Le siècle de la voiture intelligente

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1 Le siècle de la voiture intelligente

2 Transvalor Presses des MINES, boulevard Saint Michel Paris cedex 06 France presses@mines-paristech.fr photos de couverture : Centre de Robotique, Intempora. ISBN : Dépôt légal 2009 Achevé d imprimer en 2009 (Paris) Tous droits de reproduction, de traduction, d adaptation et d exécution réservés pour tous les pays.

3 Claude Laurgeau Le siècle de la voiture intelligente

4 Collection Mathématiques et informatique Dans la même collection Le traité de la réalité virtuelle Direction P. Fuchs, Coordination générale : G. Moreau Coordination du volume : S.Donikian Le traité de la réalité virtuelle, volume 5 Les humains virtuels Coordination du volume : B. Arnaldi et P. Guitton Le traité de la réalité virtuelle, volume 4 Les applications de la réalité virtuelle Coordination du volume : G. Moreau et J. Tisseau Le traité de la réalité virtuelle, volume 3 Outils et modèles informatiques des environnements virtuels Coordination du volume : J-M. Burkhardt et S. Coquillart Le traité de la réalité virtuelle, volume 2 L'interfaçage, l immersion et l interaction en environnement virtuel Coordination du volume : A. Berthoz et JL. Vercher Le traité de la réalité virtuelle, volume 1 L homme et l environnement virtuel Edited by John Cagnol and Jean-Paul Zolesio P. Information Processing Recent Mathematical Advances in Optimization François Goulette Modélisation3 D automatique Outils de géométrie différentielle

5 PREMIERE PARTIE Les systèmes de transport intelligents

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7 INTRODUCTION Cet ouvrage n accédera pas à la postérité, car il en est ainsi dans le monde des nouvelles technologies, qui évoluent très vite : ce qui est écrit aujourd hui sera obsolète dans quelques dizaines d années et même avant. Il faut positiver et trouver à cela au moins un avantage, c est la certitude que les lecteurs et l auteur ont été contemporains le temps de quelques décennies, qu ils ont un même vécu et peuvent partager un même contexte, conditions impossibles à rassembler un siècle plus tard. Les lecteurs de ce futur lointain pourraient difficilement imaginer l importance des mutations techniques que notre génération a connues pendant les vingt dernières années. Ce document a été rédigé pendant l été 2009, à l occasion du vingtième anniversaire du Centre de Robotique de l Ecole des Mines de Paris. Ce laboratoire créé ex nihilo en 1989, a orienté ses activités de recherche autour du thème de la robotique autonome communicante. Bien que plusieurs thèmes de recherche différents aient été abordés sur ces vingt années, l essentiel de l activité s est centrée sur la voiture intelligente, regardée comme un robot mobile ayant déjà son autonomie énergétique mais pas encore son autonomie décisionnelle. Le mémoire comprend deux parties : Une première partie dédiée aux systèmes de transports intelligents au sens large permettant au lecteur de se familiariser avec l environnement technique du sujet. Une seconde partie où sont décrites les principales actions de recherches conduites au Centre de Robotique sur ce sujet. L auteur tient à remercier ses collègues chercheurs du Centre de Robotique pour leur contribution à la rédaction de la seconde partie. LES «TIQUE S» ET LES «TIC S» L ère des «TIQUE s» L ère des IQUE s va couvrir une période d une quinzaine d années, de 1975 à 1990 environ. Toute une génération de mots recouvrant des concepts liés à l innovation dans un domaine d activité humaine apparaît. Certains de ces mots vont survivre, d autres vont être effacés par le temps. Citons en vrac : robotique, mécatronique, productique, bureautique, télématique, transitique, domotique, constructique, agriotique,. Certains de ces mots sont entrés dans les dictionnaires, un grand nombre font l objet d un article dans Wikipédia, de plus ou moins grande qualité en fonction des contributeurs. La robotique a fait son apparition en France dans les années 1970, associée à des bras manipulateurs se substituant à l homme dans des opérations répétitives de

