Antennes GPS

Qu'est-ce qu'une antenne GPS?

Une antenne GPS est une antenne radiofréquence qui fournit une connectivité avec le système de positionnement global, un système de radionavigation par satellite propriétaire conçu, créé et détenu par le gouvernement des États-Unis. Lorsqu'elle est correctement connectée à un émetteur-récepteur GPS, l'antenne GPS est capable de transmettre et de recevoir les signaux de fréquence radio spécifiques nécessaires à un appareil GPS pour exécuter ses fonctions de temps, de localisation et de navigation. Dans l'exécution de cette function, les antennes GPS deviennent le point clé d'interaction entre les satellites qui forment le segment spatial GPS et le segment d'utilisateurs GPS (récepteurs).

L'antenne doit être suffisamment sensible et posséder la résonance nécessaire pour détecter le signal GPS diffusé par la constellation de satellites, et peut souvent avoir besoin d'un amplificateur à faible bruit (LNA) pour améliorer le signal.

Les antennes GPS sont connectées à un récepteur GPS, un appareil de navigation par satellite qui possède une interface frontale et un logiciel permettant d'extraire des informations pertinentes du signal GPS reçu et de l'afficher dans un format convivial. Le logiciel et les pilotes impliqués doivent être capables d'extraire des informations du signal GPS malgré ses niveaux relativement faibles, ce qui implique généralement une amplification supplémentaire du signal et l'utilisation d'une gamme de calculs et de techniques de corrélation. Les données de position, les itinéraires et d'autres méthodes de navigation peuvent être affichés à l'aide de cartes ou d'autres méthodes propriétaires. Les types de récepteurs GPS varient des récepteurs d'arpentage et de précision professionnels aux appareils de navigation portables (PND) couramment disponibles utilisés à l'intérieur des véhicules ou intégrés dans le cadre des smartphones ou des appareils portables.

Principales caractéristiques physiques et électriques des antennes GNSS GPS ou Global Navigation Satellite System.

Une bonne conception de l'antenne GPS est essentielle car le signal GPS de la constellation céleste de satellites n'est pas particulièrement fort. L'antenne joue donc un rôle unique dans les performances finales d'un appareil GPS.

Une antenne GPS est composée de:

● L'élément rayonnant de l'antenne déterminera la bande passante de l'antenne et d'autres aspects de la façon dont elle rayonne de l'énergie électromagnétique.

● Le plan de masse de l'antenne influence le diagramme de rayonnement de l'antenne.

● Une sorte d'amplificateur

● Le radôme de l'antenne, qui entoure les antennes et peut influencer son centre de phase. Le centre de phase est important pour la localisation GPS, car la position signalée par un récepteur fait généralement référence à l'endroit où l'antenne capte le signal, connu sous le nom de centre de phase électrique.

Les antennes GPS sont généralement des antennes à haut rendement d'impédance de 50 ohms, ce qui les rend compatibles et bien adaptées aux lignes de transmission par câble coaxial couramment disponibles.

Le signal GPS est transmis avec une polarisation circulaire à droite  (RHCP), ce qui signifie que les antennes GPS sont généralement RHCP et omnidirectionnelles. Le diagramme de rayonnement presque hémisphérique de ces antennes signifie que le signal satellite peut être reçu dans n'importe quelle direction à travers l'arc du ciel, du zénith à l'horizon.

Aux États-Unis, la Federal Communications Commission (FCC) spécifie des limites de la quantité d'énergie qui peut être fournie à l'antenne GPS, mais dans les limites légales, ces antennes ont un gain élevé, une faible directivité et des pertes de signal réduites au strict minimum.

Efficacité de l'antenne

Ils utilisent également efficacement l'énergie radiofréquence qu'ils reçoivent, en convertissant au moins 50 %, au minimum, en puissance rayonnée.

Le rapport d'ondes stationnaires de tension (ROS), la mesure de l'efficacité de la transmission de l'énergie électromagnétique de la source à l'antenne doit être aussi faible que possible, mais elle est acceptable à un rapport de 2:1 ou moins.

Le positionnement et l'orientation de l'antenne doivent être optimisés pour une bonne visibilité du ciel en tout temps. Pour obtenir le Time To First Fix (TTFX) le plus rapide, l'antenne doit être capable de recevoir des signaux d'autant d'antennes que possible. Une mauvaise visibilité entraîne une dérive de position et une dégradation de l'imprécision de l'appareil de navigation. Le montage de ces antennes est donc d'une importance particulière.

