But

Le GPS (Global Positioning System) permet de déterminer avec précision les coordonnées tridimensionnelles d'un objet équipé d'un récepteur GPS : latitude, longitude, altitude au-dessus du niveau de la mer, ainsi que sa vitesse, sa direction de déplacement et l'heure actuelle.

Histoire courte

Le système GPS a été développé par le ministère américain de la Défense. Les travaux sur ce projet, appelé NAVSTAR (NAVigation System with Timing and Ranging - système de navigation pour déterminer l'heure et la distance), ont commencé dans les années 70. Le premier satellite du système a été mis en orbite en 1974, et le dernier des 24 n'a dû couvrir la totalité de la Terre qu'en 1993. Initialement, le GPS était destiné à être utilisé par l'armée américaine (navigation, guidage de missiles, etc.), mais depuis 1983, lorsqu'un avion de Korean Airlines a été abattu et s'est accidentellement introduit sur le territoire soviétique, l'utilisation du GPS a également été autorisée pour les civils. Dans le même temps, la précision du signal transmis a été améliorée à l'aide d'un algorithme spécial, mais en 2000, cette limitation a été levée. Le ministère américain de la Défense continue d'entretenir et de mettre à niveau le système GPS. C'est cette dépendance totale des performances du système vis-à-vis du gouvernement d'un pays (par exemple, lors de la première guerre du Golfe, le secteur civil du GPS a été désactivé) qui a incité d'autres pays à développer des systèmes de navigation alternatifs (russe - GLONASS, européen - GALILEO, chinois - Beidou).

Principes de détermination des coordonnées

Le principe de détermination des coordonnées d'un objet dans le système GPS repose sur le calcul de la distance qui le sépare de plusieurs satellites dont les coordonnées exactes sont connues. Les informations sur la distance à au moins 3 satellites vous permettent de déterminer les coordonnées d'un objet comme point d'intersection de sphères dont le centre est les satellites et le rayon est la distance mesurée.

En fait, il y a deux points d'intersection des sphères, mais l'un d'eux peut être écarté car il se trouve soit profondément à l'intérieur de la Terre, soit très haut au-dessus de sa surface. La distance jusqu'à chaque satellite est définie comme le temps nécessaire à un signal radio pour voyager du satellite au récepteur multiplié par la vitesse de la lumière. Le problème se pose de déterminer avec précision le temps de transit d'un signal radio. Ce problème est résolu en générant et en transmettant un signal depuis le satellite, modulé à l'aide d'une séquence spéciale. Exactement le même signal est généré dans le récepteur GPS, et l'analyse du décalage du signal reçu par rapport au signal interne permet de déterminer son temps de trajet.

Pour déterminer avec précision le temps de parcours du signal, les horloges du récepteur GPS et du satellite doivent être synchronisées autant que possible ; un écart de même quelques microsecondes entraîne une erreur de mesure de plusieurs dizaines de kilomètres. Le satellite dispose à cet effet d’horloges atomiques de haute précision. Il est impossible d'installer une horloge similaire dans un récepteur GPS (des horloges à quartz classiques sont utilisées), donc des signaux supplémentaires provenant d'au moins un satellite supplémentaire sont utilisés pour synchroniser l'heure. On suppose que si l'heure dans le récepteur GPS est synchronisée avec précision, alors un cercle d'un rayon égal à la distance du quatrième satellite coupera le même point que les cercles des trois autres satellites. Le récepteur GPS ajuste son horloge jusqu'à ce que cette condition soit remplie. Ainsi, pour déterminer avec précision la position d'un objet dans l'espace tridimensionnel (3D), des signaux d'au moins 4 satellites sont nécessaires (de 3 satellites sans déterminer la hauteur au-dessus de la surface de la Terre - 2D). En pratique, avec une bonne visibilité du ciel, les récepteurs GPS reçoivent les signaux de plusieurs satellites à la fois (jusqu'à 10-12), ce qui leur permet de synchroniser les horloges et de déterminer les coordonnées avec une assez grande précision.

Parallèlement à la séquence par laquelle le temps de propagation du signal est déterminé, chaque satellite transmet des informations binaires - un almanach et des éphémérides. L'almanach contient des informations sur l'état actuel et l'orbite estimée de tous les satellites (après avoir reçu des informations d'un satellite, il devient possible de restreindre les secteurs de recherche des signaux d'autres satellites). Éphémérides - informations mises à jour sur l'orbite d'un satellite spécifique transmettant un signal (l'orbite réelle du satellite peut différer de celle calculée). Ce sont les données exactes sur la position actuelle des satellites qui permettent au récepteur GPS de calculer sa propre position par rapport à eux.

