Gilles Tavernier LOCALISATION PAR SATELLITE

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1 Gilles Tavernier LOCALISATION PAR SATELLITE

2 SOMMAIRE Le positionnement, les coordonnées géographiques Bref historique Émergence des techniques spatiales Visibilité, couverture géographique, couverture dans le temps Localisation : où est-il? Navigation : Où suis-je? Deux techniques de mesure : Doppler et distance POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 2

3 SOMMAIRE Expérimentation Effet Doppler Mesure de délai Différents systèmes et leurs applications Transit GNSS : GPS, Glonass, Galileo Argos Cospas-Sarsat DORIS POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 3

4 SOMMAIRE Applications Les services à la personne Les services aux professionnels Les services pour l environnement Les services pour les sciences Exercices sur la notion de visibilité Satellites ARGOS Satellites GPS POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 4

5 LE POSITIONNEMENT Terre ~ sphère (aplatie aux pôles) Repérer un objet, un homme, un animal, un véhicule (terrestre, marin, aérien, spatial), une infrastructure dans le voisinage de la terre Notion de carte POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 5

6 LE POSITIONNEMENT POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 6

7 LE POSITIONNEMENT Latitude Origine plan de l équateur - 90 N/90 S Longitude Origine Greenwich - 0 /360 ou -180 /+180 Angles Minute d arc Seconde d arc POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 7

8 LE POSITIONNEMENT Exemple de coordonnées angulaires POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 8

9 LE POSITIONNEMENT Altitude Fil a plomb Niveau moyen de la mer GEOIDE Surface équipotentielle du champ de pesanteur coïncidant avec le niveau moyen des océans Référence dynamique h H N H1 h1 H2 h2 Topographie ELLIPSOIDE Surface mathématique qui approche la forme de la Terre Référence géométrique POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 9

10 BREF HISTORIQUE Détermination de la latitude Latitude = «éloignement» par rapport à l équateur Idée : repérer la direction de l axe des pôles (axe de rotation de la Terre) Axe des pôles matérialisé par une étoile proche de cet axe Actuellement : étoile Polaire (alpha de la Petite Ourse) Seule étoile fixe dans le ciel de l hémisphère Nord (rotation de la Terre) Mesure de la hauteur de la polaire au-dessus de l horizon = latitude Marins avant 1960 : mesure de la hauteur du Soleil passant au méridien Ou 3 étoiles au lever et au coucher du soleil POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 10

11 BREF HISTORIQUE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 11

12 BREF HISTORIQUE Détermination de la longitude Pas de méthode astronomique simple Horloge marine ou signal radio à partir du début du XXe siècle Heure solaire vraie : midi lorsque le soleil traverse le plan du méridien Rotation de la Terre 360 en un peu moins de 24 heures (notion de jour sidéral) soit ~15 degrés par heure Comparaison de l heure solaire vraie du lieu à celle de Greenwich (horloge) : 4 minutes = 1 degré de longitude POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 12

13 BREF HISTORIQUE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 13

14 TECHNIQUES SPATIALES Lune, Soleil et étoiles satellites artificiels Visibilité : ondes électromagnétiques et «hauteur» dans le ciel Couverture géographique : orbite polaire = ensemble du globe Couverture dans le temps : intermittente ou permanente selon le nombre de satellite et la géométrie de leurs orbites POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 14

15 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Pour déterminer la position d un utilisateur, il faut : Connaître la position du satellite Réaliser une mesure entre le satellite et l utilisateur (temps de propagation, Doppler, ) Avoir accès au temps de référence du système De nombreux systèmes ont été développés selon la même structure à trois segments : Segment utilisateur : émetteurs ou récepteurs à localiser Segment spatial : satellites émetteurs / récepteurs. Segment de contrôle : calcule les positions (éphémérides) des satellites et définit le temps de référence du système On distingue deux classes : systèmes descendants et les systèmes ascendants POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 15

16 LES SYSTEMES ASCENDANTS Les satellites enregistrent la mesure et les données Le segment utilisateur est constitué d émetteurs Le segment de contrôle calcule la position et fait l acquisition des données. POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 16

17 LES SYSTEMES ASCENDANTS D une façon générale ce sont les systèmes de localisation et de collecte de données. Exemples : ARGOS, COSPAS-SARSAT, DORIS... POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 17

18 LOCALISATION Où est-il? POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 18

19 LES SYSTEMES DESCENDANTS Le segment spatial est constitué des satellites qui émettent un signal incluant leur position Le segment utilisateur reçoit le signal du satellite et calcule lui-même sa position à partir de la position du satellite et d une mesure (Doppler, pseudo-distance, phase ) Le segment de contrôle transmet les positions (éphémérides) des satellites POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 19

