ANALYSE D'UN SERVICE GPS

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1 CGT ANALYSE D'UN SERVICE GPS Soufiane Tarari, Iulia Tunaru, Virginie Vasselin, Thibaut Vuillemin 3TC Groupe

2 ANALYSE D'UN SERVICE GPS GLOBAL POSITIONNING SYSTEM Page 2/31

3 Table des matières Introduction I. Description technique 1. Segment spatial 2. Segment utilisateur 3. Segment de contrôle II. Enjeux socio-économiques 1. Réglementation 2. Domaines d'utilisation 3. Services et usages 4. Analyse du marché 5. Développements futurs Conclusion Bibliographie Page 3/31

4 Introduction On s'imagine à tort que les systèmes de positionnement sont apparus avec le GPS. En réalité, la recherche militaire avait déjà développé de tel système dès la seconde guerre mondiale, sans même le recours à des satellites. Pendant la seconde guerre mondiale, des systèmes comme DECCA et LORAN, à partir des signaux reçus par des stations terrestres, permettaient aux forces alliés d'améliorer la précision de débarquements ou de bombardements. Si les premiers ont cessé leurs activités à la fin du XXème siècle, le dernier demeure encore une alternative correcte au GPS quoique légèrement moins performante, et limitée en portée. Dans les années 60 naît TRANSIT, le premier système de navigation par satellites, commandé par l'us Navy. A cette époque, ce système permet aux bâtiments navals de vérifier leur position avec une fréquence lente variable en fonction de la latitude, un peu moins d'une fois par heure en moyenne. Si la couverture est mondiale, ce qui est une nouveauté, on est encore très loin de pouvoir fournir des informations en temps-réel, pré-requis nécessaire pour avoir un véritable système de navigation et non un simple outil permettant de vérifier des données obtenus par des méthodes plus traditionnelles. A partir des années 70, c'est encore un système au sol développé par l'armée américaine, Omega, qui permet de fournir une couverture quasi-mondiale. Contrairement à LORAN qui reste très militaire, on voit avec Omega apparaître une utilisation du système par les civils. Mais on reste très en deçà de ce que l'on va connaître avec le GPS. Le projet GPS est initié dans les années 70, encore une fois par l'armée américaine. En 1972, deux prototypes de récepteurs sont testés avec des pseudo-satellites simulés par des installations terrestres. En 1978 est lancé la premier satellite. En 1983, un incident va forcer le président Ronald Reagan à promettre d'ouvrir le système aux civils avant même sa mise en service. En effet, un avion de ligne assurant un vol entre les Etats-Unis et la Corée du Sud dévie par négligence de sa trajectoire et ce faisant viole le territoire de l'urss. Croyant avoir affaire à un avion de reconnaissance de l'us Air Force, les soviétiques envoient deux chasseurs abattre l'appareil, entraînant la mort des 269 personnes à son bord. En avril 1995, le système GPS est déclaré officiellement fonctionnel. Dans les années suivantes, deux canaux sont mis en place sur le système. L'un est optimal, pour les usages de l'armée américaine, tandis que l'autre, à destination des civils, est volontairement dégradé. Cette limitation est abolie en 2000, la précision du GPS civil passant de 100m à environ 10m. Durant ces dix dernières années, GPS est entré dans le vocabulaire courant. Pour la plupart des gens, un GPS est un gadget très à la mode qui remplace avantageusement un copilote défaillant dans l'art subtil et délicat de lire une carte routière. Néanmoins, des choses plus complexes se cachent derrière ce sigle bien connu. C'est pourquoi nous allons les expliciter dans ce dossier. Page 4/31

5 I. Description technique 1) Segment spatial Le segment spatial est une constellation appelée Navstar de 32 satellites, dont au moins 24 opérationnels, qui évoluent sur 6 plans orbitaux ayant chacun une inclinaison d'environ 55 sur l'équateur. Ils suivent une orbite quasi circulaire à une altitude nominale de km qu'ils parcourent en 11 heures 58 minutes 02 secondes, soit un demi-jour sidéral. Ainsi les satellites, vus du sol, reprennent la même position dans le ciel au bout d un jour sidéral (cf. Annexes). Figure 1 : la constellation Navstar Identification des satellites Plusieurs systèmes de numérotation qui permettent l identification des satellites coexistent : Numérotation séquentielle qui indique l ordre de lancement (SV). Numérotation liée au plan d orbite et à la position sur l orbite. Numérotation PRN (Pseudo Random Noise) qui est généralement utilisé pour identifier un satellite. Elle consiste dans un code pseudo-aléatoire généré par le satellite considéré et transmis aux utilisateurs dans le message de navigation. Il existe aussi une numérotation dans le catalogue de NASA et une autre internationale. Page 5/31

6 Signal de satellite Chaque satellite émet un signal de très grande stabilité en fréquence grâce aux horloges atomiques embarquées (10 13 à sur un jour pour les horloges au Césium et au Rubidium) qui fournissent une fréquence fondamentale de 10,23 MHz. A partir de cela, l émetteur génère deux ondes de fréquences 1575,42 MHz et 1227,60 MHz (L1 et L2) qui sont modulées par des codes pseudo-aléatoires avant d être envoyées vers la Terre. Les porteuses L1 et L2 sont modulées en phase (PSK), ce qui permet au satellite d envoyer : un message qui comporte, entre autres, les éphémérides du satellite, c est-à-dire les éléments képlériens de l orbite et leurs variations en fonction du temps, des coefficients de modèle ionosphérique, l état de santé des satellites, les paramètres d horloge, l écart entre le temps GPS et le temps UTC (temps universel coordonné de l US Navy Observatory) ; des codes pseudo-aléatoires (les PRN) : le code C/A ou Coarse/Acquisition code sur L 1 et le code P ou Precision code sur L 1 et L 2. Le code C/A est accessible à tout utilisateur et il définit le service SPS (Standard Positionning Service). Le code P est réservé à l armée américaine et à certains utilisateurs autorisés et il définit le service PPS (Precise Positionning Service). Les codes pseudo-aléatoires Les séquences pseudo-aléatoires très souvent utilisées dans les systèmes de télécommunications à spectre étalé, et plus généralement dans des équipements industriels utilisant des bruits blancs, sont générées par des registres à décalage rebouclés sur eux-mêmes par une réaction convenable. Donc, elles sont générées à partir d un algorithme prédéfini ce qui implique une certaine périodicité, d où le nom de «pseudo-aléatoire». Cette période est d autant plus grande que le nombre de registres augmente car la longueur maximale de la séquence produite est de 2n-1, avec n nombre d étages utilisés. Figure 2 : Exemple PRN Dans la figure 2 on a un code PRN généré à partir de 4 étages et qui a une période de 15 moments (chips). Son polynôme générateur est : f x = 1 x x⁴ Les propriétés de corrélation croisée (la mesure de la similarité entre deux signaux) et d auto corrélation des codes générés dépendent de leur polynôme générateur. Ces caractéristiques de corrélation peuvent être améliorées en combinant les séquences entre elles. Si l on additionne, par exemple, modulo 2 deux séquences moment à moment, on obtient une nouvelle séquence ayant des propriétés de corrélation différentes, appelé aussi un code de «GOLD». C est ce qui est utilisé dans le système GPS. Page 6/31

