Un récepteur GPS série

On trouve depuis peu de nouveaux récepteurs pour le positionnement par satellites, très compacts et économiques.
Nous allons les utiliser dans nos réalisations car ils méritent d’être mieux connus. Nous souhaitons que cet article soit, en plus du montage proposé, l’occasion de vous remettre en mémoire les concepts fondamentaux du système GPS.


Depuis longtemps déjà nous nous intéressons aux appareils de localisation par satellites, aux navigateurs et localisateurs à distance pour antivol de voiture et pour la sécurité en général.

Nos montages utilisaient des récepteurs GPS de marque GARMIN de très bonne qualité, avec ou sans antenne incorporée (ex. GPS25, GPS35…), équipés d’une interface série au standard RS232-C.
Mais, bien sûr, ils ne sont pas les seuls sur le marché et GARMIN n’est pas la seule firme qui construise des récepteurs GPS même si elle est, sans aucun doute, une des plus grandes.

Caractéristiques techniques

Module SiRF I

Générales
Fréquence : ......................... L1 1 575,42 MHz
Code C/A : .......................... 1,023 MHz
Canaux : ............................ 12 parallèles

Précision
Position : .......................... de 1 à 5 mètres
Vitesse : ........................... 0,05 m/s

Acquisition
Ré acquisition : .................... 0,1 s
Mise en marche : .................... 48 secondes
Reset : ............................. 8 secondes

Conditions dynamiques
Altitude : .......................... 18 000 m max.
Vitesse : ........................... 515 m/s max.
Accélération : ...................... 4 g max.
T° de fonctionnement : .............. –40 °C à +85 °C

Electriques
Alimentation : ...................... +5 Vcc ±5 %
Consommation : ...................... 180 mA max.
Circuit de “backup”, ................ tension : +2,5 V à 4,5 V; courant : 10 μA

Communication
Canal sériel “full duplex”
Binaire ou NMEA0183

Antenne active

Electriques
Fréquence : ......................... 1 575 MHz ±3 MHz
VSWR (TOS) : ........................ 2 max.
Largeur de bande : .................. 10 MHz min.
Impédance : ......................... 50 Ω
Gain : .............................. 4 dBic
Polarisation : ...................... RHCP
Gain de l’ampli : ................... 27 dB typ.
Bruit de l’ampli : .................. 1,5 dB typ.
Sortie VSWR (TOS) : ................. 2 max.
Alimentation : ...................... 5 V ±0,25 V
Consommation : ...................... 16 mA max.
T° de fonctionnement : .............. –40 °C à +85 °C
Vibrations admises : ................ 1 g, 10-150-10 Hz sur tous les axes
Humidité admissible : ............... 95 % à 100 %
Etanchéité : ........................ 100 %

Mécaniques
Poids : ............................. 180 grammes
Dimensions : ........................ 50 x 50 x 17 mm
Câble : ............................. 5 m RG174 avec connecteur SMA
Fixation : .......................... embase magnétique

Figure 1a : Vue de dessus du récepteur GPS SiRF I (elle correspond à la photo de la figure 1d).

Figure 1b : Vue de dessous de ce même assemblage.

Figure 1c : Vue latérale (toutes les cotes sont en mm).

Figure 1d : Vue de dessus d’un récepteur SiRF I.

Notre trouvaille
Dans notre continuelle recherche de produits toujours plus performants, à tous les points de vue, nous avons trouvé dans le commerce d’autres récepteurs GPS produits par la firme SiRF : il en existe deux types. Le type I incorpore la section HF alors que le type II en est dépourvu. Si nous avons choisi cette marque c’est pour deux bonnes raisons : SiRF est aussi fiable que GARMIN tout en étant nettement moins coûteux ! La seule différence importante est que les SiRF disposent d’une interface sérielle produisant des signaux selon le protocole NMEA0183 mais avec un niveau TTL et non RS232-C comme leur concurrent.

