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jeudi 24 novembre 2011

LA CONSTELLATION GPS

 LA CONSTELLATION GPS 

 1°) ORIGINE 
Le système de localisation GPS, de portée mondiale, repose sur une constellation de satellites en orbite circulaire. Le système et opérationnel depuis 1994.
Le Navstar/G.P.S. (Navigation System with Time and Ranging / Global Positionning System) est créé en 1973 par l'U.S. Navyet l'U.S. Air Force. Il offre à tous les utilisateurs un service homogène et continu en trois dimensions.
NB : Le codage est susceptible de donner aux forces américaines une précision supérieure à celle d'un usager civil. De plus l'armée US se réserve paraît-il le droit de dégrader l'information, en cas de conflit où les USA sont partie prenante.
 2°) SEGMENT SPATIAL : UNE CONSTELLATION 
Le GPS utilise une constellation de 24 satellites de 500 kg environ, phasés 2/1, régulièrement répartis sur six orbites circulaires, déphasées de 60°, inclinées à 55 degrés sur le plan équatorial, à une altitude de 20 184 km, donnant une période de 43082 s, moitié de la période sidérale terrestre, quasiment 12 heures. Cette répartition spatiale garantit la visibilité en permanence d'au moins six satellites, en tout point du globe. La durée de vie minimale du système est de 7 ans
 3°) SEGMENT SOL Le contrôle au sol du système est assuré par des stations de surveillance, dépendant exclusivement des USA. La station de contrôle maîtresse (M.C.S., Master Control Station), implantée à Colorado Springs, calcule en permanence les temps de propagation ionosphérique, les effets mécaniques relativistes, la dérive des horloges, et établit les éphémérides des satellites (capital, puisque les systèmes récepteurs utilisent ce positionnement précis pour leurs calculs). Ces informations sont ensuite retransmises aux satellites de la constellation.
 4°) LE SIGNAL GPS Chaque satellite possède une horloge atomique maintenue à 7ms du temps UTC et émet à 2 fréquences élevées en bande L (L1=1575.42 MHz et L2=1227.6 MHz avec une stabilité de 10 à 23 MHz). Cette fréquence ne traverse ni le béton ni un feuillage dense. Il est donc nécessaire que le récepteur soit dans une zone dégagée.
Trois types de signaux sont émis:
  • Un message de navigation avec l'almanach du système (état, identification, positions, temps), sur L1. Message de 1500 bits, à 50 Hz qui dure donc 30 s.
  • Un code dit C/A. (Coarse/Acquisition) au rythme de la milliseconde, permettant la mesure de la distance, module L1. Le code de 1023 bits est émis à 1.023 Mbits/s et dure donc 1 seconde. C'est ce signal qui peut être dégradé par une erreur volontaire appelée SA (selective avaibility)..
  • Un code dit P (Precision) à intervalles longs et réservé uniquement aux utilisateurs privilégiés du GPS. Ce code est émis sur L1 et L2 à une fréquence 10 fois plus grande de 10.23 Mbits/s. Sa durée est de 7 jours. Les clients utilisent des clés de décryptage.

 PRINCIPE DE LOCALISATION GPS 
 1°) POSITIONNEMENT SIMPLE SUR LE GLOBE Le principe de localisation est en lui même très simple. En effet, si on veut localiser un point M, de la surface du globe terrestre, il suffit d'entrer en contact avec 3 satellites.
Chaque satellite envoie son numéro d'identification, sa position précise par rapport à la terre, ou dans le repère lié à Greenwich, l'heure exacte d'émission du signal. Le récepteur GPS, grâce à son horloge synchronisée sur celle des satellites, calcule donc le temps de propagation à la vitesse de la lumière et en déduit la distance au satellite.
gps
Le boîtier récepteur que possède le particulier, procède par mesures de distances. De ce point de vue, le G.P.S. travaille en régime sphérique.
  • Le point M est donc sur une sphère de rayon D1 et de centre le satellite S1 : l'intersection avec le globe donne un premier cercle C1.
  • Le point M est aussi sur une sphère de rayon D2 et de centre le satellite S2 : l'intersection avec le globe donne un deuxième cercle C2. Les cercles C1 et C2 se coupent donc en 2 points.
  • Le point M est enfin sur une sphère de rayon D3 et de centre le satellite S3 : l'intersection avec le globe donne un troisième cercle C3. C'est le troisième satellite qui précise de manière unique le point M cherché.