8 8 Les systèmes de transport intelligents manutention d outils ou de pièces, opérations telles que le chargement ou déchargement des machines, le soudage, la peinture on parle alors de robotique manufacturière. Puis le concept s est étendu à la robotique dite de service dans laquelle le robot devient une machine autonome capable de se déplacer, de comprendre et d agir sur son environnement. Dès lors, la robotique est un surensemble de la perception avancée (reconnaissance et interprétation de scènes visuelles, reconnaissance et synthèse des sons), des sciences du raisonnement (méthodes d apprentissage, intelligence artificielle) et de l action (systèmes de contrôle avancés, logiciels temps réel). Le néologisme «productique» a été créé en 1979 par la société Philips pour désigner les applications informatiques dans le domaine de la production industrielle. Il provient de l'amalgame des mots «production» et «informatique». La productique est donc a priori un sur-ensemble de la Conception Assistée par Ordinateur (CAO), des Machines Outils à Commande Numérique (MOCN), de la robotique manufacturière et de la gestion de production. La productique a surtout établi l importance et même la prééminence de l organisationnel sur le tout technologique. Rien ne sert d investir dans la haute technologie si l organisation technique et humaine est défectueuse. La mécatronique qui a fait son apparition dans le Larousse en 2005 est un concept d origine japonaise. Il puise dans la mécanique et dans l électronique dont il fait l amalgame. Peu usité pendant de nombreuses années, il est remis en lumière aujourd hui en France par plusieurs des pôles de compétitivité. La bureautique, apparue vers 1980, correspond à l automatisation des opérations de bureau. Il faut se replonger dans le contexte de l époque avec les machines à écrire à mémoire, le papier carbone pour les copies, les premières machines à photocopier, les télex. pour comprendre la révolution qui a résulté du déploiement massif de la micro-informatique. Le bureau de secrétariat du passé était composé de trois parties : le plan de travail proprement dit sur lequel étaient produits les documents (lettres, devis) avec l aide de machines à écrire et à calculer, deux casiers pour l arrivée et le départ des courriers et des armoires pour le rangement et l archivage. Les logiciels bureautiques d aujourd hui reprennent cette même organisation qu ils dématérialisent et à laquelle ils ajoutent une totale flexibilité. La production des documents est assurée par les traitements de texte, les tableurs, les grapheurs. La communication se fait par le courrier électronique avec une éventuelle assistance du fax, et l archivage est assuré par les bases de données. Mais bien d autres fonctions d assistance sont offertes telles que les dictionnaires en ligne, les corrections orthographiques et grammaticales intégrées, la traduction automatique, la gestion d agendas, et même les téléréunions avec l écrit, l image et le son. Le terme Télématique a été inventé par Simon Nora et Alain Minc dans le livre L'informatisation de la Société (La Documentation Française, 1978). Il résulte clairement de l hybridation des mots télécommunication et informatique. Les auteurs imaginent les potentialités résultant de la connexion de terminaux permettant la visualisation de données informatiques stockées dans des ordinateurs à travers les réseaux de télécommunication. La mise en œuvre du concept va donner naissance au

9 Introduction 9 Minitel et au réseau Télétel reconnu dans le monde entier comme le premier réseau télématique grand public. Le Minitel en 1982 Le relatif succès du Minitel sera toutefois éclipsé par l avènement de l Internet et le terme télématique sera de moins en moins usité. Il est intéressant de noter qu il est remis au goût du jour par les constructeurs automobiles qui parlent d unité télématique pour définir un système embarqué comprenant un navigateur GPS, une carte SIM, un lecteur mp3, le tout capable de communiquer avec des systèmes nomades via Bluetooth ou vers l infrastructure via DSRC. La télématique routière existe. La transitique est un sous-ensemble de la productique et de la logistique. Elle concerne l automatisation des fonctions de manipulation et de transfert de pièces, de produits finis, ou d outils au sein même de l entreprise de production. La transitique recouvre aussi l identification des objets à manipuler par les technologies RFID ou code barres, les outils logiciels de pilotage et de supervision des flux physiques. C est donc la logistique interne à l entreprise. La domotique rassemble les innovations qui résultent des nouvelles technologies au service de l habitat. La domotique offre des fonctions comme le contrôle programmé ou à distance de l'éclairage, du chauffage, la gestion d'énergie, la sécurité des biens ou des personnes, et la communication. On peut y ajouter les ouvertures et fermetures à distance des portes de garages, des volets roulants, l arrosage des jardins et aussi la robotique d assistance à l intérieur des maisons (robots aspirateurs ou assistance aux handicapés) et à l extérieur (robot de tonte des pelouses). Mécatronique = Mécanique Électronique Productique = Production Informatique Bureautique = Bureau Informatique Télématique = Télécommunications Informatique Transitique = Transferts Informatique Constructique = Construction Robotique Agrotique = Agriculture Informatique D autres termes ont existé de manière éphémère dans les années 1990 comme Agrotique couvrant la robotisation des activités agricoles (taille automatique de la vigne, robot de traite des vaches, machines agricoles guidées par GPS ) ou

