Qu'est-ce que le GPS ? Pourquoi en avons-nous besoin? Quelle est la différence entre les différents systèmes de navigation ? Nous parlerons de tout dans cet article.
Actuellement, le GPS nous semble être un objet courant, familier, dont tout le monde a entendu parler et que la plupart d'entre eux utilisent dans leur vie de tous les jours. C'est l'un des outils que nous utilisons dans nos appareils. En même temps, nous ne pensons même pas à comment cela fonctionne, d'où cela vient, combien de temps, d'efforts et d'argent ont dû être investis dans la création de ce système. Aujourd'hui, les récepteurs de signaux GPS ont non seulement navigateurs, téléphones, smartphones, tablettes, voitures, mais aussi bracelets de fitness et montres "intelligentes", leurs données sont utilisées dans l'industrie, le sport amateur et professionnel, le rallye et la course, et bien sûr dans l'industrie militaire. Examinons de plus près les différents systèmes de navigation.
Qu'est-ce que la navigation par satellite ?
La navigation par satellite, ou Global Navigation Satellite System, est un système de satellites qui transmet des données sur le positionnement global et l'heure précise. Les ondes radio de certaines fréquences sont utilisées pour transmettre des informations. Après avoir reçu ces données, le récepteur les calcule et affiche les coordonnées de notre emplacement, c'est-à-dire la longitude, la latitude et l'altitude au-dessus du niveau de la mer.
Outre les systèmes de base (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo), il existe également des systèmes auxiliaires dans l'espace. Il s'agit de systèmes dits de correction par satellite (SBAS), tels que Global Omnistar et StarFire, utilisés dans l'agriculture.
Au-dessus de nous se trouvent également des systèmes de support régionaux tels que WAAS aux États-Unis, EGNOS dans l'UE, MSAC au Japon et GAGAN en Inde, qui s'occupent de l'affinement des données dans des zones plus petites du globe. Tout cela est soutenu par des composants au sol, dont nous parlerons plus tard. Il y a beaucoup de définitions dans le système, mais nous n'entrerons pas dans les détails.
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Types de navigation par satellite
Le GPS n'est pas le seul système de navigation par satellite actuellement disponible. Plusieurs types de satellites volent au-dessus de nos têtes, responsables du géo-positionnement des appareils que nous gardons dans nos poches, portons à nos poignets ou utilisons dans les navigateurs. Pourquoi y a-t-il plusieurs systèmes et pas un seul ? Je suis sûr que cette question a été posée par la plupart des utilisateurs moyens. Le fait est qu'au départ, le système GPS a été créé pour les besoins militaires et que l'armée en a toujours le contrôle. Cela signifie qu'ils contrôlent le positionnement de chacun et partout dans le monde. Bien sûr, beaucoup n'aimaient pas cette position, non seulement des adversaires, mais même des amis. Par conséquent, des acteurs mondiaux sérieux ont décidé de développer leurs systèmes de navigation afin que leur armée en ait le contrôle. Bientôt, des analogues GPS sont apparus dans le monde, se disputant le titre des meilleurs et des plus précis du marché. Pour nous, utilisateurs ordinaires, ce n'est qu'un avantage. Essayons donc de traiter chaque système séparément.
GPS américain
C'est le premier système de navigation que nous utilisons le plus souvent. Lorsque nous pensons à la navigation par satellite, nous utilisons généralement le terme GPS. Le système américain s'appelait à l'origine NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, ou NAVSTAR-GPS en abrégé.
Le GPS est entre les mains de l'armée américaine, ou plutôt de l'US Space Force. Tous les appareils sont vérifiés pour un bon fonctionnement par Space Delta 8, qui est basé à Shriver Air Force Base près de Colorado Springs et fonctionne dans le cadre du siège du GPS.
