Comment fonctionne un GPS ?

Signification de GPS

Le système de positionnement global (GPS) est un réseau de quelque 31 satellites en orbite autour de la Terre à une altitude de 20 000 km.

Le système a été développé à l’origine par le gouvernement américain pour la navigation militaire, mais aujourd’hui, toute personne possédant un dispositif GPS, qu’il s’agisse d’une montre intelligente, d’un téléphone mobile ou d’un appareil GPS portable, peut recevoir les signaux radio émis par les satellites.

De nombreux récepteurs GPS modernes utilisent une combinaison de satellites GPS et de satellites russes GLONASS pour améliorer la couverture et la précision.

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Depuis l’Antiquité, les humains se tournent vers le ciel pour trouver leur chemin. Les marins de l’Antiquité utilisaient les constellations du ciel nocturne pour savoir où ils se trouvaient et où ils allaient.

Aujourd’hui, il suffit d’un récepteur GPS de poche pour savoir exactement où l’on se trouve partout dans le monde. Mais nous avons toujours besoin d’objets haut dans le ciel pour savoir où nous sommes et comment nous nous rendons dans d’autres endroits.

Au lieu d’étoiles, nous utilisons des satellites. Plus de 30 satellites de navigation volent au-dessus de la Terre. Ces satellites peuvent nous dire exactement où nous sommes.

Le GPS fonctionne dans toutes les conditions météorologiques, à condition qu’il y ait une ligne de visée dégagée avec 4 satellites GPS ou plus.

Qu’est-ce qu’un GPS ?

Le GPS est un système.

Il se compose de trois parties :

• satellites
• stations au sol
• et les récepteurs

Les satellites agissent comme les étoiles des constellations : nous savons où ils sont censés se trouver à tout moment.

Les stations au sol utilisent un radar pour s’assurer qu’elles sont bien là où on le pense.

Un récepteur, comme celui que vous pouvez trouver dans votre téléphone ou votre voiture, est constamment à l’écoute d’un signal provenant de ces satellites. Le récepteur calcule la distance qui le sépare de certains d’entre eux.

Une fois que le récepteur a calculé sa distance par rapport à quatre satellites ou plus, il sait exactement où il se trouve. C’est tout ! Depuis des kilomètres dans l’espace, votre position au sol peut être déterminée avec une incroyable précision.

En général, ils peuvent déterminer où vous vous trouvez à quelques mètres près, mais les récepteurs plus perfectionnés peuvent le faire à quelques centimètres près !

Les anciens marins et explorateurs de l’histoire seraient stupéfaits de la rapidité et de la facilité avec lesquelles votre position peut être localisée aujourd’hui.

Un GPS fonctionne indépendamment d’une connexion Internet ou d’un signal téléphonique. Cependant, leur présence augmente l’efficacité du positionnement GPS.

• À l’origine, lorsque le GPS a été développé pour un usage militaire, il y avait 24 satellites GPS en orbite autour de la terre toutes les 12 heures à une altitude de 20 180 km.
• Quatre satellites GPS ont été placés sur chacune des six orbites avec une orientation de 60 degrés les uns par rapport aux autres. Ces plans orbitaux ne tournent pas par rapport à une étoile.
• Par la suite, le nombre de satellites a été porté à 32 pour améliorer la précision de la localisation.
• La localisation de tout récepteur GPS se fait en mesurant le temps de vol.
• Plus le nombre de satellites dans la ligne de visée d’un récepteur GPS est élevé, plus la précision de la détermination de la position du récepteur est grande.

Comment fonctionne un GPS ?

Où que vous soyez sur la planète, au moins quatre satellites GPS sont « visibles » à tout moment. Chacun d’eux transmet des informations sur sa position et l’heure actuelle à intervalles réguliers.

Ces signaux, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, sont interceptés par votre récepteur GPS, qui calcule la distance de chaque satellite en fonction du temps que mettent les messages à arriver.

Une fois qu’il sait à quelle distance se trouvent au moins trois satellites, votre récepteur GPS peut déterminer votre position grâce à un processus appelé trilatération.

Le service GPS de base offre aux utilisateurs une précision d’environ 7,0 mètres, 95 % du temps, partout sur ou près de la surface de la terre.

Pour ce faire, chacun des 31 satellites émet des signaux qui permettent aux récepteurs, grâce à la combinaison des signaux d’au moins quatre satellites, de déterminer leur position et l’heure.

Les satellites GPS transportent des horloges atomiques qui fournissent un temps extrêmement précis. Les informations temporelles sont placées dans les codes transmis par le satellite de sorte qu’un récepteur peut déterminer en permanence l’heure à laquelle le signal a été transmis.

Le signal contient des données qu’un récepteur utilise pour calculer la position des satellites et effectuer d’autres ajustements nécessaires à un positionnement précis.

Le récepteur utilise la différence de temps entre l’heure de réception du signal et l’heure de transmission pour calculer la distance, ou portée, entre le récepteur et le satellite.

Le récepteur doit tenir compte des délais de propagation ou des ralentissements du signal causés par l’ionosphère et la troposphère.

Avec les informations sur les portées de trois satellites et la position du satellite au moment de l’envoi du signal, le récepteur peut calculer sa propre position tridimensionnelle.

