Système de positionnement global (Global Positioning System)

Le système de positionnement global (GPS) constitue un système de navigation hyperbolique par satellite, appartenant à la force spatiale des États-Unis et géré par la mission Delta 31. En tant que composant du système mondial de navigation par satellite (GNSS), il fournit des données de géolocalisation et de synchronisation précises à tout récepteur GPS compatible situé sur ou à proximité de la Terre, sous réserve d'une qualité de signal adéquate. Le système fonctionne de manière autonome, ne nécessitant aucune transmission de données de la part de l'utilisateur et fonctionnant indépendamment de la connectivité téléphonique ou Internet ; cependant, ces technologies externes peuvent augmenter l'utilité des informations de positionnement GPS. Il fournit des fonctionnalités de positionnement essentielles pour les applications militaires, civiles et commerciales à l'échelle mondiale. Malgré sa création, son contrôle et sa maintenance par le gouvernement des États-Unis, le GPS reste universellement accessible à toute personne possédant un récepteur GPS.

Le Système de positionnement global (GPS) est un système de navigation hyperbolique par satellite appartenant à la Force spatiale des États-Unis et exploité par la Mission Delta 31. Il s'agit de l'un des systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) qui fournit des informations de géolocalisation et de temps à un récepteur GPS n'importe où sur ou à proximité de la Terre, là où la qualité du signal le permet. Il n'exige pas que l'utilisateur transmette des données et fonctionne indépendamment de toute réception téléphonique ou Internet, bien que ces technologies puissent améliorer l'utilité des informations de positionnement GPS. Il fournit des capacités de positionnement critiques aux utilisateurs militaires, civils et commerciaux du monde entier. Bien que le gouvernement des États-Unis ait créé, contrôle et entretient le GPS, il est librement accessible à toute personne possédant un récepteur GPS.

Vue d'ensemble

L'initiative GPS a débuté sous l'égide du Département américain de la Défense en 1973. Un prototype de vaisseau spatial a été lancé en 1978, ce qui a permis à la constellation de 24 satellites d'être pleinement opérationnelle en 1993. Après l'écrasement du vol 007 de Korean Air Lines, qui était entré par inadvertance dans l'espace aérien soviétique, le président Ronald Reagan a rendu obligatoire la disponibilité du système GPS pour des applications civiles à partir de 1988. Cependant, au départ, ce système civil l'accès a été limité à une précision moyenne de 100 mètres (330 pieds) grâce à la mise en œuvre de la disponibilité sélective (SA), une erreur délibérée introduite intentionnellement dans les données GPS, que les récepteurs militaires étaient capables de corriger.

Avec l'expansion de l'utilisation civile du GPS, les demandes pour l'élimination de cette erreur intentionnelle se sont intensifiées. Pendant la guerre du Golfe, le système SA a été temporairement désactivé en raison d'une pénurie d'unités GPS militaires, obligeant de nombreux soldats américains à s'appuyer sur des appareils GPS civils fournis par des sources personnelles. Tout au long des années 1990, des systèmes GPS différentiels, exploités par des entités telles que la Garde côtière américaine, la Federal Aviation Administration et des agences internationales analogues, ont commencé à diffuser des corrections GPS localisées. Ces corrections ont atténué l'impact de la dégradation du SA et des perturbations atmosphériques, que les récepteurs militaires étaient également conçus pour compenser. Parallèlement, l’armée américaine avait développé des capacités de brouillage localisé du GPS, rendant ainsi superflue la dégradation globale du système. Par conséquent, le 1er mai 2000, le président des États-Unis, Bill Clinton, a promulgué une loi rendant obligatoire la désactivation permanente de la disponibilité sélective. De plus, en 2007, le gouvernement américain a déclaré que les générations ultérieures de satellites GPS n'intégreraient plus cette fonctionnalité.

Les progrès technologiques et l'évolution des exigences relatives au système existant ont incité à des initiatives visant à moderniser le GPS. Ces efforts comprennent le déploiement de la prochaine génération de satellites GPS Block III et du système de contrôle opérationnel de nouvelle génération (OCX), tous deux autorisés par le Congrès américain en 2000. Après l'arrêt de la disponibilité sélective, le GPS offrait une précision d'environ 5 mètres (16 pieds). Les récepteurs GPS utilisant la bande L5 atteignent une précision considérablement améliorée, atteignant 30 centimètres (12 pouces). Pour les applications de haute précision, telles que l'ingénierie et l'arpentage, les récepteurs peuvent atteindre une précision inférieure à 2 cm (3⁄4 po) et, avec des mesures à long terme, peuvent même fournir une précision inférieure au millimètre. À l'inverse, les appareils grand public tels que les smartphones peuvent atteindre une précision de 4,9 m (16 pieds) ou supérieure lorsqu'ils sont intégrés à des services d'assistance tels que le positionnement Wi-Fi.

En juillet 2023, dix-huit satellites GPS transmettent des signaux L5. Ces signaux sont actuellement désignés comme pré-opérationnels, prévoyant une capacité de diffusion complète à partir d'une constellation complète de 24 satellites d'ici 2027.

Historique

Le projet GPS est né aux États-Unis en 1973, conçu pour répondre aux limitations inhérentes aux systèmes de navigation précédents. Son développement a intégré des concepts dérivés de divers prédécesseurs, notamment des études de conception technique classifiées menées dans les années 1960. Le ministère américain de la Défense a développé ce système, initialement composé de 24 satellites, pour des applications militaires et est devenu pleinement opérationnel en 1993. L'accès civil a été autorisé à partir des années 1980. Roger L. Easton du Laboratoire de recherche navale, Ivan A. Getting de The Aerospace Corporation et Bradford Parkinson du Laboratoire de physique appliquée sont reconnus pour leurs contributions à son invention. En outre, le travail de Gladys West, associé à la branche des sciences balistiques du Dahlgren Naval Proving Ground, sur la formulation du modèle géodésique mathématique de la Terre, est reconnu comme essentiel dans l'avancement des méthodologies informatiques permettant de déterminer avec précision les positions des satellites, une condition préalable à la fonctionnalité GPS.

La conception du GPS dérive en partie de systèmes de radionavigation au sol similaires, notamment LORAN et le système Decca Navigator, apparus au début des années 1940. En 1955, Friedwardt Winterberg a proposé une méthode pour tester la relativité générale en détectant la dilatation gravitationnelle du temps, en utilisant des horloges atomiques précises à bord de satellites artificiels. La relativité restreinte et générale postulait que les horloges atomiques des satellites GPS semblent fonctionner 38 microsecondes plus rapidement par jour lorsqu'elles sont observées depuis la Terre. Le système GPS intègre des corrections pour cet effet relativiste ; dans le cas contraire, des erreurs de position s'accumuleraient à un rythme pouvant atteindre 10 kilomètres (6 miles) par jour.

Prédécesseurs

Après le lancement en 1957 de Spoutnik 1, le premier satellite artificiel de l'Union soviétique, les physiciens américains William Guier et George Weiffenbach, affiliés au Laboratoire de physique appliquée (APL) de l'Université Johns Hopkins, ont commencé à surveiller ses transmissions radio. En quelques heures, ils ont reconnu que l'effet Doppler leur permettait de déterminer avec précision la position orbitale du satellite. Le directeur de l'APL leur a ensuite accordé l'accès à l'ordinateur UNIVAC I pour les nombreuses tâches de calcul impliquées.

L'année suivante, Frank McClure, directeur adjoint de l'APL, chargea Guier et Weiffenbach d'explorer le problème inverse : déterminer la position d'un utilisateur en fonction de l'emplacement connu du satellite. Cette enquête a été motivée par le développement simultané par la marine américaine du missile Polaris lancé par un sous-marin, qui nécessitait un positionnement précis du sous-marin. Leur travail, parallèlement aux efforts de l'APL, a abouti au développement du système TRANSIT. En 1959, l'ARPA (rebaptisée plus tard DARPA en 1972) a également contribué au projet TRANSIT.

Le système TRANSIT a subi ses premiers tests avec succès en 1960. Fonctionnant avec une constellation de cinq satellites, il offrait des repères de navigation environ toutes les heures. Par la suite, en 1967, la marine américaine a développé le satellite Timation, démontrant la viabilité du déploiement d'horloges précises dans l'espace, une condition technologique essentielle pour le GPS.

Au cours des années 1970, le système de navigation au sol OMEGA, qui reposait sur la comparaison de phase des signaux transmis par des paires de stations, est devenu le premier système de radionavigation mondial au monde. Cependant, les limitations inhérentes à ces systèmes existants ont souligné la nécessité d'une solution de navigation plus universellement applicable et très précise.

Malgré les exigences considérables en matière de navigation précise dans les domaines militaire et civil, peu de ces besoins ont été jugés suffisants à eux seuls pour justifier l'investissement de plusieurs milliards de dollars requis pour la recherche, le développement, le déploiement et l'exploitation d'une constellation de navigation par satellite. Cependant, dans le contexte de la course aux armements de la guerre froide, la menace nucléaire existentielle qui pèse sur les États-Unis constitue la seule justification d’une telle dépense, telle que le perçoit le Congrès américain. Cet impératif de dissuasion a directement sous-tendu le financement du GPS. De plus, cela expliquait le secret extrême entourant le projet à cette époque. La triade nucléaire comprenait les missiles balistiques lancés par des sous-marins (SLBM) de la marine américaine, complétés par les bombardiers stratégiques de l'armée de l'air américaine (USAF) et les missiles balistiques intercontinentaux (ICBM). La détermination précise des positions de lancement des SLBM était considérée comme un multiplicateur de force critique, essentiel au maintien de la posture de dissuasion nucléaire.

Une navigation précise était cruciale pour que les sous-marins lance-missiles balistiques américains puissent déterminer avec précision leurs positions avant de lancer les SLBM. L’USAF, responsable des deux tiers de la triade nucléaire, avait également besoin d’un système de navigation plus précis et plus fiable. La marine américaine et l’armée de l’air américaine développaient de manière indépendante des technologies pour relever ce qui était fondamentalement le même défi de navigation. En outre, pour améliorer la capacité de survie des ICBM, des propositions ont émergé pour des plates-formes de lancement mobiles (semblables aux SS-24 et SS-25 soviétiques), créant une exigence de détermination précise de la position de lancement analogue à celle des SLBM.

En 1960, l'Air Force a introduit un système de radionavigation appelé MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), qui fonctionnait comme un système LORAN tridimensionnel. Une enquête ultérieure, le Projet 57, menée en 1963, est considérée comme le point d'origine du concept GPS. Plus tard cette année-là, le concept a évolué vers le projet 621B, qui incorporait de nombreuses fonctionnalités désormais présentes dans le GPS et visait à améliorer la précision des bombardiers de l'US Air Force et des ICBM.

Le système TRANSIT de la Marine fournissait des mises à jour insuffisantes pour répondre aux besoins opérationnels rapides de l'Armée de l'Air. Parallèlement, le Laboratoire de Recherche Naval (NRL) a fait progresser son programme de satellites de synchronisation (navigation temporelle), en lançant son premier satellite en 1967, suivi d'un deuxième en 1969, d'un troisième en 1974 (qui a mis en orbite la première horloge atomique) et d'un quatrième en 1977.

Une branche distincte de l'armée américaine a fourni un autre précurseur important au GPS. En 1964, l’armée américaine a déployé son premier satellite SECOR (Sequential Collation of Range), conçu pour les levés géodésiques. L'architecture SECOR comprenait trois émetteurs au sol situés à des coordonnées établies, qui transmettaient des signaux à un transpondeur satellite en orbite. Une quatrième station au sol, dont la position était inconnue, pourrait alors exploiter ces signaux pour déterminer avec précision sa propre position. Le dernier satellite SECOR a été lancé en 1969.

Développement

Les progrès technologiques simultanés au cours des années 1960 ont conduit à la reconnaissance qu'un système avancé pouvait être créé en intégrant les technologies les plus efficaces de programmes tels que 621B, Transit, Timation et SECOR dans une initiative multiservice. Il était crucial de remédier aux erreurs de position orbitale des satellites, dues à des facteurs tels que les variations du champ gravitationnel et la réfraction radar. De 1970 à 1973, une équipe dirigée par Harold L. Jury de la Pan Am Aerospace Division en Floride a utilisé des techniques d'assimilation de données en temps réel et d'estimation récursive pour atténuer ces problèmes, réduisant ainsi les erreurs systématiques et résiduelles à un niveau propice à une navigation précise.

