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DGPS et GPS

GPS

Introduction
Mon DGPS marche !
Je teste mon DGPS
A quoi sert un DGPS
Comment marche le DGPS
DGPS inversé
DGPS sans balise, vrs
Avenir du DGPS
Réalisation pratique
Installation de l'antenne
Stations françaises
Le WAAS
Révolution du GPS en mai 2000
Liens DGPS

Maj : 15/06/09

Abstract :
The only purpose of this small page is to explain at the sailor what is a D.G.P.S. it is only a minimal presentation for sailing. You will found information in links, if you need to start the construction quickly. But new situation is absolutely different after the GPS revolution of may 2000. Need for a DGPS is lower now. Links for DGPS , GPS and antennas, including home made patch and helix antennas.

Résumé :
Cette petite page a pour seul but d'expliquer au navigateur ce qu'est le système D.G.P.S. Voici une présentation minimale du récepteur DGPS pour la navigation. Vous trouverez toutes les informations en anglais dans les liens, si vous vous voulez vous lancer rapidement dans une réalisation. Mais la situation est maintenant radicalement différente depuis la révolution du GPS en mai 2000, l'abandon de la dégradation volontaire. Le besoin d'un DGPS est bien moindre maintenant. Liens pour DGPS , GPS et antennes, incluant les antennes patch et hélices de réalisation amateur.

 

 

  Introduction

Cette page ne concerne que le DGPS . Une page spéciale, comportant elle aussi une part d'électronique, est consacrée au GPS , en particulier :

Interfaçage du GPS avec le bus NMEA 183 et la liaison série RS-232

Le DGPS se présente soit comme un ensemble indépendant, comportant récepteur et décodeur séparés se branchant sur un GPS existant, soit intégré dans un GPS , lui même souvent partie d'un lecteur de carte. Le GPS utilise une antenne champignon, le DGPS un petit fouet en plus.

Le GPS est le "Global Positionning System ", ou système de positionnement Global. Il ne fonctionne qu'avec une guirlande de satellites américains, sur la fréquence de 1.5 GHz pour nous.
Le DGPS ajoute le D pour "Differential "ou différentiel. Des stations à terre envoient des informations complémentaires de correction d'erreurs pour augmenter la précision, mais ne couvrent que de petites zones alors que la couverture GPS est mondiale. Le DGPS a donc une double réception, les deux modules sont indépendants.

Cette page a été lancée avant l'abandon de la dégradation volontaire, elle a maintenant perdu beaucoup d'intérêt, sauf pour les liens.

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J'ai acheté un DGPS donc il marche !

Je suis stupéfait de constater sur les nombreux bateaux que je vois, qu'une majorité de DGPS neufs, installés récemment (avant 05/2000), sont totalement en panne sans que le propriétaire s'en soit rendu compte. Seule la partie GPS fonctionne. Systématiquement, j'explique la procédure et le propriétaire est très étonné de découvrir qu'il est en panne. Je ne connais pas d'autre matériel pour lequel cela se produit. Si vous achetez un speedomètre qui indique toujours une vitesse nulle, vous protesterez, mais pour un DGPS qui n'a jamais marché, non… C'est très étrange. Il est vrai que j'ai rencontré des plaisanciers qui avaient un superbe sondeur numérique qui était resté depuis l'installation en mode simulateur sans que cela pose le moindre problème, l'image était très jolie et on voyait toujours passer des poissons de synthèse sous la quille. Par peur du ridicule ils ne s'en étaient jamais plaint. Depuis l'abandon de la dégradation, la panne de DGPS est quasiment indétectable.

 

 

 

Je teste mon DGPS

Voici la méthode qui était utilisée avant 05/2000 ! ( je la conserve pour mémoire pour le principe, mais elle n'est plus d'actualité).
Rien de plus simple. Il faut que le bateau soit amarré à un ponton et reste à un point fixe. Il suffit de passer en mode enregistreur sur le traceur, disons un point par minute, d'effacer la mémoire et de laisser tourner au moins un jour. Vous réglez l'échelle pour avoir un demi-mille en diagonale sur le traceur. Au retour vous aurez un gros patté, approximativement centré sur la position vraie.

  Si les écarts sont de quelques mètres, le DGPS fonctionne parfaitement.

  Si les écarts sont de quelques centaines de mètres, vous n'avez pas de DGPS . Dans ce cas, soit vous avez payé pour un DGPS et il n'existe pas (mais vous pouvez avoir la jolie étiquette), soit il est en panne, soit vous n'êtes pas dans une zone de réception.

Cette méthode est infaillible, testez, vous serez surpris… Ne vous attendez quand même pas à des merveilles avec un DGPS , comme sur les publicités optimistes.