10 10 Les systèmes de transport intelligents Constructique traduisant l apparition dans l industrie du bâtiment de la robotique de chantier et de la domotique dans l habitat. L auteur de ce livre a lui-même créé le terme de «Novotique» en 1983 pour parler de manière générale des technologies innovantes issues des sciences de l information et de la communication, et créé une collection d ouvrages du même nom. De manière surprenante, les termes les plus anciens Automatique et Cybernétique sont assez peu utilisés pour parler des nouvelles technologies. L ère des «TIC s» L ère des TIQUEs aura duré une vingtaine d années avant d être supplantée par l ère des TIC s. Les TIQUES avaient l avantage de décliner des domaines applicatifs des nouvelles technologies dans des secteurs de l activité humaine. Le X-TIQUE est relativement bien cerné et compris aussitôt que la variable X est définie. Avec les TICs, cela est beaucoup moins vrai. Le premier spécimen des termes en TICs est le sigle NTIC pour Nouvelles Technologies de l Information et de la Communication. Il faut avouer que l on s élève là au niveau des métas concepts et que cela ne parle guère au citoyen ordinaire. Il y a d abord le N de nouveau mais dix ou quinze ans après, faut-il continuer à parler de NTIC ou simplement de TIC? Il y a ensuite le I de information et le C de communication, mais il s agit de «information» et non «informatique» et de «communication» et non de «télécommunication». Le T est celui de «technologie» et non de «technique». Bref nous pouvons dire que cela est assez flou et même assez technocratique. Mais nous ne pouvons faire abstraction des TIC s car elles s imposent à nous au niveau des instances de gouvernance nationale et surtout européenne. Elles dérivent de leurs homologues en anglais, l IS pour Information Society, l IT pour Information Technology, NICT pour New Information and Communication Technologies ou simplement ICT pour Information and Communication Technolgy. Au-delà des mots, qu y a-t-il de nouveau pour justifier le passage de TIQUE à TIC? Posons nous une question simple : quelles sont les quatre innovations qui ont le plus modifié la société tout entière sur les quinze dernières années? Sans chercher longtemps, nous allons annoncer : la téléphonie mobile GSM, l ordinateur individuel et portable, l Internet, et le GPS. À dire vrai tout le monde trouve rapidement les trois premiers sans préciser l ordre. Toutefois, les gens pensent moins spontanément aux systèmes de localisation et de navigation GPS. La téléphonie mobile ou GSM : Le Bi Bop fut de 1993 à 1997 le premier réseau de téléphonie mobile en France. Il fut rapidement remplacé par le GSM (Global System for Mobile communication). En 1995, le taux de pénétration du téléphone mobile en France était de 3 %. Il a connu, comme dans tous les pays du monde une très forte croissance. En octobre 2008, ce taux est passé à

11 Introduction 11 88% avec plus de 52 millions d utilisateurs. Malgré ce résultat impressionnant, la France se situe à la dernière place européenne puisque la moyenne de l EU27 est de 119%, avec 129% en Allemagne et 152% en Italie. Cela signifie que de nombreux européens ont plusieurs téléphones mobiles à usage privé ou professionnel. Jamais, dans l histoire de l humanité, une innovation technologique ne s est disséminée aussi vite et aussi massivement. Le PC (Personal Computer) fixe ou portable : il n y a pas d organisme officiel en France, pour le suivi du parc informatique. Mais l Université de Sherbrooke au Canada établit à partir des données de la banque mondiale des modèles de prédiction fiables, selon lesquels la France compte, en 2008, 81 ordinateurs pour 100 habitants. Internet : selon l ARCEP (Autorité de Régulation des Communications Electroniques et des Postes), le nombre d abonnés Internet en France fin mars 2009 était de 18,350 millions. La croissance sur un an a été de 13% soit 2,1 millions d abonnés supplémentaires. Tout en étant largement dépassé par la téléphonie mobile, la diffusion de l accès à Internet est aussi très impressionnante. Navigateur GPS : il est plus difficile de trouver pour la France des statistiques sur la pénétration des systèmes de navigation mobiles autonomes ou intégrés dans les smart phones. En 2005, il s était vendu 5,8 millions d unités en Europe et 4,3 millions d unités pour le seul premier trimestre En France, il s est vendu 2,5 millions de navigateurs nomades en 2007 et trois millions en Sans atteindre les niveaux du GSM et de l Internet, ces taux de croissance sont considérables et supérieurs à la progression de la photo numérique par exemple.

