Guide de poche sur la navigation satellite

Introduction aux système de navigation par satellite

Les systèmes de navigation par satellite sont essentiels pour une navigation et un positionnement précis. Ils fournissent des données essentielles à de nombreuses applications, telles que :

• La conduite autonome
• Les systèmes autonomes sans personnel (UAS)
• Transport
• Aviation
• Agriculture
• Services de datation
• Gestion de catastrophe
• Services de sécurité
• Recherche scientifique

Les systèmes de navigation mondiaux se composent de plusieurs satellites partagés sur divers plans orbitaux afin de garantir une couverture et une disponibilité mondiale. Les orbites satellite peuvent également être conçues et optimisées pour une couverture régionale afin que le service de positionnement soit limité à des zones dédiées.

Positionnement basé sur satellite

Le positionnement basé sur satellite fonctionne sur le principe de la trilatération. Un récepteur de navigation par satellite reçoit des signaux de plusieurs satellites, chacun fournissant l'heure actuelle et l'emplacement du satellite à cet instant. Le récepteur peut calculer la distance avec le satellite à partir du temps d'arrivée (ToA) car le signal voyage à une vitesse connue ‒ la vitesse de la lumière. Une fois les distances entre le récepteur et les trois satellites connues, le récepteur peut déterminer sa propre position tridimensionnelle (latitude, longitude et altitude) par trilatération.

En plus de ces trois satellites, un quatrième satellite est nécessaire pour tenir compte des écarts de temps entre l'horloge du récepteur et les horloges atomiques précises des satellites. Ce principe de base constitue le fondement pour tous les systèmes de service satellite de navigation radio (RNSS).

Il existe différents types de méthodes de positionnement GNSS :

• GNSS autonome
• GNSS augmenté
• GNSS haute précision

Toutes ces méthodes varient dans leurs types de correction (OSR versus SSR), type d'observation (code versus porteuse), zone de service (local, régional ou mondial), capacités de réduction d'erreur et précisions de positionnement résultantes. Si une précision au mètre est nécessaire, le positionnement basé sur porteuse est obligatoire. Les méthodes GNSS haute précision proposent des précisions variées. Les services PPP proposent plusieurs décimètres, et les services PPP-RTK fournissent mieux que 10 cm. Le RTK fournit les meilleures précisions dans la gamme du centimètre, mais il nécessite une proximité avec une station de référence. Pour un équilibre de précision et de complexité d'infrastructure, le PPP-RTK est souvent le choix préféré, proposant des précisions élevées avec une potentielle couverture mondiale.

Systèmes de navigation satellite mondiaux et régionaux

GNSS pour “Global Navigation Satellite System”. Il existe plusieurs types différents de GNSS, souvent utilisés par différents organismes gouvernementaux.

Par exemple :

• GPS : Utilisé par les États-Unis, en particulier par le département de la défense US. Bien qu'il ait été initialement développé pour une utilisation militaire, il est devenu disponible pour une utilisation civile également.
• Galileo : Utilisé par l'Union Européenne. Il a été conçu pour une utilisation civile et complète les systèmes GPS et GLONASS.
• GLONASS : Utilisé par les forces de défense aérospatiales Russes. Il a été conçu pour fonctionner indépendamment des autres systèmes de navigation.
• BeiDou : Utilisé par la Chine. Il intègre des satellites dans des orbites géostationnaires et non géostationnaires.
• NavIC/IRNSS : Utilisé par l'organisation de recherche spatiale Indien. Il sert principalement au continent Indien.
• QZSS : Utilisé par le Japon. Il complète le GPS, améliorant la disponibilité et la précision dans la région Asie / Océanie, en particulier dans les zones urbaines avec de grands immeubles.

Un système d'augmentation basé sur satellite (SBAS) est une technologie géospatiale qui fournit des corrections aux systèmes GPS, GLONASS, Galileo et BeiDou afin d'améliorer la précision. Il utilise des stations de référence terrestres afin de dériver des corrections différentielles pour les satellites GNSS et diffuser ces corrections via des satellites géostationnaires.

