Principe de fonctionnement d’un GPS :

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Comprendre le principe de fonctionnement d’un GPS (Global Positioning System) aide à apprécier les qualités de ce petit bijou de technologie, maintenant très largement diffusé :
Ne le retrouve-t-on pas dans la plupart de nos voitures et téléphones ?
Ce petit article a pour objectif de vous permettre de mieux comprendre :

  • les avantages (seul moyen de s’orienter dans un épais brouillard), mais aussi
  • ses limites et ainsi mieux relativiser les informations transmises.

Fin des années 60 : le Président Nixon confie à l’armée américaine de mettre en place un groupe de Satellites permettant les relevés géodésiques sur la planète.
Entre 1978 et 1995 : 24 satellites seront lancés.

1983 : le Président Ronald REAGAN, suite au crash aérien d’un vol de la Korean Air Lines (269 morts), met à disposition gratuitement aux civils la technologie GPS.
Le signal est dans un 1er temps partiellement dégradé pour des raisons de stratégies militaires
(précision d’une centaine de mètres pour un usage civil).

2000 : Le président Clinton permet une diffusion de l’information GPS sans aucune restriction pour un usage civil portant la précision à quelques dizaines de mètres.
Des restrictions persistent pour un GPS embarqué qui volerait au dessus d’une certaine altitude et d’une certaine vitesse (afin d’éviter un usage avec des missiles).

Début des années 2000 : l’Europe débute la mise en place de son propre système : GALILEO (22 Satellites en 2020)
et la Chine : le BEIDOU (une trentaine de Satellites actuellement).
Parallèlement la Russie à développer son propre système (projet initié dans les années 1980) : Le GLONASS.




Les 24 Satellites du système GPS positionnés sur orbites à 20 183 Km d’altitude autour de la terre sont synchronisés par une horloge atomique (T.A.I.) et renvoient cette heure par ondes Radio UHF.

Notre GPS est un simple récepteur qui reçoit les heures émises par les différents Satellites avec plus ou moins de retard.
Le retard** enregistré étant proportionnel à l’éloignement, il lui est alors possible, par triangulation, de connaître sa position.
Comme il s’agit d’une équation à 4 inconnues :

  • X : la latitude
  • Y : la longitude
  • Z : l’altitude
  • T : le temps (heure réelle),

Il est nécessaire de disposer d’au moins 4 satellites “visibles” par le GPS pour nous localiser !

** Remarque : pour un satellite qui serait juste au dessus de notre tête, la vitesse de propagation (dans le vide) des ondes radio est de 300 000 Km/s (plus lente dans l’atmosphère). Donc pour une altitude de 20 000 Km du satellite, le retard le plus faible possible est de 15 secondes, 30 secondes si le satellite est 2 fois plus loin…..

Latitude – Longitude : la précision du positionnement est de 3 à 5 mètres pour les satellites GPS, un peu moins bonne pour la constellation Glonass et de l’ordre d’1 mètre pour Galileo, notamment grâce à des horloges atomiques embarquées sur chaque satellite plus récentes.
Une plus ou moins grande précision étant bien sur fonction du nombre de satellites reçus ainsi que de leurs répartitions dans l’espace par rapport à vous.

Astuces : tout comme l’excellente application pour SmartPhone Flight Radar 24 qui vous permet d’identifier les avions qui volent au dessus de vos têtes (origine, compagnie, destination, etc… : amusant en randonnée !!), des applications comme GPS Status & Tools vous permettent de connaître les satellites en acquisition et leurs positions et permettrait également de “réparer” certains mobiles poussifs dans ce domaine (non testé).

  • H = Altitude Orthométrique = Hauteur par rapport au niveau de la mer (prise en compte de la gravité). La surface décrit un Géoïde – Géoïde = Ligne (surface) d’iso-gravité).
    Pour comprendre : Profil que décrirait la surface de l’eau immobile d’un canal creusé sous la terre. Le principe des altimètres barométriques se rapproche de cette notion.
  • HAE = Altitude au dessus d’une Ellipsoïde (prise en compte de la forme “globale” de la terre). La surface décrit une ellipse. Le principe des GPS (orbite satellitaire) se rapproche de cette notion.
  • N= Valeur de Compensation = Ondulation du Géoïde
    Rq : pour avoir un ordre d’idée, la valeur de N se situe dans un intervalle de +/- 100 m !).
    Pour en savoir plus, cet article presque lisible pour les non spécialistes !

