cours GPS

UNIVERSITE ABDELMALEK ESSAADI ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES - TANGER

Global Positioning System (GPS)

Réalisé par : Bouita Mohammed EL Omrani Noureddine

Encadré par : M. R. Britel

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Avant-propos .......................... ........................................ ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ .................. .... 1 1.

Définition .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................... ... 2

2.

Historique ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. .......................... ... 2 Organisation........................................... .................................................................. ............................................... ............................................... ............................. ...... 2 Historique ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ................................. .......... 2 Objectifs ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ..................................... .............. 3

3.

Structure physique ......................................................... ................................................................................ ............................................. ...................... 3 Le Segment Spatial ............................................ ................................................................... .............................................. ......................................... .................. 3 Le Segment de Contrôle ...................................................... ............................................................................. ............................................. ...................... 4 Le Segment Utilisateur ............................................................ ................................................................................... ......................................... .................. 5

4.

Principe de fonctionnement .............................................. ..................................................................... ......................................... .................. 6 La triangulation ................................................................ ....................................................................................... .............................................. .......................... ... 7 La mesure de distance ......................................................... ................................................................................ ............................................. ...................... 8 La mesure précise du temps ........................................... .................................................................. .............................................. .......................... ... 9 Le positionnement des satellites .................................................... ........................................................................... ............................... ........ 10 La correction d’erreurs ............................................. .................................................................... .............................................. ............................... ........ 11

5.

GPS différentiel ............................. .................................................... .............................................. .............................................. ............................... ........ 11 Principes de base .......................................................... .................................................................................. ............................................... ........................... .... 11 Les différentes sortes de DGPS....................................... DGPS.............................................................. .............................................. ......................... 12

6.

La navigation GPS ....................................... .............................................................. .............................................. ....................................... ................ 13 Les paramètres de navigation............................................. .................................................................... ........................................... .................... 13 Les outils de navigation............................................ ................................................................... .............................................. ............................... ........ 14 Les conseils pour une bonne navigation.............................................. ..................................................................... ......................... 15

7.

Applications ............................................. .................................................................... .............................................. ........................................... .................... 16

Conclusion........................ Conclusion...................................... ........................... ........................... ............................ ........................... ........................... ....................... ......... 17

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en plus nombreuses sont les personnes qui ressentent la nécessité, dans leur evieplusprofessionnelle ou dans leurs loisirs, de connaître leur position géographique en temps réel. La précision exigée quant à la détermination de cet emplacement varie considérablement en fonction de l'objectif recherché, pouvant passer de quelques dizaines de mètres à quelques millimètres. Ainsi, le transporteur routier ou aérien, le navigateur, le randonneur, le géomètre ou le forestier n'auront pas les mêmes attentes car leur tolérance quant à l'exactitude de l'information fournie peut différer de manière importante. Pour répondre aux divers besoins émanants de la multitude des utilisateurs, il existe depuis quelques années un outil capable de leur fournir les indications nécessaires en les situant dans l'espace et dans le temps. Il s'agit de la méthode GPS (Global Positioning System), déjà accessible à un large public par le biais de récepteurs relativement bon marchés. Cependant, même si le nombre d'utilisateurs ne cesse de croître, les informations de   base relatives au fonctionnement du système et aux limites d'utilisation sont en revanche peu connues, pouvant engendrer des risques d'erreur de positionnement. Le but de ce mini projet est donc de présenter brièvement la méthode GPS et son principe de fonctionnement, afin de mieux faire connaître ses atouts mais aussi ses limites. Ainsi, dans le paragraphe 1 et 2 nous allons nous efforcer d'expliquer le système GPS, son origine, son organisation et ses objectifs, le troisième paragraphe décrit la structure physique du GPS, le quatrième paragraphe donne le principe de fonctionnement du GPS qui est basé sur la méthode de triangulation, le cinquième paragraphe est consacré au GPS différentiel, le sixième paragraphe illustre l’apport considérable du GPS dans la navigation actuelle. Enfin le septième paragraphe nous abordera plus spécifiquement les utilisations possibles de ce système.

Global Positioning System

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Le Global Positioning System peut se traduire par Système de Positionnement Général, c'est un système de positionnement par satellites créé par l'armée américaine dans le contexte de la Guerre Froide, mais qui très rapidement est apparu sur le marché des civils. Afin de comprendre le contexte de son développement, il faut bien rappeler que c'est une propriété américaine accessible au monde entier. Actuellement, en utilisant certaines techniques particulières, la précision peut atteindre le mètre, mais dans son utilisation courante par des non-professionnels, elle est de l'ordre de 50 mètres.  Pourquoi les USA ont ils conçus un tel système ?

