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

1. DRT Génie informatique Géo-positionnement et Systèmes d’information géographique - Baptiste Burles - DRT GI. enseignement EA master 2003.

2. Sommaire 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003.

3. GPS : Global Positioning System 1 - Technologies de positionnement • Historique • Structure et composantes GPS • Principe de positionnement • Fonctionnement : fréquence, codage, transmission… • Technologies complémentaires et alternatives DRT GI. enseignement EA master 2003.

4. 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. DRT GI. enseignement EA master 2003.

5. 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. GPS : Structure DRT GI. enseignement EA master 2003.

6. X2,Y2,Z2 et T2 X3,Y3,Z3 et T3 X1,Y1,Z1 et T1 R2 R3 R1 X,Y,Z et T GPS : Principe de positionnement • Principe : Utilisation des coordonnées des satellites DRT GI. enseignement EA master 2003.

7. Fréquence de communication : Segment utilisateur : L21227 MHz en BPSK L1 1575 MHz en QPSK. Segment de contrôle 2275 MHz 1783 MHz • Codage de l’information (segment utilisateur) : Code C/A Ou exclusif Modulation BPSK ou QPSK Données Ou exclusif Code P Chaque satellite a son propre code C/A (coarse acquisition ) et code P (protected). GPS : Fréquence et codage DRT GI. enseignement EA master 2003.

8. 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. DRT GI. enseignement EA master 2003.

9. 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) DRT GI. enseignement EA master 2003.

10. GPS : NMEA • NMEA : National Marine Electronic Association. • Récupération des données : standard NMEA 0183 • Format textuel : envoi sur liaison série. • Exemple de trame NMEA : $ ID MSG ,D1,D2,D3,…Dn * CS [CR][LF] Message id terminateur Débutdu msg delimiter Talker id (GP pour GPS) Ckecksum 2 hexa for 8 bits Msg data fields DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : IUT Valence. Denis Genon Catalot.

11. 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 environnementfermé (bâtiment) • Technologiescontrôler par armée américaine. • En cas de crise quel peut être l’accès ? DRT GI. enseignement EA master 2003.

12. 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) DRT GI. enseignement EA master 2003.

13. 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) : • 30satellites 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 DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : European Space Agency.

14. 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. • Récupération des données : • Au format XML sur les récepteurs. • Ground Segment Data Model & Data Standard (GXML) DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : European Space Agency.

15. Plan 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003.

16. 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

17. GSM : Global System for Mobile Communication • Utilisation d’une liaison radio entre le téléphone et le réseau GSM : Objectif • 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

18. 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

19. Cellule F1 F1 F2 F2 F3 F3 F1 F1 F2 F2 F3 F3 F1 F1 GSM : Généralités • 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 DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : Digitel Espagne.

20. Couverture radio des cellules Puissance en dB Cellule A cellule B B MOBILE A Cellule C C Temps Zone de couverture de la cellule GSM : Généralités • Gestion du transfert intercellulaire : DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : Digitel Espagne.

21. 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

22. 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

23. 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

24. MSC MSC GSM : Architecture PLMN NMS NSS BSS BSC BSC BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS MS DRT GI. enseignement EA master 2003. Source : Digitel Espagne.

25. la partie mobile du système : • un terminal • une carte à puce Subscriber Identity Module • liaison radio avec le réseau GSM : la partie MS • 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

26. La partie BSS comprend : • Base Transceiver Station : L’antenne gère la liaison radio antenne – mobile gère la couche physique et liaison de donnée • Base Station Controler : Organe intelligent du BSS Allocation des canaux de communication Gestion itinérance et transfert communication BSC BTS GSM : la partie BBS DRT GI. enseignement EA master 2003.

27. 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…) 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 DRT GI. enseignement EA master 2003.

28. 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) DRT GI. enseignement EA master 2003.

29. Plan 1 – Technologies de positionnement 2 – Communication mobile 3 – Applications de géo-positionnement DRT GI. enseignement EA master 2003.

30. 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… DRT GI. enseignement EA master 2003.

31. 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… DRT GI. enseignement EA master 2003.

32. FIN • Des remarques ? • Des questions ? DRT GI. enseignement EA master 2003.