7. Comment faire le point avec un GPS ?

Cette question technique intéressera essentiellement les randonneurs. Rien n’est plus simple que de faire le point, un “fix” comme l'on dit. Il suffit d’appuyer sur un bouton du GPS (ou de choisir une option du menu du logiciel de navigation du PDA relié à un GPS) pour connaître en l’espace de quelques secondes vos coordonnées exactes en n’importe quel point du globe et éventuellement votre cap si vous vous déplacez.

Mais derrière cette simplicité apparente à faire envier tous les marins adeptes du sextant, au préalable le récepteur GPS a établit une liaison avec les satellites NAVSTAR et téléchargé toutes les données dont il avait besoin. En moins de 20 secondes, il calcula des transformations de coordonnées et disposa d’une trame NMEA qui fut traitée par un logiciel avant d’être affichée sur l'écran du GPS ou du PDA.

A gauche, un utilisateur en train d'établir un fix au moyen d'un GPS Globalsat SD-502 (20 canaux, chipset SiRF Star III, 512 MB RAM) connecté à un PDA Dell Axim. Au centre, gors-plan sur l'écran de navigation au cours d'un fix établi par un GPS relié à un PDA HP iPAQ-2215 équipé du logiciel TomTom Navigator. Le graphique indique que 6 satellites NAVSTAR-GPS sont au-dessus de l'horizon dont 5 ont un signal suffisant pour être suivis et établir un fix. A droite, acquisition des satellites par un GPS relié à un PDAPhone (ou Smartphone) équipé du logiciel Off-board Wayfinder Navigator.

 Combien de temps faut-il pour qu’un GPS établisse un “fix” ? La durée d’un “fix” varie en fonction de la visibilité des satellites, des conditions de réception et du GPS :

- Pour un démarrage à froid ou "cold start", compter entre 50 et 80 secondes. C’est également le temps qu’il faut lors de la première initialisation, lorsque le GPS sort d’usine et n’a jamais fonctionné, la batterie étant vide et en charge où lorsque le GPS ne dispose pas de batterie de secours. Si les conditions de visibilité et de captation sont optimales (satellites bien visibles, signal entre 15-45 dBi et vitesse de transfert d'au moins 50 bauds), le GPS va déjà mettre 18 secondes pour acquérir les satellites NAVSTAR et télécharger toutes ses données (almanach et éphémérides). Il devra ensuite procéder aux calculs. Notons que si la puissance du signal est inférieure à 28 dBi (dans un bâtiment par exemple), parfois le téléchargement ne s’effectuera pas.

- Pour un démarrage à chaud, compter entre 30 et 45 secondes : l'alimentation est coupée mais la batterie est suffisamment chargée et la mémoire du GPS a conservé les informations du dernier “fix”. Le GPS redémarre à chaud mais doit refaire le point.

- Après une coupure, compter entre 4 et 10 secondes. L'alimentation n'a pas été coupée mais le récepteur a perdu temporairement le signal des satellites. L’appareil est passé dans un tunnel ou dans un bâtiment. Le GPS va se référer aux mêmes satellites et va peut-être repartir du même point ou d’une coordonnée située à quelques dizaines de mètres de distance.

8. Problèmes de réception

Ainsi que nous l’avons expliqué, un GPS n’est rien d’autre qu’un récepteur micro-onde équipé d’un ordinateur. Comme toute radio travaillant dans ces fréquences, il est donc sensible aux conditions de propagation dans l’ionosphère et dans la troposphère. En cas de perturbations électromagnétiques intenses, un signal peut accuser un retard de 78 ns maximum équivalent à une imprécision sur site d’environ 20 mètres.

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Avantages et inconvénients des ondes-courtes

The radio propagation - Ionospheric perturbations

Ce retard pris par le signal du satellite pour atteindre le récepteur n’a virtuellement aucune influence sur le temps d’acquisition et certainement pas sur le temps de calcul des waypoints qui est interne au GPS.

La réception d’un signal micro-onde peut être interrompue par différents obstacles naturels ou artificiels :

- Obstacles naturels : phénomènes atmosphériques (activité orageuse des cumulo-nimbus), perturbations géomagnétiques, problèmes de propagation (activité solaire intense, zones de multi-réflexion, réflexion des ondes), montagnes, canyon, caverne, route au fond des vallées, etc.

- Obstacles artificiels : immeubles, tunnel, mur, brouillage radio, circulation entre des camions semi-remorques, à l'intérieur d'une cage de Faraday (dans la voiture, dans une pièce en béton armé, dans un immeuble, etc), derrière un pare-brise athermique (contenant des particules métalliques), etc.