Précision GPS

La précision typique de la détermination des coordonnées par les récepteurs GPS dans le plan horizontal est d'environ 1 à 2 mètres (à condition d'avoir une bonne visibilité du ciel). La précision de la détermination de l'altitude au-dessus du niveau de la mer est généralement 2 à 5 fois inférieure à la précision de la détermination des coordonnées dans les mêmes conditions (c'est-à-dire, dans des conditions idéales, 2 à 10 mètres).

Le niveau de réception des signaux des satellites, et par conséquent la précision de la détermination des coordonnées, se détériore sous le feuillage dense des arbres ou en raison de nuages ​​très épais. De plus, la réception normale des signaux GPS peut être altérée par les interférences provenant de nombreuses sources radio terrestres. Cependant, le principal facteur affectant la diminution de la précision du GPS est une visibilité incomplète du ciel. Cela est particulièrement évident lorsque le récepteur GPS est situé dans des zones urbaines denses, lorsqu'une partie importante du ciel est masquée par des bâtiments, des auvents et d'autres obstacles à proximité. La précision de la détermination des coordonnées peut descendre jusqu'à 20-30 mètres, et parfois plus. Les obstacles ne laissent pas passer les signaux de certains satellites potentiellement disponibles en un point donné de la Terre. Cela conduit au fait que les calculs sont effectués en utilisant un plus petit nombre de signaux provenant de satellites situés principalement dans un secteur du ciel. Le déplacement s'effectue généralement dans un plan perpendiculaire à l'obstacle.

En général, si nous parlons de la précision du GPS en conditions urbaines, sur la base des données statistiques accumulées et de notre propre expérience, nous pouvons tirer les conclusions suivantes. La précision de la détermination des coordonnées lorsque le véhicule se trouve dans une zone ouverte (parking, place, etc.) et lors de la conduite sur des autoroutes principales et des routes à plusieurs voies sera de 1 à 2 mètres. Lorsque vous conduisez dans des rues étroites, en particulier lorsqu'elles sont bordées de maisons rapprochées, la précision sera de 4 à 10 mètres. Lorsque la voiture se trouve dans des « puits de cour », très proches d'immeubles de grande hauteur, etc. la précision peut descendre jusqu'à 20-30 mètres.

Bien entendu, la précision de la détermination des coordonnées dépend en grande partie de la qualité du récepteur GPS lui-même, ainsi que des antennes utilisées et de leur placement correct sur le véhicule.

Article sur les systèmes GLONASS et GPS : caractéristiques des systèmes satellitaires, leurs caractéristiques et analyse comparative. À la fin de l'article se trouve une vidéo sur les principes de fonctionnement du GPS et du GLONASS.

Désormais, les sphères d'influence se partagent entre le russe GLONASS, l'américain GPS (Global Positioning System) et le chinois BeiDou, qui monte progressivement en puissance. Le choix d'un système pour votre propre voiture peut être déterminé par des motifs patriotiques, ou il peut être basé sur une évaluation compétente des avantages et des inconvénients de ces développements.

Bases des communications par satellite

Le but de chaque système satellite est de déterminer l'emplacement exact de tout objet. Dans le cadre d'une voiture, cette tâche est réalisée grâce à un dispositif spécial qui permet d'établir des coordonnées au sol, appelé navigateur.

Les satellites interagissant avec un système de navigation particulier lui envoient des signaux personnels différents les uns des autres. Pour déterminer clairement les coordonnées spatiales, le navigateur n'a besoin que des informations de 4 satellites. Il ne s’agit donc pas d’un simple gadget automobile, mais d’un des éléments d’un mécanisme complexe de positionnement spatial.

Au fur et à mesure que la voiture bouge, les coordonnées changent continuellement. Par conséquent, le système de navigation est conçu de telle manière qu'à certains intervalles réguliers, il met à jour les données reçues et recalcule la distance.

L’avantage des systèmes modernes est qu’ils ont la capacité de mémoriser la disposition des satellites même lorsqu’ils sont éteints. Cela augmente considérablement l’efficacité du dispositif, puisqu’il n’est pas nécessaire de retrouver à chaque fois l’orbite du satellite. Pour les automobilistes qui accèdent régulièrement au navigateur, les développeurs ont prévu une fonction « hot start » - la connexion la plus rapide possible entre l'appareil et le satellite. Si vous utilisez rarement le navigateur, le démarrage sera « à froid », c'est-à-dire que dans ce cas, la connexion avec le satellite prendra plus de temps, de 10 à 20 minutes.

