurs dues la troposphre ; - les erreurs dues lionosphre ; - le trajet multiple.

On peut estimer l'effet de ces erreurs sur la mesure de pseudo-distances. On exprime chacune des erreurs comme l'erreur moyenne (1 ) en unit de distance.

Source derreur Ecart-type (1) en m Retard ionosphrique 2.0 Retard troposphrique 0.25 Ephmrides 1.0 Horloge satellite 0.5 Trajet multiple 0.2 Rcepteur 0.5 Bilan d'erreur global (1) 2.4 (*)

Tableau 1 : bilan des erreurs GPS (* somme quadratique des diffrentes erreurs moyennes) Afin dillustrer la qualit de la localisation de GPS, lexemple suivant (Figure 9-15) prsente le rsultat de lenregistrement dune trajectoire laide dun rcepteur GPS code. On constate deux cas de figure avec une trajectoire


Elments de gomatique optimale ( gauche) et une trajectoire dfavorable ( droite). Sur cet exemple, ralis lors de travaux pratiques GPS lEPFL, on distingue clairement leffet de lenvironnement sur la qualit de la position horizontale (point 3). Le fait de disposer de moins de satellites pendant une priode de mesures savre particulirement critique dans des zones o le masquage des signaux est effectif (prsence de btiments, vgtation,).

Figure 1-15 : Prcision horizontale dune trajectoire mesure par GPS code

1.5. Systme dAugmentation : WAAS Dautres domaines, comme le transport arien, doivent en plus de lamlioration de la localisation, assurer la qualit spatio-temporelle de linformation de positionnement. Cest pourquoi, la communaut de laviation civile a mis en uvre un systme dit daugmentation spatial du GPS qui fournit lutilisateur des informations sur ltat du systme de localisation grce un message dintgrit. Ce sont les systmes WAAS pour Wide Area Augmentation Systems .


Elments de gomatique La communaut internationale dans le domaine de la navigation a dfini des standards pour la mise en uvre de tels systmes daugmentation spatiaux. Actuellement, trois projets sont raliss et utiliss par laviation civile :

- le WAAS (Wide Area Augmentation System) qui est le systme daugmentation amricain ;

- le MSAS (Multi-transport Satellite Based Augmentation System) pour le Japon ;

- et EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) qui est le systme daugmentation de la communaut europenne.

Dans ce chapitre cest le systme EGNOS qui sert de rfrence pour dcrire le principe de fonctionnement dun systme daugmentation spatial.

Figure 1-16 : Architecture EGNOS (source ESA)

EGNOS est implment par un groupe tripartite compos de l'Agence Spatiale Europenne ESA, de la Commission de l'Union Europenne et d'Eurocontrol2. L'ESA est responsable du design, du dveloppement et de la validation du systme, tandis qu'Eurocontrol est responsable de la validation oprationnelle pour l'aviation civile. Le systme a t approuv officiellement en octobre 2009 et cest le fournisseur de service ESSP3 (European Satellite Services Provider) qui a t certifi en 2010. EGNOS est structur en trois segments (Figure 9-16) :

Le segment de contrle est compos des stations RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations), des stations MCC (Mission Control Centres) et des stations NLES (Navigation Land Earth Stations) : - Les 34 RIMS sont distribues gographiquement et

enregistrent des donnes GPS et GLONASS. - Trois stations de rfrence fournissent une information prcise

sur la position des satellites gostationnaires.

2 Organisation europenne pour la scurit de la navigation arienne 3 http://www.essp-sas.eu/



- Les 4 MCC rassemblent toutes les informations. Ils calculent les corrections diffrentielles ainsi que la prcision de tous les satellites visibles.

- Ensuite, les stations NLES envoient ces messages aux satellites gostationnaires.

- Les utilisateurs reoivent les messages d'un satellite gostationnaire par lintermdiaire de la frquence L1 avec une modulation et un codage similaire GPS (C/A code). Il nest donc pas ncessaire dacqurir un rcepteur supplmentaire, car les nouveaux rcepteurs GPS sont compatibles WAAS.

