La position géographique

KOSTIC Stefan

 

 

 

1 - Présentation est utilité de la géolocalisation

 

La géolocalisation ou géoréférencement est l’identification ou l'estimation de l'emplacement géographique réel d'un objet, tel qu'une source radar, un téléphone mobile ou un terminal informatique connecté à Internet, sur un plan ou une carte à l'aide de ses coordonnées géographiques.

 

Elle est utilisée dans différents domaine :

  • Le domaine militaire, qui s‘en sert par exemple pour suivre ces navires, ces avions ou ces véhicules qui se déplacements sur terre.

 

  • Le domaine scientifique et de recherche, qui s’en sert par exemple pour suivre et étudier le déplacement des animaux dans les parcs naturels.

 

 

  • Le domaine de l’aviation, ou par exemple les aéroports s’en servent pour suivre les avions en vol.

 

  • Le domaine quotidien, pour par exemple savoir où l’on se situe quand on part en voyage, être guidé et suivre la bonne route quand on conduit ou même retrouver son véhicule en cas de vol par un tracker.

 

 

Comme on le voie il existe plusieurs domaines ou la géolocalisation est utilisé, mais les techniques employées sont pas les mêmes, ils existent différentes techniques de géolocalisation et elles varient en fonction des domines.

 

2 - Explication des ondes électromagnétiques

 

Avant de voir les différentes techniques de géolocalisation, il est n’nécessaire de bien comprendre le comportement des ondes électromagnétiques car dans la suite du dossier on parlera beaucoup d’ondes électromagnétiques, de leurs fréquences et leurs longueurs d’ondes.

L’onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les rayonnements électromagnétiques. Le rayonnement électromagnétique désigne une forme de transfert d'énergie linéaire et peut être décrit de manière corpusculaire comme la propagation de photons (particule associé à la lumière et aux ondes électromagnétiques).

 

Les ondes électromagnétiques se déplace toutes à la même vitesse qui est 299 792 458 m/s

 

Voici la répartition du rayonnement électromagnétique :

 

 

Il existe trois méthodes pour connaître une onde électromagnétique, soit par sa fréquences, soit par sa longueur d’ondes, soit par son énergie.

Voici la formule pour la fréquence :

Voici la formule pour la longueur d’ondes :

Voici la formule pour l’énergie :

Où :

  • f: la fréquence en hertz (Hz)
  • c: la vitesse de l’onde électromagnétique qui est 299 792 458 m/s
  • λ: est la longueur de l’onde (m)
  • h: est la constante de Planck dont une valeur approchée est :
  • E: est l’énergie en joules (J)

 

Ce qui est important à retenir c’est que plus la fréquence est grande, plus la longueur de l’onde et petit, et plus la longueur de l’onde et grande, plus la fréquence et petit.

Dans le domaine de la géolocalisation l’intervalle de fréquences qui va nous intéresser va être de 800 MHz (800 x 106 Hz) jusqu’à 5 GHz (5 x 109 Hz).

Il est encadré en rouge dans le schéma ci-dessous :

 

3 - Explication des canaux de communication

Avant de voir les différentes techniques de géolocalisation, il est n’nécessaire de bien comprendre le fonctionnement des canaux de communication.

 

Il existe 3 canaux de communication :

  • Le simplex qui est canal monodirectionnel, car il envoie l’information dans une direction. On peut prendre l’exemple de la radio qui est un canal communication simplex car il y a une antenne émettrice et plusieurs antennes réceptrice ou l’envoie de l’information se fait de l’antenne émettrice jusqu’aux antennes réceptrice.

  • Le half-duplex qui est canal bidirectionnel, car il transporte l'information dans les deux sens mais l'information ne peut pas être transportée simultanément dans les deux sens. On peut prendre l’exemple du talkie-walkie ou l’information se transporte dans les deux sens mais non simultanément.

