Voile et Electronique : Christian Couderc

Une autre page traite spécifiquement du DGPS

et de sa réalisation électronique simple, ainsi que de la révolution du 05/2000 lors de l'abandon de la dégradation volontaire et du gain formidable de la précision du GPS

. Voir les liens. Je ne le reprends pas ici.

Cette page est très particulière. Je comptais faire le descriptif des interfaces que j'utilise, mais en fouillant dans mes "bookmarks ", j'ai trouvé tant de pages bien faites par d'autres que je me contente de les indiquer. Il n'y a rien d'original à rajouter, d'autres ayant largement réalisé ce travail. Vous trouverez en particulier un petit circuit imprimé facile à réaliser. J'ai indiqué les bons liens vers les GPS , l'interface du NMEA vers PC et automates, la cartographie.

Sans vouloir introduire un cours de plus sur le système GPS, il faut rappeler quelques principes élémentaires.

Le système est pleinement opérationnel depuis 1993 (déjà !). Les 24 satellites opérationnels sont groupés en 6 plans. En mer, avec un dégagement total, 4 à 10 satellites sont visibles en permanence, mais ceux trop haut sur l’horizon ne sont pas exploitables. En pratique il y a maintenant très peu de trous dans la réception 3D qui demande 4 « bons » satellites.
Les anomalies sur l’altitude sont sans importance pour nous, mais ce paramètre est toutefois utile pour juger de la qualité du positionnement.

Le principe de fonctionnement est très simple mais la réalisation pratique d’une grande complexité. Le point est calculé en mesurant la distance de l’observateur à trois (ou quatre) satellites en position favorable. Le point est à l’intersection des trois sphères.
Le temps et la position instantanée des satellites sont communiqués par les station de contrôle au sol, ils sont calculés et avec très grande précision et diffusés (avec d’autres informations) par les satellites.
Le récepteur GPS fait subir un traitement très complexe au flux de données. Le canal L1 est sur 1575.2 MHz, le canal L2 est sur 1227.6 MHz. Tous les satellites transmettent sur ces mêmes fréquences à 50 kbps. Les récepteurs civils n’utilisent que le canal L1.

Pour simplifier à l’extrême le principe de calcul, le récepteur suppose connue sa position approximative.
Quand il reçoit la trame d’un des satellites, il calcule le retard supposé du signal en fonction de la distance, génère une réplique, décalée du temps calculé. Le décalage de phase des deux signaux donne l’erreur qui sera corrigée au cycle suivant. Par approximations successives, le point est ainsi affiné à chaque cycle. De nombreuses corrections interviennent dans ce processus complexe.

La qualité du point obtenu sur les petits appareils grand public à faible coût, qui n’ont pourtant accès qu’à la partie publique des données, est stupéfiante.

Ceux qui n'ont rien compris au film se demandent à quoi peut servir cela. J'ai reçu des courriels me disant : "J'ai branché mon GPS Garmin directement sur le PC et cela marche, je n'ai donc besoin de rien. ". C'est un peu plus compliqué que cela.
La norme RS-232 stipule que les niveaux doivent être supérieurs à +/- 9 V. La norme NMEA 183 parle de niveaux logiques 0 et 5 V. Certains matériels comme Garmin proposent une sortie pseudo RS-232 aux niveaux bâtards mais acceptés par les PC récents. Le problème n'est donc pas de faire une simple adaptation de niveau mais de gérer les conflits de bus. Si l'on branche plusieurs circuits sur la même ligne NMEA 183, le débit étant très lent, de nombreuses collisions se produisent, tout le monde essayant de parler en même temps. Les messages s'écrasent mutuellement et le bus se bloque. Le problème vient du fait que les trames sont longues et le débit est trop lent, vivement le NMEA 2000. Il n'y a aucun temps mort et rien ne passe sur le bus, chacun essayant de répéter un message que personne ne comprend.
Il faut donc utiliser un dispositif intermédiaire, chaque instrument étant branché seul sur une entrée, il n'y a aucune collision puisqu'il est seul. Un microcontrôleur scrute tous les ports, évite tous les conflits et renvoie les données utiles aux appareils concernés sans aucune répétition. Vous trouverez dans les liens les réalisations commerciales.