Création de systèmes

Même si le premier satellite terrestre était un développement soviétique, il s'agissait du GPS américain. Les scientifiques ont remarqué des changements dans les signaux des satellites en fonction de leur mouvement en orbite. Ensuite, ils ont réfléchi à une méthode permettant de calculer non seulement les coordonnées du satellite lui-même, mais également les objets terrestres qui y sont attachés.

En 1964, un système de navigation exclusivement militaire appelé TRANZIT est entré en service, devenant ainsi le premier développement mondial de ce niveau. Il a facilité le lancement de missiles depuis des sous-marins, mais a calculé la précision de la localisation de l'objet uniquement à une distance de 50 mètres. De plus, cet objet devait rester absolument immobile.

Il est devenu clair que le premier et à l'époque le seul navigateur au monde ne pouvait pas faire face à la tâche de détermination constante des coordonnées. Cela était dû au fait qu'en passant en orbite basse, le satellite ne pouvait envoyer des signaux à la Terre que pendant une heure.

La version suivante, modernisée, est apparue 3 ans plus tard, avec le nouveau satellite Timation-1 et son frère Timation-2. Ensemble, ils ont atteint une orbite plus élevée et ont fusionné en un seul système appelé Navstar. Il s'agissait au départ d'un développement militaire, mais la décision a ensuite été prise de le rendre public pour répondre aux besoins de la population civile.

Ce système est toujours opérationnel, avec 32 satellites dans son arsenal, assurant une couverture complète de la Terre. 8 autres appareils sont en réserve pour un événement imprévu. Se déplaçant à une distance significative de la planète sur plusieurs orbites, les satellites achèvent leur révolution en presque une journée.

Au-dessus de système GLONASS domestique a commencé à fonctionner à l'époque de l'Union - une puissance puissante dotée d'un esprit scientifique exceptionnel. La mise en orbite d'un satellite artificiel a lancé les travaux de conception du système de positionnement.

Le premier satellite soviétique, né en 1967, était censé être le seul suffisant pour calculer des coordonnées. Mais bientôt tout un système équipé d'émetteurs radio est apparu dans l'espace, connu de la population sous le nom de Cigale, les militaires l'appelaient le Cyclone. Sa tâche était d'identifier les objets en détresse, ce qu'elle fit jusqu'à l'avènement du GLONASS en 1982.

L’Union soviétique a été détruite, le pays était dans une situation désespérée et ne parvenait pas à trouver les réserves nécessaires pour faire aboutir le système de haute technologie. L'ensemble du système comprenait 24 satellites, mais en raison de difficultés financières, près de la moitié d'entre eux n'ont pas fonctionné. Par conséquent, à cette époque, dans les années 90, le GLONASS ne pouvait même pas rivaliser avec le GPS.

Aujourd'hui, les développeurs russes entendent rattraper et dépasser leurs collègues américains, ce qui confirme déjà la révolution plus rapide de nos satellites autour de la Terre. Bien qu’historiquement le système satellitaire russe soit nettement à la traîne par rapport au système américain, cet écart se réduit d’année en année.

Avantages et inconvénients

À quel niveau se situent désormais les deux systèmes ? Lequel une personne moyenne devrait-elle préférer pour ses tâches quotidiennes ?

Dans l’ensemble, de nombreux citoyens ne se soucient pas du type de navigation par satellite utilisé par leur équipement. Ils sont tous deux disponibles sans restrictions ni frais pour l’ensemble de la population civile, y compris pour une utilisation dans les voitures. D'un point de vue technique, la société satellitaire suédoise a officiellement annoncé les mérites du GLONASS, qui fonctionne bien mieux sous les latitudes septentrionales.

Les satellites GPS n'apparaissent pratiquement pas au nord du 55e parallèle, et donc dans l'hémisphère sud, plus au sud. Alors qu'avec un angle d'inclinaison de 65 degrés et une altitude de 19,4 mille km, les satellites GLONASS fournissent d'excellents signaux stables à Moscou, à la Norvège et à la Suède, si appréciés des experts étrangers.

Bien que les deux systèmes disposent d'un grand nombre de satellites dans tous les plans orbitaux, d'autres experts donnent toujours la palme au GPS. Même avec un programme actif d'amélioration du système russe, les Américains disposent actuellement de 27 satellites contre 24 russes, ce qui donne une plus grande clarté à leurs signaux.

La fiabilité des signaux GLONASS est de 2,8 m contre 1,8 m pour le GPS. Cependant, ce chiffre est assez moyen, car les satellites peuvent être alignés en orbite de telle manière que le taux d'erreur augmente plusieurs fois. De plus, une telle situation peut arriver aux deux systèmes satellitaires.