20 LES SYSTEMES DESCENDANTS D une façon générale ce sont les systèmes de navigation. Exemples : TRANSIT, GPS, GLONASS, GALILEO. POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 20

21 NAVIGATION Où suis-je? POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 21

22 MESURE DOPPLER Mesure du décalage d une fréquence f r = f o * (1-v r /c) + Df f r : fréquence reçue par le récepteur f o : fréquence émise par l émetteur v r : vitesse de rapprochement apparente émetteur récepteur (géométrique + propagation + effets propagation) c : célérité de la lumière Df : décalage des fréquences de référence émetteur/récepteur POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 22

23 MESURE DOPPLER POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 23

24 MESURE DE DISTANCE Mesure de la durée de propagation d un signal c*dt = r2(t 0 +dt) - r 1 (t 0 ) t 0 : date à laquelle le signal quitte l'émetteur t 0 +dt : date à laquelle le signal atteint le récepteur r 1 : position émetteur, r 2 : position récepteur POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 24

25 MESURE DE DISTANCE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 25

26 NAVIGATION : TRANSIT Système militaire américain de navigation ( ) Fréquences radio : 150 MHz et 400 MHz Constellation de 6 satellites : 1100 km, orbite polaire Une quarantaine de satellites lancés entre 1959 et 1988 Principe : décalage Doppler, trajet descendant Émetteurs : satellites de position connue Récepteurs : jusqu à utilisateurs Visibilités intermittentes Couverture mondiale Précision : 200 à 300 m (1 seul passage) Accès libre et gratuit POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 26

27 NAVIGATION : GPS Système militaire américain de navigation (depuis 1995) Fréquences radio : 1227,60 MHz et 1575,42 MHz Constellation de 24 (31) satellites : km, inclinaison : satellites lancés depuis 1989 (15/03/08) Principe : mesure de temps, trajet descendant Émetteurs : satellites de position connue Récepteurs : plusieurs dizaines (centaines?) de millions Visibilités permanentes Couverture mondiale Précision : 10 m à 1 cm Accès libre et gratuit POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 27

28 NAVIGATION : La constellation GPS POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 28

29 NAVIGATION : GLONASS Système militaire russe de navigation (depuis 1995) Fréquences radio : 1227 MHz et 1575 MHz Constellation de 24 (19) satellites : km, inclinaison : 64,8 Une quarantaine de satellites lancés depuis 1995 Principe : mesure de temps, trajet descendant Émetteurs : satellites de position connue Récepteurs : une soixantaine de stations GPS/GLONASS IGS Visibilités permanentes Couverture mondiale Précision : 10 m à 1 cm Accès libre et gratuit POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 29

30 NAVIGATION : GALILEO Futur système civil européen de navigation (2013?) Fréquences radio : 1192 MHz, 1279 MHz, 1575 MHz &? Constellation de 30 satellites : km, inclinaison : 56 Deux satellites lancés : GIOVE-A & B 28/12/2005 et 27/ Principe : mesure de temps, trajet descendant Émetteurs : satellites de position connue Récepteurs : 100 millions d utilisateurs en 2010? Visibilités permanentes Couverture mondiale Précision : 10 m à 1 cm Accès libre et gratuit ou amélioré, payant et crypté POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 30

31 LOCALISATION : ARGOS Système civil franco-américain de localisation et de collecte de données (depuis 1978) Fréquence radio : 401,75 MHz 5 ou 6 satellites en orbite polaire (NOAA, METOP, SARAL ) Deux satellites lancés depuis 2006 Principe : mesure de décalage Doppler, trajet montant Émetteurs : balises terrestres à localiser (plus de 10000) Récepteurs : satellites d orbite connue Visibilités intermittentes Couverture mondiale Précision : 150 m à 350 m, quelques m avec un récepteur GPS Accès payant et limité aux utilisateurs légitimes POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 31

32 LOCALISATION : COSPAS-SARSAT Système civil international de localisation des détresses (depuis 1982) Fréquences radio : 406 MHz (121,5 MHz) 6 satellites en orbite polaire (russes et américains) + 5 satellites géostationnaires (36000 km) Principe : mesure de décalage Doppler, trajet montant Émetteurs : balises à localiser ( à 406 MHz, 1 million en 2010, à 121,5 MHz) Récepteurs : satellites d orbite connue Visibilités intermittentes Couverture mondiale Précision : 2 km à 406 MHz, 20 km à 121,5 MHz amélioration avec un récepteur GPS Accès libre et gratuit POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 32