12 12 Les systèmes de transport intelligents LES GRANDS PROBLEMES DE L AUTOMOBILE AU DEBUT DU VINGT ET UNIEME SIECLE Quatre problèmes principaux interpellent aujourd hui la société : l énergie, l environnement, la sécurité et la congestion. Il y a encore quelques années, l ordre aurait été sécurité, congestion, énergie, impact climatique... mais en peu de temps, la société a pris conscience des importances relatives des problèmes et a réordonné les priorités. L énergie Toutes les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) résultent de la transformation sur des millions d années des organismes vivants végétaux ou animaux. Or, en moins d un siècle, l humanité a déjà quasiment épuisé ces ressources. Quand on dit l humanité - ce n est pas exact. Il y a sur la micro planète «Terre» un peu plus de six milliards d humains et environ un milliard de véhicules, mais ceux-ci ne sont pas distribués de manière homogène parmi les populations. Les pays riches, c'est-àdire l Amérique du Nord, l Europe de l Ouest et l Asie de l Est possèdent plus de six cents millions de véhicules (soit 60% du parc mondial) alors que leur population représente moins d un milliard de personnes, soit 15% de la population mondiale. Pour amener la Chine aux mêmes taux d équipement que nos pays il faudra fabriquer l équivalent du stock total de véhicules qui existent aujourd hui sur la terre. La capacité de production de la vingtaine de grands constructeurs automobiles mondiaux est d environ 70 millions de voitures par an. C est à la fois peu, puisque cela ne fait qu une voiture neuve fabriquée par an et pour cent habitant, mais c est bien trop, quand on sait que les matières premières et l énergie vont manquer pour les fabriquer, ainsi que le carburant pour les faire rouler L environnement On a popularisé récemment un indicateur d empreinte carbone des voitures en utilisant la masse de CO2 produite par kilomètre, par exemple 120g/km pour un petit véhicule récent et performant. Mais il serait plus parlant de parler en volume car le CO2 ne se trouve pas à l état solide à la sortie des pots d échappement. Une mole de CO2 pèse 44 g et occupe 22,4 litres à l état gazeux, ce qui signifie qu une voiture avec un indice de 176g/Km envoie 8,9 m3 de CO2 dans l atmosphère pour 100 Km parcourus, en ayant détruit le même volume d oxygène. L essence que nous brûlons dans nos voitures n est pas un corps chimique pur mais un mélange de plusieurs dizaines de molécules dont l une des plus représentatives est l octane. On a d ailleurs longtemps apprécié la qualité d une essence par son indice d octane. C8H ,5 O2 8CO2 + 9H2O Quand on brûle une mole d isooctane de masse 114 g, on détruit 12,5 moles soit 280 litres d oxygène et on rejette 8 moles de CO2 soit 179,2 litres et 162g d eau (201,6