Le GPS a été développé dans le contexte de la Guerre Froide, et a donc à la base une utilisation militaire. Les missiles téléguidés avaient parfaitement à l'époque la capacité de suivre exactement un itinéraire précis, cependant pour connaître le point d'impact exact, il fallait connaître précisément le point de tir. Or, souvent lancés d'un sous-marin, les missiles ne connaissait pas les coordonnées du point de départ : le GPS permettait donc de repérer le positionnement du sous-marin et ainsi augmentait de beaucoup la précision des missiles. Evidemment le GPS pouvait servir également à positionner les installations ennemies, ou à coordonner des déplacements d'armée. Mais très vite, les américains ont compris l'importance de cet outil pour des applications civiles, et ont su intelligemment allier leurs intérêts militaires à leurs intérêts économiques. Ce fût le départ de deux orientations: la version militaire et la version civile du GPS.

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2.1. Organisation

Le GPS est le résultat d'un projet lancé au début des années 60 aux Etats-Unis appelé NAVSTAR. Le projet NAVSTAR est coordonné par un bureau interarmée. Le "Joint Programm Office" (JPO) dont le siège est situé à LOS ANGELES dans les locaux de la "Space Division". Ce dernier dépend du "System Command" de l'armée de l'air des Etats Unis. Le JPO est composé des représentants : – Des armées et agence participant au programme, soit l'US NAVY, l'US ARMY, l'US AIR FORC, les corps des Marines, l'US COEAST GUARDS, l'agence cartographique de la défense et le département des transports. Ce dernier est chargé de s'assurer que les intérêts des futurs utilisateurs civils sont pris en considération. – Des pays de l'organisation de L'OTAN Les Etats Unis et l'OTAN ont signé un accord en avril 1978 puis en 1983 un accord de coopération. Il prévoit, entre autre, l'adjonction au JPO d'une équipe de 12 représentants issus des 9 pays membre de l'organisation occidentale dont la France. 2.2. Historique

Le concept NAVSTAR est le résultat d'études entreprises en 1965 par l'armée de l'air et la marine américaines. Les dates qui ont marquées la réalisation : 1965 Premier concept suite aux recherches du Department of Defense 1972 Etudes préliminaires de faisabilité 1974 - 79 Validation du modèle Mini projet – ENSA de Tanger

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1978 - 86 Mise en place de la première constellation de satellites BLOCK I L'explosion de la navette Chalenger survenue en janvier 1986 a interrompue la procédure de lancement, ce qui a entraîné une remise en cause du projet et la décision d'utiliser un lanceur spécifique (DELTA II) pour les prochains satellites. Les lancements ont repris en 1989. 1989 - 94 Mise en place place de la deuxième constellation et de ses variantes BLOCK BLOCK II/IIA/IIR 2.3. Objectifs

A l'origine le GPS a été conçue afin de fournir aux forces armées un système de repérage globale et de très bonne précision. Les systèmes similaires de l'époque (SATNAV, etc.) n'avait pas la disponibilité et la sécurité requise pour leur exploitation opérationnelle dans les forces armées. Cependant s'est très rapidement posé le problème de l'accessibilité du service, en effet de nombreuses applications civiles pouvaient vouloir recourir à ce système et il n'était pas imaginable de laisser le service en libre accès a tout le monde, n'importe quel pays agresseur pouvant alors l'utiliser a son profit. Dés le début les USA voulait s'assurer la maîtrise totale quand a l'exploitation du système GPS, mais ne voulait pas exclure les applications civiles, on a alors imaginer le compromis suivant : – un service de grande précision réservé au militaire c'est le mode PPS (Precise Positioning System) – un second service aux possibilités dégradées (env. 100M) auquel aurait accès toute personne munis d'un récepteur, c'est le mode SPS (Standard Positioning System). Le succès scientifique et opérationnel du GPS est universel, mais la tutelle du gouvernement des États-Unis rend le monde entier dépendant d'un seul état.

