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De plus en plus nombreuses sont les personnes qui ressentent la nécessité, dans leur vie professionnelle ou dans leurs loisirs, de connaître leur position géographique en temps réel. La précision exigée quant à la détermination de cet emplacement varie considérablement en fonction de l'objectif recherché, pouvant passer de quelques dizaines de mètres à quelques millimètres. Ainsi, le transporteur routier ou aérien, le navigateur, le randonneur, le géomètre ou le forestier n'auront pas les mêmes attentes car leur tolérance quant à l'exactitude de l'information fournie peut différer de manière importante.
Pour répondre aux divers besoins émanants de la multitude des utilisateurs, il existe depuis quelques années un outil capable de leur fournir les indications nécessaires en les situant dans l'espace et dans le temps. Il s'agit de la méthode GPS (Global Positioning System), déjà accessible à un large public par le biais de récepteurs relativement bon marchés.
Cependant, même si le nombre d'utilisateurs ne cesse de croître, les informations de base relatives au fonctionnement du système et aux limites d'utilisation sont en revanche peu connues, pouvant engendrer des risques d'erreur de positionnement. Le but de cet article est donc de présenter brièvement la méthode GPS et son principe de fonctionnement, afin de mieux faire connaître ses atouts mais aussi ses limites.
Ainsi, dans le chapitre 2 nous allons nous efforcer d'expliquer le système GPS, son origine, son fonctionnement et sa fiabilité. Le troisième chapitre abordera plus spécifiquement les utilisations possibles du système, suivant qu'il s'agit de déterminer une position à un moment donné, d'indiquer le trajet parcouru durant un certain laps de temps, ou de guider l'utilisateur vers un but connu en estimant le temps qu'il lui faudra pour s'y rendre. Nous aborderons pour chaque cas l'environnement technique et logistique nécessaire, ainsi que les précautions d'utilisation à connaître. Enfin le quatrième chapitre donnera un aperçu des appareils disponibles sur le marché, leur spécificité et leur coût.
Le système NAVSTAR-GPS (NAVigation System by Timing And Ranging - Global Positionning System) est un système de positionnement par satellites conçu et mis en service par le Département de la Défense des Etats-Unis (DoD). Il permet de déterminer la position et la vitesse d'un objet ou d'une personne à chaque instant.
Son utilisation était prévue avant tout pour des activités militaires, alors que les applications civiles pouvaient librement se développer en second plan. Les spécifications initiales étaient d'avoir accès d'une part à une position absolue dans un système de référence mondial avec une précision de 10 m, et d'autre part au temps avec la précision de la microseconde.
Le système est composé de trois parties distinctes:
la partie spatiale qui est constituée d'un ensemble de 24 satellites répartis sur 6 plans orbitaux. Ces satellites évoluent à une altitude d'environ 20'000 km et mettent environ 12 heures pour effectuer une rotation. Chaque satellite possède un oscillateur qui fournit une fréquence fondamentale de 10,23 MHz calibrée sur des horloges atomiques. L'émetteur génère deux ondes (L1 et L2) de fréquence respective 1575,42 MHz et 1227,60 MHz. Il transmet régulièrement des signaux horaires, la description de l'orbite suivie (éphéméride) et diverses autres informations.
la partie de contrôle qui permet de piloter le système est composée de 5 stations américaines au sol qui enregistrent tous les signaux émis par les satellites, calculent leurs éphémérides et transmettent des données aux satellites;
la partie des utilisateurs civils et militaires qui regroupe l'ensemble des récepteurs civils et militaires qui ne font que recevoir les informations des satellites.
Le GPS utilise une technique de mesure de distance unidirectionnelle où le satellite est actif et envoie continuellement un signal. Le paramètre fondamental de la mesure de distance est le temps, lequel est fourni avec une très grande précision par les oscillateurs des satellites qui assurent une précision de l'ordre de 10-14 seconde.
Du point de vue de sa structure, le signal émis par le satellite peut être séparé en trois parties:
Figure 1: le signal GPS
En admettant une résolution proportionnelle à la longueur d'onde, ou à l'élément unitaire du code, les indications ci-dessus montrent que les porteuses donnent des résultats plus précis que les codes. En pratique, on considère qu'un récepteur peut mesurer 1/100 de la longueur d'onde ou du code. Le code P est donc dix fois plus précis que le code C/A, mais il est réservé au militaires américains.
