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Le système GPS

Le GPS TomTom Go 930T (350€). Depuis plusieurs années le GPS a remplacé les cartes routières et les infos trafic.

La navigation par satellites (I)

Aujourd’hui comme jadis, les homme se servent du ciel pour s’orienter. Mais à la différence des anciennes méthodes, aujourd’hui la navigation est assurée par satellites, offrant une précision et une vitesse d’exécution sans commune mesure avec l’observation visuelle du Soleil et des étoiles.

La navigation par satellites et en particulier par GPS (Global Positioning System) est devenue un outil indispensable pour explorer une région qui n’est pas signalisée ou inconnue. Nous verrons que cette technique trouve également des applications en géodésie, en cartographie et dans quantités d’autres disciplines civiles ou militaires.

Depuis quelques années, le prix des GPS suivant celui de l’informatique, cet accessoire high-tech s’est démocratisé et a également trouvé sa place sur le tableau de bord des voitures, dans les avions privés et même sur les bâteaux. Ce système de positionnement par satellites est tellement pratique pour ne pas s’égarer que les randonneurs l’utilisent pour faire le point, que ce soit à pied, en VTT, à moto, en quad ou en 4x4.

Pour certains utilisateurs le GPS a depuis longtemps remplacé la carte routière et les panneaux de signalisation car ce système peut tirer avantage de toute la puissance d’un ordinateur pour mémoriser des points de référence ("waypoints") au milieu de nulle part et tenir compte des éventuels embouteillages pour trouver une route alternative en milieu urbain.

Un GPS reste toutefois un système sophistiqué. Il y a encore quelques années, dans sa version baroudeur associée à un calculateur, il requérait un apprentissage si vous vouliez arriver rapidement à destination ou si vous l'utilisiez à des fins scientifiques. Aujourd'hui, ces modèles sophistiqués existent toujours, nous en parlerons brièvement, mais dans leur version grand public même un enfant peut utiliser un GPS sans même lire le manuel !

Dans cet article nous allons passer en revue cette technologie, rappeler son histoire, la manière dont s’utilise un GPS et quelles sont ses limites avant d’aborder le sujet qui nous intéresse tous : comment choisir son GPS ou les éléments composants un système de navigation embarquée.

Histoire du GPS

Nous devons le concept et la concrétisation de la constellation des satellites GPS au visionnaire Dr Ivan A.Getting qui deviendra CEO de la société américaine The Aerospace Corp. en 1960. Grâce à lui, les GPS sont devenus selon ses propres paroles "des phares dans le ciel guidant toute l'humanité". Getting nous quitta en 2003.

Le Dr Ivan Getting en 1997. Nous lui devons le concept et la concrétisation de la constellation des satellites GPS.

En relation étroite avec l'armée de l'air, le Dr Getting vit son projet se concrétiser en 1968 lorsque le président Nixon ordonna au Pentagone d’imaginer un système de satellites capable de déterminer à tout moment la position d’un point sur la terre en temps réel. Le but était de mettre au point des armes stratégiques et tactiques guidées par satellites à partir de données géodésiques transmises en temps réel.

C’est ainsi qu'en 1973 fut créé le projet NAVSTAR-GPS (Navigation System Time And Ranging - Global Positioning System), financé et développé par le Ministère de la Défense américain (MoD). Son but était alors strictement militaire.

Le système fut testé pour la première fois en 1976 sur des bombes autoguidées lancées par des bombardiers américains dans le désert de Yuma en Arizona. Les bombes étaient larguées à une altitude de 3000 m (10000 pieds). L'erreur maximale sur cible était d’environ 17 mètres (56 pieds) ce qui s’avéra extrêmement précis.

Le premier satellite NAVSTAR-GPS fut placé sur orbite par une fusée Delta IV le 21 février 1978 mais il faudra attendre plus de 20 ans pour aboutir à la constellation complète des satellites GPS. Le système GPS fut déclaré officiellement opérationnel et sans aucune restriction le 27 avril 1995.

