BAC Pro SEN

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Géo-positionnement par satellites « GPS » Et

Communication mobile par « GSM »

GPS et positionnement par satellites

1- Géo-positionnement par satellites « GPS »

1-1 Les coordonnées géographiques sont déterminées par 3 grandeurs:

1-2 Historique. Utilisation des astres.

La latitude: En déterminant l’angle entre sa position et l’étoile polaire La longitude: Etait obtenue à partir de la hauteur du Soleil (d’astres) sur l’horizon, à condition de connaître l’heure locale exacte.

- Un écart de 1/60 sur l’angle mesuré avec le sextant = 1852 m d’erreur en longitude. - Un écart de 1 minute sur le temps = 1852 m d’erreur en longitude.

Le système LORAN C.

Le GPS permet à l’homme de réaliser un vieux rêve:

se repérer exactement dans le temps et dans l’espace

La longitude λ: angle orienté entre le plan méridien origine Greenwich et le plan contenant le point M

La latitude Φ: angle orienté entre le plan

de l’équateur et le plan parallèle passant par le point M

La hauteur h: distance entre le point M

et la sphère de référence ( ellipsoïde)

1-3 Le système GPS.

1-3-1 Un système GPS se décompose en trois parties.

Initialement développé par les USA vers 1950, est constitué d’un réseau d’émetteurs radio synchronisés qui émettent des impulsions. La mesure de l’écart entre le temps d’arrivée des impulsions permet de se localiser avec une précision < 400 m. Ce dispositif cessera de fonctionner en Europe en janvier 2006. La portée de ce système étant limité, il est en voie d’extinction

- Étude lancé dans les années 70. - Objectif : un système de repérage globale. - Février 1978 : premier satellite GPS. - 1983 : Signaux GPS accessible aux civils. - 1990 : Précision dégradé. - 1994 : GPS déclaré opérationnel. - 2000 : Les restrictions d’accès sont supprimées.

Les militaires ont introduit un nouveau code pour une meilleure précision (code Y)

Le segment spatial : 24 satellites à 20 200 km. • Révolution environ 11 h. 58 min selon 6 plans orbitaux • Horloge atomique pour l’énergie et la précision. • Emet des signaux sous 2 fréquences

L1=1227 MHz et L2 = 1575 MHz • La position de chaque satellite est connue avec une précision < 1m

Le segment de contrôle : 5 stations terrestres. • Suivi des satellites • Calcul des éphémérides opérationnelles. • Contrôle de la marche des horloges satellites • Corrections des erreurs de position. • Transmission des informations aux satellites

Le segment utilisateur : récepteur GPS • Mesure distance récepteur – satellite. • Calcule la position utilisateur.

1-3-2 Principe de fonctionnement.

• Principe du GPS différentiel: on mesure sa position par rapport à un récepteur fixe, dont la position est connue et permet d’appliquer des corrections • Ce service (payant) se développe à proximité des aéroports et des côtes

Le GPS calcule la position par triangulation : • le satellite émet une onde électromagnétique de vitesse connue • le récepteur calcule le temps mis par cette onde pour l’atteindre • le récepteur sait alors qu’il se trouve sur une sphère centrée sur le satellite

•En recoupant les informations de 2 satellites, le lieu géométrique du récepteur devient un cercle Les signaux se propagent à la vitesse de la lumière

Distance = durée x 299,79.106 m/s

1µs de retard = 300m de distance Pour atteindre une résolution de l’ordre du mètre, il faut une précision du ns

• Avec 3 satellites, l’intersection se réduit à un (ou 2) points ( les deux points se différencient par l’altitude ) Le récepteur ne connaît pas l’heure exacte, mais seulement son écart relatif par rapport aux 3 satellites.

Il a alors besoin d’un 4ème

satellite pour figer sa position exacte. Dans la pratique, le récepteur utilise entre 4 et 12 satellites pour calculer sa position. Plus il y en a, plus sa position est précise

Chaque satellite émet trois types de données - un almanach : permet de calculer sa position exacte.

L’almanach contient toutes les données sur - le type de satellite - son état de fonctionnement

- le calcul précis de son orbite (précision < 1 m) - un code C/A (code approximatif) : pour un calcul approximatif du retard. - un code P (précis) : pour un calcul plus précis du retard.

Une fois traitées, les informations issues du récepteur se présentent sous forme de série de trame NMEA 0183 ( National Marine Electronic Association) ou NMEA 2000 selon les appareils utilisés

Format de la trame NMEA 0183

Exemple de trame NMEA 0183:

$GPRMC,225446,A,4916.45,N,12311.12,W,000.5,054.7,191109,020.3,E*68 GPRMC: Trame RMC (Recommended Minimum Navigation Information ) issue d’un GPS 225446 = Heure 22:54:46 UTC A = Alerte du logiciel de navigation ( A = OK, V = warning (alerte) 4916.45,N = Latitude 49°16.45' North 12311.12,W = Longitude 123°11.12' West 000.5 = vitesse au sol 054.7 = cap (vrai) 191109 = Date du fix 19 Novembre 2009 020.3,E = Déclinaison Magnétique 20.3 deg Est *68 = checksum obligatoire Non représentés CR et LF

Le récepteur GPS est capable de générer différents types de trames, selon l’utilisation souhaitée: RMC ou RMB: trame minimale d’information de navigation GGA : pour GPS Fix (qualification de la réception sat) et Date. GSA : pour DOP ( Horizontal dilution of position ) et satellites actifs. GSA : pour DOP ( Horizontal dilution of position ) et satellites actifs. GLL : pour Positionnement Géographique Longitude-Latitude. GSV : pour Satellites visibles. VTG : pour Direction (cap) et vitesse de déplacement (en nœuds et Km/h). 1-3-3 Les applications.

