Le temps dans la géolocalisation par satellites

Auteur(s) :

Trilles, Sébastien Découvrir l'auteur

Résumé

Une présentation de l'algorithmique intervenant dans l'estimation de la position d'un récepteur dans la géolocalisation des satellites, destinée aux ingénieures et aux physiciens. La compréhension des effets physiques relativistes concernant le temps est au coeur de l'ouvrage. ©Electre 2020

Autre(s) auteur(s)
- Spagnou, Pierre
Éditeur(s)
Date
- DL 2020
Notes
- Bibliogr. p. 415-419. Glossaire
Langues
- Français
Description matérielle
- 1 vol. (XIV-419 p.) : ill. ; 23 cm
Collections
- Savoirs actuels. Série Physique
Sujet(s)
ISBN
- 978-2-7598-2434-2 ;
- 978-2-271-13542-1
Indice
- 530.1 Théories de la relativité
Quatrième de couverture
- Le temps dans la géolocalisation par satellites
  La navigation par satellites a bouleversé notre vie quotidienne et professionnelle. Nos économies sont chaque jour plus dépendantes de cette technique révolutionnaire intégrée dans nombre de nouveaux services. Cependant, l'accessibilité et la facilité d'utilisation de cette technologie masquent la grande complexité d'un système qui repose entièrement sur la maîtrise du temps.
  La multiplicité des temps propres introduits par les théories de la relativité (restreinte et générale) d'Einstein se traduit par de nombreux effets physiques surprenants comme l'effet Sagnac, et plus généralement la désynchronisation des horloges parfaites, qui vont à l'encontre de notre conception intuitive du temps.
  Ce livre présente un panorama actualisé des traitements algorithmiques utilisés par les systèmes de géolocalisation par satellites pour les usages quotidiens. Les auteurs établissent des liens étroits entre les techniques les plus récentes de calcul de positionnement et la compréhension détaillée des phénomènes physiques, principalement relativistes, qui sont à prendre en compte. Les erreurs significatives pouvant affecter la mesure du temps sont présentées en détail, en partant de leurs causes, physiques ou structurelles, tandis que leurs effets sur la précision sont quantifiés.
  Ce livre s'adresse aux élèves des écoles d'ingénieurs, aux classes universitaires de licence ou de master mais aussi aux professionnels du domaine désireux de vérifier ou d'approfondir leurs connaissances ainsi qu'à toute personne intéressée par la conception relativiste du temps.
Tables des matières
- - Le temps dans la géolocalisation par satellites
  - Sébastien Trilles et Pierre Spagnou
  - Savoirs actuels
  - EDP Sciences/CNRS
  - Avant-proposxiii
  - 1 La mesure du temps1
  - 1.1 La réalisation de la seconde1
  - 1.1.1 Le postulat de reproductibilité2
  - 1.1.2 Le temps propre3
  - 1.2 Fréquence, phase et temps d'un oscillateur3
  - 1.3 Fréquence et accroissement de temps propre6
  - 1.4 Exactitude et stabilité de fréquence7
  - 1.5 Mesure de l'instabilité des oscillateurs10
  - 1.5.1 Définition théorique de la variance d'Allan10
  - 1.5.2 Incertitudes de prédiction11
  - 1.5.3 Calculs de la variance d'Allan12
  - 1.5.4 Variance d'Allan en présence d'effets systématiques14
  - 1.5.5 Variance d'Allan et densité spectrale de puissance15
  - 1.6 Différents types d'oscillateurs16
  - 1.7 L'échelle de temps17
  - 1.7.1 Réalisation d'une échelle de temps atomique intégrée17
  - 1.7.2 Propriétés d'une échelle de temps18
  - 1.7.3 L'échelle de temps TAI18
  - 1.7.4 L'échelle de temps universel UT18
  - 1.7.5 Le temps universel coordonné UTC20
  - 2 Les signaux et messages des systèmes GPS et Galileo23