 2°) POSITIONNEMENT EN ALTITUDE Lorsque l'on veut en plus de la latitude et longitude, l'altitude, on utilise un quatrième satellite. Plus ce dernier sera proche de la verticale de M, plus l'altitude sera fiable. En pratique il arrive que M puisse "voir" 12 satellites. Un algorithme de calcul affine donc la position 3D en utilisant un maximum de satellites. D'ailleurs le récepteur GPS indique de lui même, le nombre de satellites en vue, c'est à dire utilisables.
Par exemple un satellite visible au ras de l'horizon sera inopérant pour calculer l'altitude. Réciproquement un satellite à la verticale de M donnera un mauvais positionnement horizontal. Pour des appareils évolués, le récepteur affiche le positionnement des satellites utilisés, ce qui permet d'apprécier la qualité de l'information calculée. Certains appareils indiquent même la précision de la localisation.
Cette influence de la géométrie de la constellation est caractérisée par un coefficient GDOP ( Geometric Dilution Of Precision). L'UERE ( User Equivalent Range Error) de standardisation GPS est de l'ordre de 16 à 23 m pouvant aller jusqu'à 400 m après 14 jours sans transfert de données..
La précision réelle est le produit GDOP par UERE.

 3°) LA REALITE L'horloge du récepteur est moins précise que celle du satellite et n'est jamais parfaitement synchronisée. Le calcul consiste donc àrésoudre des équations dont les inconnues sont les trois coordonnées X Y Z de M et à déterminer une erreur de temps Dt inconnue mais identique pour toutes les mesures des distances approchées D1, D2, D3, puisque tous les satellites sont parfaitement synchronisés entre eux. Ainsi le récepteur utilise les données de quatre satellites pour résoudre son problème, soit par mesures successives avec une seule voie de réception, soit par mesures simultanées avec un récepteur à plusieurs voies. Cette dernière méthode est naturellement impérative pour des engins évoluant à grande vitesse.
Le G.P.S. assure en tous points du globe un positionnement et une navigation en trois dimensions, précis à 100 mètres près pour les utilisateurs classiques (soumis à une dégradation éventuelle aléatoire des signaux), et approchant 10 mètres dans le plan horizontal et 15 mètres en altitude pour les usagers privilégiés ou l'armée américaine.

 4°) MESURE DE VITESSE ET PARAMETRES ORBITAUX Pour un mobile rapide, la mesure de vitesse utilise aussi un minimum de 4 satellites et l'effet Doppler. Le calcul des paramètres orbitaux d'un engin spatial se fait en utilisant un nombre maximal de satellites et un filtrage de Kalman.

 5°) GPS DIFFERENTIEL La méthode consiste à utiliser un récepteur placé en une station connue. Il calcule donc l'erreur volontaire SA dont nous avons parlé plus haut, qui dégrade la précision. Cette information de correction est alors répercutée sur les récepteurs du voisinage. C'est ainsi que fonctionnent les avions qui peuvent alors se positionner à quelques mètres près.