 

  • Le full-duplex qui est canal bidirectionnel, car il transporte l'information dans les deux sens et qui contrairement au half-duplex, l'information peut être transportée simultanément dans les deux sens. On peut prendre l’exemple du téléphone mobile et du wifi qui sont des réseaux full-duplex.

 

 

 

Dans le domaine de la géolocalisation on en parlera dans la géolocalisation par Wifi, réseau GSM et GPS.

 

4 - Les différentes techniques de géolocalisation

Géolocalisation par adresse IP sur Internet

Fonctionnement des réseaux LAN et WAN

 

Il y a deux types de réseaux, le réseau local Ethernet ou autrement appelé LAN (Local Area Network) et le réseau extérieur Internet ou autrement appelé WAN (Wide Area Network).

 

Le routeur a sa propre adresse IP qui vari des opérateurs, puis quand on rentre dans le réseau local chaque ordinateur aura sa propre adresse IP.

On peut voir cet exemple dans le schéma ci-dessous, ou le routeur a son adresse IP (80.67.165.3), puis dans le LAN chaque ordinateur a une adresse IP.

 

 

Donc quand un serveur sur internet nous envoie une information, elle va d’abord jusqu’à l’adresse IP du routeur, puis le routeur l’envoie à l’adresse de notre ordinateur.

 

Fonctionnement des adresse IP

 

Une adresse IP qui signifie Internet Protocole, est un numéro d'identification qui est attribué de façon permanente ou provisoire à chaque appareil connecté à un réseau informatique utilisant l'Internet Protocol.

Le routeur disposera de sa propre adresse IP que lui fixe l’opérateur, puis c’est le routeur qui fixe les adresse IP du réseau local. Contrairement des adresse IP des routeurs, les adresse IP du réseau local commence toutes par 192.168.x.x

Fonctionnement de la géolocalisation par adresse IP

On peut déterminer la position géographique d’un ordinateur ou de n'importe quel terminal connecté à Internet en se basant sur son adresse IP du réseau WAN, donc de l’adresse IP du routeur.

Comme on l’a vue précédemment, les opérateur internet fixe les adresses IP des routeurs, et dans leur base de données, ils savent quel adresse IP de routeur appartient à quel client, donc ils savent également le domicile auquel elle appartient que ça soit appartement, bâtiment d’entreprise ou maison.  Les adresses IP sont gérées par l'IANA (Internet Assigned Numbers Authority), une organisation chargée de découper les blocs d'adresses IP disponibles et de les distribuer de façon très contrôlée aux pays qui en demandent.

Toutes ces attributions étant stocké dans une base de données, il est possible de savoir dans quel pays se trouve un terminal connecté à Internet grâce à son adresse IP. La précision des bases de l'IANA s'arrête aux informations que fournissent les opérateurs sur la position géographique des blocs d'adresses.

Voici un exemple, ceci est un site pour localiser une adresse IP sur une carte, j’ai rentré une adresse au hasard type routeur : 52.116.169.239

Et on peut voir qu’il ma sortie sur la carte la position de cette adresse IP qui se situe au Texas.

 

Géolocalisation par RFID

Fonctionnement du RFID

Le RFID qui signifie radio frequency identification, est une méthode pour mémoriser et récupérer des données à distance en utilisant des marqueurs appelés radio-étiquettes.

Il fonctionne de la manier suivante : il y a un lecteur qui va émettre un champ magnétique. Quand une radio-étiquettes (puce ou carte) va se trouver dans le champ magnétique, par phénomène magnétique elle va recevoir l’énergie électrique. Le schéma ci-dessous montre le comportement du champ magnétique sur radio-étiquettes.

 

Une fois que la radio-étiquettes recevra l’énergie électrique, elle va pouvoir renvoyer par l’antenne quelle a un signal a ondes radio au lecteur qui comportera un code. Le lecteur recevra le code par l’antenne et l’analysera. On peut voir le fonctionnement du RFID par le schéma ci-dessous.

