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                                                                   Traitement GPS

1.    Présentation du système

2.    Cahier des charges

3.    Etude fonctionnelle

     4.    Choix des composants

     5.    Devis : prix, poids, taille 

6.    Schémas

     7.    Déroulement du lâché et du vol

      8.  Exploitation des résultats

I. Présentation du système GPS

a) Mise en situation

L’objectif de la partie GPS dans le ballon sonde est de permettre la localisation le ballon dans l’espace , c’est-à-dire situer et de suivre sa trajectoire grâce à ses coordonnées tels que la latitude, sa longitude, son altitude, sa vitesse, son cap. Ce système permettra d’effectuer des relevés de mesures à partir d’un récepteur au sol relié via un ordinateur muni d’un logiciel cartographique .

b) Diagramme Sagittal

     b-1) Dans la nacelle :

      b-2) Au sol :

II. Cahier des charges

a)     Du ballon sonde :

-   Mesures enregistrées: le problème est la récupération de la nacelle avec les informations (perte de la nacelle, lieu d'atterrissage inconnu)
-   Poids d'embarquement des systèmes < à 2.5Kg
-   Émission des fréquences ( possibilité de prêt de l’émetteur TOUCAN par L'ANSTJ sur fréquences du CNES de 137.950MHz ).
-   Relevés de :      mesure de température
                            mesure de la pression

                          mesure de la vitesse de montée du ballon
                            mesure de positionnement et altitude du ballon
-   Édition d’un  message pour la reconnaissance aérienne

-   Prise vidéo

-   Système  Émetteur / Récepteur de transmissions de données

b)    De la partie GPS :

-         Modulation et Démodulation des données sur le positionnement de la nacelle tels que l‘altitude, la longitude et la latitude

-         Transmission  sur 4800 bauds (compatible norme NMEA 0183)

-         Tension d ‘ alimentation stabilisée 5V

-         Précision des réceptions de données

-         Résistances des composants à la pression  , la température .

-         Poids le plus léger possible

-         Taille compacte

-         Interfaces PC au sol qui interviendra pour l'enregistrement ou la visualisation des mesures en temps réel       

-         Alimentation extérieure

III. Étude fonctionnelle

a) Schéma fonctionnel

· Dans le Ballon :

· Au Sol :

b) Étude fonctionnelle

FP1 : module GPS

         Permettre la réception des données GPS envoyées par les satellites

         - Entrée :    Données GPS reçut par l’antenne.

         - Sortie :    Signal GPS NMEA 0183 compatible RS-232

FP2 : Mise en forme du signal

         Permettre de transformer le signal RS-232 en signal compatible TTL

         - Entrée :     Signal compatible RS-232 provenant du module GPS.

         - Sotie :      Signal compatible TTL.

FP3 : Modulateur FSK

         Modem permettant de faire interface entre le signal numérique entrant et   le signal modulé prêt à être transmit par VHF.

         - Entrée :    Signal compatible TTL.

         - Sortie :    Signal codé FSK pour être transmit par HF.

FP4 : Alimentation stabilisée 5V ±5%

         Permettre de fournir une tension stable de +5V au GPS, au codeur FSK, et au reste du circuits.

         - Entrée : aucune

         - Sortie  : 5V régulé à ±5%

FP5 : Démodulateur FSK

         Modem permettant de faire interface entre le signal modulé reçut par HF et le signal numérique sortant au format compatible TTL.

         - Entrée :    Signal FSK reçut par HF

         - Sortie :    Signal compatible TTL

FP6 : Convertisseur TTL / RS-232

         Permettre la compatibilité entre l’entrée du port série du PC et du signal GPS.

         - Entrée :    Signal TTL

         - Sortie :    Signal RS-232

FP7 : PC traitant les données par logiciel

         Permettre l’exploitation de la donnée GPS avec la cartographie de la région.

         - Entrée :    Signal RS-232

         - Sortie :    Données exploitées par logiciels

FS1 : Contrôle de la réception du signal GPS format FSK

          Permet de vérifier si on reçoit bien de signal FSK provenant du récepteur VHF, à l’aide d’un voyant lumineux.

FS2 : Contrôle de la mise sous tension de la carte

Visualisation de contrôle .

IV. Choix des composants

a)     Module FSK

Le signal du GPS est  numérique, il convient donc de le coder en FSK. Ce module permet de faire  du 4800 Bauds nécessaire pour la compatibilité du récepteur.

b)  Module G.P.S.

