NOTE DE SYNTHESE
NOTE DE SYNTHESE
L'électronique des récepteurs GPS
1 Introduction
Le GPS, ou Global Position System, également connu sous le nom de NAVSTAR, est un système de radionavigation mis en œuvre et exploité par le département de la défense américain (DoD).
Il s'appuie sur une constellation de 24 satellites artificiels en rotation sur des orbites moyennes (MEO), répartis de façon à ce qu'il y ait toujours 5 à 8 satellites ''visibles'' en tout point de la terre.
Le DoD assure le contrôle des satellites et met à jour leurs bases de données embarquées à partir de stations terrestres réparties sur le globe (en territoire allié).
Conçu principalement pour un usage militaire, le système GPS peut être utilisé pour de nombreuses applications civiles, mais avec une précision dégradée.
Après avoir expliqué sommairement le fonctionnement du
positionnement par GPS, nous nous intéresserons plus particulièrement à la conception
électronique des récepteurs GPS.
2 Principes de fonctionnement
a) le signal GPS:
Les satellites émettent en permanence en bande L sur les 2 fréquences:
La porteuse L1 est modulée par un signal (f=1,023 Mhz), le code C/A (Coarse Acquisition), aussi appelé ''gold code''. Il s'agit d'un code binaire ''pseudo aléatoire'' de 1023 bits, assurant une signature propre et unique à chaque satellite, synchronisé sur l'horloge interne du satellite.
L1 et L2 sont modulées par un signal à 10,23 Mhz, le code P, souvent crypté (code Y) et à usage militaire.
Enfin, un message de navigation de 1500 bits, constamment mis à jour, est émis à 50hz sur L1 et L2. Ce signal contient les informations de position des satellites (éphémérides) et d'autres informations.
b) calcul de la solution de position:
Le GPS est conçu pour indiquer, dans un
référentiel donné, la position P(x,y,z)
d'un récepteur (sur terre ou dans l'espace).
Si à un instant t, l'on connaît précisément les
positions S1(x1,y1,z1), S2(x2,y2,z2)
et S3(x3,y3,z3) de 3 satellites et les
distances d1, d2, d3, séparant P de respectivement S1, S2 et S3, on sait, par triangulation, calculer P(x,y,z) en résolvant les 3 équations
, et en choisissant la
solution réaliste parmi les 2 trouvées.
Les distances di sont les produits des durées Ti de transfert du signal, entre les satellites et le récepteur, par la vitesse v de propagation des ondes dans l'éther (proche de la vitesse de la lumière): di = vTi.
Si Trec est le temps récepteur, et Tsat le temps GPS, on a Ti = Trec - Tsat. Or, si
les satellites sont munis d'horloges stables et synchronisées, l'horloge récepteur est
déphasée de Ç t par rapport au temps GPS, donc Ti = (Trec + Ç
t) - Tsat, avec di=v.Ti la
''pseudo distance'' entre P et Si. Ç t est une inconnue supplémentaire.
Une quatrième équation est nécessaire pour trouver la solution P(x,y,z) et le système devient: 
i=(1,2,3,4), où x,y,z et Ç t sont les inconnues.
Il est donc nécessaire de capter le signal d'au
moins quatre satellites pour proposer une solution de position. Nous verrons que la
détermination de Ç t est une fonction clef des récepteurs.
3 Les récepteurs
Les applications civiles du GPS sont très nombreuses:
- loisirs (récepteurs portatifs sur batterie avec écran LCD),
- navigation maritime,
- aviation,
- localisation de véhicules, aides à la circulation,
- cartographie et géodésie,
- espace (pilotage de satellites),
- bases de temps,
- recherche scientifique,
- etc...
On trouve donc sur le marché de nombreux types de récepteurs, du portatif distribué à moins de 100 US$ au récepteur millimétrique à 50 000 US$.
On peut classer les récepteurs civils selon leurs modes de fonctionnement:
a) par mesure de phase:
Ces récepteurs procèdent à une analyse de la phase des porteuses L1 et L2. Associés à une mesure différentielle (voir encadré), ils permettent une précision quasi millimétrique. Ces solutions sont toutefois complexes à mettre en œuvre et les coûts de tels récepteurs sont conséquents.
b) par corrélation:
Ces récepteurs déterminent la solution de position par
traitement numérique des codes transmis (notamment du code C/A). Ils sont largement
employés car peu onéreux. Leur précision ne peut dépasser 5 m (au mieux et en mode
différentiel).