13 Introduction 13 litres à l état vapeur qui se condense rapidement). Ce sont ces volumes considérables de CO2 relâchés dans l atmosphère qui ne peuvent plus être absorbés par les forêts ou dissous dans les océans qui produisent l effet de serre entraînant le réchauffement climatique et sa suite de calamités. La sécurité Dans nos sociétés occidentales surprotégées, l insécurité routière a longtemps été considérée comme le premier problème à résoudre. Il y a chaque année dans le monde environ 1,2 million de morts liés aux accidents de la route, mais là encore, ces morts ne sont pas distribués de manière homogène sur la population. Les pays riches comptabilisent moins de décès par an soit moins de 10% des drames liés à l insécurité routière alors qu ils possèdent environ 60% du total des voitures. Le reste du monde subit 90% des accidents mortels. L Inde à elle seule comptabilise plus de morts par an. Pour résumer la situation de manière brutale : les pays riches ont les voitures et les pays pauvres ont les morts. Remarquons encore que tout accident n a a priori que quatre causes possibles : le conducteur, le véhicule, l infrastructure ou la rubrique «autre cause». Or, plus de 95% des accidents mettent en cause la responsabilité du conducteur. La conclusion à en tirer est simple : supprimons le conducteur et remplaçons «l automobile» par un «robot mobile». La congestion (ou son opposé la mobilité) La congestion résulte d un déséquilibre en un lieu donné et à un moment donné entre l offre et la demande de surface circulante. Pour résoudre un déséquilibre, il existe a priori deux solutions : augmenter l un des facteurs ou diminuer l autre. On peut augmenter la surface circulante en construisant des autoroutes, en élargissant les anciennes mais cette solution, qui a été abondamment utilisée depuis un demi-siècle, défigure nos villes et nos campagnes et n est jamais parvenue à résoudre la congestion en milieu urbain. La construction massive de nouvelles routes a au contraire contribué à l étalement urbain, ainsi qu à l augmentation des distances et des consommations d énergie. En revanche, il est très simple par de nouvelles réglementations de diminuer la demande : il suffit par exemple de décider que les numéros impairs circuleront les jours impairs - et les pairs les autres jours. On aura ainsi divisé la demande par deux et éliminé les bouchons mais aussi restreint les libertés individuelles. Une autre solution consiste à agir sur la fiscalité en faisant payer l usage de la chaussée en milieu urbain. Les technologies de localisation et de communication permettent de manière élégante et efficace de taxer l usager en fonction du lieu et des heures de présence, son compte bancaire est débité en temps réel. C est la version moderne de l octroi des siècles passés. Notre propos est justement l étude de l impact des TIC sur les systèmes de transports, ce qui donne corps au concept de STI (Systèmes de Transports Intelligents). Depuis une vingtaine d années, ce domaine d activité s est structuré au niveau international sous l acronyme ITS pour Intelligent Transportation System.

14 14 Les systèmes de transport intelligents Chaque année depuis le premier congrès tenu à Paris en 1994, se tient l ITS World Congress qui se déplace chaque année entre les USA (ITS America), l Europe représentée par ERTICO et l Asie (principalement ITS Japan). Cette manifestation rassemble entre 5000 et 7000 participants du monde entier pour partager les avancées scientifiques, technologiques ou sociétales du moment, découvrir en parcourant l exposition les dernières innovations des constructeurs ou équipementiers et assister aux démonstrations de savoir-faire des industriels ou des laboratoires. Les congrès ITS ont eu lieu à New York (2008), à Stockholm (2009) et à Pusan (Corée) en Les pays avancés ont tous créé des associations de personnes physiques ou morales impliquées professionnellement dans ces sujets. En France, l ATEC a été créée ( ). Signalons aussi pour la France le dynamisme particulier du Conseil Général des Côtes d Armor qui anime ITS Bretagne et organise un congrès biannuel. ( ) Les TICs permettent d accroître fortement la sécurité et de diminuer la congestion, ce que nous allons développer dans les prochains chapitres. Malheureusement, il nous faut admettre que les deux problèmes essentiels de l énergie et de l environnement ne peuvent être résolus par le déploiement des TICs même si ça et là des contributions peuvent être apportées.

15 CHAPITRE 1 LES NOUVELLES TECHNOLOGIES DANS LE VEHICULE LES SYSTEMES DE NAVIGATION Un système de navigation, encore appelé système de guidage ou navigateur, comprend quatre éléments : Une carte numérique. Un logiciel de routage. Un système de géo-localisation automatique précis. Une interface homme-machine conviviale d interrogation et de présentation des résultats. La cartographie numérique On appelle SIG (Systèmes d Informations Géographiques) l ensemble des techniques informatiques pour créer, mémoriser, manipuler les informations de types cartographiques. Les SIG concernent la cartographie routière, mais aussi les réseaux ferrés, réseaux électriques, réseaux d eau, de gaz, d égouts, les réseaux fluviaux. En quelques années, plusieurs sociétés se sont développées pour créer ces bases de données gigantesques qui, outre la topologie des routes, contiennent les noms de rues, l emplacement des hôpitaux, hôtels, restaurants, musées, cinémas, stades Le réseau routier français comprend un million de kilomètres de chaussées. Si on place un point tous les deux cents mètres avec ses coordonnées (latitude, longitude et altitude), cela fait quinze millions de données à stocker, ce qui est peu avec les technologies de mémorisation disponibles aujourd hui. On peut donc rajouter d innombrables informations écrites, visuelles ou sonores - la France tiendra aisément sur un CDROM de 700 Mo. Le réseau routier est en fait un gigantesque graphe dont les sommets sont les points GPS et les arêtes les segments de route. Le routage est la recherche d un chemin optimal, au sens d un critère, pour relier un point de départ à un point d arrivée. Le critère pourra être le chemin le plus court ou le plus rapide ou le plus économique. Ce qui suppose que les différents segments du graphe soient connus avec leurs longueurs, leurs capacités d écoulement de trafic et le cas échéant leurs coûts de péage. Le chemin obtenu sera un routage qualifié de statique, c'est-à-dire que le chemin retenu ne tiendra pas compte de la situation du trafic au moment où le déplacement sera effectué. Pour avoir un navigateur intelligent ou dynamique, il faut bien sûr disposer d un service de recueil de données trafic en temps réel de manière à modifier «l impédance» des segments de route qui sont chargés en circulation.

