L’historique nécessité de savoir où on est. Deux fois par an dès le 14e siècle, l’Azalai - caravane de milliers de dromadaires en tamasheq langue des Touareg - transportait des plaques de sel gemme extraites des salines de Taoudeni au nord du Mali jusqu’à Tombouctou la ville aux 333 Saints. D’autres caravanes transportant des pèlerins rejoignaient La Mecque en passant par Alexandrie en Egypte.
Sur ces routes serpentant d’infinies étendues de sable, le nord, le sud, l’est et l’ouest semblent indiquer la même direction. Pour s’orienter, les étoiles étaient les seuls guides de nos caravaniers. De nos jours on a besoin de savoir où on est sur la terre au mètre près. Connaître l’heure qu’il est à la micro-seconde près est impératif dans certains secteurs d’activité. Ceci a conduit au développement du système de navigation par satellites GPS (Global Positioning System). Ainsi donc, hier on scrutait le ciel à la recherche d’étoiles pour trouver son chemin. Aujourd’hui c’est le GPS qui scrute le ciel pour nous à la recherche de satellites qui entre-temps les ont remplacés.
Le GPS.
Le GPS est un système global de navigation par satellites. Il vous permet de savoir où vous êtes, l’heure qu’il est, n’importe où sur le globe terrestre avec une précision jamais égalée. Il a été conçu par l’armée américaine qui en avait besoin pour localiser ses équipements et ses troupes sur les théâtres d’opération. Le développement du projet a duré 20 ans et après plusieurs tests de validation il a été rendu opérationnel en 1994. L’idée de ce système est ancienne mais sa concrétisation a été rendue possible par deux progrès technologiques majeurs : la mise au point d’horloges atomiques ultrastables de grande précision et la maîtrise des constellations de satellites. Issu de l’armée, ce sont pourtant les applications civiles du GPS qui ont connu le développement le plus rapide et leurs limites semblent infinies.
Le principe du positionnement.
Le positionnement est fondé sur une constellation de satellites en orbite autour de la terre. Chaque satellite diffusant en permanence des messages donnant sa position précise aux récepteurs GPS au sol. Chaque récepteur GPS a besoin pour connaître sa propre position la distance qui le sépare d’au moins quatre satellites qu’il a en visibilité. Les messages de diffusion qu’il reçoit des satellites lui permettent de calculer ces distances et d’en déduire avec précision sa propre position dans l’espace : longitude, latitude, altitude et l’avance ou le retard de son horloge par rapport au temps de référence GPS. Plus les satellites visibles sont nombreux, meilleure est la précision du calcul de position.
Les récepteurs GPS
C’est, vu de l’utilisateur, la partie visible du système GPS. Un récepteur GPS comporte une antenne, un amplificateur, un convertisseur de fréquence, une horloge et un processeur de position. Ces composantes du récepteur assurent les fonctions d’acquisition du signal satellite, son traitement et le calcul de position. Si le rôle de l’antenne est évident, celui des autres parties du récepteur l’est beaucoup moins. En orbite à 20 200 km, le satellite GPS émet un signal qui arrive au sol très affaibli. Il doit être amplifié pour permette son traitement.
Le convertisseur a pour fonction d’abaisser la fréquence très élevée du signal reçu à l’antenne pour le rendre plus apte au traitement. Et pour finir, le processeur de position calcule la position du récepteur – longitude, latitude, altitude – et l’heure qu’il est. En s’appuyant sur son horloge interne et ses positions successives le récepteur GPS est aussi capable déterminer sa vitesse de déplacement. Tout récepteur GPS met en œuvre les fonctions précitées mais est décliné différemment selon la précision voulue et son environnement d’utilisation.
Les récepteurs grand public
Ces récepteurs à usage civil sont les plus communs. On rencontre trois modèles de GPS grand public :
Les récepteurs embarqués dont sont équipées les voitures. Associés à une base de données cartographique préalablement chargée ils guident le conducteur en calculant son itinéraire pour se rendre à sa destination.
Les récepteurs des téléphones portables et smartphones qui tirent parti des possibilités offertes par ces équipements : téléphonie mobile, internet, puissance de calcul et grand espace de stockage. Ils donnent accès à un ensemble quasi-infini de services basés sur la localisation de l’utilisateur. On s’en sert par exemple dans la rue pour localiser la pizzeria, l’hôpital ou le cinéma le plus proche.
Enfin, les récepteurs autonomes. De la taille d’un téléphone portable, ces récepteurs ont la faveur des randonneurs.
Les récepteurs certifiés pour les transports.
Parce que la sécurité des personnes et des biens est engagée, ces récepteurs doivent subir des tests de certification avant leur mise sur le marché. La précision de positionnement de ces récepteurs est garantie. On les rencontre dans les avions commerciaux qui les utilisent dans leur phase d’approche et d’atterrissage.
Les récepteurs militaires
Ces récepteurs sont construits pour fonctionner dans des conditions extrêmes. Le signal GPS qu’ils reçoivent des satellites est crypté pour en contrôler l’accès. Embarqués sur un avion de chasse ou un missile, ils peuvent fonctionner à des vitesses très élevées. En terrain ennemi ils doivent résister au système de brouillage du camp adverse.
Les récepteurs géodésiques
Ce sont des récepteurs statiques installés au sol et incorporant des horloges atomiques ultrastables. Leur précision de positionnement est de l’ordre du centimètre. Ils sont utilisés pour l’établissement de cartes terrestres de grande précision.
On peut raisonnablement se poser la question du type de messages que les satellites envoient aux récepteurs GPS pour leur permettre de calculer leur position.