En 1973, pendant le week-end de la Fête du Travail, environ douze officiers militaires se sont réunis au Pentagone pour délibérer sur la création d'un Système de navigation par satellite de défense (DNSS). Cette réunion s'est avérée cruciale, car elle a facilité la synthèse fondamentale qui a finalement abouti au GPS. Plus tard cette année-là, le programme DNSS a été officiellement désigné Navstar. Bien que Navstar soit fréquemment, mais incorrectement, interprété comme un acronyme pour « Système de navigation utilisant le timing et la distance », le bureau du programme conjoint GPS n'a jamais adopté cette interprétation (bien que TRW aurait pu la proposer auparavant pour un système de navigation distinct). Pour distinguer l'ensemble de la constellation de satellites Navstar des unités individuelles, qui partageaient des noms avec leurs prédécesseurs comme Transit et Timation, l'appellation plus complète Navstar-GPS a été adoptée. Entre 1978 et 1985, dix prototypes de satellites « Bloc I » ont été lancés, une unité supplémentaire ayant été perdue en raison d'un échec de lancement.

Des recherches sur l'impact de l'ionosphère sur la transmission radio ont été menées dans un laboratoire de géophysique au sein de l'Air Force Cambridge Research Laboratory, qui a ensuite été rebaptisé Air Force Geophysical Research Lab (AFGRL) en 1974. L'AFGRL était responsable du développement du modèle Klobuchar, conçu pour calculer corrections ionosphériques pour le positionnement GPS. Notamment, la scientifique spatiale australienne Elizabeth Essex-Cohen a contribué à cet effort à l'AFGRL en 1974, en se concentrant sur la réfraction atmosphérique, ou la courbure, des trajets des ondes radio lorsqu'elles se propagent dans l'ionosphère à partir des satellites Navstar.

Après l'écrasement du vol 007 de Korean Air Lines, un Boeing 747 avec 269 occupants, par un avion intercepteur soviétique près de Sakhaline et des îles Moneron en raison de problèmes de navigation. erreurs qui l'ont conduit dans un espace aérien interdit, le président Ronald Reagan a publié une directive. Cette directive exigeait que le GPS, une fois développé de manière adéquate, soit rendu librement accessible pour des applications civiles en tant qu'utilité publique. Le premier satellite Bloc II a été lancé le 14 février 1989, suivi du vingt-quatrième satellite en 1994. À ce stade, le coût estimé du programme GPS, englobant les dépenses de lancement du satellite mais excluant les coûts d'équipement des utilisateurs, s'élevait à 5 milliards de dollars américains (l'équivalent de 11 milliards de dollars en 2025).

Au départ, le signal GPS de qualité supérieure était exclusivement réservé aux applications militaires, tandis que le signal civil était délibérément dégradé. via une politique appelée Disponibilité Sélective. Cette pratique a pris fin le 1er mai 2000, lorsque le président américain Bill Clinton a autorisé une directive politique visant à désactiver la disponibilité sélective, accordant ainsi aux civils le même niveau de précision auparavant réservé aux militaires. Cette directive a été préconisée par le secrétaire américain à la Défense, William Perry, qui a souligné le développement florissant par le secteur privé de services GPS différentiels visant à améliorer la précision civile. En outre, l’armée américaine développait simultanément ses capacités pour refuser le service GPS à des adversaires potentiels au niveau régional. La disponibilité sélective a ensuite été éliminée de l'architecture GPS, à partir de la génération GPS-III.

Après son déploiement initial, les États-Unis ont apporté plusieurs améliorations au service GPS, notamment de nouveaux signaux destinés à un usage civil et une précision et une intégrité améliorées pour tous les utilisateurs, tout en garantissant une rétrocompatibilité avec les équipements GPS existants. La modernisation du système satellitaire est une initiative continue menée par le département américain de la Défense à travers une série d'acquisitions de satellites, conçues pour répondre aux besoins changeants des secteurs militaire, civil et commercial. Début 2015, les récepteurs GPS SPS (Standard Positioning Service) de haute qualité atteignaient une précision horizontale supérieure à 3,5 mètres (11 pieds), bien que divers facteurs, notamment les spécifications du récepteur et de l'antenne et les conditions atmosphériques, puissent influencer cette précision.

Le GPS, un bien national, est détenu et exploité par le gouvernement des États-Unis, le ministère de la Défense en étant le principal responsable. Le Conseil exécutif interagences du GPS (IGEB) était responsable de la surveillance de la politique relative au GPS de 1996 à 2004. Par la suite, le Comité exécutif national de positionnement, de navigation et de synchronisation par satellite a été formé par directive présidentielle en 2004 pour fournir des conseils et une coordination entre les ministères et agences fédéraux concernant le GPS et les systèmes associés. Ce comité exécutif est coprésidé par les secrétaires adjoints à la Défense et aux Transports. Les membres comprennent des fonctionnaires de haut niveau des départements d'État, du commerce et de la sécurité intérieure, des chefs d'état-major interarmées et de la NASA. Des représentants du bureau exécutif du président y assistent en tant qu'observateurs, le président de la FCC faisant office d'agent de liaison.

Le département américain de la Défense est légalement mandaté pour « maintenir un service de positionnement standard (tel que défini dans le plan fédéral de radionavigation et dans la spécification du signal du service de positionnement standard) qui sera disponible sur une base continue et mondiale ». De plus, il doit « élaborer des mesures pour empêcher l'utilisation hostile du GPS et de ses augmentations sans perturber ou dégrader indûment les utilisations civiles ».

Chronologie de développement et modernisation

• En 1972, l'installation centrale d'essais de guidage inertiel de l'US Air Force (base aérienne de Holloman) a effectué des essais en vol de développement impliquant quatre prototypes de récepteurs GPS configurés en Y au-dessus de la portée de missiles de White Sands, en utilisant des pseudo-satellites au sol pour la simulation des signaux.
• En 1978, le premier satellite expérimental GPS Block-I a été lancé.
• En 1983, à la suite de l'incident au cours duquel un avion intercepteur soviétique a abattu l'avion de ligne civil KAL 007, qui était entré dans un espace aérien interdit en raison d'erreurs de navigation, entraînant 269 morts, le président américain Ronald Reagan a déclaré que le GPS serait accessible aux applications civiles une fois son achèvement terminé. Cette annonce fait cependant suite à des informations publiques antérieures, remontant à 1979, concernant la disponibilité du code Coarse/Acquisition (C/A) pour un usage civil.
• En 1985, dix satellites expérimentaux supplémentaires du bloc I ont été lancés pour valider davantage le concept du système.
• À partir de 1988, les responsabilités de commandement et de contrôle de ces satellites ont été transférées d'Onizuka AFS, en Californie, au 2e Escadron de contrôle des satellites (2SCS) de la base spatiale Schriever à Colorado Springs, Colorado.
• Le premier satellite moderne Block-II a été lancé le 14 février 1989.
• La guerre du Golfe (1990-1991) a marqué le premier conflit au cours duquel le GPS a connu un déploiement militaire généralisé.
• En 1991, la DARPA a conclu avec succès un projet visant à développer des récepteurs GPS miniatures, conduisant au remplacement des anciennes unités militaires de 16 kg (35 lb) par des récepteurs GPS portables entièrement numériques de 1,25 kg (2,8 lb).
• Le fabricant néerlandais de systèmes de navigation par satellite TomTom a été créé en 1991.
• En 1992, la 2e Escadre spatiale, initialement responsable de la gestion du système, a été inactivée et remplacée par la 50e Escadre spatiale.
• En décembre 1993, le GPS a atteint sa capacité opérationnelle initiale (IOC), avec une constellation complète de 24 satellites fournissant le service de positionnement standard (SPS).
• L'Air Force Space Command (AFSPC) a déclaré sa pleine capacité opérationnelle (FOC) en avril 1995, indiquant la disponibilité totale du service de positionnement précis (PPS) sécurisé de l'armée.
• En 1996, reconnaissant l'importance du GPS pour les applications civiles et militaires, le président américain Bill Clinton a publié une directive politique. Cette directive désignait le GPS comme un système à double usage et établissait un conseil exécutif interinstitutionnel du GPS pour superviser sa gestion en tant que bien national.
• En 1998, le vice-président américain Al Gore a dévoilé des initiatives visant à améliorer les capacités du GPS en intégrant deux nouveaux signaux civils, visant à améliorer la précision et la fiabilité des utilisateurs, en particulier pour la sécurité aérienne. Le Congrès américain a ensuite autorisé cette initiative en 2000, la désignant comme GPS III.
• Le 2 mai 2000, la "disponibilité sélective" a été désactivée, conformément à un décret de 1996, permettant ainsi aux utilisateurs civils du monde entier d'accéder à un signal GPS sans compromis.
• En 2004, le gouvernement des États-Unis a formalisé un accord avec la Communauté européenne pour favoriser la collaboration concernant le GPS et le système européen de navigation par satellite Galileo.
• En 2004 également, le président américain George W. Bush a révisé la politique nationale et reconstitué le conseil d'administration, créant ainsi le Comité exécutif national pour le positionnement, la navigation et le timing spatiaux.
• En novembre 2004, Qualcomm a annoncé la réussite des tests de la technologie GPS assistée intégrée aux téléphones mobiles.
• L'année 2005 a marqué le lancement du premier satellite GPS modernisé, qui a commencé à diffuser un deuxième signal civil (L2C) pour améliorer les performances des utilisateurs.
• Le 14 septembre 2007, l'ancien système de contrôle du segment sol basé sur l'ordinateur central a été transféré au nouveau plan d'évolution de l'architecture.
• Le 19 mai 2009, le Government Accountability Office des États-Unis a publié un rapport avertissant que certains satellites GPS pourraient connaître une panne dès 2010.
• Deux jours plus tard, le 21 mai 2009, l'Air Force Space Command a atténué ses inquiétudes concernant d'éventuelles pannes du GPS, en déclarant : "Il n'y a qu'un risque minime que nous ne continuions pas à dépasser nos normes de performance."
• Le 11 janvier 2010, une mise à jour des systèmes de contrôle au sol a entraîné une incompatibilité logicielle affectant environ 8 000 à 10 000 récepteurs militaires produits par une division de Trimble Navigation Limited, basée à Sunnyvale, en Californie.
• Le 25 février 2010, l'armée de l'air américaine a engagé Raytheon Company pour développer le système de contrôle opérationnel (OCX) GPS de nouvelle génération. Ce système est conçu pour améliorer la précision et la disponibilité des signaux de navigation GPS et représente un élément crucial des efforts de modernisation du GPS.
• Le 24 juillet 2020, la supervision opérationnelle de la constellation GPS a été transférée à la nouvelle force spatiale américaine, coïncidant avec sa création.
• Le 13 octobre 2023, la Force spatiale a activé le PNT Delta (provisoire) pour superviser les moyens de guerre de navigation des États-Unis. Par conséquent, les opérations 2SOPS et GPS ont été réalignées sous la responsabilité de ce nouveau Delta.

Prix et reconnaissance

Le 10 février 1993, la National Aeronautic Association a décerné le trophée Robert J. Collier 1992, la récompense aéronautique la plus estimée aux États-Unis, à l'équipe GPS. Cette équipe collaborative comprenait des chercheurs du Naval Research Laboratory, de l’US Air Force, de l’Aerospace Corporation, de Rockwell International Corporation et d’IBM Federal Systems Company. Leur reconnaissance les a cités « pour le développement le plus significatif en matière de navigation et de surveillance sûres et efficaces des avions et des engins spatiaux depuis l'introduction de la radionavigation il y a 50 ans. »

En 2003, deux développeurs clés de la technologie GPS ont été honorés par le prix Charles Stark Draper de la National Academy of Engineering :

• Ivan Getting, président émérite de The Aerospace Corporation et ingénieur affilié au Massachusetts Institute of Technology, a posé les principes fondamentaux du GPS en améliorant le système radio terrestre de la Seconde Guerre mondiale connu sous le nom de LORAN (Long-Range Radio Aid to Navigation).
• Bradford Parkinson, professeur d'aéronautique et d'astronautique à l'université de Stanford, a conceptualisé le système satellitaire actuel au début des années 1960, puis l'a développé en collaboration avec l'armée de l'air américaine. La brillante carrière militaire de Parkinson s'est étendue sur vingt et un ans, de 1957 à 1978, culminant avec sa retraite en tant que colonel.