 

Géolocalisation

La technologie RFID peut enregistrer le passage d’une personne ou d’un objet dans un endroits, mais elle ne va pas plus loin. Quand une personne ou un objet avec une radio-étiquettes passe par capteur RFID, il est enregistré mais le lieu où il se situera après l’identification est inconnue.

Il est possible de reconstruire son parcoure en reprenant tout le point ou la personne a fait une identification par RFID avec des radio-étiquettes sur les quel il y a leur nom, puis par rapport aux horaires auxquelles elle s’est identifiée, de reconstruire son parcoure.

Cependant, entre les points d’identification, on ne sait pas où c’est déplacé la personne, on sait juste la dernière position d’identisation et celle d’après, ce qu’il y a eu entre est inconnue.

Voici un exemple ci-dessous de reconstruction de parcoure par identification RFID.

 

La technologie RFID peut être utilisée pour la géolocalisation en intérieur. Pour ce faire, une série de lecteurs RFID équipés de différents types d'antennes sont positionnés de façon à couvrir l'ensemble de la zone souhaitée. La zone est alors découpée en cases dont la surface varie en fonction du nombre de lecteurs déployés et de leur puissance. Lorsqu'une personne équipée d'un tag RFID actif sera dans ces zones-là, le système sera capable de calculer sa position en se basant sur le nombre de lecteurs qui détectent le tag et de déduire la position approximative de l'individu en se référant au schéma de découpage établi. En temps réel, cette technique reste néanmoins très approximative et permet uniquement de déterminer la pièce ou le couloir dans lequel se trouve la personne géolocalisée.

 

Géolocalisation par Wi-Fi

Fonctionnement du Wi-Fi

Le Wi-Fi qui signifie Wireless Fidelity, est un ensemble de protocoles de communication sans fil régis par les normes du groupe IEEE 802.11. Le wifi est un canal de communication full-duplex qui appartient au réseau local (LAN) et utilise le mode infrastructure (l’information envoyé d’un ordinateur passe par un routeur qui lui l’envoie à l’équipement destinateur comme par exemple une imprimante).

Le wifi utilise une bande de fréquence de 2,4 GHz à 2,4835 GHz.

Voici la liste des canaux (et fréquences associées) autorisés en Wi-Fi. Les canaux utilisés pour éviter les interférences des différents réseaux wifi sont le 1, 6, 11 et le 14.

 

 

Fonctionnement de la géolocalisation

La borne Wi-Fi, qui émet un signal a une fréquence de 2,4 GHz à 2,4835 GHz peut calcule le temps écoulé entre l'émission et la réception de la requête envoyée à l'antenne et peut alors calculer sa distance par rapport à celle-ci. Cette forme de géolocalisation est beaucoup plus précise que celle des adresse IP et du RFID.

 

Géolocalisation par GSM

Fonctionnement du GSM

Le GSM qui signifie Global System for Mobile Communications, est une norme numérique de seconde génération pour la téléphonie mobile, donc c’est le réseau pour les téléphones portable.

 

Le GSM est un canal de communication full-duplex.

Le réseau GSM 850 et 1900 est par exemple utilisé au Etats-Unis, le réseau GSM 900 et 1800 et par exemple utilisé en Europe.

En Europe, les antennes GSM pour le GSM 900 utilise la bande 880 à 915 MHz pour la réception des données depuis les téléphones mobiles et la bande 925 à 960 MHz pour l'envoi des informations au téléphones mobiles.

Les antennes pour le GSM 1800 utilise la bande 1 710 à 1 785 MHz pour la réception des données depuis le terminal mobile et la bande 1 805 à 1 880 MHz pour l'envoi des informations.

Voici un exemple d’antenne relais GSM.