Selon ces caractéristiques, le système GPS offre deux services qui se différencient par la précision obtenue dans les résultats:
SPS (Standard Position Service): il a été mis à disposition des utilisateurs civils par l'intermédiaire du code
C/A. Il n'occasionnera aucun coût d'utilisation jusqu'en 2005 environ, mais sa précision dépend fortement de la disponibilité sélective (Selective Availability SA). Cette dégradation volontaire est mise en place par les gérants du système GPS et permet de limiter la précision que l'on peut atteindre en navigation. En positionnement absolu, on obtient une précision de +/- 100 m.
PPS (Precise Position Service): ce service est réservé aux militaires américains et à certains utilisateurs autorisés par le DoD. Les récepteurs sont alors équipés d'algorithmes de décryptage permettant d'accéder au code P.
Le principe consiste à mesurer le temps de propagation d'une onde dans l'espace entre un satellite et un récepteur. La détermination d'un lieu géométrique est basée sur l'intersection de trois sphères dans l'espace. Chaque sphère est définie par son centre correspondant à la position d'un satellite, et par son rayon qui est la distance entre le centre et le récepteur GPS de l'utilisateur. Ainsi la mesure correspond à une distance entre un satellite et un récepteur. Les éphémérides du satellite transmises par le message permettent de calculer la position du satellite dans un repère terrestre à l'instant de l'observation.
Figure 2: Positionnement tridimensionnel à partir de trois satellites
Remarque: un quatrième satellite est nécessaire pour éliminer l'imperfection de l'horloge du récepteur.
Pratiquement, les satellites génèrent un code pseudo-aléatoire qui est modulé sur les ondes porteuses. Les récepteurs GPS génèrent également le même code qui est synchronisé par rapport aux satellites. Pour déterminer la distance séparant un satellite d'un récepteur, on va mesurer le temps de propagation d'un code se déplaçant à la vitesse de la lumière. Quand le récepteur le reçoit, il est capable de déterminer le retard dû au trajet parcouru. La mesure se fait en retardant le code du récepteur jusqu'à ce qu'il soit aligné sur le code du satellite. On trouve ainsi une différence de temps que l'on peut multiplier par la vitesse de la lumière, pour obtenir la distance cherchée.
Cette opération est effectuée simultanément avec l'ensemble des satellites visibles. Géométriquement, trois satellites sont nécessaires pour obtenir un point intersection de trois sphères. En réalité quatre satellites sont indispensables afin de tenir compte de l'imperfection de synchronisation du récepteur et des horloges des satellites. C'est pour cela que l'on parle de pseudo-distances entre les satellites et le récepteur.
Pour des applications plus précises, on peut exploiter directement la phase sur les ondes porteuses L1 et L2 en déterminant le déphasage entre le satellite et le récepteur. Le principe de la mesure est la comparaison de la phase du signal reçu par le récepteur avec la phase du signal généré par le récepteur qui est une réplique du signal du satellite. Ce mode de mesure est plus compliqué à mettre en oeuvre que celui basé sur le code. Pour cela, il existe des récepteurs spécifiques permettant d'exploiter le code et la phase. Le traitement des données se fait en mode postopératoire à l'aide de logiciels spécialisés. On peut aussi traiter ces signaux en temps réel, on parle alors de RTK (Real Time Kinematic).
On distingue deux modes de positionnement qui se différencient par la manière de lier les mesures à un système de référence.
Le positionnement absolu consiste à déterminer les coordonnées d'un point quelconque de la Terre en utilisant les codes générés par les satellites. Il est qualifié d'absolu car il considère la relation entre un récepteur et plusieurs satellites.
Figure 3: Le positionnement absolu
Ce type de positionnement est utilisé en navigation sur terre, sur mer ou dans les airs. L'intérêt de cette méthode est la possibilité de l'exploiter en temps réel et d'obtenir une position instantanée. C'est le mode utilisé par la majorité des navigateurs.
Le positionnement relatif fait intervenir deux récepteurs qui enregistrent simultanément les signaux GPS sur 2 points différents. Dans ce cas, on s'intéresse au vecteur spatial reliant ces 2 points. La connaissance d'un point de référence dans un système de coordonnées permet de rattacher précisément chaque vecteur à ce dernier, c'est pourquoi l'on parle de positionnement relatif. Ce mode est utilisé pour les applications de géodésie et de mensurations précises car la précision obtenue est de l'ordre du mm.