Notre montage
Donc si l’on veut coupler un récepteur SiRF au port COM d’un PC, il faut réaliser un petit convertisseur TTL/RS232-C : c’est ce dernier qui fera l’objet de la réalisation proposée dans le présent article.
Les applications liées au GPS sont déjà nombreuses et nous avons l’intention d’en réaliser toujours davantage.
D’autant plus que, depuis quelque temps, le signal civil (SPS = Standard Position System) n’est plus dégradé par rapport au signal militaire (PPS = Precision Position System) : cela permet d’obtenir des localisations très précises, de déterminer la position d’un objet avec une erreur d’à peine quelques mètres et non plus de 30 mètres, comme cela était encore le cas il y a deux ans environ.
Dans ces pages nous voulons vous présenter les récepteurs SiRF en vous proposant la réalisation d’un récepteur GPS fondé sur un module de type I auquel nous ajouterons notre petit montage : le convertisseur d’interface TTL/RS232-C. En assemblant le module SiRF I avec notre montage facile, vous serez en possession d’un récepteur GPS complet à employer avec n’importe quel ordinateur, de bureau ou portable, travaillant sous un des programmes de navigation par satellites les plus courants comme “NaviPC” par exemple.
Le récepteur en lui-même est un élément remarquable opérant sur une fréquence de la bande L1 (1 575,42 MHz) en mesure de démoduler le signal C/A (localisation des maxima) modulé en phase à 1,023 MHz.
L’étage d’entrée peut recevoir en même temps 12 satellites (12 canaux parallèles), la précision du relèvement sur la position, la vitesse (dans le cas où le récepteur est installé dans un véhicule en mouvement) et l’heure actuelle, avec les corrections par horloge à quartz interne.
Toutes les informations sont ensuite transmises en mode sériel par l’interface TTL dont le récepteur GPS est doté : le protocole de communication est le NMEA0183-ASCII (NMEA = National Marine Electronics Association), standard des systèmes de réception GPS.
Pour être plus précis, de l’interface sérielle “sortent” les données de latitude, longitude et altitude du récepteur en plus de la date, de l’heure, de la vitesse de déplacement (si le récepteur GPS est installé dans un véhicule en déplacement comme une automobile, un bateau ou un avion) et du nombre de satellites reçus.
Le SiRF est un récepteur GPS capable d’opérer en fixe ou à bord d’un mobile : il fonctionne correctement jusqu’à une altitude de 18 000 m (60 000 pieds), peut apprécier une vitesse jusqu’à 515 m/s (plus de 1 800 km/h) et supporte des accélérations jusqu’à 4 g (4 fois l’accélération de la pesanteur soit plus de 39 m/s).
La précision de la localisation est garantie à moins de 25 m, même dans les pires conditions de travail, mais par rapport au signal civil, le seul interceptable par SiRF I.
En clair, si nous considérons qu’aujourd’hui la porteuse SPS (C/A) “contient” une information plus précise, dans les conditions normales de travail on peut espérer obtenir une localisation avec une erreur d’environ 5 m.
La bonne qualité de la localisation et de la précision dans la détermination de la vitesse de déplacement des objets proviennent de la grande quantité des satellites que l’on peut recevoir en même temps et de la périodicité très courte d’acquisition des signaux horaires provenant de la constellation GPS : en moyenne un signal toutes les 100 millisecondes.

Figure 2a : Vue de dessous du GPS SiRF I.

Figure 2b : Le connecteur.

Comme interface avec l’extérieur, le SiRF I dispose d’un connecteur au pas de 2 mm recevant l’alimentation et permettant le dialogue avec le PC.

Figure 2c : Fonction de chaque broche (qu’en raison de leur forme nous appelons “points” dans le texte) du connecteur.

La modification
D’après ce qui précède, nous pouvons affirmer qu’il s’agit là d’un récepteur aux excellentes prestations, utilisable avec succès dans toutes les applications terrestres ou non.
Et, justement, en termes d’application, voyons comment transformer les interfaces série de TTL en RS232-C, en mettant à profit le schéma de modification très simple présent dans cet article, figure 5a.
Pour être tout à fait exact, nous vous proposons un convertisseur que vous pourrez relier à une entrée série, le port A.

