Show HN : projet de fabrication d’un récepteur GPS

Détecter les signaux GPS

• Il n’existe qu’environ 30 satellites GPS pour desservir l’ensemble de la planète. C’est une conception comparable au fait que le DNS mondial repose à l’origine sur 13 serveurs racine.
• Les signaux GPS sont toujours présents autour de nous, quelle que soit l’altitude ou la météo. Si l’on comprend le langage des ondes électromagnétiques qui traversent notre corps, on peut déterminer une position précise n’importe où et n’importe quand.
• Le GPS est l’un des projets de géo-ingénierie les plus audacieux jamais tentés par l’humanité. Avec une antenne et de la détermination, on peut en percevoir la trace.

Faiblesse du signal GPS

• La puissance du signal émis par les satellites GPS est du niveau d’une ampoule domestique, mais lorsqu’il atteint le sol, il devient extrêmement faible.
• C’est comme observer à 20 000 km de distance la lumière d’une ampoule qui clignote un million de fois par seconde. Pourtant, même ce faible clignotement peut être détecté, décodé, compris et exploité utilement.
• Comme le signal GPS est très faible, il est difficile de faire payer le service GPS. Du point de vue du satellite, il ne fait qu’émettre le signal.

Écouter les signaux GPS

• Le GPS est transmis par ondes électromagnétiques, comme la radio. La fréquence est un élément essentiel.
• Pour recevoir un signal GPS, il faut une radio logicielle (SDR) accordée sur la fréquence GPS.
• Une fois le SDR configuré et les réglages de bias tee, AGC, correction IQ, etc. ajustés, on peut explorer le spectre.

Capturer un signal très faible

• Le signal GPS qui atteint le sol est 100 000 fois plus faible que le bruit ambiant. Autrement dit, il est à plus de 50 dB en dessous du bruit thermique.
• Pourtant, grâce à des techniques de traitement du signal, le GPS peut identifier et décoder le signal même noyé dans le bruit.
• Le GPS utilise un code C/A connu à la fois du satellite et du récepteur. Le satellite le répète 1 000 fois par seconde.
• Le récepteur accumule en continu le signal reçu et le compare au signal C/A attendu. Le bruit tend vers une moyenne de 0, tandis que le signal C/A grandit progressivement.
• On appelle cela le spectre étalé à séquence directe, et pour l’appliquer à plusieurs satellites, on utilise une technique de code division multiple access.
• Les données réelles sont transportées sur le code C/A. Le C/A est transmis à 1 million de bits par seconde, et les données à 50 bits par seconde.

Génération du code C/A

• Chaque satellite GPS possède son propre code C/A. Il est défini dans la spécification GPS civile.
• On trouve beaucoup d’explications en ligne sur la manière de générer le code C/A, mais peu de code concret, donc l’auteur partage le code qu’il a généré lui-même.

Détection des signaux des satellites GPS

• Le récepteur crée une copie des codes C/A des 32 satellites et les corrèle avec les données reçues par l’antenne.
• Le signal reçu subit des distorsions, notamment un décalage Doppler et des différences de phase.
• Le récepteur doit prendre en compte, pour chaque satellite, le code C/A, la plage attendue de décalage Doppler, les différences de phase, etc.
• La charge de calcul à l’étape de détection est importante. De nombreuses recherches portent sur l’optimisation.
• La corrélation est effectuée dans le domaine fréquentiel afin de traiter en une seule fois la différence de phase et le décalage Doppler.
• Une recherche binaire permet de trouver le décalage Doppler qui présente la corrélation la plus forte.

L’avis de GN⁺

• Le GPS est une technologie impressionnante, mais il s’agit d’une combinaison raffinée de techniques existantes. Ce n’est pas une technologie entièrement révolutionnaire.
• La réception GPS est possible avec du matériel dédié, mais le fait de pouvoir aussi la réaliser en logiciel constitue une avancée majeure. Il est probable que la tendance au remplacement de fonctions matérielles par du logiciel s’accélère encore.
• La faiblesse du signal GPS peut être un atout pour la sécurité. Le brouillage intentionnel ou le spoofing deviennent plus difficiles.
• Le GPS est né d’une technologie militaire, mais son ouverture au civil a provoqué une explosion des cas d’usage. Le fait de rendre une technologie publique et partageable accélère l’innovation.
• Les premiers récepteurs GPS étaient gros et coûteux, alors qu’aujourd’hui ils sont intégrés aux smartphones. Cela montre comment une technologie progresse, se diffuse, baisse en coût et se miniaturise.

[GN⁺]

Commentaires Hacker News

• Les récepteurs modernes à échantillonnage RF direct fonctionnent à une vitesse suffisante pour traiter les signaux GPS, et des produits comme le Xilinx RFSoC ou le FlexRIO de NI sont désormais disponibles. Ils restent toutefois encore assez coûteux.

• Le GPS a été lancé en 1978, et aujourd’hui plus de la moitié de la population a vécu sans connaître une époque sans GPS. Jusqu’en 2000, la fonction Selective Availability réduisait volontairement la précision, ce qui ne le rendait pas très utile dans la vie courante.

• La vitesse à laquelle gypsum détermine une position depuis un cold start en moins d’une minute est supérieure à celle des récepteurs commerciaux actuels. Les premiers récepteurs commerciaux mettaient autrefois 15 à 20 minutes à obtenir une position.

• Autrefois, les récepteurs GPS capables d’assurer la navigation à plus de 600 m/h étaient classés comme matériel militaire par l’ITAR. Aujourd’hui, la réglementation est devenue plus complexe, et il n’est pas clair si cela s’applique encore.

• Si l’on prend des photos en vol avec un iPhone, les informations de localisation peuvent être ajoutées aux photos après l’atterrissage, ce qui permet d’examiner plus tard un relief intriguant.

• Le GPS fonctionne aussi en mode avion, et il marche sans réseau mobile ni Wi‑Fi. Comme il est exploité par les États-Unis et que le service peut être coupé dans certaines régions si nécessaire, plusieurs pays développent leur propre système de navigation par satellite.

• Les satellites GPS n’émettent pas des informations de position, mais uniquement de temps. Il est intéressant de noter que la navigation stellaire dépend elle aussi d’un temps précis.

• On peut voir sur YouTube le livre "GPS Declassified", qui raconte de manière intéressante le développement du GPS, ainsi que le documentaire "The Lonely Halls Meeting", composé d’entretiens avec ses développeurs.