Pour cette raison, les fabricants tentent d'équiper leurs appareils d'un système de navigation double qui reçoit les signaux du GPS et du GLONASS.

La qualité des équipements au sol qui reçoivent et décryptent les données reçues joue un rôle important.

Si nous parlons des défauts identifiés des deux systèmes de navigation, ils peuvent être répartis comme suit :

GLONASS :

• la modification des coordonnées célestes (éphémérides) entraîne une inexactitude dans la détermination des coordonnées, atteignant 30 mètres ;
• interruption assez fréquente, quoique de courte durée, du signal ;
• influence tangible des éléments du relief sur la clarté des données obtenues.

GPS:

• recevoir un signal erroné en raison d'interférences par trajets multiples et d'instabilité atmosphérique ;
• une différence significative entre la version civile du système, qui a des capacités trop limitées par rapport au développement militaire.

Deux systèmes

Au total, plus de cinq douzaines de satellites des deux puissances mondiales tournent constamment en orbite. Comme déjà mentionné, pour obtenir des coordonnées fiables, une bonne « vue » de 4 satellites suffit. Sur un terrain plat, dans la steppe ou dans un champ, n'importe quel récepteur sera capable de détecter simultanément jusqu'à une douzaine de signaux, tandis que dans une forêt ou une zone montagneuse la connexion disparaît rapidement.

Ainsi, l'objectif des concepteurs est de faire en sorte que chaque appareil de réception soit capable de communiquer avec le plus grand nombre de satellites possible. Cela revient encore une fois à l'idée de combiner GLONASS et GPS, déjà pratiquée en Amérique pour les services de secours. Quelle que soit l’évolution des relations entre les États, la vie humaine passe avant tout, et une puce à double système déterminera la localisation d’une personne en difficulté avec plus de rapidité et de clarté.

Une telle synthèse évitera également aux automobilistes l'impossibilité de s'orienter dans des zones inconnues du fait que le navigateur est trop lent à établir une connexion et met trop de temps à traiter les informations. La raison en est la perte d'un satellite due à des interférences banales : un immeuble de grande hauteur, un viaduc ou même un gros camion dans le quartier. Mais si le navigateur de la voiture est équipé d'une puce à double système, le risque de gel sera considérablement réduit.

Lorsque cette pratique se généralisera, le navigateur ne se souciera plus du pays d'origine du système, car celui-ci sera capable de suivre simultanément jusqu'à 40 satellites, ce qui donnera une localisation d'une précision fantastique.

Vidéo sur les principes de fonctionnement du GPS et du GLONASS :

Conférence sur l'anatomie des appareils mobilesV. Navigation (GPS, GLONASS, etc.) sur smartphones et tablettes. Sources d'erreurs. Méthodes de test.

Jusqu'à récemment, il était possible d'acheter des appareils appelés « Navigateurs » dans les chaînes de vente au détail. La fonction principale de ces appareils correspondait parfaitement à leur nom et ils la remplissaient généralement bien.

À cette époque, pratiquement le seul système de navigation fonctionnant normalement au monde était le GPS américain (Global Positioning System), et il suffisait à tous les besoins. En fait, les mots « navigation » (navigateur) et GPS étaient synonymes à cette époque.

Tout a changé lorsque les fabricants de PDA (ordinateurs de poche), puis de smartphones et de tablettes, ont commencé à intégrer une prise en charge de la navigation dans leurs appareils. Physiquement, il a été réalisé sous la forme de récepteurs intégrés de signaux de navigation. Parfois, une assistance à la navigation peut être trouvée même dans les téléphones à bouton-poussoir.

A partir de ce moment, tout a changé. Les navigateurs, en tant qu'appareils distincts, ont presque disparu de la production et de la vente. Les consommateurs se sont massivement tournés vers l’utilisation des smartphones et des tablettes comme navigateurs.
Entre-temps, deux autres systèmes de navigation ont été mis en service avec succès : le russe GLONASS et le chinois Beidou (Beidou, BDS).

Mais cela ne signifie pas que la qualité de la navigation s'est améliorée. La fonction de navigation de ces appareils (smartphones et tablettes) n'est plus devenue la principale, mais une parmi tant d'autres.

En conséquence, de nombreux utilisateurs ont commencé à remarquer que tous les smartphones ne sont pas « également utiles » à des fins de navigation.

C'est ici que se pose le problème de l'identification des sources d'erreurs de navigation, notamment la question du rôle de la malhonnêteté des fabricants d'appareils dans cette affaire. Triste mais vrai.

