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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