Quel est le principe de fonctionnement d'un GPS ?

Le GPS, ou Global Positioning System, est un système de positionnement par satellites qui permet à un récepteur de déterminer où il se trouve à la surface de la Terre. Son principe repose sur la mesure du temps de propagation de signaux radio : en connaissant la position des satellites au moment de l’émission et en calculant la distance qui sépare chacun d’eux du récepteur, celui-ci peut déduire sa position par trilatération. Le GPS ne transmet donc pas directement une position au téléphone ou au navigateur ; c’est le récepteur qui la calcule à partir des signaux reçus.

Une constellation de satellites

Le système s’appuie sur une constellation de satellites placés sur des orbites autour de la Terre, à environ 20 200 kilomètres d’altitude. La constellation nominale du GPS comprend 24 satellites répartis sur six plans orbitaux, même si davantage de satellites peuvent être opérationnels. Chaque satellite connaît précisément sa propre position et dispose d’horloges très précises, synchronisées avec le système GPS. Il émet en continu des signaux radio contenant notamment des informations sur l’heure d’émission et sur les paramètres permettant au récepteur de déterminer la position du satellite. Pour calculer une position fiable, le récepteur doit recevoir les signaux de plusieurs satellites simultanément.

Mesurer le temps de propagation

Lorsqu’un récepteur GPS capte le signal d’un satellite, il compare l’heure d’émission indiquée par ce signal avec l’heure de réception mesurée par son horloge interne. Comme les ondes radio se propagent approximativement à la vitesse de la lumière, le temps écoulé permet d’estimer la distance parcourue. Cette distance est souvent appelée pseudo-distance, ou pseudorange, car l’horloge du récepteur n’est pas aussi précise que celles des satellites : son décalage introduit une erreur commune dans les mesures. Le récepteur utilise les informations de plusieurs satellites pour estimer simultanément sa position et ce décalage temporel.

La trilatération, et non la triangulation

Le calcul repose sur la trilatération, qui utilise des distances et non des angles. Une mesure indique que le récepteur se trouve quelque part sur une sphère centrée sur le satellite correspondant. L’intersection de plusieurs sphères réduit progressivement les positions possibles. En pratique, les signaux d’au moins quatre satellites sont généralement nécessaires pour déterminer les trois coordonnées spatiales du récepteur et corriger l’erreur de son horloge. Les satellites supplémentaires améliorent souvent la robustesse et la précision du calcul. Le récepteur obtient ainsi une position géographique, généralement exprimée en latitude, longitude et altitude.

Une précision soumise aux conditions de réception

La précision du GPS dépend de la qualité des signaux et de nombreux facteurs. Les perturbations dues à l’atmosphère, les réflexions sur les bâtiments ou le relief, le brouillage et la disposition des satellites dans le ciel peuvent dégrader le résultat. Dans les environnements urbains denses, certains signaux peuvent être bloqués ou parvenir après réflexion, ce qui fausse la mesure du temps de propagation. Des systèmes d’augmentation, comme le WAAS en Amérique du Nord ou l’EGNOS en Europe, peuvent fournir des corrections destinées à améliorer la précision. Les smartphones et les véhicules associent parfois le GPS à d’autres systèmes de navigation par satellites, à des capteurs ou à des réseaux de communication, mais le principe fondamental reste le même : calculer une position à partir du temps mis par plusieurs signaux satellitaires pour atteindre le récepteur.