Les systèmes GNSS (Global Navigation Satellite Systems) et GPS (Global Positioning System) permettent le positionnement et la localisation des personnes, des véhicules voire des objets en mouvement dans le monde entier. Ils ont révolutionné la façon dont nous nous orientons et ont fait de la localisation un élément essentiel de nombreux systèmes d’information, même s’ils présentent par ailleurs des vulnérabilités.
Dans cet article, nous examinerons le fonctionnement du GNSS et du GPS, leurs applications et leurs limites, et notamment les raisons pour lesquelles ils ne fonctionnent pas correctement à l’intérieur des bâtiments.
Qu’est-ce que le GNSS et comment cela fonctionne-t-il ?
Liste des systèmes GNSS
GPS (Global Positioning System) –Développé par le ministère de la défense des États-Unis, initialement dédié aux applications militaires, il s’est ensuite ouvert aux usages civils. C’est le système GNSS le plus utilisé dans le monde. Il comprend une constellation d’au moins 24 satellites.
Galileo – Exploité par l’Union européenne, Galileo est un système GNSS en pleine expansion, dont la constellation complète devrait compter plus de 30 satellites d’ici fin 2024. Il offre une couverture mondiale.
GLONASS (Global Navigation Satellite System) – Développé par la Russie, le GLONASS se compose de 24 satellites actifs et couvre principalement le territoire russe.
BeiDou – Développé par la Chine, BeiDou est un autre système GNSS en expansion avec des ambitions mondiales et une constellation de 35 satellites. Il est particulièrement important en Asie.
IRNSS/NavIC (Indian Regional Navigation Satellite System) – Développé par l’Inde, NavIC est conçu pour desservir le sous-continent indien, via 8 satellites.
QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) – système satellitaire régional lancé par le Japon en 2018 avec 4 satellites pour améliorer le GPS en Asie. Il est prévu de l’étendre à 11 satellites.
Comment fonctionne le GNSS/GPS
Le GPS étant le système GNSS le plus connu, penchons-nous sur son fonctionnement :
Constellation de satellites : La constellation GPS se compose d’au moins 24 satellites, répartis uniformément sur six plans orbitaux. La géométrie de la constellation garantit qu’un minimum de quatre satellites est toujours visible depuis n’importe quel point de la Terre.
Synchronisation : Tous les satellites GPS sont synchronisés avec précision et transmettent des signaux qui contiennent des informations sur leur position et l’heure à laquelle ils ont envoyé le signal.
Trilatération : Le GPS s’appuie sur une méthode de trilatération pour déterminer la position d’un récepteur. Cette méthode consiste à mesurer le temps que mettent les signaux de plusieurs satellites à atteindre le récepteur. En mesurant le temps nécessaire pour que les signaux voyagent de chaque satellite jusqu’au récepteur, le récepteur GPS peut calculer la distance qui le sépare de chaque satellite.
Calcul dans le récepteur : Le récepteur GPS utilise les informations fournies par les satellites pour calculer sa position en trois dimensions (latitude, longitude et altitude). Pour ce faire, il compare l’heure à laquelle les signaux ont été envoyés par les satellites et l’heure à laquelle le récepteur les a reçus.
GNSS ou GPS ?
Le terme « GPS » est souvent utilisé comme terme générique pour désigner tous les systèmes « GNSS ». Il est important de comprendre que le GNSS est un concept plus large, qui englobe de multiples systèmes satellitaires, et que le GPS n’est que l’un d’entre eux. Les systèmes GNSS contribuent tous à fournir des services de positionnement et de navigation à couverture mondiale, d’autant plus que la plupart des puces de réception décodent les signaux de 3 à 4 constellations GNSS.
GPS RTK : corrections en temps réel pour une précision accrue
La cinématique en temps réel ou RTK est une technique qui a été mise au point pour accroître la précision des récepteurs GNSS de quelques mètres à quelques centimètres. Elle repose sur des paramètres de correction d’erreur diffusés en temps réel aux récepteurs GNSS haut de gamme via des réseaux de stations terrestres afin d’affiner les mesures du récepteur.
Quelles sont les principales applications du GNSS et du GPS ?
