Introduction au géopositionnement
historique du géopositionnement
Depuis la nuit des temps, l’homme a ressenti le besoin de connaitre sa position en l’absence de repère visuel terrestre connu.
Sur l’océan ou sur une terre inconnue, seuls les astres fournissent des repères propres à indiquer une position ou une direction.
La latitude a été la première coordonnée à pouvoir être mesurée, par la hauteur du soleil ou de l’étoile polaire.
Pour la longitude la solution est beaucoup plus ardue. Des mesures de temps très précises sont nécessaires.
Même si la méthode était au point dès le XVIIIeme siècle, il a fallu attendre le XIXeme siècle et les progrès de l’horlogerie pour obtenir des mesures correctes.
En l’absence de toute transmission radio, la solution astronomique est encore de nos jours la seule solution pour définir la position d’un point isolé sur le globe.
Dès les années 1970, l’armée américaine a commencé à mettre en oeuvre une solution de géopositionnement par satellite. C’est cette solution qui deviendra le GPS (Global Positioning System)
Aujourd’hui encore, c’est le seul système de géopositionnement par satellite complètement opérationnel.
Le premier satellite est lancé en 1978, mais ce n’est qu’en 1995 que la constellation de 24 satellites devient complètement opérationnelle.
Principe
Le géopositionnement par GPS est constitué de 3 segments.
1- Segment Spatial
Il est constitué d’une constellation d’au moins 24 satellites (NAVSTAR)
Actuellement ce sont 31 satellites qui orbitent à une altitude entre 20km et 20,5 km et font le tour de la terre en 11 heures 58 minutes et 2 secondes soit un demi jour sidéral.
2- Segment de contrôle
Un ensemble de 5 stations au sol qui contrôlent les satellites et déterminent précisement leur trajectoire.
3- Segment utilisateur
Les récepteurs au sol. (nos appareils portables)
Les récepteurs reçoivent de la part des satellites des informations sur leurs positions et leurs horloges atomiques.
A partir de 4 satellites, le récepteur est en mesure de determiner sa position.
Principe du géopositionnement par satellite
Les satellites émettent en permanence des signaux indiquant précisemment leur position et le moment de l’émission.
Chaque récepteur reçoit en permanence les signaux émis par les satellites « visibles ».
Les signaux sont transmis par un onde électromagnétique (micro-onde). Cette onde électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière.
Connaissant le moment de l’émission, la vitesse de transmission et le moment de réception de chaque signal, le récepteur est à même de calculer la « pseudo-distance » le séparant de chaque satellite.
Nous la nommons pseudo-distance puisqu’elle est sujette à une erreur importante liée à la désynchronisation de l’horloge du satellite et celle du récepteur.
Les satellites sont équipés d’horloge atomique d’une précision phénoménale. Le récepteur est équipé d’une horloge très stable assimilable (sur une courte période) en fréquence à celle du satellite mais forcément désynchonisée.
A partir des pseudo-distances, des moments d’émission et des positions de satellites, le récepteur est à même de résoudre un système d’équations dont les inconnues sont les latitude, longitude et altitude du récepteur et le décalage d’horloge. Ce qui fait 4 inconnues. Pour résoudre 4 inconnues, il nous faut 4 équations , d’ou la nécessité de 4 satellites.
Avec plus de 4 satellites le récepteur augmente la précision du géopositionnement.
Complexité du calcul de géopositionnement.
La complexité d’une telle triangulation est augmentée par plusieurs paramètres :
– La relativité restreinte : la vitesse de déplacement du satellite influe sur l’écoulement du temps.
– La relativité généralisée : la faible gravité au niveau des satellites influe également sur l’écoulement du temps.
– La troposphère (couche basse de l’atmosphère)
– Les différences de pression et du taux d’humidité entrainent des variations de l’indice de réfraction. L’indice de réfraction du milieu influe sur la vitesse de progation et la direction des ondes electromagnétiques.
– La ionosphère (couche haute de l’atmosphère) : cette couche est fortement ionisée par le soleil, et ce de manière aléatoire en fonction de l’activité solaire. Cette ionisation perturbe la transmission du signal.
Précision du géopositionnement par satellites.
Plusieurs paramètres influent sur la précision du GPS.
– La troposphère
Nous avons vu ce phénomène ci-dessus. Les récepteurs disposent de solutions pour réduire l’erreur induite. Mais en fonction de l’activité solaire, la correction peut ne pas être suffisante.
– La ionosphère
Nous avons vu ce phénomène ci-dessus. Les récepteurs disposent de solutions pour réduire l’erreur induite. Mais en fonction des conditions météorologiques, la correction peut ne pas être suffisante.
– La précision de la trajectoire des satellites
Il existe une erreur sur la position même du satellite. Cette erreur s’applique fortement augmentée à la position calculée par le récepteur.
– La réverberation
Les obstacles rencontrés par les signaux peuvent « rebondir » sur le sol ou sur un obstacle avant d’atteindre l’antenne du récepteur.
La distance parcourue est alors faussée et l’erreur se répercute sur le calcul de position.
– Le nombre de satellites
Plus le nombre de satellites est grand, plus la géolocalisation est précise.
Nos récepteurs peuvent également éliminer les signaux discordants (notamment en cas de réverbération)
– La répartition des satellites
Plus les satellites visibles sont écartés les uns des autres, plus la précision est bonne. A l’inverse plus les satellites se trouvent dans un cone étroit, moins la précision est bonne.