Le système GPS Global positioning system

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1 Le système GPS Global positioning system

2 Généralités Le sigle GPS est l'abréviation du terme anglais Global Positioning System Il s'agit du nom du principal système de positionnement par satellite mondial actuel Ce système mis en place par le Département de la Défense des USA peut permettre à une personne de connaître la position d'un objet sur la surface de la terre dès l'instant que celui-ci est équipé d un GPS Cet objet peut être la personne elle-même, lui permettant de s'orienter sur terre, sur mer, dans l'air ou dans l'espace.

3 Le GPS utilise le système géodésique WGS84 (World Geodetic System, révision de 1984), auquel se réfèrent les coordonnées calculées grâce au système. Un géoïde est une représentation de la surface terrestre plus précise que l'approximation sphérique ou ellipsoïdale. Il est défini de manière à coller au plus près à la «surface réelle». Un système géodésique est un système de référence permettant d'exprimer les positions au voisinage de la Terre. C est un repère tridimensionnel défini par : - son centre O (choisi à proximité du centre de gravité terrestre) - trois axes orthonormés définis par leur orientation (Oz est orienté suivant l'axe de rotation terrestre ; Ox et Oy se trouvent dans le plan équatorial terrestre). Les coordonnées cartésiennes d'un point dans un système géodésique sont données par trois valeurs (X,Y,Z)

4 0n peut utiliser de manière équivalente des coordonnées géodésiques en définissant un ellipsoïde de révolution conventionnel dont le centre se trouve en O, dont l'axe est confondu avec Oz, et dont le méridien origine est choisi dans le plan (Ox,Oz). Les coordonnées géodésiques d'un point dans le système géodésique considéré sont alors : - la latitude L, - la longitude G, - la hauteur géodésique h (mesurée suivant la normale à l'ellipsoïde).

5 Présentation Le système GPS comprend au moins 24 satellites orbitant à km d altitude qui émettent en permanence un signal complexe permettant le calcul de leurs coordonnées prédites. Un récepteur GPS qui capte les signaux d'au moins quatre satellites peut, en mesurant les écarts relatifs des horloges, connaître sa distance par rapport aux satellites et, par trilatération, situer précisément en trois dimensions n'importe quel point placé en dessous des satellites GPS. Certains systèmes GPS peuvent fournir une localisation à quelques millimètres près La trilatération est une méthode mathématique permettant de déterminer la position relative d'un point en utilisant la géométrie des triangles tout comme la triangulation. Mais contrairement à cette dernière, qui utilise les angles et les distances pour positionner un point, la trilatération utilise les distances entre un minimum de deux points de références.

6 Remarque : Dans certains cas, seuls 3 satellites peuvent suffire. La localisation en altitude (axe des Z) n'est pas correcte alors que la longitude et la latitude (axe des X et des Y) sont encore bonnes. On peut donc se contenter de trois satellites lorsque l'on évolue au-dessus d'une surface «plane» (océan, mer).

7 Composition Le système GPS est composé de 3 parties distinctes, appelées encore segments : Le segment spatial Constitué d'une constellation de 27 satellites (NAVSTAR pour Navigation Satellite Timing And Ranging) dont 24 sont actifs à l'heure actuelle (les autres servent de satellites de secours). Ces satellites évoluent sur 6 plans orbitaux ayant tous une inclinaison d'environ 55 sur l équateur. Ils suivent une orbite quasi circulaire à une altitude de à km qu'ils parcourent en 12 heures à une vitesse de km/h.

8 Le segment de contrôle - Partie qui permet de piloter et de surveiller le système. - Composé de 5 stations américaines au sol -Baséàla Schriever Air Force Base dans le Colorado - Rôle est d'enregistrer toutes les informations émises par les satellites, pour calculer les positionnements. Le segment utilisateur - Regroupe l'ensemble des utilisateurs civils et militaires qui ne font que recevoir les informations des satellites. - Les récepteurs sont passifs, et le système ne peut donc être saturé : le nombre maximum d'utilisateurs GPS est illimité.

9 Mesure de la distance du récepteur par rapport à un satellite Les satellites envoient des ondes électromagnétiques (micro-ondes) qui se propagent à la vitesse de la lumière ( m/s). Connaissant la vitesse de propagation de la lumière, on peut alors calculer la distance qui sépare le satellite du récepteur en connaissant le temps que l'onde a mis pour parcourir ce trajet. Pour mesurer le temps mis par l'onde pour lui parvenir, le récepteur GPS compare l'heure d'émission (incluse dans le signal) et de réception de l'onde d'émission par le satellite. Une erreur d'un millionième de seconde provoque une erreur de 300 mètres sur la position!

