Synchronisation GPS

Introduction

Dans le système GPS il est indispensable, pour déterminer la position d'un récepteur, de synchroniser en temps et donc en fréquence, l'horloge (ou oscillateur) interne du récepteur avec le temps diffusé par la constellation des satellites.

Le temps GPS

Les signaux transmis par les satellites GPS sont pilotés par une horloge atomique d'une grande précision. Ce n'est pas le cas des récepteurs qui sont équipés d'une horloge à quartz. Celles-ci n'ont ni l'exactitude ni la stabilité d'une horloge atomique et donc dérivent avec le temps.

Le temps GPS est donné par le centre de contrôle de Colorado Springs aux États-Unis. Il dérive de façon connue par rapport au Temps atomique international. En fait, le temps GPS est synchronisé sur l'UTC USNO, établi à partir d'un ensemble d'horloges atomiques gérées par l'US Naval Observatory.

L'UTC est parfois décalé d'une seconde par rapport au Temps atomique international. Ce décalage n'est pas répercuté par l'USNO sur le temps diffusé par les satellites GPS. Mais un message destiné aux récepteurs leur permet de prendre en compte ce décalage, et donc de pouvoir se synchroniser sur le temps UTC, pris comme référence. Le temps GPS a été calé sur l'UTC en 1980; il est donc décalé de façon permanente de 19 s par rapport au TAI (valeur de l'écart TAI - UTC en 1980). En 2007 son écart est donc de 14 s par rapport à l'UTC.

La correction de l'écart de temps

Chaque satellite envoie un message de correction afin d'obtenir le temps GPS exact. L'écart entre le temps GPS et le temps d'une horloge d'un récepteur peut se mettre sous la forme :

avec :

• c : la vitesse de la lumière dans le vide ;
•  : la distance réelle entre le récepteur et le satellite ;
•  : la correction ionosphérique calculée par le modèle ;
•  : la correction troposphérique calculée par le modèle ;
•  : l'erreur due à la rotation de la Terre pendant le temps de trajet du signal ;
•  : la pseudo distance mesurée ;
• dt^s : l'écart entre le temps GPS et le temps de l'horloge satellite ;
• dt^e : le retard dû au récepteur (antenne, câble, circuits) ;
• dt_rel : la correction relativiste.

En partant d’un récepteur GPS dont on connait parfaitement les coordonnées, on effectue des mesures concernant plusieurs satellites sur une période donnée. Ensuite on peut réussir à obtenir une précision de détermination de 10ns à 50ns en effectuant la moyenne des observations précédentes. Si deux récepteurs placés à très grande distance l’un de l’autre effectuent les mêmes mesures au même moment, les deux récepteurs peuvent se synchroniser entre eux avec la précision de quelques nanosecondes.

Les apports de la synchronisation GPS

• synchronisation des réseaux de transmission de données
• synchronisation des réseaux de communication
• synchronisation des gares & aéroports
• synchronisation de la phase dans les systèmes de distribution d'électricité
• synchronisation des réseaux d'émetteurs iso-fréquence en Télévision numérique terrestre

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