5 choses que vous ne saviez peut-être pas sur le GPS

🛰️ Le système de positionnement global (GPS) est essentiel, pour mettre en marche bon nombre de nos technologies.

🚗 Le GPS nous permet d’avoir des directions précises lors de la conduite, aide les services d’urgences à trouver rapidement la personne en détresse, suit la distance parcourue pendant votre jogging etc.

👉 Mais malgré le fait que le GPS soit devenu omniprésent, et à quel point il est essentiel dans beaucoup de domaines, il y a peut-être encore des choses que vous ne connaissez pas sur le GPS.

 

1/ Le GPS n’est pas un système unique

Le GPS n’est qu’un des nombreux systèmes de radionavigation spatiaux.

🛰️ Les 5 constellations GNSS comprennent GPS (États-Unis), QZSS (Japon), BEIDOU (Chine), GALILEO (UE) et GLONASS (Russie).

➡️ Le GLONASS russe est le seul autre système qui offre une couverture mondiale. Bien que légèrement moins précise que le GPS.

👉 La principale raison des 5 constellations de satellites est la disponibilité et la redondance. Si un système tombe en panne, une autre constellation GNSS peut prendre le relais. Les défaillances du système ne se produisent pas souvent, mais il est rassurant de savoir qu’il existe d’autres options.

 

Qu’est-ce que toutes les constellations GNSS ont en commun ? 🤔

La réponse courte est le besoin d’un bon timing et d’une localisation précise.

Ceci est généralement réalisé par des horloges atomiques au rubidium hautes performances, ou des GPSDO satellites LEO.

 

Quelles sont les différences entre les 5 constellations GNSS ? 🛰️

GPS

🇺🇸 Le GPS est le pionnier dans le monde du GNSS.

📅 C’est le plus ancien système GNSS. Il a commencé à fonctionner en 1978, et a été rendu disponible pour une utilisation mondiale en 1994.

🚨 Le GPS a été inventé à partir du besoin d’un système de navigation militaire indépendant. Le système devait fournir une grande précision, et devait également être protégé contre les tentatives de brouillage et d’usurpation d’identité.

 

➡️ Le GPS fonctionne dans une bande de fréquences appelée bande L, qui est une partie du spectre radio comprise entre 1 et 2 GHz.

La L-Band a été choisi pour plusieurs raisons :

• Le retard ionosphérique est plus important aux basses fréquences
• Simplification de la conception de l’antenne
• Minimiser l’effet de la météo sur la propagation du signal GPS

 

👉 Aujourd’hui, le GPS est le système de navigation le plus précis au monde. La dernière génération de satellites GPS utilise des horloges au rubidium qui sont précises jusqu’à ±5 parties sur 10 ¹¹. Ces horloges sont synchronisées par des horloges au césium au sol, encore plus précises.

 

QZSS

🇯🇵 Le système de satellite Quasi-Zenith (QZSS) est le système de satellite régional du Japon, et est parfois appelé le GPS japonais.

QZSS utilise actuellement une orbite de satellite géostationnaire, et 3 sur l’orbite QZO (orbite géosynchrone très inclinée, légèrement elliptique).

Le système de chronométrage QZSS (TKS) de première génération était basé sur l’horloge Rubidium. Cependant, les premiers satellites QZSS transporteront un prototype de base, d’un système expérimental de synchronisation d’horloge à cristal.

➡️ La technologie TKS est un nouveau système de chronométrage par satellite, qui ne nécessite pas d’horloges atomiques embarquées, et qui est utilisé par les systèmes de navigation par satellite existants comme les systèmes GPS, GLONASS & Galileo.

✅ Cela permet au système de fonctionner de manière optimale, quand les satellites sont en contact direct avec la station au sol. Ce qui en fait une excellente solution pour la constellation QZSS.

👉 Un des avantages de QZSS est qu’il est compatible avec le GPS.

🛰️ Cela garantit un nombre suffisant de satellites pour un positionnement stable et de haute précision.

 

BEIDOU

🇨🇳 BEIDOU est un système de navigation par satellite chinois, composé de 2 constellations de satellites distinctes, BeiDou-1 & BeiDou-2 et bientôt BeiDou-3.

 

Beidou-1

🛰️ BeiDou-1 (système expérimental de navigation par satellite BeiDou) se composait de 3 satellites, et offraient des services de navigation et une couverture limités.

Il était principalement utilisé par les Chinois, et dans les régions voisines. BeiDou-1 a été mis hors service fin 2012.

Beidou-2

BeiDou-2 (parfois appelé COMPASS) est la 2ème génération du système.

