La cartographie est essentielle pour beaucoup d’activités : agriculture, urbanisme, transports, loisirs, etc. Elle a été révolutionnée par l’arrivée des cartes numériques accessibles depuis les ordinateurs, tablettes et téléphones, bien plus souples à l’usage que les cartes papier. Les cartes numériques rassemblent toutes les échelles et permettent de montrer différents aspects de la région visualisée sur une seule carte. Les algorithmes de recherche permettent de retrouver sur la carte les endroits en donnant simplement leur nom, et de calculer des itinéraires entre points selon des modes de transports variés.
Historiquement, le positionnement s’est fait avec des instruments comme l’astrolabe, la boussole ou le sextant. Il s’agissait de mesurer sa position par rapport à celles des étoiles.
Géolocalisation
Fonctionnement
Une position est obtenue grâce à :
- un appareil, le récepteur : il n’envoie rien, il ne fait que recevoir,
- des satellites, en général, 4. Le principe est d’utiliser le temps entre l’horaire d’émission et l’horaire de réception d’un message venant du récepteur. Cela permet de calculer la distance entre ce récepteur et les satellites. En effet, on applique la formule d = v x t où v désigne la vitesse (les signaux sont émis à la vitesse de la lumière c, soit environ 300 000 km/s) et t le temps de parcours. On en déduit alors les coordonnées (latitude, longitude et altitude) grâce à la trilatération.
Tout ceci repose sur la connaissance des positions exactes des satellites. Le signal envoyé est une onde électromagnétique. Ce signal est codé pour savoir quel est le satellite qui envoie le message.
En simplifiant,
- un seul satellite permet d’obtenir une sphère de positions possibles,
- deux satellites permettent d’obtenir un cercle de positions possibles (un cas possible d’intersection de deux sphères),
- trois satellites permettent d’obtenir un seul point possible (un cas possible d’intersection de trois sphères),
- le quatrième satellite permet de corriger d’éventuelles erreurs (synchronisation des horloges de l’appareil et de chaque satellite…).
Pour que la Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites (GNSS) fonctionne, il faut en réalité au moins 24 satellites. Par exemple, en France, on ne peut voir simultanément que 6 à 12 satellites.
Site proposant une carte des emplacements des satellites
| nom | GPS | Glonass | Galileo | Beidou |
|---|---|---|---|---|
| origine | américaine | russe | européenne | chinoise |
| altitude (km) | 20 200 | 19 100 | 23 222 | 21 528 |
| période orbitale | 11h58min | 11h15min | 14h07min | 12h53min |
| nombre de plans orbitaux | 6 | 3 | ||
| nombre de satellites (actuels) | 31 | 24 | 30(22) | 32 (20) |
Le premier satellite GPS a été lancé en 1978.
Initialement, le système Beidou (ou plutôt Compass) reposait sur seulement 3 satellites géostationnaires car seule la couverture de la Chine était visée.
Explication en vidéo (3′) avec Galileo (réalisée par le CNES en 2016)
Cas de Galileo
Galileo est le système européen de géolocalisation par satellite. C’est un projet de l’Union Européenne qui a débuté en 2001. C’est à la fois un programme économique (un marché global jugé à plus de 80 milliards d’euros) et un outil d’indépendance stratégique. Il fonctionne déjà en partie depuis 2016. Il reste à envoyer quelques satellites dans l’espace. La précision horizontale devrait être de 1,8 m contre 4,9 m pour le GPS. A l’aide de stations au sol (système Egnos) et d’instruments, la précision pourra même descendre au cm. Hélas, le pilotage de Galileo est complexe. Il est en effet géré par la Commission européenne (partie politique), l’ESA (Agence Spatiale Européenne) pour la partie technique et la GSA (agence européenne) pour la partie opérationnelle… et le Brexit complique la situation. De leur côté, les Etats-Unis réagissent en prévoyant une version GPS III pour 2023 de précision similaire à Galileo.
Précision
Il est essentiel que le satellite et le récepteur soient synchronisés. Côté satellite, la précision du temps est assurée par une horloge atomique à base de rubidium. L’incertitude est de l’ordre de la nanoseconde, soit compte tenu de la vitesse de la lumière, de 30 cm. Côté récepteur, la précision est beaucoup moins importante car il est équipé d’une horloge à quartz, dont la précision est seulement de l’ordre de 1 microseconde soit 300 m. Ce n’est pas satisfaisant. Comment améliorer la situation ?
C’est là qu’intervient un autre satellite. On peut alors déterminer une différence de temps de réception qui permet alors de mesurer une différence de distance. Par conséquent, on obtient des mesures de temps et de distance bien plus précises.
Autres difficultés :
- l’effet de l’atmosphère, la traversée du signal dans l’ionosphère et la troposphère qui perturbent le signal,
- les effets de la relativité (restreinte et générale).
Des corrections sont ainsi mis en action dans les récepteurs GPS pour en tenir compte.
Enfin, une autre solution a été trouvée : il s’agit de s’appuyer sur des stations de référence fixes (au sol) dont la position est connue de manière parfaitement précise.
Démarrages
Un récepteur GPS peut avoir trois types de démarrage : à froid (moins de 2 minutes), tiède (moins de 50 secondes) ou à chaud (moins de 30 secondes), selon que les satellites avec lesquels il va travailler sont connus à l’avance ou pas et selon l’état de la connaissance des almanachs ou éphémérides (position du satellite, correction des horloges,…).
Quant au GPS sur smartphone, il démarre rapidement en général car à l’allumage, un signal est envoyé au Fournisseur d’Accès à Internet qui retourne immédiatement une position du récepteur (même approximative) permettant de savoir quels sont les satellites qui vont entrer en jeu (cela revient à un démarrage à chaud).
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