Les applications civiles ne sont qu'un complément mineur aux applications militaires, pour lesquelles la disposition et la plus grande précision de positionnement sont une priorité. Les utilisateurs civils obtiennent une version quelque peu tronquée, mais c'est toujours assez bon. Nous n'avons pas besoin d'une précision de quelques dizaines de centimètres pour conduire une voiture ou courir, mais une précision de plus en plus grande est nécessaire, par exemple, dans la navigation, la cartographie, dans l'agriculture pour surveiller les champs, dans les entreprises de transport pour suivre les véhicules et dans de nombreux autres domaines. Par conséquent, il n'est pas surprenant que le système GPS change constamment, l'optimisation des satellites est en cours.
Au cours de son utilisation, le système a subi des modifications et est toujours en cours de modernisation. De temps en temps, des satellites dotés de capacités supérieures sont introduits dans le réseau et les anciens qui étaient utilisés auparavant sont détruits au fil du temps. La plupart d'entre eux brûlent dans l'atmosphère et parfois les débris coulent dans l'océan Pacifique.
La pleine disponibilité du système GPS a été atteinte en 1993, lorsque le nombre requis de satellites a été mis en orbite. Mais en 1983, l'administration de Ronald Reagan a approuvé un permis pour l'utilisation civile du système. Cela s'est produit après que l'URSS a abattu un avion civil coréen qui a violé par erreur l'espace aérien soviétique. Cependant, initialement, la précision du système pour la population civile était limitée à 100 mètres. Mais même cela suffisait à l'époque pour éviter de nouvelles catastrophes.
Le fonctionnement du système GPS depuis l'espace est en outre pris en charge par les satellites WAAS (Wide Area Augmentation System), qui fournissent la correction de données nécessaire pour augmenter la précision du système. Ils sont situés en Amérique du Nord (et en partie en Amérique du Sud) et sont sous la tutelle de la FAA (Federal Aviation Administration). Le WAAS est destiné à prendre en charge les applications civiles de navigation par satellite.
GLONASS russe
GLONASS est l'abréviation de Global Navigation Satellite System, qui fonctionne de la même manière que le GPS américain. GLONASS se compose de 24 satellites actifs situés à environ 19 100 kilomètres au-dessus de la terre, et l'orbite du satellite prend 11 heures et 15 minutes. Les tests du système ont commencé en 1982, c'est-à-dire de retour en URSS. Il a vraiment été créé en réponse aux développements américains, mieux connus dans notre pays sous le nom de "Star Wars". L'Union soviétique ne voulait rien céder aux États-Unis, mais "la perestroïka, la glasnost, l'accélération" ont fait leur travail. Les travaux ont été pour la plupart interrompus par manque de fonds. Bien que, comme il s'est avéré plus tard, tout n'était pas fermé. Ce fut vraiment une surprise pour les Américains lorsqu'en 1993, il fut officiellement annoncé que le système GLONASS était prêt à fonctionner. En 1995, les Russes ont réussi à mettre en orbite toute une constellation de 24 satellites.
Mais tout n'allait pas si bien depuis le début. L'ère Eltsine des années 2002 a également affecté les programmes spatiaux. Il n'y avait pas de financement, personne ne s'intéressait à l'espace et à la navigation par satellite. En conséquence, en 7, seuls 2002 satellites étaient encore opérationnels. Cependant, les Russes se sont mis au travail et, dans le cadre du programme de relance 2011-XNUMX, ont mis en service les satellites améliorés GLONASS-K, ainsi que les systèmes de contrôle au sol modernes qui les accompagnent.
Lors de la prochaine étape de modernisation, en 2012-2020, l'attention principale a été accordée à l'amélioration des propriétés du PNT (positionnement, navigation et synchronisation) afin d'accroître la sécurité de l'État et les capacités de ses systèmes de défense et civils. Des travaux sont actuellement en cours sur la prochaine génération de satellites, connue sous le nom de GLONASS-K2.