7 Code C/A Figure 3 : Schéma code C/A Le Coarse Acquisition Code est obtenu à partir de deux configurations linéaires à dix étages avec les polynômes générateurs : G 1 = 1 x³ x 10 G 2 = 1 x² x³ x⁴ x⁶ x⁸ x⁹ x 10 Dans l état initial les registres ont tous la valeur 1. La particularité de ce système est que la sortie du deuxième registre G2 provient d un jeu de deux étages (2 et 7) qui additionnés avec la sortie du premier registre G1 produit l un des trente-six codes possibles. Code P Le code P est généré de la même manière mais il est plus complexe. Quatre registres de douze étages sont nécessaires pour la création de ces codes. L algorithme part de deux paires de registres, initialisés à des valeurs différentes et qui sont combinés par leur somme modulo 2. Les registres ainsi obtenus (X1 et X2) sont décalés d un nombre de moments caractéristique de chaque satellite et ensuite additionnés. En début de semaine, les quatre registres (X1A, X1B, X2A, X2B) sont réinitialisés pour produire le premier élément de la semaine GPS. Pour la protection contre les signaux interférents d un possible ennemi, le code P peut être transmis encrypté. Dans ce but, un anti-spoofing mode (AS) est utilisable et la code P est encrypté dans un code Y. Pour avoir accès aux messages codés de cette manière, un module AS et nécessaire ainsi que une clé spéciale qui est dans la possession du personnel autorisé. Les codes P et Y sont la base de la détermination précise de position dans des buts militaires et depuis le 31 janvier 1994, le système AS est opérationnel continuellement, le P code étant transmis que sous la forme Y. Page 7/31

8 Message de navigation Le message de navigation est une suite de données binaires transmises en série sur les deux porteuses à 50 bit/s. Sa longueur totale est de bits et il est divisé en 25 trames de 1500 bits chacune, qui sont aussi divisées en 5 sous-trames. Au début de chaque sous-trame sont placés deux mots particuliers : le TLM (Telemetry word) et le HOW (Hand over word). Le TLM est destiné à mesurer avec exactitude la distance du satellite et il contient 8 bits de préambule (connus et toujours les mêmes) qui servent à la synchronisation du récepteur, 16 bits de données adressés par le segment de contrôle concernant le chargement des messages, et enfin 6 bits de parité. Le HOW contient les bits les plus significatifs du comptage semainier. Dans son champ TOW, il indique le nombre de soustrames transmises depuis le début de la semaine (dimanche 0h). Puisque chaque sous-trame dure exactement 6 secondes, l heure exacte peut ainsi être déterminée par le récepteur. L horloge du récepteur est de la sorte remise à l heure toutes les 6 secondes. Sur le mot suivant (mot 3), on trouve le comptage journalier du numéro de semaine GPS. L origine de cette numérotation remonte à minuit de la nuit du samedi 5 janvier 1980 au dimanche 6 janvier Il est remis à zéro toutes les 1024 semaines. La parité est calculée sur la base d un algorithme qui relie les mots de 30 bits à l intérieur des sous-trames de 10 mots, et de l une à l autre de ces sous-trames, au moyen d un code de Hamming étendu. La sous-trame 1 contient les coefficients décrivant le comportement des horloges, différents paramètres concernant la précision et la santé des satellites ainsi que l âge des données. Les sous-trames 2 et 3 contiennent les paramètres de l orbite des satellites permettant de calculer la position du satellite, ce qu on appelle les éphémérides du satellite. La sous-trame 4 possède des informations utiles concernant les paramètres d un modèle ionosphérique ainsi que le raccordement au temps UTC, les paramètres indiquant pour chaque satellite si le code P est crypté, les codes «santé» des satellites ainsi que les almanachs (éphémérides grossières) des satellites compris entre 25 et 32. Elle contient aussi d autres pages réservées pour des informations qui pourraient être ultérieurement diffusées. La soustrame 5 groupe les almanachs des vingt-quatre satellites formant actuellement la constellation. Ces almanachs sont utiles pour déterminer la position grossière de chaque satellite. Ils facilitent l acquisition du signal et permettent d effectuer les prévisions de passage. Grâce à ces pages, dès qu un satellite est poursuivi, l acquisition du signal des autres satellites s en trouve facilitée. Figure 4 : Composition d'une trame Page 8/31