Cette notion semble très obscure pour les débutants. Il est évidement possible de brancher directement une sortie active, comme celle d’un GPS , qui émet en permanence, vers plusieurs récepteurs comme des PC avec cartographie, ou centrale de navigation avec entrée dédiée, ou VHF nouvelle génération (pour l’envoi automatique de l’appel de détresse avec position).
Dans ce cas très simple le GPS émet sur son seul fil « transmit », l’entrée réception reste en l’air, il peut donc être distribué vers plusieurs récepteurs, mais attention pas sur un bus complet avec d’autres émetteurs.
Pour que cette duplication sans contrôle puisse fonctionner, il ne faut qu’un seul émetteur sur le fil distribué.
Le nombre de récepteurs est sans importance, ils ne font qu’écouter la ligne et ne la chargent pas car les entrées sont à impédances élevées.

Le problème n’est plus le même avec un bus complet, chaque matériel étant alors émetteur et récepteur.
Sur des installations comportant plusieurs capteurs et afficheurs NMEA, c’est moins simple car il y a plusieurs émetteurs sur le même bus et les pertes par collisions augmentent vite. Les appareils reçoivent des informations pour synchroniser les envois. Il est alors préférable de trier les trames et d’envoyer seulement celles utiles aux seuls destinataires concernés.

J'ai très souvent des questions récurrentes sur la manière de connecter le pilote au traceur. Il faut bien comprendre que cela ne sert strictement à rien ! Pour des raisons de sécurité élémentaire, laissez le pilote strictement indépendant du GPS , votre navigation sera plus sereine.

Ne couplez jamais le GPS au pilote automatique ! Près des cailloux, un décrochage pourrait être fatal...

Si à titre de curiosité vous voulez à tout prix faire l'essai, " parce que c'est possible ", il faut s'assurer que votre pilote réagit normalement en cas de perte de l'information GPS en observant le comportement. Une fois les tests finis, vous serez content, alors débranchez tout et laisser le pilote vivre peinard en célibataire.

Au début du GPS , dans les années 1990, la situation était très simple, il n'y avait que des modèles fixes sur étrier qui n'affichaient que la position. Quelques années plus tard les prix ont baissé considérablement est les portables ont été introduits.
Vers 1995 la situation s'est compliquée car les traceurs sont arrivés. Les progrès sont constants et les résultats superbes, mais en contrepartie il existe maintenant de multiples formats des cartographies, tous incompatibles. Le choix d'un matériel verrouille sur un type de cartes propriétaire du constructeur ce qui est très frustrant.
La cartographie est traitée dans cette page séparée

Le marché des GPS est tenu par quelques leaders, dont Garmin. La gamme est superbe, toujours en évolution mais très verrouillée. Il est très agaçant de ne pas pouvoir par exemple étendre la mémoire avec des composants classiques grand public et d'être obligé d'acheter à prix exorbitant l'accessoire d'origine ou de n'avoir aucun outil légal pour implanter sa propre cartographie.
Garmin n'est pas le seul sur le marché grand public. Magellan est un concurrent plus modeste et sur un plan local des constructeurs comme MLR ont une part du marché français. Les petits constructeurs locaux ont l'avantage de parler la langue et d'être plus accessibles pour le SAV et la chaude ligne.

Après avoir testé de nombreux et excellents produits, je commence à m'orienter vers une autre approche pour me dégager des formats propriétaires et pouvoir exploiter mon matériel en navigation dans toutes les mers du monde, en voiture et en avion en ayant la bonne couverture chaque fois. Les matériels dédiés ne le permettent pas car ils sont totalement fermés.