Beidou chinois
La Chine a commencé à développer un système de navigation par satellite à la fin du XXe siècle. En 2000, ils ont réussi à clôturer la première étape de développement de BDS-1, mieux connu sous le nom de système de navigation par satellite BeiDou-1. Dans le cadre de ce projet, la Chine et les pays étrangers les plus proches ont été équipés de systèmes de positionnement. L'étape suivante était BDS-2 avec un réseau satellite assurant une couverture dans la région Asie-Pacifique. En 2020, dans le cadre du projet BDS-3, le système BeiDou est devenu opérationnel dans le monde entier.
Actuellement, il y a 35 satellites en orbite, et au total, le programme a déjà effectué 59 lancements avec des charges utiles qui ont mis en orbite les prochaines générations du système BeiDou. Selon les autorités chinoises, plus de 400 agences et 300 000 scientifiques et techniciens ont participé à la création du programme BDS-3. Pour prendre en charge la dernière constellation de satellites, plus de 40 stations au sol ont été créées pour surveiller le bon fonctionnement du système. La disponibilité mondiale du système est estimée à 99%, et pour la région clé de l'Asie-Pacifique, elle est encore plus élevée, c'est-à-dire qu'elle y fonctionne presque parfaitement. De plus, les Chinois ont fait beaucoup d'efforts pour améliorer la précision du système.
BeiDou permet également des messages texte courts jusqu'à 14 000 bits (1000 XNUMX caractères chinois). Cette valeur peut également inclure des photographies ou des enregistrements sonores.
Comme avec d'autres développements dans les systèmes de navigation par satellite, les utilisateurs locaux paient pour le service, mais les résultats sont vraiment impressionnants.
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Galilée européen
Quel est le plus grand avantage du système Galileo ? Contrairement au GPS et au GLONASS, il reste entre des mains civiles et n'appartient à aucun gouvernement particulier, comme c'est le cas dans la Chine communiste. Le système a été construit uniquement en pensant au marché civil et, par conséquent, les besoins de la population influencent finalement son développement. Certes, Galileo est une bouffée d'air frais parmi les systèmes de positionnement militarisés. Jusqu'à présent, le programme Galileo a réalisé 28 lancements et mis 30 satellites en orbite. Actuellement, le système utilise une constellation complète de satellites, mais tous les appareils ne sont pas toujours disponibles, et certains d'entre eux attendent encore leur tour dans les entrepôts.
Le segment de l'assistance en escale est situé dans deux centres - Oberpfaffenhofen en Allemagne et Fucino en Italie. De plus, le système comprend un réseau mondial de capteurs de surveillance, de stations de mesure et de transmission de données.
Du fait que les orbites de tous ces systèmes sont de plus en plus saturées, les satellites Galileo sont situés un peu plus haut, à une altitude de 23 222 kilomètres (le plus bas est GLONASS, puis GPS, le chinois BeiDou et au sommet de la pyramide Galileo ). Il faut environ 14 heures pour que chaque satellite soit complètement en orbite autour de la Terre. Pour la plupart des endroits sur terre, 6 à 8 satellites Galileo sont disponibles à tout moment, ce qui signifie une très grande précision, qui dans la plupart des situations est mesurée en centimètres plutôt qu'en mètres.
Galileo est compatible avec le système GPS, ce qui améliore encore la précision des mesures, et son fonctionnement est également pris en charge par le système EGNOS (European Geostationary Navigation Service), composé de composants au sol et de satellites chargés d'améliorer le fonctionnement et la précision des systèmes de navigation par satellite .
MICHIBIKI japonais (Michibiki)
Pour assurer la précision de la navigation sur son propre territoire, le Japon a créé une petite constellation de satellites appelée Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) ou Michibiki. Dans les zones montagneuses ou fortement urbanisées, le GPS seul est souvent insuffisant en raison d'un trop grand nombre d'obstacles. 4 satellites en opération depuis novembre 2018 éliminent ce problème. Trois d'entre eux se trouvent encore dans la région Asie et Océanie. En 2024, il est prévu d'atteindre une constellation de satellites composée de 7 unités. Cela améliorera encore l'efficacité globale du système et le rendra indépendant du GPS. Ainsi, le Japon assurera une pleine autonomie sur son territoire.
