Table des matières
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De plus en plus nombreuses sont les personnes qui ressentent la nécessité, dans leur vie professionnelle ou dans leurs loisirs, de connaître leur position géographique en temps réel.
Pour répondre aux divers besoins émanants de la multitude des utilisateurs, il existe depuis quelques années un outil capable de leur fournir les indications nécessaires en les situant dans l'espace et dans le temps. Il s'agit de la méthode GPS (Global Positioning System), déjà accessible à un large public par le biais de récepteurs relativement bon marchés.
Cependant, même si le nombre d'utilisateurs ne cesse de croître, les informations de base relatives au fonctionnement du système et aux limites d'utilisation sont en revanche peu connues, pouvant engendrer des risques d'erreur de positionnement. Le but de cet article est donc de présenter brièvement la méthode GPS et son principe de fonctionnement, afin de mieux faire connaître ses atouts mais aussi ses limites.
Le système NAVSTAR-GPS (NAVigation System by Timing And Ranging - Global Positionning System) est un système de positionnement par satellites conçu et mis en service par le Département de la Défense des Etats-Unis . Il permet de déterminer la position et la vitesse d'un objet ou d'une personne à chaque instant.
Son utilisation était prévue avant tout pour des activités militaires, alors que les applications civiles pouvaient librement se développer en second plan. Les spécifications initiales étaient d'avoir accès d'une part à une position absolue dans un système de référence mondial avec une précision de 10 m, et d'autre part au temps avec la précision de la microseconde.
La partie spatiale qui est constituée d'un ensemble de 24 satellites répartis sur 6 plans orbitaux. Ces satellites évoluent à une altitude d'environ 20'000 km et mettent environ 12 heures pour effectuer une rotation. Chaque satellite possède un oscillateur qui fournit une fréquence fondamentale de 10,23 MHz calibrée sur des horloges atomiques. L'émetteur génère deux ondes de fréquence respective 1575,42 MHz et 1227,60 MHz. Il transmet régulièrement des signaux horaires, la description de l'orbite suivie (éphéméride) et diverses autres informations.
La partie de contrôle qui permet de piloter le système est composée de 5 stations américaines au sol qui enregistrent tous les signaux émis par les satellites, calculent leurs éphémérides et transmettent des données aux satellites;
Le GPS utilise une technique de mesure de distance unidirectionnelle où le satellite est actif et envoie continuellement un signal. Le paramètre fondamental de la mesure de distance est le temps, lequel est fourni avec une très grande précision par les oscillateurs des satellites qui assurent une précision de l'ordre de 10-14 seconde.
Le principe consiste à mesurer le temps de propagation d'une onde dans l'espace entre un satellite et un récepteur. La détermination d'un lieu géométrique est basée sur l'intersection de trois sphères dans l'espace. Chaque sphère est définie par son centre correspondant à la position d'un satellite, et par son rayon qui est la distance entre le centre et le récepteur GPS de l'utilisateur. Ainsi la mesure correspond à une distance entre un satellite et un récepteur. Les éphémérides du satellite transmises par le message permettent de calculer la position du satellite dans un repère terrestre à l'instant de l'observation.
Positionnement tridimensionnel à partir de trois satellites
Remarque: un quatrième satellite est nécessaire pour éliminer l'imperfection de l'horloge du récepteur.
Pour déterminer la distance séparant un satellite d'un récepteur, on va mesurer le temps de propagation d'un code se déplaçant à la vitesse de la lumière. Quand le récepteur le reçoit, il est capable de déterminer le retard dû au trajet parcouru. La mesure se fait en retardant le code du récepteur jusqu'à ce qu'il soit aligné sur le code du satellite. On trouve ainsi une différence de temps que l'on peut multiplier par la vitesse de la lumière, pour obtenir la distance cherchée.
Cette opération est effectuée simultanément avec l'ensemble des satellites visibles. Géométriquement, trois satellites sont nécessaires pour obtenir un point intersection de trois sphères. En réalité quatre satellites sont indispensables afin de tenir compte de l'imperfection de synchronisation du récepteur et des horloges des satellites.
Le positionnement absolu consiste à déterminer les coordonnées d'un point quelconque de la Terre en utilisant les codes générés par les satellites. Il est qualifié d'absolu car il considère la relation entre un récepteur et plusieurs satellites.
Le positionnement absolu
Ce type de positionnement est utilisé en navigation sur terre, sur mer ou dans les airs. L'intérêt de cette méthode est la possibilité de l'exploiter en temps réel et d'obtenir une position instantanée. C'est le mode utilisé par la majorité des navigateurs.
Tout système de coordonnées ou de cartographie repose sur une définition de paramètres de référence issus de la géodésie et de la physique. Evidemment il existe autant de systèmes qu'il y a de pays ou de régions sur la Terre. Pour le système GPS, on a défini une référence globale qui répond aux objectifs d'un système mondial de navigation. Elle s'appelle WGS84 (World Geodetic System 84) et elle est définie par un système géocentrique de coordonnées cartésiennes (X,Y,Z). L'origine est au centre de gravité des masses terrestres, l'axe Z passe par l'axe de rotation de la Terre et l'axe X est l'intersection de l'équateur avec le méridien de Greenwich.
Comme chaque pays possède sa propre référence géodésique et son système de projection, il existe des transformations géométriques qui permettent de passer du système WGS84 à un système de cartographie national ou local. Certains récepteurs possèdent cette fonctionnalité, aussi faudra-t-il faire particulièrement attention lors de la programmation de ceux-ci.
