A) Comment fonctionne le GPS ?

     Comme nous l'avons vu précédemment, l'ordinateur de bord a la fonction de recueillir toutes les informations des capteurs pour constituer un image active de l'environnement autour de la voiture. Mais ce n'est pas son unique fonction, il doit localiser la voiture pour permettre de la diriger. En effet lorsque nous conduisons, nous connaissons le lieu que nous voulons atteindre et les routes à emprunter pour y parvenir (du fait de l'activation de notre mémoire : notre cerveau relie les informations perçues à un souvenir plus ou moins profondément encré). Cependant l'ordinateur de bord ne possède pas de mémoire et donc pour réaliser le meilleur compromis possible, il utilise des cartes embarquées dans le système ; cartes dans lesquelles la voiture autonome est située. Cela est rendu possible grâce au GPS.

     Le GPS, Global Positionning System, est un système de navigation radio par satellites. C'est le premier système de navigation par satellites au monde. Il a été développé par le Ministère de la Défense des Etats-Unis. Au milieu des années 90, son utilisation devient accessible pour tous. Il assure des services de positionnement, de navigation et de référence temporelle, appelés "services PNT" (Positionning Navigation and Timing), à un nombre illimité de personnes, sous toutes les conditions météorologiques, de jour comme de nuit, partout dans le monde. C'est de loin le meilleur outil le plus répandu pour l'aide à la navigation routière. Il suffit seulement d'être équipé d'un récepteur GPS pour connaître la position, qui est recalculée de 5 à 10 fois par secondes, mais aussi la direction ou la vitesse du véhicule par exemple. 

     Nous verrons par la suite le principe du fonctionnement du GPS puis ses sources d'erreurs. 

     Trois groupes d'éléments clés composent le GPS.

 • Des satellites suivent un trajet particulier autour de la Terre : ils sont placés sur des orbites au nombre de 6 pratiquement circulaires et gravitent autour de la Terre à environ 20 000 km d'altitude et à une vitesse proche de 14 000 km/h. Sur chaque orbite, les satellites ne sont pas régulièrement espacés. Leur répartition a été choisie pour optimiser le nombre de satellites visibles en chaque point de la Terre. Les zones les plus défavorisées sont voisines des pôles. La constellation de satellites GPS est composée d'une trentaine d'appareils dont 4 de secours en orbite. Les satellites émetent des signaux électromagnétiques qui contiennent des informations sur la position et la date exacte où ils ont été émis. Ils émettent en permanence un message de navigation à un débit de 50 bits par seconde sur la fréquence porteuse des micro-ondes d'environ 1600 MHz. La diffusion de ces informations est réalisée à un débit extrêment faible.

 • Des stations de contrôle du sol au nombre de 5 sont réparties dans le monde. Comme leur nom l'indique, elles doivent veiller au suivi et à l'entretien des satellites en orbite. Leur objectif est d'assurer le bon fonctionnement des satellites, de corriger les trajectoires pour que les informations de position soient les plus correctes possibles et de synchroniser toutes les horloges des satellites, aussi bien entre elles qu'avec l'heure de la Terre. 

 • Des récepteurs GPS captent et identifient les signaux émis par les satellites. Ils peuvent aussi signaler les radars fixes pour que les conducteurs pensent à respecter les limitations de vitesse ou fournir des infos traffic comme les embouteillages et les accidents. Il faut 3 signaux pour calculer une position sur un plan (2D) et 4 pour obtenir une altitude (3D). En effet, ils enregistrent à chaque instant la position des satellites visibles et l'heure de départ du message depuis chaque satellite. Ils enregistrent aussi l'heure de réception du message. Le signal a donc un temps connu pour parcourir la distance satellite-récepteur.

     Le principe du positionnement GPS est très proche du principe de la trilatération, c'est-à-dire sans les angles. La comparaison de la date de réception et de la date d'émission permet au récepteur de calculer la distance qui le sépare de chaque satellite. On définit ainsi des sphères centrées sur des satellites et dont l'intersection donne la position grâce à la formule : distance = vitesse de la lumière x temps. Le temps correspond à la durée mise par le signal pour aller du satellite au récepteur GPS et la vitesse de la lumière est égale à c = 3x10⁸ m.s^-1.    

Soit d1 = c x (t₁-t) et d2 = c x (t₁-t)

d1 et d2 sont les distances que l'on cherche à calculer.

c est la vitesse de la lumière.

t est l'heure affichée par l'horloge du récepteur GPS.

t₁ et t₂ sont les heures affichées par les horloges des satellites.

     Puis le même calcul est fait avec un 3^ème satellite. On a alors 2 points possibles. Dans le cas où l'utilisateur se situe à la surface de la Terre, seul un des 2 points est donc cohérent. Ainsi on connait sa position.

     Cependant, des problèmes et des erreurs existent pour avoir une position plus que précise. En effet, les satellites sont dotés d'horloges atomiques très stables qui limitent les désynchronisations importantes tandis que les récepteurs GPS sont quand à eux privés d'horloge atomique d'une grande précision. A cause de la vitesse de la lumière, une erreur de 10 nanosecondes peut provoquer une erreur d'environ 3 mètres dans la position. Aussi, les signaux électromagnétiques des satellites traversent l'atmosphère. Or, l'ionosphère et la troposphère freinent les signaux et cela provoque une erreur sur le calcul de distance.

     De plus, il n'est pas toujours possible de capter suffisamment de satellites et des éléments tels que les murs ou les parois des montagnes sont des obstacles à la réception. Les surfaces réfléchissantes comme les façades d'immeubles par exemple, entrainent des problèmes de précision. Les bâtiments bloquent le trajet direct du signal, c'est-à-dire la droite qui relie le satellite au récepteur et ils cachent aussi certains satellites. Ce phénomène provoque des "multi-trajets" notamment en milieu urbain, ce qui entraine une erreur de positionnement considérable.

     Pour améliorer le service GPS, une nouvelle génération de satellites, plus performante, viendra remplacer progressivement tous les modèles en place et les performances du récepteur seront améliorées en travaillant sur sa sensibilité. Galiléo est un projet européen qui vise à offrir des services beaucoup plus complets et surtout une précision de position. Mais il y aura toujours des problèmes car les satellites seront toujours dans la même direction. Même si le nombre de satellites va augmenter, tous les problèmes ne seront pas résolus mais ils vont tout de même s'améliorer.

     Le positionnement par satellites est un système plein d'avenir même s'il rencontre des difficultées, notamment en milieu urbain. Ce système permet de nous localiser presque instantanément. Il reste le meilleur moyen de géolocalisation de nos jours. Seul, le GPS dans une voiture autonome n'a pas d'utilité, si bien qu'il est associé aux caméras et autres moyens de perception visuelle. Des repères fixes sont placés sur une carte, ainsi, il est possible de se déplacer en reconnaissant ces différents repères. La voiture sait alors si elle est sur le bon chemin. Le GPS et la mémoire visuelle sont donc liés pour se répérer tout en établissant un plan détaillé de la route.

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