  - 2.1 Les deux concepts de transmission de signaux de navigation : CDMA/FDMA24
  - 2.2 Lien satellite et récepteur25
  - 2.3 La modulation en quadrature26
  - 2.4 La modulation de phase27
  - 2.4.1 La modulation de phase BPSK27
  - 2.4.2 La modulation de phase BOC29
  - 2.4.3 Reconstruction de l'information par le récepteur31
  - 2.5 Les codes des signaux GPS et Galileo31
  - 2.5.1 Les registres à décalages et retours linéaires33
  - 2.5.2 Propriété des codes PRN39
  - 2.5.3 Caractéristiques des codes PRN40
  - 2.5.4 Les codes publics GPS (Coarse Acquisition)41
  - 2.5.5 Les codes cryptés GPS P(Y)41
  - 2.5.6 Le code militaire GPS42
  - 2.6 Les informations de navigation des systèmes GPS et Galileo43
  - 2.6.1 Les codes de convolution46
  - 2.7 Le message de navigation du système GPS49
  - 2.7.1 Format du message L/NAV49
  - 2.7.2 L'accès au temps GPS (GPST)51
  - 2.8 Le message de navigation du système Galileo51
  - 2.8.1 Format du message F/NAV52
  - 2.8.2 Format du message I/NAV54
  - 2.8.3 L'accès au temps Galileo (GST)56
  - 2.9 Encodage des signaux de navigation : le cas GPS57
  - 2.10 Traitement des signaux de navigation par le récepteur59
  - 2.11 Limitation du débit de transfert des données de navigation61
  - 2.12 Résumé62
  - 3 La mesure de code65
  - 3.1 Le principe de base du positionnement par GNSS65
  - 3.2 Le calcul du temps de propagation du signal66
  - 3.3 La modélisation de la mesure de code71
  - 3.3.1 Variation temporelle de la distance géométrique73
  - 3.3.2 Le rôle de la référence de temps dans les systèmes de navigation73
  - 3.3.3 Corrélation entre la position du satellite et son horloge dans la mesure de pseudo-distance74
  - 3.4 Mesures de codes délivrées par le système GPS et produites par les récepteurs75
  - 3.5 Événement de prise de mesure et datation par le récepteur75
  - 3.6 Résumé76
  - 4 La mesure de Doppler79
  - 4.1 Effet Doppler classique79
  - 4.2 La mesure du Doppler dans le récepteur84
  - 4.2.1 Dérive en fréquences85
  - 4.2.2 La modélisation de la mesure Doppler85
  - 5 La mesure de phase87
  - 5.1 Concept général87
  - 5.2 Les biais de phase91
  - 5.3 L'accumulation de Doppler92
  - 5.4 L'enroulement de phase92
  - 5.5 Résumé94
  - 6 Les effets des erreurs système sur les mesures GNSS97
  - 6.1 Les centres de phases98
  - 6.2 Effet des erreurs d'orbite et d'horloge sur la mesure de pseudo-distance99
  - 6.2.1 Corrélation entre la direction radiale du satellite et l'horloge105
  - 6.2.2 Majorant des erreurs d'orbites et d'horloge dans la pseudo-distance106
  - 6.2.3 Corrélation spatiale des erreurs d'orbites107
  - 6.2.4 Corrélation spatiale des erreurs d'horloge109
  - 6.3 Les biais instrumentaux - TPG109
  - 6.3.1 Les biais de code et de phase différentiels (DCB, DPB, IFB)113
  - 6.4 La déformation de la forme d'onde115
  - 7 Les effets de propagation dans l'atmosphère sur les mesures GNSS117
  - 7.1 Les effets ionosphériques117
  - 7.2 Les effets troposphériques119
  - 7.2.1 Modélisation des effets atmosphériques dans les mesures GNSS120
  - 7.3 Effet de l'environnement sur la mesure de pseudo-distance121
  - 7.4 Le filtrage du code par la phase121
  - 8 Les différentes combinaisons de mesures GNSS125
  - 8.1 Le modèle standard des mesures de code et de phase125
  - 8.2 Combinaison ionosphérique126
  - 8.3 Combinaison en longueur d'onde équivalente étroite (narrowlane)127
  - 8.4 Combinaison en longueur d'onde équivalente large (widelane)128
  - 8.5 Combinaison de Melbourne-Wübbena129
  - 8.6 Combinaison géométrique129
