Fonctionnement

 

Le système GPS (Global Positioning Systeme) est composé de 3 segments : le segment de contrôle, le segment spatial est le segment utilisateur.

 

Le segment contrôle :

Il est composé de 5 stations réparties tout autour du globe, elles appartiennent toutes à l'USAF.

Il est là pour s'assurer de la bonne santé du segment spatial, il reçoit les informations fournies par les satellites et leur renvoie des corrections et des mises à jour portant sur l’horloge embarquée des satellites, leurs données de navigations etc...

 

Le segment spatial :

Il est composé de 30 satellites, répartis sur 6 plans orbitaux décalés de 55° par rapport au plan de l'équateur et de 60° entre eux, ils orbitent autour de la Terre à une altitude de 20 200 km ce qui leur permet d'avoir une période de 11h58 soit une demi journée sidérale. Il sont tous équipés de plusieurs horloges atomiques de grande précision, synchronisées à l'UTC (Temps universel coordonné).

 

 

 

Le segment utilisateur :

Le segment utilisateur est l'ensemble des récepteurs des utilisateurs. Il est divisé en deux catégories :

• la catégorie SPS (Standard Positioning Device) qui est accessible à chacun des utilisateurs du système.

• la catégorie PPS (Precis Positioning Device) qui est d'une plus grande précision mais dont l'utilisation n'est restreinte qu'aux utilisateurs autorisés (armée US pour la plupart).

Principe de fonctionnement :

Le GPS s’appuie sur le fonctionnement de la triangulation. Prenons un récepteur GPS, il reçoit le signal d'un satellite et calcule la distance D qui sépare le récepteur du satellite. Le récepteur peut se trouver sur n'importe quel point de la sphère de rayon D et dont le centre est le satellite.

 

 

Si on fait intervenir un deuxième satellite, la position possible du récepteur est réduite à un cercle formé par les deux sphères.

 

 

 

Si on prend un troisième satellite, l'intersection des trois sphères donne seulement deux positions possibles.

 

 Pour connaître lequel de ces deux points est le bon, on fait intervenir un quatrième satellite.
 

Mesure de la distance :

Le signal émis par le GPS est une onde électromagnétique se déplaçant donc à la vitesse de la lumière. Ce signal contient la position du satellite ainsi que l'heure d'émission du signal. Le récepteur qui reçoit le signal n'a plus qu'à comparer l'heure d'émission et l'heure de réception du signal pour connaître le temps qu'a mis celui ci pour parvenir au récepteur. Une fois ce temps connu, le récepteur n'a plus qu'à le multiplier par la vitesse du signal (il se déplace environ à la vitesse de la lumière), pour connaître la distance qui le sépare du satellite.
 

Signal envoyé :

Les satellites émettent leurs signaux sur deux fréquences différentes, une fréquence appelée L1(1575,42 Mhz)qui peut être reçue par tous les utilisateurs et une fréquence L2 (1227,60 Mhz) réservée aux militaires américains. La réception simultanée des deux signaux permet de corriger l'erreur due à la réfraction ionosphérique. Chaque signal est composé :

- D'un code C/A (Coarse/Aquisition) : c'est un code pseudo aléatoire qui est propre à chaque satellite; le récepteur va s'en servir pour connaître la distance qui le sépare de chaque satellite.

- Des donnés de navigation qui contiennent les éphémérides (données d'orbite et du temps du satellite) et l'almanach (éphémérides approximatif des autres satellites) .

- L'onde porteuse du signal (L1 ou L2).

Le signal doit être transmis sous forme de sinusoïde pour répondre aux lois de propagation électromagnétiques. Pour cela il va falloir moduler l'onde porteuse grâce à un signal de modulation. Ce signal de modulation est le résultat de l'addition modulo 2 du code C/A et des données de navigations, il va moduler l'onde porteuse en déphasant celle-ci de 180° à chaque changement d'état (front montant ou front descendant).

 

 

Calcul de l'erreur :

Dans la pratique, le signal reçu par le récepteur GPS connaît des erreurs et la triangulation ne permet pas de déterminer le point précis correspondant aux coordonnés du récepteur. L'intersection de toute les sphères va seulement donner une aire dans laquelle se trouve le récepteur.

Pour résoudre le problème, on part du principe que tous les satellites ont la même erreur, on enlève simplement la valeur correspondant à l'erreur pour que tout les cercles se coupent en un point.

 

Cette méthode ne permet seulement que de résoudre l'erreur due aux problèmes de synchronisation d'horloge entre le récepteur et les satellites.

Les stations du segment contrôle sont là pour apporter des corrections sur les éphémérides et pour synchroniser les horloges des satellites avec la référence UTC. Pour cela, les satellites envoient leur coordonnées approximatives aux stations. Une fois les données reçues, les stations vont calculer les erreurs et renvoyer les données de positions et de temps exactes aux satellites.
 

GPS différentiel (DGPS) :

Le DGPS permet de situer le récepteur plus précisément (au mètre prêt). Quand deux récepteurs GPS ayant une forte proximité géographique reçoivent le même signal, on part du principe que les erreurs présentes dans les signaux sont les mêmes.

Ainsi on place une station de référence connaissant très précisément ses coordonnés et recevant en permanence les signaux de tous les satellites visibles. La station va calculer la différence entre sa position réelle et sa position obtenue grâce aux signaux GPS pour obtenir l'erreur.

Une fois l'erreur calculée, la station va l'envoyer aux récepteurs à proximité pour que ceux ci calculent leurs positions plus précisément. 

 

Pour que le signal soit valable, la distance qui sépare une station DGPS et un récepteur ne doit pas excéder 100km.

 

 

Référentiel :

Le GPS se base sur le WGS84 (World Geodetique Systeme 1984) qui est le système géodésique standard mondial. Il fixe les formes et les dimensions de la Terre.