GPS, aujourd'hui tout le monde connaît cet acronyme, mais on pourrait se demander ce que vient faire cette rubrique dans une publication dédiée à l'informatique.
Eh bien pour deux raisons :
- la première est que le GPS et les systèmes équivalents sont des applications majeures du traitement numérique du signal,
- la deuxième et non la moindre, est qu'avec la généralisation du smartphone, nombre d'entre nous se baladent avec
un GPS dans la poche
, et l'usage s'en est répandu avec l'apparition d'une foule d'applications l'utilisant.
Cette rubrique va donc aborder les principes et les usages de ces systèmes. Les rubriques suivantes traiteront des équipements GNSS, des applications de cartographie et de navigation et des formats de données de localisation.
GPS, GNSS, qu'est-ce-que c'est ? comment ça marche ?
Avant tout un peu de vocabulaire...
GPS est devenu un nom commun qui, à l'instar de frigo
pour désigner un réfrigérateur, désigne pêle-mêle :
- Global Positioning System, le premier GNSS mis en place dans les années 1980 par l'armée des Etats-Unis, et depuis ouvert aux usages civils - c'est là la
vraie
signification ;
- par extension abusive, tout système de type GNSS (oui, on va voir juste après ce que c'est) ;
- et par glissement sémantique tout aussi abusif, un récepteur GNSS (oui, oui, juste après!).
GNSS est l'acronyme de Global Navigation Satellite Systems, en français : Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites. Ce terme désigne un système spatial constitué :
- d'une constellation de satellites en orbite autour de la Terre (orbites MEO à environ 20000 km d'altitude),
- d'un ensemble de stations sol destinées à surveiller et étalonner le système,
destiné à fournir à des équipements mobiles (récepteurs GNSS) un service de localisation sur toute la surface terrestre, tout le temps.
Aujourd'hui, 4 GNSS existent de par le monde :
- GPS, le premier, créé par les USA,
- Beidou, le GNSS chinois,
- Glonass, le GNSS russe,
- et enfin Galileo, le GNSS européen et le dernier né.
Ils se différencient tout d'abord par les fréquences radio sur lesquelles ils émettent, et ensuite par les signaux qu'ils fournissent (ex. signaux spécialisés pour diverses catégories d'utilisateurs).
Enfin, le service rendu est la localisation (positioning en anglais) du mobile, c'est-à-dire sa position dans le repère géographique terrestre.
On y associe souvent le terme de navigation, qui regroupe des fonctions évoluées permettant de fournir des routes entre des lieux, de guider sur ces routes, ce qui ne relève pas stricto sensu des GNSS, même si les données qu'ils fournissent sont mises en œuvre dans la plupart des cas.
Comment ça marche ?
Dans le principe, c'est assez simple :
- le récepteur GNSS reçoit, de la part des satellites qu'il a en visibilité, et via des liaisons radiofréquences dédiées, des messages qui lui permettent de calculer le
temps de vol
de ces messages, et d'en déduire la distance qui le sépare de chacun desdits satellites ;
- connaissant à tout instant la position desdits satellites par rapport à la Terre, il peut, par un calcul de triangulation, en déduire sa propre position par rapport à la Terre.
Bien sûr toute la difficulté réside ;
- dans la bonne connaissance - détermination, mise à jour et propagation dans le système, en particulier vers les récepteurs - des positions des satellites,
- et dans la mesure précise des temps de vol : pour ce faire, des horloges atomiques très précises sont embarquées dans les satellites, et recalées périodiquement vis-à-vis d'horloges encore plus précises au sol.
Par ailleurs, pour fournir le service de localisation partout sur Terre et tout le temps, il faut qu'au moins 4 satellites soient visibles à tout instant de tout point du globe : ceci est assuré par les caractéristiques géométriques de la constellation (nombre de satellites, distances entre les satellites, vitesse de défilement par rapport au sol). On peut assez intuitivement imaginer que :
- la conformation du terrain influe sur la qualité du positionnement : le relief, les bâtiments, peuvent occasionner des masquages ou des multi-trajets qui vont perturber ou biaiser la mesure du temps de vol ;
- à l'inverse, plus le récepteur aura de satellites en visibilité, plus les mesures erronées pourront être compensées par de bonnes mesures, donc meilleure sera la précision de localisation ;
- si le récepteur sait traiter les signaux de plusieurs GNSS, il aura accès à d'autant plus de satellites pour d'autant plus de mesures, donc des performances améliorées.
A ces conditions, le récepteur GNSS pourra fournir à l'utilisateur :
- une position géographique en 3 dimensions (longitude, latitude, altitude), à quelques mètres près, voir mieux,
- une datation précise à la microseconde.