Avant l'abandon de la dégradation en 05/2000 : Un très bon GPS vous placait au mieux dans un cercle de 150 mètres de rayon, un très bon DGPS dans un cercle réaliste de 30 mètres de rayon.

Voici un exemple d'affichage sur le traceur sur une durée de 24 heures. Le bateau est mouillé à quai au Vieux-Port de Marseille. Sa position vraie est au centre du tracé. Le rayon de probabilité est de 50 mètres environ (les pannes mesurent 100 mètres de long). La précision est un peu meilleure en longitude. C'est un très mauvais résultat pour un DGPS haut de gamme, comparé au mode GPS seul, à peine trois fois moins bon.
Cet enregistrement a été fait juste avant l'abandon de la dégradation en mai 2000. Maintenant, diviser tous ces chiffres par dix !

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A quoi sert un DGPS

En navigation une précision à quelques mètres ne sert strictement à rien, mais l'intérêt du DGPS est multiple. Il permet de calculer un très bon vecteur vitesse, ce que les écarts d'un GPS de base ne permettaient pas (avant 05/2000), sauf en moyennant sur des temps très longs. C'est parfait pour retrouver des sites de plongée isolés. En régate très pointue, comme pour l'América Cup, il permet de suivre les positions à la perfection, à bord et à terre sur Virtual Spectator, d'optimiser le départ en régate...
Au large, le DGPS ne marche pas partout car il est très souvent hors de la zone de couverture des balises.

 

 

 

Comment marche le DGPS

Un rappel : Le DGPS est un GPS (Global positioning system) avec un "D "pour différentiel.
C'est très simple. Un GPS classique est monté dans un local à terre. La position de son antenne est parfaitement connue à quelques centimètres près. Ce GPS écoute en permanence tous les satellites visibles dans sa zone. Il analyse le signal de chacun et détermine le retard variable provoqué entre autre par la traversée des basses couches de l'atmosphère. Le satellite étant très loin, tous les GPS de la zone de couverture de la balise DGPS seront affectés de ces mêmes retards erratiques. Un petit automate compare en permanence cette position reçue, qui fluctue de quelques centaines de mètres à la position réelle et calcule chaque retard. Il envoie en permanence la correction sous forme normalisée, numéro de satellite suivi du retard en nanosecondes ou indication de problème (le satellite ne sera pas pris en compte). Un petit demi modem (émission seule, modulateur) module un émetteur qui envoie les informations sur sa zone.
A bord, le client reçoit ce signal sur un simple récepteur, le décode sur un demi modem (réception seule, démodulateur), et renvoie l'information brute sur le GPS pas la liaison NMEA 183. Le GPS a une entrée spécialisée et sait traiter ce signal.

 Il est donc très simple de réaliser un DGPS , je décrirai la réalisation détaillée ultérieurement s'il y a des clients.

Dans le même ordre d'idée, il est aussi simple de réaliser une balise d'émission, vous pouvez ainsi couvrir une zone pour une utilisation privée dépendant de la couverture d'émission. Vous devez rester dans la légalité pour le choix des fréquences et puissances d'émission. 

La seule réalisation qui intéresse le plaisancier moyen est le récepteur DGPS utilisant les balises commerciales. Attention toutefois, les zones couvertes sont réduites.

En France, les rares émetteurs sont en grandes ondes autour de 300 kHz. Leur faible puissance et les aléas de propagation sur ces bandes, les effets de nuit, n'assurent pas une très bonne couverture sur les zones.

 GPS

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Réaliser un DGPS maison

   La réception
Il faut tout d'abord un récepteur. La réalisation est très simple (je ne parle pas de la partie GPS !), vous trouverez des descriptifs dans les liens et dans les anciens numéros d'Elektor. Chaque émetteur ayant une fréquence particulière, il faudra donc soit le syntoniser en fonction de la zone (récepteur classique à accord par condensateur variable) ou mieux le verrouiller par une pll en choisissant les quelques fréquences. Le réglage à l'oreille est facile. Tous les modèles conviennent. Une antenne fouet ou un bout de fil traînant derrière un vaigrage améliore la réception. N'utilisez pas de barreau ferrite, il est directif, vous ne cherchez pas à faire de la goniométrie.

  La carte
Le signal est très lent. La moins performante des petites cartes microcontrôleur décode sans problème à 100 bps, et génère le signal NMEA 183 à 4800 Bauds. C'est un projet très simple à réaliser.
Seule condition de réussite : Commencez par écouter sur un récepteur ordinaire le signal sur votre zone, s'il n'est pas très bon, ne continuez pas. La réception de qualité sera la partie la plus délicate. Les listes de fréquences sont dans les liens.