Les systèmes de références locaux et globaux
Pour la Suisse, où le système géodésiques s'appelle BESSEL CH1903, le système de projection (User grid) utilisé pour les cartes nationales est spécifique. Pour un récepteur de navigation de type Garmin en Suisse par exemple, l'utilisateur doit effectuer la programmation suivante:
=> User grid: SWISS GRID
=> Map Datum: CH1903
Comme on peut sans autre choisir un système de projection (User grid) et lui associer une mauvaise référence (Datum), la mauvaise combinaison donnera des informations fausses voire dangereuses pour l'utilisateur s'il ne s'en rend pas compte à temps.
Si l'on utilise le GPS dans un autre pays ou avec une carte topographique ou maritime, il faut donc absolument se poser les questions suivantes:
Ces informations sont, en général, inscrites sur les cartes ou disponibles auprès de l'office responsable de leur production. Dans tous les cas, il faut connaître et contrôler les paramètres activés dans le récepteur.
Le GPS fournit à l'utilisateur une position instantanée. Ceci permet d'intégrer un certain nombre de fonctions qui vont gérer le déplacement du récepteur dans l'espace et dans le temps. Ces appareils de navigation basés sur le code GPS offrent une panoplie de fonctions permettant de contrôler le déplacement de l'utilisateur.
Nous avons vu que le récepteur calcule une position en coordonnées X,Y,Z à un instant t. Si l'on considère une succession d'événements dans le temps, on obtient pour chaque époque une nouvelle position. L'intervalle de temps entre deux époques peut être programmé dans le récepteur. On choisit en général un intervalle de quelques secondes. Si l'utilisateur se déplace, le récepteur peut construire le vecteur liant 2 points successifs et calculer la direction de déplacement ainsi que la vitesse. De cette manière, on obtient des informations précieuses pour la navigation.
Le récepteur de type Garmin fournit cette information de la manière suivante:
navigation page
=> TRACK: direction de navigation par rapport au Nord géographique
=> SPEED: vitesse de déplacement en Km/h ou en Miles/h
=> TRIP: trajet horizontal parcouru depuis un point de départ fixé par l'utilisateur
=> POSITION: coordonnées actuelles dans la référence choisie
=> ALT: altitude
Certains appareils permettent d'enregistrer le trajet parcouru avec une marque de temps pour chaque point. Pour une entreprise devant gérer une flotte de camions ou de bateaux, on peut transmettre cette information en temps réel, via un moyen de télécommunication, à une centrale.
Le récepteur GPS ne fournit pas seulement des paramètres de navigation, il permet également à l'utilisateur de programmer et de gérer son déplacement. Ceci se fait par l'intermédiaire de l'enregistrement de points de destination (way points) ou de routes.
Lors de la planification d'un déplacement, on peut lire les coordonnées de points remarquables sur une carte topographique ou marine. Ensuite on stocke ces points dans le récepteur et on peut définir une route comme une suite de points. Le déplacement entre deux points est à considérer comme un segment de droite.
Les paramètres de navigation
Lorsque l'utilisateur désire se rendre sur un point fixe, il sélectionne une fonction (GOTO) lui permettant d'activer le point choisi. Le récepteur va calculer les éléments géométriques reliant sa position actuelle et le point de destination sélectionné. Si le navigateur se déplace avec une certaine vitesse, il peut notamment connaître le temps nécessaire pour atteindre son but.
Le récepteur de type Garmin fournit cette information de la manière suivante:
Compass page
=> BRG (bearing): azimut entre la position instantanée et le way point
=> DST: distance horizontale entre la position instantanée et le way point
=> TRK: direction de navigation par rapport au Nord géographique
=> SPEED: vitesse de déplacement en Km/h ou en Miles/h
=> ETE: estimation du temps nécessaire pour atteindre le but
Lorsque l'on choisit une route, le récepteur sélectionne les points dans l'ordre donné. Dès qu'il atteint un point intermédiaire, il passe automatiquement au suivant. On peut ainsi décrire une trajectoire contenant une multitude de points. Si le trajet est sinueux, il suffit d'enregistrer assez de points.
Certains appareils ont une possibilité de visualiser le trajet parcouru. Un petit affichage présente la trajectoire suivie depuis le point de départ. Ceci offre à l'utilisateur une vision d'ensemble de sa navigation, plus particulièrement lorsqu'il choisit une route à suivre. Les récepteurs de dernière génération permettent même d'afficher une carte comme fond d'écran. On voit alors la ligne de trajet parcouru se superposer à la carte. Ceci est particulièrement intéressant lorsque l'on doit se référer à des repères terrestres ou à un balisage maritime.
récepteur GPS avec carte topographique.
Que se soit à pied, en bateau ou en avion, il faut tout d'abord rappeler que le GPS ne doit jamais être le seul instrument de navigation. On peut lui faire confiance mais avec certaines précautions et surtout en le contrôlant régulièrement. Les moyens traditionnels auxquels on peut confronter les mesures GPS sont les suivants:
Il existe une telle multitude de récepteurs et d'applications. Les prix de ces appareils commencent à partir de Frs 250.- environ. Ils sont faciles à utiliser et possèdent, en général, une série de fonctions dédiées à la navigation. Ces appareils peuvent communiquer un ordinateur de type PC. Les protocoles de communication sont basés sur les formats RTCM (Radio Technical Comission for Maritime Service) ou NMEA (National Marine Electronics Association) et utilisent des interfaces de type RS232. Les fonctions principales proposées sont la gestion des way points et des routes, l'enregistrement de points et des tracé, la visualisation d'un chemin parcouru et la superposition des informations à une carte de navigation. Certains fabricants proposent des logiciels de gestion que l'on peut installer sur un PC. Les fonctions principales sont le transfert d'informations entre le GPS et le PC, la planification de routes, la visualisation des données enregistrées par le GPS et la transformation de coordonnées.
Les principaux fabricants de ce type d'appareils sont GARMIN www.garmin.com et MAGELLAN.
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