Global Positioning System [GPS], système de navigation radio, composé de 24 satellites et d’une base terrestre, qui permet de fournir à un abonné sa position précise en trois dimensions (latitude, longitude, altitude), sa vitesse et l’heure.

Le GPS est accessible 24 heures sur 24, de n’importe quel point de la Terre et quelles que soient les conditions météorologiques. Comme l’utilisateur n’a pas à communiquer avec les satellites, le système GPS peut desservir un nombre illimité d’utilisateurs.

Exploité et entretenu par le département de la Défense des États-Unis, le système de positionnement universel a été créé en 1973 afin de réduire la prolifération des aides à la navigation. Le GPS, qui résout tous les problèmes rencontrés par les nombreux autres systèmes de navigation, a été adopté par un large éventail d’utilisateurs. Dès la mise en orbite des tout premiers satellites, il s’est montré très performant pour les applications classiques de navigation. Son utilisation étant compatible avec celle d’équipements bon marché, le GPS encourage la création de nombreuses applications nouvelles.

GPS et téléphone mobile

Le GPS est disponible sous deux formes principales : le service de positionnement standard (SPS) et le service de positionnement précis (PPS). Le SPS donne une position horizontale avec une précision de 100 m. La précision horizontale du PPS est de 20 m. Aux utilisateurs autorisés, habituellement l’armée des États-Unis et celles de ses alliés, le PPS offre également une plus grande résistance au brouillage et un système de détection des signaux trompeurs (antileurre).

Des techniques avancées comme le GPS différentiel (DGPS) et l’utilisation de la fréquence d’une onde porteuse permettent aux utilisateurs du DGPS d’obtenir une précision horizontale de 3 m. Les géomètres sont les premiers à avoir utilisé les méthodes à onde porteuse pour calculer des positions avec une précision inférieure à 1 cm. Le SPS, le DGPS et les techniques à onde porteuse sont à présent proposés à tous les utilisateurs.

Le GPS détermine la position en calculant l’intervalle de temps qui sépare le moment où un signal est émis et le moment où il est reçu. Les satellites GPS sont équipés d’horloges atomiques, qui donnent une mesure très précise du temps. Cette mesure est intégrée dans des codes transmis par le satellite, et un récepteur peut en déduire à chaque instant le moment où le signal a été diffusé. Le signal contient également des données permettant au récepteur de calculer les positions des satellites et d’effectuer les corrections de position nécessaires à une localisation précise. Le récepteur connaît le temps mis par le signal pour arriver du satellite et en déduit la distance qui l’en sépare. Il doit tenir compte des retards de propagation provoqués par l’ionosphère et la troposphère. La distance par rapport à trois satellites, ainsi que la localisation de chaque satellite au moment de l’émission du signal, permettent au récepteur de calculer la position en trois dimensions.

Cependant, pour pouvoir calculer directement les distances, l’utilisateur devrait être équipé d’une horloge atomique synchronisée sur le système de positionnement universel. Une quatrième mesure à partir d’un satellite supplémentaire élimine cette contrainte. Le récepteur utilise par conséquent quatre satellites pour calculer sa latitude, sa longitude, son altitude et l’heure.

Lancement d'un satellite GPS

Le GPS comporte trois parties : celles relatives à l’espace, à la commande et à l’utilisateur. La partie spatiale comprend les satellites et les fusées Delta, qui les lancent à partir de cap Canaveral en Floride. Les satellites GPS décrivent des orbites circulaires autour de la Terre à 17 440 km d’altitude selon une période de 12 heures. Les orbites sont inclinées de 55° par rapport à l’équateur terrestre pour assurer une couverture des régions polaires. Les satellites s’orientent continuellement pour pointer vers le Soleil les panneaux solaires qui les alimentent en électricité et vers la Terre les antennes émettant les signaux. Chaque satellite est équipé de quatre horloges atomiques.

La partie de commande comprend la station maîtresse de commande, située à la base Falcon de l’armée de l’air, à Colorado Springs, dans le Colorado. Elle comprend également des stations de surveillance installées à Falcon AFB (Hawaii), sur l’île de l’Ascension dans l’Atlantique, à Diego Garcia dans l’océan Indien et sur l’île Kwajalein dans le Pacifique Sud. Le système de commande utilise les mesures collectées par les stations de surveillance pour prédire le comportement de chaque orbite et de chaque horloge des satellites. Les données prévisionnelles sont transférées aux satellites pour être transmises aux utilisateurs. Le système de commande veille aussi à ce que les orbites des satellites GPS ainsi que les horloges ne s’écartent pas trop de leurs caractéristiques nominales.