Types d'antennes GPS

Voici un résumé concis des principaux types d'antennes GNSS.

[A] Des antennes GPS internalisées ou intégrées sont intégrées au récepteur GPS. Il s'agit le plus souvent d'antennes patch ou d'antennes quadrifilaires (nous y reviendrons plus loin). Ces petites antennes ne sont pas accessibles directement, elles sont souvent montées sur une carte de circuit imprimé (PCB). Un signal optimal est obtenu en positionnant l'ensemble de l'appareil plutôt que l'antenne seule.

[B] Les antennes GPS externes sont des antennes séparées qui sont connectées à un récepteur GPS via une longueur de câble coaxial GPS ou un adaptateur approprié. Ils sont plus grands, à gain plus élevé et sont le plus souvent utilisés dans des situations où un récepteur avec une antenne interne ne peut pas capter le signal car ils peuvent être facilement montés.

[C] Les antennes hélicoïdales sont constituées d'un fil qui est enroulé en hélice, afin de réduire l'espace que cette antenne internalisée occupera. Multiplier le nombre d'hélices, comme dans une antenne à quatre hélices, où quatre hélices sont utilisées, peut augmenter le gain de l'unité d'antenne finale.

[D] Les antennes patch sont des antennes PCB qui se composent d'une conception géométrique bidimensionnelle appelée fractale, qui est connectée à des lignes de transmission en feuille et à un plan de masse. Ces antennes à profil bas peuvent être intégrées dans des matériaux tels que le plastique et la céramique dans le cadre d'une antenne externe ou d'un appareil GPS.

[E] Les antennes actives sont des antennes GPS dotées d'un amplificateur à faible bruit inclus pour surmonter les pertes de ligne d'alimentation associées à ce qui est souvent un signal très faible. Cela améliore la sensibilité de l'antenne. Un LNA doit être situé à proximité de l'antenne avec le moins de ligne d'alimentation de connexion possible pour limiter la perte de signal. Les LNA fonctionnent pour amplifier le signal de radionavigation sans le modifier ou le dégrader en amplifiant le bruit présent. Pour des performances optimales, le gain LNA est généralement d'au moins 15 décibels et le facteur de bruit de ce type d'amplificateur est strictement limité à moins de 1 décibel. Contrairement à un amplificateur générique, le rapport signal sur bruit ne doit pas être aggravé par un LNA. Les antennes GPS actives ont des exigences d'alimentation supplémentaires qui seront tirées des batteries de l'appareil récepteur. Pour économiser de l'énergie, le LNA ne doit être actif que lorsque l'antenne est en cours d'utilisation.

[F] Antennes passives: Ces antennes simples n'ont pas de LNA ou d'autres moyens d'amplification du signal et ne nécessitent donc pas d'alimentation supplémentaire. La longueur du câble doit être courte, inférieure à 1 mètre (3,3 pieds), avec des antennes GPS passives, car elles nécessitent une proximité avec le récepteur et des pertes minimales de la ligne de connexion pour fonctionner de manière optimale.

[G] Antennes de réémission: Les systèmes d'antennes appariées sont connus sous le nom d'antennes de réémission. Une antenne est installée à proximité du récepteur GPS et l'autre, une antenne donneuse, à une certaine distance, où le signal est peut-être meilleur. Les deux antennes sont reliées par une longueur de câble d'extension d'antenne et des adaptateurs d'antenne GPS. L'une des utilisations les plus courantes est dans les véhicules où l'antenne de réémission est montée à l'extérieur du véhicule et connectée à un récepteur à l'intérieur. Ce sont des antennes alimentées qui nécessitent l'alimentation du récepteur ou d'une source auxiliaire. L'utilisation de répéteurs GNSS est illégale au Royaume-Uni, en dehors de certaines circonstances autorisées.

[H] Les antennes GPS peuvent être couplées à des antennes LTE pour créer un système d'antenne avantageux, comme nous le verrons ci-dessous. L'antenne 4G peut être réglée pour couvrir le GPS et l'entrée GPS doit être isolée de l'antenne LTE/4G. Les antennes sont reliées via un connecteur SMA d'antenne GPS auxiliaire  auquel un câble d'antenne approprié de 50 ohms peut être fixé. Cela permet au signal d'être mis en boucle entre les deux antennes. L'antenne primaire peut émettre et recevoir et l'antenne auxiliaire ne reçoit que des émissions. Les antennes combinées peuvent également remplir cette fonction.

