GPS: SITES OFFICIELS

A la découverte du GPS: COURS SUR LE WEB

LE SECTEUR SPATIAL EN CHIFFRES (Septembre 2002)

La constellation contient plusieurs générations de satellites. Si aucun satellite du bloc I n'est encore actif, on compte 4 satellites du bloc II, 18 du bloc IIA, et 6 du bloc IIR. Leur durée de vie moyenne est estimée à 7,5 années, pour un maximum de 10 ans. Les horloges atomiques embarquées sont soit au Césium, soit au Rubidium, la précision du temps étant estimée à 10^-9 s.

Envisagé par le Pentagone dès 1968, le système GPS a été conçu et développé depuis 1973 par le département de la Défense des Etats Unis pour un usage militaire. Le premier satellite lancé en 1978, il a été déclaré opérationnel en 1995, comportant alors 24 satellites en orbite autour de la Terre et un segment de contrôle. Depuis 1995, la constellation comporte entre 24 et 28 satellites opérationnels, et les performances du système sont stables:

PROTECTION DU SYSTEME GPS

S.A.: Selective Availibility

La dégradation volontaire du signal (S.A.) a été désactivée sur ordre présidentiel le 2 Mai 2000. La précision du positionnement absolu, résultant de l'utilisation du seul code C/A sur L1 et très utilisé en navigation grand public, a été améliorée d'un facteur 10, soit environ 5 à 10m. Les méthodes de positionnement utilisées en géodésie et topographie, recherchant une grande précision, n'ont pas été modifiées par ce changement.

A.S.: Antispoofing

Un système d'anti leurrage (A.S.) est actif sur tous les satellites lancés depuis le 31/01/94. Afin d'éviter la défaillance du positionnement provoqué par la présence d'un leurre (faux satellite émettant un signal comparable), les militaires utilisant le code P (émis sur L1 et L2, dix fois plus précis que le code C/A), l'ont crypté pour former le code P/Y. La précision militaire est estimée de 2 à 9m. Les civils, travaillant avec le code C/A, ne sont pas protégés contre le leurrage.

NIVEAUX DE PRECISION

On distingue le S.P.S. (Standard Positioning Service) accessible à tous les utilisateurs et reposant sur l'utilisation code C/A, et le P.P.S. (Precise Positioning Service) réservé à des utilisateurs autorisés par le ministère de la défense des U.S.A., permettant d'obtenir avec davantage de précision la position, la vitesse, et la synchronisation instantanées des satellites. Il est basé sur l'utilisation bifréquence du code P (issu du code Y décrypté: voir Protection du système, A.S.).

En temps réel, le PPS n'est pas accessible pour les civils et la précision actuelle (2003) des orbites radiodiffusées par les satellites est de 1 à 2m. De nombreux tests topographiques récents prouvent que l'utilisation des orbites radiodiffusées pour le calcul de lignes de bases supérieures à 100km suffit à l'obtention de la précision centimétrique.

En temps différé, il est possible de télécharger sur le site de l'International GPS Service (IGS) des orbites précises permettant d'affiner le poitionnement : orbites ''Ultra rapides'' de précision 50cm, des orbites ''Rapides'' de précision 20cm 24 heures plus tard, et des orbites ''Précises'' de précision 5cm huit à quinze jours plus tard. L'utilisation de ces données en différé peut s'avérer utile en géodésie pour les calculs de très grandes lignes de base et la recherche d'une précision millimétrique .

Précisions obtenues avec les codes PRN

	Code C/A	Code P/Y
Pseudodistances	0,5 à 2m	10 à 50 cm
Positionnement absolu	5 à 10m	2 à 9m
DGPS Code	0,5 à 3m	0,3 à 2m

 

Précision obtenue avec les phases L1 et L2

Différentiel bifréquence

2mm à 20cm

 

Ce qui fait varier la précision...

Essentiellement la géométrie des satellites (GDOP), les multitrajets, la durée des observations, les modèles iono et tropo utilisés.

SECTEUR DE CONTRÔLE

Cinq stations au sol poursuivent les satellites en enregistrant en permanence tous les signaux. Le centre de calcul de Colorado Springs (Master Control Station) actualise les orbites et les almanachs, synchronise les horloges, calcule les paramètres de modèlisation ionosphérique, enregistre l'état de santé des satellites. Toutes ces informations sont régulièrement transmises aux satellites. Des tests récents (2002) évaluent la précision des orbites radiodiffusées au niveau 1 à 2m.

