Hashtag Sciences : comment le GPS calcule notre chemin

Les systèmes de positionnement par satellites permettent de définir notre emplacement sur Terre presque au mètre près. Un article d’Avner Bar-Hen, extrait de #Sciences 5 (Hashtag Sciences), disponible en kiosque jusqu’en février 2020.

Pokemon Go

Jouer à Pokemon Go ? C’est grâce au GPS.

CRÉDIT INA FASSBENDER / AFP

Cet article d’Avner Bar-Hen est tiré du magazine #Sciences (prononcez Hashtag Sciences). Le 5e et dernier numéro fait sa couverture sur la science de Star Wars ; il est en vente, partout en kiosque, jusqu’en février 2020.

Allez hop, un Balbuzard ! Et là, au coin de la rue, un Salamèche ! Rien à dire, le GPS, c’est une belle invention. Le Global Positioning System peut servir à jouer à Pokemon GO… Et à deux ou trois autres broutilles, bien sûr. Comme trouver le chemin du lycée, s’orienter dans une ville inconnue à la sortie de la gare, etc. Mais comment diable faisait-on avant ce petit cercle bleu scintillant à l’écran pour connaître notre position ? Sa précision est redoutable… Même s’il lui arrive parfois de s’emmêler les pinceaux et d’indiquer que nous sommes deux ou trois rues plus loin qu’en réalité. Bon, ce n’est pas grave quand on a rendez-vous pour aller prendre le thé chez mamie Chantal. Mais c’est potentiellement catastrophique quand le GPS sert à diriger un avion ou une voiture autonome.

Un dispositif qui repose sur un réseau de 24 satellites

Rassurons-nous, ce système dont le développement a été entrepris en 1973 par (et pour) le département de la défense des États-Unis peut encore progresser. On a déjà fait du chemin depuis l’invention, à l’Antiquité, des latitudes et des longitudes. Les premières saucissonnent horizontalement notre planète. Les secondes sont ces lignes qui découpent notre globe de bas en haut à la façon des quartiers d’une orange. Un damier sur lequel le GPS nous positionne désormais en quelques fractions de seconde. Concrètement, ce dispositif repose sur un réseau de satellites. Ils sont vingt-quatre à émettre vers la Terre un faisceau incliné à 55° par rapport à l’équateur. Cette flottille est placée sur six orbites circulaires à un peu plus de 20 000 km d’altitude. Ainsi, chaque satellite peut faire un tour d’orbite en 12 heures – autrement dit, deux fois le tour de la Terre en une journée. Quant au faisceau émis vers notre planète, il est constitué d’ondes électromagnétiques qui parcourent l’espace à la vitesse de la lumière – 300.000 kilomètres par seconde. Comme on connaît cette vélocité, l’instant auquel l’onde part du satellite (pourvu d’une horloge interne) et celui où il arrive au téléphone, il est possible de calculer la distance qui les sépare et ainsi la position de l’utilisateur à la surface de la Terre (c’est le principe de l’écholocalisation). Mais un seul satellite ne suffit pas pour indiquer ce lieu avec une précision satisfaisante. Il faut en utiliser plusieurs pour procéder à ce qu’on appelle la triangulation.

3 SATELLITES VALENT MIEUX QU’UN
Plusieurs satellites sont nécessaires pour déterminer finement la position d’un individu. Le 1er localise notre quidam en le plaçant quelque part sur un cercle. Le 2e fait de même, déterminant un nouveau cercle qui coupe le précédent en une zone plus fine. Même scénario avec le 3e. Au lieu de croisement des trois cercles se trouve l’usager du GPS. Voilà qui est suffisant quand on se trouve au niveau de la mer. En montagne, un 4e satellite sera nécessaire pour caler l’altitude du point d’intersection.