[I] Antennes paraboliques: Ces  antennes GPS directionnelles sont équipées d'une parabole ou d'un réflecteur, qui a une forme incurvée précise qui dirige les ondes radio. Ils ne sont opérationnels que dans une seule direction, ont un gain élevé et sont avantageux à des fins de surveillance ou de liaison montante.

[J] Antennes radôme: Ces antennes GPS sont dotées d'un hémisphérique qui abrite et protège l'élément rayonnant de l'antenne et d'autres composants clés des conditions environnementales défavorables. Le Radôme peut être pénétré par le signal radio GPS et n'affecte pas la phase centrale de l'antenne.

[K] Antennes tourniquet: Cette structure d'antenne GPS se compose de paires de dipôles montés perpendiculairement l'un à l'autre dans un arrangement à gain élevé. Selon l'orientation de l'antenne, elle peut être polarisée horizontalement ou circulairement.

Applications des antennes GPS

Les utilisations de la technologie GPS couvrent une multitude d'industries, notamment:

• Marin
• Agriculture
• Transport et logistique
• Aviation
• Défense
• Services d'urgence
• Infrastructure
• Sécurité

Les antennes GPS peuvent être regroupées en fonction de leur application:

1. Les antennes de récepteur portables se trouvent dans les smartphones ou les appareils montés sur le tableau de bord et peuvent être passives ou actives. La plupart de ces antennes sont à bande étroite, fonctionnant sur une seule fréquence. Ils sont courants et généralement moins coûteux, plus légers et consomment moins d'énergie que les antennes GPS utilisées à des fins professionnelles ou industrielles. Cependant, cela signifie également qu'ils sont peu sensibles et sujets aux interférences.
2. Les antennes géodésiques sont utilisées pour les travaux d'arpentage professionnels ou industriels où des mesures de précision sont essentielles. Les mâts d'antenne montés sur le toit avec des réseaux d'antennes à gain élevé sont connectés à des récepteurs fixes capables d'effectuer les calculs complexes nécessaires pour mesurer et comprendre la géométrie, l'orientation et les champs gravitationnels de la Terre.
3. Les antennes Rover offrent une précision pour des applications telles que la foresterie, la construction ou l'ingénierie, où la mobilité sera nécessaire. Ces antennes GPS sont généralement montées en hauteur sur un poteau mobile ou un trépied d'antenne pour l'arpentage.

Pourquoi les antennes GPS sont-elles importantes?

Les antennes GPS font partie intégrante du fonctionnement du système de positionnement mondial et ont permis aux utilisateurs du monde entier d'utiliser cette technologie développée aux États-Unis pour:

• Positionnement
• Navigation
• Services de chronométrage

Le GPS, appelé à l'origine NAVSTAR GPS, a été le premier système de ce type au monde et a un large éventail d'applications, allant de l'activité militaire restreinte à l'utilité civile et grand public presque essentielle. Le GPS a été mis en œuvre pour la première fois dans les années 1970 et comprend aujourd'hui une constellation de 31 satellites qui orbitent à une altitude de plus de 21 000 km au-dessus de la terre. Les signaux de radiofréquence émis à intervalles réguliers par ces satellites peuvent être reçus et utilisés par les récepteurs GPS à des fins de temps, de localisation et de navigation avec une visibilité dégagée à partir d'au moins 4 satellites en orbite pour les données de positionnement avec une précision de 30 cm (11,8 pouces) selon la bande de fréquence utilisée. Comme ce système est contrôlé et surveillé par l'armée des États-Unis, ses performances peuvent être dégradées ou l'accès peut être restreint par décret présidentiel. Le programme de disponibilité sélective, mis en œuvre dans les années 1990, a délibérément dégradé le signal GPS à des fins militaires stratégiques, mais il a pris fin en l'an 2000. L'US Air Force gère un segment de contrôle opérationnel qui supervise le déploiement du GPS avec 11 antennes de commande et de contrôle et de nombreux sites de surveillance à travers le monde.

Comment fonctionne le GPS?

Une constellation fonctionnelle de 24 satellites occupe une orbite terrestre moyenne et est positionnée de manière à ce qu'au moins 4 de ces satellites soient visibles depuis n'importe quelle position sur Terre. En l'espace de 24 heures, chaque satellite aura fait deux fois le tour de la Terre, se déplaçant à plus de 8 000 miles par heure (12 875 kilomètres par heure).

