Le GPS
Principe de fonctionnement du GPS
Qu'est-ce que c'est?
En 2 mots , il s'agit d'un sytème de positionnement par satellites capables de donner n'importe où sur le globe une position à une centaine de mètres près. La partie visible est un petit boitier électronique, qui quels que soit l'heure et le lieu, indique: l'endroit exact, l'altitude, la vitesse et l'heure, et ce avec avec rapidité et précision.
A quoi çà sert?
Pour nous civils, essentiellement à pouvoir se repérer dans un milieu inconnu, savoir où est le nord, et comment rejoindre un lieu précis si l'on connait ses coordonnées polaires. Mais il y a beaucoup d'autres fonctions que j'expliciterais plus tard.
Organisation:
Le projet NAVSTAR est coordonné par un bureau interarmée. Le « Joint Programm Office » (JPO) dont le siège est situé à LOS ANGELES.
Historique:
Le concept NAVSTAR est le résultat d'études entreprises en 1965 par l'armée de l'air et la marine américaine.
Les dates qui ont marquées la réalisation:
1965: Premier concept
1972: Etude préliminaires de faisabilité.
1974 - 1979: Validation du concept (1er tir Février 1978)
1979-1986: Evaluation 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.
Objectifs:
Le système GPS est à l'origine un système de navigation par satellites imaginé par les militaires américains du DoD (Département of Defense), qui contrôle et finance entièrement le projet. A l'origine le GPS a été conçue pour fournir aux forces armées américaines un système de repérage global et de très bonne précision.
Les systèmes similaires de l'époque (SATNAV,etc) n'avaient pas la disponibilité et la sécurité requise pour leur exploitation opérationnelle dans les forces armées. Les spécifications de l'époque imposèrent au système GPS de fournir à un utilisateur autorisé une information précise de position, de vitesse et de temps, à tout instant et en tout point sur le globe.
Cependant s'est trés rapidement posé le problème de l'accéssibilité 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 à tout le monde, n'importe quel pays agresseur pouvant alors l'utiliser à son profit. Dés le début les USA voulait s'assurer la maitrise totale quant à l'exploitation du système GPS, mais ne voulait pas exclure les applications civiles, on a alors imaginé le compromis suivant:
- un service de grande précision réservé au militaire c'est le mode PPS (Precise Positioning System)
- un second service aux possibilités dégradées (env 100 mètres) auquel aurait accès toute personne munis d'un récepteur, c'est le mode SPS (Standard Positionning System).
Le mode PPS exploitant pleinement le système pour une précision de moins de 10m et le mode SPS qui utilisant une électronique simplifiée est en plus soumis à une dégradation volontaire des signaux satellitaires pour une précision de 100 mètres environs. 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 maitrise totale de l'aspect militaire du projet, et faisait un beau cadeau aux civils.
Le succès scientifique et opérationnel du GPS est universel, mais la tutelle du gouvernement des Etats-Unis rend le monde entier dépendant d'un seul état. Or la nécessité d'utiliser les satellites pour les opérations de positionnement et de navigation est un phénomène désormais irréversible. Pour échapper à cette dépendance les instances internationales ainsi que certains états évoquent l'idée d'un ou plusieurs GNSS.
La radionavigation est en cours de transformation radicale avec l'arrivée des systèmes de navigation par satellites G.N.S.S (Global Navigation Satellite Système). Il existe actuellement deux systèmes candidats pour remplir les fonctions du GNSS :le système militaire américain NAV.S.TAR-G.P.S (navigation system time and ranging - Global Positioning System) et le systeme soviétique GLO.NA.S.S(GLObale NAvigation Satellite System).Ces systèmes ont un potentiel très important car ils allient pour la première fois des qualités exceptionnelles : couverture quasi mondiale et quasi permanente , précision de localisation, nombre d'utilisateurs illimité et coût très faible du service.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS
La détermination de la position
Le principe du positionnement GPS est très proche du principe de triangularisation. On mesure la distance entre l'utilisateur et un certain nombre de satellites de positions connues. On définit ainsi des sphères centrées sur des satellites et dont l'intersection donne la position. Le récepteur GPS est capable d'identifier le satellite qu'il utilise à l'aide du signal pseudo aléatoire émis par chaque satellite. Il charge, à l'aide de ce signal, les informations sur l'orbite et la position du satellite. Pour mesurer la distance qui sépare le satellite du GPS, on mesure le temps T mis par le signal pour aller de l'un vers l'autre.
