Le GPS
Origine, comment ça marche, cartes et quadrillage, fonctions de base...

Par André Souvignet

Origine

GPS ou plus précisément NAVSTAR-GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging - Global Positionning System / en français : système de navigation utilisant le temps et la distance - système de positionnement global). Sous ce nom un peu mystérieux, se cache un système extrêmement complexe et sophistiqué permettant de se positionner de façon très précise (moins de 10 mètres pour les civils) en n'importe quel point de notre planète.

Tout d'abord, un bref rappel historique. La division spatiale de l'US Air Force est à l'origine du projet en 1963 (projet 621B). Dans un second temps en 1967, ce projet est regroupé avec un autre projet de l'US Navy et prend alors le nom de Navstar Global Positionning System : Le but du projet est de fournir un moyen de positionnement très précis en 3 dimensions totalement furtif couvrant la terre entière, disponible 24 heures sur 24 quelles que soient les conditions météo et ceci à des fins strictement militaires. En 1974, le premier satellite comportant une horloge atomique est mis en orbite. En 1978, 4 satellites GPS sont lancés. En 1983, à la demande du président Reagan, le GPS est accessible par les civiles. En 1993, le système GPS comporte 24 satellites et devient alors 100% opérationnel en 1994.

Comment ça marche

A la base de ce système, se trouve une constellation de 24 satellites répartis sur 6 orbites (4 satellites par orbite) à 20 000 km d'altitude, chacun de ceux-ci effectuant une révolution autour de la Terre en 12 heures. La configuration des plans orbitaux et la répartition des 4 satellites sur chacune des orbites font que le nombre de satellites visibles à partir de n'importe quel point (terrain dégagé) est en moyenne de 6 ou 7 satellites, voire 8 ou même 9 dans des conditions très favorables. Chaque satellite émet en permanence des signaux radio (puissance émission d'environ 50W) contenant les informations suivantes : un code permettant son identification et sa position par rapport aux coordonnées géographiques terrestres et l'heure précise d'émission du message. Et quand on dit "heure précise", la qualificatif est faible. En effet, chaque satellite a à son bord plusieurs horloges atomiques d'une précision extrême. Toute cette technologie est contrôlée et synchronisée par 5 stations terrestres de surveillance réparties autour de la planète, la station maître étant localisée à la base aérienne de FALCON dans le COLORADO aux USA. Le cœur de la précision du système GPS repose donc principalement sur la mesure du temps et cette synchronisation des satellites.

Mais en définitive, comment ça marche et comment peut-on connaître sa position sur le globe ?

Le principe de positionnement par GPS est basé sur la mesure de distance entre le récepteur GPS (que vous avez dans la main) et plusieurs satellites. Chaque satellite transmet en permanence sa position exacte par rapport à la terre ainsi que l'heure précise d'émission du message. En calculant le temps mis par les signaux pour arriver jusqu'au récepteur GPS (à la vitesse de la lumière), on obtient la distance du satellite. Ainsi, la distance et la position du satellite étant connues, il est possible de tracer un cercle imaginaire sur la surface de la terre sur lequel se trouve obligatoirement le récepteur. Avec n satellites, on obtient une série de n cercles et ainsi l'intersection de ces cercles se fait en un point qui correspond à la position du récepteur.

Ainsi, comme on peut le voir sur la figure ci-dessus, on comprend bien qu'il faut au minimum la réception de 3 satellites pour avoir une intersection en 1 point. En fait, les mesures ne sont pas parfaites et le résultat du calcul de positionnement ne donne pas rigoureusement un point mais plutôt une zone d'incertitude dans laquelle le récepteur se trouve. Pour les familiers de la boussole, on peut faire une analogie avec la visée par triangulation permettant de se situer sur une carte en visant 3 points connus et en reportant sur la carte les angles mesurés. On obtient un triangle d'incertitude dans lequel on se trouve. Le rajout de visées complémentaires permet de réduite cette incertitude. Avec le GPS, c'est un peu le même principe en 3 dimensions : plus le nombre de satellites reçus est important, plus la précision de positionnement est grande (avec 3 satellites minimum pour la position et 4 satellites pour l'altitude.

Quelle est la précision de positionnement ? Comme indiqué ci-dessus, le système GPS à l'origine a été conçu par les militaires pour les militaires. Ainsi, jusqu'à une époque très récente (Mai 2000), un brouillage volontaire aléatoire des signaux satellite ne permettait pas aux appareils civils une précision de positionnement très grande (au mieux 100 à 150 m en position horizontale et plus de 150 en altitude), ce qui enlevait beaucoup d'intérêt pour une utilisation éventuelle dans nos activités de montagne. Aujourd'hui, ce brouillage a été supprimé et la précision de positionnement devient très bonne quand les conditions sont normales (réception d'au moins 6 ou 7 satellites) : de l'ordre de 10 m en position et en altitude, ce qui ouvre de réelles perspectives pour une utilisation en montagne avec de plus une précision indépendante des conditions météo.

