Géo-positionnement et Systèmes d’information géographique - Baptiste Burles -

DRT GI. enseignement EA master 2003.

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Géo-positionnement et Systèmes d’information

géographique

- Baptiste Burles -

DRT Génie informatique


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Sommaire

1 – Technologies de positionnement1 – Technologies de positionnement

2 – Communication mobile 2 – Communication mobile

3 – Applications de géo-3 – Applications de géo-positionnementpositionnement


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1 - Technologies de positionnement

GPS : Global Positioning SystemGPS : Global Positioning System

Historique

Structure et composantes GPS

Principe de positionnement

Fonctionnement : fréquence, codage, transmission…

Technologies complémentaires et alternatives


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GPS : Historique

Étude lancé dans les années 70 par le DoD.

Objectif : un système de repérage globale.

Février 1978 : premier satellite GPS.

1983 : Signaux GPS accessible aux civils.

1990 : Précision dégradé.

1994 : GPS déclaré opérationnel.

2000 : Les restrictions d’accès sont supprimées.


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GPS : Structure

Le segment spatial : 24 satellites à 20 000 km.

Révolution en 12 heures.

Horloge atomique pour énergie et précision.

Transmet signaux horaires et éphémérides. Le segment de contrôle : 5 stations

terrestres.

Suivi des satellites.

Corrections des erreurs de position.

Le segment utilisateur : récepteur GPS

Mesure distance récepteur – satellite.

Calcul position utilisateur.


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GPS : Principe de positionnement

Principe : Utilisation des coordonnées des satellites

X2,Y2,Z2 et T2

X,Y,Z et T

X1,Y1,Z1 et T1

X3,Y3,Z3 et T3

R1R2

R3


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GPS : Fréquence et codage

Fréquence de communication :

1783 MHz

2275 MHz

Segment utilisateur :

L2 1227 MHz en BPSK L1 1575 MHz en QPSK.

Segment de contrôle

Codage de l’information (segment utilisateur) :

Modulation BPSK ou QPSK

Ou exclusif

Ou exclusif

DonnéesCode P

Code C/A

Chaque satellite a son propre code C/A (coarse acquisition ) et code P (protected).


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GPS : Transmission et réception

Transmission :

5 trames de 30 bits (temps UTC, position satellite, état satellite…) sont envoyées.

Les trames sont codées par le code C/A et le code P.

Réception :

Le récepteur civil connaît tous les codes C/A des 24 satellites

Auto corrélation entre le signal reçu et un signal interne généré par récepteur.

Ce signal interne est obtenu entre horloge récepteur et choix d’un code C/A.

Enfin, décodage et vérification de la cohérence des informations.


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GPS : Sécurité

Dégradation du signal :

Par envoi de position satellites erronés pour une région donnée

Par désynchronisation des horloges des satellites Codage de l’information par des codes permet :

de limiter l’accès aux alliés (OTAN)

d’éviter le brouillage de l’information : anti spoffing

mais des brouilleurs existent : phrack…

Depuis 2000, code P est connu :

Précision de +/- 3 mètres pour les civils sans restriction.

Militaires ont introduit un nouveau code pour une meilleure précision (code Y)


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GPS : NMEA

NMEA : National Marine Electronic Association.

Récupération des données : standard NMEA 0183

Format textuel : envoi sur liaison série.

Exemple de trame NMEA :

$IDMSG *,D1,D2,D3,…Dn CS[CR][LF]

Débutdu msg Talker id

(GP pour GPS)

Message id

Msg data fields

delimiterCkecksum

2 hexa for 8 bits

terminateur

Source : IUT Valence. Denis Genon Catalot.


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GPS : Conclusion

Très bonne précision si les conditions sont réunies :

plus de 3 satellites.

horloge synchronisé.

antenne récepteur en terrain découvert.

Mais :

Coût de l’ordre du milliard de dollar par an.

Ne fonctionne pas en environnement fermé (bâtiment)

Technologies contrôler par armée américaine.

En cas de crise quel peut être l’accès ?


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GPS : Les technologies alternatives

GLONASS : GLObal Navigation System

Premier satellite lancé en 1982 par URSS

Similaire au GPS américain

Aucune détérioration du signal civil

Mais système à l’abandon depuis la fin de l’URSS (6 satellites…)

Aide à la navigation aérienne :

But : accroître la précision et la fiabilité du GPS pour la navigation aérienne et maritime

Programme EGNOS (Europe) : Utilise les signaux du GPS et du GLONASS

Corrections par 3 satellites européens et des stations au sol

Programme similaire : WAAS américains (Wide Area Augmentation System) et MSAS japonais (MT Sat - Based Augmentation System)


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Le GPS européen : Galileo

Pourquoi un GPS européen :

problème de la couverture satellite (plus de 3 satellites nécessaires)

problème d’accès en cas de crise

indépendance de l’Europe (emploi, recherche)

Structure générale de Galileo (en 2005) :

30 satellites dont 3 de secours

2 centres de contrôles Galileo en Europe

20 stations de télémesures réparties sur la terre

L’utilisateur est en mesure de recevoir des données d’au moins 2 satellites à tout instant

Source : European Space Agency.


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Le GPS européen : Galileo

Fréquence et type de signal :

4 fréquences : 1202 MHz, 1278 MHz, 1561 MHz et 1589 MHz.

Différents signaux accessibles :

signal d’intérêt général : accessible sans autorisation

signal commercial : accès payant, protégé par des clés d’accès

signal d’intérêt public : accès restreint à la navigation aérienne, aux militaires, aux péages routiers, aux sauvetages. La réception se fait par un récepteur spécifique.

Source : European Space Agency.

Récupération des données :

Au format XML sur les récepteurs.

