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Comment fonctionne le GPS ?

Mardi 26 Juillet 2005

Qu'est-ce que le GPS ?

Le GPS («Global Positionning System» ou «système global de localisation») est un appareil électronique très utile, voire indispensable dans certaines conditions, qui permet de s’orienter et se situer géographiquement quelque soit l’endroit sur terre grâce à un réseau de satellites entourant la planète.

L’outil le plus populaire pour une expédition de grande envergure est certainement la boussole, mais au Pôle Nord cette dernière n’est d’aucune utilité puisque le pôle magnétique dérègle complètement l’aiguille aimantée de la boussole. Il faut donc trouver d’autres appareils d’orientation. En plus de la traditionnelle carte d’état major, le GPS est un appareil indispensable dans cette situation.

Depuis, le GPS ne cesse d’être populaire, que cela soit pour une simple balade, dans la voiture, en bateau ou simplement pour faire votre jogging, et la raison en est très simple. Cette technologie, autrefois réservée presqu’exclusivement aux usages militaires, est maintenant rendue disponible plus facilement depuis la venue du nouveau millénaire grâce à une décision présidentielle (officiellement, le 1er mai 2000), mais commençons par le début…

HISTORIQUE

Initialement le projet s’appellait : «NAVSTAR» (navigation timing and ranging). C’est à la demande de l’armée américaine qui désirait avoir un appareil lui permettant de connaître sans délais leurs coordonnées à quelques mètres près mais aussi de pouvoir localiser avec précision ses avions de combats, ses chars et ses missiles en tout point du globe, qu’est né le GPS. Le concept NAVSTAR est le résultat d’études entreprises en 1965 par l’armée de l’air et la marine américaine.

Voici les dates qui ont marquées la réalisation du projet :

  • 1965 : Premier concept
  • 1972 : Étude préliminaires de faisabilité
  • 1974/1979 : Validation du concept (1er tir en février 1978)
  • 1979/1986 : Évaluation et développement
  • 1986/1994 : Mise en place opérationnelle. (Phase interrompue entre janvier 1986 et février 1989). Les lancements des satellites «BLOCK II» n’ont en fait commencés qu’en février 1989.

L’accident survenu le 24 janvier 1986 à la navette «CHALLENGER» a retardé la mise en orbite des premiers satellites de la configuration opérationnelle. De plus les responsables du projet ont décidé d’abandonner la navette comme lanceur au profit des fusées «MLV DELTA II», ce qui a obligé à faire certains aménagements. Les lancements ont ensuite repris en 1989.

24 puis 28 satellites tourneront sur 6 orbites d’ou ils émettront des signaux codés destinés aux GPS à des altitudes variant de 20,200 à 25,000 kilomètres.

ORGANISATION

Le projet NAVSTAR est coordonné par un bureau interarmée. Le «Joint Programm Office» (JPO) dont le siège est situé à LOS ANGELES dans les locaux de la «Space Division». Ce dernier dépend du «System Command» de l’armée de l’air des États Unis.

Le JPO est composé des représentants :

  • Des armées et agences participant au programme, soit l’«US NAVY», l’«US ARMY», l’«US AIR FORCE», les corps des Marines,l’«US COEAST GUARDS», l’agence cartographique de la défense et le département des transports. Ce dernier est chargé de s’assurer que les intérêts des futurs utilisateurs civils sont pris en considération.
  • Des pays de l’organisation de L’«OTAN»


OBJECTIFS

A l’origine le GPS a été conçu afin de fournir aux forces armées un système de repérage global et de très bonne précision. Les systèmes similaires de l’époque (SATNAV,etc) n’avait pas la disponibilité et la sécurité requise pour leur exploitation opérationnelle dans les forces armées.

Il s’est très rapidement posé le problème de l'accessibilité du service. En effet de nombreuses applications civiles pouvaient vouloir recourir à ce système et il n’était pas imaginable de laisser le service en libre accès a tout le monde, n’importe quel pays agresseur pouvant alors l’utiliser à son profit. Dés le début les États-Unis voulaient s’assurer la maîtrise totale quant à l’exploitation du système GPS, mais ne voulaient pas exclure les applications civiles. On a alors imaginé le compromis suivant:

  • un service de grande précision réservé aux militaire c’est le mode «PPS» («Precise Positioning System»);
  • Un second service aux possibilités dégradées (avec une précision d’environ 100 mètres) auquel aurait accés toute personne munie d’un récepteur, c’est le mode «SPS» (Standard Positionning System).

Le mode «PPS» exploitant pleinement le système pour une précision de moins de 10 mètres et le mode «SPS» qui utilisant une électronique simplifiée est en plus soumise a une dégradation volontaire des signaux satellitaires pour une précision de 100 mètres environ.

L'accès au mode «PPS» se jouant au niveau électronique du récepteur et des codes de corrections des dégradations satellitaires les USA s’assuraient ainsi la maîtrise totale de l’aspect militaire du projet et offrait un beau cadeau aux civils.

Le 1er mai 2000, le président Bill Clinton libéralisa pleinement l’usage civil du GPS. En fait, le projet européen Galiléo, influenca la décision du président amériain. La précision de 100 mètres fut décuplée à 10 mètres, soit avec la même précision initiale offerte aux militaires.