33 LOCALISATION : COSPAS-SARSAT POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 33

34 LOCALISATION : DORIS Système civil français d orbitographie et de positionnement (depuis 1990) Fréquences radio : 401,25 MHz et 2036,25 MHz 6 satellites en orbite polaire (russes et américains) + 5 satellites géostationnaires (36000 km) Principe : mesure de décalage Doppler, trajet montant Émetteurs : balises terrestres de position connue (~60) ou à localiser Récepteurs : satellites à localiser ou d orbite connue (5 6) Visibilités intermittentes Couverture mondiale Précision : quelques cm pour les satellites et pour les balises Accès gratuit (orbitographie, positionnement scientifique) ou payant (positionnement commercial) POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 34

35 LOCALISATION : DORIS POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 35

36 LOCALISATION : réseau DORIS 90 SPITZBERG 60 FAIRBANKS YELLOWKNIFE REYKJAVIK METSAHOVI KRASNOYARSK 30 0 KAUAI GOLDSTONE SOCORRO OTTAWA RICHMOND GALAPAGOS SAINT-JOHN'S KOUROU TOULOUSE PONTA DELGADA DIONYSOS ARLIT DAKAR DJIBOUTI LIBREVILLE KITAB BADARY EVEREST COLOMBO YUZHNO-SAKHALINSK PURPLE MOUNTAIN MANILLE GUAM -30 WALLIS PAPEETE RAPA EASTER ISLAND AREQUIPA SANTIAGO CACHOEIRA ASCENSION SAINTE-HELENE TRISTAN DA CUNHA LA REUNION HARTEBEESTHOEK AMSTERDAM CIBINONG YARRAGADEE PORT MORESBY NOUMEA MOUNT STROMLO CHATHAM RIO GRANDE MARION ISLAND KERGUELEN -60 ROTHERA SYOWA TERRE ADELIE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 36

37 NAVIGATION : GPS - mesure de pseudo-distance Chaque satellite génère en fonction du temps un code binaire pseudo-aléatoire «C/A» qui lui est propre le récepteur génère les N codes possibles (31 pour GPS) et les compare au code reçu Code C/A généré par le satellite et reçu par le récepteur. Code C/A généré par le récepteur. POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 37

38 NAVIGATION : GPS - mesure de pseudo-distance par corrélation des deux signaux on - identifie le numéro du satellite - en déduit le temps de propagation : t r rec - t e sat on définit la pseudo-distance par: R = c.(t r rec - t e sat) Mesure biaisée par: décalage d horloge satellite par rapport au temps GNSS (contenu dans les éphémérides) décalage d horloge récepteur par rapport au temps GNNS (inconnu) délai de propagation du signal dans l atmosphère (négligé ou modélisé) POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 38

39 NAVIGATION : GPS - calcul de la position en temps réel 4 inconnues : X rec, Y rec, Z rec, D t rec (propres au même récepteur) 4 équations nécessaires 4 mesures nécessaires au même instant 4 satellites GNSS sont nécessaires au même instant pour synchroniser le récepteur et déterminer sa position POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 39

40 NAVIGATION : GPS différentiel Récepteur de référence fixe et de position connue avec précision Possibilité de fournir des «corrections» à d autres récepteurs (100 km) Précision métrique, voire centimétrique POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 40

41 NAVIGATION : GPS différentiel POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 41

42 NAVIGATION : complément GPS Faiblesses du système GPS Intégrité : données erronées fournies par un satellite défaillant Vulnérabilité au brouillage radio (autres émetteurs, scintillation iono ) Dépendance vis-à-vis des autorités militaires américaines Systèmes complémentaires Expérience CE-GPS, projet Euridis, programme EGNOS Information supplémentaires : exactitude des données reçues et amélioration des performances 30 stations sol (GSP & Glonass) et 4 centres de contrôle Données d intégrité et corrections différentielles transmises via des satellites géostationnaires WAAS en Amérique du Nord (depuis 2003) MSAS au Japon POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 42

43 NAVIGATION : complément GPS POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 43

44 Différents mode de positionnement pour différentes précisions Mode de positionnement autonome («absolue») : 10 m Un seul récepteur en temps réel (mesure de pseudo-distance) Exemple : Magellan Explorist 100 (~100 ) Mode de positionnement différentiel DGPS («relatif») : 1 m Un seul récepteur en temps réel (mesure de pseudo-distance) + signal d augmentation (ex: EGNOS) Exemple : Garmin Navtalk GPS/GSM (~350 ) POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 44

45 Différents mode de positionnement pour différentes précisions Mode de positionnement differentiel RTK («relatif») : 10 cm Réseau local de récepteurs équipés de moyens de communication Traitement des mesures de phase avec résolution des ambiguïtés De préférence récepteurs bi-fréquences Exemple : Leica SR20 (~3000 ) Mode de positionnement statique précis différé («relatif») : 1 cm Réseau de récepteurs bi-fréquences et d antennes de grande qualité Monumentation adaptée Session de mesures statiques de durée suffisante (plusieurs dizaines de minutes à plusieurs heures) Post-traitement très fin des données avec un logiciel «géodésique» Exemple : Topcon GB1000 (~5000 ) POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 45