Par contre pour l’altitude, le calcul n’est pas aussi précis : de l’ordre de 10 m.
Cela pour différentes raisons :

  • Une erreur d’epsilon dans le calcul trigonométrique est source de plus de marge de dérive !
  • la terre n’est pas (parfaitement) ronde ! Le calcul de l’altitude par rapport au centre de la terre et au niveau de la mer est différent : Si l’altitude était calculée en fonction du centre de la terre, c’est le Volcan Chimborazo en Equateur qui serait le sommet du monde et non l’Everest !
  • La référence est le niveau de la mer, mais c’est une valeur moyenne : variation en fonction :
    • La journée des marées !
    • En saison par ex. la mousson (conséquente masse d’eau dans l’atmosphère)
    • Sur le temps : montée des eaux du fait du réchauffement climatique !
    • La topographie sous-marine induit un relief à la surface de l’eau
      (cf notion de géoïde ci-contre)
  • En France, on a bien compris que c’était compliqué puisque on a confié à des Marseillais le soin d’établir la valeur de référence de l’altitude au niveau de la mer ! 😉 😉 (pour en savoir plus : quelques informations sur le marégraphe de Marseille ici).
  • Ainsi pour chaque pays l’altitude 0 n’est pas au même niveau, cela du fait du choix d’un point de référence à des endroits différents du géoïde
    Par exemple :
    • Allemagne de l’Ouest : à Amsterdam sur la mer du Nord : Cote NN (Normal-Null)
    • Allemagne de l’Est (avant réunification) : à Kronstadt sur la Baltique => – 14 cm sous NN
    • Autriche : Port de Trieste sur l’Adriatique => – 27 cm sous NN

Petite question : altitude actuelle du Mont Blanc ? : il me semble que tous ne sont pas d’accord 😉

On comprend donc que le calcul de la Dénivelée cumulée par un GPS n’est pas la meilleure méthode (cf article correspondant).

Le GPS est utile aux randonneurs à 2 moments :

  • En cours de randonnée (cf article usage du GPS en cours de randonnée) : pour s’orienter il n’est jamais vraiment pris en défaut si…..
    • l’appareil est en bon ordre de marche, qu’il est correctement alimenté par une batterie chargée, etc…
    • La trace ou les P.O.I. qui servent de référence sont fiables (cas de trace construite au bureau, sur l’ordinateur ne prenant pas en compte des contraintes de terrain (végétation infranchissable, crevasses, etc…)
    • De plus, si votre appareil vous permet de disposer d’une cartographie** embarquée précise et de qualité (comme le sont les cartes IGN au 1:25 000 ème), la fonction GPS vous ajoutera votre position sur la carte, la trace déjà parcourue et celle restant à faire. Ainsi, vous serez conforter de faire une bonne lecture de la carte par rapport à ce que vous observez sur le terrain !! 😉
      ** Carte téléchargée avant la randonnée dans la mémoire de l’appareil 😉
  • Après la randonnée : lors de la récupération de la Trace enregistrée et des données biométriques de la randonnée : distance parcourue, Alt max, Alt. min., D+, D-.
    Dans ce cas les problèmes sont plus fréquents souvent liés à une progression dans des zones de mauvaises réceptions……

Les zones de mauvaises réceptions :

  • Si en cours de randonnée vous visitez un lieu fermé : musée, église, grotte, etc… Je vous recommande de mettre alors votre GPS en pause car vous risquez d’avoir un enregistrement totalement aberrant, ce qui rendra inexploitable des données comme la distance parcourue ou les dénivelées cumulées.
  • En zone de forêt humide (canopée de la forêt équatoriale en saison des pluies), l’acquisition de satellites peut être ralentie (lorsque je vivais en Guyane dans les années 2000, donc avec les GPS de 1ères générations, il n’était pas recommandé de se fier à eux pour se promener en forêt !).
  • L’effet canyon : qu’il soit géologique ou urbain. 2 exemples vécus : sous le pont du Gard ou encore lors d’une randonnée dans une des gorges les plus profondes d’Europe : le canyon de GORROPU en Sardaigne (450 m de profondeur : photos et traces ici). Je vous livre ci-dessous l’allure de ma trace brute : les points aberrants étant liés aux difficultés d’acquisition du signal et à un phénomène de réverbération.
  • La présentation du résultat obtenu après digestion par l’application Open Runner introduit le rôle joué par les applications qui exploitent nos fichiers GPX (OpenRunner, Iphigénie, VisoRando, VisuGPX, BaseCamp, TwoNav, etc… etc…) sujet que je développe plus largement dans le chapitre suivant : calcul de Dénivelée cumulée !!
  • Pour minimiser ces imprécisions, ainsi que les facteurs perturbants suscités, se développent des applications utilisant conjointement un positionnement via les réseaux Wifi (pour la localisation dans les endroits fermés) ou encore les antennes relais. Une configuration aboutie (également pour des raisons de sécurité) étant des antennes relais spécifiques près des aéroports pour les avions en approche (système ILS).
Gorropu : Trace brute visualisée sur Google Earth
Gorropu : Trace après traitement suite à son importation dans Open Runner