Gps - dysfonctionnement et anomalies d'affichages

Ce document à pour but de recenser les causes (autres que pannes du matériel ou bug du logiciel) d’un incident de positionnement. Il est une compilation d’informations, en voulant rester accessible à ceux dont le seul objectif est d’utiliser un GPS, écartant les données non vérifiables en conservant au plus quelques interrogations sur des causes probables. Je me suis aidé entre autres de documents ou données de sites internet « sérieux et fiables » aux quels il est toujours possible de se référer.

Les Constellations satellitaires de systèmes de positionnement sont sous contrôle militaire, département de la défense américaine pour le GPS, idem en Russie pour le GLONASS. Le système Européen GALILEO, devrait avoir une vocation pseudo civile.
Le seul accessible à tous partout dans le monde est aujourd’hui le bien connu GPS (avec une variante, le DGPS qui fait en plus appel à une station de référence, ou des compléments tels que WAAS, ou encore EGNOS )

Son utilisation est basée sur 3 « segments »
• Le segment spatial: il s'agit d'un réseau de 28 satellites (24 actifs et 4 secours) Bloc II et IIa mis sur orbite à partir de 1985. Ils ont la capacité de dégrader le signal émis. Leur durée de vie est de 7,5 ans. Bloc IIr, construits pour une durée de vie de 10 ans, capables de communiquer entre eux et mis sur orbite depuis 1996.
Ils émettent sur 2 fréquences, appelées L1 (1575.42 MHz) et L2 (1227.6 MHz) et gravitent sur 6 plans orbitaux, à environ 20200 km d'altitude, à une fréquence de passage de 12 heures.
• Le segment de contrôle: il est constitué de 5 stations (militaires) qui pilotent les satellites (orbite, contrôle de fonctionnement… , gestion des signaux… , qualité de l'horloge atomique de chaque satellite).
• Le segment utilisateur: Il est composé des récepteurs GPS, appareils permettant de calculer la position, la vitesse et l'heure quelles que soient les conditions climatiques. Il nécessite la visibilité de 4 satellites au moins (en 3D). 12 Satellites peuvent être visibles simultanément.


Sources d'erreur:
Un récepteur GPS est capable de fournir une précision d'au mieux 22m (fiabilité à 95%) due aux effets matériels, environnementaux et atmosphériques. Cependant, pour des raisons de sécurité militaire, de plus grandes erreurs intentionnelles sont parfois introduites dans le système GPS afin de limiter la précision obtenue par les utilisateurs civils. Cela peut réduire la précision du GPS à une centaine de mètres. Les deux aspects de cette dégradation volontaire sont la disponibilité sélective (SA) et l'antibrouillage (AS).

Disponibilité sélective (SA):
La dégradation SA consiste d'une part en une dégradation de la fréquence d'horloge du satellite qui reproduit des phases et des codes dont la longueur d'onde varie, et d'autre part en une erreur imposée sur la position du satellite envoyée par le message de navigation.
Les erreurs typiques imposées par la SA sont de l'ordre de 100m. La SA a été activée entre le 1er Juillet 1991 et le 2 mai 2000. En principe, celle-ci elle est aujourd’hui désactivée (déclaration solennelle du président des US), mais la génération satellitaire IIr permet un pilotage très précis du contenu des données, des fonctions de transmission et de mise à disposition de celles-ci (il est semble t il possible de « localiser » la disponibilité sélective)

Antibrouillage (AS):
L'antibrouillage altère le signal GPS en changeant les caractéristiques du code P en le mélangeant avec un code W pour en faire un code Y. C'est ce dernier qui sera modulé sur les porteuses et donc empêchera le récepteur de faire des mesures sur le code P. Beaucoup de fabricants de récepteur ont développé des techniques pour retrouver le code P à partir du code Y avec un petit bruit supplémentaire (technique de cross-corrélation). L' AS est actif depuis le 31 Janvier 1994.