Le choix du module GPS a porté sur le GM-80 pour son prix d ’achat et une baisse de celui-ci pour l ’obtention du « pack » antenne + récepteur. Cependant le récepteur est limité en altitude à 18000 mètres comme tous les récepteur grand publique

 c)  RS232 et TTL

Ø     Dans le ballon :

Utilisation d ’un transistor NPN pour effectuer le changement de niveaux, et également pour des obligations de consommation car un transistor bipolaire consomme moins qu ’ un circuit intégré.

 Ø     Au sol :

Il n’excite aucun problème de consommation puisque l ’on dispose d ’une source de tension au sol dû le choix du circuit MAX-232

V. Devis : prix, poids, taille

VI. Schémas

VII . Déroulement du lâché et du vol

Nous avons validé tout les montages, donc le modulateur GPS, on émettait et recevait correctement les données entre le modulateur et le démodulateur, de même pour l’émission vidéo.

Jour du lâché

De 8 heures à 10 heures, briefing et préparation du lâché, c’est à dire récapitulation chronologique du moment du lâché, installation du matériel, initialisation du GPS par ordinateur.

         A 10 heures, remplissage de l’enveloppe du ballon d’hélium, mise sous tension de 10 secondes des montages (pour vérifier le fonctionnement du matériel embarqué). Puis au moment du lâcher de ballon , on allume les différents montages qui resterons sous tension tout au long de l’expérience.

         Cependant, nous avons eu des problèmes de dernière minutes, c’est à dire que l’émission du GPS ne fonctionnait plus, néanmoins nous avons  gardé la décision de lâcher le ballon, car la structure des bâtiments proches brouillaient le signal sans pour cela nous inquiéter. Puis une fois le signal rétablit, il s’est avéré que des parasites étaient introduit dans la trame GPS, et donc ce qui à rendu illisible la trajectoire en temps réel. Par contre nous avons enregistré le signal modulé sur cassette audio. Ce qui permet de traiter les données en Septembre 2002, pour l’exploitation des résultats.

VIII . Exploitation des résultats

 Il y a plusieurs hypothèse sur la dégradation de la trame :

                - la première serait sans doute la proximité entre l’émetteur  vidéo et le GPS sur une fréquence proche de 1,255 GHz. On suppose que l’émission vidéo est venue perturber le récepteur GPS, entraînant une déformation au niveau de la trame GPS, qui à la réception, une fois démodulée, montre des niveaux logiques indésirables.

                - la seconde étant peut être le montage d’incrustation vidéo, qui aurait pu créer ce parasite. De plus ce montage a rendu instable l’émission vidéo, ce qui renforce cette théorie*

                - la dernière est que les parasites se soient mélanges au signal de la réception des signaux GPS.

Nous pensons que la dernière hypothèse est la plus crédible, sans écarter la possibilité que les deux autres se soient produites. Nous avons donc procéder à un filtrage du signal reçu.

·        Description des filtres

Le filtrage est réalisé par l’intermédiaire de deux filtres passe-bande du second ordre, l’un centré sur la fréquence de 4800Hz, et l’autre sur  2400Hz. L’addition des deux signaux permet d’obtenir la modulation FSK.

Or, l’acquisition du signal à l’entrée du démodulateur nécessite une amplitude minimum de 100Vrms. En remplaçant le GBF par le magnétophone, on s’est aperçu qu’une impédance complexe présente à l’entrée provoquait une ddp qui diminuait l’amplitude du signal. Il est donc nécessaire d’implanter préalablement aux entrées des suiveurs ,et, un montage additionneur (avec AOP) en sortie pour amplifier le signal filtré. ( schéma synoptique ci-dessous )

·        Schéma synoptique

·        Calcul des filtres passe-bande

Ø     Schéma

Ø     Filtre passe-bandes à 2,4 kHz

R= 1kW

C1= 1µF

C2=570 pF

L=2.63 mH    inductance d’essai n° 10

Ø     Filtre passe-bandes à 4.8kHz

R= 12W

C1= 362pF

C2=22 pF

L=2.63 mH    inductance d’essai n° 11

·        Résultats du filtrage 

Nous recouperons un signal net mais néanmoins inexploitable dû fait de la présence de parasite dont la provenance reste inconnue dans la trame GPS.

Équipe GPS ballon sonde AKMOSPH’AIR™