... LA PETITE HISTOIRE DU GPS CIVIL ...

Les premières applications civiles du GPS se réduisaient à l'utilisation du S.P.S.(Standard Positioning Service) : Positionnement absolu code C/A utilisant les orbites radiodiffusées, de précision moyenne 50m.

Au début des années 80, deux radio-astronomes du M.I.T. (Massachusets Institute of Technology), Shapiro et Counselman, proposent d'utiliser les phases à la place des codes, comme ils traitaient déjà les signaux radioélectriques extragallactiques VLBI (Very Long Baseline Interferometry): c'est le début du GPS centimétrique, puis millimétrique. On peut citer également Javad Ashjee, jeune ingénieur de chez Trimble qui utilisa le premier récepteur phase sans s'en rendre compte, et Benjamin Remondi qui proposa une résolution astucieuse des ambiguïtés entières. Ces immenses progrès dans le positionnement ne sont donc pas nés de longs débats au sein de commissions, mais d'un esprit d'ingéniosité remarquable.

Il est bon de rappeler que le GPS a été conçu comme un outil des forces armées des USA. Personne n'avait imaginé les centaines d'applications civiles reposant aujourd'hui sur la technologie GPS: géodésie, géophysique, cartographie, topographie, océanographie, transfert de temps et synchronisation, météorologie, ingéniérie industrielle, exploitation offshore, gestion maritime, agriculture et pêche, espace, loisirs...

Le fait que GPS soit d'abord et toujours un outil militaire unilatéral (USA) limite les investissements industriels civils dans le monde et particulièrement en Europe. La concurence et l'indépendance du système civil Galileo vont développer la notion de service comme objectif essentiel.

SIGNAUX ACTUELS

Les satellites émettent des signaux vers la Terre sur deux bandes de fréquences L1 et L2. Ces signaux sont modulés par deux types de codes pseudo aléatoires appelés codes PRN (Pseudo Random Noise): les codes Coarse/Acquisition C/A sur L1 et Precision/Secure P/Y sur L1 et L2. Les utilisateurs civils accèdent aux signaux L1 et L2, mais seulement au code C/A sur L1.

L'intérêt de la bande L2 est qu'elle permet de de calculer des corrections ionosphériques utiles aux utilisateurs: en effet la non prise en compte des effets ionosphériques peut engendrer des erreurs jusqu'à 40m dans le calcul des pseudodistances. L'ionosphère étant un milieu dispersif en fonction de la fréquence (de type 1/f^2), la combinaison des fréquences L1 et L2 est un très bon moyen de calculer les effets de la réfraction du signal causés par la présence d'électrons libres dans l'ionosphère. Ainsi les militaires ayant accès à deux codes modulant deux fréquences ont un positionnement absolu de meilleure qualité.

L'IONOSPHERE: LA PRINCIPALE SOURCE D'ERREUR

Les erreurs causées par la traversée de l'ionosphère représentent la part essentielle du bilan d'erreurs. Ses effets varient en fonction de l'heure dans la journée, des saisons, et de l'activité solaire présentant une périodicité de 11ans.

METHODES DE POSITIONNEMENT GPS CIVILES

En positionnement absolu, obtenu uniquement à partir du code C/A, l'application des paramètres de modélisation ionosphérique et troposphérique contenus dans le message transmis par les satellites est indispensable pour obtenir une précision de quelques mètres.

En positionnement différentiel l'utilisation des paramètres de modélisation ionosphérique radiodiffusés est moins utile:

• DGPS métrique/submétrique (code ou code/phase): application de corrections différentielles sur les pseudodistances,
• Différentiel phase Temps différé ou RTK (Real Time Kinematic) centimétrique / millimétrique (phases sur L1 et L2): le traitement des lignes de base par différences de phases élimine les effets ionosphériques.

En revanche les erreurs troposphériques variant en fonction des paramètres température-pression-humidiré, ne disparaissent pas totalement en positionnement différentiel. L'utilisation de modèles est indispensable pour affiner les résultats.