Figure 4: Le positionnement relatif
Le GPS différentiel permet un positionnement en temps réel en utilisant des corrections qui permettent d'affiner le calcul et d'obtenir une plus grande précision. Une station de référence connue en coordonnées reçoit en permanence les signaux GPS et calcule des valeurs de correction qui sont ensuite radiodiffusées. L'utilisateur doit alors s'équiper d'un récepteur radio qu'il connecte à son GPS afin de bénéficier de ces corrections. Il existe plusieurs de ces services en Europe, dont celui proposé par l'Office Fédéral de Topographie et SWISSCOM.
Tout système de coordonnées ou de cartographie repose sur une définition de paramètres de référence issus de la géodésie et de la physique. Evidemment il existe autant de systèmes qu'il y a de pays ou de régions sur la Terre. Pour le système GPS, on a défini une référence globale qui répond aux objectifs d'un système mondial de navigation. Elle s'appelle WGS84 (World Geodetic System 84) et elle est définie par un système géocentrique de coordonnées cartésiennes (X,Y,Z). L'origine est au centre de gravité des masses terrestres, l'axe Z passe par l'axe de rotation de la Terre et l'axe X est l'intersection de l'équateur avec le méridien de Greenwich.
Comme chaque pays possède sa propre référence géodésique et son système de projection, il existe des transformations géométriques qui permettent de passer du système WGS84 à un système de cartographie national ou local. Certains récepteurs possèdent cette fonctionnalité, aussi faudra-t-il faire particulièrement attention lors de la programmation de ceux-ci.
Figure 5: Les systèmes de références locaux et globaux
Pour la Suisse, où le système géodésiques s'appelle BESSEL CH1903, le système de projection (User grid) utilisé pour les cartes nationales est spécifique. Pour un récepteur de navigation de type Garmin en Suisse par exemple, l'utilisateur doit effectuer la programmation suivante:
=> User grid: SWISS GRID
=> Map Datum: CH1903
Comme on peut sans autre choisir un système de projection (User grid) et lui associer une mauvaise référence (Datum), la mauvaise combinaison donnera des informations fausses voire dangereuses pour l'utilisateur s'il ne s'en rend pas compte à temps.
Si l'on utilise le GPS dans un autre pays ou avec une carte topographique ou maritime, il faut donc absolument se poser les questions suivantes:
Ces informations sont, en général, inscrites sur les cartes ou disponibles auprès de l'office responsable de leur production. Dans tous les cas, il faut connaître et contrôler les paramètres activés dans le récepteur.
Le GPS fournit à l'utilisateur une position instantanée. Ceci permet d'intégrer un certain nombre de fonctions qui vont gérer le déplacement du récepteur dans l'espace et dans le temps. Ces appareils de navigation basés sur le code GPS offrent une panoplie de fonctions permettant de contrôler le déplacement de l'utilisateur.
Nous avons vu que le récepteur calcule une position en coordonnées X,Y,Z à un instant t. Si l'on considère une succession d'événements dans le temps, on obtient pour chaque époque une nouvelle position. L'intervalle de temps entre deux époques peut être programmé dans le récepteur. On choisit en général un intervalle de quelques secondes. Si l'utilisateur se déplace, le récepteur peut construire le vecteur liant 2 points successifs et calculer la direction de déplacement ainsi que la vitesse. De cette manière, on obtient des informations précieuses pour la navigation.
Le récepteur de type Garmin fournit cette information de la manière suivante:
navigation page
=> TRACK: direction de navigation par rapport au Nord géographique
=> SPEED: vitesse de déplacement en Km/h ou en Miles/h
=> TRIP: trajet horizontal parcouru depuis un point de départ fixé par l'utilisateur
=> POSITION: coordonnées actuelles dans la référence choisie
=> ALT: altitude
Certains appareils permettent d'enregistrer le trajet parcouru avec une marque de temps pour chaque point. Pour une entreprise devant gérer une flotte de camions ou de bateaux, on peut transmettre cette information en temps réel, via un moyen de télécommunication, à une centrale.
Le récepteur GPS ne fournit pas seulement des paramètres de navigation, il permet également à l'utilisateur de programmer et de gérer son déplacement. Ceci se fait par l'intermédiaire de l'enregistrement de points de destination (way points) ou de routes.
Lors de la planification d'un déplacement, on peut lire les coordonnées de points remarquables sur une carte topographique ou marine. Ensuite on stocke ces points dans le récepteur et on peut définir une route comme une suite de points. Le déplacement entre deux points est à considérer comme un segment de droite.