Le développeur de GPS Roger L. Easton a reçu la Médaille nationale de la technologie le 13 février 2006. De plus, Francis X. Kane (colonel de l'USAF, retraité) a été intronisé au Temple de la renommée des pionniers de l'espace et des missiles de l'US Air Force à la base aérienne de Lackland, à San Antonio, au Texas, le 2 mars 2010. Cette reconnaissance honore sa contribution au développement de la technologie spatiale et au concept de conception technique du GPS, qu'il a avancé dans le cadre du projet 621B. Auparavant, en 1998, la technologie GPS elle-même avait été inscrite au Temple de la renommée de la technologie spatiale de la Space Foundation.

Le système de positionnement global (GPS) a reçu le prix du 60e anniversaire de la Fédération astronautique internationale (IAF) le 4 octobre 2011, suite à une nomination de l'Institut américain de l'aéronautique et de l'astronautique (AIAA), membre de l'IAF. Le Comité des distinctions et récompenses de l'IAF a reconnu la nature distinctive du programme GPS et sa contribution significative à la promotion d'une collaboration internationale pour un bénéfice mondial. De plus, le 6 décembre 2018, Gladys West a été intronisée au Temple de la renommée des pionniers de l'espace et des missiles de l'Air Force, un honneur reconnaissant son travail crucial sur un modèle géodésique de la Terre très précis qui a permis de calculer les trajectoires orbitales de la constellation GPS. Par la suite, le 12 février 2019, quatre contributeurs fondateurs du projet ont reçu le Prix Reine Elizabeth pour l'ingénierie. Le président du jury a souligné leur impact en déclarant : "L'ingénierie est le fondement de la civilisation ; ... Ils ont réécrit de manière majeure l'infrastructure de notre monde."

Principes

Les satellites GPS sont équipés d'horloges atomiques très stables, synchronisées à la fois en interne et avec des horloges atomiques de référence situées dans les stations de contrôle au sol. Tout écart temporel des horloges des satellites par rapport à l'heure de référence maintenue au sol fait l'objet d'une correction de routine. Étant donné que la vitesse des ondes radio (équivalente à la vitesse de la lumière) reste constante quelle que soit la vitesse du satellite, le délai temporel entre la transmission du signal d'un satellite et sa réception par une station au sol est directement corrélé à la distance qui sépare les deux. En exploitant les données de distance acquises à partir de plusieurs stations au sol, les coordonnées spatiales précises de n'importe quel satellite peuvent être déterminées à tout moment.

Chaque satellite GPS conserve et diffuse en continu des données précises concernant sa propre position et son heure interne. En utilisant les données acquises à partir de plusieurs satellites GPS, le récepteur GPS d'un utilisateur peut calculer sa position tridimensionnelle dans l'espace-temps. Néanmoins, un minimum de quatre satellites doivent être dans la ligne de mire du récepteur pour permettre le calcul de quatre variables inconnues : trois coordonnées spatiales et le décalage de l'horloge du récepteur par rapport à l'heure du satellite.

Description détaillée

Chaque satellite GPS transmet en permanence un signal d'onde porteuse modulé, qui comprend :

• Un code pseudo-aléatoire, constitué d'une séquence connue de chiffres binaires (uns et zéros), préprogrammé dans le récepteur. Grâce à l'alignement temporel d'une version de code générée par le récepteur avec le code du signal reçu, l'heure d'arrivée (TOA) pour un point spécifique de la séquence de code, appelé époque, peut être déterminée en fonction de l'horloge interne du récepteur.
• Un message de navigation contenant l'heure de transmission (TOT) de l'époque du code, référencée par rapport à l'échelle de temps GPS, ainsi que la position précise du satellite à ce moment.

Fondamentalement, le récepteur vérifie les heures d'arrivée (TOA) des signaux provenant de quatre satellites distincts, en référence à son horloge interne. En comparant ces TOA avec les temps de transmission (TOT) transmis, le récepteur dérive quatre valeurs de temps de vol (TOF). Ces valeurs TOF, multipliées par la vitesse de la lumière, donnent des « pseudo-portées », qui représentent les distances approximatives entre le récepteur et chaque satellite, intégrant le décalage temporel entre l'horloge du récepteur et l'heure GPS. Par la suite, le récepteur calcule ses coordonnées spatiales tridimensionnelles et l'écart de son horloge à l'aide de ces quatre mesures TOF.

En pratique, la position du récepteur, exprimée en coordonnées cartésiennes tridimensionnelles avec le centre de la Terre comme origine, et le décalage de son horloge par rapport à l'heure GPS sont déterminés simultanément. Ce calcul est effectué en appliquant des équations de navigation aux valeurs TOF traitées.

La position centrée sur la Terre calculée du récepteur est généralement transformée en coordonnées géodésiques : latitude, longitude et hauteur, par rapport à un modèle terrestre ellipsoïdal. Cette composante de hauteur peut ensuite être ajustée pour refléter sa valeur par rapport au géoïde, qui se rapproche du niveau moyen de la mer. Ces coordonnées peuvent être présentées sur des interfaces telles que des affichages de cartes animées, archivées ou intégrées dans d'autres systèmes, y compris des plates-formes de guidage de véhicules.

Dès 2025, ces principes fondamentaux sont en cours d'affinement grâce à la modernisation continue de la constellation GPS, notamment avec le déploiement des satellites GPS III et GPS IIIF. Ces satellites avancés intègrent des horloges atomiques plus sophistiquées, conduisant à une précision de chronométrage améliorée et transmettent des signaux plus robustes, sécurisés et interopérables (par exemple, L1C, L2C et L5). Ces avancées améliorent collectivement la précision des mesures de temps de vol (TOF) et renforcent la résistance aux interférences de signaux, augmentant ainsi la fiabilité des calculs de position pour tous les utilisateurs.

Géométrie utilisateur-satellite

Bien qu'elles ne soient pas explicitement générées lors du traitement du récepteur, les différences conceptuelles de temps d'arrivée (TDOA) établissent la géométrie de mesure. Chaque TDOA correspond à un hyperboloïde de révolution. L'axe de cet hyperboloïde est défini par la ligne reliant les deux satellites impliqués et ses extensions. La position du récepteur est déterminée par le point d'intersection de trois de ces hyperboloïdes.

Une idée fausse courante suggère que la position de l'utilisateur est déterminée par l'intersection de trois sphères. Bien que ce modèle offre une visualisation plus simple, il n'est précis que si l'horloge interne du récepteur est synchronisée avec les horloges des satellites, permettant ainsi de mesurer les portées réelles plutôt que de simples différences de portée. Des avantages significatifs en termes de performances s'accumulent lorsque l'horloge d'un utilisateur est synchronisée avec les satellites, ne nécessitant principalement que trois satellites pour une solution de position. Cependant, si les horloges synchronisées étaient un élément obligatoire du concept GPS pour tous les utilisateurs, moins de satellites pourraient être déployés, mais cela augmenterait considérablement le coût et la complexité de l'équipement des utilisateurs.

Récepteur en fonctionnement continu

La description précédente illustre le scénario de démarrage d'un récepteur. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de suivi, souvent appelé tracker, qui intègre les mesures satellite acquises à différents moments. Ce processus exploite la proximité typique des positions successives du récepteur. Après le traitement d'un ensemble de mesures, le tracker prévoit l'emplacement du récepteur pour l'ensemble suivant de mesures satellite. Lors de la collecte de ces nouvelles mesures, le récepteur utilise un système de pondération pour les fusionner avec la prédiction du tracker. Généralement, un tracker sert à (a) améliorer la position du récepteur et la précision temporelle, (b) éliminer les mesures erronées et (c) estimer la vitesse et la direction du récepteur.

L'un des principaux inconvénients d'un tracker est le retard inhérent au calcul des changements de vitesse ou de direction. De plus, la direction dérivée devient imprécise lorsque la distance parcourue entre deux mesures de position s'approche ou tombe en dessous de l'erreur aléatoire associée à la mesure de position. Les unités GPS peuvent calculer avec précision la vitesse en utilisant des mesures du décalage Doppler dans les signaux reçus. Les systèmes de navigation plus sophistiqués intègrent souvent des capteurs supplémentaires, tels qu'une boussole ou un système de navigation inertielle, pour augmenter les capacités GPS.

Applications hors navigation

Une navigation précise via GPS nécessite généralement la visibilité de quatre satellites ou plus. La résolution des équations de navigation donne non seulement la position du récepteur mais également l'écart entre l'horloge interne du récepteur et l'heure réelle. Cette capacité évite le besoin d’une horloge basée sur le récepteur plus précise et potentiellement peu pratique. Par conséquent, diverses applications GPS, notamment le transfert de temps, la synchronisation des feux de circulation et la synchronisation des stations de base cellulaires, exploitent ces informations de synchronisation rentables et très précises. Alors que certaines applications GPS utilisent ce temps à des fins d'affichage, d'autres ne l'utilisent pas au-delà des calculs de position fondamentaux.

Bien que quatre satellites soient généralement requis pour le fonctionnement standard du GPS, un nombre inférieur peut suffire dans des scénarios spécifiques. Si une seule variable est déjà établie, un récepteur peut connaître sa position avec seulement trois satellites. Par exemple, un navire en haute mer a généralement une altitude connue proche de 0 m, et l'altitude d'un avion peut également être prédéterminée. Certains récepteurs GPS peuvent utiliser des indices ou des hypothèses supplémentaires, tels que le rappel de la dernière altitude connue, l'estime, l'intégration de la navigation inertielle ou l'intégration des données de l'ordinateur de bord d'un véhicule, pour fournir une solution de position (bien que potentiellement dégradée) lorsque moins de quatre satellites sont visibles.

Structure

Le système de positionnement global (GPS) contemporain comprend trois segments principaux : le segment spatial, le segment de contrôle et le segment utilisateur. L'US Space Force est responsable du développement, de la maintenance et de l'exploitation des segments spatial et de contrôle. Les satellites GPS transmettent des signaux depuis l'espace, que chaque récepteur GPS utilise ensuite pour calculer sa position tridimensionnelle (latitude, longitude et altitude) et l'heure actuelle précise.

Segment spatial

Le segment spatial (SS) comprend 24 à 32 satellites, appelés Space Vehicles (SV), opérant en orbite terrestre moyenne, et intègre en outre les adaptateurs de charge utile nécessaires à leur mise en orbite via des boosters. La conception initiale du GPS prévoyait 24 SV, avec huit satellites répartis sur trois orbites approximativement circulaires ; cependant, cette configuration a ensuite été révisée pour inclure six plans orbitaux, chacun contenant quatre satellites. Ces six plans orbitaux présentent une inclinaison d'environ 55°, définie comme l'inclinaison par rapport au plan équatorial de la Terre, et sont séparés de 60° en ascension droite du nœud ascendant, qui désigne l'angle le long de l'équateur depuis un point de référence jusqu'à l'intersection de l'orbite. La période orbitale est d'environ une demi-journée sidérale, soit 11 heures et 58 minutes, permettant aux satellites de parcourir quotidiennement des trajectoires au sol identiques ou presque identiques. Cette configuration orbitale garantit qu'un minimum de six satellites restent continuellement dans la ligne de mire de n'importe quel point de la surface de la Terre. Par conséquent, les quatre satellites sur chaque orbite ne sont pas uniformément espacés à des intervalles de 90°. Plus précisément, les séparations angulaires entre les satellites au sein de chaque orbite sont de 30°, 105°, 120° et 105°, pour un total cumulé de 360°.

Fonctionnant à une altitude approximative de 20 200 km (12 600 mi) et un rayon orbital d'environ 26 600 km (16 500 mi), chaque véhicule spatial (SV) effectue deux orbites complètes par sidéral. jour, reproduisant ainsi quotidiennement sa trace au sol. Cette caractéristique s'est avérée très bénéfique pendant la phase de développement, car un alignement approprié a permis aux quatre satellites d'être visibles simultanément depuis un seul endroit pendant plusieurs heures par jour, même avec une constellation limitée. Dans les applications militaires, la répétition cohérente des traces au sol facilite une couverture fiable dans les zones de combat.