Le segment spatial est compos de 3 satellites gostationnaires

(INMARSAT-3 AOR-E (15,5W), INMARSAT-3 IOR-W (25E) ET ESA ARTEMIS (21,5E)).

Le segment utilisateur est compos de rcepteurs EGNOS

standards et d'un quipement spcifique pour les applications ariennes, maritimes ou terrestres.

European Commission

Services EGNOSServices EGNOS

Signaux type GPS

Corrections diffrentielles

Intgrit

+ Prcision+ Disponibilit

+ Scurit

GEO

Figure 1-17 : Services EGNOS

EGNOS amliore la performance des systmes satellitaires GPS et GLONASS par l'intermdiaire des trois services suivants :

"GEO Ranging" : la transmission de signaux L1 (code et phase) de 3 satellites gostationnaires augmente le nombre de satellites disponibles pour le positionnement, ce qui amliore la gomtrie de la constellation de satellites.

"Wide Area Differential" : la prcision du positionnement augmente grce la transmission de corrections diffrentielles par les satellites gostationnaires.

"GNSS Integrity Channel" : l'information d'intgrit transmise par les satellites gostationnaires fournit le niveau de scurit exig pour des approches en aviation civile avec assistance verticale, pour la navigation en route et au terminal.



Source : Guide EGNOS, ESA, CNES, CE, 2009

Figure 1-18 : Bilan derreurs GPS - EGNOS Le tableau ci-dessus prsente le bilan des erreurs typiques des systmes GPS et EGNOS dans des conditions idales de rception. Cela permet dillustrer lapport dEGNOS par rapport au GPS seul.

1.6. Systme europen Galileo Galileo est la contribution europenne la deuxime gnration de systmes de navigation satellitaires. Financ par la Commission Europenne et lAgence Spatiale Europenne (ESA), le systme est maintenant dans sa phase de dveloppement et de validation et sera en principe mis en service lhorizon 2015.

1.6.1. Architecture

Lensemble des satellites Galileo formera une constellation de 27 satellites oprationnels. Ils se trouveront sur trois orbites quasi circulaires inclines de 56 degrs sur le plan de lquateur et angulairement quidistantes les unes des autres autour de laxe de la Terre. Chaque orbite sera parcourue par 9 satellites oprationnels et par un dixime de secours. Laltitude des satellites sera de 23'616 km correspondant une priode de rvolution de 14h 22 min, soit un cycle de dix jours pour repasser sur les mmes trajectoires au sol.

Figure 1-19 : Vue dartiste du satellite test GIOVE de Galileo (source ESA)


Elments de gomatique Chaque satellite mettra ses propres signaux lesquels seront moduls sur trois bandes de frquence :

E5A/E5B : 1164 1215 MHz, 4 signaux, 4 porteuses - messages de navigation, intgrit, Search & Rescue

E6 : 1260 1300 Mhz, 3 signaux, 2 porteuses - signaux crypts du service public rglement (PRS), signaux commerciaux

L1 : 1559 1591 Mhz, : 3 signaux, deux porteuses - message de navigation, intgrit

Figure 1-20 : Bandes de frquence de la navigation par satellites

1.6.2. Services

Galileo offrira 5 services : Un service grand public similaire celui offert par GPS et GLONASS aujourdhui. Ce service ouvert, Open Service , sera gratuit et accessible tout le monde avec trois signaux, dont la frquence L1 qui est dj utilise par GPS. En plus, Galileo offrira quatre services novateurs :

Le service commercial (CS- Commercial Service) : ce service ncessitera la signature dun contrat (propos par des tiers) avec des frais dutilisation et accessible aux utilisateurs autoriss.

Le service de sauvegarde de la vie (SoL - Safety of Life Service) : un service pour des applications de scurit critique (p.ex. laviation civile, transport de matires dangereuses) qui transmet de donnes dintgrit. Il sera garanti par un contrat.