Aujourd'hui certains éléments des satellites NAVSTAR-GPS sont fabriqués soit directement soit sous la direction d'une société... européenne, l'European Aeronautic Defence and Space Company N.V., EADS en abrégé. Cette société multinationale résulte de la fusion en 2000 entre Daimler-Chrysler Aerospace AG (DASA, qui assemblait les premiers satellites NAVSTAR-GPS ainsi qu'on le voit sur cette image) avec l'Aérospatiale-Matra et CASA. EADS participe également à la fabrication de l'Airbus, de la fusée Ariane, du GPS du satellite MetOp (fabriqué par Saab Ericsson) et des satellites du système GALILEO. EADS est la plus grande société aérospatiale européenne et la deuxième au monde derrière Boeing.

Les applications du GPS

A. Usages militaires

Le GPS est principalement utilisé pour le guidage des missiles de croisière ou des munitions tactiques (bombes et roquettes). En effet, les militaires découvrirent rapidement que les bombardiers utilisant le système NAVSTAR pouvaient déterminer la position de leur cible avec une très haute précision et potentiellement détruire de 4 à 6 fois plus d'unités ennemies qu’en utilisant les systèmes de visées ou de radiolocalisation conventionnels.

Depuis, la technologie GPS s’est généralisée à tous les corps d’armée et continue à jouer un rôle prédominant dans toutes les opérations aériennes, terrestres et maritimes conduites par les Etats-Unis et leurs alliés.

Concrètement, le système GPS fut déjà utilisé durant la guerre du Golfe en 1991 (seconde vague) mais le système n'offrait pas encore une couverture totale. Ce n'est que récemment qu'il fut utilisé dans toutes les missions de combat conduites par les Etats-Unis notamment au cours des opérations Enduring Freedom et Noble Eagle (Afghanistan, 2001 et 2002 suite aux attentats du WTC) et Iraqi Freedom (Iraq, 2003).

A gauche, gros-plan sur un satellite de positionnement global (navigation) NAVSTAR-GPS. A droite, une bombe inerte JDAM (Joint Direct Attack Munition) de 2000 livres (950 kg) équipée de moyens GPS préparée par un soldat du 77eme Bomb Squadron de la base d'Ellsworth AFB, SD. A l'arrière-plan le bombardier B-52H. A l'image de ce qui se passe déjà pour la télévision et le téléphone cellulaire (et parfois Internet), aujourd'hui l'aide à la navigation passe obligatoirement par les satellites. Et nous ne sommes encore qu'au début de cette révolution qui touchera demain la plupart des applications civiles également ! Documents Military et AF.mil.

Selon l’USAF la constellation des satellites GPS a permis de conduire 5500 munitions guidées par GPS sur autant de cibles avec une précision d’environ 3 mètres et avec un minimum de dégâts collatéraux. Cela représente un quart des 29199 bombes et missiles lancés par les forces de coalition durant la guerre en Iraq.

Les autres nations ne sont pas restées inactives. La Russie utilise le système GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System dont voici un satellite) depuis quelques décennies tandis que la Chine a développé le système de navigation Compass, Beidou en chinois (le "Grand Chien"), qui devrait être opérationnel en 2008.

A la différence du GPS et de GLONASS, Compass utilise un satellite géostationnaire et 30 satellites en orbite MEO (moyenne orbite, c'est-à-dire entre l'orbite basse LEO qui varie entre 100 et 1500 km d'altitude et l'orbite géostationnaire GSO situé à 35900 km). Ainsi que le précise la dépêche du ChinaDaily, le système fournira deux services de navigation : un "service ouvert" destiné au public dont la précision de positionnement sera de 10 mètres (50 ns) et un "service autorisé" offrant des données "plus sûres [...] pour les utilisateurs autorisés". Selon les autorités chinoises, à terme le système Compass devrait s'intégrer aux systèmes GPS et GALILEO. Cette perspective nous reporte donc après 2012.

B. Usages civils

GPS Garmin Streetpilot 2620. Vendu 1200€ en 2005, trois ans plus tard, à performance égale, le prix des GPS a été divisé par trois ou quatre et leur encombrement réduit de moitié sinon davantage.