9 Modulation du signal Les porteuses sont modulées en mode BPSK (Bi Phase Shift Keying), c est-à-dire que la phase de la porteuse tourne de 180 à chaque transition du signal modulant qui est représenté par la somme modulo 2 du code PRN et du signal de navigation du satellite (les données). Le traitement est différent suivant la porteuse concernée. Pour L1, la modulation est composée du code C/A et des données; cette porteuse déphasée en quadrature reçoit de plus une modulation composée du code P et des données. Cependant, L2 est modulée que par le code P et les données. Figure 5 : Schéma de modulation On peut donc écrire : L 1 t = a 1. P t. D t. cos 2 π f 1 t a1. C / A t. D t. sin 2 π f 1 t L 2 t = a2. P t. D t. cos 2 π f 2 t Avec a1 et a2 amplitudes de L1 et L2 ; P, C/A et D fonctions du temps ne prenant que les valeurs +1 ou 1 représentent respectivement les codes P et C/A ainsi que les données du message. La transmission de deux ou même trois informations sur une même porteuse est possible grâce au rapport de phase et de fréquence entre les différentes composantes du signal (cf. tableau 1). De plus, tous les signaux transmis sont «cohérents» ce que signifie que les transitions de message de navigation correspondent exactement au possibles transitions de code C/A ou code P. Le fait que les signaux soient générés à partir de même horloge joue un grand rôle dans la stabilité du système au niveau des relations de phase avec les porteuses. Tableau 1- Ordre de différentes composantes du signal émis Compos antes Code P Données Fréquence de base 10, bit/ s 1, bit/ s 50 bit/s Porteuse L1 Porteuse L2 1, Hz 1, Hz Code C/A Période de renouvellement 7 jours ( bits) Durée de l élément 1 ms (1023 bits) 1 µs (1 moment) 30 s (5 sous-trames) 20 ms 0,1 µs (1 moment) 1540 périodes (1 moment C/A) 1200 périodes (1 moment C/A) Page 9/31

10 Principe de transmission Développé dans les années 1980 pour les communications par satellite, le système de codage de transmissions CDMA (Code Division Multiple Access) consiste à «étaler le spectre» (cf. Annexes) au moyen d'un code alloué à chaque communication. Le récepteur utilise ce même code pour démoduler le signal qu'il reçoit et extraire l'information utile. Le code luimême ne transporte aucune information. Dans les systèmes conventionnels de transmission Wireless, la sélection d une émission par le récepteur est basée sur un filtrage fréquentiel de la porteuse. La fréquence du signal est maintenue constante dans les limites possibles de telle manière que tout le monde ait accès à l information. Par contre, dans le cas du signal GPS, la fréquence varie suivant une fonction mathématique compliquée. Le récepteur doit être réglé sur ces fréquences et au bon moment, c est-à-dire que la sélection s effectue par corrélation d une séquence pseudo-aléatoire (le code) qui module la porteuse en superposition à la modulation utile. La modulation par le code est beaucoup plus rapide que la modulation des données. Le rapport de modulation, environ pour le code C/A, a pour effet d élargir le spectre de l émission et de réduire la densité de puissance émise dans la même proportion. On dit dans ce cas que le rapport d étalement de spectre est : B 1,023.10⁶ = =20000 b0 50 B fréquence de modulation du code, b0 fréquence de modulation des données Pour un observateur non averti, la porteuse ainsi étalée par la modulation du code pseudoaléatoire présente toutes les caractéristiques d un bruit. À l inverse, un récepteur possédant les codes d étalement améliore ceux-ci avec le signal reçu, avec pour effets de restituer le signal utile dans sa bande étroite d origine, d étaler les signaux parasites, inévitablement présents dans toute transmission hertzienne, en rejetant la majeure partie de leur énergie en dehors de la bande utile. La réjection du bruit est du même ordre de grandeur que le rapport d étalement du spectre. Figure 6 : Étalement de spectres Cette technique d étalement, rejetant le bruit et les brouilleurs, est d autant plus efficace que la séquence du code pseudo-aléatoire est longue. C est la raison pour laquelle le code P procure, par rapport au code C/A, une protection naturelle contre les brouilleurs bien supérieure. C est là d ailleurs, avec l augmentation de précision liée à sa fréquence 10 fois plus élevée que celle du code C/A, que se trouve le second intérêt du code P. La limitation du rapport d étalement est souvent donnée par la difficulté et la lenteur de l acquisition du signal dans le processus de démodulation où il faudra corréler le code reçu avec un code identique généré localement. Plusieurs émissions sur la même fréquence mais avec des séquences pseudo-aléatoires différentes (codes PRN) ne se généreront pas mutuellement, l une considérant toutes les autres comme des bruits qu elle rejette dans le rapport B/b0. Cette faculté «d accès multiple» est très importante. Dans le système GPS, plus de vingt-cinq émissions simultanées correspondant aux vingt-quatre satellites de la constellation sont prévues pour cohabiter sans qu il y ait interférences entre les signaux. Page 10/31

11 D autres caractéristiques importantes procurées par cette technique d étalement de spectre sont : la connaissance du code pseudo-aléatoire utilisé, nécessaire à la réception, constitue un moyen de contrôle d accès ; tout brouillage intentionnel ou pas, est atténué dans le même rapport que celui de l étalement du spectre. L'étalement de spectre a trois grands avantages par rapport à l'utilisation d'une fréquence unique : résistance du signal aux interférences ; le signal est plus difficile à intercepter ; les signaux transmis de cette manière peuvent partager des bandes de fréquence avec d'autres types de transmission, ce qui permet d'utiliser plus efficacement la bande passante ; Page 11/31

12 2) Segment utilisateur A la base des récepteurs GPS se trouve une opération mathématique appelée trilatération. Elle permet à un récepteur connaissant les distances de séparant d'un certain nombre de points de coordonnées connues, de retrouver sa position. D'un point de vue purement mathématique, si n est est le nombre de dimensions de l'espace dans lequel on veut se situer, il faut exactement n+1 points de coordonnées connues. Dans la réalité, d'autres paramètres sont à prendre en compte, aussi nous les détaillerons plus loin. Afin de mieux appréhender la trilatération telle qu'elle est utilisée dans les récepteurs GPS, nous allons commencer par étudier ce à quoi elle correspond dans un espace en deux dimensions. Approche de la trilatération dans un espace en deux dimensions A? Supposons qu'on nous cherchions dans un espace en deux dimensions les coordonnées d'un point A. On ne nous donne aucune de ces coordonnées, mais on sait qu'on se trouve à une distance d1 d'un point C1. On ne sait toujours pas où se trouve A, mais on sait en revanche qu'on se trouve sur le cercle de centre C1 de rayon d1. A? A? A? Avec un point supplémentaire, on sait qu'on l'on se trouve sur un autre cercle de centre C2 de rayon d2. En recoupant ces informations avec les précédentes, on peut en déduire qu'on A est confondu avec l'un des deux points d'intersection des cercles. Page 12/31

