Je pense que le GPS est l'une des innovations les plus importantes du 20e siècle ; l'idée de pouvoir connaître instantanément sa position parfaite sur la terre (en termes de mètres) sans avoir besoin de faire des calculs longs et complexes, est quelque chose qui, il y a seulement 50 ans, était un "rêve".

De nos jours, nous sommes tellement immergés dans la technologie que nous ne nous soucions pas de son fonctionnement, et le GPS en est un exemple typique : J'appuie sur un bouton et ma position apparaît sur une carte. D'accord, c'est simple. Mais comment cela est-il possible ? Cet article va tenter de l'expliquer.

Les principes de base

Le terme Global Positioning System (GPS) désigne aujourd'hui de nombreux systèmes différents (GPS aux États-Unis, Galileo en Europe, GLONASS en Russie, ...) qui reposent tous sur la même idée originale développée par le ministère américain de la défense en 1973 et qui consiste en une constellation de satellites envoyant des signaux radio et un récepteur GPS capable de calculer la distance qui le sépare de chaque satellite. Connaissant la position exacte de chaque satellite et la distance qui les sépare, le récepteur GPS est capable de calculer (triangulation) votre position à ce moment précis. Au minimum, quatre satellites doivent être en vue (les obstacles tels que les montagnes et les bâtiments bloquent les signaux GPS relativement faibles) du récepteur pour qu'il puisse calculer la position.

Le concept est que chaque satellite porte une horloge atomique très stable et transmet en permanence un signal radio contenant l'heure actuelle et des données sur sa position. La vitesse des ondes radio étant constante et indépendante de la vitesse du satellite, le délai entre le moment où le satellite émet un signal et celui où le récepteur le reçoit est proportionnel à la distance entre le satellite et le récepteur.

Le GPS est une évolution de systèmes de radionavigation terrestres similaires, tels que le LORAN et le Decca Navigator. Il était à l'origine réservé à l'usage de l'armée américaine, puis ouvert à l'usage civil, même si, au cours des années 1990, la qualité du GPS a été dégradée par le gouvernement américain dans le cadre d'un programme appelé "Selective Availability" (qui a finalement été supprimé le 1er mai 2000).

Démarrage à froid/à chaud

Lorsque le GPS a été mis au point, les réseaux mobiles n'existaient pas encore, de sorte que le GPS est un système indépendant. Comme indiqué précédemment, chaque satellite GPS transmet des données sur sa position. Cela signifie qu'il envoie la description mathématique de son orbite au récepteur pour calculer sa position précise à chaque instant. Ces données sont appelées "éphémérides" et sont essentielles pour que le récepteur GPS puisse effectuer ses calculs internes, mais elles sont également utilisées pour déterminer la position du satellite dans le ciel.

Lorsque vous allumez un récepteur GPS pour la première fois, il ne sait pas où il se trouve, quels sont les satellites en vue et où ils se trouvent dans le ciel. Il commence donc à les rechercher et cette procédure peut être assez longue, appelée "démarrage à froid", et se termine lorsque le récepteur est capable de détecter au moins 4 satellites dans le ciel, de recevoir leurs "éphémérides" et de calculer enfin sa position. Cette procédure peut durer jusqu'à 10 minutes, surtout pour une première mise en marche, mais peut facilement durer 2 à 3 minutes pour toute mise en marche qui se produit assez loin de l'endroit où la mise hors tension a été effectuée.

Inversement, si vous allumez le récepteur GPS à l'endroit même où vous l'avez éteint, le temps nécessaire à la détermination de la position est réduit à quelques secondes, ce que l'on appelle le "démarrage à chaud". Attention, si vous allumez le récepteur GPS dans un endroit où aucun satellite n'est visible (par exemple votre garage) et que vous y restez pendant un certain temps, le récepteur GPS peut penser qu'il a besoin d'un démarrage à froid (parce qu'il n'est pas en mesure de trouver un satellite).

Au fil du temps, la "lenteur" susmentionnée a été partiellement réduite grâce à l'introduction de récepteurs GPS dotés de plusieurs "canaux", capables de rechercher simultanément plusieurs satellites à la fois (de 4-5 à l'origine à 12-20 actuellement).

Précision du GPS

En dehors de la phase de "disponibilité sélective", au cours de laquelle la précision du GPS a été dégradée par le gouvernement américain à environ 100 mètres, le GPS a été conçu pour avoir (en cas de visibilité parfaite des satellites) une précision d'environ cinq mètres (16 pieds), les dernières générations de GPS visant une précision de quelques décimètres.

Il est évident que la précision de 5 mètres est théorique et que de nombreux facteurs peuvent influer sur la précision du GPS ; pour résumer, nous pouvons diviser ces facteurs en deux catégories principales : la qualité du récepteur et la qualité du signal des satellites.

