TPE: LE GPS

« UN REPÈRE PERMANENT DANS L'ESPACE ET LE TEMPS De tous temps, les hommes ont cherché à connaitre avec précision leur position géographique .

Cette volonté est à l'origine de nombreuses inventions : la cartographie , la boussole, la navigation astronomique ...

Pourtant chacune de ces techniques est limitée par ses capacités d'information ou de précision ou par les conditions nécessaires à son utilisation (la nuit les conditions météorologiques, le champ magnétique terrestre ...

) .

Le GPS (« Global Positioning System » ou « Système de Positionnement Global») est un système de localisation par satellite mis en place par le Département américain de la Défense dans les années 1970.

Il détermine les coordonnées géographiques d 'un récepteur, ainsi que sa vitesse , son altitude et l'heure .

Ces données sont fournies grâce à une constellation de satellites et sont reçues par l'utilisateur dans un boitier électronique .

Le GPS permet ainsi de s 'affranchir de toutes contraintes puisqu 'il offre la possibilité de déterminer sa position géographique de façon précise et en temps réel.

en tout point de la Terre et à tout moment.

i@{,]MJ,jj#1#i Initialement le GPS a été conçu pour répondre à un impératif militaire : localiser des troupes de manière précise et quasi-instantanée , n 'i mporte quand et n'importe où à la surface du globe.

C'est en 1968 que le Pentagone imagine un système de localisation géographique composé d'une constellation de satellites en orbite autour de la Terre .

Le système NAV.S.T.A .R-G.P .S (Navigation System Time and Ranging -Global Positioning System ) a alors été conçu, financé et développé dès 1973 par le Département de la Défense des États -Unis pour un usage strictement militai re.

Le premier satellite a été lancé en 1978 et complété par d 'autres satellites de différentes générations pour aboutir à un système opérationnel en 1995 .

Ce système comporte 28 satellites en orbite et un segment de contrôle au sol qui suit les satellites et enregistre les signaux.

DE L'APPLICATION MILITAIRE AUX APPLICATIONS CIVILES La localisation par satellite est un atout militaire primordial .

Le fait de connaître en permanence la posit ion et le déplacement des troupes offre en effet un avantage tactique et stratégique déterm inant.

Par ailleurs , très rapidement ce système a représenté une technologie unique permettant l'am élioration ou le développement de nombreuses application s civiles.

Pour des raisons de sécurité, il n'était pas imaginable de laisser ce service accessible à tous , les États ­ Unis ne souhaitant évidemment pas que d'éventuels pays agresseurs utilisent leur système .

Un compromis a alors été trouvé : d 'un côté un système de grande précision réservé aux militaires américains (le mode PPS ou « Predse Positioning System») et de l'autre un système limité ou « dégrad é » pour les applications civiles (le mode SPS ou «Standard Positioning System »).

Le revers de la médaille est que toutes ces applications sont dépendantes d'un seul pays .

C'est ainsi que d'autres systèmes ont vu le jour : • le système GLONASS crée par l'Union soviétique mais qui n 'est pas pleinement opérationnel suite aux bouleversements provoqués par l'éclatement du bloc de l'Est ; • GALILÉO , le système européen actuellement en développement.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS LE SYITTME Le système GPS est composé de trois parties distinctes .

• Le segment spatia l est constitué d'un ensemble de 24 Stdf/IHH répartis sur 6 plans orbitaux.

Ces satellites évoluent à une altitude d 'environ 20000 km et mettent environ 12 heures pour effectuer une révolution autour de la Terre.

Chaque satellite possède un oscillateur qui fournit une fréquence de 10,23 MHz calibrée sur des horlo ges atomiques.

L'émetteur génère deux ondes (L 1 et L2) de fréquence respective 1575.42 MHz et 1227,60 MHz.

li transmet régulièrement des signaux horaires , la description de l'orbite suivie (éphémérides) et diverses autres informations.

• Le segment de contrôle qui permet de piloter le système est composé de 5 stations américaines au sol Oa station maitresse est située à Colorado Springs) .

Elles enregistrent tous les signaux émis par les satellites, calculent leurs éphémérides et transmettent des données aux satellites.

• Le segment des utilisateurs civils et militaires regroupe l'ensemble des récepteurs qui interceptent les informations des satellites .

LE SIGNAL Le fonctionnement du système est fondé sur l'émission et la réception d 'un signal ou onde électromagnétique.

Le signal émis par le satellite est la combinaison de différents éléments : • Les ondes porteuses L 1 et L2 : ce sont des signaux modulés par deux distance calculée .

L'intersection de types de codes, respectivement CA ces trois sphères nous donne les et P.

coordonnées (latitude , longitude et •Les codes CA (Coarse Acquisition ) altitude) d 'un point en l'occurrence sur l'onde L1 et P (Precise) sur les le récepteur.

Un quatrième satellite ondes L1 et L2 : ils autorisent des est en plus nécessaire pour assurer précisions différentes .

Le code CA une précision optimale des est disponible pour tous les coordonnées .

En effet les récepteurs utilisateurs et donne une précision ne peuvent pas disposer d 'une de l'ordre de 100 mètres ( c'est le horloge atomique comme les service SPS).