13 Prendre en compte un troisième point permet d'identifier clairement la positioon du point A. A La trilatération dans le cas d'un récepteur GPS Dans le signaux transmis par un satellite, on trouve deux informations : la position du satellite sous forme de trois coordonnées, ainsi que le temps à l'instant précis de l'envoi du signal. Supposons que notre récepteur, cherchant à connaître ses coordonnées x, y, z reçoive à un instant t les signaux de quatre satellites. L'instant t est également une inconnue, car un récepteur ne peut pas disposer d'horloge assez précise pour permettre une localisation précise. Nous avons donc les données suivantes : x1 x2 x3 x4 y1 y2 y3 y4 z1 z2 z3 z4 t1 t2 t3 t4 Page 13/31

14 Pour obtenir des équations mettant en jeu les données et le inconnues, nous allons exprimer de deux manières différentes les distances séparant le récepteur de chaque satellite. Soit v la vitesse de propagation du signal : d i = v. t t i di = xx i ² y y i ² z z i ² En substituant l'expression de d i de la première équation dans la seconde, puis en élevant au carré, on obtient donc le système d'équation non-linéaire suivant : { x x 1 ² x x 2 ² x x 3 ² x x 4 ² y y 1 ² y y 2 ² y y 3 ² y y 4 ² z z 1 ² z z 2 ² z z 3 ² z z 4 ² = = = = v². t t 1 ² v². tt 2 ² v². t t 3 ² v². t t 4 ² En développant, on obtient : { x² x² x² x² y² y² y² y² z² z² z² z² x1 ² x2 ² x3 ² x4 ² y1 ² y2 ² y3 ² y4 ² z1 ² z2² z3 ² z4 ² x. x 1 x. x 2 x. x 3 x. x 4 y. y 1 y. y 2 y. y 3 y. y 4 z. z 1 z. z 2 z. z 3 z. z 4 = = = = v². t² v². t² v². t² v². t² v². t. t 1 v². t. t 2 v². t. t 3 v². t.t 4 v².t 1 v².t 2 v².t 3 v².t 4 En soustrayant la quatrième ligne que nous appellerons par la suite équation A à chaque autre ligne, on supprime les termes de degré 2, ce qui permet d'obtenir un système linéaire de trois équations à quatre inconnues inconnues : { x1 x4. x y1 y4. y z 1 z4. z = x1 ²x 4 ² y1 ² y4 ²z1 ²z 4 ²v². t 1t 4 v². t 1 t 4. t x2 x 4. x y2 y 4. y z 2z 4. z = x 2 ²x 4 ² y 2 ² y 4 ²z 2 ² z4 ²v². t 2t 4 v². t 1 t 4. t x3 x4. x y3 y4. y z 3z 4. z = x3 ²x 4 ² y3 ² y4 ²z3 ²z 4 ²v². t 3 t 4 v². t 1 t 4. t On peut résoudre facilement ce système grâce de nombreux logiciels, aussi on ne détaillera plus les expressions, car cela présente peu d'intérêt pour la compréhension, et alourdit les calculs. Après résolution, on aboutit à ce système paramétrique : x = ax. t bx y = a y. t by z = a z.t b z En réinjectant ces expressions des coordonnées dans l'équation A, on obtient une Page 14/31

15 équation du second degré à une inconnue :. t². t = 0 Lors de la résolution de cette équation, trois cas sont à envisager. : deux solutions complexes, une solution réelle, deux solutions réelles. De manière évidente, comme l'inconnu représente un temps, les solutions complexes sont à éliminer. Trouver de telles solutions indiquent qu'une erreur à du se produire pendant l'envoie ou le transfert des informations. Dans le cas d'une unique solution réelle, nous trouvons un unique couple de coordonnées, le problème est résolu. Mais dans le cas de deux solutions réelles, on retrouve deux couples de valeurs pour les coordonnées. On doit alors trouver quel couple de coordonnées est aberrant. La situation diffère alors selon l'utilisation. Dans le cadre de la navigation maritime, l'altitude étant proche de 0, les coordonnées doivent vérifier presque parfaitement l'équation d'une sphère (la Terre). Remarque sur la vitesse du signal A priori, la signal étant une onde, il se déplace à la vitesse de la lumière. Dans la réalité, on observe des petites différences qui doivent être prises en compte pour améliorer la précision. La théorie de la relativité permet d'expliquer l'origine de ces différences, d'une part à cause de la grande vitesse du satellite par rapport au récepteur, d'autre part à cause de la gravité plus faible au niveau du satellite. Page 15/31

16 3) Segment de contrôle et précision Segment de contrôle Nous avons vu comment le segment spatial et utilisateur du GPS permettaient de déterminer la position d'un récepteur GPS. Cependant, pour que ce système conserve tout son interêt, il faut s'assurer que les satellites ne soient pas défectueux ou n'envoient pas d'informations erronées. C'est là qu'intervient le segment de contrôle. En effet, un satellite peut tomber en panne, dévier de son orbite et son horloge dérive. Les informations qu'il envoie sont alors fausses et un récepteur obtient des résultats inutilisables. Le segment de contrôle consiste en cinq stations réparties sur la Terre : Hawaii, l'île de l'ascension, Diego Garcia, Kwajalein dans les îles Marshall, et une station maître à Colorado Springs aux Etats-Unis. Ces cinq stations enregistrent en continu les signaux GPS qu'elles reçoivent des satellites et ces informations sont envoyées à la station maître à Colorado Springs. En plus des signaux GPS, les stations transmettent également le temps de réception de ces signaux, mesuré très précisément par une horloge atomique, ainsi que des mesures météorologiques, ce qui permet de connaître les erreurs de mesures introduites par l'atmosphère. Connaissant le temps de réception, le retard et la localisation précise des stations, on peut trouver le temps d'émission du signal. En comparant avec le temps d'émission transmis par le satellite, la station maître peut alors calculer les corrections à apporter à l'horloge du satellite. Pour assurer la bonne marche du système, la station maître fonctionne sans interruption, vingt-quatre heure sur vingt-quatre pendant toute l'année. Si nécessaire, elle calcule aussi les corrections à apporter aux orbites des satellites ou gère le remplacement de satellites défectueux. Tous les calculs effectués, la station maître envoie les informations aux trois stations de transmission à Ascension, Diego Garcia et Kwajalein. Ces stations les transmettent aux satellites par une liaison radio-électrique de fréquence 1783,74 MHz en liaison montante et 2227,5 MHz en liaison descendante. Ce segment de contrôle est conçu de manière à ce que les satellites reçoivent des corrections au moins trois fois par jour, même si on garde une marge d'erreur satisfaisante dès deux contacts par jours. Cependant, les satellites restent sous la surveillance des stations pour détecter tout problème le plus vite possible. Page 16/31