Il a commencé à fonctionner en décembre 2011, avec une constellation partielle de 10 satellites. Le système fournit des services aux personnes de la région Asie-Pacifique depuis fin 2012.

Beidou-3

La Chine a commencé à concevoir BeiDou-3 en 2015 pour une couverture mondiale.

🛰️ En octobre 2018, il y avait 15 satellites en orbite. L’objectif était d’avoir 35 satellites en orbite en 2020, capables de fournir ses services à travers le monde.

👉 Une fois entièrement lancé et opérationnel, BeiDou-3 fournit une alternative au GPS américain, GLONASS ou GALILEO. BeiDou-3 avait pour objectif d’être encore plus précis, avec une précision millimétrique (avec post-traitement).

 

Galilée

🇪🇺 GALILEO est le système GNSS européen compatible avec le GPS, et le GLONASS.

📅 Il a commencé à fournir des services en décembre 2016.

Les récepteurs de GALILEO suivent la position de la constellation de satellites, dans le Système de référence GALILEO en utilisant la technologie des satellites, et les principes de triangulation.

Le système Galileo est divisé en 3 segments principaux :

1. Espace (segment spatial)
2. Terrain (segment sol)
3. Utilisateur

 

➡️ La fonction du segment spatial est de générer et de transmettre des signaux de phase de code, et de porteuse avec une structure de signal Galileo spécifique. Il stocke et retransmet ensuite les données de navigation envoyées par le segment sol.

➡️ Le segment sol est l’élément principal du système qui contrôle l’ensemble de la constellation. Y compris les installations du système de navigation, et les services de diffusion.

Le segment sol est composé de :

• 2 centres de contrôle au sol (GCC)
• 1 réseau de Télémétrie
• Stations de suivi et de contrôle (TT&C)
• Réseau de stations de liaison montante de mission (ULS)
• Réseau de stations de détection Galileo (GSS)

 

➡️ Le segment des utilisateurs est composé de récepteurs GALILEO.

👉 L’objectif de ce segment est de suivre les coordonnées de la constellation de satellites, et de fournir une synchronisation très précise.

Cela se fait en recevant les signaux Galileo, en déterminant les pseudo-distances et en résolvant les équations de navigation.

GALILEO a dû atteindre sa pleine capacité opérationnelle en 2020.

 

GLONASS

🇷🇺 GLONASS est la version russe du GPS.

📅 Le développement a commencé en 1976 par l’Union soviétique.

Il existe 5 versions de GLONASS :

1. GLONASS (1982)
2. GLONASS-M (2003)
3. GLONASS-K (2011)
4. GLONASS-K2 (2015)
5. GLONASS-KM (2025)

 

C’est quoi le GLONASS assisté 🤔

📱 Assisted GLONASS (A-GLONASS) est à peu près le même système que GLONASS, mais avec des fonctionnalités pour les smartphones.

👉 Ces fonctionnalités incluent la navigation pas à pas, les données de trafic en temps réel etc.

A-GLONASS utilise des tours cellulaires à proximité pour verrouiller rapidement, et précisément votre emplacement. Il améliore également les performances des puces prenant en charge GLONASS.

 

La différence entre GLONASS et GPS

🛰️ Pour commencer, le réseau GPS américain comprend 31 satellites, tandis que GLONASS en a 24.

Les 2 systèmes diffèrent également quelque peu sur la précision.

➡️ La précision de la position GLONASS est de 5 à 10 m, tandis que le GPS est de 3,5 à 7,8 m. Le GPS l’emporte donc sur la précision, car les nombres d’erreurs inférieurs sont meilleurs.

 

Concernant les fréquences, GLONASS fonctionne à 1,602 GHz et le GPS à 1,57542 GHz (signal L1).

Utilisé seul, GLONASS ne fournit pas une couverture aussi bonne que le GPS.

En réalité, il n’y a pas d’avantages significatifs de GLONASS par rapport au GPS.

👉 GLONASS est un excellent support pour le GPS. Lorsque les signaux GPS sont perdus, GLONASS vient apporter son aide.

 

2/ Il y a 32 satellites GPS en orbite 🛰️

Pour obtenir une couverture mondiale pour le GPS, 24 satellites sont nécessaires.

📅 Le premier satellite a été lancé en 1989, et le 24ème en 1994.

Les satellites GPS ne durent qu’environ 10 ans et nécessitent un entretien constant. C’est la raison pour laquelle il y a actuellement 32 satellites GPS en orbite.

👉 Les satellites supplémentaires permettent que la couverture puisse être maintenue, quand les 24 satellites principaux doivent être entretenus ou mis hors service.