En février 2019, la constellation GPS comprenait 31 satellites, dont 27 activement opérationnels et le reste étant désigné comme unités de réserve. Un 32e satellite, lancé en 2018, était toujours en cours d'évaluation en juillet 2019. De plus, plusieurs satellites mis hors service restent en orbite, servant de pièces de rechange potentielles. L'inclusion de satellites supplémentaires améliore la précision des calculs du récepteur GPS grâce à la fourniture de mesures redondantes. L'augmentation du nombre de satellites a entraîné une transition vers une disposition de constellation non uniforme. Cette configuration non uniforme a démontré des améliorations à la fois en termes de précision ainsi que de fiabilité et de disponibilité du système, en particulier par rapport à un système uniforme lors de pannes multi-satellites. La constellation élargie garantit généralement que neuf satellites sont visibles à tout moment depuis n'importe quel endroit sur Terre avec un horizon dégagé, offrant ainsi une redondance substantielle au-delà des quatre satellites minimalement requis pour la détermination de la position.

Le segment de contrôle

Le segment de contrôle (CS) comprend les composants suivants :

1. une station de contrôle principale (MCS) ;
2. une station de contrôle principale alternative ;
3. quatre antennes au sol dédiées ; et
4. six stations de surveillance dédiées.

Le MCS possède également un accès aux antennes au sol du réseau de contrôle par satellite (SCN), fournissant des capacités de commandement et de contrôle supplémentaires, ainsi qu'aux stations de surveillance de la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA). Les trajectoires de vol des satellites sont méticuleusement suivies par des stations de surveillance dédiées de l'US Space Force situées à Hawaï, dans l'atoll de Kwajalein, sur l'île de l'Ascension, à Diego Garcia, à Colorado Springs, au Colorado, et à Cap Canaveral, en Floride. Ce suivi est complété par des stations de surveillance NGA partagées situées en Angleterre, en Argentine, en Équateur, à Bahreïn, en Australie et à Washington, D.C. Ces données de suivi sont transmises au MCS, situé à la base de la Force spatiale Schriever, à environ 25 km (16 mi) à l'est-sud-est de Colorado Springs, et exploité par le 2e Escadron d'opérations spatiales (2 SOPS) de l'US Space Force. Par la suite, 2 SOPS communique régulièrement avec chaque satellite GPS pour fournir des mises à jour de navigation, en utilisant des antennes au sol dédiées ou partagées (AFSCN). Les antennes GPS au sol dédiées sont spécifiquement situées à Kwajalein, sur l'île de l'Ascension, à Diego Garcia et à Cap Canaveral. Ces mises à jour servent à synchroniser les horloges atomiques embarquées des satellites à quelques nanosecondes près et à affiner les éphémérides du modèle orbital interne de chaque satellite. La génération de ces mises à jour utilise un filtre de Kalman, qui intègre les données des stations de surveillance au sol, les informations météorologiques spatiales et diverses autres entrées.

Lors des ajustements orbitaux d'un satellite, celui-ci est désigné comme malsain, empêchant son utilisation par les récepteurs. Après la manœuvre, les ingénieurs au sol surveillent l'orbite révisée, téléchargent les données d'éphémérides mises à jour et restaurent ensuite l'état opérationnel du satellite. Le segment de contrôle des opérations (OCS) fonctionne actuellement comme segment de contrôle officiel, fournissant la capacité opérationnelle nécessaire pour prendre en charge les utilisateurs du GPS et maintenir les performances du système dans les paramètres spécifiés.

OCS a remplacé le système informatique mainframe des années 1970 à la base aérienne de Schriever en septembre 2007. Après son installation, le système a facilité les mises à niveau ultérieures et a établi un cadre fondamental pour une nouvelle architecture de sécurité qui a profité aux forces armées américaines.

OCS devrait rester le système de contrôle au sol officiel jusqu'à ce que le système de contrôle d'exploitation GPS (OCX) de nouvelle génération atteigne son plein développement et son statut opérationnel. Le département américain de la Défense affirme que les prochaines capacités d'OCX seront essentielles pour accroître l'efficacité des missions GPS, permettant ainsi à l'US Space Force d'améliorer les services opérationnels GPS pour les forces de combat américaines, les partenaires civils et les utilisateurs nationaux et internationaux. En outre, le programme GPS OCX devrait atténuer les coûts, raccourcir les calendriers de développement et réduire les risques techniques. Sa conception intègre une architecture logicielle efficace et une logistique basée sur les performances, visant à réduire de 50 % les coûts de maintien en puissance. De plus, GPS OCX devrait engendrer des coûts nettement inférieurs à ceux d'une mise à niveau d'OCS, tout en offrant simultanément une capacité multipliée par quatre.

Le programme GPS OCX constitue un élément essentiel des efforts de modernisation du GPS et offre des capacités améliorées d'assurance des informations par rapport au programme GPS OCS existant.

• OCX est conçu pour contrôler et gérer les anciens satellites GPS en plus des futurs satellites GPS III, et pour faciliter la gamme complète des signaux militaires.
• Il repose sur une architecture flexible capable de s'adapter rapidement aux besoins changeants des utilisateurs, permettant ainsi un accès immédiat à des données GPS et à l'état de la constellation sécurisés, précis et fiables.
• Il fournit au personnel militaire des renseignements plus sûrs, exploitables et prédictifs, améliorant ainsi la connaissance de la situation.
• Il prend en charge les nouveaux signaux modernisés (L1C, L2C et L5) et intègre la fonctionnalité M-code, une fonctionnalité absente de l'ancien système.
• Il offre des améliorations substantielles en matière d'assurance des informations par rapport au programme actuel, englobant la détection et la prévention des cyberattaques, ainsi que la capacité d'isoler, de contenir et de maintenir les opérations lors de tels incidents.
• Il facilite les fonctionnalités de commande et de contrôle à volume plus élevé, en temps quasi réel.

Le 14 septembre 2011, l'US Air Force a déclaré la conclusion positive de la revue de conception préliminaire du GPS OCX, affirmant que le programme était prêt pour sa phase de développement ultérieure. Le programme GPS OCX a connu des retards importants, repoussant son lancement prévu à 2021, soit cinq ans après la date limite initiale. En 2019, le Government Accountability Office a fait part de ses inquiétudes quant à la faisabilité de l'échéance de 2021.

Le projet a continué à connaître des retards tout au long de l'année 2023 et, en juin 2023, il avait dépassé son budget initial de 73 %. Fin 2023, Frank Calvelli, secrétaire adjoint de l'armée de l'air pour les acquisitions et l'intégration spatiales, a indiqué que le projet devrait devenir opérationnel au cours de l'été 2024.

L'US Space Force a reçu la livraison des blocs OCX I et II de l'entrepreneur RTX le 1er juillet 2025, avec plus de huit ans de retard sur le calendrier prévu et un dépassement d'environ 4 milliards de dollars du budget, attribué à son approche de développement monolithique et à la dérive persistante des fonctionnalités au cours de sa progression. Si les projections actuelles du Government Accountability Office s'avèrent exactes, le nouveau système devrait entrer en service en décembre 2025.

Le bloc OCX 3F est actuellement en cours de développement pour faciliter le commandement et le contrôle des satellites GPS IIIF, dont le lancement initial est prévu pour 2027.

Segment utilisateur

Le segment des utilisateurs (États-Unis) comprend des centaines de milliers de militaires américains et alliés utilisant le service de positionnement précis GPS sécurisé, ainsi que des dizaines de millions d'utilisateurs civils, commerciaux et scientifiques du service de positionnement standard. En règle générale, les récepteurs GPS sont constitués d'une antenne calibrée pour les fréquences transmises par satellite ; récepteurs-processeurs ; et une horloge très stable, souvent un oscillateur à cristal. De plus, ces appareils peuvent intégrer une interface d'affichage pour présenter les données de localisation et de vitesse à l'utilisateur.

Les récepteurs GPS peuvent intégrer une entrée pour les corrections différentielles, utilisant le format RTCM SC-104, généralement via un port RS-232 fonctionnant à 4 800 bit/s. Cependant, le débit réel de transmission des données est considérablement inférieur, ce qui limite par conséquent la précision du signal transmis via RTCM. Les récepteurs équipés de capacités DGPS internes présentent généralement des performances supérieures à celles qui reposent sur des données RTCM externes. En 2006, même les unités à prix économique étaient couramment équipées de récepteurs WAAS (Wide Area Augmentation System).

De nombreux récepteurs GPS sont capables de transmettre des données de position à un ordinateur personnel ou à d'autres appareils via le protocole NMEA 0183. Bien que la National Marine Electronics Association (NMEA) définisse officiellement ce protocole, des références accessibles au public ont permis le développement d'outils open source, tels que gpsd, pour interpréter le protocole sans enfreindre les droits de propriété intellectuelle. De plus, divers protocoles propriétaires existent, notamment ceux développés par SiRF et MTK. Les récepteurs peuvent établir des interfaces avec d'autres appareils en utilisant diverses méthodes, notamment des connexions série, USB ou Bluetooth.

Applications

Bien qu'initialement conçu comme une entreprise militaire, le GPS est reconnu comme une technologie à double usage, possédant d'importantes applications civiles.

Le GPS est devenu un instrument largement adopté et inestimable dans divers secteurs, notamment le commerce, la recherche scientifique, le suivi et la surveillance. Les capacités de synchronisation précise du GPS facilitent de nombreuses opérations quotidiennes, telles que les transactions bancaires, les fonctionnalités de téléphonie mobile et même la régulation des réseaux électriques grâce à une commutation de transfert synchronisée.

Civil

De nombreuses applications civiles exploitent un ou plusieurs des trois composants fondamentaux du GPS : la localisation absolue, le mouvement relatif et le transfert de temps.

