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Topographie : découvrir le fonctionnement du GPS

Les sciences géographiques et notamment la cartographie sont à l'origine du désir incessant de connaître notre position physique sur la planète. Les technologies actuelles nous proposent des systèmes électroniques informatisés : découvrons le GPS.

Page 2 / 9 - Histoire du GPS - Global Positioning System Sommaire
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Jean-Michel Dominguez Géomètre - Topographe

En 1968, le Pentagone imagine un système de localisation géographique composé d'une constellation de satellites en orbite autour de la Terre qui pourrait leur fournir la position d'un point sur la planète en temps réel et 24h sur 24. Le système NAV.S.T.A.R-G.P.S (navigation system time and ranging - Global Positioning System) a alors été conçu, financé et développé dès 1973 par le département de la Défense des Etats-Unis pour un usage strictement militaire. Le premier satellite a été lancé en 1978.

Le système a été déclaré opérationnel en 1995, comportant alors 28 satellites en orbite quasi-circulaires autour de la Terre formant un angle de 55° avec l'équateur et de 60° avec chacune des autres orbites à une altitude de 20200 Km, et un segment de contrôle. Depuis 1995, la constellation comporte 24 satellites « titulaires » et 4 satellites de réserves en cas de disfonctionnement, tous opérationnels et les performances du système sont stables. Ils ont une période de révolution de 1 jour sidéral (11 h 58 min). Ainsi, une constellation peut être observée 2 fois par jour et chaque jour 4 min plus tôt que le jour précédent.

Les satellites, dont la durée de vie moyenne est de 8,5 années, sont renouvelés et évoluent dans leur technologie. Actuellement la constellation de 28 satellites est composée de générations différentes (émettant tous les mêmes signaux) : 4 du bloc II (années 80), 18 du bloc IIA (1990-97), et 6 du bloc IIR (depuis 97).

La majorité des satellites du bloc I a été mis sur orbite par le lanceur américain Atlas. Ce lanceur est une fusée très éprouvée avec plusieurs centaines de lancement depuis 1962. La plupart des satellites expérimentaux du bloc I ont soit cessé d'émettre soit n'ont jamais fonctionné suite à des incidents au lancement.

Les satellites du bloc II ont été mis sur orbite par le lanceur américain DELTA II. Cette fusée fut a l'origine d'un missile balistique appelé missile THOR. Sa fabrication fut arrêtée en 1984, jusqu'à ce que le drame de Challenger en Janvier 1986 vienne tout remettre en question. La fusée DELTA ressuscita avec la suspension des vols de navettes et la remise en cause de sa fonction commerciale.

  • A - Le segment de contrôle :

Cinq stations au sol poursuivent les satellites en enregistrant en permanence tous les signaux. Le centre de calcul de Colorado Springs (Master Control Station) actualise les orbites et les almanachs (contiennent les éphémérides), synchronise les horloges, calcule les paramètres de modélisation ionosphérique, enregistre l'état de santé des satellites. Toutes ces informations sont régulièrement transmises aux satellites. Des tests récents (2002) évaluent la précision des orbites radiodiffusées au niveau 1 à 2m.

La géodésie est la science (directement lié au GPS) qui détermine la forme et les dimensions de la Terre dans l'espace à trois dimensions. A partir des Grecs et jusqu'à la fin du XVIIème siècle, il est admis que la terre est sphérique. La réponse à la question de sa forme est donc simple, la seule inconnue réside en la longueur du rayon terrestre. La détermination de cette grandeur se pose alors comme l'activité propre des savants géodésiens.

Une seule technique dite "méthode des arcs", est employée; elle fut élaborée dans son principe par Eratosthène au III° siècle av. J. C., et met en oeuvre des mesures de distances à la surface de la terre et des mesures astronomiques, c'est-à-dire des mesures de directions de la verticale. Le résultat d'Eratosthène est donc tout à fait remarquable : 3% d'erreur.(voir en Savoir plus en fin de dossier)

En fait cette définition de la géodésie par son "objet" seul : la forme de la terre, méconnaît une réalité essentielle de toute science : ses implications sociales, politiques et religieuses. Dès l'origine, la géodésie a comporté des aspects autres que celui de la détermination d'une surface dont la connaissance pure n'était l'objectif que de quelques savants. Concrètement la surface terrestre n'est pas une sphère mais revêt une forme extrêmement complexe donnée par la nature ou modifiée par l'homme. La connaissance de cette surface là, de ses détails, non dans leur nature mais dans leur position et leurs grandeurs implique des aspects très nombreux de la vie des hommes, politiques, religieux, sociaux : lever l'impôt ou faire la guerre, penser le Monde pour les Eglises, les voyageurs et marchands.

Rappelons la mise à l'index des idées de Copernic en 1616 par l'Eglise catholique. Ces aspects affectent profondément le développement de la géodésie et de la cartographie. Newton introduit l'hypothèse que la Terre aurait plutôt la forme d'un ellipsoïde de révolution (sphère aplatie aux pôles). Elle a un tassement et un renflement de 11 Km au niveau des pôles et de l'équateur, par rapport à un rayon moyen de 6367 km.

La géodésie peut donc être caractérisée comme l'unité de deux objectifs : connaissance globale de la forme de la surface terrestre et connaissance concrète des particularités de la surface réelle. La synthèse, jusqu'à une époque très récente (milieu du XX° siècle) a pris la forme de la détermination des coordonnées géométriques d'un certain nombre de points dits «points géodésiques» considérés comme appartenant à une surface mathématiquement parfaite, la sphère d'abord, l'ellipsoïde ensuite.

La détermination de la localisation de chaque élément particulier de la surface, à partir des points géodésiques étant assurée par une technique particulière : la topographie et la représentation de ces éléments sur une surface plane par la cartographie. Ainsi depuis l'antiquité grecque jusqu'au milieu du XXè siècle, la géodésie a-t-elle eu pour tâche de déterminer une surface mathématique simple et de localiser des points sur cette surface ?

C'est en 1956 au cours d'un symposium réuni à Munich que le géodésien anglais Hotine, présente un aspect géodésique nouveau qui devient très rapidement la géodésie tridimensionnelle. Pour Hotine le problème de la géodésie doit être repensé, non dans l'espace à deux dimensions de la surface de l'ellipsoïde de référence, dimensions auxquelles on en ajoute une troisième tout à fait indépendante l'altitude, mais dans le cadre d'un système à trois dimensions défini par un trièdre rectangulaire de coordonnées, et par un certain nombre de trièdres auxiliaires locaux, rattachés à ce dernier.

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