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Le GPS est constitué de 3 parties ( cf. figure 2.1) : → → →

Le Segment Spatial Le Segment de Contrôle Le Segment Utilisateur

Figure 2.1

3.1. Le Segment Spatial

Est constituée d'un ensemble de 24 satellites répartis sur 6 plans orbitaux : sur chaque orbite se situent 4 satellites répartis symétriquement. Ces satellites évoluent à une altitude d'environ 20 000 Km et mettent environ 12 heures pour effectuer une rotation. Chaque satellite possède Mini projet – ENSA de Tanger

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un oscillateur qui fournit une fréquence fondamentale de 10,23 MHz calibrée sur des horloges atomiques. L'émetteur génère deux ondes (L1 et L2) de fréquence respective 1575,42 MHz et 1227,60 MHz. Il transmet régulièrement des signaux horaires, la description de l'orbite suivie (éphéméride) et diverses autres informations. 21 satellites + 3 de secours. En tout point de la terre toujours un minimum de 5 satellites visibles.

 Position des satellites selon la latitude et longitude :

Répartition de la constellation au dessus de la Terre.

3.2. Le Segment de Contrôle

Il s’agit de l’ensemble des bases de contrôle qui suivent chaque seconde la trajectoire de chaque satellite. Elles sont réparties sur différents pays afin qu’au moins une station contrôle un satellite donné. La station principale est située sur la Falcon Air Force Base dans le Colorado. Le rôle de ces stations est d’assurer le suivi des satellites, mais aussi de leur envoyer les corrections d’erreurs de positionnement. Ceci permet d’augmenter la fiabilité du système en permettant à tout instant de vérifier que les informations générées par chacun des satellites sont correctes.

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3.3. Le Segment Utilisateur

C’est le plus connu puisqu’il s’agit de l’ensemble des récepteurs GPS utilisés à travers le monde. De grandes marques se sont spécialisées dans leur fabrication (Magellan, Garmin) dont voici quelques modèles :

Les variétés sont très importantes car il existe un GPS pour chaque type d’utilisation (randonnée en montagne, suivi d’itinéraire en mer, …). Un GPS fournit : - Une position - Une vitesse - Un temps La position est fournit soit en données angulaires (latitude / longitude), soit en données métriques (grille UTM).

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Grille UTM (Universal Traverse Mercator) : c’est une projection permettant de mettre à plat la surface terrestre en la découpant en carrés de 1 Km de côtés. Ces carrés sont rassemblés en zone, et on peut ainsi se repérer précisément. Le GPS permet ainsi : - De connaître sa position - De prévoir un itinéraire - De suivre un itinéraire - De mémoriser des points sur une carte

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Le GPS utilise une technique de mesure de distance unidirectionnelle où le satellite est actif et envoie continuellement un signal. Le paramètre fondamental de la mesure de distance est le temps, lequel est fourni avec une très grande précision par les oscillateurs des satellites qui assurent une précision de l'ordre de 10 -14 seconde. Du point de vue de sa structure, le signal émis par le satellite peut être séparé en trois parties : – Les ondes porteuses L1 et L2 dont la longueur est d'environ 20 cm ; – Les codes C/A (Coarse Acquisition) et P (Precise) sont modulés sur les ondes porteuses selon une séquence binaire. Pour le code P, l'élément unitaire correspond environ à 30 m, alors que pour le code C/A, il correspond à environ e nviron 300 m ; – Les informations nécessaires pour calculer la position des satellites.

Figure 4.1 - le signal GPS

En admettant une résolution proportionnelle à la longueur d'onde, ou à l'élément unitaire du code, les indications ci-dessus montrent que les porteuses donnent des résultats plus précis que les codes. En pratique, on considère qu'un récepteur peut mesurer 1/100 de la longueur d'onde ou du code. Le code P est donc dix fois plus précis que le code C/A, mais il est réservé aux militaires américains. Selon ces caractéristiques, le système GPS offre deux services qui se différencient par la précision obtenue dans les résultats :

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– SPS (Standard Position Service) : il a été mis à disposition des utilisateurs civils par l'intermédiaire du code C/A. Il n'occasionnera aucun coût d'utilisation jusqu'en 2005 environ, mais sa précision dépend fortement de la disponibilité sélective (Selective Availability SA). – PPS (Precise Position Service) : ce service est réservé aux militaires américains et à certains utilisateurs autorisés par le DoD (Département Of Défense des USA). Les récepteurs sont alors équipés d'algorithmes de décryptage permettant d'accéder au code P. Le mode PPS exploitant pleinement le système pour une précision de moins de 10m et le mode SPS qui utilise une électronique simplifié est en plus soumis a une dégradation volontaire des signaux satellitaires pour une précision de 100m environs. L'accès au mode PPS se jouant au niveau électronique du récepteur et des codes de corrections des dégradations satellitaires, les USA s'assurait ainsi la maîtrise totale de l'aspect militaire du projet, et faisait un beau cadeau aux civils. Le mode de repérage utilisé par le GPS s’appui sur le principe de la triangulation, méthode bien connue des physiciens. On peut exposer son fonctionnement en 5 points : → → → → →

La triangulation La mesure de distance La mesure précise du temps Le positionnement des satellites La correction d’erreurs

4.1. La triangulation

1ère étape : Supposons pour commencer que nous connaissions la distance séparant un satellite d’un récepteur GPS. Sachant que le satellite a une position X précise et définie dans un espace à 3 dimensions, l’ensemble des points possibles où pourrait se situer l’utilisateur du GPS est la sphère de centre le satellite et de rayon la distance connue (cf. schéma 4.2).