Ground Segment Data Model & Data Standard (GXML)


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Plan



3 – Applications de géo-positionnement3 – Applications de géo-positionnement


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2 - Communication mobile : le GSM

Objectif du GSM

Généralités : notion de cellule, itinérance…

Code de l’information : fréquence et sécurité

Architecture du système

Description des éléments du système


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GSM : Objectif

GSM : Global System for Mobile Communication

Utilisation d’une liaison radio entre le téléphone et le réseau Cette liaison radio doit permettre :

l’itinérance (roaming) de l’utilisateur à travers le réseau

la communication en tout point du réseau : nécessité de réaliser un transfert intercellulaire (handover)

Mais :

problème de confidentialité : diffusion des ondes radios

coût de la fréquence radio : ressource limitée

interférences du milieu de l’utilisateur

mobile : système embarqué : peu de puissance


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GSM : Généralités

Nécessité d’une installation fixe pour gérer l’itinérance et le transfert

L’opérateur doit installer des antennes fixes

Chaque antenne définie une cellule

Toutes les antennes définissent une zone de couverture propre à l’opérateur

Les cellules sont de taille variable :

macro cellule : 1 à 35 Km

micro cellule : 100 m à 1 Km

pico cellule : 10 à 100 m


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Source : Digitel Espagne.

FF11

FF11

FF11

FF11

FF11

FF11

FF22

FF22

FF22

FF22

FF33

FF33

FF33

FF33

CelluleCellule

Les cellules :

chaque cellule a sa fréquence de communication

pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer entre les cellules : technique SDMA

Space Division Multiple Access :

schéma d’attribution des fréquences

But : les cellules adjacentes ne doivent

pas avoir la même fréquence de communication


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Gestion du transfert intercellulaire :

Couverture radio des cellules

MOBILE

Zone de couverture de la cellule

A

C

B

Puissance en dBPuissance en dB

TempsTemps

Cellule Cellule AA

cellule Bcellule B

Cellule CCellule C



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GSM : Codage de l’information

GSM utilise :

la bande 890 – 915 MHz pour antenne vers mobile

la bande 935 – 960 MHz pour mobile vers antenne

GSM partage l’accès aux fréquences :

FDMA (Frequency Division Multiple Access) 124 canaux de 200 KHz

TDMA (Time Division Multiple Access) 8 tranches de 0.576 ms par canaux


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GSM : Codage de l’information

Sécurité des transmissions assuré par :

un numéro secret pour l’authentification : International Mobile Subscriber Identity

un clé d’authentification Ki (128 bits)

une clé de chiffrement Kc (64 bits)

3 algorithmes de chiffrement sont utilisé dans le GSM : A3, A8 et A5

Les algorithmes sont secret ! But : éviter la fraude et l’écoute des communications Mais :

chiffrement intervient pour la partie radio uniquement

Traçage de l’utilisateur par les numéros de session dans les bases de l’opérateur


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GSM : Architecture

Le GSM est organisé de la façon suivante :

le système radio mobile (Mobile Station) : l’utilisateur

le système de gestion radio (Base Station Subsystem) : l’antenne

le sous système réseau (Network Switching Subsystem) interconnexion des antennes

le système de gestion réseau (Network Management Subsystem) : supervision du réseau

L’ensemble forme le Public Land Mobile Network


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GSM : Architecture PLMN

MSC

BTS

MSC

BSSBSS

NSSNSS

MSMS

NMSNMS

BSC BSC

BTS

BTS

BTS

BTS

BTS

BTS



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GSM : la partie MS

la partie mobile du système :

un terminal

une carte à puce Subscriber Identity Module

liaison radio avec le réseau

La carte SIM contient :

les infos liées à la sécurité (IMSI, clé,…)

les infos personnelles de l’abonné (annuaire)

la carte SIM permet de changer de terminal

Un seul numéro connu de l’extérieur : numéro d’appel du mobile


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GSM : la partie BBS

La partie BSS comprend :

Base Transceiver Station : L’antenne

gère la liaison radio antenne – mobile

gère la couche physique et liaison de donnée

BSC

BTS

Base Station Controler :

Organe intelligent du BSS

Allocation des canaux de communication

Gestion itinérance et transfert communication


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GSM : la partie NSS et NMS

Le sous système réseau NSS : le MSC

commutateur MSC : Mobile-services Switching Center

donne accès aux base de données du réseau

supervise plusieurs BSC

assure l’interconnexion des BSC, la mobilité, le transfert intercellulaires

peut servir de passerelle vers d’autres réseaux

Le système de gestion réseau NMS :

gestion et exploitation du réseau

regroupe les base de données des abonnés et

des infos de sécurité (clé, numéro SIM…)


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GSM : Conclusion

Le système GSM :

couvre les zones terrestres

nécessite une infrastructure lourde

permet d’envoyer/recevoir la voix et des messages court (SMS)

évolue vers des systèmes plus interactifs web, mail, agenda…

nouvelle norme : UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) , WAP, GPRS (General Packet Radio Service)


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Plan



3 – Applications de géo-3 – Applications de géo-positionnementpositionnement


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Application GPS et GSM

GPS : application de positionnement :

Navigation civile : localisation navire, aide au positionnement des avions, assistance à la conduite, secours…

Relevé topologiques et étude des mouvements terrestres

Militaire : navigation, guidage d’armement, localisation des troupes…


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Application GPS et GSM

Application GPS et GSM :

But de marier les 2 systèmes : Localisation (GPS) et envoie d’informations (GSM)

Gestion de flotte à distance (location de camion, parc de bus urbain…)

Traçabilité : gestion de stock à distance, de pièce détaché

mais problème de la couverture GSM…


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FIN

Des remarques ?

Des questions ?

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