Global Positioning System

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Le Global Positioning System (GPS) (en français Système mondial de positionnement [littéralement] ou Géo-positionnement par satellite), aussi connu sous le nom de Navstar est le premier système de géolocalisation mondial fonctionnant sur l'exploitation de signaux radio émis par une constellation de satellites dédiés. Mis en place par le département de la Défense des États-Unis à des fins militaires à partir de 1973, le système avec 24 satellites est totalement opérationnel en 1995 et s'ouvre au civil en 2000.

Les signaux transmis par les satellites peuvent être librement reçus et exploités par quiconque. L'utilisateur, qu'il soit sur terre, sur mer ou dans les airs, peut connaître sa position à toute heure et en tout lieu sur la surface ou au voisinage de la surface de la terre avec une précision sans précédent, dès lors qu'il est équipé d'un récepteur GPS et du logiciel nécessaire au traitement des informations reçues.

Le principe de fonctionnement repose sur la triangulation de signaux électromagnétiques synchronisés émis par les satellites. Pour assurer la précision du positionnement, le système GPS utilise des technologies sophistiquées : horloges atomiques embarquées, compensation d'effets relativistes , mise en place de stations d'observation et de synchronisation. Les coordonnées terrestres calculées se référent au système géodésique WGS 84.

Commercialement, Le GPS connait un grand succès et engendre de nombreux développements dans une multitude de domaines : navigation maritime, terrestre et aérienne, localisation de flottilles commerciales (bateaux, avions, camions) , suivi et traçage de parcours, évaluation de la pertinence d'itinéraire. L'intégration de "puce GPS" dans les smartphones multiplie les usages domestiques ou individuelles. Dans le milieu scientifique la précision de la location et de la synchronisation permettent de développer et d'exploiter de nouvelles applications : géodésie, synchronisation entre horloges atomiques, étude de l' atmosphère, etc.

L’Europe, la Chine, la Russie et l'Inde, conscients de l’intérêt stratégique d'un tel système de géolocalisation satellitaire développent depuis quelques années des systèmes concurrents.


Un satellite NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging) appartenant à la constellation du GPS
Système de navigation GPS dans un taxi
Radionavigation par GPS à bord d'un ULM

Présentation

Le GPS comprend au moins 24 satellites orbitant à 20 200 km d' altitude. Ces satellites émettent en permanence sur deux fréquences L1 (1 575,42 MHz) et L2 (1 227,60 MHz) modulées en phase ( BPSK) par un ou plusieurs codes pseudo-aléatoires, datés précisément grâce à leur horloge atomique, et par un message de navigation. Ce message, transmis à 50 bit/s, inclut en particulier les éphémérides permettant le calcul de la position des satellites, ainsi que des informations sur leur horloge interne. Les codes sont un code C/A (acronyme de « coarse acquisition », en français : « acquisition brute ») de débit 1,023 Mbit/s et de période 1 ms, et un code P (pour « précis ») de débit 10,23 Mbit/s et de période 1 semaine. Le premier est librement accessible, le second est réservé aux utilisateurs autorisés car il est le plus souvent chiffré : on parle alors de code Y. Les récepteurs commercialisés dans le domaine civil utilisent le code C/A. Quelques récepteurs pour des applications de haute précision, comme la géodésie, mettent en œuvre des techniques permettant d'utiliser le code P malgré son chiffrage en code Y.

Ainsi, un récepteur GPS qui capte les signaux d'au moins quatre satellites équipés de plusieurs horloges atomiques peut, en calculant les temps de propagation de ces signaux entre les satellites et lui, connaître sa distance par rapport à ceux-ci et, par trilatération, situer précisément en trois dimensions n'importe quel point placé en visibilité des satellites GPS [1], avec une précision de 3 à 50 mètres pour le système standard. Le GPS est ainsi utilisé pour localiser des véhicules roulants, des navires, des avions, des missiles et même des satellites évoluant en orbite basse.

Concernant la précision, il est courant d'avoir une position horizontale à 10 mètres près. Le GPS étant un système développé pour les militaires américains, une disponibilité sélective a été prévue : certaines informations, en particulier celles concernant l'horloge des satellites, peuvent être volontairement dégradées et priver les récepteurs qui ne disposent pas des codes correspondants de la précision maximale. Pendant quelques années, les civils n'avaient ainsi accès qu'à une faible précision (environ 100 m). Le , le président Bill Clinton a annoncé qu'il mettait fin à cette dégradation volontaire du service [2].

Certains systèmes GPS conçus pour des usages très particuliers peuvent fournir une localisation à quelques millimètres près. Le GPS différentiel (DGPS) corrige ainsi la position obtenue par GPS conventionnel par les données envoyées par une station terrestre de référence localisée très précisément. D'autres systèmes autonomes, affinant leur localisation au cours de huit heures d'exposition parviennent à des résultats équivalents.

Dans certains cas, seuls trois satellites peuvent suffire. La localisation en altitude (axe des Z) n'est pas d'emblée correcte alors que la longitude et la latitude (axe des X et des Y) sont encore bonnes. On peut donc se contenter de trois satellites lorsque l'on évolue au-dessus d'une surface « plane » (océan, mer). Ce type d'exception est surtout utile au positionnement d'engins volants (tels les avions) qui ne peuvent pas se reposer sur le seul GPS, trop imprécis pour leur donner leur altitude. Mais il existe néanmoins un modèle de géoïde mondial nommé « Earth Gravity Model 1996 » ou EGM96 [3] associé au WGS 84 qui permet, à partir des coordonnées WGS 84, de déterminer [4] des altitudes rapportées au niveau moyen des mers avec une précision d'environ 1 mètre. Des récepteurs GPS évolués incluent ce modèle pour fournir des altitudes plus conformes à la réalité.

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