Système mondial de positionnement par satellites américain (GPS)

Le système GPS est le mieux connu puisqu’il est le premier système à être pleinement opérationnel, et ce, depuis près de 15 ans. Il a été développé par l’armée américaine dans les années 70 pour des fins militaires.

Le segment spatial est constitué d’au moins 24 satellites répartis sur six plans orbitaux avec une inclinaison de 55o par rapport à l’équateur. Ces satellites, à une distance d’environ 26 560 km du centre de la Terre, effectuent un tour complet à chaque 11 heures et 58 minutes. La configuration de la constellation assure, en moyenne, qu’entre 5 et 7 satellites sont visibles peu importe la position sur la surface de la Terre. Cependant, au moins un satellite de remplacement est ajouté dans chacun des plans augmentant ainsi le nombre de satellites visibles (ARINC, 1993).

2.2.2 Présentation des signaux civils GPS actuels

Les signaux GPS civils, les anciens comme ceux de la phase de modernisation, sont tous compris dans la bande des Ultra Hautes Fréquences (UHF) allant de 300 MHz à 3 GHz ou

plus précisément de la bande L entre 1164 MHz et 1610 MHz (Calmettes et al., 2004). Ces signaux sont tous, à l’exception d’un seul (i.e. : GPS L1C), une combinaison de CDMA et de modulation par déplacement de phase (PSK – Phase Shift Keying). Le CDMA est un système de codage de transmission basé sur l’étalement du spectre permettant d’utiliser une même bande de fréquence pour la transmission simultanée de plusieurs signaux (Gerakoulis et Gerantionis, 2001). Afin d’identifier la provenance du signal, chaque satellite possède son propre code d’étalement (PRN – PseudoRandom Noise) ayant une propriété de non- corrélation1.

Ces signaux civils sont transmis sur trois fréquences distinctes de la bande L soit : 1575,42 MHz (L1), 1227,60 MHz (L2) et 1176,45 MHz (L5). Avant la modernisation des signaux, seulement le signal d’acquisition grossière sur la bande L1 (GPS L1 C/A) était disponible aux civils. Toutefois, deux nouveaux signaux sont désormais accessibles aux civils bien qu’ils ne soient pas encore transmis par tous les satellites. Ces signaux sont communément nommés GPS L2C et GPS L5. De plus, un nouveau signal sur la bande L1 devrait voir le jour sous peu sous le nom de GPS L1C. Ces nouveaux signaux viennent répondre à des besoins spécifiques en vue d’améliorer les performances actuelles du GPS.

GPS L1 C/A

Le signal GPS L1 C/A a été conçu pour détecter rapidement les signaux des satellites présents. Ce signal dont la porteuse est centrée à 1575,42 MHz est modulé par saut de phase binaire (BPSK - Binary Phase Shift Keying) avec un PRN cadencé à 1,023 MHz et un message de NAVigation (NAV) au faible débit de 50 Hz (ARINC Engineering Services, 2006). Le code PRN est constitué de 1023 bribes, se répétant donc à toutes les 1 ms.

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GPS L2C

Le signal GPS L2C, transmis à la fréquence 1227,60 MHz, est modulé par BPSK par un code d’étalement et des symboles aux faibles débits de 50 Hz (ARINC Engineering Services, 2006). Il est fait mention ici de symboles et non de données puisque le message de navigation est encodé par convolution pour créer une redondance dans l’information transmise. L’encodage a un taux d’une demie et il est d’une longueur de mémoire de sept. La principale différence avec son prédécesseur, GPS L1 C/A, est que le code PRN est constitué de deux codes de différentes longueurs, soient : Civil-Modéré (CM) et Civil-Long (CL). Le code CM est d’une longueur de 10 230 bribes et se répète à toutes les 20 ms tandis que le code CL est d’une longueur de 767 250 bribes et se répète à toutes les 1,5 s. Ces deux codes sont multiplexés dans le temps afin d’obtenir un PRN résultant à une fréquence de 1,023 MHz tout comme le GPS L1 C/A. Toutefois, la structure du message de navigation n’est pas la même que pour le GPS L1 C/A. En effet, une nouvelle structure appelée message de NAVigation Civil (CNAV) a été utilisée pour les nouveaux signaux GPS (ARINC Engineering Services, 2005; 2006). La structure des messages CNAV permet une plus grande précision que le NAV. Par exemple, le taux de transmission des types de message pourra varier afin de transmettre plus fréquemment les paramètres critiques.

