Que signifie le G dans l'aide à la navigation, généralement connue sous le nom de « GPS » ?
mondial
Le système de positionnement global (GPS), également connu sous le nom de Navstar, est un système mondial de navigation par satellite (GNSS) qui fournit des informations de localisation et d'heure dans toutes les conditions météorologiques, n'importe où sur ou à proximité de la Terre où il y a une ligne de vue dégagée à quatre ou plus de satellites GPS. Le système GPS fonctionne indépendamment de toute réception téléphonique ou Internet, bien que ces technologies puissent améliorer l'utilité des informations de positionnement GPS. Le système GPS offre des capacités de positionnement essentielles aux utilisateurs militaires, civils et commerciaux du monde entier. Le gouvernement des États-Unis a créé le système, le maintient et le rend librement accessible à toute personne possédant un récepteur GPS. Outre le GPS, d'autres systèmes sont utilisés ou en cours de développement. Le système mondial de navigation par satellite russe (GLONASS) a été développé en même temps que le GPS, mais a souffert d’une couverture incomplète du globe jusqu’au milieu des années 2000. Il existe également le système de positionnement Galileo de l'Union européenne, le système de navigation par satellite BeiDou de la Chine, le système de satellite Quasi-Zenith japonais et le système de navigation par satellite régional indien de l'Inde. La conception du GPS est basée en partie sur des systèmes de radionavigation au sol similaires, tels que LORAN et Decca Navigator, développés au début des années 1940 et utilisés par la Royal Navy britannique pendant la Seconde Guerre mondiale. Le ministère américain de la Défense est tenu par la loi de « maintenir un service de positionnement standard (tel que défini dans le plan fédéral de radionavigation et dans les spécifications du signal du service de positionnement standard) qui sera disponible de manière continue et mondiale » et de « développer des mesures pour empêcher l’utilisation hostile du GPS et de ses augmentations sans perturber ou dégrader indûment les utilisations civiles. » * Le 2 mai 2000, la « disponibilité sélective » a été interrompue à la suite du décret de 1996, permettant aux utilisateurs de recevoir un signal non dégradé à l'échelle mondiale. * Ivan Getting, président émérite de The Aerospace Corporation et ingénieur au Massachusetts Institute of Technology, a établi les bases du GPS, améliorant ainsi le système radio terrestre de la Seconde Guerre mondiale appelé LORAN (Long-range Radio Aid to Navigation).
Le système de positionnement global (GPS), également connu sous le nom de Navstar, est un système mondial de navigation par satellite (GNSS) qui fournit des informations de localisation et d'heure dans toutes les conditions météorologiques, n'importe où sur ou à proximité de la Terre où il y a une ligne de vue dégagée à quatre ou plus de satellites GPS. Le système GPS fonctionne indépendamment de toute réception téléphonique ou Internet, bien que ces technologies puissent améliorer l'utilité des informations de positionnement GPS. Le système GPS offre des capacités de positionnement essentielles aux utilisateurs militaires, civils et commerciaux du monde entier. Le gouvernement des États-Unis a créé le système, le maintient et le rend librement accessible à toute personne possédant un récepteur GPS.
Les États-Unis ont lancé le projet GPS en 1973 pour surmonter les limites des systèmes de navigation précédents, en intégrant les idées de plusieurs prédécesseurs, notamment un certain nombre d'études de conception technique classifiées des années 1960. Le département américain de la Défense (DoD) a développé le système, qui utilisait à l'origine 24 satellites. Il est devenu pleinement opérationnel en 1995. Roger L. Easton, Ivan A. Getting et Bradford Parkinson du Laboratoire de physique appliquée sont reconnus pour l'avoir inventé.
Les progrès technologiques et les nouvelles demandes sur le système existant ont maintenant conduit à des efforts pour moderniser le GPS et mettre en œuvre la prochaine génération de satellites GPS Block IIIA et le système de contrôle opérationnel de nouvelle génération (OCX). Les annonces du vice-président Al Gore et de la Maison Blanche en 1998 ont initié ces changements. En 2000, le Congrès américain a autorisé l’effort de modernisation GPS III.
Outre le GPS, d'autres systèmes sont utilisés ou en cours de développement. Le système mondial de navigation par satellite russe (GLONASS) a été développé en même temps que le GPS, mais a souffert d’une couverture incomplète du globe jusqu’au milieu des années 2000. Il existe également le système de positionnement Galileo de l'Union européenne, le système de navigation par satellite BeiDou de la Chine, le système de satellite Quasi-Zenith japonais et le système de navigation par satellite régional indien de l'Inde.
Histoire
La conception du GPS est basée en partie sur des systèmes de radionavigation au sol similaires, tels que LORAN et Decca Navigator, développés au début des années 1940 et utilisés par la Royal Navy britannique pendant la Seconde Guerre mondiale.