• Radio amateur : le GPS fournit une synchronisation d'horloge essentielle pour plusieurs modes numériques, notamment FT8, FT4 et JS8. Il est également utilisé avec APRS pour les rapports de position et s'avère souvent essentiel lors des opérations de support de communication en cas d'urgence et de catastrophe.
• Atmosphère : le GPS est utilisé pour étudier les retards troposphériques, ce qui permet de récupérer la teneur en vapeur d'eau, et les retards ionosphériques, qui facilitent la récupération du nombre d'électrons libres. Il aide également à déterminer les déplacements de la surface de la Terre résultant de la charge de pression atmosphérique.
• Astronomie : les données de position et de synchronisation d'horloge dérivées du GPS font partie intégrante de l'astrométrie, de la mécanique céleste et de la détermination précise de l'orbite. De plus, le GPS est utilisé en astronomie amateur avec de petits télescopes et par des observatoires professionnels pour la détection de planètes extrasolaires.
• Véhicule automatisé : l'intégration de données précises de localisation des véhicules avec des cartes très détaillées fournit les informations contextuelles nécessaires au fonctionnement autonome des voitures et des camions.
• Cartographie : les cartographes civils et militaires utilisent largement le GPS à des fins de cartographie.
• Téléphonie cellulaire : la synchronisation de l'horloge, facilitée par le transfert de temps GPS, est cruciale pour aligner les codes de diffusion entre les stations de base, permettant ainsi un transfert intercellulaire et prenant en charge la détection hybride de position GPS/cellulaire pour les appels d'urgence mobiles et d'autres applications. Les premiers téléphones dotés d'un GPS intégré ont été introduits à la fin des années 1990. En 2002, la Federal Communications Commission (FCC) des États-Unis a rendu obligatoire cette fonctionnalité dans les combinés ou les tours (à des fins de triangulation) pour permettre aux services d'urgence de localiser les appelants du 911. Par la suite, des développeurs de logiciels tiers ont eu accès aux API GPS, initialement auprès de Nextel lors de son lancement, suivi de Sprint en 2006, et de Verizon peu de temps après.
• Synchronisation des horloges : la précision des signaux horaires GPS, spécifiée à ±10 ns, n'est surpassée que par les horloges atomiques sur lesquelles ils sont basés, et ces signaux sont appliqués dans des systèmes tels que les oscillateurs disciplinés GPS.
• Services de secours/d'urgence : de nombreux services d'urgence s'appuient sur le GPS pour ses capacités de localisation et de synchronisation.
• Radiosondes et dropsondes équipées d'un GPS : ces instruments mesurent et calculent la pression atmosphérique, la vitesse et la direction du vent à des altitudes allant jusqu'à 27 km (89 000 pieds) au-dessus de la surface de la Terre.
• Occultation radio pour les applications scientifiques météorologiques et atmosphériques.
• Suivi de flotte : cette application est utilisée pour identifier, localiser et maintenir des rapports de contact en temps réel avec un ou plusieurs véhicules de flotte.
• Géodésie : le GPS contribue à la détermination des paramètres d'orientation de la Terre, notamment le mouvement polaire quotidien et infraquotidien, les variabilités de la durée du jour, le centre de masse de la Terre (mouvement du géocentre) et les paramètres du champ de gravité de faible degré.
• La géolocalisation utilise la technologie GPS dans des systèmes conçus pour suivre les véhicules, les individus et les animaux de compagnie. Ces applications assurent une surveillance continue de la localisation et génèrent des alertes si l'entité suivie quitte une zone géographique désignée.
• La géolocalisation implique l'intégration de coordonnées géographiques dans des éléments numériques, notamment des photographies (généralement dans des données Exif) et d'autres documents. Ce processus facilite diverses applications, telles que la création de superpositions de cartes, en utilisant souvent des appareils spécialisés comme le Nikon GP-1.
• Suivi GPS des avions.
• Dans le secteur minier, l'intégration du GPS RTK (Real-Time Kinematic) a considérablement amélioré diverses opérations, notamment le forage, le pelletage, le suivi des véhicules et l'arpentage, en fournissant une précision de positionnement centimétrique.
• L'exploration de données GPS implique le regroupement d'informations GPS provenant de plusieurs utilisateurs pour identifier les modèles de mouvement, les trajectoires communes et les points d'intérêt. Ces données sont actuellement utilisées dans l'ingénierie des transports et des catastrophes pour prévoir la mobilité dans des contextes de routine et d'urgence, y compris les évacuations lors d'ouragans, d'incendies de forêt ou de tremblements de terre.
• Les visites GPS utilisent des données de localisation pour présenter de manière dynamique un contenu pertinent, tel que des informations concernant un point d'intérêt à venir.
• Santé mentale : faciliter le suivi du fonctionnement et de la sociabilité en matière de santé mentale.
• Navigation : le GPS fournit aux navigateurs des mesures numériques précises de la vitesse et de l'orientation, en plus de données de position précises en temps réel, améliorées par des corrections d'orbite et d'horloge.
• La détermination de l'orbite des satellites en orbite basse est réalisée grâce à l'intégration de récepteurs GPS à bord, illustrés par des missions telles que GOCE, GRACE, Jason-1, Jason-2, TerraSAR-X, TanDEM-X, CHAMP, Sentinel-3 et plusieurs cubesats, dont CubETH.
• Mesures des phaseurs : la technologie GPS permet un horodatage très précis des mesures du système électrique, ce qui est crucial pour le calcul précis des phaseurs.
• Loisirs : les applications englobent des activités telles que la géocachette, la géodashing, le dessin GPS, le balisage et d'autres formes de jeux mobiles basés sur la localisation, notamment Pokémon Go.
• Cadres de référence : le GPS contribue à l'établissement et à la densification de cadres de référence terrestres au sein du Système mondial d'observation géodésique. Il facilite également la colocalisation des observations satellitaires de télémétrie laser et micro-ondes dans l'espace, ce qui est essentiel pour dériver des paramètres géodésiques globaux.
• Robotique : des robots autonomes et autonomes utilisent des capteurs GPS pour calculer des paramètres critiques, notamment la latitude, la longitude, l'heure, la vitesse et le cap.
• Sport : la technologie GPS est utilisée dans des sports tels que le football et le rugby pour le contrôle et l'analyse de la charge d'entraînement.
• Arpentage : les géomètres utilisent des données de localisation absolues pour générer des cartes et définir avec précision les limites des propriétés.
• Tectonique : le GPS permet de mesurer directement le mouvement des failles lors d'événements sismiques. Entre les tremblements de terre, les données GPS peuvent être utilisées pour quantifier le mouvement et la déformation de la croûte terrestre, estimant ainsi l'accumulation de contraintes sismiques pour la création de cartes de risques sismiques.
• Télématique : cette application intègre la technologie GPS aux systèmes de communication informatiques et mobiles, principalement dans le cadre de la navigation automobile.

Restrictions sur l'utilisation civile.

Le gouvernement américain impose des contrôles à l'exportation sur certains récepteurs GPS civils. Les appareils capables de fonctionner à plus de 60 000 pieds (18 km) au-dessus du niveau de la mer et à des vitesses supérieures à 1 000 nœuds (500 m/s ; 2 000 km/h ; 1 000 mph), ou ceux spécifiquement conçus ou modifiés pour être utilisés avec des missiles et des avions sans pilote, sont classés comme munitions. Cette désignation impose des licences d'exportation du Département d'État, même pour les unités purement civiles qui traitent uniquement la fréquence L1 et le code C/A (Coarse/Acquisition).

La désactivation du fonctionnement au-dessus de ces limites spécifiées exempte un récepteur GPS de la classification des munitions. Cependant, les interprétations des fournisseurs de cette réglementation varient ; bien que la règle s'applique au fonctionnement à la fois à l'altitude et à la vitesse cibles, certains récepteurs cessent de fonctionner même à l'arrêt. Cet écart a créé des défis pour les lancements de ballons radioamateurs, qui atteignent régulièrement des altitudes de 30 km (100 000 pieds). Ces limitations s'appliquent exclusivement aux unités ou composants exportés des États-Unis. Un marché international en pleine croissance pour les composants GPS, y compris les unités provenant d'autres pays, propose explicitement des produits désignés comme sans ITAR.

Militaire.

Depuis 2009, les applications GPS militaires incluent :

• Navigation : le personnel militaire utilise le GPS pour localiser des objectifs, même dans l'obscurité ou dans des environnements inconnus, et pour coordonner les mouvements de troupes et de ravitaillement. Au sein des forces armées des États-Unis, les commandants utilisent l'assistant numérique du commandant, tandis que les grades inférieurs sont équipés de l'assistant numérique du soldat.
• Les systèmes radio militaires utilisant des modes de saut de fréquence, tels que SINCGARS et HAVEQUICK, nécessitent une synchronisation temporelle précise entre toutes les radios d'un réseau. Cette synchronisation, généralement dans une tolérance de +/-4 secondes pour SINCGARS, est cruciale pour maintenir la fréquence de fonctionnement correcte à tout moment. Initialement, les récepteurs GPS militaires tels que le récepteur GPS léger de précision (PLGR) et le récepteur GPS avancé de défense (DAGR) étaient utilisés par les opérateurs radio pour saisir avec précision l'heure dans les horloges internes de ces radios. Les radios militaires plus contemporaines intègrent désormais des récepteurs GPS internes, permettant une synchronisation automatique de l'horloge.
• Le GPS est largement utilisé par divers systèmes d'armes militaires pour l'identification et le suivi de cibles terrestres et aériennes potentielles avant leur classification comme hostiles. Ces systèmes transmettent ensuite les coordonnées de la cible aux munitions à guidage de précision, facilitant ainsi un engagement précis de la cible. Les avions militaires, en particulier ceux engagés dans des opérations air-sol, s'appuient également sur le GPS pour l'acquisition de cibles.
• Le GPS permet de cibler avec précision un large éventail d'armes militaires, notamment des missiles balistiques intercontinentaux (ICBM), des missiles de croisière, des munitions à guidage de précision et des obus d'artillerie. Un développement notable concerne les récepteurs GPS intégrés conçus pour résister à des accélérations de 12 000 g ou environ 118 km/s² (260 000 mph/s), qui ont été intégrés dans des obus d'obusier de 155 millimètres (6,1 pouces).
• Le GPS joue un rôle essentiel dans les opérations de recherche et de sauvetage.
• Dans les missions de reconnaissance, le GPS facilite une gestion et une coordination améliorées des mouvements de patrouille.
• Les satellites GPS sont équipés d'une suite de détecteurs de détonations nucléaires, comprenant un capteur optique appelé bhangmètre, un capteur à rayons X, un dosimètre et un capteur d'impulsions électromagnétiques (EMP) (capteur W). Ces composants constituent une partie importante du système américain de détection des détonations nucléaires. Le général William Shelton a indiqué que les futurs satellites pourraient abandonner cette fonctionnalité par souci d'économie.

Le déploiement initial de la navigation de type GPS en temps de guerre a eu lieu pendant la guerre du golfe Persique de 1991, avant que le GPS n'atteigne sa pleine capacité opérationnelle en 1995. Il a aidé les forces de la coalition dans la navigation et l'exécution des manœuvres. Parallèlement, le conflit a mis en évidence la vulnérabilité du GPS au brouillage, car les forces irakiennes ont déployé des dispositifs de brouillage à proximité de cibles potentielles, émettant un bruit radio qui a perturbé la faible réception du signal GPS.

La vulnérabilité du GPS au brouillage représente une menace croissante, exacerbée par les progrès des équipements de brouillage et de l'expérience opérationnelle. De nombreux cas de brouillage des signaux GPS destinés à des objectifs militaires ont été signalés au fil des années. La Russie, par exemple, semble poursuivre plusieurs objectifs stratégiques par le biais du brouillage, notamment intimider les États voisins, saper la confiance dans la dépendance aux systèmes américains, promouvoir son alternative GLONASS, perturber les exercices militaires occidentaux et protéger ses actifs contre les drones. La Chine utilise le brouillage pour dissuader les avions de surveillance américains opérant à proximité des îles Spratly contestées. La Corée du Nord a mené plusieurs opérations de brouillage majeures près de sa frontière avec la Corée du Sud et au large, perturbant les vols, les transports maritimes et les activités de pêche. Les forces armées iraniennes auraient perturbé le GPS du vol PS752 de l'avion de ligne civil lorsque l'avion a été abattu.

Pendant la guerre russo-ukrainienne, les munitions guidées par GPS fournies à l'Ukraine par les pays de l'OTAN ont démontré des vulnérabilités importantes, connaissant des taux de défaillance élevés en raison de la guerre électronique russe. Notamment, le taux d'efficacité des obus d'artillerie Excalibur pour atteindre des cibles aurait diminué de 70 % à 6 % à mesure que la Russie adaptait ses stratégies de guerre électronique.

Le GPS joue un rôle crucial dans le chronométrage précis.

La gestion des secondes intercalaires est une caractéristique distincte du temps GPS.

Alors que la plupart des systèmes de chronométrage tirent leur référence du temps universel coordonné (UTC), les horloges atomiques à bord des satellites GPS sont réglées sur l'heure GPS. Une distinction clé est que l'heure GPS n'intègre ni corrections pour la rotation de la Terre, ni les secondes intercalaires périodiques ou autres ajustements ajoutés à l'UTC. Bien que l’heure GPS ait été initialement alignée sur l’UTC en 1980, elle a divergé par la suite. Par conséquent, l’heure GPS maintient un décalage constant par rapport au temps atomique international (TAI), le TAI – GPS étant égal à 19 secondes. Des corrections périodiques sont effectuées sur les horloges satellitaires pour assurer leur synchronisation avec les horloges de référence au sol.

Le message de navigation GPS intègre le différentiel entre l'heure GPS et le temps universel coordonné (UTC). En janvier 2017, l'heure GPS avait avancé de 18 secondes au-delà de l'UTC, un écart attribué à la seconde intercalaire introduite dans l'UTC le 31 décembre 2016. Les récepteurs GPS déduisent ce décalage de l'heure GPS pour dériver l'UTC et les valeurs de fuseau horaire correspondantes. Les appareils GPS nouvellement activés peuvent ne pas afficher l'UTC précis jusqu'à la réception du message de décalage UTC. Le champ de décalage GPS-UTC désigné est conçu pour prendre en charge jusqu'à 255 secondes intercalaires, en utilisant une représentation sur huit bits.

Précision

L'heure GPS est théoriquement précise à environ 14 nanosecondes, une précision limitée par la dérive inhérente des horloges atomiques des émetteurs GPS par rapport à l'heure atomique internationale. Cependant, la plupart des récepteurs subissent une réduction de précision lors de l'interprétation du signal, atteignant généralement une précision d'environ 100 nanosecondes seulement.

Corrections relativistes

Le GPS intègre deux corrections relativistes principales à ses signaux horaires : plus précisément, l'une traite de la vitesse relative entre le satellite et le récepteur, en appliquant les principes de la théorie restreinte de la relativité, tandis que l'autre tient compte du différentiel de potentiel gravitationnel entre le satellite et le récepteur, sur la base de la relativité générale. Bien que l'accélération du satellite puisse être calculée indépendamment en tant que correction pour des applications spécifiques, ses effets sont généralement englobés dans les corrections primaires susmentionnées.