Il s'avère à l'usage que Windows CE, version très allégée, est plus robuste que les Window complets, car dépourvu des multiples gadgets inutiles et buggés qui pénalisent les versions lourdes. Un simulateur d'écrans bleus aléatoires sera peut-être rajouté dans les versions futures pour ne pas désorienter les Windowphiles acharnés. Si l'on ne considère pas Linux, car trop peu de programmes de cartographie lui sont dédiés à ce jour, Windows CE semble de très loin le meilleur système pour les PC de poches car il offre l'ouverture vers l'immense bibliothèque disponible. Pour un créateur de logiciel sous Windows, l'adaptation d'une version allégée pour CE est simple. Voir les liens cartographie.

Les chipsets pour GPS ont évolué très vite et nous trouvons maintenant de très petits GPS , fonctionnant une vingtaine d’heures sur une batterie type GSM disposant d’une liaison Bluetooth pour moins de cent Euros.
Ce sont des périphériques très intéressants car ils ne demandent pas de liaison filaire entre le GPS et le PDA ou le PC portable, ils ont plusieurs champs d’applications :

En voiture avec un programme de navigation terrestre (TomTom ou autre), les nouveaux véhicules ont des pare-brises athermiques avec films métalliques qui bloquent la réception du 1.5 GHz. Le GPS déporté fonctionne très bien collé à la lunette arrière, non traitée. Les matériels actuels sont très sensibles et recoivent au travers des écrans athermiques.

Sur des bateaux de location à l’équipement incertain, pour lesquels il est préférable de naviguer avec son matériel personnel.

Pour les PC portables non équipés d’origine, on trouve des clefs USB > BT pour une dizaine d’Euros.

C'est un choix très différent. Il est évident que le poids l'encombrement ne sont pas négligeables, cela ne s'adapte pas à toutes les situations. Vous n'irez pas faite du jogging avec un PC portable en bandoulière…
Si pour votre utilisation cela n'est pas un problème, c'est évidemment la solution parfaite. Un petit GPS bas de gamme à sortie NMEA ou un ensemble intégrant l'antenne et l'électronique vous donnera toute satisfaction pour un budget modeste d'environ 150 €.
Cela ouvre vers toutes les cartographies sans aucune limite. Cette solution est traitée dans les pages PC portable à bord

Autre solution, qui est aussi l'alternative au dos GPS spécifique cité pour les Pocket PC, est le GPS pour portables qui ressemblent à une souris et intègre cœur GPS et antenne. Le fil est assez long, environ 1.5 m et comporte une dérivation pour l'alimentation allume-cigare. C'est parfait en voiture sur portable ou Pocket, car l'antenne peut être collée sur le toit mais inacceptable en randonnée sur Pocket à cause du fil. L'avantage est toutefois de pouvoir l'utiliser sur divers matériels, car c'est un produit totalement neutre qui envoie automatiquement des trames NMEA 183 dès qu'il est alimenté. Nous avons déjà évoqué le problème de compatibilité USB ou RS-232.

Ces solutions sont intéressantes, mais posent un problème lorsque l'on est à la barre en particulier par mauvais temps dans une phase critique, comme en rase-cailloux la nuit. La consultation de cartes est facile à la table à cartes, mais c'est impossible pour le barreur. En solitaire ou avec équipage incompétent le barreur n'a plus d'information. Il est délicat de sortir son GPS avec cartographie pour l'exposer aux embruns, il est trop gros, trop cher et trop fragile pour être mis dans la poche du ciré.

Une solution va être introduite prochainement (?) sur le marché pour répondre à ce besoin.
Un PC bien abrité à la table à carte gérera toute la navigation, la cartographie intégrée, tous les instruments de navigation y compris le radar, c'est ce que nous avons déjà aujourd'hui.

Cette future robuste ardoise graphique étanche aura la fonction de télécommande sans fil vers un PC possédant les ressources, elle donnera au barreur les informations majeures que sont les écrans GPS et radar, seuls, alternés ou combinés. Les fonctions annexes sont très intéressantes comme par exemple le réglage du gain et du canal VHF , la consultation de la courbe du barographe, des cartes archivées automatiquement par le récepteur météo…
Cela est peu utile par beau temps sous pilote quand le barreur peut sans risque travailler à la table à carte, mais par temps difficile sur bateau capricieux et rapide, il peut se passer de très longues heures en solitaire sans pouvoir lâcher la barre, l'accessoire sera alors précieux.