Mais avant de reprocher aux constructeurs tous leurs péchés, regardons d’abord les sources des erreurs de navigation. Car les producteurs, comme nous le découvrirons plus tard, ne sont pas responsables de tous les péchés, mais seulement de la moitié. :)

Erreurs de navigation peuvent être divisés en deux classes principales : causées par des raisons externes à l'appareil de navigation et internes.

Commençons par les raisons externes. Ils surviennent principalement en raison des irrégularités de l’atmosphère et des erreurs techniques naturelles des instruments de mesure.

Leurs contributions approximatives sont :

Réfraction du signal dans l'ionosphère ± 5 mètres ;
- Fluctuations de l'orbite du satellite ± 2,5 mètres ;
- Erreur d'horloge satellite ± 2 mètres ;
- Dénivelé troposphérique ± 0,5 mètres ;
- L'influence des reflets des objets± 1 mètre ;
- Erreurs de mesure dans le récepteur ± 1 mètre.

Ces erreurs ont un signe et une direction aléatoires, donc l'erreur finale est calculée conformément à la théorie des probabilités comme racine de la somme des carrés et est de 6,12 mètres. Cela ne veut pas dire que l’erreur sera toujours la même. Cela dépend du nombre de satellites visibles, de leur position relative et surtout du niveau de réflexion des objets environnants et de l'influence des obstacles sur l'affaiblissement des signaux satellites. En conséquence, l’erreur peut être supérieure ou inférieure à la valeur « moyenne » donnée.

Les signaux des satellites peuvent s'affaiblir, par exemple, dans les cas suivants :
- à l'intérieur ;
- lorsqu'il est situé entre des objets élevés et rapprochés (entre des immeubles de grande hauteur, dans une gorge de montagne étroite, etc.) ;
- en forêt. L'expérience montre qu'une forêt dense et haute peut rendre la navigation beaucoup plus difficile.

Ces problèmes sont dus au fait que les signaux radio haute fréquence se propagent comme la lumière, c'est-à-dire uniquement dans un champ de vision.

Parfois, la navigation, bien qu'avec des erreurs, peut également fonctionner sur les signaux réfléchis par les obstacles ; mais lorsqu'ils sont réfléchis à plusieurs reprises, ils deviennent si faibles que la navigation cesse de fonctionner avec eux.

Passons maintenant aux causes « internes » des erreurs en navigation; ceux. qui sont créés par le smartphone ou la tablette lui-même.

En fait, il n’y a ici que deux problèmes. Premièrement, une mauvaise sensibilité du récepteur de navigation (ou des problèmes d'antenne) ; deuxièmement, le logiciel « tordu » d’un smartphone ou d’une tablette.

Avant d'examiner des exemples spécifiques, parlons des moyens de vérifier la qualité de la navigation.

Méthodes de test de navigation.

1. Test de la navigation en mode « statique » (avec le smartphone/tablette en position stationnaire).

Cette vérification permet de déterminer les paramètres suivants :
- vitesse de détermination initiale des coordonnées lors d'un « démarrage à froid » (mesurée par l'horloge) ;
- une liste des systèmes de navigation avec lesquels ce smartphone/tablette fonctionne (GPS, GLONASS, etc.) ;
- précision estimée de la détermination des coordonnées ;
- vitesse de détermination des coordonnées lors d'un "hot start".

Ces paramètres peuvent être déterminés à l'aide de programmes de navigation réguliers et de programmes de test spéciaux (ce qui est plus pratique).

Les règles des tests statiques sont très simples : les tests doivent être effectués en espace ouvert(grande rue, place, champ, etc.) et quand Internet est désactivé. Si cette dernière exigence n'est pas respectée, le temps de « démarrage à froid » peut être considérablement accéléré grâce au téléchargement direct des orbites des satellites depuis Internet (A-GPS, GPS assisté) au lieu de les déterminer à partir des signaux des satellites eux-mêmes ; mais ce ne sera plus « juste », puisque ce ne sera plus le pur travail du système de navigation lui-même.

Regardons un exemple du fonctionnement du programme de test de navigation AndroiTS (il existe des analogues) :

(Cliquez pour agrandir)

L'image qui vient d'être présentée montre que le smartphone fonctionne avec trois systèmes de navigation : GPS américain, GLONASS russe et Beidou chinois (BDS).

Au bas de la capture d'écran, vous pouvez voir les coordonnées déterminées avec succès de l'emplacement actuel. La valeur d'un degré de latitude est d'environ 100 km ; par conséquent, le prix d'une unité du rang le plus bas est de 10 cm.

