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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT REPUBLIQUE TOGOLAISE TECHNIQUE ET DE LA FORMATION T

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT REPUBLIQUE TOGOLAISE TECHNIQUE ET DE LA FORMATION Travail-Liberté-Patrie PROFESSIONNELLE N° d’ordre : 2013/FL/GE-24/03 PROJET DE FIN D’ETUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION EN GENIE ELECTRIQUE Présenté et soutenu par AWILI Biguèdinam Jury : Président : Directeur : Dr DEFLY Koffi, enseignant chercheur à l’ENSI Co-directeur : Juillet 2013 ETUDE ET SIMULATION L’ENVIRONNEMENT MATLAB/ SIMULINK D’UNE CHAINE DE COMMUNICATION GNSS : CAS DU GPS. DEDICACES Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) iii AWILI Biguèdinam REMERCIEMENTS Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) iv AWILI Biguèdinam TABLE DES MATIERES I.1. Introduction ................................................................................................................................. 2 I.2. Généralités sur la navigation ......................................................... Error! Bookmark not defined. I.2.1. Mesure de la distance ........................................................ Error! Bookmark not defined. I.2.2. Différents types de navigations ......................................... Error! Bookmark not defined. I.3. Les ondes radioélectriques .......................................................................................................... 4 I.3.1 Le spectre radiofréquence ...................................................... Error! Bookmark not defined. I.3.2 Les bande aéronautique VHF ................................................ Error! Bookmark not defined. I.3.3 Historique .............................................................................. Error! Bookmark not defined. I.4. Modes de modulation et canaux .................................................... Error! Bookmark not defined. I.4.1 Définition de la modulation ................................................... Error! Bookmark not defined. I.4.2 Les modulations analogiques ................................................ Error! Bookmark not defined. I.4.3 Les modulations numériques ................................................. Error! Bookmark not defined. I.5. Les dispositifs de radiocommunication ....................................................................................... 7 I.5.1 L’émetteur ........................................................................................................................... 7 I.5.2 L’antenne ............................................................................................................................. 8 I.5.3 Le récepteur ......................................................................................................................... 8 I.5.4 Portée et propagation des signaux ....................................................................................... 9 I.6. L’IRF (Instrument Flight Rule) ..................................................... Error! Bookmark not defined. I.7. Le FIR (Flight Information Region) .............................................. Error! Bookmark not defined. I.8. Global Navigation Satellite System (GNSS) ............................................................................... 9 I.8.1 Présentation ............................................................................................................................. 9 I.8.2 Principes de la navigation par satellite ...................................... Error! Bookmark not defined. I.8.2.1. Bases et principes de la radionavigation ............................ Error! Bookmark not defined. I.8.2.2. Principe de la détermination de la solution de navigation . Error! Bookmark not defined. I.8.3 Caractéristiques des GNSS .................................................................................................... 10 I.8.2.1. Eléments constitutifs ..................................................................................................... 10 I.8.2.2. Structure du signal ......................................................................................................... 12 I.8.2.3. Codes de modulation ..................................................................................................... 13 Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) v AWILI Biguèdinam I.8.2.4. Ondes porteuses ............................................................................................................. 16 I.8.2.5. Message de navigation .................................................................................................. 17 I.8.2.6. Influences physiques sur les signaux GNSS .................................................................. 18 I.8.4 Les systèmes GNSS et leurs améliorations .......................................................................... 18 I.8.3.1. Le système GPS ............................................................................................................. 18 I.8.3.2. Le système GALILEO ................................................................................................... 22 I.8.3.3. GPS et Galileo : caractéristiques des constellations satellitaires ..... Error! Bookmark not defined. I.8.3.4. Le système russe GLONASS ........................................................................................ 22 I.8.3.5. Le système chinois Compass ......................................................................................... 24 I.8.3.6. Les systèmes de correction ............................................................................................ 24 I.9. Conclusion ................................................................................................................................. 27 II.1. Introduction ............................................................................................................................... 31 II.2. Description du système GPS ..................................................................................................... 31 II.2.1. Le segment spatial ............................................................................................................. 19 II.2.2. Le segment de contrôle ...................................................................................................... 21 II.2.3. Le segment utilisateur........................................................................................................ 21 II.3. Définition des signaux GPS....................................................................................................... 32 II.3.1 Architecture des signaux GPS actuels ............................................................................... 32 II.3.2 Architecture des signaux GPS civils modernisés .............................................................. 35 II.3.3 Structure et contenu du message de navigation GPS......................................................... 39 II.4. Architecture et composantes du récepteur GPS ....................................................................... 42 II.4.1 Architecture générale du récepteur GPS ........................................................................... 42 II.4.2 Antenne de réception du récepteur GPS ............................................................................ 