Une horloge atomique synchronisée avec le GPS est nécessaire pour calculer les portées de ces trois signaux. Cependant, en prenant une mesure à partir d’un quatrième satellite, le récepteur évite d’avoir recours à une horloge atomique. Le récepteur utilise donc quatre satellites pour calculer la latitude, la longitude, l’altitude et l’heure.

Qu’est-ce que la Trilatération ?

Imaginez que vous vous trouvez quelque part sur la Terre avec trois satellites dans le ciel au-dessus de vous. Si vous connaissez la distance qui vous sépare du satellite A, celui-ci doit se trouver quelque part à l’intérieur du cercle rouge (voir l’image ci-dessous).

Si vous faites de même pour les satellites B et C, vous pouvez calculer votre position en voyant où les trois cercles se croisent. C’est exactement ce que fait votre appareil GPS, bien qu’il utilise des sphères superposées au lieu de cercles.

Plus il y a de satellites au-dessus de l’horizon, plus votre appareil GPS sera précis pour déterminer exactement votre position.

Une fois que la position d’un récepteur est calculée, le dispositif GPS peut facilement calculer :

• Heure du lever et du coucher du soleil
• Vitesse
• Route
• et la distance jusqu’à la destination du récepteur GPS.

GPS et relativité

Les satellites GPS sont dotés d’horloges atomiques à bord afin de conserver une heure précise. Cependant, la relativité générale et la relativité restreinte prédisent que des différences apparaîtront entre ces horloges et une horloge identique sur Terre.

La relativité générale prévoit que le temps semble s’écouler plus lentement sous l’effet d’une force gravitationnelle plus forte ; par conséquent, les horloges à bord des satellites semblent fonctionner plus rapidement qu’une horloge sur Terre.

En outre, la relativité restreinte prédit que, puisque les horloges des satellites se déplacent par rapport à une horloge sur Terre, elles semblent fonctionner plus lentement.

L’ensemble du réseau GPS doit tenir compte de ces effets, preuve que la relativité a un impact réel.

Les défis techniques du GPS

• Synchronisation temporelle entre les satellites individuels et le récepteur GPS
• Mise à jour en temps réel de la position exacte du satellite GPS
• Mesure précise du temps de vol
• Interférence avec d’autres signaux

Synchronisation du temps

Chacun des satellites GPS est équipé d’une horloge atomique pour maintenir l’heure à jour et précise.

Pour mettre à jour et fournir une synchronisation précise au récepteur, ce dernier utilise le quatrième satellite GPS pour maintenir une synchronisation précise.

Avec l’heure du récepteur et des satellites GPS maintenue par les horloges atomiques, le récepteur peut calculer le décalage horaire exact.

Les satellites GPS sont gérés en permanence par des stations au sol pour résoudre la synchronisation du temps.

Importance de l’ultra dans la précision de la synchronisation temporelle

Le rayonnement électromagnétique se propage à la vitesse de la lumière.

La précision de la position est directement proportionnelle à la mesure du temps, puisque vitesse * temps = distance, donc même un petit écart dans le calcul du temps peut créer une grande différence de distance en raison de la grande vitesse de la lumière.

Mise à jour en temps réel de la position exacte du satellite

• Cela se fait en surveillant les satellites à partir d’un certain nombre de systèmes terrestres largement répartis.
• La station maîtresse analyse toutes les mesures et transmet la position réelle de chaque satellite.

GPS différentiel [DGPS]

Le DGPS est une amélioration du GPS qui offre une meilleure précision de localisation.

• Le récepteur GPS, également appelé station de base, doit être installé à un endroit connu avec précision.
• Le récepteur de la station de base calcule sa position en fonction des signaux du satellite et compare sa position à la position connue.
• La différence entre les deux emplacements est appliquée aux données enregistrées par le récepteur GPS.
• Fournit une précision de positionnement de l’ordre du sous-mètre au cm

Le DGPS utilise un réseau de stations terrestres fixes pour transmettre la différence entre les positions indiquées par les systèmes satellitaires GPS et les positions fixes connues.

Ces stations transmettent la différence entre les pseudorangées mesurées du satellite et les pseudorangées réelles et les stations réceptrices peuvent corriger leurs pseudorangées de la même quantité.

Plus loin que le GPS

La navigation par satellite repose sur un réseau mondial de satellites qui transmettent des signaux radio depuis une orbite terrestre moyenne. Les utilisateurs de la navigation par satellite connaissent surtout les 31 satellites du système de positionnement global (GPS) développés et exploités par les États-Unis.

Trois autres constellations de satellites fournissent également des services similaires. Ensemble, ces constellations et leurs extensions sont appelées systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS).

Les autres constellations de satellites sont :

• GLONASS, développé et exploité par la Fédération de Russie.
• Galileo, développé et exploité par l’Union européenne
• BeiDou, développé et exploité par la Chine.$

Tous les fournisseurs ont offert l’utilisation de leurs systèmes respectifs gratuitement à la communauté internationale. Tous les fournisseurs ont élaboré des normes et des pratiques recommandées de l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI) pour soutenir l’utilisation de ces systèmes pour l’aviation.