17 Erreurs Malgré le segment de contrôle, il reste des erreurs qui limitent la précision du GPS. Elles dépendent principalement du milieu traversé, de l'environnement et du récepteur. Tout d'abord, il subsiste des erreurs dépendantes du satellite, notamment de son horloge : bien qu'elle soit précise, elle dérive faiblement, ce que le segment de contrôle ne corrige que ponctuellement. Son orbite aussi dérive. Il existe donc déjà une erreur dans les informations transmises par le satellite. En traversant l'atmosphère, le signal est retardé. On distingue deux zone, l'ionosphère et la troposphère. L'ionosphère est comprise entre 50 et 500km d'altitude et est assez stable, donc elle peut être en partie modélisée. Le modèle de correction ionosphérique permet de corriger entre 50 et 70% de l'erreur. La troposphère est la couche basse de l'atmosphère et est soumise à de fortes variations de température, d'humidité, de pression. Elle est donc beaucoup plus difficile à modéliser et en pratique ne l'est pas. Cette erreur due au milieu de propagation dépend aussi de l'inclination du satellite par rapport au récepteur. L'environnement de réception joue également un rôle important. Il peut provoquer des réflexions, donc des temps de réception faux et des interférences. Il peut aussi limiter la réception du signal. Enfin, la qualité du récepteur est la dernière source d'erreur majeure. Les circuits ajoutent du bruit au signal reçu. De l'horloge du récepteur dépend la précision de la mesure du temps de réception. Jusqu'à sa désactivation en mai 2000, la validité sélective, la dégradation volontaire du signal GPS par le gouvernement des Etats-Unis, était la plus grosse source d'erreur. Elle reste utilisée en zone de combat. GPS différentiel Le GPS différentiel d'améliorer grandement la précision des navigateurs GPS. Le principe est d'utiliser une station fixe dont on connait l'emplacement exact pour comparer les informations reçues avec les informations qu'elle aurait du recevoir. La station calcule alors un facteur de correction qu'elle transmet aux récepteurs GPS à portée. L'idée est de supprimer l'erreur commune. On considère que les trajets d'un signal GPS entre un satellite et deux points distincts situés à la surface de la Terre sont proches l'un de l'autre et traversent à peu près les mêmes couches atmosphériques. Les deux présentent donc des erreurs à la réception semblables. Le navigateur GPS peut donc utiliser le facteur de correction. En pratique on obtient une précision au centimètre. Le système usuel ne permet une précision qu'au mètre! Il faut cependant que le navigateur comprenne une application supplémentaire pour pouvoir utiliser le GPS différentiel. De plus, ce système perd de son interêt lorsque la station et le récepteur GPS deviennent trop éloigné : à partir de 100km, l'erreur commune commence à se réduire mais on continue à avoir une amélioration de la précision jusqu'à 500km. Le principe est simple, mais il existe plusieurs techniques de GPS différentiel, qui dépendent du mode de calcul et du mode de traitement (temps réel ou différé). Les méthodes de calcul sont les simple, double ou triple différence. Page 17/31

18 La simple différence utilise les pseudo-distances de deux récepteurs (la station et le navigateur, par exemple) calculées à partir d'un seul satellite. Les pseudo-distances sont les sommes des distances réelles et des erreurs, dont l'erreur commune deux récepteurs R1 et R2. En faisant la différence des deux, on annule l'erreur commune, c'est-à-dire l'erreur du au satellite, et à l'atmosphère si les deux récepteurs sont suffisamment proches. ρ sont les distances géométriques, Φ les phases Figure 8 : Simple différence pour deux récepteurs R1 et R2 La double différence utilise les pseudo-distances de deux récepteurs calculées à partir de deux satellites. On fait la simple différence pour le satellite S1 et pour le satellite S2, puis on fait la différence des deux. La double différence permet en plus de la simple différence d'éliminer les erreurs d'horloge des récepteurs. ρ sont les distances géométriques, Φ les phases Figure 9 : Double différence pour deux récepteurs R1 et R2 La triple différence utilise les pseudo-distances de deux récepteurs calculées à partir de deux satellites observés à deux instants différents. On réalise la double différence pour les deux instants, puis on fait la différence entre les deux résultats. Cette différence permet essentiellement d'avoir une précision sur la phase du signal. En navigation, le traitement se fait en temps réel. À l'origine, la méthode de la simple différence était utilisée pour des raisons de rapidité. Aujourd'hui, les équipements peuvent utiliser la double différence grâce à des mémoires plus puissantes. Page 18/31