Le système GPS permet également de mesurer la vitesse à laquelle se déplace l'utilisateur. Cette évaluation se fait par mesure de Doppler sur le signal provenant d'un satellite GPS. En effet, le signal perçu par le récepteur GPS n'a pas exactement la même fréquence que lorsqu'il est généré par le satellite. Suivant le principe Doppler, le rapport des fréquences est fonction des positions et des vitesses relatives du satellite et de l'utilisateur.
Les signaux émis par les satellites GPS
Chaque satellite émet simultanément sur deux fréquences porteuses, l'une à 1575.42 Mhz, l'autre à 1227.6 Mhz. Le signal est modulé en modulation de phase. Chaque satellite GPS émet un message de navigation, qui contient toutes les données nécessaires au récepteur pour effectuer tous les calculs de navigation. Ces données comprennent :
- une information de l'état de santé du satellite
- les informations nécessaires à l'acquisition du code du message
- les informations de précision du satellite
- une information concernant le retard de propagation dû à la ionosphère
- les éphémérides du satellite
Aquisition du signal
- Le signal reçu diffère du signal émis pour plusieurs raisons :
- le bruit du canal de transmission.
- le décalage temporel dû au temps de propagation et aux décalage des horloges de l'émetteur et du récepteur.
- le décalage fréquenciel dû à l'effet Doppler et aux instabilités des horloges d'émission et de réception.
La dégradation volontaire de la précision
Suivant les recommandations du Departement of Defense américain (DoD) la précision est ainsi dégradé pour le Standarding Positioning System (S.P.S), c'est à dire pour les civils, aux valeurs suivantes :
- 100 mètres d'incertitude horizontale
- 156 mètres d'incertitude verticale
- 340 nanosecondes d'incertitude sur le temps
- 0.3 mètres par seconde d'incertitude sur la vitesse
Note : Depuis le 1er Mai 2000, le Gouvernement Américain a mis fin à la dégradation volontaire du signal GPS (connu sous le nom de Selective Availability ou SA).
Le système Navstar est financé par des organisme militaires. Pourtant, nombreuses sont les applications civiles. Le GPS présente des avantages non négligeables vis à vis des conditions atmosphériques mais également vis à vis de sa non dépendance en luminosité (signal accessible jours et nuits). Ainsi il donne lieu à de multiples utilisations :
La navigation en temps réel est l'une des applications élémentaires et principale du GPS. Tout objet mobile muni d'un récepteur GPS peut connaître en temps réel sa position et sa vitesse dans un repère terrestre.
La précision attendue pour un tel mode de navigation est de 10 à 15 mètres sur sa position et de quelque centimètres par seconde sur sa vitesse si l'utilisateur utilise le code précis et une centaine de mètres dans le cas contraire.
Que ce soit sur terre, sur mer, ou dans les airs, ses performances excellentes et le faible coùt du récepteur GPS, font de ce système un instrument de navigation très prisé. Seule la navigation civile aérienne est encore réticente pour des raisons techniques (l'intégrité du système, c'est à dire la certitude dans un temps très court, que tel ou tel satellite fournit ou non des données correctes, n'est pas assurée, et il faut installer de lourds moyens de surveillance de la constellation GPS) et politiques ( il faut beaucoup de garanties pour faire accepter par la communauté internationale un instrument essentiel de navigation qui est entièrement dans les mains des militaires d'un pays). Mais la navigation en temps réel est loin d'être l'unique application du GPS.
La voiture du futur :
Bientôt, nos véhicules seront tous équipés de systèmes de navigation GPS avec un système informatique embarqué permettant de donner des informations vocales sur un chemin à suivre, sur des lieux à éviter ou à visiter sur les conditions météos, hotels, restaurants, stations d'essence, ect...
Méthode différentielle:
Les erreurs du systèmes GPS sont de 2 ordres.
Le premier type d'erreurs est d'ordre volontaire, en effet afin d'empécher le déploiement opérationnel de récepteur GPS militaire ou civil non agréé par les Etats Unis, ces derniers procèdent à une dégradation volontaire des signaux de façon à ammener l'erreur RMS en SPS à près de 100 mètres.(Arrêté depuis le 01 mai 2000, mais peut être remis en service à n'importe quel moment.)
