On doit le GPS (Global Positionning System) à l’armée Américaine. Elle a créé à partir de 1973 la première technologie de positionnement par satellites géostationnaires. A l’origine réservée à une utilisation strictement militaire, le GPS va dès l’année 2000 s’ouvrir librement aux applications civiles. Il a pris au fil des années une place incontournable dans la société.

Et si le langage courant retient souvent le seul terme de « GPS » pour évoquer cette technologie, il est plus juste aujourd’hui de parler de GNSS (Global Navigation Satellite System). En effet, d’autres constellations et systèmes de positionnement GNSS ont rejoint le GPS américain.

Nous comptons de nos jours des milliers de satellites en orbite autour de la Terre. Parmi eux, nous pouvons citer les satellites géostationnaires des constellations GPS Américain, GLONASS Russe, GALILEO Européen, BEIDOU Chinois… Tous ne sont pas encore 100% opérationnels. C’est le cas de GALILEO et BEIDOU qui devraient l’être en 2020.

Le principe de fonctionnement repose sur l’intersection de signaux électromagnétiques émis par les satellites géostationnaires. L’utilisateur capte les signaux satellitaires définissant des segments satellites-usagers dont l’intersection géométrique permet la localisation.

Afin d’être en permanence fonctionnelles partout et en tous temps, les solutions actuelles utilisent des signaux provenant de plusieurs constellations. Ce recoupement d’informations autorise une meilleure précision, des temps de convergence quasi instantanés et une disponibilité autour du globe 24h/7j.

La précision des récepteurs GNSS est au mieux métrique. On a recours à des calculs et à des stratégies diverses pour améliorer cette précision. TERIA est un des outils d’augmentation de la précision. Il permet à l’usager d’obtenir un positionnement avec une précision centimétrique et en temps réel.

L’arrivée de nouvelles solutions centimétriques permet d’aborder des domaines d’application encore inédits : guidage de véhicules autonome, utilisations maritimes, drones, …

Les Constellations opérationnelles nominales GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… , se composent de plusieurs dizaines de satellites géostationnaires évoluant à près de 20 000 km d’altitude suivant des orbites équitablement réparties pour couvrir tous les continents.

Grâce à cette couverture, l’utilisateur est en capacité de voir simultanément entre cinq et trente-cinq satellites suivant sa position sur la Terre.

Chaque constellation est surveillée et pilotée par des stations de contrôle qui mettent à jour les informations (positions, éphémérides et correction des d’horloges) de l’ensemble des satellites. Ceux-ci  diffusent  ensuite leurs paramètres vers la Terre par ondes électro-magnétiques porteuses de signaux codés.

Les satellites GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… disposent d’horloges atomiques qui fournissent une datation extrêmement précise. L’information de temps est placée dans les codes diffusés par le satellite. Le récepteur GNSS détermine alors en permanence l’heure à laquelle le signal a été diffusé. Le signal contient également des données d’orbitographie pour que le récepteur puisse calculer l’emplacement des satellites géostationnaires. Il s’agit des informations dites de navigation.

Le récepteur GNSS (téléphone, topographie, système de guidage agriculture / automobile/ aéronautique…) utilise la différence de temps entre l’heure de réception et de diffusion du signal pour déterminer la distance entre le récepteur et le satellite. Le récepteur GNSS multiplie le temps de parcours par la vitesse de la lumière afin de calculer la distance récepteur/satellite.

Ainsi, un mobile GNSS qui capte les signaux d’au moins quatre satellites peut situer précisément en trois dimensions n’importe quel point placé en visibilité des satellites. Pour cela il utilisera l’intersection de ces vecteurs satellite-récepteur.

Même en l’absence d’obstacles, il reste cependant des facteurs de perturbation importants nécessitant une correction des résultats de calcul. Le premier est la traversée des couches basses de l’atmosphère, la troposphère. La présence d’humidité et les modifications de pression de la troposphère modifient l’indice de réfraction et donc la vitesse et la direction de propagation du signal satellitaire.

Le deuxième facteur de perturbation est l’ionosphère. Cette couche ionisée par le rayonnement solaire modifie la vitesse de propagation du signal. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de correction.

La 3ème et dernière étape est de déterminer une position précise. Le récepteur va pouvoir effectuer une trilatération de la position à partir des données de distances récoltées entre le récepteur GNSS et plusieurs satellites géostationnaires.

Un récepteur GNSS a besoin d’un minimum de 4 satellites pour être en mesure de calculer sa propre position. Trois satellites vont déterminer la latitude, longitude, et la hauteur. Tandis que le quatrième permet de synchroniser l’horloge interne du récepteur.

Pour vulgariser la démonstration nous allons nous placer sur un plan 2D. Le principe sera identique pour passer à l’espace 3D. On remplacera uniquement les cercles par des sphères.

Supposons que le récepteur GNSS se trouve à 25 000 km d’un premier satellite donné. Cela signifie que le récepteur GNSS peut se trouver n’importe où sur le cercle de diamètre 25 000km, avec le satellite en tant que centre.

Le boitier va recevoir également un signal d’un second satellite à 20 000 km par exemple. Il va en conclure qu’il se trouve aussi sur ce cercle. Sa position exacte sera à l’intersection des deux cercles, soit deux possibilités.

Afin de déterminer laquelle de ces possibilités est correcte, le signal d’un troisième satellite est nécessaire. Pour la démonstration nous allons l’imaginer avec un diamètre de 15 000km.

A l’intersection de ces trois cercles, il n’y a plus qu’un seul point possible dans un plan en 2D. Nous venons de géolocaliser notre récepteur.

Balayez pour passer de la 2D à la 3D