En 1956, le physicien germano-américain Friedwardt Winterberg a proposé un test de relativité générale : détecter le ralentissement du temps dans un champ gravitationnel puissant à l'aide d'horloges atomiques précises placées en orbite à l'intérieur de satellites artificiels.
La relativité restreinte et générale prédit que les horloges des satellites GPS seraient vues par les observateurs de la Terre comme fonctionnant 38 microsecondes plus vite par jour que les horloges de la Terre. Les positions calculées par GPS dériveraient rapidement vers des erreurs, accumulant jusqu'à 10 kilomètres par jour. L'effet temporel relativiste des horloges GPS fonctionnant plus rapidement que les horloges terrestres a été corrigé dans la conception du GPS.
Prédécesseurs
L'Union soviétique a lancé le premier satellite artificiel, Spoutnik 1, en 1957. Deux physiciens américains, William Guier et George Weiffenbach, du Laboratoire de physique appliquée (APL) de Johns Hopkins, ont décidé de surveiller les transmissions radio de Spoutnik. En quelques heures, ils ont réalisé que, grâce à l’effet Doppler, ils pouvaient localiser le satellite sur son orbite. Le directeur de l'APL leur a donné accès à leur UNIVAC pour effectuer les calculs lourds nécessaires.
Au printemps suivant, Frank McClure, directeur adjoint de l'APL, demande à Guier et Weiffenbach d'étudier le problème inverse : localiser précisément l'utilisateur, compte tenu de celui du satellite. (À l'époque, la Marine développait le missile Polaris lancé par un sous-marin, ce qui exigeait qu'elle connaisse l'emplacement du sous-marin.) Cela les a amenés, ainsi qu'APL, à développer le système TRANSIT. En 1959, l'ARPA (rebaptisée DARPA en 1972) joue également un rôle dans TRANSIT.
Le premier système de navigation par satellite, TRANSIT, utilisé par la marine américaine, a été testé avec succès pour la première fois en 1960. Il utilisait une constellation de cinq satellites et pouvait fournir un repère de navigation environ une fois par heure.
En 1967, la marine américaine a développé le satellite Timation qui a prouvé sa capacité à placer des horloges précises dans l’espace, une technologie requise par le GPS.
Dans les années 1970, le système de navigation au sol OMEGA, basé sur la comparaison de phase de la transmission des signaux provenant de paires de stations, est devenu le premier système de radionavigation au monde. Les limites de ces systèmes ont rendu nécessaire une solution de navigation plus universelle et plus précise.
Bien qu’il existe de nombreux besoins en matière de navigation précise dans les secteurs militaire et civil, presque aucun d’entre eux n’est considéré comme justifiant les milliards de dollars que cela coûterait en recherche, développement, déploiement et exploitation d’une constellation de satellites de navigation. Durant la course aux armements de la guerre froide, la menace nucléaire pesant sur l’existence des États-Unis était la seule nécessité qui justifiait ce coût aux yeux du Congrès américain. Cet effet dissuasif est la raison pour laquelle le GPS a été financé. C'est aussi la raison de l'ultra secret qui régnait à cette époque. La triade nucléaire était composée de missiles balistiques lancés par des sous-marins (SLBM) de la marine américaine, de bombardiers stratégiques de l'armée de l'air américaine (USAF) et de missiles balistiques intercontinentaux (ICBM). Considérée comme vitale pour la posture de dissuasion nucléaire, la détermination précise de la position de lancement des SLBM constituait un multiplicateur de force.
Une navigation précise permettrait aux sous-marins lance-missiles balistiques américains de déterminer avec précision leurs positions avant de lancer leurs SLBM. L'USAF, qui représente les deux tiers de la triade nucléaire, avait également besoin d'un système de navigation plus précis et plus fiable. La Marine et l’Armée de l’Air développaient en parallèle leurs propres technologies pour résoudre ce qui était essentiellement le même problème.
Pour augmenter la capacité de survie des ICBM, il a été proposé d'utiliser des plates-formes de lancement mobiles (telles que les SS-24 et SS-25 russes), de sorte que la nécessité de fixer la position de lancement était similaire à la situation des SLBM.
En 1960, l'Air Force a proposé un système de radionavigation appelé MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control) qui était essentiellement un LORAN 3D. Une étude de suivi, le Projet 57, a été réalisée en 1963 et c'est « dans cette étude que le concept GPS est né ». La même année, le concept a été poursuivi sous le nom de Projet 621B, qui possédait « de nombreux attributs que vous voyez maintenant dans le GPS » et promettait une précision accrue pour les bombardiers de l'Air Force ainsi que pour les ICBM.