19 II. Enjeux socio-économiques 1) Règlementation La politique américaine relative au GPS En 1995, le nombre de satellites disponibles permet de rendre le système GPS opérationnel en permanence sur l'ensemble de la planète, avec une précision limitée à une centaine de mètres pour un usage civil. Le 29 mars 1996, au Conseil national de sécurité, the Office of Science and Technology Policy de la Maison Blanche, a présenté la politique américaine concernant le GPS. Cette politique est une vision stratégique pour la gestion future et de l'utilisation du GPS, concernant des intérêts militaires, civils, commerciaux et scientifiques, et à la fois national et international. In the management and use of GPS, we seek to support and enhance our economic competitiveness and productivity while protecting U.S. national security and foreign policy interests. Extrait du communiqué de presse de la Maison Blanche du 29 mars 1996 Les principaux objectifs de cette politique sont de renforcer et maintenir la sécurité nationale ainsi que d encourager les investissements du secteur privé et l utilisation des technologies du GPS américain. The Office of Science and Technology Policy a aussi présenté les grandes lignes de cette politique notamment la mise à disposition gratuite et en continu du GPS (dans le cadre d une utilisation pacifique), dans le domaine militaire, commercial et civil, et ceci partout dans le monde. Dans les dix prochaines années, les Etats-Unis ont l intention d arrêter ce que l on appelle GPS Selective Availability, qui est une dégradation volontaire du signal reçu par l utilisateur (civil), et qui a pour conséquence une précision de l ordre d une centaine de mètres. Le GPS Selective Availability avait été mis en place pour des raisons de sécurité intérieure. Cette période de dix ans, que ce sont donné les américains, va servir à l armée américaine à s entrainer pour des opérations sans le GPS Selective Availability (lorsqu il sera désactivé). A voir en annexe 1 : Communiqué de presse de la Maison Blanche du 29 mars 1996 GPS Selective Availability a était désactivé le 1er mai 2000, et depuis l'arrêt de ce brouillage volontaire, ordonné par le président américain Bill Clinton, la précision est de l'ordre de 5 à 15 mètres. Le président n avait pas attendu 10 ans comme l avait décidé The Office of Science and Technology, car l'armée américaine a été en mesure de développer rapidement et de tester leur capacité à bloquer sélectivement les transmissions GPS et précisément dans les zones de conflit ou dans les zones où la sécurité des Etats-Unis est en danger. Cette décision du président Bill Clinton va aussi (et surtout) bénéficier à l industrie du GPS, qui va maintenant connaître une croissance fulgurante dans les prochaines années. There are more than 4 million GPS users worldwide, and the market for GPS applications is expected to double in the next three years, from $8 billion to over $16 billion. Extract from the White House Fact Sheet regarding the May 2000 decision A voir en annexe 2 : Déclaration du président Bill Clinton du 1 mai 2000 A voir en annexe 3 : White House Fact Sheet regarding the May 2000 decision Page 19/31

20 Du coté de la législation américaine du GPS, l article 10 de l US Code, section 2281, assigne le ministre de la Défense (autorité légale) pour maintenir et exploiter le GPS à des fins militaires et civiles. Le ministère doit s assurer que le GPS et ses services soient fournit continument et dans le monde entier sans frais pour l utilisateur direct. La loi prévoit l'élaboration de mesures visant à prévenir l'utilisation hostile du GPS dans une zone en particulier sans pour autant gêner l'utilisation civile du système ailleurs. The United States Government shall (...) Provide on a continuous, worldwide basis civil spacebased positioning, navigation, and timing services free of direct user fees for civil, commercial, and scientific uses and for homeland security through the Global Positioning System and its augmentations, and provide open, free access to information necessary to develop and build equipment to use these services. President George W. Bush, U.S. National Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Policy, December 2004 Enfin, le 18 septembre 2007, le ministère de la défense (Department of Defense, DoD) a déclaré que le GPS Selective Availability va être supprimé définitivement des prochains satellites qui seront mis en orbite. Avant cette déclaration, the DoD s était donné le droit de réactiver le GPS Selective Availability. This degradation capability, known as Selective Availability (SA), will no longer be present in GPS III satellites. Extrait de la déclaration du secrétaire de presse de la maison blanche du 18 septembre 2007 A voir en annexe 4 : Déclaration du secrétaire de presse de la maison blanche du 18 septembre 2007 Page 20/31

21 2) Domaines d'utilisation Les applications militaires Les systèmes de navigation par satellite constituent le moyen le plus précis et le plus économique pour assurer le positionnement, la navigation et la synchronisation de tous les systèmes d armes. Aux Etats-Unis une directive impose depuis plusieurs années l utilisation des récepteurs GPS aptes à recevoir le signal militaire crypté sur tous les systèmes d armes importants (avions, bateaux, chars, missiles de croisières). A titre d exemple, l évolution du pourcentage de bombes équipées de récepteurs GPS utilisées au cours des quinze dernières années a été la suivante : 1. Première guerre du Golfe : 0% 2. Kosovo : 3% 3. Afghanistan : 28% 4. Deuxième guerre du Golfe : plus de 80% Des essais de guidage de bombes ont eu lieu dans le désert de Yuma. Les bombes ont été larguées a une altitude de pieds (environ 3 kilomètres). L'erreur maximale entre la déflagration et la cible initiale était en moyenne de 56 pieds (17 mètres). L'application directe du GPS s'est trouvée dans l'utilisation des missiles de croisière. A priori, le système NAVSTAR n'était pas approprié au guidage de missiles intercontinentaux (ou de tout autre de missiles) en terrain ennemi sur des milliers de kilomètres. Cependant l'utilisation de la navigation par GPS a permis d'accroître les performances de certains missiles utilisés par le DoD (Department Of Defense). Les bombardiers utilisant le système NAVSTAR en déterminant la position de leurs cibles, pouvaient potentiellement détruire de 400 à 600% d'unités ennemies de plus qu'en utilisant les systèmes de localisation habituels. Le GPS s'est alors révélé être d'une importance majeure pour les USA. La doctrine militaire des Etats-Unis consiste à interdire, par brouillage, toute utilisation des signaux autres que le signal militaire crypté sur un théâtre d opération. En termes d autonomie stratégique les conséquences sont claires : cette démarche donne au Etats-Unis la possibilité de neutraliser, par un simple changement de la clé de cryptage, tous les systèmes d armes équipés de récepteurs du GPS et par conséquent toute opération qui n aurait pas leur consentement. Pour décoder ces signaux il est nécessaire de disposer de récepteurs équipés de composants cryptographiques et d une clé fournie par les militaires américains. Une clé cryptographique spécifique est affecté à chaque utilisateur ou groupe d utilisateur (entité privée, pays, coalition, etc.). A tout moment les militaires américains ont la possibilité de modifier cette clé et d interdire la réception du signal à l utilisateur concerné. Les conséquences pour l Europe (deuxième puissance mondiale économique et militaire après les Etats-Unis) de cette doctrine militaire des Etats-Unis a pour effet de mettre l Europe sous tutelle et présente des conséquences graves à de nombreux points de vue. Par exemple : la non-maitrise par l Europe d une composante clé de tous les systèmes d armes sera de plus en plus ressentie dans les autres parties du monde comme preuve de sa dépendance totale des Etats-Unis. Elle mettra en particulier très gravement en cause sa crédibilité en matière d exportation d armes. Page 21/31

