La dernière fois que vous avez utilisé votre téléphone pour que Google Maps localise votre position exacte sur une carte, vous êtes-vous arrêté pour vous demander comment fonctionne le GPS avec autant de précision ?
Le système de positionnement global (GPS) a en fait été lancé par le ministère 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 les militaires pouvaient utiliser pour la navigation et d’autres fins militaires. Aujourd’hui, au moment où nous écrivons 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 un marché entier 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 est en train de développer son propre système GPS prévu pour être opérationnel en 2023.
Comment fonctionne le GPS?
Bien que la technologie satellitaire sur laquelle repose le GPS soit très avancée, le mode de fonctionnement du système est d’une simplicité impressionnante.
Tout système de navigation GPS individuel comporte trois composantes.
- Satellites : Les satellites GPS gravitent 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 commande : 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 temps orbitaux 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 des horodatages des horloges synchronisées de chacun des satellites GPS situés au-dessus de vous.
En utilisant les différences d’horodatage et la vitesse constante de la lumière à laquelle voyagent les ondes radio, 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 emplacement 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 récepteur GPS est capable de calculer votre emplacement approximatif en déterminant où l’intersection de ces trois sphères se rejoignent sur la surface de la Terre.
Le récepteur vous affiche ensuite cet emplacement sur une carte.
Trois satellites fournissent une localisation approximative, et les récepteurs GPS ont besoin d’un quatrième signal provenant d’un autre satellite GPS pour déterminer votre altitude actuelle sur la surface de la Terre en utilisant un autre principe mathématique connu sous le nom de trilatération.
Comment fonctionne le capteur GPS de votre téléphone
La plupart des smartphones modernes sont aujourd’hui équipés d’une puce de réception GPS. Cette puce peut recevoir les signaux radio des satellites GPS.
L’horloge de votre téléphone n’est pas une horloge atomique, son heure n’est donc pas synchronisée avec les horloges atomiques des satellites en orbite. Cependant, cela n’a pas d’importance lorsqu’il s’agit de calculer la localisation en utilisant les signaux de ces satellites.
C’est parce que le récepteur GPS de votre téléphone se concentre sur les données qu’il reçoit des satellites, et sur une base de données des emplacements connus des satellites au-dessus de la Terre. Puisque tous les satellites ont effectivement une horloge atomique, l’heure actuelle sur chaque satellite est exactement la même à tout moment.
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 5:12:14 PM.
- 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.
Ceci indique à votre récepteur GPS que le signal radio a mis 1 seconde pour lui parvenir du satellite 1, 2 secondes du satellite 2 et 3 secondes du satellite 3.
La vitesse de la lumière est une constante connue de 299 792 458 mètres par seconde.
Utilisant des mathématiques 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.
Utilisant 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, ce 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 quelle altitude au-dessus de la Terre vous êtes situé.
Qu’est-ce qu’un système de positionnement global assisté?
Avant que les smartphones ne commencent à intégrer des circuits GPS, les gens utilisaient généralement des récepteurs GPS de poche qui fonctionnaient avec des piles AA. Ou ils installaient des unités GPS dans les voitures, qui fonctionnaient connectées à la batterie du téléphone.
C’était parce que 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 les téléphones ne soient dotés d’un GPS, ils pouvaient utiliser les signaux provenant des tours de téléphonie cellulaire pour trianguler votre position, en utilisant le même genre de technologie d’horodatage et de distance de triangulation qu’avec 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 des signaux cellulaires pour déterminer votre position approximative, puis mettra à jour cette position une fois que les données GPS par satellite seront prêtes.
Ceci permet aux smartphones modernes de réserver l’énergie de la batterie en utilisant les données GPS uniquement lorsque ces mises à jour de localisation sont nécessaires. C’est pourquoi vous pouvez souvent voir votre emplacement sur Google Maps sauter occasionnellement à un nouvel emplacement lorsque des données plus précises sont disponibles.