Le circuit
Le circuit de modification est fondé sur le circuit intégré MAX232, le convertisseur TTL/RS232-C et vice-versa le plus commun. Il contient 2 “line-driver” et 2 “receiver” en plus d’un double circuit de charge de condensateurs permettant de fournir, à partir du +5 V de l’alimentation principale, les tensions +10 V et –10 V nécessaires au “driver” RS232-C.
On remarquera en particulier que ce circuit intégré n’a besoin que de 4 condensateurs électrolytiques externes : C3, C4, C5 et C6.
Comme le montre le schéma électrique, figure 5a, l’entrée du “line-driver” est reliée à la sortie TTL du port A (point 11 du connecteur d’interface) tandis que la sortie du récepteur l’est à l’entrée du port A (point 12 du connecteur du SiRF I).
Les broches 9 et 10 seront ensuite reliées, au moyen d’un câble série avec connecteur DB9 (à 9 broches comme son nom le suggère : photo figure 5e), respectivement à la ligne RXD et à la TXD du port série de l’ordinateur auquel le récepteur GPS devra être couplé.
Pour fonctionner correctement, le module SiRF I doit être alimenté en +5 V à prélever sur une alimentation externe reliée directement aux points 1, 2 (+5 V) et 16, 18 (masse) du connecteur (figure 2b). Cette même tension +5 V alimente aussi le convertisseur MAX232.
Restons un moment sur le connecteur d’interface : à partir de lui on peut accéder à toutes les fonctions spéciales du récepteur GPS. Par exemple, le point 19 produit un signal appelé “TIMEMARK”, correspondant à une impulsion par seconde : c’est une sorte d’onde rectangulaire qui peut servir de “trigger” pour synchroniser une horloge, étant donné sa grande précision. Le point 5 permet, quant à lui, de “reseter” le récepteur : on peut y relier une broche d’un poussoir dont l’autre ira à la masse. En fait, le reset s’obtient en mettant ce point 5 au niveau logique zéro.
Au point 3 peut être reliée une batterie rechargeable externe, permettant le fonctionnement de l’horloge du récepteur lorsque l’alimentation principale 5 V est arrêtée : cette batterie doit être une 3,6 V, de type bâton, utilisé parfois sur les cartes-mères des ordinateurs. Le module prévoit cependant déjà une batterie embarquée et, de ce fait, la batterie externe est facultative.

Figure 3 : Organigramme de fonctionnement par sous ensembles du récepteur GPS série visible en photo figure 2a.

Figure 4 : Vues de dessus des circuits intégrés (format CPU) SiRF.
En haut le SiRF GRF1 qui assure toutes les fonctions HF.
En bas le SiRF GSP1, microprocesseur traitant les signaux en provenance de la constellation des satellites (jusqu’à 12 reçus simultanément : c’est ce que signifie “12 canaux parallèles”).

Figure 5a : Schéma électrique de notre petit convertisseur RS232.

Figure 5b : Schéma d’implantation des composants.

Figure 5c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de notre convertisseur TTL/RS232-C.

Figure 5d : Photo d’un des prototypes prêt à être installé sous le module SiRF.

Figure 5e : Câble de liaison au port COM du PC (avec, à droite, son connecteur DB9), permettant aussi d’alimenter notre convertisseur à partir de l’alimentation du PC (connecteur de gauche PS/2).

En pratique : la platine sera superposée au module SiRF (figure 5e).
L’ensemble sera installé dans un boîtier adapté : nous avons prévu une petite boîte en plastique de 80 x 56 x 24 mm aux arêtes adoucies.

Liste des composants du convertisseur TTL/RS232
C1 = 10 μF 16 V tantale
C2 = 100 nF multicouche
C3-C6 = 10 μF 16 V tantale
U1 = Intégré MAX232
CN1 = 2 x 20 points pas de 2 mm

Divers :
1 Support 2 x 8 broches
1 Câble série DB9
1 Câble série PS/2
1 Boîtier plastique
1 Circuit imprimé réf. S378


L’assemblage
Voyons maintenant comment réaliser pratiquement la modification au récepteur GPS.
Tout d’abord, préparons le circuit d’interface.
Le circuit imprimé sera fabriqué au moyen de la technique bien connue de la photogravure, grâce à notre tracé de la figure 5c.
Le montage des composants est simple et les seules précautions à prendre concernent le respect de la polarité des condensateurs électrolytiques et le sens d’insertion du MAX232.
Une fois terminé ce petit circuit, il faudra le relier, au moyen de 4 fils, au récepteur GPS. Puis rassembler le tout dans un boîtier adéquat.
Quant à l’alimentation, sachez que la totalité de l’appareil consommera au maximum 200 mA et que la tension de 5 V doit être continue et bien stabilisée.
Dans notre application, nous avons prévu un second câble de connexion au PC pour prélever sur le port PS/2 de celui-ci la tension de 5 V nécessaire à l’alimentation du circuit entier.