  - 9 La diffusion des biais d'horloge satellite dans le message de navigation133
  - 9.1 La diffusion des biais d'horloge dans le message de navigation133
  - 9.2 La diffusion des biais 11-12 dans le message de navigation, T_GD, BGD137
  - 9.3 Utilisation des signaux civils141
  - 9.4 Le calcul du délai ionosphérique142
  - 10 Les références d'espaces143
  - 10.1 Changement de base et transformations de coordonnées144
  - 10.2 Mouvements de l'axe de rotation de la Terre147
  - 10.2.1 La sphère céleste, pôles et origines149
  - 10.2.2 Origine non tournante150
  - 10.3 Référentiel terrestre et céleste152
  - 10.3.1 Notions de système et repères de référence152
  - 10.3.2 Référentiel terrestre153
  - 10.3.3 Référentiel céleste154
  - 10.3.4 Les transformations entre les référentiels céleste et terrestre154
  - 10.3.5 Les référentiels pour le calcul du positionnement par GNSS160
  - 11 Positionnement avec le système GPS163
  - 11.1 Le calcul du temps d'émission165
  - 11.2 Le calcul de la position des satellites GPS et Galileo au temps d'émission167
  - 11.3 Le calcul de la position et du temps du récepteur175
  - 11.3.1 Positionnement en événement récepteur176
  - 11.3.2 Positionnement en événement satellite182
  - 11.4 Calculs dans le repère WBS84188
  - 11.5 Calcul des erreurs d'estimation191
  - 11.6 L'ellipsoïde de confiance195
  - 12 Positionnement en combinant les systèmes GPS et Galileo197
  - 12.1 Le GPS/Galileo Time Offset - GGTO197
  - 12.2 Les biais inter systèmes - ISB198
  - 12.3 La résolution du positionnement avec les systèmes GPS et Galileo200
  - 13 La théorie de la relativité restreinte203
  - 13.1 Introduction : relativité galiléenne et relativité einsteinienne203
  - 13.2 La relativité galiléenne204
  - 13.2.1 Les référentiels inertiels204
  - 13.2.2 Les transformations de Galilée204
  - 13.3 La relativité einsteinienne205
  - 13.3.1 La chronogéométrie de Minkowski206
  - 13.3.2 Temps propre et temps-coordonnée207
  - 13.3.3 La relativité sans la lumière208
  - 13.4 Quelques précisions sur la genèse de la relativité restreinte209
  - 13.4.1 Les expériences pour détecter des variations dans la vitesse de propagation de la lumière210
  - 13.4.2 Le problème théorique posé par les lois de l'électromagnétisme211
  - 14 Les nouveaux effets physiques sur le temps prédits par la relativité restreinte213
  - 14.1 Relativité de la simultanéité213
  - 14.2 La désynchronisation cinématique des horloges parfaites214
  - 14.3 La dilatation des temps218
  - 14.4 La contraction des longueurs219
  - 14.5 L'effet Doppler relativiste219
  - 14.5.1 Effet Doppler transverse221
  - 14.5.2 Application en navigation222
  - 14.6 L'effet Sagnac222
  - 14.6.1 Déduction relativiste de l'effet Sagnac optique à partir du référentiel du laboratoire222
  - 14.6.2 Déduction de l'effet Sagnac universel à partir du référentiel du laboratoire224
  - 14.6.3 Raisonnement physique à partir de la multiplicité des temps propres225
  - 14.6.4 Déduction de l'effet Sagnac par le calcul différentiel et les transformations de Lorentz227
  - 14.6.5 Déduction relativiste de l'effet Sagnac dans le référentiel tournant229
  - 14.7 Rôle de la relativité restreinte dans les systèmes de navigation par satellites232
  - 15 La théorie de la gravitation de Newton235
  - 15.1 Les deux lois de la théorie newtonienne de la gravitation235
  - 15.2 La loi fondamentale de la dynamique newtonienne235
  - 15.3 La force de gravitation newtonienne236
  - 15.4 Une hypothèse supplémentaire : l'universalité de la chute libre236
