GPS : 5 points pour comprendre comment ça marche et découvrir quelques usages de cette technologie

Drone, navigation, applications smartphone : le GPS est présent dans notre quotidien. Mais savez-vous comment fait ce système pour vous localiser où que vous soyez sur la planète ? Zoom sur le fonctionnement du GPS et quelques usages innovants de cette technologie.

Le GPS signifie « Global Positioning System« , traduit en français par « système global de positionnement« . Il s’agit donc d’un système permettant de se géo-localiser à tout endroit à la surface du globe. Pour la petite histoire,  le GPS était à l’origine un projet de recherche des forces armées des États-Unis lancé à la fin des années 1960.  Le système était opérationnel dès 1995 mais utilisé uniquement par l’armée.

Ce n’est qu’en 1983 à la suite d’un important accident d’avion que la technologie GPS est rendu disponible gratuitement pour des usages civils.  Depuis de nombreuses appareils et équipements intègrent le système GPS. Smartphones, montres et objets connectés, drones et véhicules en sont équipés pour être localisés avec une précision pouvant aller jusqu’à quelques centimètres.

Mais, comment ça marche ? Voici 5 points pour comprendre le fonctionnement du GPS.

1. Des signaux émis par des satellites 

Le GPS fonctionne grâce à des signaux émis par des satellites depuis l’espace et captés par des récepteurs qui traduisent les signaux en coordonnées. Ces satellites sont en orbite autour de la Terre à une altitude de plus de 20000 km. Chaque satellite émet un signal sous forme d’ondes électromagnétiques qui se propagent à la vitesse de la lumière.

Ce signal contient des informations permettant d’identifier le satellite mais également la date d’émission de chaque signal émis. Lorsque le récepteur capte le signal, il peut donc mesurer le temps mis par l’onde pour lui parvenir. Avec ces informations sur le temps et la vitesse du signal et le temps mis pour le recevoir, le récepteur peut calculer la distance qui le sépare du satellite.

Grâce à ce calcul de la distance qui sépare le récepteur GPS de plusieurs satellites (au moins 4), celui ci peut connaître avec précision sa position [1].

2. De la précision avec 31 satellites actifs

24 satellites principaux assurent la disponibilité mondiale du GPS. Ils sont en constante rotation autour de la Terre et répartis sur 6 plans orbitaux séparées de 55° afin de couvrir toute la surface du globe. Ainsi à chaque instant, tout point de la terre est visible par plusieurs satellites. S’il faut au moins 4 satellites pour avoir une position, la précision s’améliore avec plus de satellites disponibles. Dans les faits, il y a au moins 6 satellites accessibles en tout point du globe.

Le signal peut toutefois être bloqué par un bâtiment, la végétation ou d’autres types de construction. Il est donc préférable d’avoir plus de satellites pour une meilleure redondance. Début 2021, on pouvait dénombrer 31 satellites actifs dans la constellation de satellites du GPS.

L’ensemble du système se découpe en 3 segments :

• le segment spatial : composé des satellites
• le segment de contrôle : qui sont des stations au sol qui pilotent et surveillent le système
• les récepteurs GPS militaires et civils forment le segment utilisateur : ils reçoivent et traitent les signaux reçus.

3. Le GPS, un système propriétaire des États-Unis

Saviez-vous que le GPS est un système sous le contrôle de l’armée des Etats-Unis ?

C’est ce que j‘ai appris en faisant mes recherches. En effet, le GPS a été conçu par et pour l’armée des Etats Unis. Un accès pour les usages civils a ensuite été rendu disponible et c’est celui que nous utilisons. Le gouvernement des États-Unis a donc un contrôle total sur les performances de système. Par exemple, la qualité du signal pour les usages civils a été volontairement dégradée lors de sa création. La précision de localisation était d’environ 100 mètres. Ce n’est qu’en 2000 que ce blocage volontaire a été arrêté, faisant passer la précision à environ 5 à 15 mètres qui est encore d’actualité aujourd’hui.

Ce contrôle unilatéral peut avoir un impact important sur plusieurs activités dans le monde, notamment la navigation aérienne ou maritime. C’est l’argument principal qui pousse différents pays à concevoir leur propre système de localisation. A ce jour, on peut citer :

• GLONASS , le système de localisation russe,
• BEIDOU , le système chinois,
• GALILEO, le programme européen [2]. 