Schéma 4.2

2ème étape : En faisant intervenir un 2ème satellite qui connaît la distance le séparant du récepteur, on obtient pour ensemble des points possibles, un cercle, issu de l’intersection des 2 sphères ( cf. schéma 4.3).

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Schéma 4.3

3ème étape : Le raisonnement est identique avec un 3 ème satellite : on obtient alors 2 points possibles. Dans notre contexte, l’utilisateur n’est pas un astronaute flottant dans l’espace, donc il se trouve sur la surface terrestre, connaissant cette donnée on peut déduire sa position exacte en éliminant le point donnant un résultat incohérent. ( cf. schéma 4.4).

Schéma 4.4

Donc : en théorie 3 satellites suffisent pour connaître la position exacte d’un point sur Terre. Pourtant, nous verrons qu’en pratique il en faut 4…

4.2. La mesure de distance

Toute la démonstration précédente reposait sur l’hypothèse que l’on connaissait exactement la distance séparant le satellite du récepteur, étudions comment calculer cette distance. Le principe est simple (cf. schéma 4.5) : le satellite envoie un signal vers le récepteur, celui ci détermine le temps de transmission de ce signal et ainsi peut déduire la distance le séparant du satellite grâce à l’équation : Distance = vitesse × temps La célérité des ondes transmises est proche de celle de la lumière : 300 000 Km/s. Schéma 4.5

Il reste donc à déterminer le temps de transmission du signal. Pour cela, le récepteur et le satellite émettent au même moment une trame pseudo-aléatoire identique (appelée ainsi car elle est générée par des équations très complexe, la rendant ainsi unique).

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Une fois que cette trame sera reçue par le récepteur, celui-ci pourra la décaler dans le temps de façon à la faire coïncider avec celle qu’il a généré, la mesure du temps de transmission est déduite de ce procédé, et ainsi on peut connaître la distance séparant le récepteur du satellite.

Schéma 4.6

Après recherche de superposition de signal, on obtient donc :

 Décalage entre le satellite et le récepteur = t 

4.3. La mesure précise du temps

Pour valider tout le raisonnement qui précède, il faut que la mesure du temps soit extrêmement précise. En effet, si une erreur d’un millième de seconde est faite, cela produit une erreur de position de 300km ! A la vitesse de la lumière, une très grande précision est de rigueur. Les horloges internes des satellites sont très précises car il s’agit d’horloges atomiques au Césium, cependant celles des récepteurs l’est beaucoup moins. La solution : utiliser un 4ème satellite... Essayons de comprendre comment 4 mesures imprécises de satellites peuvent donner une mesure précise de positionnement, pour cela ramenons nous à un espace à 2 dimensions car le raisonnement est le même : Etape n° 1 : Dans un espace 2D, il faudrait 2 satellites pour repérer un point Le satellite A mesure 4 secondes Le satellite B mesure 6 secondes A l’intersection de ces deux mesures on obtient le point X

Etape n° 2 : Mais les satellites ont commis une erreur d’une seconde...

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Au lieu de trouver le point X, c’est le point XX qui est calculé

Etape n° 3 : En utilisant un troisième satellite, sans erreur de mesure... Le 3ème satellite confirme le résultat des 2 autres

Etape n° 4 : Dans le cas d’une erreur d’une seconde de chaque satellite... Le 3ème satellite permet de définir une zone dans laquelle se trouve le point à trouver

En considérant que l’erreur commise par A, B et C sont les mêmes, il suffit de chercher quelle valeur enlever à chaque mesure (qui correspond à l’erreur commise) pour que les arcs de cercle se coupent en un même point. En raisonnant dans un espace 3D, on comprend donc pourquoi il faut recourir à un 4 ème satellite. 4.4. Le positionnement des satellites