Formater

Contrairement à la structure année, mois et jour du calendrier grégorien, la date GPS est représentée par un numéro de semaine et un décompte des secondes au sein de cette semaine. Ce numéro de semaine est transmis sous forme de champ de dix bits dans les messages de navigation C/A et P(Y), ce qui entraîne sa remise à zéro environ toutes les 1 024 semaines, soit 19,6 ans. La semaine zéro du GPS a commencé à 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) le 6 janvier 1980. Le premier basculement, où le numéro de semaine a été remis à zéro, a eu lieu à 23:59:47 UTC le 21 août 1999 (00:00:19 TAI le 22 août 1999), le deuxième basculement ayant lieu à 23:59:42 UTC le 6 janvier 1980. 6 avril 2019. Pour qu'un récepteur GPS puisse traduire avec précision le signal de date GPS en date grégorienne actuelle, il nécessite une saisie de date approximative, précise à 3 584 jours près. Pour atténuer ce problème dans les itérations ultérieures, le message de navigation civile GPS (CNAV) modernisé intégrera un champ de 13 bits. Cette amélioration prolongera la période de reconduction à 8 192 semaines (157 ans), garantissant ainsi une validité jusqu'en 2137, soit 157 ans après la semaine zéro du GPS.

Communication

Les signaux de navigation diffusés par les satellites GPS encapsulent diverses données, notamment les positions des satellites, l'état des horloges internes et l'état général du réseau. Ces signaux se propagent sur deux fréquences porteuses distinctes, qui sont utilisées uniformément par tous les satellites du réseau. Des schémas de codage distincts sont utilisés : un codage public facilite la navigation à basse résolution, tandis qu'un codage crypté est réservé à l'usage de l'armée américaine.

Format du message

Chaque satellite GPS transmet en continu un message de navigation sur les fréquences L1 (C/A et P/Y) et L2 (P/Y), à un débit de données de 50 bits par seconde. Un message complet nécessite 750 secondes (12 ⁄ minutes) pour une transmission complète. La structure fondamentale du message comprend une trame de 1 500 bits, segmentée en cinq sous-trames contenant chacune 300 bits et d'une durée de 6 secondes. Les sous-trames 4 et 5 subissent chacune 25 sous-commutations, nécessitant la transmission de 25 trames complètes pour constituer un message de données complet. Chaque sous-trame est composée de dix mots, chaque mot ayant une longueur de 30 bits. Par conséquent, étant donné 300 bits par sous-trame, 5 sous-trames par trame et 25 trames par message, chaque message totalise 37 500 bits. À un débit de transmission de 50 bits par seconde, cela équivaut à 750 secondes pour la transmission complète d'un message d'almanach. Chaque image de 30 secondes démarre précisément à la minute ou à la demi-minute, synchronisée avec l'horloge atomique à bord de chaque satellite.

Chaque satellite GPS diffuse en continu un message de navigation sur les fréquences L1 (C/A et P/Y) et L2 (P/Y) à un débit de 50 bits par seconde (voir débit). Chaque message complet prend 750 secondes (12+§56§⁄§78§ minutes). La structure du message a un format de base d'une trame de 1 500 bits composée de cinq sous-trames, chaque sous-trame ayant une longueur de 300 bits (6 secondes). Les sous-trames 4 et 5 sont sous-commutées 25 fois chacune, de sorte qu'un message de données complet nécessite la transmission de 25 trames complètes. Chaque sous-trame se compose de dix mots de 30 bits chacun. Ainsi, avec 300 bits dans une sous-trame multiplié par 5 sous-trames dans une trame multiplié par 25 trames dans un message, chaque message a une longueur de 37 500 bits. À un taux de transmission de 50 bits/s, cela donne 750 secondes pour transmettre l'intégralité d'un message d'almanach (GPS). Chaque image de 30 secondes commence précisément à la minute ou à la demi-minute indiquée par l'horloge atomique de chaque satellite.

La sous-trame initiale de chaque image code le numéro de la semaine, l'heure de cette semaine et les données de santé du satellite. Les deuxième et troisième sous-trames transmettent les éphémérides, qui comprennent les paramètres orbitaux précis du satellite. À l'inverse, les quatrième et cinquième sous-trames transmettent l'almanach, fournissant des informations grossières sur l'orbite et l'état d'un maximum de 32 satellites au sein de la constellation, ainsi que des données de correction d'erreurs. Par conséquent, pour dériver une localisation satellite précise à partir de ce message diffusé, un récepteur doit démoduler le signal de chaque satellite incorporé dans sa solution pendant une durée de 18 à 30 secondes. L'acquisition de tous les almanachs transmis nécessite que le récepteur démodule le message pendant 732 à 750 secondes, ce qui équivaut à environ 12+§78§⁄§910§ minutes.

Tous les satellites transmettent sur des fréquences identiques, en utilisant un codage à accès multiple par répartition en code (CDMA) unique pour permettre aux récepteurs de différencier les satellites individuels. Ce système utilise deux types de codage CDMA distincts : le code grossier/d'acquisition (C/A), accessible au grand public, et le code précis (P(Y)), qui est crypté et donc réservé à l'armée américaine et aux pays autorisés de l'OTAN possédant la clé de cryptage requise.

Les éphémérides sont mises à jour toutes les deux heures et maintiennent une stabilité suffisante pendant une période de quatre heures, avec des dispositions permettant des mises à jour à des intervalles de six heures ou plus dans des conditions opérationnelles non nominales. L'almanach est généralement actualisé toutes les 24 heures. De plus, les données couvrant plusieurs semaines ultérieures sont téléchargées pour tenir compte des mises à jour potentielles de transmission qui pourraient retarder les téléchargements de données ultérieurs.

Fréquences satellites

Tous les satellites émettent sur deux fréquences identiques : 1,57542 GHz (signal L1) et 1,2276 GHz (signal L2). Le réseau satellite utilise une technique à spectre étalé d'accès multiple par répartition en code (CDMA), dans laquelle les données de message à faible débit sont codées à l'aide d'une séquence de bruit pseudo-aléatoire (PRN) à haut débit unique à chaque satellite. Les récepteurs doivent connaître ces codes PRN pour chaque satellite afin de reconstruire avec précision les données du message transmis. Le code C/A, destiné aux applications civiles, transmet des données à 1,023 millions de chips par seconde, tandis que le code P, réservé aux opérations militaires américaines, transmet à 10,23 millions de chips par seconde. La fréquence de référence interne des satellites est précisément de 10,22999999543 MHz, une valeur choisie pour compenser les effets relativistes qui font que les observateurs terrestres perçoivent une référence temporelle divergente par rapport aux émetteurs en orbite. La porteuse L1 est modulée à la fois par les codes C/A et P, tandis que la porteuse L2 est exclusivement modulée par le code P. Le code P peut être crypté en un code P(Y), accessible uniquement aux équipements militaires équipés de la clé de décryptage appropriée. Les codes C/A et P(Y) transmettent des informations précises sur l'heure à l'utilisateur.

Tous les satellites diffusent sur les deux mêmes fréquences : 1,57542 GHz (signal L1) et 1,2276 GHz (signal L2). Le réseau satellitaire utilise une technique à spectre étalé CDMA dans laquelle les données des messages à faible débit sont codées avec une séquence pseudo-aléatoire (PRN) à haut débit qui est différente pour chaque satellite. Le récepteur doit connaître les codes PRN de chaque satellite pour reconstruire les données réelles du message. Le code C/A, destiné à un usage civil, transmet des données à 1,023 millions de chips par seconde, tandis que le code P, destiné à un usage militaire américain, transmet des données à 10,23 millions de chips par seconde. La référence interne réelle des satellites est de 10,22999999543 MHz pour compenser les effets relativistes qui font que les observateurs sur Terre perçoivent une référence temporelle différente par rapport aux émetteurs en orbite. La porteuse L1 est modulée à la fois par les codes C/A et P, tandis que la porteuse L2 n'est modulée que par le code P. Le code P peut être chiffré sous la forme d'un code dit P(Y) qui n'est disponible que pour les équipements militaires disposant d'une clé de déchiffrement appropriée. Les codes C/A et P(Y) indiquent l'heure précise à l'utilisateur.

Le signal L3, fonctionnant à une fréquence de 1,38105 GHz, facilite la transmission de données des satellites vers les stations au sol. Ces données sont utilisées par le système de détection des détonations nucléaires (NUDET) des États-Unis (USNDS) pour la détection, la localisation et le signalement des détonations nucléaires (NUDET) dans l'atmosphère terrestre et les environnements proches de l'espace. Une application clé implique l'application des traités d'interdiction des essais nucléaires.

Des recherches sont actuellement en cours sur la bande L4, fonctionnant à 1,379913 GHz, afin d'évaluer son potentiel pour fournir une correction ionosphérique supplémentaire.

La bande de fréquences L5, fonctionnant à 1,17645 GHz, a été intégrée lors de l'initiative de modernisation du GPS. Cette fréquence occupe un spectre protégé au niveau international alloué à la navigation aéronautique, garantissant ainsi une interférence minimale, voire nulle, dans toutes les conditions opérationnelles. Le premier satellite Block IIF, qui transmet ce signal, a été lancé en mai 2010. Par la suite, le 5 février 2016, le douzième et dernier satellite Block IIF a été déployé. Le signal L5 comprend deux composantes porteuses qui sont en quadrature de phase l'une par rapport à l'autre. Chaque composant porteur subit une modulation BPSK (bi-phase shift key) par un train de bits indépendant. Le signal L5, qui représente le troisième signal GPS civil, devrait à terme prendre en charge les applications de sécurité de la vie humaine dans l'aviation et améliorer à la fois la disponibilité et la précision.

En 2011, LightSquared a reçu une dérogation conditionnelle autorisant l'exploitation d'un service haut débit terrestre à proximité de la bande L1. Malgré la demande de licence initiale de LightSquared en 2003 pour une exploitation dans la bande 1 525 à 1 559 MHz, qui a fait l'objet de commentaires publics, la FCC a ensuite mandaté LightSquared pour établir un groupe d'étude collaboratif avec la communauté GPS. L'objectif de ce groupe était d'évaluer les performances du récepteur GPS et de déterminer les problèmes potentiels découlant de l'augmentation de la puissance du signal émanant du réseau terrestre de LightSquared. La communauté GPS n'avait pas soulevé d'objections aux applications de LightSquared (anciennement MSV et SkyTerra) jusqu'en novembre 2010, date à laquelle LightSquared a demandé une modification de son autorisation de composant auxiliaire terrestre (ATC). Ce dépôt spécifique (SAT-MOD-20101118-00239) constituait une demande d'augmentation significative des niveaux de puissance – de plusieurs ordres de grandeur – au sein d'une bande de fréquences identique pour les stations de base terrestres. Cela a effectivement réattribué un segment de spectre initialement désigné comme un « quartier calme » pour les signaux satellite en un équivalent fonctionnel d'un réseau cellulaire. Les évaluations menées au cours du premier semestre 2011 ont indiqué que l'impact des 10 MHz inférieurs du spectre sur les appareils GPS était minime, affectant moins de 1 % de toutes les unités GPS. À l’inverse, le spectre supérieur de 10 MHz alloué à l’utilisation de LightSquared pourrait potentiellement affecter les appareils GPS. Des inquiétudes ont été soulevées quant à la possibilité que cela nuise considérablement à la qualité du signal GPS pour de nombreuses applications grand public. Selon le magazine Aviation Week, des tests ultérieurs effectués en juin 2011 ont corroboré un « brouillage important » du GPS par le système LightSquared.

Démodulation et décodage

Étant donné que tous les signaux satellites sont modulés sur une fréquence porteuse L1 commune, leur séparation est requise après la démodulation. Cette séparation est obtenue en attribuant une séquence binaire unique, appelée code Gold, à chaque satellite. Après la démodulation, les signaux sont décodés grâce à la somme des codes Gold associés aux satellites suivis par le récepteur.