La valeur d’un degré de longitude est différente selon les emplacements géographiques. A l'équateur, elle est également d'environ 100 km, et près des pôles elle diminue jusqu'à 0 (aux pôles les méridiens se rapprochent).

A droite de la colonne indiquant la nationalité des satellites se trouve une colonne avec les numéros de satellite. Ces numéros leur sont strictement attachés et ne changent pas.

Viennent ensuite les colonnes avec des barres colorées. La taille des barres indique le niveau du signal et la couleur indique si elles sont utilisées ou non par le système de navigation. Les satellites inutilisés sont indiqués par des barres grises. La couleur de ceux utilisés dépend de leur niveau de signal.

La colonne suivante contient également le niveau du signal des satellites de navigation, mais en chiffres (« unités conventionnelles »).

Ensuite, il y a une colonne avec des coches vertes et des tirets rouges - il s'agit d'une répétition d'informations indiquant si le satellite est utilisé ou non.

Dans la ligne supérieure, le mot « ON » indique l'état de la navigation ; dans ce cas, cela signifie que la détermination des coordonnées est autorisée dans les paramètres du smartphone et qu'elles sont déterminées. Si l'état est « WAIT », alors la détermination des coordonnées est autorisée, mais le nombre requis de satellites n'a pas encore été trouvé. L'état « OFF » signifie que la détermination des coordonnées est interdite dans les paramètres du smartphone.

Ensuite, un cercle avec des cercles concentriques et le chiffre 5 indique la précision estimée de la détermination des coordonnées à l'heure actuelle - 5 m. Cette valeur est calculée en fonction du nombre et de la « qualité » des satellites utilisés et suppose que le traitement des données des satellites dans un smartphone se fait sans erreur ; mais comme nous le verrons plus loin, ce n’est pas toujours le cas.

Au fur et à mesure que les satellites se déplacent, toutes ces données devraient changer, mais les coordonnées (sur la ligne du bas) devraient légèrement changer.

Malheureusement, cette application n'affiche pas le temps passé à la détermination initiale des coordonnées (« démarrage à froid »), pas plus que d'autres applications similaires. Ce temps doit être « chronométré » manuellement. Si le temps de « démarrage à froid » était inférieur à une minute, alors c'est un excellent résultat ; jusqu'à 5 minutes – bien ; jusqu'à 15 minutes – en moyenne ; plus de 15 minutes – mauvais.

Pour déterminer la vitesse de « démarrage à chaud », quittez simplement le programme de test et reconnectez-vous après quelques minutes. En règle générale, lors du lancement du programme de test, il parvient à déterminer les coordonnées et les présente immédiatement à l'utilisateur. Si le délai de présentation des coordonnées lors d'un « démarrage à chaud » dépasse 10 secondes, cela est déjà étrangement long.

L'effet de la détermination rapide des coordonnées lors d'un « démarrage à chaud » est dû au fait que le système de navigation se souvient des dernières orbites des satellites calculées et n'a pas besoin de les déterminer à nouveau.

Nous avons donc trié les tests de navigation en mode « statique ».

Allons-nous en au 2ème point de test de navigation - en mouvement.

Le but principal de la navigation est de nous conduire au bon endroit en nous déplaçant, et sans test en mouvement, le test serait incomplet.

En cours de déplacement, du point de vue de la navigation, il existe trois types de terrains : les terrains ouverts, les zones urbaines et les forêts.

Les zones ouvertes sont des conditions de navigation idéales, il n'y a aucun problème ici (sauf pour les appareils très « suceurs »).

Le développement urbain se caractérise dans la plupart des cas par la présence d'un niveau élevé de réflexions et d'une légère diminution du niveau du signal.

La forêt « fonctionne » dans l'autre sens – un affaiblissement important du signal et un faible niveau de réflexions.

Tout d'abord, regardons un échantillon d'une piste presque « idéale » :

L'image montre deux pistes : aller/retour (cela continuera d'être le cas dans presque toutes les images). De telles images vous permettent de tirer une conclusion fiable sur la qualité de la navigation, puisque vous pouvez comparer deux pistes presque identiques entre elles et avec la route. Tout va bien sur cette photo - les vibrations de la piste se situent dans les limites de l'erreur naturelle. Dans la partie supérieure, le passage des différents côtés du rond-point est convenablement dessiné. À certains endroits, il y a une différence notable entre les voies, probablement causée par les réflexions des signaux sur la surface de l'eau et sur les structures métalliques du pont sur la rivière. Et dans certains cas, une coïncidence presque parfaite.

Examinons maintenant plusieurs cas typiques de pistes « problématiques ».