Les mises à jour du système Navy TRANSIT étaient trop lentes pour les vitesses élevées des opérations de l'Air Force. Le Laboratoire de recherche navale a poursuivi ses progrès avec ses satellites de synchronisation (navigation temporelle), lancés pour la première fois en 1967, et avec le troisième en 1974 transportant la première horloge atomique en orbite.
Un autre prédécesseur important du GPS provenait d’une autre branche de l’armée américaine. En 1964, l’armée américaine a mis en orbite son premier satellite SECOR (Sequential Collation of Range) utilisé pour les levés géodésiques. Le système SECOR comprenait trois émetteurs au sol provenant d'emplacements connus qui enverraient des signaux au transpondeur satellite en orbite. Une quatrième station au sol, située à une position indéterminée, pourrait alors utiliser ces signaux pour déterminer sa position avec précision. Le dernier satellite SECOR a été lancé en 1969.
Des décennies plus tard, au cours des premières années du GPS, la topographie civile est devenue l'un des premiers domaines à utiliser la nouvelle technologie, car les géomètres pouvaient tirer parti des signaux de la constellation GPS, encore incomplète, des années avant qu'elle ne soit déclarée opérationnelle. Le GPS peut être considéré comme une évolution du système SECOR dans lequel les émetteurs au sol ont été migrés en orbite.
Développement
Avec ces développements parallèles dans les années 1960, on s'est rendu compte qu'un système supérieur pouvait être développé en synthétisant les meilleures technologies du 621B, Transit, Timation et SECOR dans un programme multiservice.
Pendant le week-end de la Fête du Travail en 1973, une douzaine d'officiers militaires se sont réunis au Pentagone pour discuter de la création d'un système de navigation par satellite de défense (DNSS). C’est lors de cette rencontre que fut créée la véritable synthèse qui deviendra le GPS. Plus tard cette année-là, le programme DNSS a été nommé Navstar, ou système de navigation utilisant le timing et la télémétrie. Les satellites individuels étant associés au nom Navstar (comme pour les prédécesseurs Transit et Timation), un nom plus complet a été utilisé pour identifier la constellation de satellites Navstar, Navstar-GPS. Dix prototypes de satellites « Bloc I » ont été lancés entre 1978 et 1985 (un prototype ayant été détruit lors d'un échec de lancement).
Après que le vol 007 de Korean Air Lines, un Boeing 747 transportant 269 personnes, ait été abattu en 1983 après s'être égaré dans l'espace aérien interdit de l'URSS, à proximité des îles Sakhaline et Moneron, le président Ronald Reagan a publié une directive rendant le GPS librement accessible pour un usage civil. une fois suffisamment développé, comme bien commun. Le premier satellite du bloc II a été lancé le 14 février 1989 et le 24e satellite a été lancé en 1994. Le coût du programme GPS à ce stade, sans compter le coût de l'équipement utilisateur, mais incluant les coûts de lancement des satellites, a été estimé à environ 5 milliards de dollars américains (en dollars de l’année). Roger L. Easton est largement reconnu comme le principal inventeur du GPS.
Initialement, le signal de la plus haute qualité était réservé à un usage militaire, et le signal disponible pour un usage civil était intentionnellement dégradé (disponibilité sélective). Cela a changé lorsque le président Bill Clinton a signé une directive politique en 1996 pour désactiver la disponibilité sélective en mai 2000 afin de fournir aux civils la même précision que celle accordée aux militaires. La directive a été proposée par le secrétaire américain à la Défense, William Perry, en raison de la croissance généralisée des services GPS différentiels destinés à améliorer la précision civile et à éliminer l’avantage militaire américain. De plus, l’armée américaine développait activement des technologies permettant de refuser le service GPS à des adversaires potentiels sur une base régionale.
Depuis son déploiement, les États-Unis ont apporté plusieurs améliorations au service GPS, notamment de nouveaux signaux à usage civil et une précision et une intégrité accrues pour tous les utilisateurs, tout en maintenant la compatibilité avec les équipements GPS existants. La modernisation du système satellitaire est une initiative continue du département américain de la Défense à travers une série d'acquisitions de satellites pour répondre aux besoins croissants des militaires, des civils et du marché commercial.
Depuis début 2015, les récepteurs GPS SPS (Standard Positioning Service) de haute qualité, de qualité FAA, offrent une précision horizontale supérieure à 3,5 mètres, bien que de nombreux facteurs tels que la qualité du récepteur et les problèmes atmosphériques puissent affecter cette précision.