L’une des applications les plus évidentes du GNSS et du GPS est la navigation et l’orientation. Que vous utilisiez un smartphone pour trouver votre chemin dans une ville inconnue ou que vous soyez à la barre d’un porte-conteneurs en haute mer, la technologie GNSS joue un rôle essentiel pour assurer une navigation précise et exacte.
Navigation aérienne
Les avions commerciaux et privés s’appuient sur le GNSS pour les procédures de navigation, d’approche et d’atterrissage. La technologie GNSS a considérablement amélioré la sécurité dans le secteur de l’aviation.
Navigation maritime
Le GNSS permet aux navires de naviguer avec précision, même dans les conditions météo les plus difficiles. Le GNSS est essentiel pour optimiser les itinéraires et éviter les collisions, et il est utilisé dans le système d’identification automatique (AIS) qui aide à surveiller le trafic maritime.
Navigation automobile
L’intégration du GPS dans les véhicules a transformé l’expérience de conduite. Les applications de navigation offrent un guidage en temps réel et des mises à jour de l’état du trafic en continu. Le GNSS et le RTK joueront également un rôle essentiel dans l’essor des véhicules autonomes.
Relevés topographiques et cartographie
La technologie GNSS a également grandement amélioré les processus de relevés des géomètres, cartographes et géologues. Les récepteurs GNSS RTK sont utilisés pour mesurer des emplacements précis et des changements d’altitude pour les limites de propriété, les sites de construction et les projets d’infrastructure.
Les données GNSS sont également un élément fondamental des systèmes d’information géographique (SIG), facilitant la création de cartes détaillées et l’analyse géospatiale.
Surveillance de l’environnement
Les chercheurs utilisent le GNSS pour étudier les changements environnementaux, la faune et la flore ou les phénomènes géologiques.
Agriculture de précision
Les tracteurs et autres engins équipés de GNSS RTK permettent aux agriculteurs de cartographier les propriétés du sol et de planter, cultiver et récolter avec une grande précision. Il en résulte une augmentation des rendements et une réduction de la consommation de ressources.
Horloge et synchronisation
La précision des signaux de synchronisation GNSS est cruciale pour diverses applications où la précision d’horloge est essentielle, telles que les réseaux télécom, les plateformes de transactions financières, les réseaux énergétiques et les centres de données. Dans des domaines scientifiques tels que la sismologie, l’astronomie et la science du climat, les données GNSS sont également cruciales.
Les systèmes GNSS présentent-ils des vulnérabilités ?
Les systèmes GNSS sont devenus essentiels, mais ils présentent des vulnérabilités intrinsèques :
Etat de la constellation
La fiabilité des systèmes GNSS dépend du maintien en bon ordre de marche des constellations de satellites, et toute défaillance ou perturbation sur un ou plusieurs satellites peut entraîner des conséquences importantes.
Risques cyber
Les systèmes GNSS peuvent être la cible de cyber-attaques car ils supportent de nombreux systèmes d’information critiques.
Brouillages et leurrages
Les signaux GNSS sont vulnérables au brouillage et à l’émission de faux signaux, qui peuvent perturber ou induire en erreur les systèmes de navigation. Le brouillage est fréquent localement dans les zones de conflit et des cas de falsification de signaux ont pu mettre en danger la navigation dans certains couloirs aériens.
Pour relever ces défis, les chercheurs et les leaders de l’industrie travaillent continuellement à l’amélioration de la technologie GNSS, sur plusieurs fronts.
Intégration multi-constellations
De nombreux récepteurs GNSS sont désormais conçus pour fonctionner avec plusieurs constellations, ce qui permet un positionnement plus robuste et plus précis.
Systèmes d’augmentation
Des systèmes d’augmentation au sol, tels que le RTK, se développent pour améliorer la précision et la fiabilité des signaux GNSS.
Expansion continue
Les systèmes GNSS tels que Galileo et BeiDou étendent activement leurs constellations, augmentant ainsi la couverture mondiale et la redondance.
Amélioration des technologies anti-leurrage et anti-brouillage
Des efforts sont déployés pour développer des signaux GNSS plus résistants, capables de supporter des interférences délibérées. Des mécanismes de chiffrement et d’authentification permettront de protéger l’intégrité des données. Les signaux GPS de qualité militaire (M-code) utilisent ainsi des signaux chiffrés pour empêcher les tentatives de leurrage
Comprendre les limites du GNSS et du GPS en intérieur
Les signaux GNSS ont du mal à pénétrer les bâtiments, ce qui limite leur efficacité à l’intérieur. Plusieurs facteurs entrent en jeu.