Deux fréquences d’onde améliorent l’estimation

L’estimation de la localisation est donc fondée sur la mesure du temps de transit entre le satellite et le récepteur. Cela nécessite une parfaite synchronisation des horloges des satellites et du récepteur. Si l’horloge du récepteur GPS n’est pas pile-poil à l’heure, la précision de la position calculée sera fortement dégradée. L’onde se propageant à la vitesse de la lumière, un retard ou une avance d’une microseconde (0,000001 seconde) entraîne une erreur de 300 m sur la distance. Les conditions météorologiques perturbent aussi la vitesse du signal dans l’atmosphère. Par chance, cette perturbation dépend fortement de la fréquence de l’onde électromagnétique. C’est pourquoi chaque satellite ne se contente pas d’émettre sur une seule fréquence : il en utilise deux, pour améliorer sensiblement. l’estimation.

EN ATTENDANT GALILEO
L’Europe aussi a son système de localisation par satellites. Mais la mise sur orbite de la constellation Galileo, c’est son nom, a subi des retards et son déploiement ne devrait s’achever qu’en 2021, quand les trente satellites constituant sa constellation seront tous opérationnels. Galileo permet de positionner son utilisateur sur le globe, il donne aussi l’heure mais à la différence de ses cousins américains (GPS), russes (Glonass) ou chinois (Beidou), le dispositif développé par l’Union européenne a été conçu pour être exploité par des civils, afin de répondre à des besoins civils.

Chaque engin fonctionne ainsi sur 1227,60 MHz (mégahertz, soit 1 million de hertz) et 1575,42 MHz. En faisant la moyenne des deux signaux, on “ gomme ” les perturbations et on a l’indication la plus fiable possible. On peut aussi utiliser des informations sur le scintillement de l’ionosphère pour corriger les données : on arrive à des précisions de l’ordre du mètre. Ce qui est suffisant pour beaucoup d’applications mais pas pour diriger un avion ou une voiture. Cela donne aussi une chance à Balbuzard d’échapper à notre sagacité.

DEFINITIONS
Une onde électromagnétique est animée d’oscillations régulières. Le temps qui sépare deux sommets est appelé la période “ T ”. Son inverse (1/T) est la fréquence, qui est caractérisée en Hertz, l’unité employée pour définir l’onde électromagnétique.
Le scintillement apparent des étoiles est causé par les turbulences thermiques de l’atmosphère. Plus précisément par le scintillement de l’ionosphère, sa partie supérieure. Un phénomène qui altère le cheminement de la lumière mais aussi le signal GPS.

 

Cet article d’Avner Bar-Hen est tiré du magazine #Sciences (prononcez Hashtag Sciences). Le 5e et dernier numéro fait sa couverture sur la science de Star Wars ; il est en vente, partout en kiosque, jusqu’en février 2020.

Allez hop, un Balbuzard ! Et là, au coin de la rue, un Salamèche ! Rien à dire, le GPS, c’est une belle invention. Le Global Positioning System peut servir à jouer à Pokemon GO… Et à deux ou trois autres broutilles, bien sûr. Comme trouver le chemin du lycée, s’orienter dans une ville inconnue à la sortie de la gare, etc. Mais comment diable faisait-on avant ce petit cercle bleu scintillant à l’écran pour connaître notre position ? Sa précision est redoutable… Même s’il lui arrive parfois de s’emmêler les pinceaux et d’indiquer que nous sommes deux ou trois rues plus loin qu’en réalité. Bon, ce n’est pas grave quand on a rendez-vous pour aller prendre le thé chez mamie Chantal. Mais c’est potentiellement catastrophique quand le GPS sert à diriger un avion ou une voiture autonome.

Un dispositif qui repose sur un réseau de 24 satellites

Rassurons-nous, ce système dont le développement a été entrepris en 1973 par (et pour) le département de la défense des États-Unis peut encore progresser. On a déjà fait du chemin depuis l’invention, à l’Antiquité, des latitudes et des longitudes. Les premières sont ces lignes qui découpent notre globe de bas en haut à la façon des quartiers d’une orange. Les secondes saucissonnent horizontalement notre planète. La création de ce « quadrillage sphérique » a permis de déterminer nos coordonnées sur le globe terrestre. Un damier sur lequel le GPS nous positionne désormais en quelques fractions de seconde.

Source: Sciencesetavenir.fr

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