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LE SYSTEME GPS DE NAVIGATION
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L'utilisation de satellites devient un element essentiel du fonctionnement
de nos societes. Chacun d'entre nous profite, sans toujours le savoir, de
facilites qui sont rendues possibles par le lancement de satellites. Parmi
celles-ci, le systeme Global Positioning System (Gps) permet a chacun de
connaitre sa position sur Terre, moyennant l'utilisation d'un recepteur
adequat. De quoi s'agit-il ? Comment cela fonctionne-t-il ?
Depuis le premier Spoutnik sovietique, en 1957, l'espace a pris une part
importante dans le fonctionnement de nos societes occidentales. Cette part
ne pourra que croitre dans le futur. Parmi les utilisations de l'espace, le
positionnement et le guidage par satellites permettent deja a bon nombre
d'entre nous de connaitre leur position sur Terre. Et ce, grace a une
vingtaine de satellites specialement concus. Ces satellites sont l'element
cle de ce que l'on appelle le systeme Gps, pour Global Positioning System.
A l'origine, le systeme Gps a ete cree par les militaires americains. Peu
apres le lancement du satellite Spoutnik par les Sovietiques, des
scientifiques et ingenieurs se sont rendus compte que les transmissions
radios a partir d'un satellite bien localise pourraient permettre de
calculer la position d'un recepteur adequat au sol. La procedure imaginee a
l'epoque consistait a mesurer le deplacement Doppler des signaux emis par
le satellite lorsqu'il passe pres du recepteur. La methode fut utilisee
dans les annees 1960 par FUS Navy, avec le systeme de positionnement par
satellite appele Transit. Mais la methode etait difficile a utiliser. Elle
demandait aussi de disposer au sol d'un equipement electronique couteux.
Souvent, pour un positionnement suffisamment precis, on devait attendre
plusieurs passages consecutifs du satellite; d'ou des temps d'attente de
plus de 100 minutes. Le systeme Transit fut rapidement abandonne.
Les travaux sur le systeme Gps proprement dit ont commence en 1973. A
l'origine, le reseau Gps a ete concu pour localiser et suivre des vehicules
militaires. Constitue de douze satellites, un premier systeme a ete deploye
a partir de fevrier 1978. Un deuxieme, constitue de satellites ameliores,
fut deploye a partir de 1989, et aboutit en juin 1993. Le programme a coute
plus de 4 milliards de dollars, soit quelque 140 milliards de francs
belges. Reserve aux militaires et a quelques applications civiles avant la
guerre du Golfe, le marche du Gps connait depuis lors une croissance tres
rapide. La publicite faite autour des performances du systeme pendant le
conflit contre l'Irak et la baisse des prix des equipements ont contribue a
ce succes commercial.
A cote de ce systeme Gps americain existe un systeme russe, le reseau
Glonass (Global navigation satellite system). Les systemes Gps et Glonass
sont en cours d'integration, sous les auspices de l'organisation
internationale Inmarsat. Etant donne l'importance croissante de la
navigation par satellites, on semble s'orienter vers la mise sur pied, au
niveau mondial et/ou europeen (notamment), d'un reseau gere par le secteur
civil.
Trois elements essentiels
Le Gps est un systeme qui permet de connaitre, a tout moment, sa position
sur Terre. L'idee est simple: elle est basee sur l'existence d'un ensemble
de satellites tournant de maniere connue autour de la Terre. Sur ces
satellites sont installees des horloges atomiques de haute precision. Des
horloges precises sont aussi placees sur le recepteur (generalement au
sol), dont on desire connaitre la position. Chaque satellite transmet en
permanence son identite, sa position et l'heure de son horloge de bord. Un
recepteur est monte sur l'engin dont on veut connaitre la position. Le
recepteur note quand lui parvient le signal emis par le satellite. De la,
il calcule le temps mis au signal pour lui parvenir et en deduit la
distance au satellite. Des mesures prises a partir de trois satellites
donnent une position par triangulation. Geometriquement, la distance a
partir de trois satellites suffit pour determiner la position d'un point.
En effet, a un instant donne, les lieux se trouvant a une distance donnee
d'un satellite se situent sur une sphere centree sur le satellite. Ceux se
trouvant a une distance donnee d'un satellite et a une autre distance
donnee d'un deuxieme satellite sont a l'intersection de deux spheres, donc
sur un cercle. Quant aux lieux se trouvant a distances donnees de trois
satellites, ils sont a l'intersection de trois spheres, donc en deux
points. Mais un de ces points represente une position irrealiste (soit
profondement sous Terre, soit loin dans l'espace). Eliminant cette
position, on en deduit la position sur Terre.