Aujourd’hui seuls les signaux du système NAVSTAR peuvent être captés par les récepteurs et autres traceurs GPS civils, ceux destinés aux scientifiques, aux professionnels et au grand public. Ces applications touchent autant les activités aériennes, maritimes que terrestres.

La première application civile du GPS reste sans conteste la navigation aérienne, du petit avion privé au jet transcontinental, qui sont équipés depuis longtemps d'un système de navigation par satellites. 

Les gros avions de transport utilisent également un pilote automatique qui est en fait un GPS couplé à un système de trajectographie prenant en charge le guidage automatique de l’appareil en temps réel.

La seconde application du GPS est l'aide à la navigation sur les bateaux, du voilier au navire de croisière, et même sur les sous-marins. Les GPS sont installés soit sur des bouées soit sur des systèmes AWSS (Above Water Sensor System) intégrés à un mât ou au périscope des sous-marins. Notons qu'un GPS ne peut pas servir de compas pour un pilote automatique de voilier car son temps de réactivité est trop lent et n'est pas adapté aux vitesses lentes.

Pour les navires, à l’image des balises du réseau géodésique, les balises de mer émettent en continu leur position ce qui permet aux navires de facilement se localiser. Néanmoins, la plupart de ces systèmes offrent une précision d’environ 100 mètres, insuffisante pour éviter les collisions, d’où l’utilisation en complément des systèmes radars et électro-optiques (Cf. le site Marinesat à propos de la solution Maxsea).

A gauche, un récepteur GPS différentiel Leica SR-9400 (12 canaux, récepteur L1) et à droite son contrôleur CR-344 fixé à gauche du trépied. La précision de ce système est supérieure à 1 cm. Document U.Caen (Geophen).

Notons qu'il n'existe pas de solution GPS sous-marine à proprement dite destinée aux plongeurs car l'antenne GPS doit obligatoirement se trouver en surface. Il existe en revanche des dispositifs qui donnent des positions relatives à des balises ultrasons placées sous la coque du bateau (Cf par exemple les produits DiveTracker Scout et Sport de Desertstar).

La troisième application civile du GPS est la conduite automobile assistée. Depuis quelques années, les constructeurs de véhicules intègrent un récepteur GPS à leur véhicule, que se soit d'usine ou en option.

L’appareil placé sur le tableau de bord ou intégré à celui-ci affiche une carte routière interactive sur laquelle est incrustée la position du véhicule et son cap en temps réel. Un logiciel de navigation pilote le système et vous indique la direction à suivre, la distance et le temps de parcours, au besoin en tenant compte des déviations et autres embouteillages. Il existe également des modèles simplifiés pour les randonneurs. On y reviendra en détail.

La quatrième application civile concerne tous les scientifiques exploitant le réseau de points géodésiques (IGN par exemple) grâce auquel les géomètres, les topographes, les cartographes et autres spécialistes de géomatiques (bathymétrie, etc) peuvent établir des cartes du territoire avec une précision de l’ordre du centimètre.

Dans les applications de pointe, notamment dans l’étude de la tectonique des plaques, la précision des relevés peut même atteindre le millimètre.

Moins courante, citons également la fonction de traceur GPS. Equipé d'un émetteur, il permet de localisation la personne ou l'objet qui le porte. On y reviendra.

Ainsi que vous le constatez, le GPS est utilisé dans de nombreux domaines. Il rend tellement de services qu'on l'utilisera bientôt dans tous les métiers ou fonctions faisant appel à la localisation des objets ou des personnes en mouvement, sans oublier l'échange d'information avec Internet (bases de données en ligne).

Nous allons à présent décrire brièvement la théorie qui se cache derrière le système GPS avant de passer en revue les produits destinés aux automobiles et aux randonneurs, les modèles étant déjà suffisamment nombreux pour semer la confusion dans l'esprit des clients potentiels.

Prochain chapitre

Fonctionnement d’un système GPS

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