22 La mesure du temps Le GPS ne donne pas seulement la longitude, la latitude et l altitude, mais il donne aussi une quatrième dimension critique : le temps. À bord de chaque satellite GPS sont embarquées de multiples horloges atomiques qui fournissent des références temporelles très précises, transmises par les signaux GPS. Ceux-ci sont décodés par les récepteurs GPS, dont l horloge est synchronisée à celles des satellites. L utilisateur peut alors déterminer l heure à cent milliardièmes de seconde près, sans avoir à se soucier de l achat et du fonctionnement des horloges atomiques. L exactitude des références temporelles revêt une importance cruciale pour toute une gamme d activités économiques à travers le monde. Les systèmes de télécommunications, les réseaux électriques et les réseaux financiers comptent sur la précision des références temporelles aux fins de synchronisation et d efficience opérationnelle. L accès libre et gratuit au temps GPS est une source d économies pour les entreprises, et les capacités ont considérablement progressé. Les applications terrestres On estime que les retards liés à l encombrement des autoroutes, des rues et des systèmes de transport à travers le monde se soldent par des pertes de la productivité qui se chiffrent à des centaines de milliards de dollars par an. Les dégâts matériels, les préjudices corporels, l aggravation de la pollution aérienne et l inefficacité de la consommation de carburant font eux aussi partie du cortège d effets néfastes de la congestion. La disponibilité et la précision du GPS offrent un surcroît d efficiences et de sécurité pour les véhicules qui circulent sur les routes et dans les rues ainsi que pour les systèmes de transport en commun. Le GPS permet de réduire considérablement, voire d éliminer, bien des problèmes associés à l aiguillage des véhicules commerciaux. Il en va de même pour les systèmes de transport en commun, les équipes chargées de l entretien des routes et les véhicules d urgence. L automobiliste a été le premier utilisateur «terrestre» grand public du GPS. Ce dernier rend possibles les systèmes de localisation automatique et de navigation des véhicules, lesquels sont d emploi courant dans le monde d aujourd hui. En combinant la technologie de positionnement du GPS à des systèmes de visualisation d informations géographiques ou capables de transmettre automatiquement des données ou d afficher des informations sur un écran d ordinateur, on crée une nouvelle dimension des transports par voie de surface. Les constructeurs d'automobiles commencent à intégrer un récepteur GPS à certains véhicules, en général haut de gamme, interfacé avec un écran LCD qui vous propose une carte géographique interactive et la position de votre véhicule en temps réel. Un logiciel répertoriant une multitude d'adresses, pilote en complément le système, et fournit donc une trajectoire à suivre. Un autre domaine d application du GPS, c est celui des travaux publics. Le positionnement par satellite est déjà très utilisé par les entreprises de travaux publics. Il simplifie l implémentation précise des ouvrages et permet un contrôle et une mesure en temps réel des avances journalières réalisées. Il facilite la vérification du nombre de passages pour les engins de compactage. Ainsi, le GPS simplifie le travail du géomètre de chantier. Les systèmes les plus précis sont sans aucun doute les GPS utilisés par les professionnels du génie civil, et plus particulièrement les géomètres et topographes qui travaillent avec des positionnements de précision centimétrique. Page 22/31

23 La navigation aérienne Les pilotes du monde entier ont recours au GPS pour accroître la sécurité et l efficience des vols. Grâce à ses capacités de précision, en mode continu et à l échelle mondiale, le GPS assure des services intégrés de navigation par satellite qui répondent à bien des besoins des milieux de l aviation. Le positionnement et la navigation basés dans l espace permettent de déterminer la position à trois dimensions d un aéronef pendant toutes les phases du vol, c està-dire pendant le décollage, durant le parcours, pendant l atterrissage et au sol à l aéroport. L amélioration des manœuvres d approches à l arrivée aux aéroports, qui s accompagne de nouveaux avantages opérationnels et d un surcroît de sécurité, sont actuellement mises en œuvre même dans des endroits éloignés où de classiques services au sol ne sont pas disponibles. Dans certaines régions du monde, la réception des signaux des satellites est amplifiée, ou améliorée pour des applications à l aéronautique, tel que l atterrissage dans de mauvaises conditions météorologiques. On remarque de nombreux avantages liés à l utilisation du GPS dans l aviation civile : il offre des services de positionnement continu, fiable et précis pour toutes les phases du vol, à l échelle mondiale et gratuits pour tous, il y a aussi les routes aériennes qui sont plus sûres, souples et qui économisent le carburant pour les prestataires de services et les usagers de l espace aérien. La navigation maritime Dans la navigation maritime, il est important que le capitaine du navire connaisse la position de son bâtiment en pleine mer aussi bien que dans les ports et les voies d eau saturés. En mer, il a besoin de connaître la position exacte du navire, sa vitesse et son cap pour arriver à bon port de la manière la plus sûre, la plus économique et la plus rapide possible compte tenu des conditions. La nécessité de connaître sa géo-localisation précise est encore plus critique quand le navire quitte le port ou qu il accoste. La circulation et d autres dangers compliquent les manœuvres à accomplir, et le risque d accident augmente en conséquence. Marins et océanographes ont de plus en plus souvent recours aux données GPS pour faire des levés de terrain sous l eau, placer des bouées, localiser les dangers de la navigation et les cartographier. Les flottes de pêche commerciale se servent du GPS pour se diriger vers les aires les plus favorables, pour suivre les migrations de poissons et pour s assurer qu elles respectent la réglementation. Le GPS joue un rôle de plus en plus important dans la gestion des installations portuaires. La technologie du GPS, conjuguée aux logiciels des systèmes d information géographique (SIG), est essentielle à la gestion efficace des opérations de placement automatisé des conteneurs dans les plus grandes installations portuaires au monde. Le GPS facilite l automatisation du ramassage, du transfert et du placement des conteneurs dont on peut suivre la trace du port d entrée au port de sortie. Il a ainsi permis de réduire considérablement le nombre des conteneurs perdus ou mal adressés, point important quand on considère qu il y en a des millions qui circulent chaque année dans les terminaux portuaires, et de faire baisser les coûts d exploitation connexes. Le GPS sert aussi à synchroniser les trains, les transactions financières électroniques, les réseaux d'électricité, les Bourses et même, dans certains pays, les téléphones mobiles. Page 23/31