Nous étudierons principalement les récepteurs de cette
dernière catégorie dans la suite de cette note. Ils sont les plus représentatifs du
marché.
Un récepteur GPS doit assurer les fonctions suivantes:
4 L'électronique des récepteurs
Il est aujourd'hui possible de réaliser facilement un récepteur GPS. Plusieurs fournisseurs proposent des circuits intégrés (en général un RFIC associé à un DSP/ASIC) assurant les fonctions énumérées ci-dessus (Motorola, SiRF, Trimble, GEC Plessey, Marconi, Rockwell, etc...)
Les OEMs pourront également acquérir, après des mêmes fabricants, des modules entièrement câblés pouvant être intégré dans un produit fini (à partir de 35 US$)
Le schéma ci-dessous (doc Trimble) représente l'architecture typique des récepteurs:
La porteuse L1 est filtrée et amplifiée (ampli à faible bruit) dans l'antenne active. Après passage dans un filtre passe-bande, le signal est traité par double conversion dans un circuit RFIC frontal pour être abaissée à une FI d'environ 10 Mhz puis converti en numérique sur 2 bits, toujours dans le même circuit.
Le signal numérique est envoyé à un DSP/ASIC, qui assure les mesures de pseudo distances par corrélation (ici sur 8 canaux) et le décodage des informations de navigation. Le corrélateur est asservi par un microprocesseur 32 bits intégré.
Ce microprocesseur assure également le calcul des solutions de position et de temps. Le code et les données sont stockées dans une PROM et une RAM externe. 2 interfaces série permettent de recevoir les commandes utilisateur (et éventuellement les données DGPS) et de fournir les solutions pour affichage ou traitement.
Une base de temps synchronisée par un quartz externe complète l'ensemble.
L'alimentation de ces circuits se fait sous 0,+5V ou même 0,+3V (2 piles AA suffisent). La consommation est réduite (moins de 180 mA pour tout le module)
Le tout tient sur un circuit d'une taille inférieur à
une carte de crédit.
Etudions maintenant en détail les 2 principaux composants:
a) le circuit RF
Exemple illustré par le MRFIC1502 de Motorola
L'antenne est raccordée à la broche 44. Après
amplification, le signal arrive dans le 1er mélangeur et est mixé avec la
sortie du VCO (centrée à 1527,7 Mhz). Le filtre passe-bande (composants passifs
externes, entre les broches 39 et 40), élimine les harmoniques indésirables.
Réamplifié, le signal est ensuite multiplié dans un second mélangeur avec une
fréquence de 38,1915 Mhz (on remarquera le traitement différentiel). La FI (9,5 Mhz) est
disponible sur la broche 32.
Le VCO est asservi par une PLL, dont la fréquence de référence provient de la broche 18 (Quartz nécessaire), et l'on voit aisément le circuit de bouclage sur le circuit.
Les alimentations des amplis, du VCO, de la PLL sont séparées pour éviter toute interférences et découplées par des condensateurs d'une dizaine de pF (broches 4, 19, 28, 31, 42)
Motorola n'effectue pas la conversion A/N dans ce circuit
RF, mais propose une sortie de synchro sur la broche 21.
b) le DSP
Exemple illustré par le GP2021 de GEC Plessey. Le circuit
est proposé dans un boîtier 80 broches.
Le GP2021 assure la corrélation du code C/A sur 12 canaux parallèles. Il y a un module par canal. Il est donc possible de poursuivre 12 satellites simultanément.
Le signal numérisé sur 2 bits est analysé par le corrélateur, dont le fonctionnement sera précisé ci-dessous. Ce traitement permet de déterminer la pseudo distance entre le récepteur et chaque satellite ainsi que les informations de navigations modulées dans le code C/A.
