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Positionnement GNSS, Comment ça marche ?

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DE LA THÉORIE À LA PRATIQUE,
LES FONDAMENTAUX
DU POSITIONNEMENT GNSS

 

La localisation par satellites GNSS est présente dans le quotidien de chacun. Avec des domaines d’application très variés, son fonctionnement est souvent peu connu.
Comment ça marche?

Comment ça marche en 3 étapes :
4 satellites pour 1 position précise 

Étape 1 - Les satellites servent de points de référence.

Les Constellations opérationnelles nominales GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… , se composent de plusieurs dizaines de satellites évoluant à plus 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.

Étape 2 - La distance satellite / antenne GNSS, mesurée en continu.

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. 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.

Étape 3 - La position est calculée par résolution d’équations d’intersection de sphères.

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.

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.

L’exemple se réfère à l’utilisation de quatre satellites, mais les récepteurs GNSS sont capables de suivre de nombreux satellites à la fois (stations, topographique, téléphone, appareil de navigation…). Cela améliore la précision, le temps de convergence, la couverture et réduire la possibilité d’erreurs.

En moyenne, un récepteur GNSS comme le PYX peuvent capter 7 satellites de la même constellation (14 satellites sur GPS – GALILEO). Pour un positionnement centimétrique 5 satellites au minimum sont indispensables.

Actuellement 129 satellites satellites de positionnement sont actifs et disponibles pour les applications civiles :

CONSTELLATION

NOMBRE DE SATELLITES

GPS

30

GLONASS

25

GALILEO

27

BEIDOU

44

QZSS

5

IRNSS

8

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