 L'AVENIR 
On pourrait améliorer un système satellitaire tel que le G.P.S par une méthode différentielle, en utilisant un émetteur-récepteur placé en une position géodésique parfaitement connue et mesurant l'erreur entre la position issue des réceptions G.P.S. et sa position réelle. Ces mesures, exploitées et rediffusées automatiquement dans un rayon de quelques centaines de milles, permettraient d'atteindre des précisions de l'ordre de quelques mètres, voire du mètre. Pour toutes les utilisations qui requièrent une grande précision, le G.P.S. différentiel entre alors en concurrence avec la plupart des systèmes de proximité à infrastructure terrestre.
Un GPS relatif est aussi envisagé pour les rendez-vous en orbite. La cible et le poursuivant fonctionnent au GPS et déduisent le mouvement relatif.
Les futurs systèmes devront répondre à de nouvelles exigences. L'exemple est donné par la navigation aéronautique: un système de navigation ne peut être utilisé dans les conditions d'approche et d'atterrissage les plus difficiles que s'il est totalement fiable. Ce qui interdit toute défaillance du signal en cours d'exploitation dans un délai de quelques secondes. Des études sont en cours, notamment sur la mise en place de géostationnaires chargés de la surveillance des systèmes, et sur la redondance des équipements émetteurs et récepteurs.
Quant aux utilisateurs (professionnels ou amateurs), ils bénéficieront de plus en plus de la toute-puissance des calculateurs qui mettront à leur disposition des récepteurs "intelligents" capables de présenter de manière simple les informations issues d'un ou de plusieurs systèmes, spatiaux ou terrestres.
BIBLIOGRAPHIE :
Mécanique spatiale tome II, ouvrage du CNES,
auteur Jean Pierre CARROU, 1995, Cépaduès éditions, page 1331.

lundi 14 novembre 2011

Gestionnaire d'infrastructure ferroviaire de nord Afrique


Gestionnaire d'infrastructure ferroviaire   

En Europe, un gestionnaire d'infrastructure ferroviaire, défini par des directives européennes, est une entreprise, indépendante de celles chargées d'exploiter les services de transport, souvent publique (voire une administration de l'État). Elle est chargée de gérer un réseau ferroviaire, dont elle est généralement propriétaire, en assurant :
     ·   la construction des lignes et des gares ou installations terminales nécessaires à l'exploitation des services, y compris l'alimentation électrique, l'approvisionnement encarburant et les systèmes de télécommunications ;
      ·  l'entretien et la maintenance de ces installations ;
   ·  la gestion des circulations ferroviaires (les trains) de manière à garantir la sécurité et la régularité de l'exploitation assurée par des entreprises ferroviaires.
Le gestionnaire de l'infrastructure ferroviaire peut également répartir les sillons en fonction des demandes formulées par les entreprises ferroviaires présentes sur le réseau, sous lecontrôle d'un régulateur. Il est chargé de recouvrer auprès des entreprises ferroviaires les redevances d'accès au réseau, qui constituent, en principe, une part essentielle de ses recettes.
La mise en place de gestionnaires des infrastructures ferroviaires dans les pays de l'Union européenne a pour objectif de permettre l'introduction de la concurrence entre les exploitants (c'est-à-dire les entreprises ferroviaires, en assurant une égalité de traitement entre ces derniers.
En France, le propriétaire et gestionnaire du réseau principal est Réseau ferré de France (RFF). En ce qui concerne le tunnel sous la Manche, la société Eurotunnel joue à la fois le rôle de gestionnaire de l'infrastructure vis-à-vis des entreprises ferroviaires dont les trains empruntent le tunnel (SNCF, Eurostar, EWS...) et d'entreprise ferroviaire, en tant qu'exploitant du service de navettes le Shuttle pour les automobiles et les camions.

