Réalisation d'un convertisseur de signaux GPS en trames adaptées à l'APRS.

Fonction :

Le système GPS est un système de positionnement par satellite. Son intérêt était de nous fournir la position du ballon dans l'espace, c'est à dire de nous permettre de suivre sa trajectoire grâce à des coordonnées de latitude, de longitude et d'altitude.

Caractéristiques :

-Electriques :
- Tension d'alimentation de 5V pour le récepteur GPS et pour le modem.
- Alimentation extérieure allant de 6 à 9V d'où la nécessité d'un régulateur de tension.
- Faible consommation de courant du fait de l'utilisation de piles.
- Récepteur GPS choisit avec une sortie TTL compatible avec la norme NMEA_0183 (transmission des données sur 4800 bds).
- Modulation du signal en sortie du modem en FSK à 1200 Bauds, suivant le protocole AX-25.
- Nécessité d'une commande d'émission " PTT " pour indiquer quand le signal au format NMEA_0183 TTL sur 4800 bds est envoyé vers l'émission APRS.

-Physiques :
Pression : Pmax : 0 HpA Pmin : 1000 HpA (P ambiante)
Température : -10° à 60°C
Taux d'humidité de 90%.

-Mécaniques :
- Récepteur GPS séparé de l'antenne.
- Poids le plus faible possible.
- Taille la plus réduite possible.

-Ergonomiques :
- Réception des données de positionnement spatiale de la nacelle (longitude, latitude, hauteur).
- Possibilité de visualisation des données en temps réel au sol.
- Précision la plus importante possible des données.

-Choix techniques :
Actuellement, le système GPS (Global Positionning System) est le seul système de positionnement par satellite en pleine activité. Il existe cependant un système russe similaire, appelé GLONASS, mais il ne fonctionne pas encore à 100% de ses capacités, c'est pourquoi nous utiliserons le GPS.

Figure 1. Le récepteur GPS (vue de dessus)	Figure 2. Le récepteur GPS (vue de dessous)

Principe de fonctionnement :

FP1 : Module GPS.
Rôle : Recoit les données provenant des satellites.
Entrée : Signal GPS reçut par l'antenne.
Sortie : Signal TTL sur 4800 Bauds au format NMEA_0183.

FP2 : Conversion et Modulation.
Rôle : Convertir le signal provenant du récepteur GPS en un signal modulé en FSK sur 1200
Bauds au format AX-25.
Entrée : Signal TTL sur 4800 Bauds au format NMEA_0183.
Sortie : Signal codé en FSK qui sera transmit ensuite par VHF.

Etude structurelle :

Schéma structurel du convertisseur GPS > APRS

Photos :

Figure 3. La carte de conversion (vue de dessus)	Figure 4. La carte de conversion (vue de dessous)

Réalisation d'un emetteur APRS.

Fonction :

Le système APRS a pour but de transmettre des coordonnées de positionnement spatial par ondes radio. Son intérêt est qu'il permettait a quiconque possédant du matériel de réception de trames APRS et se trouvant dans la zone de réception des signaux que l'ont émet (il est possible de couvrir une très grande distance, en passant par un réseau de répéteurs) de connaître le position de notre ballon. Cela nous a permis d'observer ses déplacements depuis des ordinateurs du lycée, mais également, une équipe mobile a suivi le ballon en voiture de manière a augmenter nos chances de le récupérer rapidement (un ordinateur portable avec un récepteur APRS mobile ont été embarqués dans la voiture pour qu'ils puissent le suivre). La fréquence réservée en France pour l'APRS est le 144.8 Mhz.

Caractéristiques :

-Electriques :
- Alimentation extérieure obtenue par une source fixe de 9V continu (piles).
- Limitation de la puissance consommée par la carte d'émission APRS à 5W.
- Modulation du signal FSK par une boucle à verrouillage de phase (PLL).
- Impédance de sortie de l'émetteur 50 Ohms.
- Amplification du signal pour pouvoir obtenir une émission convenable (puissance de sortie de 24dBm soit 250mW) à la fréquence APRS de 144.8Mhz.
- Emission du signal par une antenne filaire.

-Physiques :
Pression : Pmax : 0 HpA Pmin : 1000 HpA (P ambiante)
Température : -10° à 60°C
Taux d'humidité de 90%.

-Mécaniques :
- Limitation du poids de la carte à 50g.

Principe de fonctionnement :

FP3 : Obtenir un signal modulé
Rôle : Modulé le signal venant du modem à 144.8 MHz
Entrée : Signal venant du modem APRS.
Sortie : Signal modem modulé.

FP4 : Amplificateur à deux étages.
Rôle : Amplifier le signal modulé de la PLL à 250mW
Entrée : Signal modulé, non amplifié.
Sortie : Signal modulé, amplifié à 250m.

FP5 : Créer un signal d'horloge.
Rôle : Concevoir un signal d'horloge de référence pour la PLL.
Entrée : Alimentation en 5v commuté
Sortie : Signal périodique de fréquence 10MHz.

FP6 : Commande d'émission.
Rôle : Commande l'alimentation des fonctions FP3, FP4 et FP5.