Cartes et quadrillage

Ainsi, mon GPS permet de me positionner avec une grande précision en tout point du globe, mais où suis-je sur la carte ? Le GPS détermine une position dans l'espace dans un système de coordonnées à 3 dimensions appelé ECEF (Earth Centered / Earth Fixed) référencé par rapport au centre de la terre, et là, on est bien loin de nos chères cartes IGN. Mais en fait, vous tous qui êtes des experts en cartographie, vous avez probablement une petite idée de la réponse. Vous savez que depuis l'antiquité, nos scientifiques, nos géographes et nos mathématiciens se mettent en quatre pour essayer de représenter sur un plan la surface du globe avec un minimum de distorsion. Cette représentation est basée sur un principe de projection dont les 3 plus connues sont :
  • projection cylindrique de MERCATOR (projection sur un cylindre tangent à l'équateur)
  • projection conique LAMBERT (projection sur un cône tangent au parallèle de la zone à représenter
  • projection cylindrique transverse de MERCATOR (projection sur un cylindre tangent au méridien de la zone à représenter), projection dite UTM (Universal Transverse Mercator)
Projection cylindrique de Mercantor Projection conique Lambert Projection cylindrique transverse de Mercantor (UTM)

Aucune des projections ci-dessus n'étant adaptée pour la représentation des zones polaires, une 4ème projection est à noter, la projection stéréographique : projection sur un plan tangent au pôle (N ou S) perpendiculaire à l'axe de rotation de la terre (système UPS / Universal Polar Stereographic).

Enfin, pour être complet, précisons que notre planète n'est pas un globe comme on le pensait depuis la Grèce Antique (ce serait trop simple), mais plutôt une "patatoïde" aplatie aux pôles (hypothèse de NEWTON), cette forme se nomme une ellipsoïde. Les valeurs des paramètres de l'ellipsoïde correspondant à la forme réelle de la Terre ont été calculées avec une bonne précision dès de début du XXème siècle (1901) par Friedrich HELMERT.

Ainsi, tout système géodésique (système de quadrillage / repérage sur les cartes) s'appuie sur une ellipsoïde de référence. Ces systèmes géodésiques sont nombreux (des centaines dans le monde) selon les pays.

Pour la France et plus particulièrement sur les cartes IGN au 1/25000, 3 systèmes sont utilisés :

  • système géodésique NTF (Nouvelle Triangulation Française / ellipsoïde de référence Clarke 1880) utilisant la projection conique de LAMBERT (vous connaissez les amorces de quadrillage, les croix LAMBERT)
  • système géodésique Européen 1950 ou européen unifié (ED50 / ellipsoïde de référence international) utilisant la projection UTM Ces 2 premiers systèmes sont présents sur toutes les anciennes cartes IGN 1/25000 (TOP ou série bleu)
  • système géodésique mondial unifié "Word Geodetic System 1984" (WGS 84 / ellipsoïde de référence WGS84) utilisant aussi la projection UTM.

Pour le GPS, le système le plus utilisé est WGS 84 car c'est le plus universel. Sur les nouvelles cartes IGN "compatible GPS", il correspond au quadrillage bleu qui cohabite avec les croix du quadrillage LAMBERT. Sur les anciennes cartes IGN, on trouve bien sûr le quadrillage LAMBERT, et le quadrillage ED50. Ainsi ces anciennes cartes sont aussi compatibles GPS (projection Lambert ou UTM ED50 ) à condition que votre GPS possède ces systèmes (le système ED50 est dans tous les GPS, mais ce n'est pas toujours le cas pour le système NTF Lambert). Cependant, il faut tracer la grille en se servant des amorces kilométriques en marge.

Ainsi, pour faire la correspondance entre la position indiquée sur votre GPS et la même position reportée sur la carte, il est FONDAMENTAL de raisonner dans le même système géodésique, sinon la position trouvée ne sera pas la bonne. Donc, un GPS étant préprogrammé pour un grand nombre de systèmes géodésiques, avant toute utilisation, il faut bien prendre la précaution de vérifier que le système géodésique choisi correspond à celui que vous utilisez sur la carte. Le quadrillage kilométrique sur la carte (grille bleu WGS84 pour les cartes "compatibles GPS" ou grille à tracer à partir des amorces ED50 en marge sur les anciennes cartes) permet à partir de la position GPS donnée en mètre de se situer de façon très précise (zone inférieure à 25m x 25m ou 1mm x 1mm sur la carte).

Fonctions de base

Pourquoi utiliser un GPS en montagne ? Quelles sont les avantages par rapport à notre traditionnelle boussole et altimètre ?

