SCIENTIF’HIC – En route pour les vacances…

… avec le GPS ! Retour sur l’histoire inédite et le fonctionnement scientifique de ce système de géolocalisation et de navigation aujourd’hui incontournable.

 

Une histoire américaine

 

C’est en 1968 que le Pentagone imagine le premier système de localisation géographique à la demande du président Richard Nixon : il permettait de localiser un point sur la planète en temps réel et en permanence grâce à des 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) est alors conçu par Ivan A. Getting, puis financé et développé dès 1973 dans un but d’utilisation strictement militaire. Le premier satellite est lancé en 1978, mais ce n’est qu’en 1995 que le système est déclaré opérationnel avec un total de 28 satellites en orbite.

 

En 1983, le président Ronald Reagan propose que la technologie soit accessible aux civils, une fois opérationnelle. Une seconde série de satellites est lancée à partir de 1989 afin de constituer une flotte suffisante. Puis en 1995, le nombre de satellites permet au système d’être opérationnel en permanence avec une couverture mondiale.

 

Pourtant l’exploitation de la technologie s'est heurtée au contrôle militaire : durant les premières années, la précision a été volontairement limitée à environ 100 mètres, ce qui a rendu son utilisation peu probante.

 

L'annulation de cette restriction par Bill Clinton, en 2000, a affiné la précision du système, passant à 20 mètres. Cette annulation a permis le développement des nouveaux services s'appuyant sur le GPS (navigation, surveillance, géophysique).

 

Anatomie du GPS

 

Le Système GPS, aussi connu sous le nom de Navastar, est le premier système de géolocalisation mondial. Il fonctionne sur l’exploitation de signaux radio émis par des satellites dédiés. Ce système a été mis en place à des fins militaires en 1973, mais n’a été ouvert au public qu’en 2000. Depuis, toute personne équipée d’un récepteur GPS peut connaître sa position en tout lieu 24 heures sur 24 avec une précision sans précèdent.

 

Le système GPS est composé de 3 segments :

 

• le segment spatial :composé de 31 satellites en orbite quasi-circulaire autour de la Terre, cette constellation comporte 24 satellites « titulaires » et 7 satellites de réserves en cas de dysfonctionnement, ils proposent tous le même service et sont tous opérationnels. La durée de vie d’un satellite est estimée à 8,5 années, ainsi ils sont constamment remplacés et renouvelés, la constellation de 31 satellites est donc composée de générations différentes :

• 12 du bloc IIR (depuis 97).
• 7 du bloc IIR(M)
• 12 du bloc IIF, construits par Boeing.

Les 31 satellites évoluent sur 6 plans orbitaux ayant une inclinaison de 55° sur l’équateur à 20.200 kilomètres ce qui permet au récepteur, en un point donné de « voir » 12 satellites simultanément, au maximum. Cela permet une couverture mondiale. Chaque satellite parcourt son orbite en 1 demi jour sidéral (11h 58 min 2 s).

 

• le segment de contrôle : le système GPS possède 5 stations au sol (à Colorado Springs) poursuivant les satellites et enregistrant en permanence tous les signaux. Leur rôle est de mettre à jour les informations transmises par les satellites et de contrôler leur bon fonctionnement.

 

• le segment utilisateur : ce segment regroupe tous les récepteurs GPS. En effet, les signaux transmis par les satellites peuvent être librement reçus et exploités par quiconque. Le nombre maximum d’utilisateurs GPS est illimité du fait que les utilisateurs ne font que recevoir les données de positions, vitesse ou temps et n’émettent rien vers les satellites.

 

 

 

Principe de fonctionnement

 

Chaque satellite transmet un signal en continu (ondes électromagnétiques) se déplaçant à la vitesse de la lumière. Ce signal contient de nombreuses informations telle que la référence du Satellite, l’heure d’émission ou l’éphéméride (valeurs calculées de diverses grandeurs astronomiques variables).