46 NAVIGATION : GALILEO - 5 catégories de services Service ouvert Mode basique d utilisation autonome : gratuit, quelques mètres Service commercial Services à valeur ajoutée : payant, précision sub-métrique et intégrité Service de sûreté de la vie Service sécurisé, intègre et garanti : transport aérien Service public réglementé Sécurité civile : utilisateurs habilités (services d urgence, d intervention) Service de recherche et de sauvetage Localisation d utilisateurs équipés d une balise de détresse POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 46

47 NAVIGATION : principaux objectifs - Indépendance et souveraineté - Promotion de l Industrie Européenne Objectifs politiques Objectifs sociétaux Nouveaux services (prévention des risques) Amélioration des services existants Sécurité aérienne, maritime, terrestre Impact sur l environnement Objectifs économiques Objectifs technologiques Nouvelles technologies Retour d expérience important Forte synergie dans le domaine de la navigation Émergence d un marché mondial en croissance forte (lié à la technologie et aux services) Impact sur emplois et services Gains économiques liés à la modernisation et la fiabilisation POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 47

48 Interopérabilité, compatibilité, hybridation et interprétation Aujourd hui plusieurs systèmes de positionnement «cohabitent» simultanément. Ces systèmes sont-ils compatibles? (pas de dégradation d un système tiers) OUI! Ces systèmes sont-ils interopérables? (amélioration en cas d hybridation) OUI! Mais au prix de négociations tendues entre UE et USA par exemple Sous entend un accord sur les systèmes de référence et la connaissance de l écart entre les échelles de temps des différents systèmes POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 48

49 Interopérabilité, compatibilité, hybridation et interprétation Intérêt de les hybrider? OUI (plus de satellites en visibilité dans les canyons urbains par exemple) Comment interpréter les coordonnées? Est ce que GPS et Galileo donneront les mêmes coordonnées du même point? Comment positionner un point GPS sur une carte Topo française? Comment interpréter les hauteurs par rapport aux altitudes? POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 49

50 GNSS : services et applications Les services à la personne Les services aux professionnels Les services pour l environnement Les services pour les sciences POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 50

51 Les services à la personne LBS (Location Based Service) : Localisation Optimisation de trajets Appel de détresse Surveillance d enfants, de personnes déficientes, de détenus, Suivi de véhicules volés Plus de 2 milliards de téléphones «mobiles» en 2010 Expéditions Loisirs POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 51

52 Les services à la personne Véhicules personnels -Navigation -Guidage -Optimisation des trajets (en fonction des embouteillages) -Appel automatique des secours en cas d accident -Diagnostic à distance des pannes 670 millions d automobiles en 2010 Intérêt majeur d une hybridation GPS/Galileo en zone urbaine POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 52

53 Les services aux professionnels Aviation civile Navigation Gestion du trafic, de flotte Guidage Sécurité Suivi de matières dangereuses Routier Maritime Rail POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 53

54 Les services aux professionnels Chantiers Gestion de flotte Guidage Sécurité Horodatage des opérations (banque, bourse) Banque Topographie Collectivité POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 54

55 Les services pour l environnement Pêche Air, eau Quotas et zones de pêche Hydrologie et gestion de l eau Surveillance de zones sismiques et des glissements de terrain Gestion de la pollution Optimisation des épandages d engrais et de pesticides Télé-relève Agriculture de précision Météorologie POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 55

56 Les services pour l environnement Océanographie Exemple : suivi de bouées POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 56

57 Les services pour les sciences : géophysique Déformations horizontales (failles actives, volcans, ) et verticales (zone de subduction) Déplacements horizontaux : tectonique globale Déplacements verticaux : isostasie, effets de charges Rattachement à des Marégraphes (niveau moyen des océans) Rattachement à des Gravimètres (bilan de masse de l Antarctique) POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 57

58 Les services pour les sciences : tectonique POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 58

59 Les services pour les sciences : tectonique POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 59

60 Les services pour les sciences : déplacements verticaux POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 60

61 Les services pour les sciences : mouvement du géocentre POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 61

62 Les services pour les sciences : rotation terrestre POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 62

63 Les services pour les sciences : ionosphère POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 63

64 Les services pour les sciences : applications spatiales Navigateur embarqué DIODE (DORIS), DIOGENE (GPS) Trajectographie des satellites LEO, MEO, GEO et orbitographie dynamique (cartographie du champ de gravité) Sondage atmosphère «limb-sounding», altimétrie océans Vol en formation POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 64

65 Les services pour les sciences : altimétrie POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 65

66 Les services pour les sciences : Champ de gravité - Géoide POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 66

67 Les services pour les sciences : Champ de gravité - Géoide POSITIONNEMENT PAR SATELLITE 67