Pour en savoir plus sur le GPS


Article extrait de Wikipédia, l'encyclopédie libre
et formaté pour un accès facilité aux non-voyants.

<h3>Introduction</h3>

Le Global Positioning System, que l'on peut traduire en français par
système de positionnement mondial, plus connu sous son sigle GPS,
est le principal système de positionnement par satellite mondial actuel (2006),
et de plus il est également actuellement le seul à être entièrement opérationnel.
Ce système mis en place par le Département de la Défense des États-Unis peut permettre à une
personne de connaître la position d'un objet sur la surface de la terre
dès l'instant que celui-ci est équipé du matériel nécessaire au fonctionnement du système.
Cet objet peut être la personne elle-même, lui permettant ainsi de
s'orienter sur terre, sur mer, dans l'air ou dans l'espace
(au voisinage de la Terre).
Le GPS utilise le système géodésique WGS84, auquel se réfèrent les
coordonnées calculées grâce au système.

<h3>Présentation</h3>

Le système GPS comprend au moins 24 satellites artificiels orbitant à 20 200 km
d'altitude. Ces satellites émettent en permanence un signal complexe (code
pseudo-aléatoire) daté précisément grâce à leur horloge atomique, ainsi que des
éphémérides permettant le calcul de leurs coordonnées prédites.
Ainsi un récepteur GPS qui capte les signaux d'au moins quatre satellites peut,
en mesurant les écarts relatifs des horloges, connaître sa distance par rapport
aux satellites et, par trilatération, situer précisément en trois dimensions
n'importe quel point placé en dessous des satellites GPS (avec une précision de
15 à 100 mètres pour le système standard). Le GPS est ainsi utilisé pour
localiser des véhicules roulants, des navires, des avions, des missiles et même
des satellites évoluant en orbite basse.
Concernant la précision, le GPS étant un système développé pour les militaires
américains, une disponibilité sélective (selective availability) a été prévue.
Certaines informations peuvent ainsi être chiffrées et priver les personnes qui
ne disposent pas des codes de la précision maximale. Pendant de nombreuses
années, les civils n'avaient accès qu'à une faible précision (environ 100 m). Le
1er mai 2000, le président Bill Clinton a annoncé qu'il mettait fin à cette
dégradation volontaire du service. Depuis, il est courant d'avoir une position
précise à 20 mètres ou moins.
Certains systèmes GPS conçus pour des usages très particuliers peuvent fournir
une localisation à quelques millimètres près. Le GPS différentiel (DGPS),
corrige ainsi la position obtenue par GPS conventionnel par les données envoyées
par une station terrestre de référence localisée très précisément. D'autres
systèmes autonomes, affinant leur localisation au cours de 8 heures d'exposition
parviennent à des résultats équivalents.
Il est à noter que dans certains cas, seuls 3 satellites peuvent suffire. La
localisation en altitude (axe des Z) n'est pas correcte alors que la longitude
et la latitude (axe des X et des Y) sont encore bonnes. On peut donc se
contenter de trois satellites lorsque l'on évolue au-dessus d'une surface «
plane » (océan, mer). Ce type d'exception est surtout utile au positionnement
d'engins volants (avions, etc.) qui ne peuvent de toute façon pas se reposer sur
le seul GPS, trop imprécis pour leur donner leur altitude.