  - 15.5 Les lois de Kepler conséquences de la théorie de Newton237
  - 16 La théorie de la gravitation d'Einstein239
  - 16.1 Analyse critique de la théorie newtonienne de la gravitation239
  - 16.2 Le principe d'équivalence locale entre accélération et gravitation240
  - 16.3 Un nouvel effet prédit grâce au principe d'équivalence local entre accélération et gravitation240
  - 16.4 Le principe des géodésiques243
  - 16.5 Une première théorie métrique de la gravitation fondée uniquement sur la courbure temporelle244
  - 16.6 Les équations générales du champ gravitationnel246
  - 16.7 Les deux lois de la théorie de la gravitation d'Einstein247
  - 16.8 La métrique de Schwarzschild247
  - 16.8.1 Une solution du vide de l'équation d'Einstein248
  - 16.8.2 La coordonnée radiale248
  - 16.8.3 Le temps-coordonnée249
  - 16.8.4 Courbure temporelle et courbure spatiale249
  - 16.9 La métrique de Kerr250
  - 16.10 La toile en caoutchouc : une analogie presque entièrement fausse251
  - 16.10.1 La chute de mon stylo d'Aristote à Einstein253
  - 17 Les nouveaux effets physiques sur le temps prédits par la relativité générale255
  - 17.1 La désynchronisation gravitationnelle des horloges parfaites255
  - 17.1.1 Vérifications expérimentales257
  - 17.2 L'effet Einstein (décalage spectral gravitationnel)257
  - 17.2.1 L'universalité de l'effet Einstein259
  - 17.2.2 Une erreur fréquente à éviter259
  - 17.2.3 Vérifications expérimentales260
  - 17.3 L'effet Shapiro261
  - 17.3.1 Deux erreurs fréquentes262
  - 17.3.2 Vérifications expérimentales262
  - 18 Les expériences sur la désynchronisation des horloges parfaites265
  - 18.1 L'expérience de hafele et Keating265
  - 18.1.1 L'hypothèse de l'horloge265
  - 18.1.2 De combien nos horloges sont-elles censées se décaler ?266
  - 18.1.3 La dépendance selon la direction et la faisabilité de l'expérience267
  - 18.1.4 Le compteur d'intervalles de temps267
  - 18.1.5 Pourquoi quatre horloges atomiques embarquées ?268
  - 18.1.6 Un dérèglement commun aux quatre horloges ?269
  - 18.1.7 Comparaison entre les valeurs théoriques et les valeurs mesurées269
  - 18.1.8 En quoi l'expérience de Hafele et Keating se démarque-t-elle des précédentes ?270
  - 18.1.9 Le pseudo-paradoxe des jumeaux271
  - 18.1.10 Pourquoi l'expérience de Hafele et Keating peut être qualifiée de cruciale271
  - 18.2 L'expérience de Carroll Alley272
  - 18.2.1 Le transfert de temps par lien laser (T2L2)273
  - 18.2.2 De combien nos horloges sont-elles censées se décaler ?274
  - 18.2.3 Comparaison entre les valeurs théoriques et les valeurs mesurées275
  - 18.2.4 Une expérience cruciale ?276
  - 18.2.5 Des incompréhensions chroniques276
  - 18.3 Expériences ultérieures277
  - 19 Effets relativistes sur le temps pour la géolocalisation par satellites279
  - 19.1 Première approche (principales contributions)279
  - 19.2 Synchronisation des horloges GPS avec les horloges terrestres281
  - 19.2.1 Temps terrestre et temps atomique international282
  - 19.2.2 Désynchronisation des horloges terrestres par rapport au temps-coordonnée selon leur altitude284
  - 19.2.3 Temps-coordonnée géocentrique et temps propre d'un satellite GPS284
  - 19.2.4 Temps terrestre et temps propre GPS285
  - 19.3 Compensation des effets relativistes dans les systèmes de navigation287
  - 19.3.1 Biais en fréquence des horloges à bord287
  - 19.3.2 L'effet de l'excentricité des orbites GPS288
  - 19.3.3 Raccordement des temps systèmes GPS et Galileo au temps UTC290