Technologie de récepteur GNSS

L'architecture de base d'un récepteur GNSS peut être divisée en blocs fonctionnels suivants :

• Antennes : Les antennes GNSS sont polarisées circulairement par la droite (RHCP) et fonctionnent dans la gamme de fréquence en bande L. Leur rôle principal est d'optimiser la capture des signaux provenant des satellites avec des angles d'élévation plus élevés, tout en réduisant l'impact des signaux multi-trajets qui se produisent souvent avec des angles inférieurs.
• Préamplificateur : La partie préamplificateur peut faire partie du matériel d'antenne et se compose d'un amplificateur faible bruit (LNA), de filtres pour la réjection de brouillage / interférence et d'une protection contre le surmenage.
• Terminal : Cette partie effectue toutes les tâches de traitement du signal analogique telles que le filtrage (suppression des interférences hors bande), d'une amplification supplémentaire et d'une conversion abaisseur vers une fréquence intermédiaire (IF).
• Conversion A/N : Le signal IF analogique est numérisé dans la partir du convertisseur A/N.
• Traitement du signal : Le traitement du signal numérique inclut une suppression Doppler, mélangeant le signal avec les codes de portée et une accumulation d'échantillons afin de constituer des valeurs de corrélation. L'unité de traitement du signal fournit une pseudo-distance, une phase de porteuse et des gammes delta comme des observables GNSS de base.
• Traitement PVT : Les observables GNSS de base sont utilisés pour calculer une position, une vélocité et un temps (PVT). Cela peut être obtenu en résolvant les équations d'observation GNSS au moyen des ajustements de moindre carré en appliquant des méthodes plus avancées telle que le filtre Kalman.

Comme options, des capteurs externes et d'autres sources de données peuvent être intégrés pour calculer le PNT.

Il existe plusieurs types de récepteurs GNSS, chacun conçu pour des applications spécifiques :

• Récepteurs au niveau élévation : élévation géodésique, construction et autres applications qui nécessite une précision au centimètre
• Récepteurs au niveau cartographie : collecte de données GIS, agriculture et forestier
• Récepteurs GNSS maritime : spécialement pour la navigation maritime et les applications de pêche
• Récepteurs GNSS aériens : navigation aérienne, atterrissage et autres opérations de vol
• Récepteurs automobiles : navigation intégrée pour les voitures et autres véhicules
• Récepteurs personnels / portables : smartphones, montres connectées et autres appareils portables
• Récepteurs temporels : références temporelles précises pour les télécommunications, centrales électriques et autres infrastructures
• Récepteurs spatiaux : navigation orbitale et synchronisation de satellites et missions scientifiques

Le type de récepteur GNSS dictera ses fonctionnalités spécifiques et ses caractéristiques de performance. Les spécifications typiques d'un récepteur GNSS incluent : canaux, couverture de fréquence, sensibilité, précision, taux de rafraîchissement, temps nécessaire d'acquisition de signaux (TTFF) et compatibilité GNSS.

Vulnérabilités GNSS et menaces

Les interférences et les influences des divers types peuvent engendrer une dégradation du signal et des erreurs dans le calcul des informations PVT. Elles peuvent même mener au déni de service dans certaines zones.

Les sources de dégradation du signal peuvent être séparées en trois catégories :

• Dégradation du signal inhérente au système causée par les satellites, l'infrastructure et l'architecture
• Dégradation du signal sur le trajet du signal causée par les couches atmosphériques, le décalage Doppler et les phénomènes météorologiques
• Dégradation du signal due à l'environnement de l'utilisateur ‒ pas uniquement les immeubles et les arbres mais également la propagation multi-trajets et les brouilleurs

La dégradation du signal due à l'environnement de l'utilisateur peut davantage être différenciée en termes de type, cause et effet. La cause peut être distinguée entre les interférences intentionnelles et involontaires, les deux menant à une dégradation du signal ou à un déni de service. D'un autre côté, il existe des menaces qui visent à fausser la position d'un récepteur, plus connu sous le nom de mystification.

Applications spéciales GNSS

Les applications spéciales GNSS impliquent des techniques avancées pour une navigation et un positionnement avancés :

1. Les applications multi-fréquences et multi-constellations utilisent des signaux provenant de différents systèmes satellite et différentes fréquences pour une meilleure précision.

2. Les applications multi-véhicules permettent une navigation coopérative.

3. Les applications multi-antennes améliorent la réception du signal.

4. Les applications d'interférences avancées luttent contre les interruptions du signal, assurant précision et fiabilité de la fonctionnalité GNSS au sein de divers environnements.

