Données GPS. Les sport. nautique cést nous!

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1 Les sport nautique cést nous! Données GPS Que signifie GPS? Pourquoi le GPS a été développé? Rétrospective historique Structure du système satellite Mode de fonctionnement du système GPS Exactitude du système GPS et de ses facteurs WAAS / EGNOS; systèmes de correction Copyright by Compass Sarl

2 Que signifie GPS? GPS signifie Global Positioning System ou Géo-Positionnement par Satellite. En principe, chaque système de navigation par satellites est un système GPS. Exemples : Navstar (USA), Euteltrans (Europe), Galileo (Europe), Glonass (Russie), MTSAT (Japon) ou Beidou (Chine) Dans le langage courant, on utilise cependant la plupart du temps le terme GPS pour parler du système GPS Navstar. L appellation officielle est Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System (NAVSTAR-GPS). NAVSTAR est aussi parfois utilisé comme abréviation pour Navigation System using Timing and Ranging. Le GPS est entré officiellement en fonction le 17 juillet Pourquoi le GPS a été développé? A l origine, le GPS a été développé en tant que système de navigation à usage militaire pour les navires, les avions et pour le système d armement. Aujourd hui cependant, le GPS est utilisé dans de nombreux secteurs civils comme la marine, l aviation, l automobile ou encore pour optimiser les entraînements de sport de haut niveau.

3 Un récepteur GPS peut déterminer de façon relativement exacte notre position partout dans le monde et ainsi nous assister dans toutes les formes de navigation. Rétrospective historique Le programme GPS a été lancé en Les premiers satellites sont envoyés dans l espace en En décembre 1993 le système GPS est rendu opérationnel avec 24 satellites. Le 17 juillet 1995, le système GPS est rendu opérationnel en permanence. Le propriétaire du système Navstar est le Ministère de la Défense des USA. Il y a 2 codes pour déterminer une position. Le premier est crypté et réservé aux utilisateurs autorisés et le deuxième est librement accessible. Le code librement accessible a été pendant de nombreuses années délibérément dégradé avec une faible précision à 100m. environ, ceci afin d éviter une utilisation des signaux à des fins militaires. Depuis le 1er mai 2000, il a été mis fin à cette dégradation volontaire et la précision moyenne s approche des 10m. Actuellement, 31 satellites sont actifs.

4 Structure du système satellite et fonctionnement du système GPS Le système GPS Navstar est constitué d une constellation de 31 satellites, qui suivent une orbite quasi circulaire à une altitude d environ km et à une vitesse de 3,9 km par seconde. De façon simplifiée, chaque satellite envoie le message suivant: Je suis le satellite no X, je suis à la position Y et ce message à été envoyé à l heure Z. Par ailleurs, le satellite envoie des informations sur sa trajectoire et celles des autres satellites. Ces données (éphémérides et autres informations pour les Almanachs) sont enregistrées par le récepteur GPS et seront utilisées ultérieurement.

5 Le récepteur GPS compare a présent l heure à laquelle le signal a été envoyé avec l heure à laquelle il a reçu le signal. Comme le signal se propage à la vitesse de la lumière ( m/s), on peut ainsi, à l aide de la différence de temps, calculer la distance qui sépare le satellite du récepteur GPS. Une position peut ainsi être déterminée par le calcul de la distance par rapport à plusieurs satellites. Les temps donnés dans l exemple ci-dessous ne sont qu explicatifs. Le signal n a besoin que d env. 0,07 sec. jusqu à la terre. Dans notre exemple, nous avons deux points d intersection A et B. Pour la détermination exacte d une position en 2 dimensions (2D), nous avons besoin d un troisième cercle pour n avoir plus qu un point d intersection. Ce troisième cercle est donné par la circonférence de la terre, puisque nous nous trouvons à la surface de la terre. Si l on rajoute maintenant un satellite supplémentaire, on peut théoriquement déterminer une position en 3 dimensions sur la surface de la terre. Le problème lors de ce calcul est l exactitude de l heure. En effet, chaque satellite possède une horloge atomique très précise, alors que les récepteurs ne possèdent qu une horloge à quartz. Dans notre exemple, supposons que l horloge du satellite a 0,5 secondes d avance sur l horloge

6 du récepteur GPS. Il en résulte l image suivante: Comme notre récepteur calcule maintenant un temps plus long de 0,5 seconde, il détermine le point B, alors que nous nous trouvons au point A. Comme le récepteur synchronise son horloge avec cette du satellite, cette erreur est relativisée, mais il faut savoir qu un décalage de 1/100 sec. représente à la vitesse du signal une différence d env km. Comme ceci ne peut pas être compensé avec l horloge à quartz, on prend simplement un troisième satellite pour améliorer la position. Cela donne l image suivante.