 

Il faut un total de trois signaux reçus pour que le récepteur calcule une position sur un plan (2D) et quatre pour obtenir une altitude (3D). Ainsi chaque récepteur GPS qui capte les signaux d’au moins quatre satellites équipés de plusieurs horloges atomiques peut, en calculant les temps de propagation des signaux entre lui et le satellite, connaître la distance qui les sépare. Puis par trilatération, le récepteur peut situer en trois dimensions n’importe quel point placé en visibilité des 4 satellites GPS. Pourtant la précision de ces signaux peut être altérée.

 

La précision peut être améliorée à l'aide de différents systèmes comme le DGPS (Differential GPS), développé par les Européens. Ce système corrige les erreurs de positionnement dues aux différentes perturbations.

 

En 2014, le nombre de récepteurs GPS opérationnels est estimé à 3,5 milliards. Il s’agit en majorité de téléphones mobiles (3,1 milliards) équipés de composants électroniques qui peuvent traiter les émissions de signaux par satellites.

 

Des usages du GPS, pour aujourd'hui... et pour demain

 

Les premières applications militaires : le GPS s’est rapidement révélé être d’une importance majeure pour les Etats-Unis : il permettait notamment de localiser les troupes sur le terrain des opérations. Puis, par la suite, certains missiles possédant des équipements GPS ont permis un taux d’efficacité dans les attaques plus importantes et d’avoir moins de dommages collatéraux. Par exemple, des essais de guidage des bombes ont eu lieu dans le désert de Yuma. Des bombes ont été larguées à une altitude de 10 000 pieds et l’erreur maximale de précision était en moyenne à 17 mètres. L’utilisation du GPS a permis d’accroître les performances des missiles utilisé par le « Department of Defence ».

 

L’armée américaine a de nos jours accès à un système GPS permettant d’obtenir une précision allant jusqu’au centimètre.

 

Le système de positionnement par satellites GPS a également de nombreux usages civils : bien que la performance du GPS soit moins précise que celui destiné au militaires, il permet d’offrir un grand nombre d’applications très variées :

 

• Localisation et navigation : le GPS permet une localisation fiable et précise des véhicules, que ce soit dans les airs, sur les mers, rails ou routes. Cette localisation a permis l’apparition de la navigation, si l’on prend l’exemple de l’automobile, où la majorité des véhicules sont équipés d’un récepteur GPS et interfacé d’un écran LDL proposant une carte géographique interactive avec la position du véhicule en temps direct. Puis un logiciel regroupant de nombreuses adresses fournit une trajectoire à suivre.

• Sauvetage et surveillance :  le GPS facilite le sauvetage notamment maritime ou aéronautique avec les balise-émetteur de détresse, il aide aussi à la lutte contre les vols (voiture, containers).

 

• Gestion : le GPS est notamment utilisé dans la recherche environnementale, dans la topographie (surveillance des failles, des plaques tectoniques, des volcans) et contribue à la défense de l’environnement (surveiller l’atmosphère, localiser les pollueurs).

 

• Assistance : assistance aux agriculteurs dans la gestion de leur production (agriculture de précision), prospection de nouvelles ressources.

  

 

• Usages domestiques ou individuels : grâce à l’intégration de puces GPS dans les smartphones .

 

 

Le GPS est une technologie de plus en plus utilisée que ce soit dans le domaine civil ou militaire. C’est une technologie qui nous entoure au quotidien et qui sert, comme nous l’avons vu, dans des secteurs très variés. De plus ce système ne cesse d’évoluer et annonce de grands projets dans le futur (voiture autonome). Le GPS est un système de géolocalisation d’intérêt fort pour les Etats-Unis et le monde en est conscient. Ainsi l’Europe, la Chine, la Russie développent depuis quelques années des systèmes concurrents (GLONASS en Russie, GALILEO en Europe et BEIDOU en Chine).

 

Paul Drianno – 1^ère S - LFM