Simulation GNSS et test de récepteur

Le test GNSS est essentiel au cours du développement du récepteur et de la production des puces / appareils afin de garantir une performance optimale. Il caractérise la performance du récepteur, teste les fonctionnalités spécifiques du récepteur et évalue la résistance aux menaces GNSS, telles que le brouillage, la mystification et les problèmes de coexistence. Un test approfondi permet de maintenir un positionnement, une navigation et des informations temporelles fiables et précis.

Le test GNSS peut être effectué via un test réel, mais qui a des limitations telles que des conditions système inconnues, une personnalisation restreinte et l'impossibilité de répéter les tests. Il est également chronophage et coûteux.

C'est là que la simulation entre en jeu. Dans une simulation, les conditions de système sont bien définies et les scénarios de test peuvent être répétés aussi souvent que nécessaire. Les paramètres du test peuvent également être configurés selon les besoins de l'utilisateur.

Il existe sept éléments qui doivent être pris en compte par une simulation GNSS :

1. Brouillage et interférences : Afin d'émuler un environnement GNSS réel, des influences externes telles que des signaux de brouillage et d'interférences doivent être pris en compte. La présence de signaux supplémentaires peut alors être simulée, et leur influence sur la réception du signal GNSS peut être évaluée.

2. Simulation de portée : La portée entre le satellite et l'antenne de réception est la mesure de base qu'un récepteur GNSS effectue afin de calculer sa position. Pour une simulation de portée réaliste, il est nécessaire de prendre en compte (a) les effets ionosphériques et troposphériques, (b) les erreurs inhérentes au système telles que les erreurs d'horloge et (c) les erreurs de portée inattendues.

3. Simulation d'orbite satellite : Une simulation GNSS réaliste doit prendre en charge la simulation de différentes catégories d'orbites satellite (LEO/MEO/GEO/IGSO), y compris les erreurs et les perturbations d'orbites.

4. Systèmes et signaux : Aujourd'hui, un simulateur GNSS doit prendre en charge des scénarios multi-constellations et multi-fréquences, simulant tous les systèmes et signaux pertinentes dans toutes les bandes de fréquence GNSS simultanément.

5. Blocages du signal : Les signaux GNSS sont souvent bloqués par des immeubles ‒ en particulier dans les environnements urbains. Dans de nombreux cas, le blocage du signal nécessite d'être combiné avec une simulation multi-trajets, car la ligne de mire du signal pourrait être complètement bloquée et le récepteur ne pourrait traiter que les composants multi-trajets.

6. Mouvement du véhicule : De nombreux tests doivent simuler un récepteur en mouvement qui prenne en compte l'attitude du véhicule. Pour tester des récepteurs en mouvement avec des dynamiques de signal élevées, le simulateur GNSS doit prendre en charge des scénarios où l'utilisateur simulé est exposé à des vélocités et des accélérations élevées.

7. Simulation multi-trajets : Pour tester la performance du récepteur en présence de multi-trajets, un simulateur GNSS propose généralement diverses manières de simuler de telles influences. Par exemple, cela peur inclure une ligne de retard ou des modèles multi-trajets terrestres, des modèles de canaux statistiques ou des modèles multi-trajets déterministes.

Solutions de test GNSS pour l'amélioration de la fiabilité PNT

Rohde & Schwarz propose des générateurs de signaux et des logiciels pour la simulations GNSS, couvrant tous les scénarios allant du plus simple avec un seul satellite jusqu'au scénarios avec des constellations multi-satellites avec plusieurs canaux, multi-fréquences et des interférences. Nous proposons également des options d'automatisation de test GNSS pour nos générateurs de signaux, afin que vous puissiez effectuer des tests entièrement automatisés dans des conditions contrôlées et répétables en laboratoire et sur la ligne de production.

Nos analyseurs de réseaux vectoriels (VNA) sont des outils essentiels pour le développement de récepteurs GNSS. Les VNA sont utilisés pour :

• Tester et optimiser la performance des antennes
• Évaluer les filtres et les amplificateurs pour la réponse en fréquence, le gain et la linéarité
• Assurer la bonne adaptation d'impédance
• Mesurer le facteur de bruit (un indicateur clé de la performance)
• Aider à la caractérisation des trajets du signal au sein du système de réception
• Déterminer l'isolement entre les différents ports pour éviter les interférences

Pour le test en développement, en qualification et en production, nous proposons une large gamme d'oscilloscopes.