Systèmes de positionnement

Introduction 

Deux types de systèmes de positionnement et navigation sont présentés : par satellites (GNSS – Global Navigation Satellite System), et par navigation inertielle. Les capteurs de navigation nous permettent de calculer la position, l’orientation, la vitesse et le temps du récepteur. Les GNSS permettent de déterminer la position, la vitesse et le temps. A minima, quatre satellites sont nécessaires pour estimer ces informations : 3 pour la position et un pour le temps. Les données des capteurs inertiels permettent quant à eux d’estimer la position, la vitesse et l’orientation du récepteur. Contrairement aux systèmes de positionnement par GNSS, la navigation inertielle est entièrement autonome et n’utilise aucun signal externe pour déterminer une solution de navigation. Elle sera donc opérationnelle dans des environnements difficiles (forêt, bâtiment, …) contrairement au positionnement par GNSS. Les données inertielles sont souvent couplées avec des données GNSS pour améliorer la précision de la position et de la vitesse du récepteur. Le Tableau 2.1 présente les avantages et inconvénients de l’utilisation de chacun des systèmes GNSS et INS [14].Les avantages de l’intégration GNSS/INS sont perceptibles à différents niveaux autant pour l’acquisition de signaux GNSS de faible intensité que pour la poursuite de ces derniers en environnement difficile. Les avantages d’une solution hybride GNSS/INS s’explique principalement par la complémentarité qui existe entre ces systèmes et qui est illustrée dans la Figure 2.1. La Figure 2.1 présente les avantages synergiques de la combinaison les données GNSS et les données INS. Les erreurs de capteurs inertielles sont corrigées à l’aide des précisions de GNSS. Ensuite, cela permet les mesures inertielles plus précises. Et puis, la susceptibilité au bruit du récepteur est réduite. Après, les performances du système antibrouillage sont améliorées. Enfin, la navigation est plus précise grâce à la combinaison des données GNSS et des données INS. 

Les systèmes satellitaires

Principe du positionnement par satellites

 On distingue deux méthodes de positionnement par satellite. La première porte sur le positionnement absolu qui utilise une simple trilatération à partir des informations émises par les satellites visibles. Quant à la deuxième méthode, elle consiste en un positionnement relatif qui utilise une station de base dont la position est bien connue. Cette station transmet aux récepteurs les corrections des erreurs de trilatération pour améliorer la précision de position.

Positionnement absolu

 Le positionnement absolu utilise le principe de la trilatération de signaux électromagnétiques synchronisés émis par les satellites. Les signaux émis par les satellites sont codés selon des codes pseudo aléatoires. Une réplique de la séquence du code du satellite est générée par le récepteur. Le temps de propagation correspond à la différence de temps entre deux instants : « code généré » et « code reçu » au niveau du récepteur. Ce temps multiplié par la vitesse de la lumière dans le vide donne une mesure de distance qui est appelée pseudo-distance. Une seule distance n’est pas suffisante pour déterminer une position. Théoriquement on a besoin de trois satellites pour obtenir trois pseudo-distances à partir des coordonnées de chaque satellite. Chaque satellite est identifié à partir du code pseudo-aléatoire qu’il envoie. Le récepteur peut ainsi obtenir les coordonnées des trois satellites au moment de l’émission du signal. La position du récepteur est obtenue comme une intersection de trois sphères. Chaque sphère a pour centre un satellite et pour rayon la pseudo-distance qui séparent le satellite du récepteur. En pratique, les horloges des satellites et l’horloge du récepteur ne sont pas synchronisées ce qui ne permet pas de déterminer une bonne position. Un quatrième satellite est alors utilisé pour déterminer l’erreur d’horloge du récepteur. Le principe de ce fonctionnement est illustré dans la Figure 2.2

