La dernière fois que vous avez utilisé votre téléphone Google Maps identifie votre position exacte sur une carte, vous êtes-vous déjà arrêté et vous êtes-vous déjà demandé comment fonctionne le GPS avec autant de précision?
Le système GPS (Global Positioning System) a en fait été lancé par le département américain de la Défense en 1973 (connu sous le nom de NAVSTAR). En 1993, il y avait 24 satellites GPS en orbite autour de la Terre et diffusant des données orbitales et de position que l’armée pouvait utiliser à des fins de navigation et à d’autres fins militaires. Aujourd’hui, au moment d’écrire ces lignes, il y en a 28.
Dans les années 1980, les données transmises par les satellites GPS ont été ouvertes au public, ce qui a ouvert tout un marché pour le large assortiment d’appareils de navigation GPS que nous avons aujourd’hui.
Au moment de la rédaction de cet article, la Russie, la Chine, l’Europe et l’Inde ont toutes leurs propres systèmes GPS actifs. Le Japon développe son propre système GPS qui devrait être opérationnel en 2023.
Comment fonctionne le GPS?
Bien que la technologie satellite sur laquelle le GPS est basé est très avancée, le fonctionnement du système est d’une simplicité impressionnante.
Tout système de navigation GPS individuel comprend trois composants.
- Satellites: Les satellites GPS orbitent autour de la Terre et transmettent leur heure actuelle et leur position orbitale à tous les récepteurs GPS de leur côté de la planète.
- Centre de commandement: Le centre de commande transmet les données orbitales, les corrections de temps et la position orbitale des autres satellites jusqu’aux satellites en orbite.
- Récepteurs GPS: Un récepteur GPS sur Terre reçoit les heures orbitales d’autant de satellites à portée et calcule sa propre position sur Terre en fonction des positions d’au moins quatre satellites GPS.
Les récepteurs GPS utilisent un principe mathématique connu sous le nom de triangulation pour calculer sa propre position.
Comment fonctionne la triangulation GPS
De n’importe quel point de la planète, si vous tenez un récepteur GPS (comme celui de votre téléphone), un récepteur GPS reçoit les horodatages des horloges synchronisées sur chacun des satellites GPS au-dessus.
En utilisant les différences d’horodatage et la vitesse constante de la lumière à laquelle les ondes radio se déplacent, le récepteur GPS peut déterminer la distance entre l’endroit où vous vous trouvez et chaque satellite.
Cela fournit au récepteur GPS le rayon des sphères avec les satellites au centre et votre position au bord de la sphère.
Puisque chaque satellite se déplace sur une orbite prévisible au-dessus de la Terre, le récepteur peut utiliser un almanach stocké de la position actuelle connue de tous les satellites GPS pour déterminer où, approximativement, ces satellites sont actuellement situés au-dessus de la Terre.
Avec la position connue de chaque satellite et la distance mesurée entre ces satellites et votre position, votre réception GPS est capable de calculer votre position approximative en déterminant où l’intersection de ces trois sphères se rejoignent à la surface de la Terre.
Le récepteur vous affiche ensuite cet emplacement sur une carte.
Trois satellites fournissent une position approximative, et les récepteurs GPS nécessitent un quatrième signal d’un autre satellite GPS pour déterminer votre altitude actuelle à la surface de la Terre en utilisant un autre principe mathématique connu sous le nom de trilatération.
Fonctionnement du capteur GPS de votre téléphone
La plupart des smartphones modernes sont aujourd’hui équipés d’une puce de récepteur GPS. Cette puce peut recevoir les signaux radio des satellites GPS.
L’horloge de votre téléphone n’est pas une horloge atomique, donc son heure n’est pas synchronisée avec les horloges atomiques des satellites en orbite. Cependant, cela n’a pas d’importance lorsqu’il s’agit de calculer l’emplacement à l’aide des signaux de ces satellites.
En effet, le récepteur GPS de votre téléphone se concentre sur les données qu’il reçoit des satellites et sur une base de données des emplacements satellites connus sur la Terre. Puisque tous les satellites ont une horloge atomique, l’heure actuelle sur chaque satellite est exactement la même à un moment donné.
Cependant, en raison de la distance du satellite et du fait que les signaux radio voyagent à la vitesse de la lumière, les différences entre chaque horodatage reçu révèlent la distance entre votre téléphone et chacun des satellites.
Voici comment fonctionne ce processus GPS:
- Les quatre satellites transmettent le même horodatage exact à votre téléphone à 17 h 12 min 14 s.
- Votre téléphone reçoit cet horodatage à 5:12:15 du satellite 1.
- Il reçoit l’horodatage à 5:12:16 du satellite 2.
- Enfin, à 5:12:17, il reçoit l’horodatage du satellite 3.
Cela indique à votre récepteur GPS qu’il a fallu 1 seconde au signal radio pour l’atteindre depuis le satellite 1, 2 secondes depuis le satellite 2 et 3 secondes depuis le satellite 3.
La vitesse de la lumière est une constante connue de 299 792 458 mètres par seconde.
En utilisant des calculs simples, le récepteur peut calculer que sa distance est d’environ 300 mille mètres du satellite 1, 600 mille mètres du satellite 2 et 900 mille mètres du satellite 3.
À l’aide d’une table de consultation d’une base de données de satellites GPS, le récepteur GPS de votre téléphone connaît l’emplacement actuel approximatif sur la terre des trois satellites, qui fournit les coordonnées de longitude et de latitude des trois.
Avec ces informations, votre téléphone est capable de calculer vos propres coordonnées de longitude et de latitude sur la terre.
En utilisant vos coordonnées connues, votre récepteur GPS peut ensuite utiliser la distance mesurée entre lui-même et un quatrième satellite pour déterminer à quelle altitude au-dessus de la Terre vous vous trouvez.
Qu’est-ce qu’un système de positionnement global assisté?
Avant que les smartphones ne commencent à intégrer les circuits GPS, les gens utilisaient généralement des récepteurs GPS portables fonctionnant avec des piles AA. Ou ils installaient des unités GPS dans les voitures, qui étaient connectées à la batterie du téléphone.
En effet, la communication radio nécessite plus de puissance. La limitation de ceci est que vous deviez souvent attendre plusieurs minutes pour que votre récepteur GPS se «verrouille» sur suffisamment de satellites GPS pour calculer votre position.
Les fabricants de smartphones ont contourné cette limitation de la batterie en combinant sa technologie existante de triangulation cellulaire. Bien avant que le GPS ne soit activé, les téléphones pouvaient utiliser des signaux provenant de tours de téléphonie cellulaire pour trianguler votre position, en utilisant le même type d’horodatage de triangulation et de technologie de distance que les satellites GPS.
Malheureusement, comme les tours de téléphonie cellulaire sont au niveau du sol, ce calcul de navigation est beaucoup moins précis. Ainsi, le logiciel GPS de votre smartphone utilisera d’abord la triangulation du signal cellulaire pour déterminer votre position approximative, puis mettra à jour cette position une fois que les données GPS par satellite seront prêtes.
Cela permet aux smartphones modernes de réserver l’énergie de la batterie en utilisant uniquement les données GPS lorsque ces mises à jour de localisation sont nécessaires. C’est pourquoi vous pouvez souvent voir votre emplacement sur Google Maps, accédez occasionnellement à un nouvel emplacement lorsque des données plus précises sont disponibles.
