Le G.P.S. (4) – La propagation des signaux

Le G.P.S. (4) – La propagation des signaux


(Document réalisé en 2015). Document faisant suite à Les signaux G.P.S.

Les signaux émis par les satellites de la constellation G.P.S. NAVSTAR se propagent à travers plusieurs milieux :

  • le vide, à partir de 550 de km d’altitude et plus…
  • l’ionosphère, de 120 à 500 km d’altitude,
  • la troposphère, de 0 à 120 km d’altitude.

Chaque milieu, en particulier l’ionosphère et la troposphère introduit des erreurs dans la direction et la vitesse de propagation des ondes radioélectriques.

Rappel : les orbites des satellites de la constellation G.P.S. NAVSTAR se situent à 20178 km d’altitude.

Le vide

Par principe, il est admis que la propagation des ondes radioélectriques dans la vide (on parle d’espace libre) s’effectue en ligne droite et à une vitesse constante proche de 3.105 km/s (exactement 299 792 458 m/s).

les satellites étant en orbite à 20178 km d’altitude, les ondes radioélectriques émises vers la terre commencent leur trajet dans le vide.

Par conséquent, cette partie du trajet est réputée sans influence sur la propagation théorique; aucune correction n’est à effectuer.

 L’ionosphère

L’ionosphère correspond aux couches hautes de l’atmosphère (environ 80 à 500 km d’altitude). Dans cette zone les molécules sont ionisées par le rayonnement ultraviolet du soleil.

Cette zone, chargée en particules électriques, modifie la propagation des ondes radio selon leur fréquence.

formation_ionosphere_bigOn distingue plusieurs couches dans l’ionosphère, chacune possédant des propriétés différentes vis à vis des ondes radioélectriques :

  • La couche D : absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle apparaît avec le lever du soleil et disparaît après le coucher de celui-ci.
  • La couche E : appelée couche Kennelly-Heaviside, altitude 90 à 120 km, elle est constituée d’oxygène et de monoxyde d’azote moléculaires ionisés et d’ions météoritiques. La couche E est diurne et présente tout au long du cycle solaire. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz et jusqu’à une fréquence limite qui dépend de l’angle d’incidence le l’onde sur la couche et de la densité de celle-ci. Au cours de l’été, en moyennes latitudes, apparaissent parfois pendant quelques dizaines de minutes, voire quelques heures, des « nuages » fortement ionisés dans la couche E (on parle de sporadique E ou Es). Ces couche sporadiques peuvent perturber la propagation des ondes radio utilisées pour le G.P.S. A contrario, les radioamateurs utilisent ces apparitions sporadiques pour effectuer des liaisons VHF transcontinentales.
  • La couche F : altitude de 120 à 800 km, elle est très dépendante de l’activité solaire; elle présente un niveau d’ionisation très important pendant les maxima du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire; la couche F se décompose, pendant la journée, en deux sous-couches F1 et F2. Ces deux sous-couches se retombaient la nuit, plusieurs heures après le coucher du soleil; mais il arrive qu’elles persistent toute la nuit lors des maxima d’activité solaire. Comme pour la couche E, le rôle de la couche F est essentiel dans la propagation dessoudes courtes.

Bien que le G.P.S. émette dans la bande L (1,4 à 1,5 GHz environ), il subit les modifications induites par l’ionosphère. Les perturbations dues à l’ionosphère entraînent une déviation du signal G.P.S. ainsi qu’une modification du temps de parcours de l’onde.

Le retard ionosphérique (allongement du temps de parcours satellite – récepteur) est estimé entre 0 et 50 mètres et varie en fonction de l’agitation ionosphérique. Contrairement à la troposphère, il n’est pas possible de modéliser correctement cet effet. L’ionosphère a, par contre, une propriété très importante, c’est un milieu dispersif pour les fréquences qui nous intéressent : le retard électronique dépend de la fréquence; et donc, l’utilisation de deux fréquences va permettre éliminer le retard ionosphérique.

Deux méthodes de correction existent :

  • La correction ionosphérique bi-fréquence : la valeur du retard ionosphérique est proportionnelle à l’inverse du carré de la fréquence.
  • La combinaison linéaire des deux fréquences qui consiste à éliminer mathématiquement le terme d’ionosphère.

La troposphère

La troposphère est la couche basse de l’atmosphère qui touche le sol. Elle produit une réduction variable de la vitesse de l’onde transmise, ce qui allonge le temps de parcours. C’est le retard troposphérique.

Lorsque le signal G.P.S. se propage dans cette couche de l’atmosphère, il y subit l’effet de la variation de l’indice de réfraction, ce qui se traduit par deux phénomènes :

  • le retard de la propagation,
  • la courbure de sa trajectoire.

L’amplitude de la variation dépend essentiellement des conditions météorologiques :

  • pression,
  • température sèche,
  • humidité,
  • élévation du satellite.

L’erreur est minimum au zénith (2,20 m). Elle atteint plus de 20 m à 5°.

C’est un environnement non dispersif : le retard troposphérique ne dépend pas de la fréquence du signal. Il faut donc utiliser un modèle. Actuellement, dans le traitement G.P.S., on estime le retard troposphérique de la façon suivante :

  • On détermine les valeurs à priori du retard total à l’aide d’un modèle.
  • On estime une correction de la valeur à priori.

Le retard troposphérique est estimé à partir :

  • des données météorologiques à la station sol pour une détermination absolue,
  • de deux stations sol pour une détermination relative et de l’élévation des satellites.

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