mardi 1 novembre 2011

SONAR : La détection des cibles

SONAR : La détection des cibles



Sous la mer, 3 ACTEURS principaux interagissent sur le phénomène de la détection :
Le SONAR lui-même, qui écoute et localise tous les "bruiteurs" (en mode PASSIF), ou qui émet des impulsions sonores et détecte les échos revenant des cibles (en mode ACTIF);la CIBLE (ou menace), qui fait plus ou moins de bruit en se mouvant sous/sur l'eau, ou qui renvoie +/- fort un écho à chaque impulsion sonore  reçue du SONAR ...
et le MILIEU marin, source de bruits ambiants parasites (bruit de mer dû aux vagues, ) et  propagateur de tous les sons (bruits parasites biologiques, bruit de trafic dû aux navires lointains ou proches (brouilleurs forts) , bruits ou échos SONAR des cibles, gêne de réverbération) . Cette propagation sonore sous-marine suit en plus des lois étranges au premier abord, qui tiennent compte de la nature du fond, de l'état de la surface de la mer, et de la turbidité ou de la richesse en poissons de ses eaux ... !
Le principe de la détection SONAR est le suivant :
Grâce à la propagation  du son dans l'eau (5 fois plus rapide que dans l'air) , les rayons sonores vont révéler, d'assez loin parfois, la présence d'un sous-marin bruyant sur un SONAR passif, ou renvoyer un écho (comme au RADAR) de l'impulsion sonore  reçue d'un SONAR actif. Dans les 2 cas, la nature du fond (sable, vase, rochers,...) et l'agitation de la surface de la mer vont jouer fortement sur les pertes de propagation en affaiblissant plus ou moins le signal à détecter.
De plus, le bruit ambiant (trafic maritime, bruit des vagues, bruits biologiques de toutes sortes) va gêner la bonne réception du signal : les traitements d'antenne (on peut n' écouter que dans certaines directions - c'est comme si l'on tendait l'oreille dans une direction précise) et les algorithmes de traitement du signal (filtrage fréquentiel et spatial de tous les bruits parasites), vont aider le SONAR à s'en affranchir.
Le SONAR détectera la cible dès que le niveau de l'écho ou du bruit spécifique de la cible sera suffisamment fort par rapport à ce que l'on peut considérer globalement comme la somme du "bruit de fond" et du seuil de déclenchement (règlage de sensibilité) de la détection.
Une fois la première détection faite, on effectue en général une classification du contact (reconnaissance des particularités acoustiques des cibles -les fameuses signatures acoustiques que les oreilles d'or de la Marine Nationale s'entraînent à reconnaître rapidement-) et un suivi de la nouvelle piste crée (tenue de contact) , voir les exercices proposés dès le premier entrainement avec "688i Hunter-Killer" , "SubCommand" , ou le plus récent "Dangerous Waters" : ces simulateurs (jeux vidéo PC grand public) -plûtot réalistes- de sous-marins d'attaque nucléaires US, sont bien connus et même pratiqués par les Sous-Mariniers Français et Américains en exercice ou à la retraite, comme on peut s'en rendre compte sur les divers forums internet sur le sujet .... !
 


Principaux types de SONARS (sur Bâtiments de Surface ou Hélicoptères) 
utilisés par les Marines Mondiales :
 On le voit sur l'illustration ci-dessus, plusieurs types d'antennes (de coque, remorquée dans un "poisson" ou dans une "flute", antenne trempée depuis un hélicoptère, ou larguée d'avion pour les bouées) , et de mise en oeuvre (SONARs actif pour le coque, le poisson et le trempé, SONARs passif pour la flûte et la bouée...), sont possibles , et cette présentation n'est pas exhaustive du tout : Les SONARs de coque ont souvent un mode de fonctionnement PASSIF (principalement pour la détection des attaques de torpilles), et les sous-marins disposent eux aussi d'une panoplie de SONARs impressionnante (sonars PASSIFs en majorité, discrétion acoustique oblige ..., mais aussi sonars actifs pour finaliser une détection avant de lancer, ou pour la reprise de vue en surface afin d'éviter les colisions avec les navires, indiscret mais vital ! )

 Les simulateurs de SONAR grand public (jeux vidéos spécialisés comme 688i Hunter/Killer (1998) , puis Subcommand (2003) et, plus récemment en 2006, DANGEROUS WATERS , édités par Sonalyst ELECTRONIC ARTS présentent de très fortes similitudes avec les traitements réels des données SONAR ... et peuvent donner une idée assez proche de la réalité du fonctionnement réel (et de la pratique qu'en ont les sous-mariniers) des SONARS passifs de sous-marins.

 
SONARs actifs : exemple d'une situation possible :

On le voit sur l'illustration ci-dessus, avec un SONAR à immersion variable, on peut détecter plus facilement les cibles qu'avec un SONAR de coque, en optimisant l'immersion de l'antenne pour profiter au maximum des chenaux acoustiques profonds : l' impulsion émise est réfléchie par la cible (c'est le changement de milieu eau / métal / air de la coque qui crée cet écho, dont la puissance dépendra de l'impulsion reçue, du volume et de la forme apparente que verra le rayon sonore en arrivant progressivement sur cette cible).