Le principal avantage de ce nouveau signal provient du PRN plus long offrant de meilleures performances d’autocorrélation et d’inter corrélation. Le fait que la corrélation croisée soit moins grande facilite l’acquisition du signal dans des situations moins favorables comme à l’intérieur d’un bâtiment (Leandro et al., 2008). En ce qui concerne les autres caractéristiques telles que le ratio signal à bruit (SNR – Signal to Noise Ratio) et des erreurs liées aux multi trajets, il n’existe pas de réelle augmentation de performance (Agostino, Piras et Porporato, 2008).

GPS L5

Le signal GPS L5 est composé de deux composantes: une composante en phase (I5) et une composante en quadrature (Q5). La composante Q5 est constituée d’un code PRN de 10 230

bribes modulées avec un code de Neuman-Hofman d’une longueur de 20 bits (NH20 = 00000100110101001110). Le code PRN a un débit de 10,23 Mbps pour avoir une période de 1 ms tandis que la séquence du code NH20 a une période de 20 ms. Autrement dit, chaque séquence du code PRN est modulée avec 1 bit du code NH20. L’avantage d’avoir un canal sans donnée est d’augmenter la sensibilité et la précision de la poursuite de la porteuse (Mongrédien, 2008). La composante I5, nommée canal de données, est, elle aussi, constituée d’un code PRN de 10 230 bribes modulées avec un code de Neuman-Hofman d’une longueur de 10 bits (NH10 = 0000110101). De plus, la composante I5 est modulée avec un message de navigation d’une longueur de 300 bits d’un débit de 100 Hz. Le même encodage est utilisé que pour GPS L2C. Chaque symbole est modulé avec dix séquences PRN, soit une séquence NH10 complète. Finalement, les deux composantes, I5 et Q5, sont modulées par déplacement de phase en quadrature avec une porteuse centrée à 1176,45 MHz.

2.2.3 Présentation des différents satellites GPS

Les premiers satellites de tests du GPS furent lancés entre 1978 et 1985, ces satellites sont mieux connus comme étant le bloc I. Ces 11 satellites avaient une espérance de vie de 4,5 années, bien que certains ont été opérationnels plus de dix ans (U.S Naval Observatory, 2009a).

La deuxième génération de satellites, les blocs II et IIA, a été lancée entre 1989 et 1997. La principale différence entre le bloc II et le bloc IIA est la capacité de mémorisation de données permettant aux satellites de fonctionner sans être mis à jour par une base terrestre. Cette capacité est passée de 14 jours pour le bloc II à 180 jours pour le bloc IIA. Au total, 28 satellites de cette génération ont été lancés dont 12 satellites sont toujours opérationnels en 2009 (U.S Naval Observatory, 2009b).

La troisième génération de satellites GPS, le bloc IIR/IIR-M, a été conçue afin de maintenir le nombre de satellites de la constellation. Tout comme le bloc IIA, les satellites du troisième

bloc peuvent passer 180 jours sans aucune mise à jour terrestre. De plus, les données des messages de navigation sont téléchargées à bord des satellites leur assurant une autonomie de 210 jours en cas de problème. Ce bloc comprend 21 satellites dont huit ont été modifiés pour transmettre le nouveau signal L2C. De plus, l’avant-dernier satellite du bloc IIR-M a davantage été modifié pour assurer la plage de fréquence du nouveau signal GPS L5. Les lancements de cette génération ont été complétés le 17 août 2009 avec le satellite IIR-21M.

La prochaine génération de satellites, le bloc IIF, devrait voir le jour dès 2010 (U.S Air Force, 2009b). Les 12 satellites de ce bloc transmettront les trois fréquences civiles : GPS L1 C/A, GPS L2C et GPS L5. De plus, un autre bloc en développement, le bloc III, devrait voir le jour en 2014. Ce bloc permettra de transmettre la dernière fréquence civile planifiée à ce jour, soit GPS L1C.

2.3 Système mondial de positionnement par satellites russe (GLONASS)