Si les informations d'almanach sont pré-acquises, le récepteur sélectionne les satellites à suivre en fonction de leurs codes de bruit pseudo-aléatoire (PRN), qui sont des identifiants uniques allant de 1 à 32. À l'inverse, si les données d'almanach sont absentes de la mémoire, le récepteur lance un mode de recherche jusqu'à ce qu'un verrouillage soit établi avec un satellite. La réalisation d'un verrouillage nécessite une ligne de vue dégagée entre le récepteur et le satellite. Par la suite, le récepteur peut acquérir l'almanach et identifier les satellites pertinents pour le suivi. Lors de la détection du signal de chaque satellite, le récepteur l'identifie via son modèle de code distinct Coarse/Acquisition (C/A). Un retard allant jusqu'à 30 secondes peut précéder l'estimation de la position initiale, attribuable à la nécessité de lire les données des éphémérides.

Le traitement du message de navigation facilite la détermination à la fois de l'heure de transmission et de la position du satellite à ce moment précis.

Équations de navigation

Énoncé du problème

Un récepteur traite les messages des satellites pour connaître leurs positions et les temps de transmission correspondants. Les composantes de position du satellite, représentées par x, y, et z, ainsi que l'heure de transmission (s), sont notées [x_i, y_i, z_i, s_i]. Ici, l'indice i identifie le satellite spécifique, allant de 1 à n, où n doit être au moins 4. Si l'horloge interne du récepteur enregistre l'heure de réception du message comme ${\displaystyle {\tilde {t}}_{i}}$, l'heure de réception réelle, ${\displaystyle t_{i}={\tilde {t}}_{i}-b}$, intègre b, qui signifie le biais d'horloge du récepteur par rapport aux horloges GPS très précises des satellites. Cette polarisation d'horloge du récepteur est appliquée uniformément à tous les signaux satellites entrants, en supposant une synchronisation parfaite entre les horloges des satellites. Par conséquent, la durée de transit du message est calculée comme suit : ${\displaystyle {\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}}$, où s_i représente le temps de transmission du satellite. En supposant que le message se propage à la vitesse de la lumière, c, la distance totale parcourue est donnée par ( t ~<!-- ~ --> i −<!-- − --> b −<!-- − --> s i ) c {\displaystyle \left({\tilde {t}}_i-b-s_i\right)c}.

Pour n satellites, les équations directrices sont :

d i = ( t ~<!-- ~ --> i −<!-- − --> b −<!-- − --> s i ) c , i = §6768§ , §7172§ , …<!-- … --> , n {\displaystyle d_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-b-s_{i}\right)c,\;i=1,2,\dots ,n}

Ici, d_i représente la distance géométrique ou la portée entre le récepteur et le satellite i. Les valeurs sans indice désignent les composantes x, y, et z de la position du récepteur.

${\displaystyle d_{i}={\sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2}}}}$

En définissant les pseudooranges comme ${\displaystyle p_{i}=\left({\tilde {t}}_{i}-s_{i}\right)c}$, il devient évident qu'il s'agit de représentations biaisées de la plage réelle.

p je = d je + b c , je = §3839§ , §4243§ , . . . , n {\displaystyle p_{i}=d_{i}+bc,\;i=1,2,...,n} .

Étant donné que ces équations contiennent quatre inconnues (plus précisément les trois composantes de la position du récepteur GPS [x, y, z, b] et le biais de l'horloge), un minimum de quatre signaux satellites sont nécessaires pour tenter de les résoudre. Ces équations peuvent être résolues par des méthodologies algébriques ou numériques. L'existence et le caractère unique des solutions GPS ont été explorés par Abell et Chaffee. Si n dépasse quatre, le système devient surdéterminé, nécessitant l'application d'une méthode d'ajustement.

L'ampleur de l'erreur dans les résultats de positionnement dépend de la répartition spatiale des satellites reçus dans le ciel ; des configurations spécifiques, notamment celles où les satellites sont regroupés, conduisent à des erreurs amplifiées. Généralement, les récepteurs calculent en permanence une erreur estimée pour la position déterminée. Cette estimation implique de multiplier la résolution fondamentale du récepteur par des facteurs de dilution géométrique de position (GDOP), qui sont dérivés des orientations célestes relatives des satellites utilisés. Les coordonnées géographiques du récepteur sont ensuite présentées dans un système de coordonnées défini, tel que la latitude et la longitude basées sur la donnée géodésique WGS 84, ou un système national localisé.

Interprétation géométrique

Les équations GPS peuvent être résolues grâce à des approches numériques et analytiques. Les interprétations géométriques peuvent améliorer considérablement la compréhension de ces méthodologies de résolution.

Sphères

Les pseudooranges, qui sont les plages mesurées, incluent intrinsèquement des erreurs d'horloge. Dans un scénario idéalisé où les portées sont parfaitement synchronisées, ces portées réelles correspondent aux rayons des sphères, chacune provenant d'un satellite émetteur. La position du récepteur est ensuite déterminée par l'intersection de ces surfaces sphériques. Un minimum de trois signaux satellites est nécessaire, et les trois sphères correspondantes se croisent généralement en deux points distincts. L'un de ces points d'intersection identifie l'emplacement du récepteur, tandis que l'autre présente un mouvement rapide au fil des mesures successives et n'est généralement pas situé à la surface de la Terre.

En pratique, de nombreuses inexactitudes surviennent au-delà du biais d'horloge, englobant des erreurs aléatoires et une dégradation potentielle de la précision lors de la soustraction de valeurs presque identiques, en particulier si les centres de la sphère sont très proches. Par conséquent, il est peu probable qu’une position dérivée uniquement de trois satellites puisse atteindre une précision suffisante. L'intégration de données provenant de satellites supplémentaires peut améliorer la précision en raison de la propension des erreurs aléatoires à s'atténuer les unes les autres et en fournissant une plus grande séparation entre les centres des sphères. Cependant, un nombre accru de sphères ne convergent généralement pas vers un seul point d’intersection. Par conséquent, une intersection approximative est calculée, en utilisant généralement la méthode des moindres carrés. La disponibilité d'un plus grand nombre de signaux conduit généralement à une approximation plus précise.

Hyperboloïdes

Lorsque la pseudo-distance entre le récepteur et le satellite i est soustraite de la pseudo-distance entre le récepteur et le satellite j, représentée par p_i − p_j, le biais d'horloge partagé du récepteur (b) est éliminé, ce qui donne une différence de distances, en particulier d_i − d_j. Le lieu géométrique des points maintenant une différence constante de distance à deux points fixes (dans ce contexte, deux satellites) forme une hyperbole dans un plan bidimensionnel et un hyperboloïde de révolution (plus précisément, un hyperboloïde à deux feuilles) dans un espace tridimensionnel. Par conséquent, en utilisant quatre mesures de pseudo-distance, la position du récepteur peut être déterminée à l'intersection des surfaces de trois hyperboloïdes, chacun défini par des foyers sur une paire de satellites. Lorsque davantage de satellites sont impliqués, les multiples intersections résultantes peuvent ne pas être uniques, ce qui nécessite la recherche de la solution la mieux adaptée.

Sphère inscrite

La position du récepteur peut être conceptualisée comme le centre d'une sphère inscrite (insphère) avec un rayon de bc, qui est dérivé du biais d'horloge du récepteur b multiplié par la vitesse de la lumière c. Cette insphère est positionnée pour être tangente aux autres sphères. Les sphères circonscrites sont centrées sur les satellites GPS et leurs rayons correspondent aux pseudodistances mesurées p_i. Cet arrangement diffère de la configuration décrite précédemment, où les rayons des sphères représentaient les plages géométriques ou impartiales d_i.

Hypercônes

Les horloges des récepteurs n'ont généralement pas la précision des horloges des satellites et ne sont donc pas synchronisées avec précision avec celles-ci. Cet écart se traduit par des pseudo-distances qui présentent des écarts significatifs par rapport aux distances réelles des satellites. Par conséquent, le décalage temporel entre l'horloge du récepteur et l'heure du satellite est pratiquement désigné comme un biais d'horloge inconnu, noté b. Les équations pertinentes sont ensuite résolues simultanément pour déterminer à la fois la position du récepteur et la polarisation de l'horloge. L'espace de solution, représenté par [x, y, z, b], peut être conceptualisé comme un espace-temps à quatre dimensions, nécessitant des signaux provenant d'au moins quatre satellites. Dans cette condition, chaque équation délimite un hypercône (ou cône sphérique), caractérisé par sa pointe à l'emplacement du satellite et sa base formant une sphère entourant le satellite. La position du récepteur correspond à l'intersection de quatre ou plus de ces hypercônes.

Méthodes de solution

Moins carrés

Si plus de quatre satellites sont accessibles, les calculs peuvent utiliser soit les quatre satellites optimaux, soit un plus grand nombre simultanément (jusqu'à tous les satellites visibles), en fonction de facteurs tels que le nombre de canaux du récepteur, la capacité de traitement et la dilution géométrique de la précision (GDOP).

L'emploi de plus de quatre satellites aboutit à un système d'équations surdéterminé sans solution unique ; un tel système est généralement résolu à l'aide d'une méthodologie des moindres carrés ou des moindres carrés pondérés.

${\displaystyle \left({\hat {x}},{\hat {y}},{\hat {z}},{\hat {b}}\right)={\underset {\left(x,y,z,b\right)}{\arg \min }}\sum _{i}\left({\sqrt {(x-x_{i})^{2}+(y-y_{i})^{2}+(z-z_{i})^{2}}}+bc-p_{i}\right)^{2}}$

Itératif

Les équations, qu'elles soient dérivées pour quatre satellites ou sous forme d'équations des moindres carrés pour un plus grand nombre, présentent une non-linéarité, nécessitant des méthodologies de résolution spécialisées. Une stratégie répandue implique un raffinement itératif basé sur une représentation linéarisée de ces équations, illustrée par l'algorithme de Gauss-Newton.

Initialement, le système de positionnement global (GPS) a été conçu avec l'hypothèse d'employer une technique de résolution numérique des moindres carrés, antérieure à la découverte de solutions de forme fermée.

Formulaire fermé

S. Bancroft a conçu une solution fermée pour le système d'équations susmentionné. Les caractéristiques de cette solution sont largement documentées ; notamment, ses partisans affirment ses performances supérieures dans des scénarios caractérisés par une faible dilution géométrique de précision (GDOP), en particulier par rapport aux méthodologies itératives des moindres carrés.

La méthode de Bancroft propose une approche algébrique plutôt que numérique applicable aux scénarios impliquant quatre satellites ou plus. Pour les configurations avec exactement quatre satellites, les opérations principales impliquent l'inversion d'une matrice 4x4 et la résolution d'une équation quadratique à une variable. Cette méthode donne généralement une ou deux solutions pour les paramètres inconnus. Dans les cas où deux solutions sont générées (ce qui est courant), une seule est généralement considérée comme une solution plausible proche de la Terre.

Dans les situations où un récepteur utilise plus de quatre satellites pour dériver une solution, la méthode de Bancroft emploie l'inverse généralisé (en particulier le pseudo-inverse). Il a été avancé que les méthodologies itératives, telles que l'algorithme de Gauss-Newton, qui traitent des problèmes de moindres carrés non linéaires surdéterminés, donnent généralement des solutions plus précises.

Leick et al. (2015) affirment que « la solution de Bancroft (1985) représente une solution de forme fermée très précoce, sinon inaugurale ». Les publications ultérieures ont introduit d'autres solutions sous forme fermée ; cependant, leur mise en œuvre pratique reste incertaine.

Analyse des sources d'erreur

L'analyse des erreurs GPS étudie systématiquement les origines des inexactitudes dans les résultats GPS et quantifie leurs ampleurs anticipées. Bien que les systèmes GPS intègrent des corrections pour les écarts d'horloge du récepteur et d'autres facteurs d'influence, certaines erreurs résiduelles persistent. Les sources d'erreur identifiées comprennent les mesures du temps d'arrivée du signal, les inexactitudes de calcul, les phénomènes atmosphériques (tels que les retards ionosphériques et troposphériques), les imperfections des éphémérides et des données d'horloge, la propagation des signaux par trajets multiples et les interférences naturelles et artificielles. L'ampleur de ces erreurs résiduelles dépend de la dilution géométrique de la précision. Des erreurs artificielles peuvent provenir de dispositifs de brouillage, posant des risques pour la navigation maritime et aéronautique, ou d'une dégradation délibérée du signal via une disponibilité sélective. Ce dernier, qui limitait la précision à environ 6 à 12 m (20 à 40 pieds), a été désactivé le 1er mai 2000.