J'ai été un des pionniers de l'électronique du bord, dans les années 1970 j'étais navigateur et spécialiste du sextant lors des courses en Angleterre. J'ai acheté à prix d'or (plus d'un mois de salaire) la première calculatrice du marché permettant les calculs astronomiques, la " Tamaya ". Lors d'une de mes premières utilisations en course, j'étais rentré faire un point douteux par mauvais temps et en ouvrant le tiroir, j'ai vidé l'eau de mer contenue dans la manche du ciré sur mon bijou qui a décédé dans d'atroces souffrances en quelques jours. J'ai très mal vécu ce désastre qui a fait mourir de rire mes copains navigateurs. Je suis revenu aux HO 249 avant d'être vaincu par l'arrivée des GPS …

Cette utilisation très particulière est évoquée en page : pilotes automatiques

La question m'est posée très souvent :
Je veux acheter un nouveau GPS , mais je voudrai qu’il soit compatible avec le futur projet Européen Galileo.

Avant 2002, il semblait que le projet semblait incompatible avec l’existant et avait peu de chance de trouver les financements.
Au départ, les américains ne voulaient pas que les zones de conflits militaires soient couvertes par un autre système que leur GPS .
En février 2004, la Commission européenne a réussi à imposer après d’interminables discussions, l’interopérabilité des deux systèmes de positionnement par satellite, l'américain GPS et l'européen Galileo.

Un premier satellite expérimental a enfin été lancé, capacité opérationnelle totale espérée en 2008, mais avec des retards s’amplifiant. Une extraordinaire précision civile de localisation en temps réel de l'ordre d'un mètre sera disponible.

Le problème de la décision politique est complexe, la moitié des pays de la coalition bancale européenne voudrait une option de positionnement militaire comme le GPS , les autres, sous la pression des américains, s’y refusent. Sans la double fonction, le système est sans avenir.
L’autre problème est que chacun veut bien participer mais en payant le moins possible, ce qui rend ce projet très hasardeux, c’est un effet d’annonce qui comme souvent peut ne pas aboutir. Le formidable projet Airbus a su fédérer des pays hétéroclites, il pourrait rester le seul exemple de réussite.

Une fois entièrement déployée, la constellation GALILEO comprendra 30 satellites (27 opérationnels et 3 de réserve), postés sur trois plans d’orbites circulaires moyennes (MEO) de 23616 km d'altitude, inclinées à 56° par rapport à l'équateur. Galileo place ses satellites sur des orbites plus inclinées que le GPS par rapport à l'équateur, cela améliorera la précision sur les régions mal couvertes (l'Europe du Nord)

Galileo devrait fournir en outre un service de recherche et de secours à l'échelle de la planète, basé sur le système opérationnel Cospas-Sarsat.

Reste à savoir si Galileo existera un jour et si le GPS que vous achetez aujourd’hui verra les deux constellations de satellites.
Des upgrades seront nécessaires pour la double exploitation (si le modèle le permet). La compatibilité ne pourra être testée que quand les satellites seront en exploitation, d’ici là vous aurez changé plusieurs fois votre GPS pour le modèle du moment beaucoup plus évolué.

Suivez l’actualité, les jalons sont sans arrêt repoussés par manque de financement européen et de motivation commune, aucune prévision sérieuse n’est maintenant possible, depuis 2003, les plus optimistes parlaient de début d’opération probable dans les cinq ans à venir, mais c'est toujours identique aujourd'hui...

Autre problème, les américains aussi ont de gros problèmes et les budgets pour entretenir la constellation GPS sont insuffisant. Il manque des satellites et le GPS civil risque de subir la terrible récession.

Dans la majorité des applications, vous n'utiliserez que les données fournies par les instruments commerciaux installés. Il suffit de récupérer les séquences qui sont envoyées, les textes sont en clair, et envoyés assez lentement pour pouvoir les lire simplement en mode terminal. Il est très simple d'écrire de petits logiciels pour filtrer ce qui vous intéresse pour exploitation. Vous pourrez exploiter ces données dans divers automates de navigation, souvent cités dans ces pages.