 

 

Le DGPS inversé

Une autre application est très utilisée par les transports routiers, flottes de bus, taxis, camions… Le central a besoin de connaître avec précision la position de chacun de ses véhicules, renvoyée par radio. Au lieu d'équiper chaque client d'un DGPS onéreux, un simple GPS est utilisé, le central faisant lui mène les corrections. Il se comporte donc comme une station de référence DGPS sans émission.

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Le DGPS sans balise, VRS

Il existe un autre système de différentiel. La réception de la correction n'est plus alors fournie directement par une station au sol, mais par le satellite lui-même. Des installations au sol dans les régions développées, analysent l'écart de la position donnée par le satellite et lui renvoient leur correction locale. Le réseau GPS intègre ces données, génère une carte de corrections ponctuelles très précises et la renvoie sur un canal de service. Le DGPS n'utilise donc plus d'antenne fouet supplémentaire pour recevoir la correction en grandes ondes.
C'est la technologie de station de référence virtuelle (VRS) qui donne une précision à mieux que le mètre dans nos régions. La photo montre un tel GPS Différentiel Intégré Précision sub-métrique, le Garmin, Ag GPS 132.

 Garmin

Ce système est très utilisé en agriculture et équipe les petits avions d'épandage qui sont capables de traiter un champ en pulvérisant le produit très exactement dans les limites définies. Le passage par bandes d'une vingtaine de mètres se fait en pilotage automatique contrôlé par DGPS et girouette anémomètre au sol, d'après une carte d'épandage tracée à l'avance. La tolérance sur la quantité de produit déversé au mètre carré est très faible. En sortie de bande, le pilote désactive l'automatisme et effectue le virage manuellement. Le calculateur montre l'alignement de la meilleure bande suivante, le pilote s'aligne grâce à un affichage à rangée de leds en vision tête haute et repasse en pilotage automatique (3 axes, altitude rigoureusement constante, vent compensé). La commande des pulvérisateurs et évidemment automatique. Le pilote dispose d'un écran sur lequel apparaissent en couleurs différentes les zones traitées ou à traiter.
Après avoir vu cela,, vous vous dites, moi aussi je veux pulvériser du défoliant sur les viets avec mon bateau, et je veux rentrer dans le port avec ma vedette à 20 nœuds les yeux bandés, jusqu'à ma place à la panne. Il y toutefois un bémol… L'appareil est vendu 7000 € et le service est facturé par abonnement 1200 € par an, ce qui l'interdit donc au plaisancier. Il est peu intéressant pour un pécheur qui dispose en côtière de balises classiques sans abonnement.
Il n'est pas possible d'en faire une réalisation amateur, les données sont cryptées, le décodeur est très élaboré.

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Réalisation pratique

Du DGPS , pas d'un missile de croisière, à continuer ultérieurement s'il y a des clients pour ce projet. Le projet Navtex n'avait suscité qu'une dizaine d'intéressés. Le projet DGPS est dix fois moins complexe, il y a de l'espoir... Il ne consiste qu'en la réalisation (ou l'adaptation) d'un récepteur GO entre 283.5 et 325 kHz, suivi d'un petit (demi) modem FSK or MSK. La sortie des données en RTCM SC-104 est reliée à l'entrée du GPS (qui possède des broches TXD et RXD).

Projet abandonné !

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Installation de l'antenne

 

Ce point est trop souvent négligé. La position idéale, de l'antenne GPS et du fouet DGPS , est vers 4 mètres au-dessus de l'eau, ce qui améliorera considérablement la réception par rapport au montage classique sur balcon, trop bas et masqué. Si vous installez sur portique, surélevez l'antenne par une rallonge (de préférence en fibre pour diminuer l'ombre), afin qu'elle se situe à un mètre au-dessus du plan d'émission de l'antenne radar. Pour éviter qu'elle ne serve de poignée aux éléphants du bord, montez la base sur un petit silentbloc, le tube se dérobera en cas de contact et sauvera l'antenne. La qualité de l'antenne est prépondérante pour décoder le signal.

 

 

 

Stations françaises

 

Les signaux sont reçus avec un champ de 50 mV/m à 50 milles. Le débit est de 100 bps. Il ne faut pas s'attende à une réception à grande distance de l'émetteur, au delà d'une centaine de milles. Voir les liens pour la liste à jour .