 
SONARs passifs , autre illustration de situation possible :

En passif, le bruit rayonné par un sous-marin est recherché et écouté avec la plus grande attention par les récepteur linéaires (sous forme de flutes trainées à  immersion variable, elles aussi pour profiter des meilleures conditions de propagation du moment ( ces conditions peuvent changer très vite, à l'échelle de 20 à 50 Km, soit 1 à 2 heures de navigation à 10 / 15 Noeuds) . 
Ce bruit (continu en durée) est surtout provoqué par l'écoulement de l'eau sur la structure du Sous-Marin , par les moteurs, et par les battements des pales des hélices aux vitesses moyennes; aux vitesses élevées, un phénomène de cavitation assez bruyant a lieu (claquements des bulles d'air auto-générées par les pales de l'hélice, très caractéristiques et reconnaissables de loin);  à des vitesses plus réduites, on pourra entendre les moteurs des auxiliaires (aération, pompes électriques), le niveau de bruit global ayant bien diminué. 
Si le SONAR passif s'intéresse aux bruits transitoires, l'opérateur SONAR de la frégate ASM ou du SM peut entendre les portes des tubes lance-torpille s'ouvrir, le bruit du lancement (chasse brutale d'air) celui des hélices de la torpille qui part, et celui de la porte du tube qui se referme brutalement..., ou encore le Sous-Marin chasser l'air de ses ballast pour plonger, ce qui peut donner des indications exploitables directement en opérations ASM ...


  
  
De quoi est réellement constitué cet équipement que l'on appelle un "SONAR" ?

Ce qu'on appelle "SONAR" est un équipement complexe d'un navire, constitué d'éléments acoustiques, électriques, électroniques, et informatiques.
A bord des navires, on trouve , dans le "Central ASM" toute l'électronique et l'informatique des commandes du SONAR et des traitements appliqués aux signaux émis par le SONAR (Fréquences Pures ou Fréquences Modulées) et à ceux en provenance des cibles.
Entre le navire et l'eau, se trouve la partie "mouillée" du SONAR, interface entre le bord et le milieu marin : c'est à dire son antenne
(+ les treuils et câbles pour les flutes trainées), qui permet l' émission d'une impulsion sonore (pour les SONARs actifs seulement) et , dans tous les cas, la réception des échos de cibles et des bruits de toutes provenances (parasites et menaces).
En général, lorsqu'on parle de SONAR, c'est de tout l'ensemble qu'il s'agit, commande/visualisation + traitements Emission/Réception + partie acoustique trempée (transducteurs) et les systèmes d'émission (électricité de puissance en kW) et de mise à l'eau et remorquage d'antennes (et donc souvent plusieurs tonnes de matériel, au total !). 
 
  