Tout cela semble donc être parfait et nous permet d’obtenir un positionnement exact, cependant un autre détail est à régler : la position des satellites. Effectivement, pour calculer précisément la distance séparant un satellite du point à déterminer, il faut que ce dernier connaisse parfaitement sa position dans l’espace. C’est le rôle des stations de contrôle : Le satellite renvoie sa position théorique à la station de contrôle, qui calcule alors l’erreur de position commise par ce dernier afin de lui renvoyer la valeur de cette erreur. Mini projet – ENSA de Tanger

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Le satellite peut donc informer le récepteur de l’erreur qu’il doit prendre en compte dans ses calculs. 4.5. La correction d’erreurs

Plusieurs autres sources d’erreurs doivent être prisent en compte afin d’obtenir une mesure très précise : Horloge interne du satellite : bien que très précise, elle est tout de même source d’erreur ; Dégradation volontaire : c’est la principale source d’erreur, elle permet à l’armée américaine de préserver son avantage sur les civils ; Ephémérides : bien qu’une mesure soit rapide, il faut prendre en compte le déplacement des satellites sur leur orbite (les calculs théoriques partent du principe qu’il est fixe...) ; Traversée atmosphérique : lorsque le signal traverse l’atmosphère il ralentit, provoquant une erreur sur le calcul de distance ; Réverbération : le signal ne parvient pas toujours directement jusqu’au récepteur, il peut être dévié dévié par des obstacles, faussant ainsi les calculs (en montagne notamment) ; Horloge du récepteur : peu fiable qui provoque aussi quelques erreurs. Les mesures effectuées par le récepteur GPS, dépendent également de la configuration des satellites : Le facteur à prendre en compte est le GDOP (geometric dilution of precision), variable calculée à partir des angles formés par le point et les satellites Précision :

 Mode SPS (standard)  Mode PPS (militaire) (militaire)

Théorie 100 m Pratique (dans 95% des cas) 50 m

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30 m Top secret 

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5.1. Principes de base

Devant les performances variables des systèmes GPS traditionnels et les dégradations (Selective Availability) introduites par le Département Of Défense des USA les constructeurs de matériels ont cherché une solution pour améliorer la précision. C'est ainsi qu'est né le système Differential GPS qui repose sur une base fixe (composée d'un récepteur GPS et d'un ordinateur équipé du logiciel adéquat) dont la position est connue et qui va comparer sa position effective (connue) et les données fournies par le GPS qui lui est connecté, de la différence des deux positions (effective et GPS) des algorithmes complexes vont déduire le niveau de dégradation des signaux émis par les satellites. La base pourra ainsi transmettre aux GPS de terrains les corrections à apporter aux données reçues des satellites.

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L'appellation DGPS couvre un ensemble de techniques destinées à améliorer la précision de base du système GPS. Toutes ces techniques sont basées sur le même principe (le différentiel) mais diffèrent par les moyens de mise en œuvre ainsi que par la nature même des informations auxquelles ce principe est appliqué.

L'idée fondamentale du DGPS est que deux (ou plus) récepteurs observant les mêmes satellites feront des erreurs de mesure d'autant plus semblables que ces récepteurs seront proches. En plaçant un récepteur dit de référence sur une position parfaitement connue, il est possible d'évaluer non pas cette position à partir des mesures qu'il effectue, mais la valeur théorique que devraient avoir ces mesures à partir de la position connue, et de les comparer ensuite avec les mesures réelles. La différence de ces valeurs donne l'erreur de mesure. Cette erreur mesurée sur le récepteur de référence peut ensuite servir à corriger les erreurs de mesure des récepteurs placés sur des positions inconnues. Ce principe de mesure différentielle ne corrige bien sûr que les erreurs dues au système luimême (les satellites étant en orbite à plus de 20 000 Km d'altitude, leurs signaux sont reçus avec les mêmes imperfections par des récepteurs distants de quelques centaines de mètres à quelques centaines de kilomètres, du moins en première approximation). Par contre, les erreurs locales dues aux récepteurs ou à leur environnement direct sont cumulées. Par ailleurs, ce principe n'est valide que pour des mesures simultanées ou quasi-simultanées, et son efficacité décroît avec l'asynchronisme des mesures. Il y a donc deux facteurs limitatifs de la qualité du DGPS : la décorellation spatiale des erreurs, et leur décorrelation temporelle. Néanmoins, sous sa forme la plus simple, le DGPS permet de ramener la précision du SPS de 100 à quelques mètres, et sous ses formes les plus sophistiquées à quelques millimètres. Ces corrections peuvent s'effectuer en temps différé ou en temps réel : dans le premier cas, les mesures "brutes" du récepteur de référence et des récepteurs "mobiles" sont enregistrées puis traitées par un logiciel ad hoc ; dans le deuxième cas, les corrections sont calculées "en ligne" et diffusées immédiatement vers les récepteurs mobiles, qui les appliquent avant de calculer leur position avec une précision pouvant varier selon les cas de quelques millimètres à quelques mètres. 5.2. Les différentes sortes de DGPS