10 Décalage de l'horloge du récepteur La difficulté est de synchroniser les horloges des satellites et celle du récepteur. C'est pour cette raison que 4 satellites sont nécessaires afin de résoudre une équation mathématique à 4 inconnues qui sont la position dans les 3 dimensions plus le décalage de l'horloge du récepteur avec l'heure GPS. La relativité restreinte démontre que le temps ne s'écoule pas de la même façon dans le référentiel du satellite, parce que celui-ci possède une grande vitesse par rapport au référentiel du récepteur. La relativité générale explique que la plus faible gravité au niveau des satellites engendre un écoulement du temps plus rapide que celui du récepteur. Le système tient compte de ces deux effets relativistes pour synchroniser les horloges.

11 Erreurs possibles et amélioration du système (DGPS) Le GPS différentiel (DGPS), corrige la position obtenue par GPS conventionnel par les données envoyées par une station terrestre de référence localisée très précisément La plupart des récepteurs sont capables d'affiner leurs calculs en utilisant plus de 4 satellites tout en ôtant les sources qui semblent peu fiables. Le GPS n'est pas utilisable dans toutes les situations car le signal émis par les satellites NAVSTAR est assez faible. Facteurs qui perturbent la précision de la localisation : - La traversée des couches de l'atmosphère. -les feuilles des arbres peuvent absorber le signal et rendre la localisation hasardeuse. - l'effet canyon. Occultation d'un satellite par le relief (un bâtiment) ou écho du signal contre une surface qui n'empèche pas la localisation mais qui fourni une localisation fausse.

12 En l'absence d'obstacles : il reste quand même un facteur de perturbation important : la traversée des couches basses de l'atmosphère. Les perturbations dues à l'humidité nécessitent, pour être corrigées, la mesure du profil exact de vapeur d'eau en fonction de l'altitude. Il existe un autre facteur de perturbation atmosphérique : la traversée de l'ionosphère. Cette couche ionisée par le vent solaire modifie la vitesse de propagation du signal. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de correction mais en période de forte activité solaire, cette correction n'est plus assez précise.

13 Le DGPS différentiel Permet d'améliorer la précision du GPS en réduisant la marge d'erreur du système. On peut ainsi passer d'une précision de l'ordre de 10 à 20 mètres à une précision de 5 à 3 mètres sur une grande zone (plusieurs milliers de km) à partir d'un ensemble de stations fixes qui calculent en permanence l'erreur de positionnement du GPS (puisqu'elles connaissent exactement leur position) et transmettent cette information par radio ou par satellite. L Union Européenne a développé EGNOS, un réseau de quarante stations au sol dans toute l Europe, qui améliore la fiabilité et la précision des données du GPS, et corrige certaines erreurs.

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15 Inconvénients du GPS Le GPS est un système sous contrôle de l'armée américaine. Le signal peut être dégradé, occasionnant ainsi une perte importante de sa précision, si le gouvernement des États-Unis le désirait. C'est un des arguments en faveur de la mise en place du système européen Galileo qui est, lui, civil et dont la précision théorique est supérieure.

16 Les systèmes concurrents GLONASS : système russe, qui n'est pas pleinement opérationnel. BEIDOU : système de positionnement chinoi, opérationnel uniquement sur le territoire chinois et régions limitrophes GALILEO :système civil européen en cours de déploiement. D'autres systèmes de géolocalisation sont employés, sans atteindre le degré de précision des précédents. Le plus usité reste la téléphonie mobile par identification de (ou des) l'antenne la plus proche. Sa précision reste directement dépendante de la densité de maillage en antennes et n'est au plus que de quelques kilomètres en milieu rural.

17 Logiciels est un logiciel en Java qui enregistre les données en XML pour pouvoir les échanger avec d'autres logiciels de géographie. est un logiciel capable d'afficher des données GPS sur une vue en 3D du monde avec des fonds de cartes. est un logiciel GTK qui s'adresse plus particulièrement aux automobilistes et sait télécharger les cartes routières depuis internet. est un logiciel KDE pour les pilotes de planeurs. est un logiciel commercial de cartographie par GPS. : GPS track est un logiciel destiné à la randonnée, utilisable avec des cartes scannées. est le fameux logiciel issus de Google avec représentation de la Terre en 3D, possibilité de connecter le logiciel avec le GPS sur la version Google Earth Plus ou Google Earth Pro

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