<h3>Composition</h3>

Le système GPS est composé de 3 parties distinctes, appelées encore segments:
Un autre satellite GPSLe segment spatial est constitué actuellement d'une
constellation de 30 satellites (NAVSTAR pour Navigation Satellite Timing And
Ranging). Ces satellites évoluent sur 6 plans orbitaux ayant tous une
inclinaison d'environ 55° sur l'équateur. Ils suivent une orbite quasi
circulaire à une altitude de 20 000 à 20 500 km qu'ils parcourent en 11 heures
58 minutes à une vitesse de 13 000 km/h. Il y a eu jusqu'à présent 3 Blocs de
satellites :
Bloc I : 11 satellites mis en orbite entre 1978 et 1985. Fabriqués par
Rockwell International, ils étaient prévus pour une mission moyenne de 4,5
ans et une durée de vie de 5 ans, mais leur durée de vie moyenne s'éleva à
8,76 années ; l’un d’entre eux est même resté pendant 10 ans en activité.
Leur mission principale était de valider les différents concepts du système
GPS. Aujourd’hui, plus aucun satellite du Bloc I n'est encore en service.
Bloc II : Ce sont les premiers satellites opérationnels du système GPS. De
nombreuses améliorations ont été apportées à ces satellites par rapport à la
version précédente, notamment en ce qui concerne leur autonomie. Ils sont
capables de rester 14 jours sans contact avec le segment sol tout en gardant
une précision suffisante. Neuf satellites furent lancés en 1989 et 1990.
Bien qu'on ait estimé leur durée de vie à 7,5 ans, la plupart d'entre eux
sont restés en fonction pendant plus de dix ans. Il ne reste plus
aujourd'hui aucun satellite du Bloc II actif.
Bloc IIA : Lancés à partir de 1990, ils correspondent à une version
perfectionnée des satellites du Bloc II Initial : ils ont été équipés pour
fonctionner en mode dégradé pour les civils. Ils sont équipés de 2 horloges
atomiques au césium et 2 horloges au rubidium. Ils ont marqué à partir de
1993 le début de la phase opérationnelle du GPS. Actuellement 15 satellites
du Bloc IIA sont actifs .
Bloc IIR : Dotés d'une meilleure autonomie, ces satellites mis en orbite à
partir de 1996 peuvent se transmettre mutuellement des messages sans aucun
contact au sol, permettant ainsi aux opérateurs du système de pouvoir
communiquer avec des engins qui leurs sont inaccessibles dans une
communication directe. Ils sont équipés de 3 horloges atomiques au rubidium.
Quinze satellites du Bloc IIR ont été lancés, le dernier le 17 Novembre
2006; tous sont actifs. Les trois derniers sont désignés sous le sigle IIR-M
parce qu'ils émettent un nouveau code civil (L2C) et un nouveau code
militaire (M).
Bloc IIF : Les satellites Bloc IIF (Follow-On) construits par Boeing seront
lancés dès 2007. Le programme vise à atteindre ainsi une constellation de 33
satellites.
Bloc III : Les satellites du Block III sont encore en phase de développement
et ont pour but de faire perdurer le GPS jusqu'en 2030 et plus.
Le segment de contrôle est la partie qui permet de piloter et de surveiller le
système. Il est composé de 5 stations américaines au sol du 50th Space Wing de
l'Air Force Space Command, basé à la Schriever Air Force Base dans le Colorado
(la station maîtresse est basée à Colorado Springs) dans la base de Cheyenne
Mountain. Leur rôle est d'enregistrer toutes les informations émises par les
satellites, pour calculer les positionnements.

Trois récepteurs GPSLe segment utilisateur regroupe l'ensemble des
utilisateurs civils et militaires qui ne font que recevoir les informations
des satellites. Les récepteurs sont passifs, et le système ne peut donc être
saturé : le nombre maximum d'utilisateurs GPS est illimité.

<h3> Principe de fonctionnement</h3>

Le GPS fonctionne grâce au calcul de la distance qui sépare un récepteur GPS et
plusieurs satellites. La position des 30 satellites étant transmise
régulièrement au récepteur, celui-ci peut, grâce à la connaissance de la
distance qui le sépare des satellites, connaître ses coordonnées.

<h3> Mesure de la distance du récepteur par rapport à un satellite</h3>

Les satellites envoient des ondes électromagnétiques (micro-ondes) qui se
propagent à la vitesse de la lumière. Connaissant la vitesse de propagation de
la lumière, on peut alors calculer la distance qui sépare le satellite du
récepteur en connaissant le temps que l'onde a mis pour parcourir ce trajet.
Pour mesurer le temps mis par l'onde pour lui parvenir, le récepteur GPS compare
l'heure d'émission (incluse dans le signal) et de réception de l'onde émise par
le satellite. Cette mesure est appelée pseudo-distance (pseudo range), car il ne
s'agit pas directement d'une distance, mais d'une mesure entachée d'une erreur
de synchronisation des horloges du satellite et du récepteur (cette erreur peut
être modélisée sur une période assez courte à partir des mesures sur plusieurs
satellites). Une erreur d'un millionième de seconde provoque une erreur de 300
mètres sur la position !

