LA
CONSTELLATION GPS
1°) ORIGINE
Le système de localisation GPS, de portée mondiale,
repose sur une constellation de satellites en orbite circulaire. Le système
et opérationnel depuis 1994.
Le Navstar/G.P.S. (Navigation System
with Time and Ranging / Global
Positionning System) est créé
en 1973 par l'U.S. Navyet l'U.S. Air Force. Il offre à tous les utilisateurs
un service homogène et continu en trois dimensions.
NB : Le codage est susceptible de donner aux forces américaines une
précision supérieure à celle d'un usager civil. De plus
l'armée US se réserve paraît-il le droit de dégrader
l'information, en cas de conflit où les USA sont partie prenante.
2°) SEGMENT SPATIAL : UNE CONSTELLATION
Le GPS utilise une constellation de
24 satellites de 500 kg environ, phasés
2/1, régulièrement
répartis sur six orbites circulaires, déphasées de 60°,
inclinées à 55 degrés sur le plan équatorial,
à une altitude de 20 184 km, donnant une période de 43082 s,
moitié de la période sidérale terrestre, quasiment 12
heures. Cette répartition spatiale garantit la visibilité en
permanence d'au moins six satellites, en tout point du globe. La durée
de vie minimale du système est de 7 ans
3°) SEGMENT SOL
Le contrôle au sol du système est assuré
par des stations de surveillance, dépendant exclusivement des USA.
La station de contrôle maîtresse (M.C.S., Master Control Station),
implantée à Colorado Springs, calcule en permanence les temps
de propagation ionosphérique, les effets mécaniques relativistes,
la dérive des horloges, et établit les éphémérides
des satellites (capital, puisque les systèmes récepteurs utilisent
ce positionnement précis pour leurs calculs). Ces informations sont
ensuite retransmises aux satellites de la constellation.
4°) LE SIGNAL GPS
Chaque satellite possède une
horloge atomique maintenue à 7ms
du temps UTC et émet à 2 fréquences élevées
en bande L (L1=1575.42 MHz et L2=1227.6 MHz avec une stabilité de 10
à 23 MHz). Cette fréquence ne traverse ni le béton
ni un feuillage dense. Il est donc nécessaire que le récepteur
soit dans une zone dégagée.
Trois types de signaux sont émis:
PRINCIPE
DE LOCALISATION GPS
1°) POSITIONNEMENT
SIMPLE SUR LE GLOBE
Le principe de localisation est en lui même très
simple. En effet, si on veut localiser un point M, de la surface du globe
terrestre, il suffit d'entrer en contact avec 3 satellites.
Chaque satellite envoie son numéro d'identification,
sa position précise par rapport à la terre, ou dans le repère
lié à Greenwich, l'heure exacte d'émission du signal.
Le récepteur GPS, grâce à son horloge synchronisée
sur celle des satellites, calcule donc le temps de propagation à la
vitesse de la lumière et en déduit la distance au satellite.
Le boîtier récepteur que possède le particulier, procède par mesures de distances. De ce point de vue, le G.P.S. travaille en régime sphérique.
2°)
POSITIONNEMENT EN ALTITUDE
Lorsque l'on veut en plus de la latitude et longitude, l'altitude,
on utilise un quatrième satellite. Plus ce dernier sera proche de la
verticale de M, plus l'altitude sera fiable. En pratique il arrive que M puisse
"voir" 12 satellites. Un algorithme de calcul affine donc la position 3D en
utilisant un maximum de satellites. D'ailleurs le récepteur GPS indique
de lui même, le nombre de satellites en vue, c'est à dire utilisables.
Par exemple un satellite visible au ras de l'horizon sera
inopérant pour calculer l'altitude. Réciproquement un satellite
à la verticale de M donnera un mauvais positionnement horizontal. Pour
des appareils évolués, le récepteur affiche le positionnement
des satellites utilisés, ce qui permet d'apprécier la qualité
de l'information calculée. Certains appareils indiquent même
la précision de la localisation.