Le système GPS


Né pour les besoins de l’aéronautique militaire des Etats-Unis (USAF) en matière de contrôle maritime et aérien, le GPS (Global Positioning System) est un système fonctionnant grâce à 21 satellites (plus 4 d’escorte).
C’est la fameuse constellation GPS, apparue en 1993.
Tous les satellites sont en orbite géostationnaire autour de la Terre et ils tournent sur 6 orbites inclinées, chacune, de 55° par rapport au plan équatorial et distantes de 60° l’une de l’autre, à une altitude de 20 200 km/sol soit 26 500 km du centre de la Terre. Chaque satellite parcourt, autour de notre planète, une circonférence de 53 120 kilomètres en 12 heures exactement.
La méthode de localisation consiste en l’émission par chacun des satellites d’un signal horaire, en même temps que chacune des informations touchant la position et l’éventuelle variation de la position (si l’objet localisé est mobile) du récepteur GPS.
En outre chaque satellite émet un signal de correction horaire. Le récepteur GPS reçoit le signal horaire, le compare avec celui de sa propre horloge interne (toujours en phase avec celle du système, nous verrons comment…) et calcule le temps écoulé entre le départ du signal (du satellite) et son arrivée (au récepteur).
Vu la vitesse de l’onde radio (300 000 km/s, comme la lumière), il est facile de calculer la distance.
Et comme les satellites sont tous en orbite géostationnaire, leur position par rapport au sol terrestre est connue : le récepteur peut calculer facilement la distance qui le sépare de chaque satellite dont il reçoit le signal.
La géométrie nous enseigne que, pour connaître le lieu exact d’un point dans l’espace, il faut et il suffit de connaître sa distance par rapport à au moins 3 points connus.
Donc, un récepteur GPS captant les signaux de 3 satellites peut calculer la distance qui le sépare d’eux et, partant, sa propre position dans l’espace.
En fait, on obtient pour cette dernière 2 points, un réel et l’autre improbable (qui en est l’image/miroir) puisqu’il est situé hors de la biosphère terrestre.
Si l’on reçoit 4 satellites, la localisation du récepteur (ou du mobile dans lequel il est embarqué : voiture, bateau, avion…) est déjà précise et débarrassée de l’ambiguïté du point irréel. Mais avec 5, 6, 7 ou davantage (notre SiRF peut en recevoir jusqu’à 12 en même temps), la localisation s’affine toujours davantage car la tolérance sur la distance diminue de plus en plus.
Cela dit, l’un ou l’une d’entre vous se demandera peut-être comment fait le récepteur GPS pour savoir le temps que met le signal émis par le satellite pour l’atteindre.
La réponse est simple : tous les satellites du système GPS ont chacun 4 horloges atomiques au Césium, extrêmement précises et, de plus, mises à jour de façon cyclique par une station terrestre (la véritable centrale du système GPS).
L’extrême précision et la très grande fiabilité de chaque horloge sont telles que tous les satellites ont la même heure, précise au millionième de seconde, et même davantage !
Dans le signal émis par chaque satellite vers la Terre, on trouve, outre les informations horaires, tous les paramètres indiquant de quel satellite il s’agit (n° 1, n° 2, etc.), son orbite (ainsi le récepteur GPS connaît l’exacte altitude/sol du satellite reçu), les corrections d’orbite et la mise à jour du signal horaire.
Vu que tous les éléments du système GPS sont à la même heure, “il est facile” pour un récepteur (un rien sophistiqué tout de même !) de calculer les distances utiles et éventuellement les vitesses.