 Le Milieu de Propagation : Mers et Océans du Monde
Rayons et Profils de célérité du son : comme déjà décrit dans la page précédente d' initiation à l' ASM , les rayons sonores émis par un SONAR actif (ou une cible bruyante) se propagent dans l'eau de mer en s' incurvant (dans le plan vertical principalement) vers le haut ou vers le bas, selon l'influence des variations de célérité du son dans l'eau. Il est assez rare qu' il se propage en ligne droite (mais cela arrive parfois, surtout en "petits fonds isothermes", comme par exemple en Mer de Chine du Sud, ou en Manche selon la saison -influence de l'atmosphère oblige-), et les divergences que l'on peut observer dans certains cas créent des zones d'ombre, où cibles et chasseurs se cachent provisoirement.
Lorsque, par rapport à l'immersion où le rayon sonore se trouve à un moment donné, la célérité du son augmente si l'on remonte vers la surface, les rayons sont déviés vers le fond.  Symétriquement en immersion, si la célérité du son augmente lorsque l'on descend, les rayons sonores vont avoir tendance à remonter vers la surface ... d'où l'existence des "chenaux de propagation" privilégiés, concentrant les rayons sonores (comme une fibre optique pour la lumière) parfois sur de grandes distances, et propageant les chants des baleines sur plusieurs centaines de Km !
A l'inverse, si la célérité du son diminue au dessus de l'immersion considérée, alors le son va remonter vers la surface directement; et si elle diminue en dessous, ce même rayon ira directement frapper le fond (et s'affaiblir lors du choc, comme énoncé plus loin).
Nature des fonds : Comme on peut le voir sur le premier dessin de l'article , certains rayons sont réfléchis par le fond (lorsque le profil de célérité du son est globalement négatif ) avant d'atteindre la cible; dans ce cas, le signal va être affaibli plus ou moins, selon la pénétrabilité acoustique et la rugosité du fond.
Ce sont les fonds de vase qui atténuent le plus les rayons sonores, tandis que les sables réfléchissent une grande partie de l'énergie reçue, comme les fonds de gravier et de roches. Dans ce dernier cas, la réverbération (retour du pulse sonar émis après réflexion sur le fond / la surface / le volume d'eau traversé) est plus forte, et dans certains cas, très gênante. 
Bruit ambiant : En tout endroit de l'Océan, on perçoit sur tout récepteur acoustique, du BRUIT, contrairement à l' idée reçue d'un "Monde du silence" !
Ce bruit est en général constitué du bruit de mer (fait par les vagues en surface, en relation directe avec les vents), du bruit de trafic lointain (selon la distance au "rail de trafic maritime" le plus proche), et des bruits d'origine biologique (crevettes "claqueuses", clics de localisation des dauphins et chants des baleines, claquements des valves des coquillages, vibrations des vessies natatoires et claquements des dents des poissons), ou tectoniques (craquements de la croûte terrestre et mouvements de plaques continentales, en très basses fréquences). Le bruit d'un navire proche, gênant pour la détection passive des autres cibles, est plûtot considéré comme un bruit parasite, provenant d'une direction précise, à éliminer par le filtrage adapté à la situation, que comme un bruit ambiant de nature omnidirectionnelle (comme le bruit de mer).

Les Cibles (ou objets acoustiques détectables au SONAR)  :

Type de Cible
Bâtiment de Surface
Sous-Marin
Torpille
Hélicoptère
Mine
 Aperçu
Caractéristiques acoustiques en
PASSIF
Bruits rayonnés par la coque (vague d'étrave, écoulement de l'eau sur la coque), par les hélices (battements des pales, cavitation), par les moteurs (Diesels ou autres), et par les équipements (treuils, portes, ascenceurs, etc...)
Bruits rayonnés par la coque (écoulement de l'eau sur la coque), par les hélices (battements des pales, cavitation), par les moteurs (Diesels ou électriques), et par les équipements (treuils, portes de tubes lance-torpilles, purges de ballast, etc...)
Bruit global rayonné par la torpille, dû aux hélices et à l'écoulement de l'eau à grande vitesse le long des parois.
 Bruit global rayonné par l'hélicoptère dans l'eau, dû aux rotors et aux claquements des pales au-dessus de la surface.
Aucune
Caractéristiques acoustiques en
ACTIF
Puissance de l'écho renvoyé par rapport au pulse SONAR reçu (ou index de cible)
Puissance de l'écho renvoyé par rapport au pulse SONAR reçu (ou index de cible)
Puissance de l'écho renvoyé par rapport au pulse SONAR reçu ( index de cible Faible car petite taille)
 
Aucune (hors de l'eau)
Puissance de l'écho renvoyé par rapport au pulse SONAR reçu ( index de cible Faible car petite taille)
Les cibles ont en général des caractéristiques passives et actives qui varient fortement selon la fréquence. Ce critère doit être pris en compte pour la définition des SONARs (ils doivent être capables d'entendre toutes les fréquences émises par les cibles/menaces possibles) et leur utilisation pratique (cf les exercices de détection en Bande Large et en Bande étroite sur l'antenne sphérique passive de proue du SNA américain type Los Angeles 688i que l'on peut trouver dans le simulateur sur PC "688i hunter-killer".
Un exemple de bruit (pour SONAR PASSIF) produit par chaque type de cible est donné pour illustrer le tableau ci-dessus : Cliquez simplement sur les photos pour l'écouter.