Les messages GPS
Ces messages sont de plusieurs types :
Les almanachs qui contiennent la position prévisionnelle de tous les satellites sur une semaine avec une précision de 1 km. Ces almanachs sont produits dans les centres de contrôle du GPS situés au sol qui les transmettent aux satellites qui à leur tour les diffusent aux récepteurs.
Les éphémérides, plus précis donnent la position de tous les satellites à 10 m près. Contrairement aux almanachs chaque satellite diffuse uniquement ses propres éphémérides.
Les paramètres de correction d’horloge et ionosphérique. Le système GPS dispose d’un temps de référence fourni des horloges atomiques ultrastables installés au sol. Les horloges au Césium ont une précision de 1 seconde sur 300 000 ans et 1 seconde sur 3 millions d’années pour les horloges à Hydrogène. Les corrections d’horloge donnent l’avance ou le retard de l’horloge embarquée sur le satellite par rapport au temps de référence. La température et la densité de l’atmosphère changent selon l’altitude, ce qui perturbe la propagation du signal émis par les satellites et induit des différences de vitesse de propagation du signal dans les hautes couches de l’atmosphère. Les corrections ionosphériques permettent de corriger les erreurs de calcul de distance entre le satellite et le récepteur GPS
Le récepteur GPS suffit à son propriétaire qui en retire un service de positionnement et de datation disponible en tous points de la surface terrestre. Mais derrière ce récepteur se cache une débauche de moyens technologiques sur terre et dans l’espace.
L’infrastructure du système GPS
Le système GPS comporte un segment spatial appelé aussi la constellation de satellites et un segment sol.
La constellation de satellite GPS est constitué de 31 satellites orbitant à 20 200 Km d’altitude. Sur ces 31 satellites seuls 24 sont nécessaires au fonctionnement du système. Les 7 autres servent de satellites de remplacement en cas de panne. Ils servent aussi à améliorer les performances du système en augmentant le nombre de satellites visibles des récepteurs au sol. Les 31 satellites sont répartis sur 6 plans orbitaux inclinés de 55° par rapport à l’équateur. Le satellite GPS fait le tour de la terre en 12 heures. Par comparaison les satellites géostationnaires utilisés pour les télécommunications sont lancés à 36 000 km et font le tour de la terre en exactement 24 heures, ce qui fait que ces satellites semblent immobiles quand on les observe de la terre.
Le choix de l’altitude des satellites est le fruit d’un compromis. A basse altitude il faut un nombre plus important de satellites pour couvrir toute la surface de la terre. A contrario, trois satellites géostationnaires suffisent pour couvrir la surface totale de la terre. A très haute altitude il faut des satellites plus gros et plus puissants donc plus chers à fabriquer et aussi à lancer ; Aussi le signal satellite arrive très affaibli au sol, et il est nécessaire d’avoir des récepteurs puissants, gros donc chers comme c’est le cas des téléphones satellitaires.
Le segment sol a pour fonctions le contrôle des satellites, la production des données d’almanachs et d’éphémérides que les satellites diffusent aux récepteurs GPS et la gestion opérationnelle de l’ensemble du système. Il comprend trois éléments :
Un centre de calcul et de contrôle situé dans une base de l’US Air Force dans le Colorado aux Etats-Unis. C’est le centre de commandement du système GPS.
Des stations de mesure disséminées sur le globe qui mesurent les signaux émis par les satellites. Ces mesures permettent de prédire la position des satellites – les almanachs et les éphémérides - plusieurs heures à l’avance.
Des antennes également disséminés sur le globe qui permettent communiquer avec les satellites et de les commander à distance.
Vu la taille et la complexité du système, d’importantes équipes d’ingénieurs en assurent la gestion opérationnelle 24h/24. Cette gestion regroupe principalement les opérations suivantes :
Les opérations du service de navigation qui consistent à calculer régulièrement les données de navigation qui sont transmises aux satellites.
Le lancement de nouveaux satellites. Les satellites GPS ont une durée de vie de 10 à 15 ans. Par conséquent des fusées sont lancées chaque année pour remplacer les satellites vieillissants qui sont conduits dans un cimetière à une altitude plus haute pour l’éternité.
Le maintien en orbite des satellites. Sous l’influence de l’attraction de la lune et du solaire les satellites dévient progressivement de leur orbite. Il est nécessaire de d’effectuer périodiquement des manœuvres orbitales pour replacer les satellites sur leur orbite pour respecter la géométrie de la constellation.
Le succès du GPS a créé un nouveau marché de plusieurs dizaines de milliards de dollars par an, suscitant l’appétit de nouveaux acteurs.
La concurrence s’organise
Le GPS américain est le standard de facto de la navigation par satellites. Mais la concurrence s’organise. Le système de navigation russe Glonass (Global Navigation Satellite System) est avec le GPS les seuls systèmes globaux de navigation opérationnels à ce jour. Glonass a une constellation de 31 satellites comme le GPS mais répartis sur 3 plans orbitaux. Les européens auxquels se sont associés les chinois travaillent sur leur propre système de navigation appelé Galileo qui sera mis en service d’ici à 2015.
D’autres systèmes existent mais sont limités à des pays ou régions. C’est le cas des systèmes indien et japonais. Se pose alors la question de l’interopérabilité des différents systèmes de navigation c’est-à-dire leur capacité à fonctionner ensemble sans que les signaux d’un système ne perturbent ceux de l’autre. Les smartphones du marché – l’iPhone de Apple par exemple - sont compatibles avec les systèmes GPS et Glonass et bientôt avec Galileo. L’avantage évident est que les récepteurs auront plus de satellites en visibilité en tous temps ce qui améliorera la précision de positionnement et les performances du système.