Atténuation du signal
Les signaux satellitaires, tels que ceux utilisés par le GNSS et le GPS, sont relativement faibles lorsqu’ils atteignent la surface de la Terre. Les satellites sont en effet en orbite à des altitudes d’environ 20 000 kilomètres. Lorsque ces signaux atteignent un récepteur, ils sont susceptibles d’être atténués ou affaiblis lorsqu’ils traversent des structures solides telles que des murs, des toits et même des objets de grande taille à l’intérieur des bâtiments.
Les fréquences de la bande L utilisées par le GPS (1,57542 GHz pour le signal L1) ont des capacités de pénétration limitées à travers des matériaux denses. Lorsque ces signaux rencontrent des obstacles tels que des murs en béton ou des toits métalliques, leur puissance diminue considérablement, ce qui rend difficile leur traitement par des récepteurs situés à l’intérieur.
Effets des multi-trajets
La propagation par multi-trajets est un phénomène par lequel les signaux GNSS rebondissent sur des surfaces telles que les murs, les sols et les plafonds avant d’atteindre le récepteur. Il en résulte de multiples trajets de signaux arrivant à des moments légèrement différents, ce qui provoque des interférences et des erreurs dans le calcul de la position.
Les effets des multi-trajets introduisent des erreurs significatives dans les calculs du temps d’arrivée sur lesquels les récepteurs GPS s’appuient pour déterminer une position précise. Dans les environnements extérieurs, le ciel ouvert permet une ligne de visée directe vers plusieurs satellites. En revanche, à l’intérieur, les réflexions du signal créent un environnement complexe qui rend erratique le positionnement.
Exigences de visibilité directe
Les systèmes GNSS nécessitent une ligne de visée directe vers au moins quatre satellites pour trianguler une position précise. Les environnements intérieurs, avec leurs nombreux obstacles et l’absence de vue sur le ciel, ne permettent pas de satisfaire à cette exigence.
Interférence des signaux
Les appareils électroniques que l’on trouve couramment en intérieur, tels que les routeurs Wi-Fi, les appareils Bluetooth et autres équipements émettant des radiofréquences, peuvent interférer avec les signaux GNSS. Ces interférences compliquent encore la capacité du récepteur à se verrouiller sur les signaux satellites et à maintenir une connexion fiable.
Le spectre RF est encombré de divers signaux et la proximité d’appareils électroniques peut introduire du bruit et un chevauchement des signaux, ce qui perturbe la réception délicate des signaux GNSS. Ce problème est exacerbé dans les environnements à forte concentration d’équipements électroniques.
Solutions alternatives au GNSS pour la localisation à l’intérieur des bâtiments
Compte tenu de ces limitations, des technologies alternatives ont été développées pour fournir des solutions de positionnement intérieur. On peut notamment citer :
Les systèmes de triangulation Wi-Fi (WPS)
Ils utilisent l’infrastructure Wi-Fi existante pour trianguler la position d’un appareil en fonction de l’intensité du signal provenant de plusieurs points d’accès.
Les systèmes de balises Bluetooth Low Energy (BLE)
Des balises de faible puissance émettent des signaux qui peuvent être captés par des récepteurs afin de déterminer l’emplacement avec une précision modérée.
Les balises Ultra-Wide-Band (UWB)
Elles offrent un positionnement de haute précision en utilisant des impulsions courtes sur un large spectre de fréquences, minimisant ainsi les interférences et les effets de multi-trajets.
Les centrales inertielles (IMU)
Elles combinent des accéléromètres, des gyroscopes et des magnétomètres pour mesurer leur propre mouvement et se situer dans l’espace. Elles sont souvent utilisées en conjonction avec d’autres technologies.
Conclusion
Dans l’univers de la navigation et du positionnement, le GNSS et le GPS sont devenus des outils indispensables, transformant des industries telles que le transport et devenant critiques pour de nombreux autres secteurs d’activité.
Leurs vulnérabilités font l’objet de toutes les attentions, mais leurs limites intrinsèques en intérieur doivent être reconnues et prises en compte. Pour le positionnement et la localisation en intérieur, il convient d’adopter des technologies complémentaires au GNSS.
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