1-4 Les technologies alternatives. � GLONASS : GLObal Navigation System

� Premier satellite lancé en 1982 par URSS � Similaire au GPS américain � Aucune détérioration du signal civil � Mais système à l’abandon depuis la fin de l’URSS (6 satellites…)

� Aide à la navigation aérienne : � But : accroître la précision et la fiabilité du GPS pour la navigation aérienne et maritime � Programme EGNOS (Europe) : Utilise les signaux du GPS et du GLONASS � Corrections par 3 satellites européens et des stations au sol � Programme similaire : WAAS américains (Wide Area Augmentation System) et MSAS japonais (MT Sat - Based Augmentation System)

� Structure générale de Galileo (en 2005) : � 30 satellites dont 3 de secours � 2 centres de contrôles Galileo en Europe � 20 stations de télémesures réparties sur la terre � L’utilisateur est en mesure de recevoir des données d’au moins 2 satellites à tout instant � Pourquoi un GPS européen : � problème de la couverture satellite (plus de 3 satellites nécessaires) � problème d’accès en cas de crise � indépendance de l’Europe (emploi, recherche)

Défense Tir guidé par GPS

Positionnement et suivi Sert à connaître la position des véhicules à un instant

donné

Navigation aérienne Pêche / navigation maritime localisation couplée au sondeur

Agriculture Utilisation du GPS pour le dosage des engrais

2- Communication mobile par « GSM »

GSM : Global System for Mobile Communication Utilisation d’une liaison radio entre le téléphone et le réseau

Cette liaison radio doit permettre : L’ itinérance (roaming) de l’utilisateur à travers le réseau La communication en tout point du réseau : nécessité de réaliser un transfert Intercellulaire (handover)

Mais : Problème de confidentialité : diffusion des ondes radios Coût de la fréquence radio : ressource limitée Interférences du milieu de l’utilisateur Mobile : système embarqué : peu de puissance

Nécessité d’une installation fixe pour gérer l’itinérance et le transfert L’opérateur doit installer des antennes fixes Chaque antenne définie une cellule Toutes les antennes définissent une zone de couverture propre à l’opérateur

Les cellules sont de taille variable : macro cellule : 1 à 35 Km micro cellule : 100 m à 1 Km pico cellule : 10 à 100 m.

2-1 Les cellules : Chaque cellule a sa fréquence de communication. Pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer entre les cellules : technique SDMA ( Space Division Multiple Access ). Les cellules adjacentes ne doivent pas avoir la même fréquence de communication.

2-2 Codage de l’information. GSM utilise : la bande 890 – 915 MHz pour antenne vers mobile la bande 935 – 960 MHz pour mobile vers antenne GSM partage l’accès aux fréquences : FDMA (Frequency Division Multiple Access) 124 canaux de 200 KHz TDMA (Time Division Multiple Access) 8 tranches de 0.576 ms par canaux

Gestion du transfert intercellulaire :

Sécurité des transmissions assuré par : Un numéro secret pour l’authentification : International Mobile Subscriber Identity Un clé d’authentification Ki (128 bits) Une clé de chiffrement Kc (64 bits) 3 algorithmes de chiffrement sont utilisé dans le GSM : A3, A8 et A5 Les algorithmes sont secret ! 2-3 Architecture. Le réseau GSM a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles (GSM) et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC - réseau fixe). Le réseau GSM s'interface avec le réseau RTC et comprend des commutateurs. Le réseau GSM se distingue par un accès spécifique : la liaison radio.

Le GSM est organisé de la façon suivante : Le système radio mobile (Mobile Station) : l’utilisateur Le système de gestion radio (Base Station Subsystem) : l’antenne Le sous système réseau (Network Switching Subsystem) interconnexion des antennes Le système de gestion réseau (Network Management Subsystem) : supervision du réseau L’ensemble forme le Public Land Mobile Network

La partie BSS comprend : Base Transceiver Station : L’antenne Gère la liaison radio antenne – mobile Gère la couche physique et liaison de donnée Base Station Controler : Organe intelligent du BSS Allocation des canaux de communication Gestion itinérance et transfert communication

Le système GSM : Couvre les zones terrestres Permet d’envoyer/recevoir la voix et des messages court (SMS) Nouvelle norme : UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) , WAP, GPRS (General Packet

Radio Service) Le réseau UMTS vient se combiner aux réseaux déjà existants. Les réseaux existant GSM et GPRS

apportent des fonctionnalités respectives de Voix et de Data ; le réseau UMTS apporte ensuite les fonctionnalités Multimédia.