 

Géolocalisation

Il y a trois méthodes de géolocalisation par GSM :

  • Cell ID
  • Différence de temps observée ou EOTD (enhanced-observed timed difference)
  • Triangulation

 

Aujourd'hui, la méthode GSM la plus utilisée est celle du Cell ID (identification de la cellule radio). Cette méthode consiste à récupérer les identifiants des antennes GSM auxquelles le terminal est connecté. Par la suite, grâce à une base de données faisant le lien entre les identifiants des cellules et les positions géographiques des antennes, le terminal est capable de déterminer sa position et d'émettre une estimation.

 

 

Le problème avec cette technique c’est qu’elle montre juste le secteur où se situe le terminal connecté, mais pas son point géographique précis.

Cette localisation est très rapide (moins de 5 secondes) mais peu précise car dépend du nombre d'antennes relais de l'opérateur considéré et de leur distance (plus l'antenne est isolée, plus la zone de couverture est vaste et la localisation devient moins précise).

Avec la méthode du EOTD, le GSM calcule le temps écoulé entre l'émission et la réception de la requête envoyée depuis l’antenne GSM au téléphone et peut alors calculer la distance du téléphone par rapport à l’antenne.

La méthode de la triangulation va faire un croisement des données obtenues à partir de trois antennes relais (qui doivent appartenir au même opérateur) utilisées lorsque le portable se déplace. La localisation est plus précise que le Cell-ID : respectivement environ 100 m et 10 km en zone urbaine et rurale.

 

 

Cette méthode géolocalisation peut aussi se faire avec deux antennes.

 

 

 

Mais la géolocalisation est moins précise car la zone ou le terminal pourrai se trouver et plus grande, il faut une 3eme antenne pour rendre cette géolocalisation plus précise.

 

 

Géolocalisation par GPS

Histoire du GPS

Le GPS qui signifie Global Positioning System, était au départ un projet de l’armée américain qui a était lancé dans les années 1960. Le 1er satellite est lancé en 1978, il a été autorisé pour l’usage civil dans les années 1980, puis c’est en 1995 que le déploiement des 24 satellites (avec 4 en réserve ce qui fait 28 satellites au total) est achevé et le système devient pleinement opérationnel. Dans les années 2000 il devient accessible au grand public. Depuis le GPS continu à être développer avec le remplacement et l’ajout de satellites.

Il existe d’autre système de géolocalisation type GPS comme le Galileo qui et le système de géolocalisation de l’union Européenne, le Beidou qui est le système de géolocalisation Chinois et le GLONASS qui est le système de géolocalisation développé par la Russie.

Voici par exemple ci-dessous la surface de couverture du Beidou.

 

Fonctionnement du GPS

Le GPS est constitué d’une constellation de 32 satellites (dont 31 sont utilisé) qui gravite en orbite au tour de la terre. La constellation est composée de 6 orbites avec sur chaque 4 satellites. Le système est fait de façon qu’il y est au moins 4 satellites qui peuvent être reçu par un récepteur GPS.

Les satellites portent des horloges atomique (horloge utilisent les ondes électromagnétiques pour garantir une précision) synchronisées entre elles et avec les horloges au sol pour éviter les problèmes de la relativité général qui crée par la grande vitesse de déplacement des satellites un retard de 38 microsecondes se qui créerai des erreurs de géolocalisation.

Voici un exemple ci-dessous de la constellation des 24 satellites GPS. Les points noirs sur les orbite représente les satellites. Les points rouges avec les lignes rouges représentent les satellites qui peuvent être reçu par le récepteur GPS qui se situe en Amérique, Colorado.

 

 

 

Le GSM est un canal de communication simplex, car les satellite envois juste des informations par ondes électromagnétiques aux récepteurs sur terre, mais ne reçoit pas d’information depuis les récepteurs.

Voici le tableau des bandes de fréquences utilisées par les GPS :

 

Bande Fréquence
L1 1575.42 MHz
L2 1227.60 MHz
L3 1381.05 MHz
L4 1379.913 MHz
L5 1176.45 MHz

 

Géolocalisation

Le GPS fonctionne grâce au calcul de la distance qui sépare un récepteur GPS de plusieurs satellites.