Réalisation pratique : Pour cela une interface unidirectionnelle suffit, elle est réalisable avec un simple optocoupleur, vous en trouverez dans les liens et ne perturbe en rien le bus. Vous n'avez besoin que de deux fils, la masse évidement et la sortie data du GPS reliée à l'entrée Receive du port série (s'il existe !). Certains matériels permettent de faire la liaison directement ; une option dans les menus de sortie permet alors de choisir soit la sortie RS-232 qui en réalité est une sortie TTL prévue pour attaquer un convertisseur TTL <> RS-232, soit une sortie directe inversée qui donne un signal 0 / "quelques vols positifs ". Ce signal bâtard est souvent accepté par les PC portables bien que très loin des spécifications RS-232 qui sont +/- 8 volts.
Si cela ne fonctionne pas, il faut utiliser un classique MAX232 monté dans le fil, en récupérant une alimentation 5V par le GPS , ce qui reste la meilleure solution, vous câblerez alors les deux voies comme décrit ensuite.

Le cas un peu plus complexe est l'interface bidirectionnelle. Vous pouvez alors communiquer avec le GPS et lui passer les commandes. Une des applications est le téléchargement de données ou de programmes dans le GPS , "way points ", mises à pour logiciels, etc.
Il existe de nombreux programmes adaptés à cet usage spécifique, pour mettre à jour le bois, charger les cartes... Si vous réalisez des automates, vous utiliserez souvent cette fonction, par exemple :

Utiliser un instrument du tableau par exemple le speedomètre, comme afficheur VMG (Velocity Made Good). Un petit calculateur interceptera les données classiques de loch combinées avec celle du GPS pour tenir compte des courants, girouette anémomètre (si l'on veut exploiter la polaire), calculera la projection du vecteur sur l'axe du vent puis renverra l'information sur l'instrument. Cette information représente la vitesse de montée au vent (ou de descente au vent arrière). Elle est très utilisée en régate pour optimiser la montée à la bouée à l'intérieur de la "lay line ". C'est un simple produit de la vitesse sur le fond par le cosinus de l'angle du vent réel. Si vous faites un bord carré, la VMG est nulle. Elle a été très popularisée par le logiciel "Virtual Spectator " lors de la Coupe América.

Sur ce dessin, le catamaran en bleu et le Class América en orange ont la même VMG. La page Loch-Speedomètre

détaille et explique ce diagramme.

Autre détournement de l'afficheur du speedomètre. Au lieu d'afficher les données issues du loch, en prenant l'inverse du temps entre chaque top du loch, c'est l'information issue des positions du GPS qui est utilisée pour calculer la vitesse moyennée sur le fond. Il est très pratique de pouvoir passer d'un affichage à l'autre, en particulier dans les passes à fort courant, la seule vitesse présentant un intérêt étant alors la vitesse fond.
Autre avantage, quand la roue du capteur est bloquée par une saleté, le basculement est possible en conservant la VMG.

Détournement de l'affichage girouette anémomètre pour afficher la direction cardinale du vent et sa valeur réelle. Il faut alors une information de cap, soit celle fournie par le fluxgate du pilote ou du compas, soit celle calculée depuis le DGPS , nous obtenons la direction et la force du vent par rapport à la terre, ce sont les informations objectives, exactement comme celles données par une station météo à terre ou sur bouée.
A partir du cap fluxgate, nous obtenons un vent pseudo-réel mais relatif à la dérive du bateau et qui diffère du précédent en cas de courant traversier. Cette deuxième information est plus subjective mais permet de repérer plus facilement une adonnante ou une refusante.
Depuis l'abandon de la dégradation (05/2000), les données sont devenues exploitables sans DGPS pour le relevé des polaires, pour prendre en compte la dérive si le courant n'est pas nul.

Autre détournement de l'afficheur 360 degrés de la girouette pour indiquer le cap réel (route sur le fond), calculé depuis les positions GPS ou mieux DGPS . Avec la dérive et le courant, il peut être très différent du cap compas ou fluxgate qui est simplement la direction du nez du bateau.