Améliorations des applications de précision et d'arpentage

Considérations réglementaires relatives au spectre pour les récepteurs GPS

Aux États-Unis, les récepteurs GPS sont soumis au cadre réglementaire des règles de la partie 15 de la Federal Communications Commission (FCC). Les manuels des appareils compatibles GPS commercialisés aux États-Unis précisent qu'en tant qu'appareils visés par la partie 15, ils sont tenus « d'accepter toute interférence reçue, y compris les interférences susceptibles de provoquer un fonctionnement indésirable ». Concernant spécifiquement les appareils GPS, la FCC exige que les fabricants de récepteurs GPS « doivent utiliser des récepteurs qui discriminent raisonnablement la réception de signaux en dehors du spectre qui leur est attribué ». Historiquement, au cours des trois dernières décennies, les récepteurs GPS ont coexisté avec la bande du service mobile par satellite, discriminant efficacement les signaux des services mobiles par satellite comme Inmarsat sans rencontrer de problèmes opérationnels.

La FCC a désigné le spectre de 1 559 à 1 610 MHz pour les opérations GPS L1, tandis que la bande du service mobile par satellite est allouée aux communications satellite-sol appartenant à LightSquared. Depuis 1996, la FCC a accordé à LightSquared, une société basée en Virginie, un accès sous licence au spectre adjacent à la bande GPS, en particulier de 1 525 à 1 559 MHz. Le 1er mars 2001, le précurseur de LightSquared, Motient Services, a soumis une demande à la FCC pour utiliser ses fréquences attribuées pour un service combiné satellite-terrestre. En 2002, le Conseil américain de l'industrie du GPS avait conclu un accord sur les émissions hors bande (OOBE) avec LightSquared. Cet accord visait à empêcher les transmissions au sol des stations LightSquared d'empiéter sur la bande GPS adjacente (1 559 à 1 610 MHz). En 2004, la FCC a officiellement adopté cet accord OOBE dans le cadre de son autorisation permettant à LightSquared de mettre en œuvre un réseau au sol, appelé composants de tour auxiliaires (ATC), conçu pour compléter son système satellite. L'autorisation de la FCC stipulait : « Nous autoriserons le MSS ATC sous réserve de conditions garantissant que le composant terrestre ajouté reste accessoire à l'offre principale du MSS. Nous n'avons pas l'intention, et nous n'autoriserons pas, que le composant terrestre devienne un service autonome. » Cette autorisation a été examinée et approuvée par le Comité consultatif interdépartemental radio des États-Unis, dont les membres comprennent le ministère américain de l'Agriculture, la force spatiale américaine, l'armée américaine, la garde côtière américaine, la Federal Aviation Administration, la National Aeronautics and Space Administration (NASA), le département américain de l'Intérieur et le département américain des Transports.

En janvier 2011, la Federal Communications Commission (FCC) a autorisé sous conditions les clients grossistes de LightSquared, tels que Best Buy, Sharp et C Spire, à acheter et à revendre un service intégré par satellite au sol de LightSquared. Ce service était destiné aux appareils utilisant uniquement le signal au sol dans les fréquences allouées à LightSquared de 1 525 à 1 559 MHz. Plus tôt, en décembre 2010, les fabricants de récepteurs GPS avaient fait part de leurs préoccupations à la FCC concernant les interférences potentielles du signal de LightSquared avec les appareils GPS. Notamment, les considérations politiques de la FCC ayant conduit à l'ordonnance de janvier 2011 n'englobaient pas les modifications proposées concernant le nombre ou la puissance maximum des stations au sol de LightSquared. L'ordonnance de janvier 2011 subordonnait l'autorisation finale à des études sur les interférences GPS, qui seraient menées par un groupe de travail dirigé par LightSquared avec la participation de l'industrie du GPS et des agences fédérales. Par la suite, le 14 février 2012, la FCC a lancé une procédure visant à annuler l'ordonnance de renonciation conditionnelle de LightSquared, sur la base de la conclusion de la National Telecommunications and Information Administration (NTIA) selon laquelle aucune méthode pratique n'existait pour atténuer les interférences GPS potentielles.

Les fabricants de récepteurs GPS conçoivent leurs appareils pour utiliser le spectre s'étendant au-delà de la bande attribuée par le GPS. Certains récepteurs GPS sont conçus pour utiliser jusqu'à 400 MHz de spectre de part et d'autre de la fréquence L1 (1 575,42 MHz), un choix de conception influencé par les services mobiles par satellite diffusant de l'espace vers le sol dans les régions adjacentes à des niveaux de puissance proportionnés à leurs opérations. Selon les règles de la partie 15 de la FCC, les récepteurs GPS ne bénéficient pas d'une protection contre les signaux en dehors de leur spectre spécifiquement attribué. Ce contexte réglementaire explique la proximité des bandes du GPS et du Service Mobile par Satellite. La relation symbiotique inhérente à cette attribution de spectre vise à garantir un fonctionnement coopératif et sans entrave pour les utilisateurs des deux bandes.

En février 2003, la FCC a adopté des réglementations autorisant les titulaires de licences de services mobiles par satellite (MSS), dont LightSquared, à construire un nombre limité de tours auxiliaires au sol dans le cadre de leur spectre sous licence. Cette initiative visait à « promouvoir une utilisation plus efficace du spectre sans fil terrestre ». Les règles de 2003 précisaient que « le [service de radio mobile commercial (« CMRS »)] terrestre et le MSS ATC devraient avoir des prix, une couverture, une acceptation des produits et une distribution différents ; par conséquent, les deux services semblent, au mieux, être des substituts imparfaits l'un de l'autre et fonctionneraient dans des segments de marché essentiellement différents. En 2004, la FCC a en outre précisé que ces tours au sol doivent rester auxiliaires, déclarant : « Nous autoriserons le MSS ATC sous réserve de conditions garantissant que la composante terrestre ajoutée reste accessoire à l'offre principale du MSS. Nous n'avons pas l'intention, et nous n'autoriserons pas, la composante terrestre de devenir un service autonome. » En juillet 2010, la FCC a indiqué qu'elle s'attendait à ce que LightSquared utilise son autorité pour offrir un service satellite-terrestre intégré, fournissant ainsi « des services à large bande mobile similaires à ceux fournis par les fournisseurs de téléphonie mobile terrestre et renforçant la concurrence dans le secteur du haut débit mobile ». Cependant, les fabricants de récepteurs GPS ont affirmé que le spectre sous licence de LightSquared de 1 525 à 1 559 MHz n'avait jamais été envisagé pour le haut débit sans fil. Cette affirmation est fondée sur les décisions de la FCC de 2003 et 2004 sur le composant terrestre auxiliaire (ATC), qui ont clairement établi l'ATC comme accessoire au composant satellite principal. Afin d'obtenir le soutien du public en faveur du respect de l'autorisation FCC de 2004 du composant terrestre auxiliaire de LightSquared, par opposition à un simple service LTE au sol dans la bande du service mobile par satellite, le fabricant de récepteurs GPS Trimble Navigation Ltd. a créé la « Coalition pour sauver notre GPS ».

La Commission fédérale des communications (FCC) et LightSquared se sont publiquement engagées à résoudre le problème des interférences GPS avant que le réseau ne devienne opérationnel. Selon Chris Dancy de l'Aircraft Owners and Pilots Association, les pilotes de ligne équipés des systèmes potentiellement concernés "pourraient dévier de leur trajectoire sans même s'en rendre compte". Les problèmes anticipés pourraient également avoir un impact sur la mise à niveau par la Federal Aviation Administration du système de contrôle du trafic aérien, des systèmes de guidage utilisés par le département de la Défense des États-Unis et des services d'urgence locaux, y compris le 911.

La Commission fédérale des communications (FCC) a interdit le réseau haut débit national proposé par LightSquared le 14 février 2012. Cette décision faisait suite à une notification de la National Telecommunications and Information Administration (NTIA), l'agence fédérale responsable de la coordination de l'utilisation du spectre entre les militaires et autres organismes gouvernementaux, déclarant qu '"il n'existe actuellement aucun moyen pratique d'atténuer les interférences potentielles". LightSquared conteste actuellement la décision de la FCC.

Systèmes analogiques

Suite à la mise en œuvre du GPS par les États-Unis, d'autres pays ont également développé des systèmes de navigation par satellite propriétaires, qui comprennent :

• Développé parallèlement au GPS, le système mondial de navigation par satellite russe (GLONASS) a initialement connu une couverture mondiale incomplète jusqu'au milieu des années 2000. L'intégration de la réception GLONASS avec le GPS dans un seul récepteur peut donner accès à des satellites supplémentaires, facilitant ainsi des déterminations de position plus rapides et améliorant la précision jusqu'à deux mètres (6,6 pieds). En octobre 2011, la constellation orbitale complète de 24 satellites atteignait une couverture mondiale complète. La conception des satellites GLONASS a subi de nombreuses améliorations, la dernière itération, GLONASS-K2, étant lancée en 2023.
• Le système chinois de navigation par satellite BeiDou a commencé ses opérations mondiales en 2018 et a été entièrement déployé en 2020. Ce système comprend des satellites positionnés dans trois configurations orbitales distinctes : 24 satellites en orbite de cercle moyen, offrant une couverture mondiale ; 3 satellites en orbites géosynchrones inclinées, desservant la région Asie-Pacifique ; et 3 satellites en orbites géostationnaires, couvrant spécifiquement la Chine.
• Le système de navigation par satellite Galileo, une initiative mondiale développée par l'Union européenne et ses pays partenaires, est devenu opérationnel en 2016 et a atteint son déploiement complet en 2020. En novembre 2018, la Federal Communications Commission (FCC) a autorisé l'utilisation de Galileo aux États-Unis. En septembre 2024, la constellation comprend 25 satellites opérationnels. La génération suivante de satellites devrait commencer ses opérations après 2026, remplaçant la génération initiale, qui servira alors d'actifs de secours.
• Le système satellite Quasi-Zenith (QZSS) du Japon fonctionne comme un système d'augmentation par satellite GPS, conçu pour améliorer la précision du GPS dans la région Asie-Océanie. Des capacités indépendantes de navigation par satellite, distinctes du GPS, devraient être opérationnelles d'ici 2023.
• L'Inde a mis en œuvre le système régional indien de navigation par satellite, désigné opérationnellement sous le nom de "NavIC" (Navigation with Indian Constellation).

Système de redondance

Si des conditions météorologiques spatiales défavorables ou le déploiement d'une arme antisatellite compromettaient la fonctionnalité du GPS, les États-Unis ne disposent actuellement pas d'un système de secours terrestre. L’impact économique d’un tel événement sur l’économie américaine est estimé à 1 milliard de dollars par jour. Le système LORAN-C a été mis hors service en Amérique du Nord en 2010 et en Europe en 2015. Bien qu'eLoran ait été proposé comme système de secours terrestre pour les États-Unis, il n'avait pas obtenu d'approbation ou de financement en 2024.

La Chine maintient des émetteurs LORAN-C opérationnels, tandis que la Russie utilise un système comparable connu sous le nom de CHAYKA (« Mouette »).

Annotations

Remarques

Références bibliographiques

"Présentation de l'équipement utilisateur du GPS NAVSTAR" (PDF). Garde côtière des États-Unis. Septembre 1996. Archivé de l'original (PDF) le 21 octobre 2013. Récupéré le 22 août 2008.

• "Présentation de l'équipement utilisateur du GPS NAVSTAR" (PDF). Garde côtière des États-Unis. Septembre 1996. Archivé de l'original (PDF) le 21 octobre 2013. Consulté le 22 août 2008.Parkinson ; Spilker (1996). Le système de positionnement global. Institut américain d'aéronautique et d'astronautique. ISBN 978-1-56347-106-3.Mendizabal, Jaizki ; Berenguer, Roc; Melendez, Juan (2009). GPS et Galilée. McGraw Hill. ISBN 978-0-07-159869-9.Bowditch, Nathaniel (2002). The American Practical Navigator – Chapitre 11 Navigation par satellite . Gouvernement des États-Unis.Milner, Greg (2016). Pinpoint : Comment le GPS change la technologie, la culture et notre esprit. WW Norton. ISBN 978-0-393-08912-7.
  • FAQ GPS de la FAA
  • GPS.gov – Site Web d'éducation grand public créé par le gouvernement américain