Regardons la trace GPS d'un smartphone, qui a été affectée par une diminution du niveau de signal dans une forêt de futaie :

La divergence des traces entre elles et par rapport à la route est notable, mais loin d'être catastrophique. Dans ce cas, la précision de la navigation sur smartphone a diminué dans les limites du « déclin naturel » pour de telles conditions. Un tel smartphone doit être considéré comme adapté à la navigation.

Sur le côté droit de la capture d'écran, les écarts entre les voies et la route sont clairement visibles. De telles divergences dans les conditions d'un développement aussi « bien formé » sont presque inévitables, et dans ce cas, elles n'indiquent en aucun cas un smartphone testé.

Théoriquement, plus un smartphone (tablette) prend en charge de systèmes de navigation, plus il utilise de satellites pour la navigation et plus l'erreur devrait être faible.
En pratique, ce n’est pas toujours le cas. Très souvent, en raison d'un logiciel malveillant, un smartphone ne peut pas connecter correctement les données de différents systèmes et, par conséquent, des erreurs anormales se produisent. Regardons quelques exemples.

Prenons par exemple cette piste :

La capture d'écran que nous venons de montrer montre une éjection en forme d'aiguille, qui ne pourrait être le résultat d'aucune interférence : le chemin traversait un bâtiment de faible hauteur sans plantations forestières denses. Cette version repose entièrement sur la conscience du logiciel « véreux ».

Mais c’étaient encore des « fleurs ». Il existe des smartphones où les erreurs de navigation anormales ne sont plus des fleurs, mais des baies :

Lors de l'enregistrement de cette trace, des erreurs anormales dans le logiciel « tordu » ont été combinées à un affaiblissement des signaux dans la futaie. Le résultat est une piste à partir de laquelle il est tout simplement impossible de deviner que le chemin aller-retour a été emprunté par le même chemin par une personne sobre. :)
Et l’épais groupe de lignes en haut est le « chemin » d’un smartphone immobile lors d’une aire de repos. :)

Il existe un autre type d'erreur anormale associée à une pause dans le flux de données provenant du récepteur de navigation vers la partie informatique du smartphone :

Cette photo montre qu'une partie du chemin (environ 300 m) passait en ligne droite et en partie directement dans l'eau. :)

Dans ce cas, le smartphone reliait simplement les points où le flux de coordonnées disparaissait et apparaissait avec une ligne droite. Leur perte pourrait être associée soit à une diminution du nombre de satellites visibles en dessous d'un nombre critique, soit à des problèmes logiciels « tordus » et même matériels (bien que ce dernier soit peu probable).

En cas de perte totale des signaux des satellites, les programmes de navigation ne relient généralement pas les points de perte et d'apparition par des lignes droites, mais laissent simplement un « espace vide » (cela entraîne un écart dans la piste) :

Cette photo montre une rupture de piste à l'endroit où une partie du chemin passait par un passage souterrain avec une perte totale de visibilité de tous les satellites.

Après avoir étudié les causes et les erreurs typiques de navigation, il est temps aller aux conclusions.

La meilleure navigation, comme on peut s’y attendre, se trouve dans les smartphones et tablettes de « grandes » marques. Les problèmes sous forme d'erreurs anormales n'ont pas encore été détectés. Et bien sûr, plus un appareil prend en charge de systèmes de navigation, mieux c'est. Certes, la prise en charge du Beidou chinois a toujours du sens lors de l'utilisation de l'appareil dans les régions et pays situés à proximité de l'Empire du Milieu. Le système de navigation chinois n’est pas global, mais « local » (pour l’instant). La prise en charge du GPS et du GLONASS sera donc largement suffisante.

Si un smartphone ou une tablette n'est pas d'origine très « réputée », alors il peut y avoir ou non des problèmes de navigation. Avant de l'utiliser au combat, il est recommandé de le tester tant en statique qu'en mouvement dans différents environnements, afin qu'il ne présente plus tard aucune mauvaise surprise. Dans la plupart des cas, les appareils mobiles prenant uniquement en charge le GPS posent moins de problèmes, bien qu'ils soient moins précis que les appareils multisystèmes.

Malheureusement, lors du choix d'un smartphone (tablette) doté d'une bonne navigation, il est assez difficile de naviguer dans les avis sur les appareils sur Internet. La très grande majorité des portails informatiques ignorent le contrôle de la navigation en déplacement et dans des conditions difficiles. Cette vérification est effectuée uniquement sur ce portail () et littéralement sur quelques autres.