Malgré sa petite taille par rapport aux autres systèmes, QZSS répond à toutes les attentes de la population japonaise et prend en charge en outre la navigation dans tous les pays situés sur les méridiens traversant le territoire japonais.
En outre, le Japon dispose également d'un système d'assistance de précision GPS/Michibiki appelé MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Il se compose de 2 satellites, qui, entre autres, fournissent des données météorologiques.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) est l'analogue indien du GPS, également appelé Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS). Le système, après avoir atteint toutes ses capacités, sera similaire dans son fonctionnement au système japonais. Actuellement, il y a 7 satellites en orbite qui assurent le positionnement en Inde et à une distance allant jusqu'à 1500 XNUMX kilomètres des frontières du pays. Le système ne dépend pas du GPS.
NavIC est pris en charge par GAGAN (Système de navigation augmentée géosynchrone avec GPS), qui se compose de trois satellites supplémentaires et d'une infrastructure au sol. Avec la mise en service, l'écart entre les systèmes EGNOS et MSAS a été comblé, améliorant encore le niveau de sécurité de l'aviation civile.
Systèmes d'aide mondiaux
Tout en décrivant les systèmes individuels, nous avons également mentionné les systèmes de soutien régionaux. Cependant, l'exploitation de la navigation par satellite au-delà des frontières régionales peut également prendre en charge les systèmes d'assistance mondiaux. Actuellement, deux d'entre eux peuvent être distingués. Ce sont Omnistar et StarFire. Tous deux prennent en charge la navigation par satellite, qui est principalement utilisée pour les besoins de l'agriculture de précision moderne. Leur utilisation nécessite des récepteurs spéciaux, grâce auxquels l'agriculteur, se déplaçant dans ses champs, peut travailler avec une précision allant jusqu'à 5 à 10 centimètres (les systèmes de support d'enregistrement donnent une précision de 1 à 2 centimètres). Un tel positionnement précis est fourni en tant que service et nécessite des frais supplémentaires payés directement pour la livraison des données du système.
Le service est basé sur le système de positionnement global différentiel (DGPS) et se résume à l'utilisation d'un récepteur de base situé à un emplacement spécifié. Le récepteur sur la voiture, en plus du signal satellite, reçoit également des corrections du récepteur de base fixe.
Omnistar est une société indépendante et ses émetteurs peuvent être achetés pour une variété de machines, tandis que le système StarFire provient du fabricant d'équipements agricoles John Deere, qui propose des systèmes intégrés ou externes d'une précision de ± 3 cm et fonctionnant avec GPS et GLONASS.
Comment fonctionne le GPS ?
Dans cette section, nous décrirons le fonctionnement du GPS en utilisant l'original, c'est-à-dire la version américaine, car nous disposons actuellement des données les plus disponibles à ce sujet. D'autres fonctionnent de la même manière.
Constellation de satellites GPS
Un réseau assez dense de satellites est nécessaire pour un bon fonctionnement dans le monde entier. Dans le cas d'une constellation de 24 satellites, nous pouvons être sûrs qu'à tout moment et en tout point de la Terre nous sommes à portée de quatre d'entre eux. Les Américains ont généralement promis qu'au moins 24 seraient disponibles 95% du temps. Actuellement, le système est soutenu par 31 satellites. La terre est divisée en 6 zones égales traversées par les satellites, et chacune d'elles a 4 champs à couvrir.
En juin 2011, une modification appelée Expendable 24 a été lancée. Trois des 24 satellites, et donc les champs qu'ils contrôlent, ont été boostés par un satellite supplémentaire afin d'obtenir une acquisition de signal plus rapide et une meilleure précision dans des conditions de terrain difficiles. Il y a également eu quelques changements pour rendre l'ensemble du réseau de 27 satellites aussi efficace que possible.