Tout récepteur GPS mesure des pseudo distances, mais il y a plusieurs manières d'effectuer cette mesure : la plus simple, employée par tous les récepteurs sans exception, est d'utiliser le code émis par les satellites et de mesurer une grandeur dénommée "la phase du code". La deuxième manière (utilisée de manière complémentaire par les récepteurs de haut de gamme) Mini projet – ENSA de Tanger

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d'estimer la même pseudo distance est d'utiliser l'onde porteuse et de mesurer une grandeur appelée "la phase de la porteuse". La première méthode donne des résultats non ambigus avec une précision de l'ordre du mètre ; la deuxième permet des résolutions de l'ordre du millimètre mais pour des mesures ambiguës à 19 centimètres près. Le principe du GPS différentiel s'applique à ces deux types de mesures, conduisant ainsi à la classification suivante : Type de mesure

Temps réel  / différé

Temps différé

DGPS ou LADGPS temps différé ou WADGPS temps différé DGPS ou LADGPS ou WADGPS Statique ou Rapide Statique ou Cinématique

Temps réel

Cinématique temps réel

Temps Phase code différé Phase code Temps réel Phase porteuse Phase porteuse

Dénomination

Précision

Zone de validité

De < 1 m à ~ De quelques x 10 Km 10 m à quelques x 1000 Km De < 1 m à ~ De quelques x 10 Km 10 m à quelques x 1000 Km De < 1cm à De quelques Km à quelques cm quelques x 1000 Km De < 1cm à De quelques Km à quelques cm quelques x 10 Km

Pour les méthodes utilisant la phase du code, les dénominations DGPS et LADGPS (Local Area DGPS) recouvrent le même concept. Le WADGPS (Wide Area DGPS) par opposition est une méthode plus sophistiquée consistant à décomposer les erreurs en composantes dépendantes de la position et en composantes indépendantes de la position, à calculer un modèle de variation en fonction de la position, et à fournir l'ensemble de cette information composite aux récepteurs. Ceux-ci peuvent alors reconstituer la correction de pseudo distance applicable à leur position et l'appliquer. De cette manière, il est possible d'étendre la zone de validité des corrections à une très large zone. Pour les méthodes utilisant la phase de la porteuse, la précision indiquée n'est obtenue que lorsque les ambiguïtés de mesures sont résolues d'une manière ou d'une autre. Le "Statique" concerne des récepteurs stationnaires, avec des temps d'occupation des points variant de 30 minutes à quelques heures voire quelques jours ; le "Rapide Statique" est une variante dans laquelle les temps d'occupation sont réduits à quelques minutes ; et le "Cinématique" désigne le cas où seul le récepteur de référence est stationnaire, le ou les autres récepteurs dits mobiles pouvant bouger sans contrainte aucune. Dans tous les cas, l'utilisation en temps réel suppose la transmission depuis le site de référence vers les mobiles des informations de corrections nécessaires par un moyen radioélectrique ad hoc, qui devient une composante indispensable du système.

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Le GPS fournit à l'utilisateur une position instantanée. Ceci permet d'intégrer un certain nombre de fonctions qui vont gérer le déplacement du récepteur dans l'espace et dans le temps. Ces appareils de navigation basés sur le code GPS offrent une panoplie de fonctions permettant de contrôler le déplacement de l'utilisateur. 6.1. Les paramètres de navigation

Nous avons vu que le récepteur calcule une position en coordonnées X, Y, Z à un instant t. Si l'on considère une succession d'événements dans le temps, on obtient pour chaque époque une nouvelle position. L'intervalle de temps entre deux époques peut être programmé dans le récepteur. On choisit en général un intervalle de quelques secondes. Si l'utilisateur se déplace, Mini projet – ENSA de Tanger