Le second type d'erreurs est due aux incertitudes intrinsèques du systèmes GPS, elles sont dues principalement aux délais de transmission, aux précisions des horloges embarquées, à la position du satellite ainsi qu'au codage.
Cependant ces 2 types d'erreurs sont hautement corrélées spatialement. C'est a dire que 2 récepteurs proches géographiquement l'un de l'autre subiront les même erreurs. Donc tous se passait comme si la position réelle de chaque récepteur était entachée d'un offset quelconque, aléatoire mais presque identique pour les deux.
On a donc imaginé la méthode suivante pour y pallier:
- On place un récepteur à un point connu avec grande précision par des moyens géodésiques conventionnels.
- On raccorde à ce récepteur un émeteur radio qui envois la position mesurée.
- Le mobile à situer possède lui aussi un récepteur GPS, mais dispose en plus d'un récepteur radio et d'un calculateur.
- Le calculateur récupère donc les données fournies par les 2 GPS, sachant la position réelle du GPS de référence il en déduit une erreur. Cette erreur sert ensuite à corriger la position donnée par le GPS du mobile.
On voit donc que l'efficacité de la correction diminue assez rapidement, et ceci s'explique ainsi. La dégradation volontaire correspond a altérer les paramètres d'un satellite de façon à ce que ce dernier envoie des données éronnées. Toute la constellation n'est pas touchée, seules quelques plateformes sont déréglées volontairement et elles changent régulièrement, donc pour l'erreur volontaire et pour l'erreur de principe il faut que les 2 récepteur GPS travaillent sur des signaux satellites identiques. L'idéal étant que les récepteur GPS soit spécialement prévue pour le diférentiel ainsi il envoie d'autre info que la position, du genre les sat de travails, leurs ordres, etc ainsi les 2 récepteurs pourraient travailler ensemble sur les mêmes données améliorant du même coup la correction.
En conclusion on pourra dire que le mode différentiel est utile a tous, car même des récepteur PPS agrées qui ne subiront donc pas la dégradation pourront tout de même corriger les erreurs du principe et augmenter encore leur précision. Officieusement elle descendrait alors au mètre mais l'info est classifiée. Les récepteurs SPS seront tout de même les grand gagnants car ce sont eux qui auront le meilleur gain de précision.
Le mode pseudo différentiel:
Le système différentiel a l'inconvénient de demander une position de référence précise et bien définie ce qui implique que tout déplacement de la référence doit faire l'objet d'un nouveau relevé géodésique. On peut alors agir comme suit:
- On place le gps de référence en un point que l'on définit comme référence mais dont on ne connais pas la position exacte. Le second GPS est équipé du calculateur et du récepteur radio. Mais le calculateur n'effectue plus une correction d'après une valeur absolue mais mesure simplement le déplacement d'un GPS par rapport à l'autre (soustraction de position). On a donc en sortie du calculateur une position donnée dans un repère géodésique local qui a pour centre le récepteur GPS de référence. L'erreur est aussi compensée puisque les 2 positions sont entachées de la même erreur.
Le système est ainsi plus souple puisque ne nécessite plus de position formelle.
En conclusion on a là un outil abordable pour des applications civiles requérant une bonne précision. Le système est autonome et moins couteux qu'un ensemble différentiel standard.
Choisir un GPS:
Il existe 3 familles de GPS:
- La famille Aviation
- La famille Maritime
- La famille Terrestre.
* En fait il en existe d'autres, mais qui sont des appareils professionnels, et une 4e qui est un nouveau produit destiné aux automobiles et qui est simplement un appareil intégrant à la fois un gps, un logiciel de navigation, un lecteur cd pour la lecture de cartes et un petit écran vidéo; donc la même chose qu'un gps couplé à un ordinateur portable, avec certaines fonctions en moins. Néanmoins ce type d'appareil, malgré son coût, devrait se banaliser dans les années à venir, ce qui est une très bonne chose pour le dévelopement de la cartographie dans le monde et plus spécialement pour l'Europe, l'Afrique et l'Asie.
