GPS, boussole du 21ème siècle

Les militaires l’ont imaginé, les civils en bénéficient : le GPS est originellement un programme qui permet de localiser une cible avec précision ou de se déplacer en terrain inconnu sans risquer de s’égarer. Aujourd’hui la majorité de ses utilisateurs ne portent pas d’uniforme !

Pour le chauffeur de taxi comme pour le géophysicien étudiant la tectonique des plaques, pour le randonneur en montagne ou dans le désert, le GPS devient un instrument indispensable. Il s’insère même désormais dans nos téléphones mobiles, voire dans nos montres. Comment fonctionnent ces petits écrans, qui sont capables de vous guider, y compris par la voix, dans le dédale de n’importe quelle grande ville comme au milieu du Sahara ?

D’où vient-il ?

Le Système de positionnement mondial (Global Positioning System en anglais ou GPS) est né en 1978 aux Etats-Unis. Avec son adoption par le contrôle aérien nord-américain, il est devenu pleinement opérationnel en 1994, trente ans après le lancement, en 1963, d’un premier projet expérimental sous les auspices de l’US Air Force.

Conçu pour l’armée américaine, celle-ci a accepté de le partager avec les civils au milieu des années 80. La condition pour Washington était d’en garder le contrôle tout en en fournissant une version « dégradée », autrement dit moins précise. Ce n’est plus le cas depuis 2000, le Pentagone n’altérant plus les résultats. La précision des GPS civils de base est alors passée de 100 à 22 mètres.

Aujourd’hui, Washington préfère se réserver la possibilité de bloquer l’utilisation du GPS là où l’armée américaine l’estime nécessaire pour des raisons de sécurité nationale, essentiellement dans les zones de conflit où elle peut être impliquée. Le verrouillage se fait avec un préavis de deux jours au minimum. Par ailleurs, en cas d’arrêt ou de suppression totale du système, hypothèse éminemment improbable aujourd’hui, les Etats-Unis se sont engagés à prévenir le reste du monde au moins six ans à l’avance.

Les différents systèmes

 

 

 

 

Ci-contre, à gauche :
Vue d'artiste du satellite GIOVE B
© ESA - P. Carril.

Cette dépendance extrême explique la décision européenne de créer son propre système, Galileo, actuellement en gestation et qui sera compatible avec le GPS américain. La Russie a aussi le sien, Glonass (Global Navigation Satellite System – Système satellitaire mondial de navigation), mis sur pied par l’Union soviétique à partir de 1982.

Pour améliorer la précision du GPS civil, l’Europe s’est déjà dotée d’un instrument complémentaire, le système Egnos (European Geostationary Navigation Overlay Service – Service géostationnaire européen de couverture de la navigation). Grâce à la grande précision qu’il permet, Egnos est particulièrement utile aux pilotes d’avion ou aux marins manoeuvrant dans les ports et les chenaux de navigation. Egnos permet en effet de parvenir à une précision d’un à deux mètres. Des systèmes encore plus performants existent pour des utilisations extrêmement pointues telles que l’observation des plaques tectoniques ou la construction des grands ouvrages. Là, la précision atteinte se mesure en centimètres.

Comment ça marche ?

 

 

 

 

Ci-contre, à gauche :
Vue d'artiste du système Galileo
© ESA - J. Huart.

 Un tel prodige technologique repose sur une constellation de 24 satellites couvrant à eux tous l’ensemble de la planète et gérés par cinq stations terrestres. Egnos assure le complément européen avec deux satellites supplémentaires. C’est ce qui justifie le label anglais « global » du GPS, faux ami signifiant « planétaire ». Cette configuration permet à tout moment d’être en vue d’au moins quatre satellites, nombre minimal nécessaire pour orienter n’importe quel Terrien équipé du précieux instrument.

Le calcul de la position se fonde sur la mesure de la distance entre le GPS et ces satellites. Il se fait en évaluant le temps mis par les signaux du satellite jusqu’au récepteur sur Terre, délai qui se mesure en millisecondes (ms), c’est-à-dire en millièmes de secondes. Il faut entre 67 et 86 ms pour que le signal arrive à la surface terrestre, selon que le satellite se trouve au zénith ou sur l’horizon. Pour cela, chaque satellite transmet en permanence sa position par rapport à la Terre, ainsi que l’heure précise de transmission du message. Comme le note Paul Correia dans son Guide pratique du GPS (édition Eyrolles), « le GPS est aujourd’hui le moyen le plus simple pour obtenir l’heure avec une très grande précision, et ce, où que l’on se trouve. En fait, le principe du GPS est entièrement fondé sur l’heure maintenue avec une précision phénoménale ».

Le récepteur compare donc l’heure d’émission et de réception du signal et en déduit la distance de chacun des satellites. La convergence des faisceaux de chacun des quatre satellites lui permet de se localiser. Quant à l’indication de la vitesse, elle peut être calculée de différentes façons. La plus simple pour le GPS est de la déduire à partir de deux mesures successives de la position : s’il s’est passé 15 secondes entre deux points distants de 250 mètres, c’est que la vitesse est de 60 km/h.