La partie utilisateur a été associée, à l’origine, aux récepteurs militaires. Le système GPS utilisé par les militaires a, en effet, été intégré dans les avions de chasse, les bombardiers, les navires de ravitaillement, les hélicoptères, les navires de guerre, les sous-marins, les tanks, les véhicules tout terrain, ainsi que dans les équipements individuels des soldats. Outre les fonctionnalités élémentaires de navigation, les applications militaires du GPS incluent également le repérage de cibles, le soutien en vol rapproché, les munitions « intelligentes » (projectiles capables de repérer leur cible et de la suivre à l’aide de capteurs et de têtes chercheuses) et les rendez-vous à des endroits précis, déterminés par GPS dans des zones telles que les déserts et les jungles. Le GPS est également installé sur la navette spatiale.

Avec plus d’un demi-million de récepteurs GPS, la communauté civile a ses propres utilisateurs, dont les motivations sont très diverses. Même avant que l’ensemble des satellites nécessaires ne soient en orbite, les géomètres ont utilisé le GPS pour gagner du temps par rapport aux méthodes classiques de relevés topographiques. Le GPS est aujourd’hui utilisé par les avions et les bateaux pour la navigation et l’approche d’aéroports ou de ports. Les récepteurs sont vendus dans les grandes surfaces. Les plus petits tiennent dans la poche et valent le prix d’un agenda électronique haut de gamme. Les systèmes de repérage et de poursuite du GPS sont utilisés pour le suivi des camionnettes de livraison et des véhicules d’urgence et pour leur donner des conseils afin de choisir au mieux leurs itinéraires. Dans une méthode appelée « agriculture de précision », le GPS est utilisé pour surveiller et contrôler l’épandage des engrais et des pesticides. Il est aussi utilisé comme système de navigation embarqué dans les véhicules (comme ceux utilisés par les concurrents du rallye-raid Paris-Dakar) ainsi que par les randonneurs et autres pratiquants de sports en pleine nature.

Le GPS est déjà utilisé aux États-Unis pour la navigation aérienne, ce qui n’est pas encore le cas en Europe pour des raisons de garantie de services et d’indépendance vis-à-vis du système américain en situation de monopole. Cependant, la mise en service en 2005 du système européen EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), conçu par l’Agence spatiale européenne (ESA), la Commission européenne et Eurocontrol (organisation européenne chargée de la sécurité de la navigation aérienne) et permettant d’affiner les données des systèmes de navigation par satellite américain (GPS) et russe (Glonass), marque la première étape de l’émancipation de l’Europe en matière de navigation par satellite. La seconde étape est en marche : il s’agit de la mise en service en 2008 du système européen de navigation par satellite Galileo. Les avantages de ce que les Anglo-Saxons appellent le « free flight » sont immenses : la position d’un avion est connue en permanence et avec une extrême précision, même en dehors des zones couvertes par les radars. Elle est transmise en temps réel aux centres de contrôle de la navigation aérienne, ce qui leur permet de réduire en toute sécurité la distance séparant deux avions.

En raison de son prix d’installation et de son coût de fonctionnement élevés, peu de terrains disposent d’un ILS (Instrument Landing System) pour un atterrissage sous visibilité réduite. Avec un GPS amélioré par une station terrestre, les pilotes pourront effectuer sur n’importe quel aéroport des approches de précision avec seulement 400 m de visibilité horizontale et 35 m de visibilité verticale (approche en catégorie I). L’approche en catégorie III, avec une visibilité verticale nulle, est déjà envisagée par les experts.

L’Europe, soucieuse de son indépendance, a décidé en mars 2002 d’engager le développement de son propre système de navigation par satellite, appelé Galileo. Conçu pour des besoins civils, Galileo vient en complément du GPS américain et de son équivalent russe Glonass, tous deux d’origine militaire. Le système Galileo, développé et financé conjointement par l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Union européenne (UE), devrait être opérationnel en 2008. Le premier satellite expérimental du programme Galileo, baptisé Giove-A (acronyme de Galileo In Orbit Validation Element), a été placé en orbite en décembre 2005 pour démontrer la capacité du système européen à émettre des signaux GPS de précision supérieure à celle de ses concurrents.

Basé sur le même principe de fonctionnement que ses concurrents, il utilisera les signaux radio émis par une constellation de 30 satellites équipés d’horloges atomiques, positionnés sur trois orbites terrestres de 23 616 km d’altitude, circulaires et inclinées de 56° par rapport à l’équateur terrestre pour assurer la meilleure couverture possible de la planète. La gestion du système de navigation et le suivi du fonctionnement des satellites seront assurés par deux centres de contrôle Galileo (GCC) installés en Europe.

Par ailleurs, la construction et l’exploitation du système européen de radionavigation sont assurées conjointement par les consortiums iNavSat (composé des groupes EADS, Thales et Inmarsat) et Eurely (qui comprend les groupes Alcatel, Finmeccanica, AENA et Hispasat).

Les applications de Galileo, complémentaires et redondantes avec celles du GPS américain, concerneront de multiples secteurs : les transports (circulations routière, ferroviaire, maritime, aérienne), le monde financier (synchronisation des transmissions de données entre banques), l’exploration minière, les télécommunications, etc. Toutefois, contrairement à son rival américain, le système Galileo restera exclusivement à usage civil.