Il existe de nombreuses autres applications pour un amateur de voile et de microcontrôleurs… Dans ces divers cas, il faut écrire un petit driver logiciel qui écrit sur la ligne NMEA. Il est un peu plus délicat à réaliser, il faut alors gérer les collisions sur la ligne, de nombreux appareils étant actifs en émission. La demande d'écriture sera faite au travers de ce module.

Ceci bien vérifié, l'entrée de l'un étant bien branchée sur la sortie de l'autre et réciproquement, éteignez, connectez, rallumez et cela ne devrait pas vous exploser à la figure.

Si la complexité de cette mesure d’une tension de quelques volts avec un contrôleur universel vous dépasse, ne tentez rien sur la prise de votre GPS , vous pourriez vous électrocuter, mettre le feu au bateau et peut être même provoquer un syndrome chinois dans votre centrale nucléaire. Demandez de l’aide à une haute sommité du bricolage et sortez couverts.

Un GPS est très simple à monter. Le support doit être placé de manière ergonomique, afin que les appuis sur les touches se fassent confortablement dans les conditions de mauvais temps. L'antenne pose un autre problème. Certains GPS , par exemple le Garmin 75 ont une très bonne antenne interne amplifiée et peuvent fonctionner à la table à carte sans aucune antenne extérieure, cela est très pratique. D'autres comme le Garmin traceur GPS 175 (excellent par ailleurs), sont totalement sourds avec l'antenne d'origine.
Les deux appareils posés côte à côte à la table à carte, un satellite reçu S8 sur le 75 sera reçu moins de S2 sur le 175. Il est donc indispensable de monter une antenne de balcon amplifiée pour obtenir une réception parfaite.
La majorité des antennes est simplement vissée sur le balcon. La réception s'améliore encore en surélevant l'antenne par un tube (qui peut servir aussi de mâtereau à pavillon). Il faut rappeler que le GPS ne travaille que sur les satellites bas sur l'horizon.
Le risque de ce montage est d'offrir à l'arrière du bateau un objet fragile, trop tentant pour les malhabiles qui voient ainsi une magnifique poignée pour monter à bord ou déborder le bateau. Pour éviter de casser l'installation de l'antenne GPS , il existe une solution magique !

La majorité des GPS sort en format NMEA 183. Ce format est à 4800 bauds, avec niveaux logiques TTL (0 et 5 volts). Il a l'étrange obligation d'imposer une inversion du sens des signaux pour passer en +/- 8 volts, afin d'être compatible avec la norme RS-232, mais beaucoup de logiciels de terminaux sont très tolérants en acceptent un signal de phase inversée.

Certains Garmin (pas le 175 !) ont la particularité de pouvoir aussi déclarer un format de sortie propriétaire. En passant en mode Garmin/Garmin, la sortie est cette fois en pur RS-232 qui ne demande strictement aucune conversion et fonctionne en câblage fil à fil, à 9600 Bauds.

Si vous développez une application PC ou microcontrôleur, pensez à cette possibilité qui simplifie l'interfaçage à l'extrême. Si votre application se veut plus générale pensez à paramétrer le choix 4800/9600 Bauds pour avoir la double compatibilité avec le bon câble).

Voici à quoi ressemble une sortie GPS (Garmin 175). L'exemple montre la structure d'une trame, envoyée toujours au même format toutes les deux secondes. Il faut remarquer que la trame est très longue et à 4800 Bauds elle occupe la moitié du temps disponible sur le bus. Cela est très pénalisant pour les autres appareils sur le bus NMEA 183, s'il y a de nombreux appareils les collisions peuvent bloquer le bus. Pour éviter cela il est préférable de créer des sous-bus qui filtrent et ne laissent passer que l'information nécessaire. De très nombreuses informations, soit 12 lignes sur les 13, sont totalement inutiles (routes, way-points, type de cartes...) et peuvent être éliminées sans aucun problème.