 

Le récepteur va comparer le temps de réception avec le temps d’émission du signal, puis sachant que les ondes électromagnétique ont une vitesse de 299 792 458 m/s, le récepteur va pouvoir connaître la distance. Comme les informations de temps d’émission sont transmises régulièrement au récepteur, celui-ci peut, grâce à la connaissance de la distance qui le sépare des satellites, connaître ses coordonnées.

 

Voici l’équation de navigation que le microcontrôleur du récepteur effectue :

 

 

  • pi la distance théorique au satellite i
  • (xi, yi, zi) la position du satellite i
  • (x, y, z) la position du récepteur
  • c la vitesse de la lumière dans le vide : 299 792 458 m/s
  •  le décalage de l'horloge interne du récepteur (le récepteur ne dispose pas d'horloge interne assez précise);
  • tri le temps de réception du signal émis à tri par le satellite i

 

Voici un exemple ci-dessous de fonctionnement de cette équation de navigation. Le schéma de satellites avec les équations pour chaque satellite en bas :

 

Avec un satellite on peut connaître la longitude, mais il faut dispose de au moins deux satellites pour pouvoir connaître la longitude et la latitude. Plus il y a de satellites et plus la géolocalisation est précise.

Les informations de géolocalisation des récepteurs peuvent être retrouvé sur une carte de longitude et latitude.

Voici une carte montrant la longitude et latitude :

 

 

Dans la géolocalisation par GPS il y a deux formes d’architecture.

La 1er architecture est l’architecture d'un système de géolocalisation par GPS avec remontée des données via le réseau GSM.

 

 

 

Cette forme d’architecture et utilisé pour l’usage publique comme par exemple smartphone ou voiture.

 

La 2eme architecture est l’architecture d'un système de géolocalisation par GPS avec remontée des données via le réseau satellite.

 

 

 

Les techniques hybrides de géolocalisation

Il existe plusieurs inconvénients à l'utilisation d'une seule technique de géolocalisation :

  • La dépendance au réseau GPS :l'incapacité de l'utiliser en intérieur et le temps de réponse à l'allumage ;
  • La dépendance au réseau GSM :sa couverture géographique, l'accès au réseau GSM pour exploiter l'information ;
  • La dépendance à la présence de bornes d'accès Wi-Fi: en zone rurale par exemple.

Il y a des dispositifs qui combinent ces trois techniques et qui sont capables de géolocaliser le terminal dans n'importe quelle situation. La précision de ce positionnement varie en fonction des technologies disponibles, mais le temps de réponse à l'allumage et l'adaptabilité seront améliorées.

Cela permet par exemple de géolocaliser une personne à l'extérieur en utilisant le GPS et de garder sa trace à l'intérieur des bâtiments ou des tunnels en utilisant la technologie GSM couplée au Wi-Fi pour plus de précision.

 

 

5 – Conclusion

 

Comme nous l’avons vu précédemment il existe plusieurs moyens de géolocalisation ou certain son plus efficace que d’autre. Parfois il y a même des dispositifs qui combinent plusieurs techniques de géolocalisation. Parmi tous les techniques de géolocalisation la plus performante est le GPS, car elle assure constamment une géolocalisation sur n’importe quel point de la planète avec une très bonne précision en mètre. La géolocalisation et utilisé dans de nombreux domaine aujourd’hui ou la plus utilisé est celle du GPS.

Cependant, il existe aussi une méthode anti-géolocalisation qui nous garantit de ne pas être suivit. Cette méthode est l’utilisation d’un brouilleur de fréquences qui empêche la communication avec certaines fréquences. Il peut même être réglé à brouiller certaine fréquences précise ce qui se rend utile quand en souhait par exemple être sûr d’être pas suivit par le GPS, mais comme-même pouvoir téléphoner.

 

 

 

 

 

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