Positionnement relatif

 Le positionnement relatif correspond au GNSS différentiel (DGNSS). Il fonctionne de la même manière que le système de positionnement GNSS absolu, mais il offre une solution plus précise. Pour cela, le récepteur doit être équipé d’un boîtier supplémentaire permettant de recevoir des corrections fournies par les stations de base. Le principe du positionnement relatif est assez simple : les mesures effectuées en une position bien connue sont comparées aux valeurs théoriques. La différence obtenue permet de fournir des corrections retransmises vers le récepteur qui les intègre dans le calcul de sa position, améliorant ainsi sa précision. Ces corrections sont intégrées soit directement dans le calcul de la position, ou dans la mesure des pseudo-distances. Les algorithmes de positionnement absolu et du positionnement relatif seront présentés en détail dans le chapitre 4. Il existe actuellement plusieurs systèmes GNSS, les quatre systèmes les plus aboutis sont : GPS, Glonass, Galileo et Beidou. Chacune des technologies se décompose en trois segments : (a) segment spatial, (b) segment de contrôle, et (c) segment utilisateurs. Aujourd’hui, deux systèmes sont pleinement opérationnels et couvrent l’ensemble de la surface terrestre : GPS et GLONASS. Les deux autres systèmes de positionnement par satellites : Galileo et Beidou sont en cours de déploiement. 

Le GPS

 Le système GPS a été développé par le DOD (Department of Defense) des Etats Unis à partir de 1978 et fut complétement opérationnel en 1995. Pour la navigation, il utilise trois fréquences porteuses : L1=1575,42 MHz, L2=1227,60 MHz et L5=1176,45 MHz. 

Composantes principales du système GPS

 Le GPS comprend trois segments principaux, ils sont présentés ci-dessous. a) Segment spatial Le segment spatial se compose de 24 satellites, répartis sur 6 orbites inclinées de 55° sur le plan équatorial et situées à une altitude de 20,184 km avec une période de 11h58 min 2s. Ces satellites sont positionnés de telle sorte à avoir au moins quatre satellites visibles du sol partout dans le monde. Plusieurs classes ou types de satellites GPS ont été utilisés : Bloc I (ne sont plus  satellites), Bloc IIR-M (7 satellites), Bloc IIF (12 satellites) et Bloc III (2 satellites) en avril 2020. b) Segment de contrôle Le segment de contrôle se compose de (source : gps.gov) :  Une station de contrôle principale (MCS-Master control station),  Une station de contrôle alternative,  Onze antennes de commande et de contrôle,  Seize sites de surveillance. Les stations de surveillance suivent passivement tous les satellites en vue, accumulant des données de télémétrie. Ces informations sont traitées au MCS pour déterminer les orbites des satellites et mettre à jour le message de navigation de chaque satellite. Les informations mises à jour sont transmises à chaque satellite via les antennes au sol. 

c) Segment utilisateur Le segment utilisateur regroupe l’ensemble de tous les utilisateurs civils et militaires du système GPS. Les utilisations principales sont le positionnement absolu ou relatif par le code et/ou par la phase et la datation précise d’événement. Deux types de services, basés sur des mesures de code, sont offerts aux utilisateurs : – Le SPS (Standard Positioning Service) : c’est le service de positionnement qui est accessible à tout utilisateur disposant d’un récepteur GPS. C’est un service gratuit et anonyme, – Le PPS (Precise Positioning Service) : c’est le service de positionnement précis du GPS ; il nécessite d’obtenir des clés de décodage auprès du DOD américain. Il est réservé aux militaires américains et à leurs alliés. 

Structure du signal GPS 

Les signaux du système GPS sont codés selon CDMA (Code Division Multiple Access). Un signal GPS est constitué d’une porteuse, une séquence unique de code PRN (Pseudo-Random Noise) et un message contenant les données de navigation appelé message de navigation. Les différents satellites transmettent tous sur la même fréquence sans interférences entre les différents canaux. Ceci est possible avec l’utilisation des codes PRN qui sont uniques et orthogonaux. Ces codes sont utilisés pour calculer la distance entre le satellite et le récepteur. Les satellites GPS émettent plusieurs signaux codés, à destination civile comme le code C/A (Coarse/Acquisition), L2C, L5C ou militaire comme le code P(Y), M-code, les caractéristiques des signaux sont données dans le Tableau 2.2.