16 16 Les systèmes de transport intelligents Toutefois, pour obtenir un système de guidage, il faut disposer d un capteur de localisation qui délivre en permanence la position du véhicule et la reporte sur la carte numérique. L opération de report du point courant sur la carte numérique consiste à mettre en correspondance les données du capteur de localisation (longitude et latitude) et un point de la route qui est discrétisée avec un point tous les deux cents mètre par exemple. Cette opération s appelle le «map matching» ou mise en correspondance. Le travail est facilité par le fait que le véhicule est a priori sur la route et que l on connaît aussi son sens de déplacement. Même avec des capteurs GPS à bas coût, la localisation se fait à moins d une dizaine de mètres. Les cartes numériques sont fournies en Europe principalement par deux sociétés : Navteq et Tele Atlas. Ces opérateurs sillonnent les routes avec des véhicules équipés de matériel informatique et de caméras vidéo pour relever les caractéristiques utiles comme les voies de circulation, la signalisation, les intersections. La couverture de la France atteint aujourd hui 100 %. La numérisation totale du réseau routier, des grandes agglomérations et des villes moyennes avec plusieurs milliers de plans détaillés, rue par rue, constitue un travail colossal. Les modifications comme les sens interdits, les nouveaux noms de rues, les ronds-points et l ouverture de nouvelles routes sont prises en compte dans les meilleurs délais. Il est d ailleurs possible de faire remonter les erreurs en contactant directement les fournisseurs de cartes : Navteq avec Map Reporter et Tele Atlas avec Map Insight. Une solution «Open source» appelée OpenStreetMap constitue une alternative à la cartographie commerciale. Openstreetmap est un projet destiné à réaliser une carte du monde, sous licence dite libre. Cela signifie que tout le monde est libre d'utiliser, d'améliorer, de distribuer ou d'effectuer des travaux dérivés à partir des cartes Openstreetmap. De nombreux opérateurs offrent sur le WEB des services utilisant la cartographie. Via Michelin par exemple reporte sur sa carte la météo en temps réel, la position des radars, l état du trafic et bien sûr les restaurants, les hôtels. La préparation d un voyage avec le routage personnalisé voiture, vélo, piétons et la recherche de parcours touristiques sont proposées. Google profite du succès de son navigateur pour proposer ses services autour de la cartographie «Googlemap». Ci-après l image satellite de l Ecole des Mines de Paris puis l entrée de l école au 60 boulevard Saint Michel sur Googlemap.

17 Les nouvelles technologies dans le véhicule 17 Technologie de géo-localisation automatique Aussi loin que l on remonte dans l histoire de l humanité, l'homme a cherché à voyager pour découvrir le monde. Cela l'a conduit à devoir se localiser sur la terre. Dans un premier temps, il a repéré son chemin grâce à sa mémoire visuelle, mais cette méthode limite son rayon de déplacement.

