Document d Appui n 3.3. : Repérage ou positionnement par Global Positionning System G.P.S (extrait et adapté de CAMELEO 2001)

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1 Document d Appui n 3.3. : Repérage ou positionnement par Global Positionning System G.P.S (extrait et adapté de CAMELEO 2001) 1. Présentation du GPS Le GPS (Global Positionning System=système de positionnement général ) est un système de localisation par satellite mis en place par le département américain de la défense dans les années 1970,qui est très rapidement apparu sur le marché des civils. Il permet de déterminer les coordonnées géographiques d'un point situé n'importe où dans le monde 24 h sur 24 h. Le GPS est de plus en plus utilisé par de nombreuses personnes car il représente, pour ces gens, une nécessité dans leur vie quotidienne, dans leurs loisirs en leur permettant de se situer en temps réel. En effet, il leurs permet de connaître leur position géographique avec une précision pouvant aller de quelques millimètres à quelques mètres. Ainsi, le transporteur routier ou aérien, le navigateur, le randonneur, le plaisancier, le géomètre ou le forestier n'auront pas les mêmes attentes car leur tolérance quant à l'exactitude de l'information fournie peut différer de manière importante. 2. Historique du GPS Le GPS est à l'origine un système de navigation par satellite inventé par l'armé américaine du DOD (Department of Defense) qui contrôle et finance totalement le projet. Le GPS a été développé dans le contexte de la Guerre Froide, et a donc à la base une utilisation militaire, mais qui est très vite apparu sur le marché des civils. Actuellement en utilisant certaines techniques particulières, la précision de cet appareil peut atteindre le mètre mais dans son utilisation la plus courante (par des non professionnels) elle est de l'ordre de 50 mètres. Le système GPS (Global Positionning System) est issu d'un programme militaire Américain débuté en 1958 (un an après le lancement du premier satellite) ; ce programme visait à obtenir la position d'un mobile terrestre à partir d'émissions radio en provenance d'un satellite. En 1960 les ingénieurs de l'us Navy mettent au point le système Transit. Celui-ci basé sur l'effet Doppler (utilisé par les radars) permet de positionner un point fixe avec une précision métrique, cependant des contraintes fortes le rendent inutilisable : des temps de mesures importants et deux survols du récepteur sont nécessaires. La réalisation du premier concept suite aux recherches du DOD apparu en Puis en 1972, on eut des études préliminaires de faisabilité. Et, en ils ont obtenu la validation du modèle avec un essai de tirs de missiles en On eut ensuite la mise en place de la première constellation de satellites BLOCK 1. L'explosion de la navette Challenger survenue en janvier 1986 a interrompu la procédure de lancement, ce qui a entraîné une remise en cause du projet et la décision d'utiliser un lanceur spécifique (DELTA 2) pour les autres satellites, le lancement a repris alors dès 1989.De 1989 a 1994 on a eut la mise en place de la deuxième constellation et de ces variables BLOCK 2/2A/2R.

2 Dans un premier temps réservé aux militaires qui envisageaient d'en crypter les émissions celui-ci sera ouvert à une utilisation civile sous la pression du marché (plusieurs milliards de dollars par an). Il fallut alors ensuite mettre en place un moyen simple d'utilisation du GPS pour les civils tout en laissant à l'armée américaine le contrôle et l'utilisation optimale du concept. C'est ainsi que fut élaborée deux types de fonctionnement : Le Precise Positionning System (pps) : système réservé à l'armée américaine. Le Standart positionning system (sps) : système élaboré pour les civils. ce système peut dégrader, en fonction des tensions géopolitiques, la précision du GPS à 100m dans 95% des mesures. 3. Les composantes du système GPS Le GPS comporte trois parties : l'espace, le contrôle et l'utilisateur. 1. la partie spatiale La partie spatiale comprend les satellites et les fusées Delta, qui lancent les satellites à partir de Cap Canaveral en Floride. Les satellites GPS décrivent des orbites circulaires d'une durée de 12 heures, à km d'altitude. Les orbites sont inclinées de 55 par rapport à l'équateur pour assurer une couverture des régions polaires. Les satellites s'orientent continuellement pour pointer les panneaux solaires qui les alimentent vers le Soleil et les antennes vers la Terre. Chaque satellite est équipé de quatre horloges atomiques. 2. la partie de contrôle Elle comprend la station maîtresse de contrôle, située à la base Falcon de l'armée de l'air, à Colorado Springs, dans le Colorado. Elle comprend également des stations de surveillance installées à Falcon AFB (Hawaii), sur l'île de l'ascension dans l'atlantique, à Diego Garcia dans l'océan Indien, et sur l'île Kwajalein dans le Pacifique sud. Le système de contrôle utilise les mesures collectées par les stations de surveillance pour prédire le comportement de chaque orbite et horloge de satellite. Les données de prédiction sont transférées aux satellites pour transmission aux utilisateurs. Le système de contrôle veille aussi à ce que les orbites des satellites GPS restent dans leurs limites et que les horloges ne s'écartent pas trop de leurs caractéristiques propres. 3. la partie utilisateur C est le plus connu puisqu il s agit de l ensemble des recepteurs GPS utilisés à travers le monde. Un GPS fournit : une position une vitesse un temps