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le récepteur peut construire le vecteur liant 2 points successifs et calculer la direction de déplacement ainsi que la vitesse. De cette manière, on obtient des informations précieuses pour la navigation. Le récepteur de type Garmin fournit cette information de la manière suivante : Navigation page => TRACK: direction de navigation par rapport au Nord géographique => SPEED: vitesse de déplacement en Km/h ou en Miles/h => TRIP: trajet horizontal parcouru depuis un point de départ fixé par l'utilisateur => POSITION: coordonnées actuelles dans la référence choisie => ALT: altitude Certains appareils permettent d'enregistrer le trajet parcouru avec une marque de temps pour chaque point. Pour une entreprise devant gérer une flotte de camions ou de bateaux, on peut transmettre cette information en temps réel, via un moyen de télécommunication, à une centrale. 6.2. Les outils de navigation

Le récepteur GPS ne fournit pas seulement des paramètres de navigation, il permet également à l'utilisateur de programmer et de gérer son déplacement. Ceci se fait par l'intermédiaire de l'enregistrement de points de destination (way points) ou de routes. Lors de la planification d'un déplacement, on peut lire les coordonnées de points remarquables sur une carte topographique ou marine. Ensuite on stocke ces points dans le récepteur et on peut définir une route comme une suite de points. Le déplacement entre deux points est à considérer comme un segment de droite.

Schéma 6.1 - Les paramètres de navigation

Lorsque l'utilisateur désire se rendre sur un point fixe, il sélectionne une fonction (GOTO) lui permettant d'activer le point choisi. Le récepteur va calculer les éléments géométriques reliant sa position actuelle et le point de destination sélectionné. Si le navigateur se déplace avec une certaine vitesse, il peut notamment connaître le temps nécessaire pour atteindre son but. Le récepteur de type Garmin fournit cette information de la manière suivante : Compass page => BRG (bearing): azimut entre la position instantanée et le way point => DST: distance horizontale entre la position instantanée et le way point => TRK: direction de navigation par rapport au Nord géographique

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=> SPEED: vitesse de déplacement en Km/h ou en Miles/h => ETE: estimation du temps nécessaire pour atteindre le but Lorsque l'on choisit une route, le récepteur sélectionne les points dans l'ordre donné. Dès qu'il atteint un point intermédiaire, il passe automatiquement au suivant. On peut ainsi décrire une trajectoire contenant une multitude de points. Si le trajet est sinueux, il suffit d'enregistrer assez de points. Certains appareils ont une possibilité de visualiser le trajet parcouru. Un petit affichage présente la trajectoire suivie depuis le point de départ. Ceci offre à l'utilisateur une vision d'ensemble de sa navigation, plus particulièrement lorsqu'il choisit une route à suivre. Les récepteurs de dernière génération permettent même d'afficher une carte comme fond d'écran. On voit alors la ligne de trajet parcouru se superposer à la carte. Ceci est particulièrement intéressant lorsque l'on doit se référer à des repères terrestres ou à un balisage maritime.

Schéma 6.2 - Récepteur GPS avec carte topographique

6.3. Les conseils pour pour une une bonne navigation

Que se soit à pied, en bateau ou en avion, il faut tout d'abord rappeler que le GPS ne doit  jamais être le seul instrument de navigation. On peut lui faire confiance mais avec certaines précautions et surtout en le contrôlant régulièrement. Les moyens traditionnels auxquels on peut confronter les mesures GPS sont les suivants : – La carte topographique ou marine sur laquelle on peut reporter sa position. Les informations contenues dans la carte offrent un moyen de contrôle de la mesure. On peut, par exemple, mesurer un point précis et bien identifiable sur la carte et dans le terrain ; – La boussole ou le compas est un instrument de mesure de l'azimut magnétique. On peut corriger cette mesure de la déclinaison magnétique et obtenir un azimut géographique. Lors de l'utilisation de GPS en navigation, on peut comparer l'azimut boussole avec celui calculé par le GPS (TRK) ; – L'altimètre permet, comme son nom l'indique, de mesurer l'altitude après avoir préalablement étalonné l'appareil. On peut comparer cette mesure à la valeur obtenue par GPS. Toutefois, il faut rappeler que la mesure GPS est bien moins précise (+/- 200 m) car elle est influencée par la dégradation sélective. En montagne et en aviation, l'altimètre conserve toute son utilité ; – L'odomètre ou le compteur de distance va comptabiliser la distance parcourue le long d'un trajet. On peut comparer cette valeur avec la mesure du chemin parcouru (TRIP) obtenu par GPS. Il faut initialiser les compteurs de l'odomètre et du GPS au même endroit et enclencher les deux systèmes au même instant. Cependant les grandeurs considérées peuvent différer car l'odomètre mesure la distance parcourue sur le sol, aussi, si la route est inclinée, la distance mesurée est oblique, alors que le GPS mesure la distance horizontale. A l'aide d'un compteur de vitesse, on peut également comparer la vitesse à celle obtenue par le GPS (SPEED). Mini projet – ENSA de Tanger

