Cloud-Offloaded GPS (solution Microsoft)
Principes de base
Le système NAVSTAR (NAVigation System by Timing and Ranging) GPS (Global Positionning System) est un système de positionnement par satellites développé par le Département de la Défense américain. Le système GPS donne des informations de temps, de position et de vitesse n'importe où et n'importe quand sur la surface de la terre. Le premier satellite a été lancé en 1978. Aujourd'hui composé de 24 satellites en orbite à plus de 20 000 km, le système est opérationnel depuis 1994.
Détermination de la position
La position est déterminée par l’intersection des droites reliant le récepteur aux satellites. Cette technique est appelée traditionnellement trilatération.
Les distances ne sont pas mesurées directement. Connaissant la vitesse de propagation (~ vitesse de la lumière) et la position des satellites (éphémérides), on peut calculer la distance entre le récepteur et le satellite capté en mesurant le temps mis par le signal pour effectuer le trajet. C’est la technique dite du TOA (Time Of Arrival). Il faut souligner qu’il y a bien entendu tout une série de paramètres dont il faut tenir compte pour obtenir un résultat avec une précision suffisante (perturbations atmosphériques, incertitudes sur la position réelle des satellites, géométrie de la constellation, effet doppler…).
Positionnement par GPS
Il y a essentiellement deux grandes catégories de positionnement par GPS qui peuvent se résumer par les termes navigation en temps réel et positionnement précis par la phase de la porteuse.
La navigation utilise un minimum de quatre mesures de pseudo-distance issues de quatre satellites différents pour résoudre le système de quatre inconnues. La précision est de l’ordre de quelques dizaines de mètres. Il existe toutefois une extension de cette technique connue sous le nom de GPS différentiel qui permet d’incorporer en temps réel des correcteurs fournis par une station proche ; on peut atteindre ainsi une précision de l’ordre du mètre.
Implémentation de la solution cloud-offloaded GPS
Nous savons que l’efficacité des systèmes de navigation GPS sur les smartphones n’est plus à démontrer, la consommation d’énergie qu’ils engendrent est un problème.
Un trajet de quelques heures avec le guidage GPS activé suffit en général à vider la batterie, parfois avant d’arriver à destination. Un défaut de taille qui n’a pas encore trouvé de solution satisfaisante. La situation, cependant, évolue peut-être dans le bon sens grâce aux travaux de chercheurs de Microsoft. Ils ont mis au point un nouveau processus de traitement des données GPS qui réduit la charge imposée à la puce, et par conséquent la consommation d’énergie, en confiant la gestion d’une grande partie des informations à serveurs informatiques.
Cette technique porte le nom de cloud-offloaded GPS, elle s’appuie sur des bases de données accessibles aux publiques pour récupérer les informations concernant les trajectoires des satellites et des dénivelés terrestres afin de calculer la position du terminal. Il faut souligner que la plupart des informations nécessaires au traitement d’un récepteur GPS sont disponibles par d’autres canaux. Si on prend un exemple, la NASA publie régulièrement les éphémérides des satellites via ses services en ligne (donc un service partagé), ainsi un terminal n’a pas besoin de rester connecté au satellite suffisamment longtemps pour décoder ces informations.
Localisation des satellites
L’essentiel des calculs de position se faisant sur les serveurs, la puce GPS n’est sollicitée que durant quelques millisecondes, alors que le fonctionnement actuel nécessite au minimum 30 s pour acquérir la série d'informations émises par le satellite puis les traiter. Les éphémérides, par exemple, sont étalées sur plusieurs messages (Un smartphone vide sa batterie en à peu près six heures si le GPS fonctionne en continu).
La partie cloud du système CO-GPS fonctionne sur la plateforme Windows Azure de Microsoft. Sa tâche est double :
- La mise à jour de la base de données des éphémérides, à ce niveau le système utilise deux principales disponibles sur internet à savoir : les données NGS (National Geodetic Survey) émises à 15 minutes d’intervalle par la NOAA, elles contiennent les données horaires et de localisation corrigées pour chaque satellite GPS et la deuxième source est celle de la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) qui prédit les éphémérides sur sept jours. Les données NGS et NGA sont combinées pour obtenir une meilleure précision
- Le traitement des informations brutes en provenance du récepteur GPS
Résultat de l’expérimentation
Du côté de la consommation, les tests montrent qu’il faut moins de 0,5 milli joule pour récupérer un point GPS là où la puce d’un smartphone actuel consomme un joule « Avec une paire de piles AA, CLEO peut théoriquement assurer une localisation GPS continue pendant un an et demi ». De quoi envisager de nouvelles applications mobiles reposant sur une géolocalisation constante, qui pourraient fournir des informations à la fois plus précises et plus personnalisées.
Condition d’expérimentation
Pour mettre en œuvre les principes de fonctionnement du CO-GPS, les chercheurs de Microsoft ont conçu ce qu’ils appellent un « design de référence », une plateforme matérielle type baptisée CLEO (Cultivating the Long tail in Environmental Observations). Elle se compose d’un récepteur GPS Maxim MAX2769, d’un microcontrôleur Texas Instruments, d’un récepteur WWVB pour la synchronisation horaire et d’une puce de mémoire Flash pour le stockage.
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