Le service public rglement (PRS - Public Regulated Service) : diffrents services rservs aux autorits gouvernementales de suret (police, douane,). Les signaux sont cods et rsistants au brouillage.

Les services de recherche et de sauvetage (SAR - Search and Rescue Service) : service de secours qui amliore le systme existant COSPAS/SARSAT.



Tableau 2 : Services du systme europen de navigation par satellites - Galileo



2. Rfrences

On donne ici quelques rfrences bibliographiques utiles et complmentaires au contenu de ce polycopi. Cette liste nest de loin pas exhaustive.

Duquenne F. et al., (2005), GPS, localisation et navigation par satellite, 2me dition, Ed. Herms Science Publication Gilliron P.-Y., (2013), Localisation par satellites, Polycopis de lEPFL, EPFL, Lausanne

Rfrences 23

Elments de gomatique 3. Table des figures Avertissement La plupart des figures de ce polycopi ont t cres lEPFL. Toutefois, les auteurs ont utilis un certain nombre de ressources dont les rfrences sont cites. Si lune ou lautre de ces ressources ne sont pas rfrences correctement ou font lobjet dun droit dusage particulier, nous vous prions de bien vouloir le signaler lauteur. Figure 1-1 : Les 3 segments du systme GPS .................................................... 4 Figure 1-2 : Satellite NAVSTAR GPS ................................................................. 5 Figure 1-3 : Constellation des satellites GPS autour de la Terre ..................... 6 Figure 1-4 : Disponibilit des satellites GPS pour une priode de 24 heures lEPFL ................................................................................................. 7 Figure 1-5 : Description de lorbite dun satellite .............................................. 8 Figure 1-6 : Situation des stations amricaines de contrle de GPS ............... 9 Figure 1-7 : Positions des stations du rseau AGNES (source swisstopo, 2010) ..................................................................................................... 9 Figure 1-8 : Les frquences et signaux GPS ..................................................... 10 Figure 1-9 : Prcision interne des mesures de phase de l'onde porteuse.................................................................................................................. 11 Figure 1-10 : Prcision interne des mesures de code P et C/A ..................... 11 Figure 1-11 : Effet de la suppression de la SA sur les mesures de code (C/A) ............................................................................................................ 13 Figure 1-12 : Principe de mesure de la pseudo-distance ................................. 14 Figure 1-13 : Localisation absolue partir de trois satellites .......................... 15 Figure 1-14 : Principe de la localisation relative (ligne de base P1 P2)............................................................................................................................ 16 Figure 1-15 : Prcision horizontale dune trajectoire mesure par GPS code ............................................................................................................... 17 Figure 1-16 : Architecture EGNOS (source ESA) .......................................... 18 Figure 1-17 : Services EGNOS .......................................................................... 19 Figure 1-18 : Bilan derreurs GPS - EGNOS ................................................... 20 Figure 1-19 : Vue dartiste du satellite test GIOVE de Galileo (source ESA) ......................................................................................................... 20 Figure 1-20 : Bandes de frquence de la navigation par satellites ................. 21

24 Table des figures

1. Localisation par satellites1.1. Introduction1.2. Description du systme GPS1.2.1. Le segment espace Le satellite La constellation Les orbites

1.2.2. Le segment de contrle1.2.3. Le segment utilisateur

1.3. Le signal GPS1.3.1. La structure du signal Les ondes porteuses L1, L2 et L5 Les codes Le message

1.3.2. Accs au systme GPS

1.4. Les mthodes de localisation1.4.1. La mesure des pseudo-distances1.4.2. La localisation absolue1.4.3. La localisation relative1.4.4. Bilan d'erreur et prcision du GPS

1.5. Systme dAugmentation : WAAS1.6. Systme europen Galileo1.6.1. Architecture1.6.2. Services

2. Rfrences3. Table des figures

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Geomatique - Localisation Par Satéllite