  - 19.4 Effet Shapiro pour les signaux de navigation291
  - 19.4.1 Équation de propagation en temps terrestre293
  - 19.5 Le rôle de la relativité dans le GPS : une légende urbaine ?293
  - 20 Transfert de temps et transfert de fréquence297
  - 20.1 Transfert de fréquence297
  - 20.1.1 La méthode à une voie297
  - 20.1.2 La méthode à deux voies301
  - 20.2 Transfert de temps301
  - 20.2.1 La méthode à une voie301
  - 20.2.2 La méthode à deux voies302
  - 20.3 Le transfert de temps avec les signaux GPS303
  - 20.3.1 Repères inertiels et repère terrestre303
  - 20.3.2 L'effet Sagnac dans les systèmes GNSS304
  - 20.3.3 Le transfert de temps avec les signaux GPS305
  - 20.3.4 Intégration implicite de l'effet Sagnac dans le positionnement en événement récepteur310
  - 21 Principes généraux de la restitution d'orbite GPS par moindres carrés313
  - 21.1 Introduction au principe de la détermination d'orbite par moindres carrés313
  - 21.2 Le principe des moindres carrés317
  - 21.2.1 Dynamique des satellites318
  - 21.2.2 Génération des mesures théoriques et calcul des résidus de mesures322
  - 21.2.3 La pondération des mesures325
  - 21.2.4 Filtrage par estimation paramétrique326
  - 21.2.5 Les résidus de mesures329
  - 21.2.6 Les erreurs d'identifications330
  - 21.3 Algorithme général335
  - 21.4 Prise en compte de contraintes336
  - 21.5 Traitement des informations a priori337
  - 21.6 La restitution des orbites et horloges des satellites GPS339
  - 21.6.1 Dynamique appliquée pour les GPS339
  - 21.6.2 Modélisation de la mesure GPS341
  - 21.6.3 Filtrage du problème GPS346
  - 21.7 Le besoin de synchronisation du temps dans les algorithmes de navigation353
  - 21.7.1 Observation d'un biais d'horloge récepteur353
  - 21.7.2 Observation d'un biais d'horloge satellite354
  - 21.7.3 Observation simultanée de biais d'horloge satellite et station354
  - 21.7.4 Effet d'une dérive d'horloge satellite sur un réseau sol dont la prise de mesure est dispersée355
  - 21.8 La datation des mesures355
  - 21.9 Traitement des mesures de phase en ambiguïtés entières357
  - 21.9.1 Combinaisons simples et doubles différences358
  - 21.9.2 Le cas zéro-différence359
  - 22 Les systèmes d'augmentation par satellites365
  - 22.1 Le rôle d'un système SBAS365
  - 22.2 Les standards applicables366
  - 22.3 Architecture des systèmes SBAS367
  - 22.4 Les budgets d'erreurs de mesures pris en compte dans le standard MOPS369
  - 22.5 Génération des corrections SBAS L1371
  - 22.6 Application des corrections SBAS L1372
  - 22.6.1 Application de la correction d'horloge : calcul du temps d'émission et construction de la pseudo-distance374
  - 22.6.2 Correction de la pseudo-distance375
  - 22.6.3 Correction de l'orbite du satellite au temps d'émission corrigé375
  - 22.7 Compensation partielle des erreurs d'orbites et d'horloges376
  - 22.8 Application des marées terrestres377
  - 22.9 La correction du retard ionosphérique d'EGNOS378
  - 22.10 La notion d'intégrité381
  - 22.10.1 UDRE382
  - 22.10.2 GIVE384
  - 22.10.3 Caractérisation de l'intégrité385
  - 22.11 La construction des volumes de protection387
  - 22.12 Les performances d'un système SBAS391
  - 22.12.1 Précision391
  - 22.12.2 Disponibilité392
  - 22.12.3 Intégrité393
  - 22.12.4 Continuité395
  - 22.13 Introduction au SBAS bi-fréquence multi-constellations (DFMC)396
  - Épilogue : La géolocalisation par satellites, système relativiste par excellence399
  - Glossaire401
  - Bibliographie415
Origine de la notice:
- FR-751131015 ;
- Electre