Etude structurelle :

Schéma structurel de l'émetteur APRS

Chaîne d'émission:

Module PLL: La PLL permet de générer un signal modulé en fréquence à partir d'un signal d'entrée. Soit en entrée, un signal modulé en FSK sur 5V et en sortie un signal d'une puissance de 3dbm modulé sous une fréquence de 144.8MHz. La PLL à besoin d'une fréquence de référence à 10MHz et consomme une puissance de 0.2625W. -composants périphériques : C3 et C4: permettent de filtrer l'alimentation en 5v de la PLL, R1: permet de séparer les tensions d'alimentations analogiques et numériques.

Oscillateur:(TCXO) Génére la fréquence de référence de la PLL à 10MHz en l'alimentant avec 5V DC. Consomme une puissance de : 0.01W. -composants périphériques : C5,C1,C2: permettent de filtrer l'alimentation en 5v DC.

Le MAV 11: 1° étage d'amplification Entrée: signal modulé sous 3mW. Sortie: signal modulé et amplifié à 15.7dbm. Puissance consommée: 0.33W. Alimentation: 9Volts continue commutée. -composants périphériques : C6: Filtre le signal d'entrée à 144.8MHz, C8,C19: Filtre le signal de sortie à 144.8MHz, L1: Laisse passer la tention 9V commutée et isole du signal en 144.8 MHz, C9,C10,C11: Elimination des parasites alternatifs, R2,C7: Filtre passe bas permet de filtrer l'alimentation.

Le transistor 2N4427: 2° etage d'amplification Entrée: signal modulé sous 15.7 dbm. Sortie: signal modulé et amplifié à 27dbm. Consomme une puissance de 0.6W. Alimentation: 9 Volts continue non commutée. -composants périphériques : L2,C12: Permet d'ajuster la fréquence du signal à 144.8Mhz avant de l'amplifier une seconde fois, C13,L5: Filtre la tension d'alimentation en 9V DC non commuté, C14: Ajuste le seuil de fréquence de sortie à 144.8 MHz.

Sortie sur BNC: Sortie du signal vers l'antenne. -composants périphériques : L4,C15: Ajuste la fréquence de sortie du montage à 144.8 MHz.

Alimentation:

Le transistor 2N2905A Transistor de commutation PNP permettant de piloter le 9V commuté et le régulateur LM2931-5. Le transistor commute, en reliant ou non sa base à la masse. Consomme une puissance de 0.3W. -composants périphériques : C16: Filtre la tension 9V DC d'entrée de ligne, C17: Filtre la tension de sortie (9V DC commuté), R3: Protége le transistor en limitant le courant.

Le Régulateur LM2931-5: Convertit la tension 9V DC commuté en 5V DC commuté. Consomme une puissance de 0.4W. -composants périphériques : C18: Filtre la tension de sortie (5V DC commuté).

Antenne:

L'antenne sera faite à partir d'une tige de laiton (Antenne mono brin quart d'onde) reliée au montage par du cable coaxial muni d'une fiche BNC femelle. Figure 5. Antenne quart d'onde de l'emetteur APRS Figure 6. ROS de l'antenne.

Photos :

Figure 7. Raie de L'émetteur APRS visualisée sur l'analyseur de spectre
Figure 8. L'émetteur APRS (vue de dessus)	Figure 9. L'émetteur APRS (vue de dessus)

Réalisation d'un récepteur APRS

Fonction :

Cette partie nous permet de recevoir les signaux modulés et de les convertir pour qu'ils soient traités par l'ordinateur.

Caractéristiques :

-Electriques :
- Le module de réception APRS doit permettre de recevoir les données APRS envoyées par le ballon ou les répéteurs et de les convertir en données exploitables afin de connaître la position du ballon.
- L'ensemble du module de réception APRS doit avoir une alimentation autonome pouvant faire fonctionner le système entier durant toute la phase de l'expérimentation (du lâché à l'atterrissage du ballon), soit au moins 3 heures.
- Le module de réception APRS doit pouvoir être transportable facilement, ses dimensions devront être évalués afin qu'il prenne le moins de place possible.
- La connexion du récepteur à un ordinateur si cela est nécessaire devra se faire sur un port RS232 et l'ordinateur doit être du type PC.
- L'émission et la réception des données APRS doivent se faire sur la fréquence de 144,800 MHz.
- Le type de modulation utilisée sera de la modulation FSK 1200 bds.
-Le protocole de communication sera le protocole UNPROTO AX25.

-Physiques :
Pression : P : ~ 1000 HpA (Pression ambiante)
Température : 10° à 40°C

-Mécaniques :
- sans contraintes

Principe de fonctionnement :

FP7 : Démodulation par le récepteur VHF du signal APRS modulé en FM.
Rôle : Recoit les données provenant des satellites.
Entrée : Signal modulé en FM.
Sortie : Trames APRS.

FP8 : Démodulation des trames APRS par ordinateur équipé d'un logiciel adapté (AGWPE) puis positionnement sur une carte par un second logiciel (UI-VIEW).
Rôle : Convertir le signal provenant du récepteur GPS en un signal modulé en FSK sur 1200
Bauds au format AX-25.
Entrée : Trames APRS.
Sortie : Informations sur l'écran d'ordinateur.

Le Logiciel UI-VIEW:

Photos :

Figure 1. La station de réception fixe	Figure 2. La station de réception mobile