Le résultat est déposé dans des registres, lus par un bus de données de 32 bits. Ce même bus permet de contrôler les modules corrélateurs. Ici, un microprocesseur externe est nécessaire. Le circuit assure l'interface. Une interface parralèlle/série gère de 2 ports de communication. Enfin, une fonction d'horloge, pilotée par une base de temps externe, synchronisée sur le circuit RF, assure le cadencement à 40 Mhz du circuit.
Les modules de corrélation mérite une analyse plus
approfondie. Rappelons d'abord que le code C/A de chaque satellite est noyé dans le bruit
ambiant, et est donc difficilement discriminable. L'idée est de comparer un code C/A
identique à celui d'un des satellites, mais généré par le récepteur (pseuso-code), et
ré-émis toutes les ms. On multiplie les 2 codes (bit à bit) dans un registre
(accumulateur). Si les 2 codes sont corrélés (en phase), le niveau du registre sera
maximum. Lorsque cette condition est remplie, on mesure le Ç t entre le top horloge du récepteur et
l'instant de la corrélation. On détermine ainsi la pseudo distance tant recherchée
(rappelons que ce traitement se fait simultanément dans 12 modules).
Nous voyons ci-dessus un module de corrélation du GP2021.
On remarque le générateur de code C/A, et la comparaison
avec du code généré avec le code cherché dans le signal. La DCO (Digital Clock
Oscillator), assure le phasage correct des codes satellite et récepteur (compensation de
l'effet Doppler modifiant la fréquence du code satellite). Il y en fait 4 registres par
canal, afin de traiter simultanément la phase et l'amplitude du signal.
5 Conclusion
La technologie du GPS est complexe. Elle fait appel à des disciplines variées: électronique analogique et numérique, traitement du signal, hautes fréquences, géodésie, cartographie, espace, astronomie, génie logiciel, mathématiques, etc...
Toutefois, il est possible de réaliser facilement des
récepteurs de précision acceptable, à faible coût. Ceci est du au haut degré
d'intégration des circuits proposés par les fondeurs.
Cette étude nous a permis d'appréhender les principes de base du GPS et de la technologie des récepteurs, qui
étaient pour nous un mystère. Nous aurions bien sur pu
vous en dire d'avantage, mais nous avons tenté de nous en tenir au nombre de pages
convenu.
A PROPOS DE LA PRECISION
Les concepteurs du GPS ont volontairement limité la précision des applications
civiles du GPS et proposent un service standard (SPS, Standard Postioning Service) alors
que les récepteurs militaires, munis de clefs de décryptage du code P(Y) on accès un
service plus précis (PPS, Precise Positioning Service).
Les imprécisions sont dues à de nombreux facteurs:
La précision théorique, en mode SPS/SA, est de 100 m horizontalement, 156 m
verticalement. Si ceci est largement suffisant pour un randonneur parcourant le désert
malien, cela ne convient pas pour un relevé topographique d'un lotissement de banlieue.
Il existe plusieurs solutions pour obtenir plus de précision dans les solutions de position:
Cette dernière solution, facile à mettre en œuvre, est illustrée par le schéma ci-dessous
Principe:
Un récepteur fixe, à une position connue, fait une mesure GPS. L'écart entre le
résultat de la mesure et la position connue est transmis, par voie hertzienne, aux
récepteurs ''clients'' de sa zone de couverture. Il suffit à ces derniers de d'ajouter
l'écart reçu à leurs propres mesures pour obtenir, par différence, une solution de
position corrigée. Cette solution offre une précision satisfaisante avec des récepteurs
classiques (quelques mètres). Le message d'écart est normalisé (RTCM-104 Radio
Technical Commission for Maritime Services) et les la plupart des récepteurs du marché
savent l'acquérir sur un port RS-232 et le traiter dans leurs algorithmes.
Références :
A Publications:
B Documents électroniques (WEB):
Les sites traitants du GPS sont abondants. Voici notre sélection:
Après avoir consulté les 2 sites ci-dessus, plus d'excuses, vous devriez avoir compris les principes de base du GPS.
Enfin, l'index publié à http://www.ghgcorp.com/wagenx/gps.htm vous permettra
de trouver rapidement d'avantage d'informations.
Les sites des fabricants de circuits intégrés ou de modules GPS, destinés aux OEMs, ont cependant été notre principale source de documentation: