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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
R1 R2 R
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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 QPSKOu exclusif
Ou exclusifDonnéesCode 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
1 – Technologies de positionnement1 – Technologies de positionnement
2 – Communication mobile 2 – Communication mobile
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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GSM : Généralités
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 doiventpas avoir la même fréquence de communication
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GSM : Généralités
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
Source : Digitel Espagne.
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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 BT
S
BTS
BTS
BTS
Source : Digitel Espagne.
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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 – mobilegère la couche physique et liaison de donnée
BSC
BTS
Base Station Controler :Organe intelligent du BSSAllocation des canaux de communicationGestion 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 etdes 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
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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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
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