Le GPS appartient et est exploité par le gouvernement des États-Unis en tant que ressource nationale. Le ministère de la Défense est le gestionnaire du GPS. Le Conseil exécutif interagences du GPS (IGEB) a supervisé les questions de politique relative au GPS de 1996 à 2004. Après cela, le Comité exécutif national de positionnement, de navigation et de synchronisation spatiale a été créé par directive présidentielle en 2004 pour conseiller et coordonner les ministères et agences fédéraux sur les questions concernant le GPS. et systèmes associés. Le comité exécutif est présidé conjointement par les secrétaires adjoints à la défense et aux transports. Ses membres comprennent des fonctionnaires de niveau équivalent des départements d'État, du Commerce et de la Sécurité intérieure, des chefs d'état-major interarmées et de la NASA. Les éléments du bureau exécutif du président participent en tant qu'observateurs au comité exécutif, et le président de la FCC participe en tant qu'agent de liaison.
Le ministère américain de la Défense est tenu par la loi de « maintenir un service de positionnement standard (tel que défini dans le plan fédéral de radionavigation et dans les spécifications du signal du service de positionnement standard) qui sera disponible de manière continue et mondiale » et de « développer des mesures pour empêcher l’utilisation hostile du GPS et de ses augmentations sans perturber ou dégrader indûment les utilisations civiles. »
Chronologie et modernisation
* En 1972, l'installation centrale d'essais de guidage inertiel de l'USAF (Holloman AFB) a effectué des essais en vol de développement de deux prototypes de récepteurs GPS au-dessus du champ de tir de missiles White Sands, en utilisant des pseudo-satellites basés au sol.
* En 1978, le premier satellite GPS expérimental Block-I a été lancé.
* En 1983, après que l'avion intercepteur soviétique a abattu l'avion de ligne civil KAL 007 qui s'était égaré dans un espace aérien interdit en raison d'erreurs de navigation, tuant les 269 personnes à bord, le président américain Ronald Reagan a annoncé que le GPS serait mis à disposition pour des usages civils une fois qu'il serait terminé. , bien qu'il ait été précédemment publié [dans le magazine Navigation] que le code CA (Coarse Acquisition code) serait disponible pour les utilisateurs civils.
* En 1985, dix autres satellites expérimentaux Block-I avaient été lancés pour valider le concept.
* À partir de 1988, le commandement et le contrôle de ces satellites ont été transférés d'Onizuka AFS, en Californie, au 2e Escadron de contrôle des satellites (2SCS) situé à la Falcon Air Force Station à Colorado Springs, Colorado.
* Le 14 février 1989, le premier satellite moderne Block-II a été lancé.
* La guerre du Golfe de 1990 à 1991 a été le premier conflit au cours duquel l'armée a largement utilisé le GPS.
* En 1991, un projet visant à créer un récepteur GPS miniature s'est terminé avec succès, remplaçant les anciens récepteurs militaires par un récepteur portable.
* En 1992, la 2ème Space Wing, qui gérait à l'origine le système, fut inactivée et remplacée par la 50ème Space Wing.
* En décembre 1993, le GPS a atteint sa capacité opérationnelle initiale (IOC), indiquant qu'une constellation complète (24 satellites) était disponible et fournissant le service de positionnement standard (SPS).
* La pleine capacité opérationnelle (FOC) a été déclarée par le Commandement spatial de l'Air Force (AFSPC) en avril 1995, ce qui signifie la pleine disponibilité du service de positionnement précis (PPS) sécurisé de l'armée.
* En 1996, reconnaissant l'importance du GPS pour les utilisateurs civils ainsi que pour les utilisateurs militaires, le président américain Bill Clinton a publié une directive politique déclarant le GPS un système à double usage et créant un conseil exécutif interagences du GPS pour le gérer comme un bien national.
* En 1998, le vice-président des États-Unis, Al Gore, a annoncé son intention de mettre à niveau le GPS avec deux nouveaux signaux civils pour améliorer la précision et la fiabilité des utilisateurs, notamment en ce qui concerne la sécurité aérienne. En 2000, le Congrès des États-Unis a autorisé cet effort, le qualifiant de GPS III. .
* Le 2 mai 2000, la « disponibilité sélective » a été interrompue à la suite du décret de 1996, permettant aux utilisateurs de recevoir un signal non dégradé à l'échelle mondiale.
* En 2004, le gouvernement des États-Unis a signé un accord avec la Communauté européenne établissant une coopération liée au GPS et au projet européen Galileo.
* En 2004, le président des États-Unis, George W. Bush, a mis à jour la politique nationale et remplacé le conseil d'administration par le Comité exécutif national pour le positionnement, la navigation et le timing spatiaux.
* Novembre 2004, Qualcomm a annoncé des tests réussis de GPS assisté pour téléphones mobiles.
* En 2005, le premier satellite GPS modernisé a été lancé et a commencé à transmettre un deuxième signal civil (L2C) pour améliorer les performances des utilisateurs.
* Le 14 septembre 2007, le système de contrôle du segment sol vieillissant 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 tomber en panne dès 2010.
