Global positioning system
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Le GPS ou Géopositionnement par satellite (en anglais Global Positioning System) est le premier système de positionnement par satellite au monde. Il a été mis en place par le ministère de la défense des États-Unis et permet de connaître sa position n'importe où, à la surface de la terre, en mer, dans l'air. Le GPS utilise une projection cartographique sphérique nommée WGS84
À noter que l'Union européenne est en train de développer son propre système de localisation, se nommant Galileo, et devrait ainsi être indépendante de l'armée américaine. Le système est prévu pour être fonctionnel en 2008.
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Présentation
Le système GPS comprend au moins 24 satellites artificiels orbitant à 20 200 km d'altitude. Ces satellites émettent en permanence un signal d'heure précis (grâce à leur horloge atomique), ainsi que leurs coordonnées exactes.
Ainsi un récepteur GPS qui capte les signaux d'au moins quatre satellites peut, en mesurant les écarts relatifs des horloges, connaître son éloignement par rapport aux quatre satellites et, par triangulation, 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 cryptées 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 précision faible (environ 100m). 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 mieux.
Certains systèmes GPS conçus pour des usages très particuliers peuvent fournir une localisation à quelques millimètres près. Le GPS différenciel (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.
Composition
Le système GPS est composé de 3 parties distinctes, appelées encore segments:
- Le segment spatial est constitué d'une constellation de 27 satellites (NAVSTAR pour Navigation Satellite Timing And Ranging) dont 24 sont actifs à l'heure actuelle (les autres servent de satellites de secours). 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 20 200 à 25 000 km qu'ils parcourent en 12 heures grâce à leur 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. D'une durée de vie de 5 ans, l'un d'entre-eux est resté en activité pendant 10 ans.
- Bloc IIA : Lancés à partir de 1989, ils ont marqué à partir de 1993 le début de la phase opérationnelle du GPS. Il s'agit d'une flotte de 28 satellites, 24 en orbite dont trois de réserve et 4 en stock pour remplacement. Plus performants, ils ont été équipés pour fonctionner en mode dégradé pour les civils.
- Bloc IIR : Dernière génération de satellite mise en orbite à partir de 1996, dotés d'une horloge atomique plus précise, d'une meilleur autonomie, ils peuvent communiquer les uns avec les autres, permettant ainsi aux opérateurs du système de pouvoir communiquer avec des engins qui leurs sont inaccessible dans une communication directe.
- 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 (la station maîtresse est basée à Colorado Springs). Leur rôle est d'enregistrer toutes les informations émises par les satellites, pour calculer les positionnements.
- Le segment utilisateur regroupe l'ensemble des utilisateurs civils et militaires qui ne font que recevoir les informations des satellites. Le nombre d'utilisateurs GPS est donc illimité.
Principe de fonctionnement
Le GPS fonctionne grâce au calcul de la distance qui sépare un récepteur GPS et plusieurs satellites. Puisque la position des 24 satellites est connue avec une très grande précision par le récepteur, celui-ci peut, grâce à la connaissance de la distance qui le sépare des satellites, connaître ses coordonnées.
Mesure de la distance du récepteur par rapport a un satellite
Les satellites envoient des ondes électromagnétiques 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 d'émission par le satellite. Cette distance est appelée « pseudo range », ce qui signifie pseudo distance. Une erreur d'un millionième de seconde provoque une erreur de 300 mètres sur la position!
Décalage de l'horloge du récepteur
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 une équation mathématique à 4 inconnues qui sont la position dans les 3 dimensions plus le décalage de l'horloge du récepteur avec l'heure GPS.
Remarque
Certains récepteurs sont capables d'affiner leurs calcul en utilisant plus de 4 satellites (ce qui rend les mesures plus faciles) tout en ôtant les sources qui semblent peu fiables.
Le GPS ne fonctionne pas dans toutes les situations, le signal émis par les satellites NAVSTAR étant assez faible, la traversée des couches de l'atmosphère sont un facteur qui perturbe la précision de la localisation, les simples feuilles des arbres peuvent absorber le signal et rendre la localisation hasardeuse. De la même façon l'effet canyon, particulièrement sensible en milieux urbain consiste en l'occultation d'un satellite par le relief (un bâtiment par exemple) ou pire encore, en un echo du signal contre une surface qui n'empèchera pas la localisation mais fournira une localisation fausse.
Les récepteurs GPS les plus communs calculent leur position exacte au moment de l'initialisation ce qui prend un certain temps. Par la suite, l'application calcule une position relative à la première pour gagner du temps. Il n'est donc pas rare, dans les applications transports notamment, de réinitialiser le récepteur GPS parce que la première mesure a été faussé par une mauvaise réception locale et que l'erreur persiste dans les mesures suivantes, même si la réception est devenue bonne.
Conversion des informations obtenues
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 ».
C'est le récepteur GPS qui effectue cette conversion grâce au 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.
Ainsi le GPS s'avère accessible aux transporteurs routiers, avions, navigateurs, randonneurs, géomètres, forestiers, automobilistes, etc.
Logiciels
- http://aetherial.net/garmingpstool est un logiciel en Java qui enregistre les données en XML pour pouvoir les échanger avec d'autres logiciels de géographie;
- http://www.mgix.com/gps3d est un logiciel capable d'afficher des données GPS sur une vue en 3D du monde avec des fonds de cartes
- http://gpsdrive.kraftvoll.at/ est un logiciel GTK qui s'adresse plus particulièrement aux automobilistes et sait télécharger les cartes routières depuis Internet
- http://www.kflog.org/ est un logiciel KDE pour les pilotes d'avion amateurs
Voir aussi
Liens externes
- Un site expliquant la technologie du GPS
- Un dossier sur le GPS
- Quelques animations pour comprendre le principe du GPS