Dans chacune de ces familles on trouve différents types d'appareils:
- Les modèles basic
- Les modèles intégrant une cartographie
- Les modèles permettant d'intégrer une cartographie de son choix, à partir d'un ordinateur
- Les mêmes modèles avec en plus un téléphone satellitaire intégré.
Attention: Les GPS sont gourmands en consomation électrique. Prévoyez un stock de piles ou mieux si vous l'utiliez sur un véhicule, achetez le cordon d'alimentation sur l'allume-cigare.
Utilisation:
Après avoir déballé votre carton et inséré vos piles dans votre GPS vous devez d'abord:
Initialiser les paramètres (unités de mesure, standards, heure, ect...) Voir la notice.
Initialiser votre GPS. Sur certain modèles on peut entrer un point non précis pour indiquer au GPS que l'on est en France où ailleurs. Cette indication permet à l'appareil de scanner en premier les satellites les plus proches. Dans le cas contraire l'initialisation est un peu plus longue puisque ce scan va s'opérer en recherchant un par un, les 24 satellites qui couvrent notre planète. Cette initialisation devra être faite chaque fois que vous vous déplacez de plus de 100 Kms, le GPS éteint bien sur. Vous devez réaliser cette opération en plein air et non dans votre appartement pour une question de reception des signaux.
Pour caler ou "locked" votre GPS vous devez recevoir les signaux à plus de 80% d'au moins 3 satellites pour une visualisation en 2D, et 4 pour une visualisation en 3D. Cette 3ème dimension étant l'altitude.
Pour les néophytes, arrivés à ce stade vous maitrisez votre gps à 80%.
Vous êtes calé, bravo, vous connaissez donc la position de votre maison en latitude et en longitude.(Ces références utilisent une grille imaginaire que vous avez sélectionnée, ou non, lors du parametrage de votre GPS, appellée datum. Si vous reportez ces coordonnées sur une carte utilisant un autre type de grille vous pourrez avoir une erreur de plusieurs centaines de mètres.Je vous conseille à ce stade d'utiliser votre GPS autour de chez vous pour aller au travail, ext... pendant une semaine, afin de connaitre toutes les possibilités de votre GPS.
Vous connaissez donc le point de votre maison. Pour enregister ce point vous avez un bouton ou un menu, ou les deux, appellé en général "waypoint". Vous pouvez en général donner un nom à ce point et y ajouter une icône. Pour notre exemple nous appellerons ce point "maison". Répétez cette opération sur votre lieu de travail par exemple et nommez le "bureau". Avec ces deux points nous allons pouvoir créer une route. Entrez dans le menu route de votre GPS et appellez successivement ces deux points. Sauvegardez cette route en lui donnant un nom. Il ne vous reste plus qu'à presser le bouton ou le menu "GO TO" et oh miracle vous avez instantanement la distance et le cap qui s'affiche sur votre petit écran. Attention, la distance qui s'affiche correspond à une ligne droite imaginaire séparant vos deux points. Cette ligne ne tient pas compte des routes ou autoroutes pour vous rendre d'un point à l'autre. La distance réelle est donc differente de celle indiquée par votre GPS.
En vous rendant d'un point à l'autre vous allez avoir accès à d'autres informations en validant des fenêtres de visualition sur votre GPS comme: votre vitesse, le temps et l'heure estimée de votre arrivée, les Kms restant à parcourir, l'erreur de cap (puisque vous ne roulez pas en ligne droite), la correction de cap à effectuer, ect... Au fur et à mesure que vous avancez vous pouvez aussi voir se dessiner sur votre écran, le chemin que vous avez parcouru. Ce chemin s'appelle aussi "Plotter". Ce chemin est composé d'un certain nombre de points ou "Plot" qui se sont enregistrés automatiquement. En général vous pouvez par un menu, paramétrer l'enregistrement de ces points soit par des valeurs temporelles soit par des valeurs de distances. Les GPS pourvu d'une capacité de mémoire permettent d'enregistrer et de nommer ces chemins.
Pour les modèles maritimes je vous conseille fortement d'acquérir un DGPS, (un différentiel) qui vous permettra d'obtenir une très grande précision. (Important pour les hauts fonds, la plongée, ect...)
Voilà, vous êtes maintenant un expert en utilisation d'un GPS.
N'OUBLIEZ JAMAIS: Un GPS est un appareil électronique qui par définition donc,. Il ne peut remplacer cartes et boussole.