Le systeme Gps est compose de trois elements essentiels: les satellites,
les stations de controle et les recepteurs. Les satellites, au nombre de
24, sont suffisants pour, a tout moment, couvrir la surface terrestre. Ils
tournent a une altitude d'environ 20.000 km. Des stations de suivi et de
controle sont placees sur le globe terrestre. Elles detectent les signaux
radios emis par les satellites et relaient l'information vers une station
de controle situee a Colorado Springs, aux Etats-Unis. Cette station
calcule un modele precis des orbites des satellites Gps et envoie en retour
un signal actualise aux differents satellites. Des recepteurs, au sol ou
pres du sol, recoivent les signaux emis par les satellites et en deduisent
leur position par triangulation.
Au depart, on l'a dit, le systeme Gps est un reseau militaire. Afin de
garder pour leur usage la meilleure precision possible, les militaires ont
concu de coder les signaux emis par les satellites, de telle sorte que les
autres utilisateurs ne disposent que d'un positionnement moins precis.
Typiquement, la precision donnee aux utilisateurs civils serait d'environ
100 metres, alors que les militaires disposeraient d'une precision de 10
metres ou moins.
Toutefois, peu apres le deploiement du reseau de satellites, les
scientifiques et ingenieurs interesses par le systeme de localisation ont
trouve les methodes pour contourner les limitations imposees par les
militaires. Des 1980, des chercheurs du Massachusetts Institute of
Technology ont mis au point un systeme permettant aux civils de connaitre
leur position avec une precision meilleure que celle que les militaires
avaient estimee au depart du programme. La technique employee etait
relativement simple. Puisque les signaux envoyes par les satellites donnent
une position imprecise, mesurons cette imprecision en comparant la position
donnee par les satellites et la position connue d'un recepteur fixe. Lequel
recepteur envoie alors la mesure de l'erreur aux recepteurs voisins, meme
mobiles. La technique porte le nom de D pour Differential (D-Gps). Elle est
utilisee dans des cas ou la precision requise est grande, comme pour guider
des avions atterrissant dans des conditions meteorologiques defavorables.
Enfin, d'autres techniques, plus sophistiquees, permettent d'atteindre des
precisions pouvant aller jusqu'a quelques millimetres.
Comble de l'ironie: au cours de deux importantes operations militaires dans
lesquelles le reseau Gps militaire etait requis (la guerre du Golfe en 1991
et l'occupation de Haiti), les militaires americains ont coupe les
procedures de securite. C'est qu'il n'y avait pas suffisamment de
recepteurs militarises sur place, alors que les soldats possedaient des
recepteurs civils ou pouvaient en commander chez eux par carte de credit.
Les responsables militaires tablaient sur le fait que leurs adversaires ne
possedaient pas de recepteurs Gps, ni de missiles guides par Gps !
A part les applications militaires, les usages a destination des civils se
multiplient. Grace a des frequences radios utilisables par tous, n'importe
qui peut, moyennant un equipement adequat (dont le prix descend en dessous
des mille euros), se localiser avec une precision d'une dizaine de metres.
Ce qui est utile pour les avions, les bateaux, les camions, les autos, les
navigateurs et explorateurs, etc.
Des signaux cryptes sont destines a des usages plus precis, moyennant une
autorisation. Dans ces cas, une localisation avec une precision de l'ordre
du metre est possible. Les principaux clients sont les administrations, les
entreprises de construction et de travaux publics, les compagnies
aeriennes. Quant aux mesures les plus precises, elles sont utiles pour les
geophysiciens etudiant les mouvements des plaques tectoniques ou les
deformations des volcans. Comme c'est le cas pour de nombreuses
technologies nouvelles, l'arrivee du Gps a cree de nouveaux besoins. Des
recherches, des etudes techniques sont en cours pour y repondre de la facon
la plus adequate possible.
Dans le secteur de l'aviation, un systeme de localisation precise serait
tres utile, pour reduire les problemes d'embouteillage du ciel, ainsi que
ceux lies a l'atterrissage dans des conditions meteorologiques mauvaises.
Des problemes semblables existent pour les bateaux. En matiere de
circulation routiere, des constructeurs de camions proposent des systemes
de suivi des vehicules a leurs clients. Les premiers dispositifs de
pilotage d'automobiles par cartes embarquees commencent a etre mis en
demonstration. On devrait, d'ici quelques annees, disposer de systemes
performants, permettant a chacun de connaitre sa position precise dans une
ville ou en plein desert. Les cartes de papier pourraient alors diminuer au
profit de cartes electroniques portables. La geodesie, la prevision des
seismes, le suivi des deplacements de terrain ne pourraient que profiter de
la disposition du Gps. D'autres secteurs, comme l'agriculture, commencent a
utiliser le Gps.
Fabrizia Cammarata et Michel Wautelet, Athena