Les satellites GPS se déplacent sur une orbite MEO (Mean Earth Orbit) prévisible à une altitude d'environ 20 200 km, vous savez donc toujours où ils se trouvent. De plus, leur position est vérifiée à l'aide de radiotélescopes. Le réseau de contrôle au sol se compose d'un centre de contrôle principal, d'un centre de contrôle de secours, de 11 antennes de commande et de contrôle et de 16 stations d'observation, de sorte que la position des satellites est toujours connue. Une rotation de chaque satellite autour de la Terre prend 12 heures.
Comment tout cela fonctionne-t-il concrètement ?
Un satellite en orbite transmet en permanence des signaux radio qui sont captés par nos équipements dotés des récepteurs appropriés. Chaque satellite signale sa position et son heure de transmission. Connaissant en outre la vitesse de propagation des ondes radio, nous pouvons calculer la distance de ce satellite. Si nous recevons des données supplémentaires de trois autres satellites et téléchargeons les données de quatre à la fois, l'appareil calculera notre position à l'intersection des données provenant de tous les satellites.
Pour que les choses fonctionnent de manière fluide et précise, nous avons toujours besoin de mesures précises du temps d'envoi du signal. Comment cela a-t-il été réalisé ? Chacun des satellites porte une horloge atomique - le chronomètre le plus précis jamais inventé par l'homme. Quelle est la précision d'une telle montre ? Le temps est mesuré au millionième de seconde près !
L'appareil récepteur utilise toutes ces données pour calculer efficacement notre position. Mais l'ensemble du système doit également prendre en compte des questions telles que la théorie restreinte de la relativité, qui a été écrite par un homme largement connu sous le nom d'Albert Einstein. Plus l'objet est éloigné de la source de gravité, plus le temps passe vite dessus, il faut donc recalculer sur chaque satellite. Bref, tout est assez compliqué, mais heureusement, nous utilisons ce système depuis des années et nous avons constaté qu'il fonctionne, et il fonctionne plutôt bien.
Bien entendu, le fonctionnement normal du système nécessite la participation d'un personnel hautement qualifié, dont le niveau de formation peut être comparé à celui des centres de contrôle des vols spatiaux.
GPS : des milliards en coûts de programme
Après sa mise en orbite, le satellite n'y fonctionnera pas indéfiniment. Les anciennes versions ont un cycle de vie de 7,5 ans, les nouvelles versions de 12 ans et le dernier système GPS III/IIIF devrait rester en orbite pendant 15 ans (données pour la version américaine du système). Passé ce délai, l'appareil doit être remplacé, donc un nouvel échantillon doit être construit dans des conditions stériles, et alors seulement cette œuvre d'art peut entrer en orbite.
En plus des équipements dans l'espace, il existe également des équipements de surveillance au sol et du personnel hautement qualifié chargé de contrôler le système. Les travaux d'amélioration de la composante au sol sont également en cours, l'accent étant désormais mis sur le nouveau système de contrôle opérationnel (OCX) de nouvelle génération et les sous-systèmes associés. Les changements sont introduits progressivement, afin de ne pas perturber le fonctionnement de l'ensemble du système GPS.
Environ 1,7 milliard de dollars (exercice 2020) sont dépensés pour soutenir l'ensemble du système. Pour l'exercice 2021, les développeurs ont demandé au Congrès américain 1,8 milliard de dollars pour les coûts de maintenance du système GPS. Par conséquent, avec de telles sommes, seuls les plus grands pays peuvent se permettre de maintenir un système autonome, et les autres doivent utiliser ceux qui existent déjà. Pour montrer à quel point le coût du programme augmente, on peut seulement dire qu'en 2012 il était de 750 millions de dollars (on ne tient même pas compte de l'inflation, de la méthodologie de calcul et de son niveau ici).