<h3> Décalage de l'horloge du récepteur</h3>

La difficulté est de synchroniser les horloges des satellites et celle du
récepteur. Ce dernier ne peut bien entendu pas bénéficier d'une horloge atomique
comme les satellites et doit pourtant fonctionner avec une heure
particulièrement précise pour parvenir à calculer la distance entre l'émetteur
et le récepteur.
C'est pour cette raison que 4 satellites sont nécessaires afin de résoudre un
système d'équations mathématiques à 4 inconnues qui sont la position dans les 3
dimensions plus le décalage de l'horloge du récepteur avec l'heure GPS.
Outre l'incertitude associée à l'horloge du récepteur, la relativité restreinte
et la relativité générale interviennent fondamentalement. La première démontre
que le temps ne s'écoule pas de la même façon dans le référentiel du satellite,
parce que celui-ci possède une grande vitesse par rapport au référentiel du
récepteur. La seconde explique que la plus faible gravité au niveau des
satellites engendre un écoulement du temps plus rapide que celui du récepteur.
Le système tient compte de ces deux effets relativistes dans la synchronisation
des horloges.

<h3> Erreurs possibles et amélioration du système (DGPS)</h3>

La plupart des récepteurs sont capables d'affiner leurs calculs en utilisant
plus de 4 satellites (ce qui rend les calculs plus robustes) tout en ôtant les
sources qui semblent peu fiables, ou trop proche l'une de l'autre pour fournir
une mesure correcte. On parle dans ce dernier cas de dilution de précision,
mesurée par le facteur Global dilution of precision (GDOP).
Le GPS n'est pas utilisable dans toutes les situations : le signal émis par les
satellites NAVSTAR étant assez faible, la traversée des couches de l'atmosphère
est un facteur qui perturbe la précision de la localisation; de même, les
simples feuilles des arbres peuvent absorber le signal et rendre la localisation
hasardeuse. De la même façon, l'effet canyon, particulièrement sensible en
milieu urbain, consiste en l'occultation d'un satellite par le relief (un
bâtiment par exemple) ou pire encore, en un écho du signal contre une surface
qui n'empêchera pas la localisation mais fournira une localisation fausse
(problèmes des multi-trajets des signaux GPS).
En l'absence d'obstacles, il reste quand même un facteur de perturbation
important : la traversée des couches basses de l'atmosphère. La présence
d'humidité et les modifications de pression de la troposphère modifient l'indice
de réfraction n et donc la vitesse (et la direction) de propagation du signal
radio. Si le terme hydrostatique est actuellement bien connu, les perturbations
dues à l'humidité nécessitent, pour être corrigées, la mesure du profil exact de
vapeur d'eau en fonction de l'altitude, une information difficilement
collectable, sauf par des moyens extrêmement onéreux comme les lidars, qui ne
donnent que des résultats parcellaires. Les récepteurs courants intègrent un
modèle de correction.
Il existe un autre facteur de perturbation atmosphérique : la traversée de
l'ionosphère. Cette couche ionisée par le rayonnement solaire modifie la vitesse
de propagation du signal. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de
correction mais en période de forte activité solaire, cette correction n'est
plus assez précise. Pour corriger plus finement cet effet, certains récepteurs
(bi-fréquences) utilisent le fait que les deux fréquences du signal GPS (L1 et
L2) ne sont pas affectées de la même façon et recalculent ainsi la perturbation
réelle.