24 3) Services et usages «GPS - système de téléguidage par satellite qui a définitivement relégué les cartes routières dans la boîte à gants». Cela peut paraître une phrase écrite par un technophobe. Mais, en tant que consommateur de services, il est nécessaire de se poser des questions en ce qui concerne l impact de cette technologie sur notre société. Sans doute le GPS, initialement conçu comme un outil militaire, a gagné sa place dans le palmarès des nouvelles technologies qui depuis dix ans ont révolutionné nos relations, nos comportements, nos façons d'agir ou de réfléchir et parfois notre liberté d'expression. La technologie de GPS peut être utilisée dans multiples domaines et nouvelles applications sont toujours susceptibles d être découvertes. A ce moment, son utilisation varie de la navigation navale, l aviation, les constructions, la cartographie, la surveillance de la vie sauvage, des ressources naturels ou même des personnes jusqu à l utilisation publique comme moyen d orientation sous forme compacte ou intégré dans un Smartphone. Il est donc évident que l impact du GPS sur nos vies peut être analysé sous différents angles de vue : le développement, la sécurité, les loisirs et finalement l aspect politique. L avancement de la société est très lié à l avancement technologique mais on observe qu il faut bien maîtriser l accès aux technologies car elles peuvent facilement être utilisées contre la société elle-même. Par exemple, après le récent attentat d un terroriste sur un avion qui atterrissait à Detroit, les services de sécurité américaines considèrent que les écrans des systèmes GPS qui sont disponibles pendant le vol devraient être éteints pour ne pas permettre aux passagers de connaître le progrès ou la position de l avion. En outre, le GPS paraît être utilisé dans le domaine de la bio-piraterie d après les dernières investigations. En guise de souvenirs, des "touristes" partant des pays du Sud rapportent dans leurs bagages mygales, scarabées, serpents, semences et autres plantes aux vertus médicinales dans le but de les vendre aux laboratoires occidentaux de l industrie pharmaceutique et cosmétique. Ces "biovoleurs" travaillent généralement pour des réseaux criminels organisés, qui leur fournissent des moyens techniques sophistiqués comme des GPS. En ce qui concerne les utilisations de GPS pour la géo-localisation on est ramené à faire une distinction entre des projets comme l initiative de la police canadienne de donner des bracelets GPS aux personnes souffrant de Alzheimer et les bracelets pour la surveillance des enfants, des âgés ou les colliers pour les animaux de compagnie. Ces derniers apportent un vrai changement dans les relations interhumaines et au niveau de la perception de la responsabilité. Dans le même domaine de la surveillance, la proposition de loi introduisant le bracelet GPS pour suivre à la trace d'exdélinquants sexuels a été discutée en France en A la différence du placement électronique classique, la surveillance électronique mobile relève davantage de la mesure de sûreté dont le but est de s'assurer, en cas de besoin, de la localisation géographique du condamné libre par l'intermédiaire de la technique du GPS. Mais est-ce que le recours à un mouchard électronique permanent est de nature, en soi, à prévenir la récidive en tant que telle? Plusieurs organismes parmi lesquelles La ligue des droits de l homme restent sceptiques vis-à-vis de cette mesure. Figure 10 : GPS et surveillance Page 24/31

25 Malgré toutes ses applications, pour la plupart, le concept de GPS reste lié à l assistance à la conduite. De ce point de vue, le GPS remplace les cartes routières et on se demande si le début d une technologie peut signifier la fin d un outil pérenne. La réponse la plus probable semble à être non. Figure 11 Figure 12 Tout d abord, les récepteurs GPS ont l inconvénient d être dépendants d une source d énergie et malgré toutes les précautions on ne pourrait pas être sûrs de retrouver notre chemin que si on ne néglige pas les bonnes vieilles cartes routières. A une échelle plus large, le département météorologie du gouvernement américain envisage des embouteillages monstres en ville et automobilistes perdus sur les routes de rase campagne dans l éventualité d une panne générale de tous les GPS de monde. En effet, le système de repérage par satellite devient de plus en plus vulnérable aux aléas de la météo cosmique. Ainsi, en décembre 2006, une explosion solaire inattendue a endommagé la précision de tous les récepteurs GPS. Or selon les experts, le prochain pic d activité de l astre se produira en Deuxièmement, les GPS ne sont pas toujours logiques quand ils établissent une route vers une destination. Même si avec un GPS qui prend le rôle d assistant on ne se perdra jamais, il ne remplace pas un tracé personnalisé ou un ami copilote qui nous guide. De l autre côté, il est vrai qu il existe des GPS capables de détecter les bouchons de circulation, accidents ou chantiers de construction sur une des routes programmées; ils proposent alors un circuit de rechange. Cependant, les GPS sont encore incapables de distinguer les bouchons dus aux feux de signalisation du reste des embouteillages. Pour aller plus loin dans l analyse de l impact sociologique du GPS, n groupe de recherche de l université de Cornell a étudié l impact du GPS sur notre perception du monde. Ils ont conclu que la technologie GPS apporte une représentation abstraite de notre environnement physique, très différente de la représentation de ceux qui circulent et conduisent sans GPS. Les chercheurs ont constaté souvent que les gens ne recherchent plus les marques des espaces qu ils traversent : plutôt que de regarder les signes de la rue pour s orienter, ils se basent sur le GPS pour obtenir la direction et parvenir à destination. Ils n ont plus besoin d apprendre à naviguer ou à demander à des passants comment se rendre à tel endroit. Les systèmes GPS ne sont pas seulement de simples outils de navigations. Ils changent la façon dont nous percevons notre environnement et cela leur confère une responsabilité particulière. Le GPS du futur doit pouvoir prendre en compte les marques du territoire plutôt que les distances : plutôt que de nous dire, tournez à gauche à 100 mètres, il doit savoir dire tournez à gauche après le pont. Avec une conception de ce type, les gens peuvent faire plus attention aux objets physiques de leur environnement, alors que les systèmes actuels ont plutôt tendance à les en couper. Page 25/31