Tout d'abord, afin de couper court à toutes les discussions, soyons clair : un GPS ne remplace pas nos systèmes de navigation traditionnels comme la boussole et l'altimètre. La carte est toujours indispensable, ainsi que les connaissances du terrain et de la cartographie, le GPS ne vous indiquera jamais la présence d'une crevasse ou d'une barre rocheuse et ne vous donnera jamais le chemin le plus sûr. De plus, vous n'êtes pas à l'abri d'une panne ou d'un problème de pile. Dans 90% des cas, vous n'en aurez pas besoin, mais c'est un peu comme l'ARVA ou le téléphone portable, ils ne servent quasiment jamais au fond de votre poche, mais le jour où vous en avez l'utilité réelle, il peut sauver des vies.

Ainsi le système GPS s'appuie sur un système planétaire extrêmement sophistiqué et ses performances sont à la hauteur des moyens mis en jeu :

  • système indépendant des conditions météo qui fournit une position et une altitude très précise : en montagne, on a très souvent plus de 6 satellites, soit une précision de l'ordre de 10 m.
  • il permet de suivre une route (succession de points de passage : exemple voiture => bergerie => col => sommet => refuge) sans tenir compte du cheminement suivi entre les différents points. Il vous indiquera toujours le point suivant dans la bonne direction (en donnant la distance) et ce point atteint, il pointera automatiquement sur le point suivant, et ceci jusqu'à la destination finale, le dernier point de la route. Une route élémentaire constituée d'un seul point réalise la fonction "aller à" au point destination.
  • il permet de suivre un azimut bloqué comme on peut le faire avec une boussole mais sans dérive. Si vous vous écartez de la direction théorique (pour éviter une zone crevassée par exemple), il vous donnera en temps réel l'écart par rapport à cette direction (à droite ou à gauche) et vous ramènera de façon certaine sur la bonne direction sans nécessité de faire des alignements.
  • à tout instant, vous pouvez connaître votre position sur le terrain, donc votre position sur la carte.
  • à tout instant sur le terrain, vous pouvez rentrer dans votre GPS un ou plusieurs points pour les utiliser comme point de passage ou de destination. Ou mieux il est capable d'enregistrer en automatique votre route point par point et la fonction "trackback" vous permet de refaire le trajet inverse en passant exactement aux mêmes endroits. Exemple : avec une météo incertaine, vous faites une randonnée avec des points de passage délicats comme un verrou ou une proximité de barre rocheuse. Arrivés en haut, vous êtes subitement enveloppés d'un épais brouillard et comble de malheur vos traces ont été effacées par le vent. Vous mettez votre GPS en "trackback" et il vous ramènera sans difficulté à votre voiture.
  • autres fonctions annexes possibles : vitesse de marche, distance parcourue, distance à vol d'oiseau jusqu'à la destination, temps estimé avant l'arrivée, heure (avec une précision atomique !), date du jour. Enfin certains modèles intègrent également un altimètre barométrique utile pour la tendance météo (l'altitude GPS est indépendante du facteur météo) et une boussole électronique.

Ainsi, une utilisation intelligente de cet appareil combinée avec la carte et l'ensemble boussole / altimètre offre, quand les conditions deviennent difficiles (mauvais temps, brouillard), une sécurité accrue avec une rapidité de progression incomparable.

Avec les GPS de nouvelles générations, tous les inconvénients des anciens appareils ont disparus :

  • rapidité de recherche de la position : de l'ordre de 15 sec voire moins si vous avez déjà fait le point 1/2 h ou 1 h avant
  • précision de position et d'altitude : depuis la suppression du brouillage en 2000, la précision de l'ordre de 10 à 20 m est une réalité.
  • le poids : un GPS moderne est gros comme un téléphone portable et pèse 150 gr avec les piles
  • la consommation : l'autonomie en fonctionnement permanent est de l'ordre de 15 à 20 heures, mais ceci n'est vraiment pas un problème, car, en général, le GPS est éteint bien au chaud dans votre poche et quand vous en avez vraiment besoin (pour gagner du temps et de la sécurité), en moins d'une minute, vous avez fait le point pour vous corriger ou vous conforter sur la route que vous êtes en train de suivre. D'autre part, il est probable que vous avez les mêmes piles dans votre ARVA ou votre frontale.

Mais certains diront : pourquoi s'encombrer d'un nième appareil électronique à rajouter à l'ARVA, à la radio, au téléphone portable. Où est l'éthique dans tout ça ? Alors là, c'est l'éternel débat des moyens quand on discute de sécurité : il y aura toujours le camp des pour et le camp des contre, de même qu'aujourd'hui, on rencontre encore des randonneurs à ski qui ne veulent pas entendre parler d'ARVA. La technologie est là à notre disposition, et une chose est certaine, un GPS au fond du sac, c'est plus de sécurité et moins de stress quand on sait à quelle vitesse on peut se faire prendre par le mauvais temps en montagne.