7 On a à présent, en raison du décalage de l horloge, 3 points d intersection B. Si on réduit maintenant tous les cercles de façon identique jusqu à l obtention d un seul et unique point d intersection, on obtient la position exacte A et ainsi le décalage de l horloge à quartz est compensé. Toutes les présentations faites jusqu à présent fonctionnaient sur le papier en 2 dimensions. Cependant, comme notre terre est en 3 dimensions, 4 satellites au moins sont nécessaires pour définir une position. Lors de calculs sur la surface de la terre, nous avons cependant donné à la quatrième mesure la circonférence de la terre. Un calcul sans données de hauteur (2D-Fix) est donc possible avec 3 satellites. Mais pour un vrai 3D-Fix nous avons besoin d au moins 4 satellites.

8 Exactitude du système GPS Facteurs de l inexactitude des mesures: 1. Position des satellites les uns par rapport aux autres Dans les images ci-dessus, on reconnaît clairement que la surface représentant la zone grise d inexactitude est plus petite lorsque les satellites se situent dans un angle de 90 les uns par rapport aux autres. Les appareils GPS modernes cherchent parmis tous les satellites récepteurs, ceux qui

9 déterminent la meilleure position. En cas de réception réduite (par ex. effet canyon en milieu urbain), ceci n est cependant pas toujours possible. 2. Effet multi-trajets En cas de réflection du signal contre des surfaces (écho), le même signal arrive encore une fois retardé à l appareil GPS. L erreur qui s ensuit dans cet exemple n est que de quelques mètres. Les deux erreurs mentionnées ci-dessus peuvent être minimisées par le choix d un autre emplacement avec des meilleures conditions de réception.

10 3. Trajectoire des satellites De par la gravitation ou l attraction de la lune et du soleil, les satellites dévient quelque peu de leur trajectoire optimale. Ceci est constamment surveillé et corrigé, cependant cela provoque une inexactitude d env. 2 m. 4. Effets atmosphériques espace non troublé émission troublée Ionosphère Troposphère Dans l univers le signal se propage à la vitesse de la lumière. De par des effets atmosphériques, le signal est cependant ralentit (dans l ionosphère et la troposphère). Il s agit ici d une inexactitude d env. 0,5 m.

11 D autres sources d erreurs résident dans le décalage des horloges, comme nous l avons déjà mentionné, et dans des erreurs d arrondis lors des calculs. Finalement, il faut encore mentionner la théorie de la relativité, selon laquelle premièrement 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, et deuxièmement la plus faible gravité au niveau des satellites engendre un écoulement du temps plus rapide que celui du récepteur. Ces erreurs peuvent cependant être compensées par une correction de fréquence du signal. La somme de toutes ces sources d erreurs donne une inexactitude d env. 12 mètres.

12 WAAS / Egnos et autres systèmes de correction Il existe différents dispositifs pour améliorer la précision du GPS. 1. DGPS (GPS différentiel) Ici on a besoin de 2 récepteurs GPS. Un récepteur, dont la position doit être déterminée et un deuxième récepteur, dont la position est exactement connue. Le récepteur connu peut maintenant calculer l erreur du signal reçu et envoyer un signal de correction, que l autre récepteur peut traiter. Le désavantage de ce système est qu il se base sur une fréquence d ondes longues et que le GPS récepteur doit être équipé d un récepteur pour ondes longues. Ce système était jusqu à présent très utilisé près des côtes.

13 2. WAAS (Wide Area Argumentation System) Ce système est disponible depuis 1999 aux USA (Amérique du nord). Les signaux GPS sont surveillés pas 25 stations au sol. Deux stations de base analysent les données et envoient les données corrigées à deux satellites géostationnaires, qui transmettent à leur tour les signaux aux récepteurs GPS aptes à les recevoir. L avantage de ce système est qu on a pas besoin d un récepteur supplémentaire. Mais il faut toutefois se trouver dans la zone de réception de l un des deux satellites. 3. EGNOS (European Geostationary navigation Overlay Service) EGNOS est un système identique à WAAS, mais qui fonctionne en Europe.