Global positioning system - Définition

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.

Présentation

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 1^er 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.

Composition

Le système GPS est composé de 3 parties distinctes, appelées encore segments:

• Le 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.

• Le 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.

Principe de fonctionnement

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.

Mesure de la distance du récepteur par rapport à un satellite

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 !

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 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.

Erreurs possibles et amélioration du système (DGPS)

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.

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.

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 ". (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.

Inconvénients du GPS

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 jeu, 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 ; or 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.

Le GPS est utilisé dans un projet humanitaire de transport et de logistique des Nations-Unies (UNSDI-T).

Les autres systèmes de positionnement par satellite

• 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.

Logiciels

• http://sourceforge.net/projects/garmingpstool/, logiciel en Java qui enregistre les données en XML pour pouvoir les échanger avec d'autres logiciels de géographie;
• http://www.mgix.com/gps3d, logiciel capable d'afficher des données GPS sur une vue en 3D du monde avec des fonds de cartes;
• http://gpsdrive.kraftvoll.at/, logiciel GTK qui s'adresse plus particulièrement aux automobilistes et sait télécharger les cartes routières depuis Internet;
• http://www.kflog.org/fr/, logiciel KDE pour les pilotes de planeurs.
• http://earth.google.com/, logiciel représentant la Terre en 3D et possibilité de l'interfacer avec le GPS sur la version Google Earth Plus et Google Earth Pro