* Le 21 mai 2009, l'Air Force Space Command a apaisé les craintes d'une panne du GPS en déclarant : « Il n'y a qu'un faible risque 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 provoqué une incompatibilité logicielle avec 8 000 à 10 000 récepteurs militaires fabriqués par une division de Trimble Navigation Limited de Sunnyvale, en Californie.
* Le 25 février 2010, l'US Air Force a attribué le contrat pour développer le système de contrôle opérationnel de nouvelle génération (OCX) du GPS afin d'améliorer la précision et la disponibilité des signaux de navigation GPS et de constituer un élément essentiel de la modernisation du GPS.
Prix
Le 10 février 1993, la National Aeronautic Association a sélectionné l'équipe GPS comme lauréate du Trophée Robert J. Collier 1992, la récompense aéronautique la plus prestigieuse du pays. Cette équipe regroupe des chercheurs du Naval Research Laboratory, de l’USAF, de l’Aerospace Corporation, de Rockwell International Corporation et d’IBM Federal Systems Company. La citation les honore « pour le développement le plus important 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 ».
Deux développeurs de GPS ont reçu le prix Charles Stark Draper de la National Academy of Engineering en 2003 :
* Ivan Getting, président émérite de The Aerospace Corporation et ingénieur au Massachusetts Institute of Technology, a établi les bases du GPS, améliorant ainsi le système radio terrestre de la Seconde Guerre mondiale appelé LORAN (Long-range Radio Aid to Navigation).
* Bradford Parkinson, professeur d'aéronautique et d'astronautique à l'Université de Stanford, a conçu le système satellitaire actuel au début des années 1960 et l'a développé en collaboration avec l'US Air Force. Parkinson a servi vingt et un ans dans l'armée de l'air, de 1957 à 1978, et a pris sa retraite avec le grade de colonel.
Le développeur GPS Roger L. Easton a reçu la Médaille nationale de la technologie le 13 février 2006.
Francis X. Kane (Col. USAF, à la retraite) a été intronisé au Temple de la renommée des pionniers de l'espace et des missiles de l'US Air Force à Lackland A.F.B., San Antonio, Texas, le 2 mars 2010 pour son rôle dans le développement de la technologie spatiale et la conception technique. concept de GPS réalisé dans le cadre du Projet 621B.
En 1998, la technologie GPS a été intronisée au Temple de la renommée de la technologie spatiale de la Space Foundation.
Le 4 octobre 2011, la Fédération astronautique internationale (IAF) a décerné au système de positionnement global (GPS) son prix du 60e anniversaire, nommé par un membre de l'IAF, l'American Institute for Aeronautics and Astronautics (AIAA). Le Comité des distinctions et récompenses de l'IAF a reconnu le caractère unique du programme GPS et le rôle exemplaire qu'il a joué dans l'établissement d'une collaboration internationale au profit de l'humanité.
Concept de base du GPS
Fondamentaux
Le concept GPS est basé sur le temps et la position connue de satellites spécialisés. Les satellites transportent des horloges atomiques très stables, synchronisées entre elles et avec les horloges au sol. Toute dérive par rapport à l’heure réelle maintenue au sol est corrigée quotidiennement. De même, les emplacements des satellites sont connus avec une grande précision. Les récepteurs GPS ont également des horloges ; cependant, ils ne sont pas synchronisés avec l’heure réelle et sont moins stables. Les satellites GPS transmettent en permanence leur heure et leur position actuelles. Un récepteur GPS surveille plusieurs satellites et résout des équations pour déterminer la position précise du récepteur et son écart par rapport à l'heure réelle. Au minimum, quatre satellites doivent être en vue du récepteur pour que celui-ci puisse calculer quatre quantités inconnues (trois coordonnées de position et un écart d'horloge par rapport à l'heure du satellite).
Description plus détaillée
Chaque satellite GPS diffuse en permanence un signal (onde porteuse avec modulation) qui comprend :
* Un code pseudo-aléatoire (séquence de uns et de zéros) connu du récepteur. En alignant dans le temps une version du code générée par le récepteur et la version mesurée par le récepteur, l'heure d'arrivée (TOA) d'un point défini dans la séquence de code, appelé époque, peut être trouvée sur l'échelle de temps de l'horloge du récepteur.
* Un message qui inclut l'heure de transmission (TOT) de l'époque du code (dans l'échelle de temps du système GPS) et la position du satellite à ce moment-là
Conceptuellement, le récepteur mesure les TOA (selon sa propre horloge) de quatre signaux satellite. À partir des TOA et des TOT, le récepteur forme quatre valeurs de temps de vol (TOF), qui sont (compte tenu de la vitesse de la lumière) approximativement équivalentes aux différences de portée récepteur-satellite. Le récepteur calcule ensuite sa position tridimensionnelle et son écart d'horloge à partir des quatre TOF.