4. Le programme européen Galileo, plus précis 

Afin de limiter la dépendance au GPS, l’Union européenne déploie depuis 2003 son propre système de positionnement par satellites, Galileo. Le déploiement du système est prévu pour s’achever en 2024 avec 30 satellites déployés. Galileo dispose déjà de 22 satellites opérationnels début 2020. Contrairement au GPS qui a un usage d’abord militaire, Galileo est uniquement civil et propose différents services :

• un service ouvert qui est le service de base principalement utilisé par les particuliers avec des précisions de moins de 4 m à l’horizontale et 8m en altitude.
• le service de haute précision permet d’avoir des précisions de 20 cm voire inférieure à 10 cm pour proposer des usages professionnels à forte valeur ajoutée.
• un service public réglementé est dédié aux utilisateurs ayant une mission de service public avec des exigences élevées de précision et de fiabilité. C’est le cas par exemple des services d’urgence ou de transport de matières dangereuses.
• le service de recherche et secours permet de localiser les balises de détresse principalement pour le transport aérien et maritime.

Pour en faciliter l’utilisation, un accord d’interopérabilité technique de Galileo avec le GPS a été signé en 2004. Cet accord permet d’utiliser le système Galileo et le GPS sur le même récepteur. Ainsi, si un des systèmes est défaillant, le second peut prendre le relais de façon totalement transparente.

5. Des usages variés et parfois critiques

Le GPS est présent dans la plupart des appareils électroniques que nous utilisons au quotidien, notamment les smartphones. Certaines applications, pour le sport par exemple, utilisent le GPS pour retracer le parcours de l’utilisateur et l’informer de ses performances. D’autres utilisent le GPS pour valider le lieu d’utilisation afin de proposer un service adapté.

Les cas d’usages sont variés :

• Des puces GPS permettent de pouvoir localiser des objets qu’on égare souvent ou suivre les déplacement de ses animaux de compagnie.
• Les véhicules sont équipés de systèmes de navigation avec des cartes pour calculer un itinéraire entre 2 points
• Des sociétés de location de voiture ou de transports de marchandises utilisent également cette technologie pour suivre en temps réel leur flotte de véhicules partout dans le monde. Ce qui apporte une aide logistique considérable.
• Dans le bâtiment par exemple, la position GPS saisie sur Google Maps permet de situer un immeuble afin de voir les constructions environnantes sans avoir à se déplacer soi même.
• Les drones utilisent également le GPS afin d’assurer une stabilité en vol.
• D’autres secteurs comme le prospection pétrolière, l’agriculture ou les travaux publics en font également usage pour des applications plus spécifiques.

Le GPS est aussi utilisé dans pour des applications plus spécifiques voire critiques. C’est le cas du transport maritime et aérien, ou encore des opérations de secours et de sauvetage. Par ailleurs, les satellites disposent d’horloges atomiques de grande précision et intègrent ce temps dans leur signal. Le GPS est donc fréquemment utilisé pour la synchronisation de l’heure entre les différents composants des réseaux de téléphonie mobile [3].

Une utilisation croissante…

La GPS, ou plus globalement le géo-positionnement par satellites, est très présent dans notre quotidien grâce à son intégration au smartphone. De l’agriculture au transport (maritime, terrestre et arien), en passant par le bâtiment ou les services aux particuliers, les usages du GPS sont nombreux.

Il existe des applications pour simuler une position où on n’est pas. C’est le cas de l’appli Fake GPS. L’intérêt est tester si un service est fonctionnel à un endroit où vous n’êtes pas encore, ou tester le bon fonctionnement d’une application en cours de développement à plusieurs endroits du monde.

Un autre point marquant est l’appartenance du GPS aux forces armées américaines. Le système européen Galileo vient contre-balancer cela mais c’est un point qui peut être perturbant de prime abord. A noter que le système de localisation étant passif (il ne fait qu’envoyer des signaux), aucune information sur les récepteurs et donc les utilisateurs n’est retransmis au système. Il est donc techniquement impossible d’utiliser le GPS pour avoir des informations sur l’utilisateur. Par contre, les applications qui traitent l’information reçue par les récepteurs peuvent disposer de ses informations et les utiliser pour assurer leur service.

Je me suis intéressé au fonctionnement du GPS suite à un concours de drone autonome auquel j’ai assisté dernièrement. Une des contraintes était justement de ne pas utiliser le GPS pour géo-localiser et stabiliser le drone. Pour l’avoir testé, piloter un drone avec et sans le GPS activé, ce n’est pas pareil du tout, en tout cas pour des non experts. Vu l’essor de ce secteur, l’usage du GPS s’annonce croissant.

Pour finir, j’aimerais avoir votre avis : 

Quels usages innovants voyez-vous pour le GPS dans les année à venir ?

Autres articles et ressources pour aller plus loin :

• [1] Le « Global Positioning System »
• [2] Galileo (système de positionnement)
• [3] La synchronisation de temps grâce au GPS