Le code P est crypt é et satellites.

Il en résulte une accessible uniquement à l'armée dèsynchronisation des horloges .

Ce américa ine, avec une précision de quatrième satellite permet donc de l'ordre de 10 m ètres (c'est le service compenser le décalage de l'horloge PPS).

Depuis 2000 , le code P est du récepteur avec l'heure GPS.

accessible aux civils et un nouveau Enfin , le système prend également code (Y) a été introduit pour les en compte deux notions militaires avec une précision encore fondamentales : la relativité affinée.

restreinte qui démontre que le • Les informations sur la position du temps ne s'écoule pas de la même satellite (éphémérides) .

façon dans le satellite qui possède r-D..,.ÉCi-RAO--A-n- 0-N-VO-LO_Nl_Al_R_E _ __, une grande vitesse par rapport au DE LA PRÉCISION récepteur et la relativité générale qui démontre que le temps s'écoule plus Initialement le Département de la rapidement dans le satellite du fait Défense américain dégradait la de la plus faible gravité.

précision du système pour les civils Il existe trois types d'observations (environ 100 mètres d'incertitude).

GPS possibles : la mesure code, la Depuis mai 2005 , cette dégradation mesure phase et la mesure de a été supprimée et offre donc aux fréquence Doppler.

utilisateurs une précision théorique • La mesure code : les satellites de 25 mètres en tout point du génèrent un code modulé sur les globe.

ondes porteuses .

Les récepteurs GPS r-------------i génèrent également une réplique de LES MESURES Le satellite envoie des ondes électromagnétiques qui se propagent à la vitesse de la lumière .

Cette vitesse étant connue , la distance qui sépare le récepteur du satellite est calculée en mesurant le temps de parcours de l'onde .

Ce temps calculé est d'une précision extrême (de l'ordre de Ht" seconde) grâce à l'oscillateur du satellite .

Pour obtenir les coordonnées d'un point dans l'espace, il est nécessaire de faire des mesures sur au moins trois satellites .

Il s uffit alors de tracer trois sphères dans l'espace ; le centre de chaque sphère est la posit ion connue d 'un satellite ; le rayon de chaque sphère est la ce code.

Pour déterminer le temps de parcours de l'onde, le récepteur retarde l'émission jusqu'à ce que son signal soit aligné avec celui du satellite .

Ce décalage multiplié par la vitesse de la lumière donne alors la distance séparant le récepteur du satellite .

• La mesure phase : elle est utilisée pour des applications nécessitant des mesures très précises.

Au lieu d'utiliser le code, on exploite directement la phase sur les ondes porteuses en déterminant le déphasage entre le sate llit e et le récepteur.

L'inconvénient majeur de cette mesure est que la position n'est pas obtenue en temps réel.

Il est en effet nécessaire d'enregistrer un grand nombre de mesures sur le terrain puis de traiter ces données avec des logiciels spécialisés.

En contrepartie , les résultats ont une précision de l'ordre du centimètre.

• La mesure de fréquence Doppler : elle permet entre autre de mesurer la vitesse à laquelle se déplace l'utilisateur .

Cette mesure est la différence entre la fréquence reçue par le récepteur et la fréquence générée par le satellite.

Cette différence est causée par le mouvement relatif entre le satellite et le récepteur .

LES MODES DE POSmONNEMENT Le positionnement absolu consiste à déterminer les coordonnées d 'un point quelconque en utilisant les codes générés par les satelli tes.

Il ne nécessite qu'un seul récepteur et une durée de mesure très courte.

L'intérêt de cette méthode est de fournir des informations en temps réel.

Le positionnement relatif fait intervenir deux récepteurs .

On s'intéresse alors au vecteur spatial reliant ces deux points.

Cette méthode permet par différentiation, d 'éliminer l'influence des erreur s communes à chacun des sites de réception (erreurs d'orbite , de propagation du signal et de décalage des horloges satellite­ récepteur).

La précision obtenue est de l'ordre du millimètre .

Ce mode est notamment utilisé pour les applications de géodésie.

Enfin, le GPS différentiel (DGPS) permet un positionnement en temps réel tout en affinant la précision grâce à des corrections.

Celles-ci sont calculées par une station de référence (dont les coordonnées exactes sont connues) et radiodiffusées vers les récepteurs des utilisateurs.

Il existe aussi un mode pseudo-différentiel où ce n'est pas une valeur absolue qui sert de correction mais simplement le déplacement du récepteur par rapport à une station référence .

Invention du concept du GPS.

1973 Développement du projet de locali sation par GPS 1978 lancement du premier satellite du système NAVSTAR .

1978-1994 Mise en place opérationnelle et lancement des différents satellites .

1983 le président Reagan demande que Io SPS soit accessible dons Je monde entier et que sa précision soit de 100 mètres avec une probabilité de95 %.

1984 Adoption du système géodésique WGS 84pour tous les calculs de position avec le GPS.

1995 Le syst ème est dédoré opérationnel .

2002 Accord des 15 ministres européens des transports pour Goliléo .

Mise en orbite du premier sate llite expérimental. »