En pratique, la position du récepteur (en coordonnées cartésiennes tridimensionnelles avec origine au centre de la Terre) et le décalage de l'horloge du récepteur par rapport à l'heure GPS sont calculés simultanément, en utilisant les équations de navigation pour traiter les TOF.
L'emplacement de la solution centrée sur la Terre du récepteur est généralement converti en latitude, longitude et hauteur par rapport à un modèle terrestre ellipsoïdal. La hauteur peut ensuite être convertie en hauteur par rapport au géoïde (par exemple, EGM96) (essentiellement, le niveau moyen de la mer). Ces coordonnées peuvent être affichées, par ex. sur un affichage de carte mobile et/ou enregistré et/ou utilisé par un autre système (par exemple, un système de guidage de véhicule).
Géométrie utilisateur-satellite
Bien qu'elles ne soient généralement pas formées explicitement dans le traitement du récepteur, les différences conceptuelles de temps d'arrivée (TDOA) définissent la géométrie de mesure. Chaque TDOA correspond à un hyperboloïde de révolution (voir Multilatération). La ligne reliant les deux satellites impliqués (et ses extensions) forme l'axe de l'hyperboloïde. Le récepteur est situé au point d’intersection de trois hyperboloïdes.
On dit parfois à tort que la localisation de l’utilisateur se situe à l’intersection de trois sphères. Bien que plus simple à visualiser, cela n'est le cas que si le récepteur dispose d'une horloge synchronisée avec les horloges des satellites (c'est-à-dire que le récepteur mesure les véritables distances des satellites plutôt que les différences de distance). L'utilisateur disposant d'une horloge synchronisée avec les satellites présente des avantages significatifs en termes de performances. Le plus important est que seuls trois satellites sont nécessaires pour calculer une solution de position. Si cela faisait partie du concept du système GPS et que tous les utilisateurs devaient avoir sur eux une horloge synchronisée, alors un plus petit nombre de satellites pourrait être déployé. Cependant, le coût et la complexité de l'équipement utilisateur augmenteraient considérablement.
Récepteur en fonctionnement continu
La description ci-dessus est représentative d'une situation de démarrage d'un récepteur. La plupart des récepteurs disposent d'un algorithme de suivi, parfois appelé tracker, qui combine des ensembles de mesures satellite collectées à différents moments, tirant ainsi parti du fait que les positions successives des récepteurs sont généralement proches les unes des autres. Une fois qu'un ensemble de mesures est traité, le tracker prédit l'emplacement du récepteur correspondant à l'ensemble suivant de mesures satellite. Lorsque les nouvelles mesures sont collectées, le récepteur utilise un système de pondération pour combiner les nouvelles mesures avec la prédiction du tracker. En général, un tracker peut (a) améliorer la position du récepteur et la précision temporelle, (b) rejeter les mauvaises mesures et (c) estimer la vitesse et la direction du récepteur.
L'inconvénient d'un tracker est que les changements de vitesse ou de direction ne peuvent être calculés qu'avec un certain retard, et cette direction dérivée devient inexacte lorsque la distance parcourue entre deux mesures de position tombe en dessous ou s'approche de l'erreur aléatoire de mesure de position. Les unités GPS peuvent utiliser les mesures du décalage Doppler des signaux reçus pour calculer la vitesse avec précision. Les systèmes de navigation plus avancés utilisent des capteurs supplémentaires comme une boussole ou un système de navigation inertielle pour compléter le GPS.
Applications hors navigation
Dans le fonctionnement typique du GPS en tant que navigateur, quatre satellites ou plus doivent être visibles pour obtenir un résultat précis. La solution des équations de navigation donne la position du récepteur ainsi que la différence entre l'heure conservée par l'horloge embarquée du récepteur et l'heure réelle, éliminant ainsi le besoin d'une horloge basée sur le récepteur plus précise et éventuellement peu pratique. . Les applications GPS telles que le transfert de temps, la synchronisation des feux de circulation et la synchronisation des stations de base des téléphones portables utilisent cette synchronisation peu coûteuse et très précise. Certaines applications GPS utilisent ce temps pour l'affichage ou, en dehors des calculs de position de base, ne l'utilisent pas du tout.
Bien que quatre satellites soient nécessaires pour un fonctionnement normal, il y en a moins dans des cas particuliers. Si une variable est déjà connue, un récepteur peut déterminer sa position en utilisant seulement trois satellites. Par exemple, un navire ou un avion peut avoir une altitude connue. Certains récepteurs GPS peuvent utiliser des indices ou des hypothèses supplémentaires, tels que la réutilisation de la dernière altitude connue, l'estime, la navigation inertielle ou l'inclusion d'informations provenant de l'ordinateur du véhicule, pour donner une position (éventuellement dégradée) lorsque moins de quatre satellites sont visibles.