En orbite, les satellites émettent en permanence un signal capté par l'antenne GPS du récepteur. Ce signal contient des données concernant la position du satellite et l'heure, telles que mesurées par les horloges atomiques synchronisées transportées à l'intérieur de chaque satellite.

Les composantes spécifiques du signal GPS sont:

1. Code de bruit pseudo-aléatoire (PRN) composé de zéros et de uns, qui est utilisé pour identifier le satellite communicant.
2. Les données d'éphémérides couvrent la date et l'heure au moment de la diffusion ainsi que l'état du satellite de diffusion.
3. Données de position et de localisation et rapports sur l'ensemble de la constellation qui peuvent être utilisés pour déterminer la position du satellite par rapport à la Terre.

Ces données font l'objet d'une surveillance et d'une correction continues, le cas échéant, depuis le sol par l'US Air Force à partir de divers centres de commandement et de contrôle.

Via leurs antennes GPS, les récepteurs captent le signal diffusé et captent:

1. Heure d'arrivée (TOA)
2. Temps de vol (TOF)

Il s'agit du temps nécessaire au signal de diffusion pour voyager entre le satellite et le récepteur. Comme la vitesse du signal, la position des satellites de diffusion et l'heure à laquelle le signal a été envoyé sont connues, le récepteur GPS peut utiliser ces données pour calculer et tracer sa position, sa direction de déplacement et sa vitesse. Dans le calcul du retard du signal du satellite, on compense le retard lorsqu'il traverse les couches supérieures de l'atmosphère de la Terre.

Bandes de fréquences GPS

Les signaux GPS sont diffusés en utilisant la bande L du spectre des radiofréquences à des fréquences inférieures à 2 GHz qui peuvent surmonter les retards ionosphériques et ne nécessitent pas d'antenne à faisceau pour la réception. En effet, à ces fréquences, les ondes radio auront une bonne pénétration des nuages, des conditions météorologiques variables comme la pluie ou le brouillard et la végétation.

Les antennes GPS doivent être capables de recevoir les données satellitaires diffusées sur au moins l'une des deux principales fréquences porteuses utilisées.

● L1 qui fonctionne à 1575,42 MHz avec une bande passante de 15,345 MHz, et

● L2 qui a une fréquence de 1227,60 MHz et une bande passante de 11 MHz.

Ces bandes fournissent un accès GPS civil et, lorsqu'elles sont utilisées en combinaison avec des récepteurs à double fréquence, elles offrent une acquisition rapide du signal, un TTFF rapide, des performances fiables et une portée de fonctionnement améliorée.

Une troisième bande de fréquences, la bande L5,  a été introduite pour un usage civil. Elle a une fréquence de 1176.45 MHz et une bande passante de 12.5 MHz. Il a été conçu pour être robuste et fournir un accès pour des applications hautes performances telles que l'aviation et la « sauvegarde de la vie ».

Ces fréquences sont des multiples de la fréquence de base de la bande L (10,23 MHz) de l'horloge atomique embarquée à bord du satellite. Les codes PRN, les données d'éphémérides et les données d'almanach sont superposés à L1 et L2 et leur bande passante doit s'adapter à cela.

Interférences et limites GPS

Le GPS a sans aucun doute eu un effet transformateur sur la navigation, mais il existe certaines faiblesses intrinsèques au système qui limitent son utilisation dans certaines circonstances. Une mauvaise réception du signal peut être surmontée dans une certaine mesure par une utilisation judicieuse d'une antenne GPS externe, mais les problèmes énumérés ci-dessous sont couramment rencontrés, quelle que soit l'antenne ou le récepteur utilisé.