Figure 6: Les paramètres de navigation
Lorsque l'utilisateur désire se rendre sur un point fixe, il sélectionne une fonction (GOTO) lui permettant d'activer le point choisi. Le récepteur va calculer les éléments géométriques reliant sa position actuelle et le point de destination sélectionné. Si le navigateur se déplace avec une certaine vitesse, il peut notamment connaître le temps nécessaire pour atteindre son but.
Le récepteur de type Garmin fournit cette information de la manière suivante:
Compass page
=> BRG (bearing): azimut entre la position instantanée et le way point
=> DST: distance horizontale entre la position instantanée et le way point
=> TRK: direction de navigation par rapport au Nord géographique
=> SPEED: vitesse de déplacement en Km/h ou en Miles/h
=> ETE: estimation du temps nécessaire pour atteindre le but
Lorsque l'on choisit une route, le récepteur sélectionne les points dans l'ordre donné. Dès qu'il atteint un point intermédiaire, il passe automatiquement au suivant. On peut ainsi décrire une trajectoire contenant une multitude de points. Si le trajet est sinueux, il suffit d'enregistrer assez de points.
Certains appareils ont une possibilité de visualiser le trajet parcouru. Un petit affichage présente la trajectoire suivie depuis le point de départ. Ceci offre à l'utilisateur une vision d'ensemble de sa navigation, plus particulièrement lorsqu'il choisit une route à suivre. Les récepteurs de dernière génération permettent même d'afficher une carte comme fond d'écran. On voit alors la ligne de trajet parcouru se superposer à la carte. Ceci est particulièrement intéressant lorsque l'on doit se référer à des repères terrestres ou à un balisage maritime.
Figure 7: récepteur GPS avec carte topographique.
Que se soit à pied, en bateau ou en avion, il faut tout d'abord rappeler que le GPS ne doit jamais être le seul instrument de navigation. On peut lui faire confiance mais avec certaines précautions et surtout en le contrôlant régulièrement. Les moyens traditionnels auxquels on peut confronter les mesures GPS sont les suivants:
En navigation maritime ou aérienne, l'ensemble des outils de navigation et de détermination d'un lieu géométrique sont combinés aux mesures GPS. Les moyens traditionnels et les techniques acquises en navigation, que se soit à l'aide d'un compas, d'un altimètre, d'un sondeur ou d'un radar, restent toutefois prépondérantes sur l'utilisation parallèle du GPS.
Le GPS n'est donc pas le General Problem Solver et il doit être utilisé à bon escient. Sa combinaison avec d'autres moyens de navigation offre aux utilisateurs une solution confortable et plus sécurisante.
Le matériel et le logiciel GPS
Il existe une telle multitude de récepteurs et d'applications que nous ne pouvons tous les présenter dans un tel article. Nous allons donc nous limiter aux domaines d'utilisation les plus courants, soit la navigation, l'acquisition de données à référence spatiale et la géodésie.
Il existe une gamme de récepteurs basé sur l'exploitation du code pour la navigation. Les prix de ces appareils commencent à partir de Frs 250.-. Ils sont faciles à utiliser et possèdent, en général, une série de fonctions dédiées à la navigation. Ces appareils peuvent communiquer avec d'autres périphériques: un récepteur de corrections DGPS ou un ordinateur de type PC. Les protocoles de communication sont basés sur les formats RTCM (Radio Technical Comission for Maritime Service) ou NMEA (National Marine Electronics Association) et utilisent des interfaces de type RS232.
Les principaux fabricants de ce type d'appareils sont TRIMBLE, GARMIN et MAGELLAN.
Figure 8: Récepteur GPS de navigation
Ces récepteurs ont un logiciel intégré. Les fonctions principales proposées sont la gestion des way points et des routes, l'enregistrement de points et des tracé, la visualisation d'un chemin parcouru et la superposition des informations à une carte de navigation. Certains fabricants proposent des logiciels de gestion que l'on peut installer sur un PC. Les fonctions principales sont le transfert d'informations entre le GPS et le PC, la planification de routes, la visualisation des données enregistrées par le GPS et la transformation de coordonnées.
Il existe également des applications spécifiques pour la navigation, notamment dans le domaine maritime et routier. Ce sont de véritables outils d'aide à la navigation qui intègrent d'autres informations provenant du véhicule.