Cette influence de la géométrie de la constellation
est caractérisée par un coefficient GDOP ( Geometric Dilution
Of Precision). L'UERE ( User Equivalent Range Error) de standardisation GPS
est de l'ordre de 16 à 23 m pouvant aller jusqu'à 400 m après
14 jours sans transfert de données..
La précision réelle est le produit GDOP par
UERE.
3°) LA REALITE
L'horloge du récepteur est
moins précise que celle du satellite et n'est jamais parfaitement synchronisée.
Le calcul consiste donc à résoudre
des équations dont les inconnues sont les trois coordonnées
X Y Z de M et à déterminer une erreur de temps Dt
inconnue mais identique pour
toutes les mesures des distances approchées D1, D2, D3, puisque tous
les satellites sont parfaitement synchronisés entre eux. Ainsi le récepteur
utilise les données de quatre satellites pour résoudre son problème,
soit par mesures successives avec une seule voie de réception, soit
par mesures simultanées avec un récepteur à plusieurs
voies. Cette dernière méthode est naturellement impérative
pour des engins évoluant à grande vitesse.
Le G.P.S. assure en tous points du globe un positionnement
et une navigation en trois dimensions, précis à 100 mètres
près pour les utilisateurs classiques (soumis à une dégradation
éventuelle aléatoire des signaux), et approchant 10 mètres
dans le plan horizontal et 15 mètres en altitude pour les usagers privilégiés
ou l'armée américaine.
4°) MESURE DE VITESSE
ET PARAMETRES ORBITAUX
Pour un mobile rapide, la mesure de vitesse utilise aussi
un minimum de 4 satellites et l'effet Doppler. Le calcul des paramètres
orbitaux d'un engin spatial se fait en utilisant un nombre maximal de satellites
et un filtrage de Kalman.
5°) GPS DIFFERENTIEL
La méthode consiste à utiliser un récepteur
placé en une station connue. Il calcule donc l'erreur volontaire SA
dont nous avons parlé plus haut, qui dégrade la précision.
Cette information de correction est alors répercutée sur les
récepteurs du voisinage. C'est ainsi que fonctionnent les avions qui
peuvent alors se positionner à quelques mètres près.
L'AVENIR
On pourrait améliorer un système satellitaire
tel que le G.P.S par une méthode différentielle, en utilisant
un émetteur-récepteur placé en une position géodésique
parfaitement connue et mesurant l'erreur entre la position issue des réceptions
G.P.S. et sa position réelle. Ces mesures, exploitées et rediffusées
automatiquement dans un rayon de quelques centaines de milles, permettraient
d'atteindre des précisions de l'ordre de quelques mètres, voire
du mètre. Pour toutes les utilisations qui requièrent une grande
précision, le G.P.S. différentiel entre alors en concurrence
avec la plupart des systèmes de proximité à infrastructure
terrestre.
Un GPS relatif est aussi envisagé pour les rendez-vous
en orbite. La cible et le poursuivant fonctionnent au GPS et déduisent
le mouvement relatif.
Les futurs systèmes devront répondre à
de nouvelles exigences. L'exemple est donné par la navigation aéronautique:
un système de navigation ne peut être utilisé dans les
conditions d'approche et d'atterrissage les plus difficiles que s'il est totalement
fiable. Ce qui interdit toute défaillance du signal en cours d'exploitation
dans un délai de quelques secondes. Des études sont en cours,
notamment sur la mise en place de géostationnaires chargés de
la surveillance des systèmes, et sur la redondance des équipements
émetteurs et récepteurs.
Quant aux utilisateurs (professionnels ou amateurs), ils bénéficieront
de plus en plus de la toute-puissance des calculateurs qui mettront à
leur disposition des récepteurs "intelligents" capables de présenter
de manière simple les informations issues d'un ou de plusieurs systèmes,
spatiaux ou terrestres.
BIBLIOGRAPHIE
:
Mécanique spatiale tome II, ouvrage du CNES,
auteur Jean Pierre CARROU, 1995, Cépaduès éditions,
page 1331.