Erreur des satellites:
Il s'agit des erreurs de modélisation de la dérive de l'horloge des satellites lorsqu'on utilise un polynôme du second degré ainsi que des erreurs liées à la modélisation Képlérienne des orbites de satellites (ce commentaire pour les physiciens spécialistes de la modélisation mathématique)

Erreur de propagation atmosphérique:
Le signal en provenance des satellites traverse différentes couches atmosphériques avant d'atteindre le récepteur. Deux couches sont généralement considérées par le GPS: l'ionosphère qui représente la couche entre 70 et 100 km au dessus de la Terre et la troposphère qui s'étend du sol à 70 km d'altitude.
Lorsque les signaux traversent l'ionosphère, les informations du code GPS sont retardées, d'où une mesure de pseudo range (distance entre récepteur et satellites) trop longue comparée à la distance géométrique entre la station et le satellite. L'erreur sur la mesure dépend du contenu électronique total (TEC) le long du chemin parcouru par le signal qui est une mesure de la densité d'électron. Des délais plus importants apparaissent quand le satellite est à basse altitude, pendant certaines périodes de la journée, ils sont également fonction de la radiation solaire de l'équateur géomagnétique et de la position près des pôles. Le délai ionosphérique dépend de la fréquence et peut dès lors être éliminé en utilisant deux fréquences GPS. Les utilisateurs qui n'ont accès qu'à une fréquence peuvent cependant modéliser partiellement l'effet de l'ionosphère en utilisant des modèles standards.
La troposphère produit également un délai dans les observations mais celui-ci ne dépend pas de la fréquence. Il ne peut donc pas être éliminé par des mesures sur les deux fréquences, mais il peut être modélisé. La troposphère est généralement séparée en deux composantes: une composante sèche qui représente 90% de la réfraction totale et une composante humide qui représente les 10% restants. La composante humide étant la plus difficile à modéliser, et la plus fréquente en source d’erreur.

Eruption solaire :
On savait déja que ces rayonnements pouvaient endommager des satellites ou perturber leur fonctionnement (voir traversée de l’ionosphère ci-dessus) comme ce fut le cas pour les très puissantes éruptions solaire de 2003 et 2006. Paul Kintner, professeur d'ingénierie électrique à l'université Cornell de New York, a précisé qu'en « décembre 2007, nous avons constaté que les effets négatifs sur des récepteurs GPS ont été plus importants et plus répandus que prévu. Nous envisageons maintenant avec sérieux les dégâts que pourrait provoquer une nouvelle éruption solaire d'une intensité maximale ».

Multi-trajet:
Le multi-trajet est le phénomène par lequel les signaux GPS sont réfléchis sur certains objets avant d'être détecté par l'antenne. Cela se produit lorsqu'il y a des surfaces de réflexion dans le voisinage de l'antenne GPS. Cet effet peut engendrer des erreurs de l'ordre de 15 cm sur la mesure de phase et de l'ordre de 15-20 m sur la mesure de pseudo range.

Erreurs liées aux récepteurs:
Ce sont les erreurs qui proviennent des processus utilisés à l'intérieur du récepteur. Elles dépendent du type d'antenne, de la méthode utilisée pour convertir les données, des processus de corrélation, ....