<h3>Principe du GPS différentiel</h3>

De plus, il existe des dispositifs comme le GPS
différentiel (en anglais Differential global positioning system ou DGPS), qui
permettent d'améliorer la précision du GPS en réduisant la marge d'erreur du
système.
Le principe du DGPS est basé sur le fait qu'en des points voisins, les effets
des erreurs de mesure (comme d'ailleurs les effets des erreurs ajoutées
volontairement) sont très semblables : il suffit donc d'observer en un point
connu les fluctuations des mesures, et de les transmettre à un récepteur
observant les mêmes satellites, pour permettre à celui-ci de corriger une grande
partie des erreurs de mesure, qu'elles soient liées au satellite (horloge), aux
conditions de propagation (effets troposphériques, etc.) ou à des fluctuations
volontaires du signal émis. On peut ainsi passer d'une précision de l'ordre de
10 à 20 mètres à une précision de 5 à 3 mètres sur une grande zone (plusieurs
milliers de km) à partir d'un ensemble de stations fixes, idéalement réceptrices
des mêmes satellites que les terminaux mobiles et qui calculent en permanence
l'erreur de positionnement du GPS (puisqu'elles connaissent exactement leur
position) et transmettent cette information par radio ou par satellite (Inmarsat
ou autre).
Le mode « différentiel » existe en plusieurs variantes ; la plus élaborée
utilise la mesure de la phase des signaux reçus (GPS RTK), et non le code
binaire pour calculer les pseudo-distances ; à partir d'une station située sur
un point connu distant de quelques kilomètres, on obtient ainsi à l'aide du GPS
des positions précises à quelques centimètres près dans les trois dimensions
(GPS géodésique ou cinématique), ce qui permet de l'utiliser non seulement pour
des levers, mais aussi pour des implantations en topographie. On peut même
atteindre quelques millimètres avec des logiciels de traitement très élaborés.
Des systèmes complémentaires d'amélioration de la précision ont été développés
(SBAS, Satellite based augmentation system) comme WAAS en Amérique du Nord, MSAS
au Japon ou EGNOS en Europe.
Le système EGNOS, développé par Union européenne est un réseau de quarante
stations au sol dans toute l’Europe, couplé à des satellites géostationnaires,
qui améliore la fiabilité et la précision des données du GPS, et corrige
certaines erreurs.

<h3> Conversion des informations obtenues</h3>

Le positionnement 3D donne ainsi les coordonnées du récepteur dans l'espace,
dans un repère à 3 axes et qui a pour origine le centre de gravité des masses
terrestres. Pour que ces données soient exploitables, il faut convertir les
données (X,Y,Z), en « latitude, longitude, altitude ». (voir les systèmes de
coordonnées)
C'est le récepteur GPS qui effectue cette conversion dans le système géodésique
WGS84 (World Geodetic System 84), le système le plus utilisé au monde qui est
une référence globale répondant aux objectifs d'un système mondial de
navigation. À noter que l'altitude fournie n'est que très indicative puisque
WGS84 modélise la Terre sous la forme d'un ellipsoïde et que le relief local
peut s'en écarter sensiblement. Les coordonnées obtenues peuvent naturellement
être exprimées dans un autre système géodésique propre à une région ou un pays.
Ainsi le GPS s'avère accessible aux transporteurs routiers, avions, navigateurs,
randonneurs, géomètres, forestiers, automobilistes, etc.
En outre comme l'obtention des coordonnées géographiques du récepteur implique
obligatoirement le calage de l'horloge (ou oscillateur interne) du récepteur sur
le temps UTC cette horloge (ou cet oscillateur) reflète finalement la précision
et la stabilité des oscillateurs atomiques des satellites. On peut donc utiliser
un récepteur GPS pour asservir précisément un système en fréquence. C'est le cas
par exemple des réseaux de télécommunications dont les équipements nécessitent
une fréquence avec une stabilité spécifiée pour fonctionner correctement.
Beaucoup de réseaux à travers le monde sont ainsi synchronisés par des
récepteurs GPS.