18 18 Les systèmes de transport intelligents L'invention de la boussole a été une découverte décisive, qui lui a permis de s'orienter et de se positionner sur des cartes. Les marins, les géologues et les aviateurs ont ainsi appris à faire le point. En reconnaissant trois points (les amers) dans son environnement, l'observateur peut mesurer au compas de relèvement trois angles par rapport au nord et ainsi se positionner au centre d'un triangle. La précision de cette méthode de positionnement est très bonne. Elle est toutefois liée à la précision des instruments de pointage. De plus, l'observateur doit détecter trois amers connus sur sa carte, ce qui n'est pas toujours possible et difficilement réalisable de manière automatisée. Pour des besoins militaires, les Etats-Unis ont développé dans les années 70 un système de localisation automatique précis d un point quelconque de l environnement terrestre. Pour cela, une myriade de 31 satellites a été lancée : elle sert d amers repérables automatiquement. Le système qui s est appelé «GPS» (Global Positioning System) exploite, lui aussi, le principe du «point optique» exposé précédemment. Avec retard, l Europe s est engagée à mettre en œuvre un système concurrent nommé Galileo. Conçu une trentaine d années après le GPS, il apportera quelques progrès technologiques, mais le retard de son déploiement constitue un handicap important. Principe de fonctionnement du système GPS : Pour que les simples PDA (Personal Digital Assistant) que nous utilisons aujourd hui puissent se localiser, une imposante technologie est déployée à l échelle de la planète. Le système GPS comprend en effet un ensemble de satellites qui tournent autour de la terre, un ensemble de stations au sol et bien sûr les millions de récepteurs GPS passifs qui tirent les bénéfices de cette boussole électronique précise offerte à l humanité tout entière par les Etats-Unis d Amérique. Le segment spatial Il est constitué actuellement d'une constellation de 31 satellites (NAVSTAR pour NAVigation Satellite Timing And Ranging). Ces satellites sont répartis sur 6 orbites quasi circulaires d'inclinaison 55 par rapport à l équateur, à une altitude d'environ Km (période 11 heures 58 minutes 02 secondes). La configuration du réseau de satellites est conçue de manière à assurer à tout moment la réception au sol d un maximum de signaux en provenance des satellites, surtout sur les parties habitées de la terre.

19 Les nouvelles technologies dans le véhicule 19 La constellation des satellites du GPS Les stations de contrôle et de poursuite au sol : Observant les satellites, ces stations au sol au nombre de 5, ont un triple rôle : Observer les dérives des satellites par rapport à leur orbite nominale (ces dérives sont principalement dues à la pression de radiation solaire et aux chocs avec des micrométéorites). Calculer le biais des horloges atomiques des satellites qui, malgré leur grande stabilité, dérivent légèrement (de l'ordre de 0.1 ms par an) par rapport à l'horloge de référence de l'observatoire de la NASA. (Rappelons que si l'horloge d'un satellite est fausse de 0.1 ms, la mesure de distance est fausse de 30 km! Alors que la précision requise est de l'ordre de 50 m! ) Mettre à jour, à partir de relevés atmosphériques, les coefficients du modèle des couches ionosphériques et troposphériques de l'atmosphère, utilisés par le récepteur pour le calcul de la distance à partir du temps de propagation. Ces trois informations (paramètres orbitaux, biais de l'horloge du satellite, coefficients atmosphériques) sont périodiquement réactualisées (toutes les 30 s) et transmises aux satellites qui les réémettent vers les récepteurs dans le message de navigation. Les récepteurs Ils sont constitués d'un récepteur radio, d'une horloge et d'un processeur. Un récepteur G.P.S. se positionne en mesurant les distances qui le séparent des satellites. En théorie, trois satellites suffisent pour calculer ses trois coordonnées. En réalité, comme les distances sont calculées à partir de la mesure des temps de propagation satellites récepteur et que ces temps ne sont mesurés qu à une inconnue près (le biais de l horloge du récepteur par rapport aux horloges des satellites) il faut un quatrième satellite.

20 20 Les systèmes de transport intelligents L utilisateur cherche donc à déterminer 4 inconnues : sa position (trois coordonnées x, y, z) et le biais de son horloge (τ). Il a donc besoin de signaux provenant d au moins 4 satellites. De façon schématique, on peut dire que chaque satellite émet deux types de signaux : un «top» (toutes les millisecondes) qui est utilisé pour la mesure de distance et un «message de navigation» (toutes les 30 secondes) contenant les paramètres orbitaux du satellite. Supposons qu un satellite Si émette un top à une heure t1 : ce signal parvient au récepteur R à une heure t2, la distance satellite récepteur est d (Si, R) = c.(t2-t1), avec c la vitesse de la lumière. Or, l horloge du récepteur étant biaisée, l heure de réception mesurée est (t2- τ), la distance mesurée est di = d (Si, R) + c. τ La distance di = d(si, R) + c. τ est appelée «pseudo-distance». Distance et pseudo-distance satellite récepteur Le récepteur doit donc résoudre le système suivant : x, y, z et τ sont les inconnues.