Vous trouverez dans les liens le détail des phrases, (en particulier dans la faq Bennet) faciles à interpréter. Beaucoup de trames sont propriétaires Garmin, d'autres marques auront une présentation différente, Voici les seules données importantes à exploiter :
L'heure G.M.T. <14 Heures 08 min 51 sec>
La position instantanée, <Latitude 43°21.359 Nord> <Longitude 005°24.421 Est>
A partir des ces seules données, tout peut être calculé. Pour améliorer la performance du bus, il suffit donc de ne conserver que la première ligne en éliminant le reste. Cette opération élémentaire se fait avec un seul composant, un PIC par exemple et quelques lignes de programme, Fort heureusement, les formats des données sont toujours constants grâce à l'adjonction de zéros.
Il est possible d'exploiter aussi la date <26 Mai 2000>, l'heure, le cap, les caps et distances au waypont actif, la tension batterie, la SOG (speed over ground)...

Ces informations alimentent aussi des répétiteurs à la table à cartes, et au-dessus de la couchette du skipper qui ne dort jamais que d'un oeil.

Voici un autre exemple d’une sortie beaucoup plus légère d’un GPS Fortuna (Bluetooth). En mouvement, il y a plus d’indications, mais le format reste identique.

$GPGGA,131321.871,4321.0098,N,00524.3385,E,0,00,50.0,268.8,M,,,228.1,0000*1E
$GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,50.0,50.0,50.0*05
$GPRMC,131321.871,V,4321.0098,N,00524.3385,E,0.00,,280904,,*0B
$GPVTG,,T,,M,,N,,K*4E

Quelques données principales : /// Lat : 4321.0098,N /// long : 00524.3385,E /// Date : 280904 /// ...
Le GPS est en poste fixe, vous ne voyezdonc pas vitesse, cap,…

Comme il a été dit en page loch-speedomètre

, il est très intéressant de récupérer l'information GPS pour la réinjecter dans le speedomètre quand le capteur n'est pas immergé. Nous allons exploiter la trame, encore une fois, toute l'information utile et dans la première ligne. La même carte qui va purger la trame NMEA servira aussi de speedomètre fond secondaire.

Nous avons deux solutions pour le réaliser.
La plus simple est de lire directement la vitesse GPS :
$GPRMC,140851,A,4321.359,N,00524.421,E,012.3,360.0,260500,000.5,W*63
La valeur en violet : 012.3 indique la vitesse de 12.3 K (noeuds). J'ai triché j'ai forcé la valeur à la main, le relevé précédent ayant été fait en statique sur mon bureau...
La valeur en marron : 360.0 est le cap instantané (plein Nord).
Cette manipulation est très simple, mais la moyenne est calculée sur des temps assez courts et fluctue un peu à petite vitesse (de l'ordre du dixième de nœud). Les puristes qui se demandent pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué, préfèreront la deuxième méthode.
La vitesse peut être recalculée par la position, ce qui permet de faire des moyennes sur des périodes longues (5 minutes à 5 Noeuds, 10 minutes à 2.5 Noeuds...) et donner ainsi une très grande précision à l'affichage. Ce n'est que de la trigonométrie élémentaire, sur de si petites distances, la surface de la mer est rigoureusement plane avec une excellente approximation...

Interprétation de ces valeurs
Pour connaître la fréquence générée par le capteur de loch à vitesse donnée, il y a diverses méthodes utilisables à quai pendant la phase développement.

Méthode rigoureuse : Utiliser un générateur BF et injecter le signal sur la bobine couplée au capteur et lire l'indication. Relevez la valeur à 10 puis 5 puis 1 K. Vous aurez la surprise de constater que la linéarité n'est pas parfaite, mais nous négligerons ce point pour le moment. L'intérêt du générateur est de tester la bobine d'induction et de déterminer le niveau de signal minimum pour activer le capteur. Par sécurité, nous prendrons ensuite 10 fois la puissance minimale (soit racine de 10 fois la tension, P=V²/Z, tension triple du seuil). Si vous avez utilisé le générateur numérique, c'est très simple, vous relevez la table des fréquences précise (et de tension approximative), nœud par nœud. Ces valeurs constitueront la look-up table (table de conversion) entre nœuds calculés et fréquence.