Structure
Le GPS actuel se compose de trois segments principaux. Il s'agit du segment spatial (SS), d'un segment de contrôle (CS) et d'un segment utilisateur (US). L'US Air Force développe, entretient et exploite les segments spatial et de contrôle. Les satellites GPS diffusent des signaux depuis l'espace et chaque récepteur GPS utilise ces signaux pour calculer sa position tridimensionnelle (latitude, longitude et altitude) ainsi que l'heure actuelle.
Le segment spatial est composé de 24 à 32 satellites en orbite terrestre moyenne et comprend également les adaptateurs de charge utile pour les boosters nécessaires à leur mise en orbite. Le segment de contrôle est composé d'une station de contrôle principale (MCS), d'une station de contrôle principale alternative et d'une multitude d'antennes au sol et de stations de surveillance dédiées et partagées. Le segment d'utilisateurs est composé de centaines de milliers d'utilisateurs militaires américains et alliés du service sécurisé de positionnement précis GPS, et de centaines de millions d'utilisateurs civils, commerciaux et scientifiques du service de positionnement standard (voir Appareils de navigation GPS).
Segment spatial
Le segment spatial (SS) est composé de satellites GPS en orbite, ou véhicules spatiaux (SV) dans le langage GPS. La conception du GPS prévoyait à l'origine 24 SV, huit chacun sur trois orbites approximativement circulaires, mais cela a été modifié en six plans orbitaux avec quatre satellites chacun. Les six plans orbitaux ont une inclinaison d'environ 55° (inclinaison par rapport à l'équateur terrestre) et sont séparés par une ascension droite de 60° du nœud ascendant (angle le long de l'équateur depuis un point de référence jusqu'à l'intersection de l'orbite). La période orbitale est d'une demi-journée sidérale, soit 11 heures et 58 minutes afin que les satellites passent au-dessus des mêmes endroits ou presque chaque jour. Les orbites sont disposées de manière à ce qu'au moins six satellites soient toujours en visibilité directe depuis presque partout sur la surface de la Terre. Le résultat de cet objectif est que les quatre satellites ne sont pas espacés de manière égale (90 degrés) au sein de chaque orbite. En termes généraux, la différence angulaire entre les satellites sur chaque orbite est de 30, 105, 120 et 105 degrés, ce qui correspond à 360 degrés.
En orbite à une altitude d’environ 20 200 km ; Rayon orbital d'environ 26 600 km, chaque SV effectue deux orbites complètes chaque jour sidéral, répétant la même trajectoire au sol chaque jour. Cela a été très utile lors du développement car même avec seulement quatre satellites, un alignement correct signifie que tous les quatre sont visibles depuis un seul endroit pendant quelques heures chaque jour. Pour les opérations militaires, la répétition du suivi au sol peut être utilisée pour assurer une bonne couverture dans les zones de combat.
, la constellation GPS compte 32 satellites, dont 31 sont utilisés. Les satellites supplémentaires améliorent la précision des calculs du récepteur GPS en fournissant des mesures redondantes. Avec l'augmentation du nombre de satellites, la constellation a été modifiée pour devenir une disposition non uniforme. Il a été démontré qu'un tel arrangement améliore la fiabilité et la disponibilité du système, par rapport à un système uniforme, lorsque plusieurs satellites tombent en panne. Environ neuf satellites sont visibles depuis n'importe quel point du sol à tout moment (voir l'animation à droite), garantissant une redondance considérable par rapport aux quatre satellites minimum nécessaires pour une position.
Segment de contrôle
Le segment de contrôle est composé de :
# un poste de contrôle maître (MCS),
# un poste de contrôle maître alternatif,
# quatre antennes au sol dédiées, et
# six stations de surveillance dédiées.
Le MCS peut également accéder aux antennes au sol du réseau de contrôle par satellite de l'US Air Force (AFSCN) (pour une capacité de commandement et de contrôle supplémentaire) et aux stations de surveillance NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Les trajectoires de vol des satellites sont suivies par des stations de surveillance dédiées de l'US Air Force à Hawaï, sur l'atoll de Kwajalein, sur l'île de l'Ascension, à Diego Garcia, à Colorado Springs, au Colorado et à Cap Canaveral, ainsi que par des stations de surveillance NGA partagées exploitées en Angleterre, en Argentine, en Équateur et à Bahreïn. , Australie et Washington DC. Les informations de suivi sont envoyées au MCS de l'Air Force Space Command à la base aérienne de Schriever, à 25 km à l'ESE de Colorado Springs, qui est exploitée par le 2e Escadron d'opérations spatiales (2 SOPS) de l'US Air Force. Ensuite, 2 SOPS contacte régulièrement chaque satellite GPS avec une mise à jour de navigation à l'aide d'antennes au sol dédiées ou partagées (AFSCN) (les antennes au sol dédiées au GPS sont situées à Kwajalein, sur l'île de l'Ascension, à Diego Garcia et à Cap Canaveral). Ces mises à jour synchronisent les horloges atomiques à bord des satellites à quelques nanosecondes les unes des autres et ajustent les éphémérides du modèle orbital interne de chaque satellite. Les mises à jour sont créées par un filtre de Kalman qui utilise les entrées des stations de surveillance au sol, les informations météorologiques spatiales et diverses autres entrées.