Depuis cette date, de nombreux produits commerciaux très abordables (de 100 à 1000$CAD) ont vu le jour. Thales fut un des premier récepteur GPS commercial à voir le jour (dès 1989).

Galiléo est constitué d’une constellation de 30 satellites placés sur 3 orbites circulaires à 23,616 kilomètres d’altitude. Ce nouveau système offrira un service gratuit avec une précision de 1 mètre, complété par 1 service commercial et 3 autres services complémentaires (recherche, secours et services publiques). Cependant, il faudra attendre 2008 pour pouvoir en bénéficier. Galiléo et GPS devraient être compatibles (suite à un accord signé entre l’Europe et les États-Unis le 26 juin 2004).

FONCTIONNEMENT

Nous allons simplifier au maximum le compliqué processus de fonctionnement du GPS. Ce qu’il faut savoir c’est que le GPS est un petit récepteur radio qui se synchronique avec 2, 3, 4 ou plus de satelittes pour donner une information sur la position géographique ou il se trouve. Comme les systèmes de triangulation utilisés durant la dernière guerre (1939-45) pour trouver les émetteurs pirates, le GPS est un récepteur qui recoit des informations de plusieurs satellites (en général 3 ou 4) et calcule avec précision le temps mis à recevoir l’information depuis chacun des satellites. Selon la position ou l’on se trouve, le temps de réponse sera plus ou moins long (je vous rassure, il ne s’agit ici que de quelques millièmes à quelques seconde… cependant, les GPS utilisés en géologie ou en cartographie demandent parfois des temps d’attente de plus d’une demie heure, et ce, pour avoir un précision variant de quelques centimètres). En comparant les délais de réponse des 3 satellites, le GPS sera en mesure de déterminer avec précision l’endroit ou il se trouve. Le 4ième satellite et subséquants, confirmeront et amélioreront la précision du GPS. Ce système permet, et ce, quelque soit l’endroit ou vous vous trouvez sur la planète, que le GPS voit au minimum 4 satellites.

Pour augmenter la précision du GPS, il sera donc nécessaire attendre plusieurs minutes à plusieures heures pour extrapoler les informations reçues de différents satellites, et puisque la terre tourne, les nombreux satellites donneront encore plus d’information au GPS. L’ordinateur interne du GPS compilera les données pour fournir un maximum d’informations très précises. Mais la précision est réservée aux applications spécialisées comme l’arpentage ou encore certaines applications scientifiques permettant de calculer à 3 millimètre près le déplacement des continents ou la position exacte du Pôle Nord magnétique.

10,000 FOIS PLUS PRÉCIS QUE LE GPS !

En 1983 le GPS fonctionne avec 8 satellites. à l’Institut d’astronomie de Berne, un jeune scientifique, Ivo Bauersima, réfugié tchèque, calcule théoriquement comment se servir du GPS. Ses équations permettent d’obtenir une précision 10,000 fois supérieure que celle qu’offre les militaires, à condition de reconstituer l’orbite des satellites GPS à quelques centimètres près. Cette exigence nécessite de comparer les informations de plusieurs stations GPS réceptrices en divers points du globe.

À la vue de ces équations, l’idée d’un vaste réseau international germe dans l’esprit de plusieurs scientifiques parmis lesquels, l’astronome suisse Gerhardd Beutler. En passant une année au Canada, participant à de nombreux séminaires (grâce à sa maîtrise de l’allemand, de l’anglais et du français), Ivo en profite pour promouvoir son projet. En Août 1989, à Édimbourg, les scientifiques s’organisent, si bien que des organismes aussi prestigieux que la NASA participent au projet et fondent l’«International GPS Service» (IGS). Le 21 Juin 1992, l’IGS entame une période d’essais de 2 ans avec une vingtaine de stations réceptrices. La précision des trajectoires des satellites atteind les 50cm et donne au GPS une précision de quelques centimètres ! Forte de ce succès sans faille, le réseau de stations réceptrices passe rapidement à 50, puis ne cesse d’augmenter. Aujourd’hui, plus de 200 stations réparties sur 5 continents donnent de précieuses informations qui permettent de calculer avec une très grande précision le déplacement des plaques terrestres, la position réelle du Pôle Nord magnétique, la situation des fontes des glaces aux deux pôles, etc. La précision des orbites satellitaires est maintenant de 3 centimètres et permet au GPS une précision de quelques millimètres.

Le Japon s'est aussi équipé d'un réseau GPS unique au monde. Ce pays compte plus de 1000 stations réceptrices, soit une toutes les 30km. Ce réseau a permis de déterminer que l'île du Japon bouge en moyenne de 50 millimètres par année. Le GPS est également capable de mesurer la quantité de vapeur d'eau contenue au dessus d'elle dans la stratosphère… Le GPS donne donc aussi de précieuses informations sur la météo !

L’IGS précise aujourd’hui que la position des Pôles à varié de 10 mètres au fil du temps due à l’axe de la terre qui bouge. La position des pôles est aujourd'hui déterminée à 3 millimètres près !


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