La qualité du récepteur est un aspect souvent oublié, notamment en ce qui concerne la qualité de l'antenne et le positionnement. Si l'on prend l'exemple d'un bateau, le fait d'avoir une antenne GPS externe dédiée sur le toit du bateau ou d'utiliser l'antenne GPS de votre appareil lorsqu'il se trouve sous le pont peut conduire à des précisions GPS très différentes. Il peut également y avoir des différences dans le récepteur GPS lui-même (par exemple, le nombre de canaux), mais ce composant est de plus en plus normalisé de nos jours.

Le second problème est beaucoup plus vaste, car presque tout ce qui se trouve entre l'antenne du récepteur GPS et les satellites a une incidence sur la précision. Actuellement (pour le GPS américain), il y a 27 satellites en fonctionnement, de sorte que 9 satellites sont généralement visibles depuis n'importe quel point du sol à tout moment, ce qui garantit une redondance considérable par rapport aux 4 satellites minimum nécessaires pour une position. Néanmoins, étant donné que la plupart des matériaux "solides" bloquent le signal GPS, il n'est pas rare d'avoir peu de satellites en vue, en particulier dans des zones telles que les montagnes et les villes, et par conséquent une précision relativement mauvaise. Ce ne sont pas seulement les matériaux épais et solides qui peuvent causer des problèmes au signal GPS relativement faible, mais même le fait d'être sous les feuilles ou dans un ciel nuageux peut diminuer la précision du GPS.

L'un des problèmes que vous pouvez rencontrer avec le GPS est que, même si vous ne vous déplacez pas (et avec une bonne précision générale), la position du GPS "bouge autour de vous". Le récepteur GPS n'a aucun moyen de savoir si vous vous déplacez ou non, si ce n'est en regardant le signal des satellites, de sorte que toute fluctuation des signaux peut entraîner le calcul d'une position différente même si vous ne vous déplacez pas, en "sautant" d'une position à l'autre (vous pouvez également avoir un saut de 20 à 30 mètres).

Quoi qu'il en soit, pour obtenir de meilleures positions, lorsque vous utilisez un appareil équipé d'une antenne GPS, essayez de le garder à ciel ouvert autant que possible, en évitant de le "cacher" quelque part (par exemple, le fait de l'avoir dans la poche peut entraîner une moins bonne précision).

GPS sur mobile

La plupart des appareils mobiles actuels sont équipés d'un récepteur GPS (avec antenne), mais, comme indiqué précédemment, le GPS a été développé comme un système indépendant ; il ne nécessite donc pas que l'utilisateur transmette des données et fonctionne indépendamment de toute connexion téléphonique ou internet.

Ainsi, conceptuellement, le récepteur GPS ne tire aucun avantage de sa présence sur un appareil mobile, mais le mécanisme global de localisation, lui, en tire parti.

Tout d'abord, si votre appareil est connecté à l'internet, il peut télécharger les "éphémérides" nécessaires pour localiser les satellites GPS et les injecter dans le récepteur GPS afin de réduire considérablement le démarrage à froid (voir le paragraphe "Démarrage à froid/à chaud").

Ensuite, votre appareil peut utiliser les réseaux 3G/4G/5G et wifi pour calculer une position approximative et la "communiquer" au récepteur GPS, améliorant ainsi sa capacité à localiser les satellites dans le ciel et réduisant la phase de démarrage. Grâce à cette localisation grossière, l'appareil peut également réduire sa consommation d'énergie (en désactivant le récepteur GPS lorsqu'il n'est pas nécessaire), améliorer la précision lorsque la précision du GPS est mauvaise (typiquement dans les villes où il y a beaucoup de réseaux WiFi) et fournir également une localisation grossière au cas où l'appareil n'aurait pas de récepteur GPS.

Comme nous l'avons vu, ces informations supplémentaires permettent une localisation rapide et fiable, mais il faut garder à l'esprit que, même dans les zones dépourvues de réseau supplémentaire, il est possible d'obtenir une bonne localisation en utilisant uniquement le signal GPS.

Cette rapide plongée dans la technologie GPS étant terminée, permettez-moi de récapituler mes suggestions personnelles pour l'utilisation d'un GPS sur votre bateau :

1. si possible, utilisez une antenne externe sur le toit de votre bateau
2. lorsque vous utilisez un appareil mobile doté d'un GPS interne, ne le cachez pas dans vos poches, vos tiroirs ou d'autres endroits "cachés". Restez autant que possible à ciel ouvert
3. faites attention à la consommation d'énergie lorsque le GPS est activé, cela pourrait épuiser votre batterie

Claudio Bo, équipe Aqua Map.