Les manœuvres des satellites ne sont pas précises selon les normes GPS : pour modifier l'orbite d'un satellite, celui-ci doit être marqué comme étant en mauvais état afin que les récepteurs ne l'utilisent pas. Après la manœuvre du satellite, les ingénieurs suivent la nouvelle orbite depuis le sol, téléchargent les nouvelles éphémérides et marquent à nouveau le satellite comme sain.
Le segment de contrôle des opérations (OCS) sert actuellement de segment de contrôle de référence. Il fournit la capacité opérationnelle qui prend en charge les utilisateurs de GPS et maintient le système GPS opérationnel et performant conformément aux spécifications.
OCS a remplacé avec succès l'ancien ordinateur central des années 1970 de la base aérienne de Schriever en septembre 2007. Après l'installation, le système a permis des mises à niveau et a jeté les bases d'une nouvelle architecture de sécurité prenant en charge les forces armées américaines. OCS continuera d'être le système de contrôle au sol de référence jusqu'à ce que le nouveau segment, le système de contrôle des opérations GPS (OCX) de nouvelle génération, soit entièrement développé et fonctionnel.
Les nouvelles capacités fournies par OCX constitueront la pierre angulaire de la révolution des capacités de mission du GPS et permettront à l'Air Force Space Command d'améliorer considérablement les services opérationnels GPS destinés aux forces de combat américaines, aux partenaires civils et à une myriade d'utilisateurs nationaux et internationaux.
Le programme GPS OCX réduira également les coûts, les délais et les risques techniques. Il est conçu pour permettre des économies de 50 % sur les coûts de maintien en puissance grâce à une architecture logicielle efficace et une logistique basée sur les performances. De plus, GPS OCX devrait coûter des millions de moins que le coût de la mise à niveau d'OCS tout en offrant une capacité quatre fois supérieure.
Le programme GPS OCX représente un élément essentiel de la modernisation du GPS et apporte des améliorations significatives en matière d'assurance des informations par rapport au programme GPS OCS actuel.
* OCX aura la capacité de contrôler et de gérer les anciens satellites GPS ainsi que la prochaine génération de satellites GPS III, tout en permettant la gamme complète de signaux militaires.
* Construit sur une architecture flexible qui peut s'adapter rapidement aux besoins changeants des utilisateurs GPS actuels et futurs, permettant un accès immédiat aux données GPS et à l'état de la constellation grâce à des informations sécurisées, précises et fiables.
* Fournit au combattant des informations plus sécurisées, exploitables et prédictives pour améliorer la connaissance de la situation.
* Permet de nouveaux signaux modernisés (L1C, L2C et L5) et possède une capacité de code M, ce que le système existant n'est pas en mesure de faire.
* Fournit des améliorations significatives en matière d'assurance des informations par rapport au programme actuel, notamment la détection et la prévention des cyberattaques, tout en isolant, en contenant et en opérant pendant de telles attaques.
* Prend en charge les capacités et capacités de commande et de contrôle à volume plus élevé en temps quasi réel.
Le 14 septembre 2011, l'US Air Force a annoncé l'achèvement de l'examen préliminaire de la conception du GPS OCX et a confirmé que le programme OCX était prêt pour la prochaine phase de développement.
Le programme GPS OCX a raté des étapes majeures et repousse le lancement du GPS IIIA au-delà d'avril 2016.
Segment d'utilisateurs
Le segment d'utilisateurs est composé de centaines de milliers d'utilisateurs militaires américains et alliés du service sécurisé de positionnement précis GPS, et de dizaines de millions d'utilisateurs civils, commerciaux et scientifiques du service de positionnement standard. En général, les récepteurs GPS sont composés d'une antenne, accordée sur les fréquences transmises par les satellites, de récepteurs-processeurs et d'une horloge très stable (souvent un oscillateur à cristal). Ils peuvent également comprendre un affichage permettant de fournir des informations de localisation et de vitesse à l'utilisateur. Un récepteur est souvent décrit par son nombre de canaux : cela signifie combien de satellites il peut surveiller simultanément. Limité à l'origine à quatre ou cinq, il a été prog