<h3> Inconvénients du GPS</h3>

Le GPS est un système sous contrôle de l'armée américaine. Le signal pourrait
être dégradé, occasionnant ainsi une perte importante de sa précision, si le
gouvernement des États-Unis le désirait. C'est un des arguments en faveur de la
mise en place du système européen Galileo qui est, lui, civil et dont la
précision théorique est supérieure. La qualité du signal du GPS a été dégradée
volontairement par les États-Unis jusqu'au mois de mai 2000, la précision d'un
GPS en mode autonome était alors d'environ 100 mètres. Depuis l'arrêt de ce
brouillage volontaire voulu par le président américain Bill Clinton, la
précision est de l'ordre de 5 à 15 mètres.
En démontrant ses performances exceptionnelles, puis en se vulgarisant, le GPS a
modifié la perception du positionnement et de la navigation au sein même de la
société. De ce fait, l'opinion publique, les institutions et les pouvoirs
publics admettent de plus en plus difficilement qu’il soit possible de « ne pas
savoir où l’on est » et dans les applications tant professionnelles que pour les
loisirs, il est si facile à exploiter qu’il semble pouvoir décharger
complètement les pratiquants des tâches de positionnement et navigation.
C’est peut-être le principal danger du GPS. En dépit de sa fiabilité et de sa
précision, il faut garder à l’esprit qu’un tel appareil ne peut être fiable à
100%. En outre, sa précision peut être mise en défaut car la continuité du
calcul reste fragile et peut être interrompue par :
une cause extérieure de mauvaise réception : parasitage, orage, forte humidité
une manœuvre au cours de laquelle la réception est masquée par la cellule
l’alignement conjoncturel des satellites qui empêche le calcul précis
(incertitude géométrique temporaire)
Des problèmes cartographiques peuvent également entrer en jeux, car le GPS ne
donne pas une position par rapport à des repères au sol. Il se place par rapport
à des satellites sur une grille qui est une définition mathématique du globe
terrestre : la norme WGS 84. Il se peut qu’un obstacle, une destination - ou
même tout le tracé d’une carte - soient positionnés suivant une autre référence
hors il en existe près de 200.
La légende de chaque carte signale toujours la référence utilisée et la majorité
des récepteurs GPS modernes peuvent être programmés pour corriger leurs calculs
en fonction d'une référence différente de la norme WGS 84. Le Bureau d'enquêtes
et d'analyses des accidents de l'aviation civile française a réalisé une étude
sur les accidents et incidents pour lesquels l'usage du GPS est identifié comme
facteur déclenchant ou contributif de l'évènement [1] et il s'avère que dans
nombre de cas, c'est une trop grande confiance en cet outil qui a participé à
l'accident ou incident. Ainsi, il est fortement suggéré que les usagers des GPS
et en particulier les professionnels l'utilisant, soient clairement informés des
limites de cet outil qui ne doit-être qu'une aide et non un moyen de navigation
primaire.

<h3> Les autres systèmes de positionnement par satellite</h3>

GLONASS est le système russe, qui n'est pas pleinement opérationnel.
Beidou est le système de positionnement chinois, opérationnel uniquement sur
le territoire chinois et régions limitrophes (il utilise des satellites
géostationnaires. Le nombre exact n'est pas connu et varie fortement selon les
sources).
Galileo est le système civil européen en cours de déploiement.
D'autres systèmes de géolocalisation sont employés, sans atteindre le degré de
précision des précédents et ne sont pas, à proprement parler, des concurrents.
Par exemple l'activation d'un téléphone mobile peut permettre de le localiser
par identification de (ou des) l'antenne la plus proche avec laquelle il est en
liaison. Sa précision reste directement dépendante de la densité de maillage en
antennes et n'est au plus que de quelques kilomètres en milieu rural.

<h3> Logiciels</h3>

Garmingpstool, logiciel en Java qui
enregistre les données en XML pour pouvoir les échanger avec d'autres
logiciels de géographie;
Gps3d, logiciel capable d'afficher des données GPS sur une
vue en 3D du monde avec des fonds de cartes;
Gpsdrive.kraftvoll, logiciel GTK qui s'adresse plus
particulièrement aux automobilistes et sait télécharger les cartes routières
depuis Internet;
Kflog, logiciel KDE pour les pilotes de planeurs.
Earth.google, logiciel représentant la Terre en 3D et possibilité
de l'interfacer avec le GPS sur la version Google Earth Plus et Google Earth Pro
Opérationnels : GPS | / GLONASS
En développement : Galileo | Beidou | IRNSS


Bandeau Fin de Page


Retour Page Précédente