• La propagation multiple GPS est une source d'erreur courante, causée par une antenne GPS captant non seulement les vrais signaux satellites, mais également d'autres ondes radio qui ont été réfléchies ou diffractées par des bâtiments et d'autres structures. Il est beaucoup plus probable qu'il se produise s'il n'y a pas de vue du ciel dégagé de l'antenne. Ceux-ci arrivent au récepteur avec un retard et provoquent des interférences avec l'erreur de calcul de la position.
• Bien que le GPS soit capable de pénétrer dans des conditions météorologiques défavorables, l'antenne GPS peut être affectée par une accumulation de glace ou de neige ou par des vents forts.
• La végétation dense et la canopée des arbres produisent également des reflets qui nuisent à la précision et à l'utilité du GPS.
• Les zones urbaines et bâties sont difficiles pour le GPS en raison des bâtiments qui bloquent la ligne de visée nécessaire entre les satellites et les antennes et des trajets multiples en raison de la réflexion du signal sur le béton et d'autres matériaux denses.
• Les environnements intérieurs sont fermés et n'ont donc pas de visibilité directe des satellites et leurs parois et autres structures provoquent  une atténuation du signal. Même s'il y a une certaine pénétration du signal dans un bâtiment, il est peu probable qu'elle soit adéquate.
• Consommation d’énergie. Les antennes GPS actives se distinguent par leur forte consommation d'énergie, ce qui peut empêcher non seulement une utilisation prolongée, mais aussi affecter la conception des appareils, qui nécessitent souvent une grosse batterie.
• Récepteur GPS, logiciel frontal et cartographie. Les erreurs et les problèmes de logiciel et de cartographie entraîneront des erreurs dans l'utilisation d'un appareil GPS. Si les cartes ne sont pas mises à jour ou si elles ne sont pas correctement rendues, les appareils peuvent donner des directions erronées.

Foire aux questions:

Existe-t-il des alternatives au GPS?

Le GPS est le premier et le plus important d'un certain nombre de systèmes de radionavigation déployés par les nations du monde entier. C'est de loin le système le plus utilisé. D'autres systèmes mondiaux de navigation par satellite sont à noter:

1. GLONASS ou Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, est un système de navigation par satellite administré par les Soviétiques et maintenant la Fédération de Russie qui a été lancé dans les années 1980. Il dispose d'une constellation de 24 satellites.
2. BeiDou est le système de radionavigation chinois qui a lancé ses premiers satellites en l'an 2000. Elle offrait initialement une couverture régionale, mais prévoit de déployer une constellation de 30 satellites pour une couverture mondiale.
3. Galileo est le système de navigation par satellite de l'Union européenne qui devrait déployer jusqu'à 30 satellites d'ici 2020. Galileo a une certaine compatibilité avec le GPS.

Puis-je utiliser mon antenne GPS avec un autre système de radionavigation?

Les fréquences GPS et GLONASS sont proches l'une de l'autre et sont donc susceptibles d'être correctement reçues par une antenne GPS. Cependant, les données provenant de GLONASS ou d'autres systèmes sont susceptibles d'être emballées différemment du GPS, ce qui affectera les performances du récepteur et de l'ANL en particulier. La seule façon d'être sûr que vous pouvez obtenir la compatibilité avec tous les systèmes mondiaux de navigation par satellite est d'utiliser un récepteur et une antenne GNSS (Global Navigation Satellite Systems) dotés d'une fonctionnalité multi-constellation

Qu'est-ce que le GPS assisté?

L'A-GPS a été conçu pour réduire le temps de première réparation qui peut être rencontré dans les environnements bâtis. Il est particulièrement utilisé avec les téléphones cellulaires et aide les répartiteurs d'appels d'urgence à localiser un appelant. A-GPS fournit des temps de démarrage rapides en utilisant des sources de données externes telles que le FAI du téléphone ou la station de base cellulaire la plus proche pour aider à localiser le téléphone.

Comment dois-je installer une antenne GPS sur un véhicule?

L'installation d'une antenne GPS sur une voiture ou un autre véhicule doit tenir compte du toit métallique du véhicule ainsi que de toute courbure ou structure métallique qui pourrait provoquer la réflexion du signal. Une antenne GPS doit être positionnée au centre du toit le plus haut possible, à l'écart des structures métalliques comme une galerie de toit. Des supports d'antenne de toit magnétiques peuvent être utilisés pour fournir un positionnement réglable de l'antenne sur un toit métallique.

En conclusion

Les antennes GPS sont essentielles à l'utilisation réussie du système de positionnement global, car elles sont réglées pour recevoir et, dans la plupart des cas, amplifier le signal relativement faible des satellites en orbite. Le type, la conception et les caractéristiques de l'antenne GPS auront un impact non seulement sur la sensibilité au signal, mais aussi sur la conception et l'utilité du récepteur GPS, et en particulier sur ses besoins en énergie. Un montage minutieux de l'antenne, en tirant parti de l'exposition au ciel et de la ligne de visée dans la mesure du possible, permettra d'optimiser les performances du système.

POUR EN SAVOIR PLUS:

● Applications GPS et IoT (Internet des Objets)