Quel itinéraire choisir ?

Se pose alors la question de l’itinéraire. On peut suivre celui proposé par le GPS, ce qui n’empêche pas de s’en écarter à volonté, le récepteur en tenant compte. On peut choisir l’itinéraire le plus court en distance ou le plus rapide en temps, quand ceux-ci ne coïncident pas, ou un compromis entre les deux. En montagne ou dans le désert, on peut enfin définir des waypoints, des points de passage, dans des lieux dont les coordonnées géographiques sont enregistrées dans le récepteur (bergerie, pont, ruine, carcasse de véhicule, etc.).

Le récepteur est capable de donner une estimation du temps nécessaire pour atteindre chaque point de passage, ainsi que le temps total du parcours, ainsi qu’une estimation de l’heure d’arrivée. Il est possible d’être alerté par l’appareil à l’approche de chaque point de passage. En mer, on peut aussi programmer une alarme de mouillage qui permet de savoir si le bateau dérive en cas de dérapage de l’ancre. Il existe même une fonction MOB (« Man Over board », homme à la mer) pour mémoriser instantanément une position, fonction qui peut être utile aussi, bien sûr, pour des motifs moins dramatiques.

De telles performances sont conditionnées par une bonne réception des signaux satellitaires. C’est la raison pour laquelle, dans une voiture, le récepteur doit être placé sous le pare-brise. Il faut en effet savoir que la réception est médiocre en ville et impossible dans un bâtiment ou sous un feuillage très dense.

Trois types de GPS disponibles sur le marché grand public

  • Les modèles de randonnée, les plus basiques, GPS simplifiés ;
  • Ceux de navigation routière (PND, Personal Navigation Device – instrument personnel de navigation) avec guidage vocal faisant fonction de copilote certains modèles avertissent même de la présence de radars fixes ;
  • Smartphone et autres pocket PC, téléphones « intelligents », organiseurs, et autres ordinateurs de poche ayant une capacité GPS. Encore peu répandus.

Le saviez-vous ?

Quelques questions à Vincent C, ingénieur cartographe, chef de projet Evadeo à l’IGN.

La position quand on se déplace est-elle suivie en continu ou le satellite n’envoie-t-il des signaux que par intermittence ?

VC : Le suivi est discontinu. Les ondes du satellite sont diffusées en continu mais le GPS ne récupère la donnée que toutes les x secondes, de manière à calculer sa position au fur et à mesure.

Comment les voix sont-elles conçues ? Comment obtient-on une telle fluidité dans le phrasé ?

VC : Il s’agit de voix préenregistrées. Des acteurs enregistrent des phrases ou des éléments de phrases, ainsi que des mots de liaison, avec des intonations variables selon les cas, permettant de coller les bouts de phrase entre eux. Il y a des intonations tombantes de fin de phrase et d’autres, plus égales, permettant d’y adjoindre d’autres éléments. Lors de la navigation, c’est le logiciel qui ira chercher tel ou tel fichier son stocké dans l’appareil pour composer des phrases adaptées à la situation. «Dans 200 mètres, tourner à droite » par exemple est composée d’au moins deux éléments distincts enregistrés séparément avec des intonations différentes : « dans 200 mètres » et « tourner à droite ».

Et les voix de personnalités, comment sont-elles enregistrées ?

VC : Effectivement, certains sites offrent de télécharger des voix de célébrités, Sarkozy, Coluche, Depardieu… En fait, il s’agit d’enregistrements d’imitateurs. Dans un genre un peu différent, l’IGN proposera bientôt des accents régionaux. Votre GPS pourra prendre l’accent du Sud-Ouest par exemple.

Comment le satellite fait-il pour capter mon GPS compte tenu du nombre énorme d’appareils en service ?

VC : Leur nombre n’a aucune importance. Le satellite l’ignore. Il arrose et ses ondes sont captées par les utilisateurs. Le GPS n’émet pas et n’est, en fait, qu’un récepteur, ce qui permet d’avoir un nombre infini d’appareils en circulation. Le satellite n’a aucun retour des appareils, même s’il est lui-même émetteur-récepteur pour pouvoir recevoir les ordres des stations terrestres gérant le système. Quand vous utilisez un GPS, personne ne peut savoir où vous êtes.

Pourquoi les GPS captent-ils mal en ville ?

VC : C’est le même effet qu’en forêt, sauf que là ce n’est généralement pas le feuillage qui fait écran. En ville, on a ce qu’on appelle des canyons urbains, quand on est dans une rue très étroite, avec des bâtiments très hauts sur les côtés. Dans ce cas, le signal du satellite n’arrive pas directement sur le GPS. Il y a un phénomène dit de multi-trajet. Ca rebondit sur les bâtiments, sur les feuillages des arbres, ce qui modifie la précision du signal et ce qui peut d’ailleurs fausser légèrement les indications fournies.

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