Voici quelques sites d'information provenant de constructeurs de matériel GPS ou d'applications de navigation:
Il existe une gamme de récepteurs basés sur l'exploitation du code différentiel (DGPS) pour les applications de type SIG. Ces appareils sont plus chers que ceux de navigation car la plupart intègrent des applications d'acquisition et de gestion d'informations géographiques. Il peuvent également enregistrer les mesures de code que l'on traite en mode postopératoire. On distingue deux types d'appareils: ceux qui intègrent le GPS et l'ordinateur et ceux où les deux composants sont séparés. Dans ce cas, il y a une liaison RS232 entre le GPS et un ordinateur portable. Les prix sont fonction de la composante logicielle SIG. On trouve des solutions intégrées à partir de Frs 5'000.- .
Figure 9: Solution GPS et SIG
On distingue ici deux approches:
La première solution répond aux besoins de base en matière d'acquisition et est facile à mettre en oeuvre. Dans le second cas l'utilisation d'un SIG sur le terrain en connexion avec un outil d'acquisition n'est pas toujours facile à réaliser. Il ne suffit pas de transporter sur le terrain une solution informatique développée pour le bureau en lui connectant simplement un périphérique d'acquisition.
Voici quelques sites d'information provenant de constructeurs de matériel GPS ou d'applications de SIG:
Les mesures géodésiques par GPS
Ce sont des appareils de haut de gamme qui mesurent le code et la phase sur les longueurs d'onde L1 et L2. Ces récepteurs s'utilisent en mode relatif, ainsi il faut au moins deux appareils pour être opérationnel. Un tel équipement coûte entre Frs 40'000.- et Frs 80'000.-.
Les logiciels permettent soit d'exploiter les mesures en temps réel (RTK) soit en mode postopératoire. Ils exploitent le code et la phase sur les deux longueurs d'onde, voire sur des combinaisons de L1 et L2.
On utilise ces modes de mesures dans un grands nombre d'applications: la géodésie, le contrôle d'ouvrage, l'implantation de construction, le suivi de zones à risque, etc.
Voici quelques sites d'information provenant de constructeurs de matériel GPS de haut de gamme :
Lors de discussions avec les utilisateurs de GPS, ceux-ci s'inquiètent souvent de savoir si le système qu'ils ont acquis va rester fiable dans les années à venir, étant donné que la précision des informations fournies par les satellites dépend du bon vouloir du Département de la défense des USA. Mais déjà plusieurs arguments viennent plaider en faveur d'une collaboration soutenue entre cet organisme et les utilisateurs civils.
Premièrement, le développement et le bénéfice qu'engendrent les applications civiles ont pris une telle ampleur qu'ils représentent un intérêt non négligeable pour l'économie et la politique extérieure américaine.
Deuxièmement, la volonté des autorités américaines, par la voix du Président Clinton, est de maintenir le système GPS à disposition des civils, conscientes qu'elles sont d'offrir un produit d'avenir et performant:"GPS is a strategic vision that balances the broad range of military and civil interests and presents a framework to accomplish critical goals in the coming years".
Troisièmement, la concurrence existe sur cet intéressant marché du positionnement, par le biais d'un système russe analogue baptisé GLONASS. On commence à voir sur le marché des récepteurs de ce type et également de ceux qui intègrent les deux systèmes.
Au travers de cet article, on a tenté de montrer que le GPS n'est pas simplement un appareil de mesure d'une position sur la Terre, mais qu'il est utilisé dans un grand nombre d'applications et de domaines d'activité. En effet, la communauté civile a trouvé, dès la mise en place du projet GPS, un intérêt manifeste à développer des solutions pour le positionnement et la navigation. On retrouve ainsi une quantité de produits sur le marché, dont l'utilisation correcte requiert quand même un minimum de connaissances techniques. Ces connaissances sont aussi utiles lorsqu'il s'agit de choisir l'appareil le mieux adapté pour répondre à tel ou tel besoin.
On voit ainsi que le GPS s'impose comme un véritable outil d'aide à la navigation dans de nombreuses applications civiles. Toutefois les responsables sont conscients qu'ils dépendent d'une administration américaine et ont ainsi développé des systèmes combinés où l'accent est mis sur le contrôle.
En revenant à la question posée dans le titre: Allons-nous vers une banalisation du positionnent ? , on peut apporter les réponses et les perspectives suivantes:
Ainsi on peut parler de banalisation quant à l'utilisation d'un système de navigation, dans le sens où ce dernier est accessible à tous et facile à utiliser. Par contre l'utilisation de GPS pour améliorer la sécurité des hommes, pour économiser de l'énergie, pour faciliter les transports n'est de loin pas banale et offre de fantastiques débouchés pour ces nouvelles technologies.
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