43 II.4.3 Traitement RF dans le récepteur GPS ............................................................................... 44 II.4.4 Conversion analogique à numérique ................................................................................. 47 II.4.5 Canaux de réception GPS .................................................................................................. 48 II.4.6 Traitement des données de navigation............................................................................... 49 II.4.7 Propriété et architecture des canaux de réception GPS L1C ............................................. 49 II.4.7.1. Propriétés des signaux GPS L1C ............................................................................... 50 II.4.7.2. Architecture du canal de réception GPS L1C ............................................................ 53 II.4.7.3. Principe de fonctionnement du module d'acquisition ................................................ 55 II.4.7.4. Principe de fonctionnement des boucles de phase et de fréquence ......................... 57 II.4.7.5. Principe de fonctionnement de la boucle de code ..................................................... 61 Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) vi AWILI Biguèdinam II.4.8 Le concept «Software Radio» appliqué au récepteur GPS ................................................ 64 II.5. Conclusion ................................................................................................................................. 66 LISTE DES FIGURES Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) vii AWILI Biguèdinam LISTE DES TABLEAUX Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) viii AWILI Biguèdinam GLOSSAIRE Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) ix AWILI Biguèdinam INTRODUCTION GENERALE Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) 2 AWILI Biguèdinam La navigation aérienne est un domaine en perpétuelle expansion. Le voyage par avion est un moyen plus fiable et rapide pour aller d’un continent à un autre voire d’un pays à un autre. Le trafic aérien ne cesse de croitre d’année en année vu l’accroissement des échanges commerciaux entre Etats, les nombreux voyages diplomatiques et les besoins de formation. Chaque année plus de deux milliards de passagers empruntent la voie des airs dans le monde. Trente millions de tonnes de fret et de courriers sont acheminés annuellement par voie aérienne. La croissance sans cesse du trafic aérien fait naitre chez les pilotes le besoin sans précédent d’être assistés de la manière la plus sécurisante possible à bord des aéronefs. La navigation aérienne qui se doit sure et ordonnée est assurée par des services pilotant des systèmes d’aide à la navigation. Ces services doivent assurer une communication air-sol (entre le pilote à bord de son aéronef et les services techniques au sol). Les contrôleurs au sol sont donc chargés de communiquer en permanence avec le pilote en lui donnant sa position exacte dans l’espace. Ces informations deviennent des guides pour le pilote, assurent sa sécurité et celle de tous les aéronefs en vol en général. La communication air-sol est jusqu’à nos jours assurée en Afrique par des systèmes conventionnels d’aide à la navigation aérienne. Il s’agit des émetteurs récepteurs VHF, des équipements d’indication de route, de position et de la distance. Ces systèmes conventionnels sont composés de deux types d’équipements de radiocommunication :  les aides à la navigation aérienne :  le VHF Omnidirectionnal Range (VOR) : c’est un équipement permettant à l’aéronef de déterminer son relèvement magnétique par rapport à une balise VOR (une station au sol dont la position est connue) ;  le Distance Mesasuring Equipment NAV (DME NAV) qui permet de situer d’une part l’avion par rapport à la piste d’atterrissage et d’autre part la distance le séparant de son aéroport de départ.  les aides à l’atterrissage (ILS : Instrument Landing System) comprenant :  le LOCALIZER : il donne l’écart latéral de l’aéronef par rapport à la piste d’atterrissage ; Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) 3 AWILI Biguèdinam  le Glide Path : il indique l’angle d’approche de l’aéronef par rapport à la piste d’atterrissage ;  le DME ATT : il détermine le seuil de piste. En somme, ces équipements sont liés aux différentes stations des aéroports. La navigation est donc assurée par relais d’un aéroport à un autre jusqu’à la destination. Par ailleurs la technologie évolue et les systèmes de navigation sont appelés à plus de précision, à plus de rapidité et à plus de fluidité et surtout à s’intégrer dans un système mondial de navigation. Le système mondial de navigation par satellites (le GNSS : Global Navigation Satellite System) jusqu’alors faiblement utilisé dans la navigation aérienne (5%) est un domaine de pointe en pleine évolution. Il s’avère donc nécessaire aux agents de la sécurité de la navigation aérienne de se pencher vers ce domaine dont les applications sont aujourd’hui multiples. L’utilisation efficace de ces systèmes de navigation par satellites passe inévitablement par des études approfondies sur le sujet. Ceci permettra d’une part de s’imprégner de ces technologies et d’autre part de ressortir des outils d’aide à l’implémentation de ces systèmes dans les services chargés de la sécurité de la navigation aérienne et à bord des aéronefs. C’est dans ce cadre qu’est réalisé ce projet de mémoire. L’objectif ce travail est de présenter les GNSS, d’étudier et de simuler sous l’environnement Matlab/Simulink d’une chaine de réception GPS incluant la source de signaux et le canal de perturbations. Une telle simulation pourra prévoir des objectifs doubles : offrir un outil de travail pour les études sur le traitement des signaux de navigation et accumuler une expertise dans la conception des récepteurs de navigation. Le rapport de ce mémoire se compose de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, la présentation des GNSS est effectuée. Le deuxième chapitre a été consacré aux principes de navigation par satellites. Afin de préparer la modélisation et la simulation d'une chaîne de communication GPS, nous étudions l’architecture d’une chaine de communication GPS au chapitre 3. Le Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) 4 AWILI Biguèdinam développement et la simulation sous Matlab/Simuink de la chaine de communication GPS sont effectués au chapitre 4. Chapitre 1 GENERALITES SUR LES GNSS Mémoire d’Ingénieur de conception (ENSI-UL) 2 AWILI Biguèdinam I.1. Introduction L’évolution des technologies spatiales depuis le milieu du siècle dernier a abouti, aujourd’hui, vers de véritables systèmes de positionnement et de navigation par satellites, opérationnels à l’échelle du globe terrestre. La date du 4 octobre 1957, correspondant au lancement du premier satellite artificiel (Spoutnik) par l’URSS, est souvent considérée comme capitale vis-à-vis de l’ère de la technologie spatiale. A partir de cette date, les observations réalisées sur des satellites artificiels en orbite autour de la Terre ont progressivement supplanté l’astronomie de position engendrant le développement de nombreux systèmes de positionnement et de navigation toujours plus performants. Ces innovations trouvèrent rapidement des finalités, tant dans le domaine militaire que civil ou scientifique. Dans uploads/Ingenierie_Lourd/ memoire-emawil.pdf