 

3/ Il y a besoin d’au moins 4 satellites GPS en visibilité directe

 

 

🌍 L’utilisation d’une constellation de 24 satellites GPS garantit qu’au moins 4 satellites sont en visibilité directe, depuis n’importe quel endroit sur Terre et ce à tout moment.

Le nombre est de 4 en raison de la façon dont le GPS calcule la position exacte.

Chaque satellite envoie un signal qui comprend :

• l’heure exacte à laquelle le signal est envoyé
• la position exacte du satellite par rapport au centre de la Terre

 

💡 La vitesse de la lumière est constante, donc le temps qu’il faut au signal d’un satellite GPS pour vous atteindre, multiplié par la vitesse de la lumière, est la distance entre vous et le satellite.

Il est également possible de connaître les positions de chacun des satellites. Avec un peu de géométrie, vous pouvez utiliser les emplacements des satellites, et les distances connues pour déterminer votre emplacement.

 

Précision d’environ 7 mètres

👉 Le GPS de base fournit aux utilisateurs une précision d’environ 7 mètres, la majorité du temps et n’importe où sur la surface de la terre.

🛰️ Pour ce faire, les 31 satellites émettent des signaux qui permettent aux récepteurs, grâce à une combinaison de signaux d’au moins 4 satellites, de déterminer leur emplacement et leur horaire.

 

Une heure précise

🕐 Les satellites GPS transportent des horloges atomiques qui fournissent une heure extrêmement précise.

L’information temporelle est placée dans les codes diffusés par le satellite, pour qu’un récepteur puisse déterminer en permanence l’heure à laquelle le signal a été diffusé.

Le signal contient des données qu’un récepteur utilise pour calculer les emplacements des satellites, et pour effectuer des ajustements si nécessaires pour un positionnement le plus précis possible.

➡️ Le récepteur utilise la différence de temps entre l’heure de réception du signal et l’heure de diffusion pour calculer la distance, ou portée, entre le récepteur et le satellite.

🌍 Le récepteur doit tenir compte des retards de propagation, ou des diminutions de la vitesse du signal causées par l’ionosphère (couche supérieure de l’atmosphère terrestre ionisée par les rayons UV solaires), et la troposphère (couche de l’atmosphère terrestre comprise entre la surface du globe et la stratosphère).

👉 Avec des informations sur les portées de 3 satellites, et l’emplacement du satellite quand le signal a été envoyé, le récepteur peut calculer sa propre position en 3D.

 

Pourquoi un 4ème satellite est-il nécessaire ?

Une horloge atomique synchronisée au GPS est nécessaire pour calculer les distances, à partir de ces 3 signaux. Cependant, avec un 4ème satellite, le récepteur évite d’avoir recours à une horloge atomique.

Le récepteur utilise 4 satellites pour calculer la latitude, la longitude, l’altitude et l’heure.

Il peut calculer sa propre position tridimensionnelle.

 

Mais concrètement, pourquoi un 4ème satellite est nécessaire ? 🤔

👉 Car il y a une 4ème inconnue. Nous ne connaissons pas le temps exact qu’il a fallu au signal pour vous parvenir des satellites.

La 4ème variable inconnue est l’écart de temps par rapport aux horloges atomiques des satellites GPS.

C’est pourquoi 4 satellites sont nécessaires pour déterminer une position précise.

 

4/ Le GPS doit tenir compte de la relativité générale

 

 

👉 Selon la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, le temps se déplace plus rapidement pour les objets qui sont plus éloignés des sources de gravité.

🛰️ Comme les satellites sont plus éloignés de la Terre, leurs horloges embarquées tournent 38 microsecondes plus vite par jour, que les horloges situées à la surface de la Terre.

Sans cette correction, les positions GPS seraient décalées jusqu’à 10km par jour.

 

5/ Le GPS ne sert pas seulement à déterminer l’emplacement

➡️ La précision des signaux horaires GPS est de moins de 10 milliardièmes de seconde, ce qui est juste derrière les horloges atomiques.

🕐 Le GPS est également utilisé pour déterminer l’heure exacte.

⚠️ Nos réseaux cellulaires, nos systèmes bancaires, nos marchés financiers et nos réseaux électriques dépendent fortement du GPS pour une synchronisation précise de l’heure.

Dans le secteur des communications, la synchronisation GPS permet des transferts d’appels synchronisés. Dans le secteur financier, la synchronisation GPS permet d’horodater avec précision les transactions financières.

C’est pourquoi il est important de traiter le problème des débris spatiaux.