Estimation calculée : Les puristes calculeront avant la fréquence estimée. Considérons une roue à aube de 3 cm de diamètre, comportant un seul aimant. Supposons qu'elle ne glisse pas. Un tour produira une période de signal, pour un déplacement linéaire de Pi*D²/4 soit environ 7 cm. Pour une vitesse de 10 K, soit 18520 mètres à l'heure, 5 mètres par seconde, environ 73 tours de roue donc 73 Hz. Pour une hélice c'est identique mais le calcul du développement est un peu plus compliqué.

Méthode du pauvre : Utiliser un petit transformateur (sortie non redressée !) de quelques volts, et alimenter la bobine par une petite ampoule en série. Pour 50 Hertz, dans le cas précédent (habituel) vous lirez environ 7 k.

Pour simplifier, cet étalonnage peut être fait en rentrant un facteur proportionnel constant provisoirement et en affichant en mode simulateur diverses vitesses, mais cette approche est plus délicate pour le réglage de niveau, il ne faut pas saturer le capteur.

Réalisation pratique de cette bobine
Récupérer le fil très fin du primaire d'un vieux transformateur. Fixez le tube PVC support sur un mandrin de perceuse. Enroulez quelques centaines ou mieux milliers de tours, ce n'est pas très critique, il ne faut que quelques minutes. Il faut prendre la précaution de bien soigner la connexion de l'extrémité des fils pour qu'ils ne se cassent pas, reprise sur fils plus gros, montage de bornes relais et ensemble noyé dans l'araldite pour protéger de l'oxydation.

Astuce de simplification de calcul pour les programmeurs
Les positions sont données en degrés avec minutes collées et un point pour les millièmes de minutes. Il est beaucoup plus facile de ne manipuler que des millièmes de minutes pour les calculs. La conversion consiste donc à convertir les minutes en millièmes, par exemple pour la latitude <21.359> est convertie en <21359>. Il faut ajouter ensuite les degrés convertis en millièmes en les multipliant par 60000.
Pour gagner du temps je ne fais pas la multiplication chaque fois, mais j'utilise une look-up table (table calculée) avec les 360 valeurs pré-calculées entre 0 et 359 degrés. Tout le reste n'est qu'une simple suite de multiplications et d'additions. Attention à bien gérer le passage autour du méridien de Greenwich et de l'équateur, le bug est fréquent. Le traitement de la frontière 359° à 0° et */- 0° complique le logiciel. Simulez une navigation dans le Golfe de Guinée pour tester...

Le logiciel sera décrit ultérieurement en détail dans la page électronique sur la réalisation de la carte universelle à microcontrôleur.

Ce chapitre est commun aux pages NMEA 2000 et NMEA 183.
Le problème est que nous sommes dans une phase pénible de transition, en l’an 2002 le NMEA 183 est terminé mais la relève n’est pas encore assurée par le NMEA 2000, les constructeurs jouant sur la frilosité des clients. La situation s’améliorera peu a peu, mais, en attendant, il est donc très difficile aujourd’hui de choisir un matériel qui sera valable demain.

Il existe un problème spécifique pour les GPS . Tous les anciens modèles étaient compatibles NMEA 138 et RS 232, le passage de l’un à l’autre étant simple par logiciel car les deux sont très proches. Ils pouvaient donc être exploités sur un bus NMEA 183, et sur un PC portable sans problème.
Aujourd’hui, ces deux standards ont disparu. Les fabricants sont dans une situation difficile. Il faut impérativement une prise USB pour les portables et les palms, mais cela est rigoureusement incompatible avec le bus NMEA 2000 ! Implanter les deux sorties coûte cher. Les modèles vendus depuis 2002 sont donc totalement bâtards et provisoires.
Il n’existe pas encore de pont USB <> NMEA 2000. Ce problème sera résolu dans une prochaine génération de GPS , le constructeur proposera alors un câble de transition USB et un autre NMEA 2000, en gérant les deux standards.

Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
d’avoir au moins la courtoisie de citer leurs sources…

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Dernière retouche le 11 Juin 2009 à 15 h