Est-il facile de bloquer le GPS ?
Les beaux jours du système GPS dans les forces armées sont lentement oubliés. L'atténuation et le brouillage des signaux satellites deviennent de plus en plus courants et, par conséquent, les armes de précision basées uniquement sur des données spatiales ne sont plus aussi efficaces qu'elles l'étaient autrefois. Le problème affecte non seulement les armes elles-mêmes, mais également les avions, les navires, les véhicules terrestres et tout autre appareil équipé d'un récepteur GPS.
Nous avons vu plus d'une fois des exemples de blocage du signal GPS dans des points "chauds" sur Terre. Il est arrivé que d'énormes navires dans le port ou naviguant, par exemple dans la mer Noire, disparaissent soudainement des cartes et apparaissent à 30 kilomètres de là, et cela est lié aux actions des Russes dans cette région. Poursuivant sur ce sujet, il faut dire que des mesures similaires sont souvent prises en Syrie pour assurer le fonctionnement des bases russes dans la région. Même Israël souffre de ce genre d'interférences, où le GPS fonctionne parfois moins bien, et c'est un problème sérieux, par exemple pour le trafic aérien civil.
Interférer avec un signal GPS n'est pas particulièrement difficile. Un émetteur radio de la puissance et de la fréquence appropriées placé près d'une cible protégée empêche les récepteurs GPS de recevoir les données correctes. Les fabricants de satellites tentent de lutter contre cela en développant des signaux toujours plus résistants aux interférences, qui sont équipés des dernières versions de l'équipement. Cependant, c'est un jeu du chat et de la souris, et l'avantage est du côté des destroyers. Ils peuvent réagir plus rapidement aux changements avec des coûts réduits et des capacités accrues. Après tout, les satellites ne changent pas en une semaine.
En plus des fins insidieuses, les méthodes de blocage GPS sont également utilisées pour protéger les chefs d'État. Il n'est pas surprenant que les Russes soient particulièrement friands de tels outils. Cela est particulièrement vrai des mouvements de Poutine, qu'ils s'efforcent tellement de cacher que dans la région où il se trouve, tous les systèmes de navigation peuvent ne pas fonctionner du tout pendant un certain temps. Les Russes protègent au maximum l'itinéraire de voyage de leur président, alors en bloquant les systèmes de navigation, ils tentent, au moins partiellement, d'exclure une attaque de drone.
Malgré les problèmes et les lacunes mentionnés ci-dessus, il ne faut pas s'attendre à ce que les militaires abandonnent le système GPS. Au contraire, la lutte contre les systèmes de brouillage sera intensifiée et des systèmes supplémentaires seront ajoutés aux équipements et aux armes qui empêcheront le brouillage du signal GPS.
La navigation inertielle continuera de s'améliorer et les armes de précision auront toujours en réserve une autre méthode de visée tout aussi efficace. Actuellement, un travail intensif est en cours sur de telles solutions. On parle de navigation par images, d'astronavigation (remontée dans le temps ?) et de navigation par anomalies magnétiques. Haute technologie! Par conséquent, nous avons encore beaucoup de choses intéressantes qui nous attendent.
Navigation par satellite à des fins civiles
Mais l'utilisateur moyen n'est pas très intéressé par ce que l'armée a là-bas. Nous voulons que le GPS nous aide à localiser notre emplacement afin que navigateur correctement aménagé l'itinéraire d'une randonnée en montagne ou d'une course matinale ou lors d'un voyage en voiture. Maintenant, il est difficile d'imaginer la vie d'une personne moderne sans ces commodités.
En principe, nous pouvons dire que même si nous n'utilisons pas directement le GPS, c'est-à-dire que nous n'allumons pas nous-mêmes le récepteur, nous pouvons toujours l'utiliser. Le système fonctionne de manière indépendante, il est devenu une partie familière, pratique et nécessaire de notre vie.
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