Autres sources d’erreurs potentielles et vraisemblables:
Comme on peut le comprendre, il n’est pas si simple de modifier ou brouiller les données GPS. Autant l’acte est naturel quand on maitrise la constellation et le pilotage, mais très complexes pour un intervenant externe. Les techniques de « guerre électronique ECM et ESM », ne tiennent pas pour le GPS dans un boitier de poche… pas facile de modifier un message venant de 12 sat différents quand les seules données de 4 d’entre eux sont suffisantes pour un positionnement en 3D.
Il faut mettre en œuvre une puissance suffisante, non pas pour un brouillage des transmissions satellites, mais pour rendre inexploitables les récepteurs chargés de l’interprétation des signaux. Ces techniques sont toujours d’actualités.
Il existe des cas connus de brouillage de récepteur GPS par interférences dans le domaine civil. Exemple, celui des antennes actives de télévision maritime VHF/UHF, mis en évidence par les gardes côtes canadiens ( http://www.ccg-gcc.gc.ca/atn-aln/notices/ntc121602_f.htm merci à Dan là bas à Seattle qui m’a retrouvé cette info), ce cas allant jusqu’à la perte totale d’information. Il est possible de palier simplement à ce problème en créant autour de l’antenne de récepteur une zone neutre (type cage de Faraday), en prenant bien soin de ne pas cacher la surface active de l’antenne. On peut aussi se prémunir, en investissant dans une antenne blindée à la norme « MILxxx », mais ce n’est plus le même prix, ….
Autre brouillage VHF : la radio marine de bord
On constate, lorsque l’antenne VHF est trop proche de l’antenne GPS un phénomène identique à celui constaté par les gardes côtes Canadiens.
La perte de signal (en réalité, il devient indécodable par le Firmware du récepteur) est évidement accentuée lors des phases d’émission en puissance maxi (25W?).
Brouillage par les faisceaux radar : aucun élément objectif ne permet de mettre en cause les radars comme brouilleurs potentiels du système GPS (ondes ou récepteurs). Des tests on été fait au début des années 2000 sur plusieurs aéroports sans constater de dysfonctionnement.

Les récepteurs (antennes GPS + puce portant le firmware) disponibles:
Trois catégories:
Les récepteurs multi-canaux
Ils constituent le top des récepteurs GPS et sont généralement utilisés pour des applications ultra précises ou dans des applications de positionnement dynamique. Ces récepteurs disposent d'un canal de réception par satellite, par lequel chaque satellite peut être suivi en continu. On peut également faire une distinction entre les récepteurs SPS et les récepteurs PPS. Les récepteurs SPS mesurent uniquement les codes C/A et les phases L1/L2 alors que les récepteurs PPS peuvent également faire des mesures sur le code P.

Les récepteurs séquentiels :
Ils existent en version un ou deux canaux. Quasi abandonnés (ils ne sont plus fabriqués). Le récepteur ne peut déterminer une position tridimensionnelle que toutes les 4 à 5 secondes. En outre, cette position est moins précise puisque les mesures des différents satellites ne sont pas effectuées en même temps.

Les récepteurs multiplex:
Compromis entre les récepteurs multi-canaux et séquentiels, ils peuvent, malgré un principe de fonctionnement analogue à un récepteur séquentiel, faire un enchaînement entre les différents satellites en moins de 20 millisecondes (LTO pour Globallocate et InstantFIX pour SiRF).
Le principe de fonctionnement est identique dans les deux cas:on charge des fichiers texte contenant les éphémérides des satellites. Le seul but de cette opération est d'accélérer sensiblement l'obtention d'une position (appelée FIX). Cela ne sert qu'au démarrage du récepteur et en aucun cas n'améliore la sensibilité de l'appareil.

En conclusion :
Ce document n’a pas la prétention d’être exhaustif sur les causes potentielles de coupures ou dégradations des fonctions GPS.
J’ajouterais qu’aujourd’hui, le système est plus précis que les relevés du SHOM d’avant 2000 et que celui-ci ne s’y est pas trompé quand en mai 2000, après la désactivation de SA par les militaires américains, il a informé les professionnels de la navigation du risque d’erreur entre ses cartes et le relevé GPS,….. plus précis de plusieurs centaines de mètres dans certains cas.

un lien pour un logiciel genial de test de matériels GPS: (merci Bruno)
http://forum.wdgps.net/viewtopic.php?t=2
le logiciel est gratuit, seule contrainte (si on peut parler de contraintes..), s'enregistrer sur le site de Bruno BASLI.
En particulier, ce logiciel permet de faire les affichages des longitudes et latitudes dans les différentes unités qui sont souvent sources de confusion...!!!


principales sources:
-Thomas P. Yunck Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California
- Observatoire Royal de Belgique
- http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
- Pour les curieux, un lien en français particulièrement complet, http://www.ele.etsmtl.ca/profs/rlandry/GPS/Principes%20du%20GPS.pdf