GPS

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Le WAAS

 

Tous les GPS sortis depuis 2002 sont compatibles WAAS (Wide Area Augmentation System). Les américains ont implanté un réseau de 25 stations de référence couvrant tout leur territoire. Cela est très proche du système DGPS , la différence majeure est qu'il n'est pas nécessaires d'avoir un récepteur supplémentaire. Les corrections sont envoyées à des satellites géostationnaires de communication qui le renvoient sur la bande GPS normale (L1, 1575.42MHz) ; ils sont vus comme des satellites GPS supplémentaires (mais fixes).
La résolution est alors meilleure que 7 mètres dans les 3 dimensions avec le WASS! Cette petite merveille a une couverture limitée au territoire US mais évolue vers l'Europe. L'évolution est à suivre. Les anciens modèles de GPS ne sont pas upgradables en WAAS.

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Révolution dans le GPS au 1/5/2000

 

Depuis mai 2000 la dégradation volontaire de position GPS est supprimée.

Nous attendions cette nouvelle depuis longtemps. Une des premières pages : garmin.com
D'innombrables articles ont repris cette information par la suite.

En pratique c'est pour nous une amélioration réelle d'un facteur 10 de la précision du positionnement.
Voici le premier diagramme montrant la différence : igeb.gov/sal
Une des raisons est la pression des responsables de la sécurité routière US. Ils voulaient savoir de quel côté de l'autoroute l'accident s'était produit, avec les systèmes automobiles embarqués déclenchant une alerte en cas de choc. Ce n'est possible qu'en ayant enlevé la dégradation volontaire. Les américains savent maintenant dégrader à la demande la précision sur une zone limitée, cela sera adapté suivant les conflits du moment.

Une autre raison et de vouloir imposer le GPS avant le lancement du système européen pour verrouiller leur monopole.

Voici un enregistrement de la position à mon mouillage dans le Vieux Port de Marseille sur une période de 24 heures après l'abandon de la dégradation :
Le nouveau résultat est extraordinaire ! La largeur du port repérée par le tracé, est d'environ 300 mètres entre les rives Nord et Sud.
Sur le nouvel enregistrement le bateau est maintenant centré dans un cercle de 15 mètres de rayon, mesuré en zoomant cette image.
Avec la dégradation, le cercle était de plus de 150 mètres de rayon et le tracé sur 24 heures sortait largement des limites du port.

Autre avantage, l'affichage de la vitesse fond et du cap en route ont gagné une parfaite stabilité.

Ne croyez pas que cette amélioration enlèvera tout intérêt au DGPS , il gagnera encore en précision ! L'affichage du vecteur vitesse fond va encore s'améliorer. Il est toutefois certain que depuis cette révolution, l'intérêt de ce projet DGPS maison s'est beaucoup émoussé, mais il conserve sa valeur pédagogique !

Après essais multiples, depuis l'abandon de la dégradation, le DGPS élimine quelques points aléatoires qui apparaissent sur les enregistrements longs de position en GPS seul, et fait gagner un peu plus en précision sans points aberrants.

Et l'altitude dans tout cela? Cette coordonnée a toujours été très fantaisiste avec le GPS. Avant, l'altitude au niveau de la mer variait de quelques centaines de mètres positifs ou négatifs), maintenant quelques (grosses) dizaines, moins en DGPS Ce n'est pas demain que le GPS servira à mesurer les marées...

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L'avenir du DGPS

Le DGPS avait un immense avenir avant 05/2000, de nombreuses stations de référence privées se mettaient en place, surtout pour les applications terrestres.
Depuis l'abandon de la dégradation, l'avenir du DGPS est incertain en terme d'intérêt économique. Aucune certitude n'existe à ce jour, le système GPS va encore évoluer, et s'améliorer.
Le système européen Galileo, est mort, les fonds ayant détournés vers du populisme électoraliste. Le Glonass soviétique, qui n'a jamais été utilisable par le grand public, n'a pas survécu au communisme... Alors que va devenir le DGPS ?

Noublions pas que le DGPS permet de détecter un décrochage du reseau GPS et que les américains peuvent remetttre sans préavis la dégradation lors d'une prochaine guerre.

L'introduction du WAAS met sérieusement le DGPS en concurence dans les zones couvertes.

La politique d'abandon de la dégradation a supprimé l'intérêt du DGPS !

 

 

Liens DGPS

Interfaçage USB . . . . . . . Convertisseur_usb_serie . . . . . . . GPS et interfaçage NMEA-183 . . . . . . .Liens cartographie marine électronique

Les incontournables avis du SHOM : shom.fr

Très bonne page en français, avec traduction des pages WAAS : agirard.free.fr/gps
La page WAAS originale US, extraite de Joe Mehaffey and Jack Yeazel : gpsinformation.net/exe/waas

* Liens vérifiés le 15/06/09

© Christian Couderc 1999-2014     Toute reproduction interdite sans mon autorisation

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