Processus d'acquisition des satellites GPS. A gauche, acquisition par un GPS TomTom One, à droite par le GPS LT-20 Earthmate de DeLorme. Selon les performances (vitesse CPU, mémoire, logiciel) du GPS et la localisation, il peut s'écouler plusieurs minutes entre les étapes 1 et 4. En 1. l'acquistion; 2. Un cercle jaune indique que le signal du satellite est suffisamment puissant mais leur nombre est encore trop peu nombreux pour établir un fix. 3. Positionnement en 3D. Un cercle vert indique que le système dispose de suffisamment de satellites pour déterminer la position, l'élévation et la vitesse. Dans ce cas-ci les signaux de 9 satellites ont été utilisés; 4. Un rectangle noir dans le cercle vert indique que le système a pu établir un fix différentiel et appliqué la correction WAAS. La précision du positionnement atteint 3 mètres.

Pour recevoir les satellites NAVSTAR dans des conditions de réception optimales, il faut respecter les règles suivantes :

- Utiliser un récepteur GPS en bon état et dont la batterie est a été chargée au préalable

- Recharger le GPS avant de commencer la navigation

- Choisir une zone d'acquisition dégagée de tout obstacle (hauteur, prairie, parking, etc)

- Placer le GPS (son antenne intégrée) si possible à l’extérieur du véhicule

- Utiliser une antenne déportée ou extérieure (voir page suivante)

- Attendre le “fix” au moins 50 secondes, le temps que le récepteur GPS ait rassemblé toutes ses données et les ai analysées.

9. Comment résoudre un problème de “fix” ?

Si malgré ces recommendations vous ne parvenez pas à établir un “fix” après une minute, il y a au moins deux possibilités : soit et c'est le cas le plus fréquent, la réception est mauvaise, soit le fichier de gestion du GPS est corrompu. Dans le second cas, contactez le fabriquant du logiciel. Dans le premier cas, déplacez-vous de quelques dizaines ou centaines de mètres et choisissez un endroit plus dégagé.

Si vous êtes en véhicule, arrêtez-vous. Placez cette fois le GPS à l’extérieur du véhicule (car généralement l'antenne est incorporée) et attendez l’acquisition au moins deux minutes. Cela devrait permettre au GPS d’acquérir le signal des satellites dans de meilleures conditions. Si vous n’y arrivez toujours pas, essayez de faire l’essai avec une antenne active extérieure.

Si le véhicule se déplace ou si vous êtes situé dans un lieu fermé peu isolant (sous un toit en bois ou fait de tuiles par exemple), attendez jusqu’à 10 minutes.

Si vous êtes dans un véhicule se déplaçant rapidement (plus de 100 km/h) attendez jusqu’à 20 minutes. Il faut parfois attendre aussi longtemps pour établir un “fix”, notamment dans un train. L’acquisition sera d’autant plus longue que le véhicule se déplace rapidement car le système devra sans cesse calculer les effets Doppler et se resynchroniser avec les satellites.

Si au bout d’une demi-heure vous n’avez toujours pas d’acquistion, on peut envisager soit que vous êtes situé dans un “zone d'ombre” pour les satellites (un bois par exemple) qui a provoqué une coupure du signal ou bien que les satellites sont réellement trop bas sur l’horizon pour établir un “fix”. 

Si la situation se repète dans un rayon de 10 km, contactez tout d'abord le fournisseur du logiciel pour savoir s'il n'existe pas un correctif, puis celui du GPS dans l'éventualité d'un bug et contactez seulement en dernier recours un spécialiste (peut-être votre fournisseur ou un expert en télécom). Demandez-lui d'enregistrer pendant 24 heures les trames NMEA de votre GPS et d’au moins un autre récepteur posé au même endroit et demandez-lui d'analyser les résultats. Si ni logiciel ni les composants hardware du GPS n'ont été mis à jour entre-temps, utilisant malgré tout des composants électroniques dont la durée de vie est limitée et de qualité parfois médiocre, il est possible que votre appareil soit défaillant.

Notons ainsi que nous le verrons en dernière page, qu'une défaillance des satellites GPS est possible si la Terre est plongée dans une tempête géomagnétique suite à une intense activité solaire. S'il est exceptionnel que les 30 satellites GPS tombent tous en panne en même temps le jour où vous en avez besoin, il peut arriver que les communications avec les satellites GPS survolant votre région durant la journée soient brouillées durant quelques heures. On en reparlera.

A présent que nous connaissons la théorie et savons comment fonctionne un GPS, voyons quels sont les différents modèles proposés au grand public