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Global Positioning System

En navigation maritime ou aérienne ,

l'ensemble des outils de navigation et de détermination d'un lieu géométrique sont combinés aux mesures GPS. Les moyens traditionnels et les techniques acquises en navigation, que se soit à l'aide d'un compas, d'un altimètre, d'un sondeur ou d'un radar, restent toutefois prépondérantes sur l'utilisation parallèle du GPS. Le GPS n'est donc pas le General Problem Solver et il doit être utilisé à bon escient. Sa combinaison avec d'autres moyens de navigation offre aux utilisateurs une solution confortable et plus sécurisante.

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Les GPS ou leurs systèmes associés sont utilisés dans de très nombreux systèmes ayant des finalités diverses : les GPS disposant d'une horloge "presque" calée sur l'horloge atomique des satellites il arrive d'utiliser des récepteurs GPS pour piloter des systèmes d'horloges stables (time code dans les studios TV, réseau informatique,...). Le système DCF basé sur l'horloge atomique de Frankfort en est une alternative mais ne fonctionne qu'en Europe de l'ouest. 

Systèmes de gestion du temps :

dans les avions, bateaux ou véhicules terrestre permet une aide à la navigation. Dans les deux premiers cas ce n'est qu'un système complémentaire aux balises VOR, sondeurs,... Pour les véhicules il existe de très bonnes applications de calcul d'itinéraires d'aide à la conduite. Au début réservé aux professionnels de la route (chauffeurs routiers) ou aux services d'urgence (pompiers, police,...) ce système commence à apparaître en série sur des véhicules grand public haut de gamme (Renault scénic, Mercedes,...). Certains randonneurs à pied, a vélo ou à cheval utilisent même le GPS à la place de la boussole! 

Systèmes de navigation embarquée :

permet, depuis un site central fixe de positionner automatiquement une flotte de mobiles sur un écran d'ordinateur. Ce type de système est utilisé pour la gestion de flotte de véhicules de transport urbains (taxi ou bus) ou de véhicules de secours, ainsi l'opératrice peut envoyer le véhicule le plus proche du client ou du lieu de l'intervention. Ce système s'applique tout aussi bien à la gestion de flotte de camions de transport, de véhicules militaires,... 

Systèmes de suivi de flotte :

La précision des GPS permet leur utilisation à des fins de cartographie numérique soit pour produire des cartes papier traditionnelles soit pour intégrer des données thématiques à un Système d'Information Géographique (SIG). Les applications de SIG sont multiples et correspondent à des besoins très divers. 

Cartographie numérique :

instrument de mesure scientifique par excellence il peut être utilisé pour surveiller les mouvements de la croûte terrestre, les migrations ou déplacements d'animaux. Il est aussi intégré dans les ballons sondes météorologiques ou micro-fusées expérimentales. 

Analyse/recherche Analyse/recherche scientifique :

utilisé à des fins militaires de suivi de flotte conventionnelle ou de modélisation numérique du champs de bataille il peut aussi être utilisé pour le positionnement de missiles balistiques ou de drones. Les États-Unis sont passés maître dans l'utilisation du GPS à des fins de renseignement (unité effectuant des relevés et les transmettant via modem-radio à un site central). Il s'agit là du "numéric battlefield" de l'an 2000. Cette liste n'est pas exhaustive et peut se compléter en fonction de vos besoins... 

Applications militaires :

Mini projet – ENSA de Tanger

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travers de ce rapport, on a tenté de montrer que le GPS n'est pas simplement un   uappareil de mesure d'une position sur la Terre, mais qu'il est utilisé dans un grand nombre d'applications et de domaines d'activité. En effet, la communauté civile a trouvé, dès la mise en place du projet GPS, un intérêt manifeste à développer des solutions pour le positionnement et la navigation. On retrouve ainsi une quantité de produits sur le marché, dont l'utilisation correcte requiert quand même un minimum de connaissances techniques. Ces connaissances sont aussi utiles lorsqu'il s'agit de choisir l'appareil le mieux adapté pour répondre à tel ou tel besoin. On voit ainsi que le GPS s'impose comme un véritable outil d'aide à la navigation dans de nombreuses applications civiles. Toutefois les responsables sont conscients qu'ils dépendent d'une administration américaine et ont ainsi développé des systèmes combinés où l'accent est mis sur le contrôle.