3 La position est fournit soit en données angulaires (latitude / longitude), soit en données métriques (grille UTM). 4. Localiser les mesures de terrain grâce au G.P.S Les mesures effectuées sur le terrain doivent être localisées avec précision, notamment dans l optique d une mise en relation avec des images satellitales. Dans les régions où existent des cartes topographiques précises et fiables, il est souvent possible de les utiliser pour localiser précisément des points : soit visuellement en se basant sur les repères disponibles (routes, rivières, haies ), soit en faisant des mesures d azimut par rapport à des points remarquables comme des sommets. Dans les zones désertiques et planes, on dispose rarement de cartes précises ou de points de repère mais le positionnement précis est possible en utilisant le GPS. Il fournit en temps réel ou différé, sans distinction de lieu ou de moment, les positions, temps et vitesse de tout utilisateur. Deux modes de fonctionnements peuvent être distingués : fonctionnement en positionnement absolu (mode «navigation») fonctionnement en positionnement différentiel 4.1. Fonctionnement en positionnement absolu (mode «navigation») C est le mode de fonctionnement classique, en temps réel, on utilise un seul GPS. Celui-ci doit recevoir le signal d au moins quatre satellites. Chacun d entre eux fournit une mesure de distance au point (pseudodistance) par mesure du temps nécessaire au signal satellite pour parvenir au GPS (Figure 1). La connaissance de quatre distances permet de connaître la position du point avec une précision d environ 100 m (erreur maximum). Il faut donc prévoir les points d échantillonnage en conséquence, c est à dire dans des zones homogènes suffisamment étendues pour «absorber» l imprécision des mesures. d2 d1 d3 d4 100 m Figure 1. Positionnement absolu par pseudodistances

4 4.2. Fonctionnement en position différentiel La technique de mesure différentielle (DGPS) consiste à mesurer la distance entre deux GPS, l un étant fixe et considéré comme un point de référence (Figure 2). Cette distance est mesurée avec plus de précision que la position absolue. En effet, à condition que les GPS utilisent les mêmes satellites, une partie des erreurs de positionnement est identique (notamment atmosphère, troposphère, horloges satellites). Ces erreurs disparaissent donc lorsqu on fait la différence entre les deux positions. Il faut tout de même connaître avec précision la position du point correspondant au GPS fixe (par exemple par des mesures répétées sur une longue période, suffisante pour gommer le biais volontaire variable appliqué). On obtient ainsi une précision de 5-10 mètres pour des mesures en pseudodistance, et on parvient à une précision sub-métrique si on réalise la mesure pendant 5-10 minutes. En utilisant les mesures de phases (autre méthode de la mesure de distance satellite-gps, accessible sur certains GPS), on peut obtenir une précision subcentimétrique en 20 minutes. d'1 d1 d'2 d2 d'3 d3 d'4 d4 GPS fixe Différence (maxi 15 km) 10 m GPS mobile Figure 2. Positionnement relatif par GPS différentiel Cette technique nécessite de disposer de GPS capable d enregistrer automatiquement des séries de points pour un traitement différé ou de communiquer entre eux par radio pour un traitement en temps réel, et d un logiciel permettant de réaliser ensuite les traitements des données enregistrées. Cependant, ce dispositif est coûteux et donc difficile à mettre en place. Il existe des GPS bifréquence, nettement plus onéreux, qui permettent d obtenir des positionnements plus précis car la mesure de phase se fait sur deux ondes porteuses (précision maximale 2 mm). Cependant, cette précision n est pas jugée utile pour des applications de télédétection. L utilisation des coordonnées GPS en un point (station de mesures écologiques et radiométriques) revêt deux aspects : elle permet d intégrer des données géoréférencées concernant les systèmes écologiques dans un Système d Information Géographique SIG, sous forme de «couches»

5 d information (recouvrement de la végétation, recouvrement des différents types de surface du sol ) elle permet d extraire la radiométrie correspondante des images satellitales. Le positionnement précis des observations de terrain est donc indispensable pour assurer le suivi-surveillance des écosystèmes et de leurs caractéristiques dans le temps et dans l espace dans le cadre de la surveillance environnementale.

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