Enfin Il faut dire que non seulement les smartphones et les tablettes, mais aussi de nombreux autres appareils sont désormais équipés d'aides à la navigation. Ils sont installés, par exemple, dans des caméras, des caméras vidéo, des traceurs GPS, des enregistreurs vidéo de voiture, des montres intelligentes, certains types d'appareils spécialisés et même dans le système fiscal électronique pour les conducteurs de poids lourds russes "Platon".

Votre médecin.
20.01.2017

Le GPS est un système de navigation par satellite qui mesure la distance, le temps et détermine l'emplacement. Vous permet de déterminer l'emplacement et la vitesse des objets n'importe où sur Terre (à l'exclusion des régions polaires), dans presque tous les temps, ainsi que dans l'espace proche de la planète. Le système est développé, mis en œuvre et exploité par le ministère américain de la Défense.

Brèves caractéristiques du GPS

Le système de navigation par satellite du ministère américain de la Défense est le GPS, également appelé NAVSTAR. Le système se compose de 24 satellites terrestres artificiels de navigation (NES), complexe de commande-mesure au sol et équipements grand public. Il s'agit d'un système de navigation mondial tous temps qui permet de déterminer les coordonnées d'objets avec une grande précision dans l'espace tridimensionnel proche de la Terre. Les satellites GPS sont placés sur six orbites moyennes-hautes (altitude 20 183 km) et ont une période orbitale de 12 heures. Les plans orbitaux sont espacés de 60° et inclinés par rapport à l'équateur d'un angle de 55°. Il y a 4 satellites sur chaque orbite. 18 satellites est le nombre minimum pour assurer la visibilité d'au moins 4 satellites en tout point de la Terre.

Le principe de base de l'utilisation du système est de déterminer l'emplacement en mesurant les distances jusqu'à un objet à partir de points dont les coordonnées sont connues - les satellites. La distance est calculée par le temps de propagation du signal depuis son envoi par le satellite jusqu'à sa réception par l'antenne du récepteur GPS. Autrement dit, pour déterminer les coordonnées tridimensionnelles, le récepteur GPS doit connaître la distance par rapport à trois satellites et l'heure du système GPS. Ainsi, les signaux d'au moins quatre satellites sont utilisés pour déterminer les coordonnées et l'altitude du récepteur.

Le système est conçu pour assurer la navigation des avions et des navires et déterminer l'heure avec une grande précision. Il peut être utilisé en mode de navigation bidimensionnel - détermination 2D des paramètres de navigation des objets à la surface de la Terre) et en mode tridimensionnel - 3D (mesure des paramètres de navigation des objets au-dessus de la surface de la Terre). Pour trouver la position tridimensionnelle d'un objet, il est nécessaire de mesurer les paramètres de navigation d'au moins 4 NIS, et pour la navigation bidimensionnelle - d'au moins 3 NIS. Le GPS utilise une méthode pseudo-télémétrique pour déterminer la position et une méthode de vitesse pseudo-radiale pour trouver la vitesse d'un objet.

Pour améliorer la précision les résultats de détermination sont lissés à l'aide d'un filtre de Kalman. Les satellites GPS transmettent des signaux de navigation à deux fréquences : F1 = 1575,42 et F2 = 1227,60 MHz. Mode de rayonnement : continu avec modulation de pseudobruit. Les signaux de navigation sont un code public C/A (cap et acquisition), transmis uniquement sur la fréquence F1, et un code P protégé (code de précision), émis sur les fréquences F1, F2.

Dans le GPS, chaque NIS possède son propre code C/A et son code P uniques. Ce type de séparation des signaux satellite est appelé séparation de code. Il permet aux équipements embarqués de reconnaître à quel satellite appartient un signal lorsqu'ils transmettent tous sur la même fréquence. Le GPS offre deux niveaux de service client : le service de positionnement précis PPS et le service de positionnement standard SPS. Le PPS est basé sur un code précis et le SPS - Disponible publiquement. Le niveau de service PPS est fourni aux services militaires et fédéraux américains, et SPS est fourni au consommateur civil de masse. En plus des signaux de navigation, le satellite transmet régulièrement des messages contenant des informations sur l'état du satellite, ses éphémérides, le système temps, prévision du retard ionosphérique et indicateurs de performance. L'équipement GPS embarqué se compose d'une antenne et d'un indicateur de récepteur. Le PI comprend un récepteur, un ordinateur, des unités de mémoire, des dispositifs de contrôle et d'affichage. Les blocs de mémoire stockent les données nécessaires, les programmes pour résoudre les problèmes et contrôler le fonctionnement de l'indicateur du récepteur. Selon l'objectif, deux types d'équipements embarqués sont utilisés : spéciaux et destinés au grand public. Les équipements spéciaux sont conçus pour déterminer les paramètres cinématiques des missiles, des avions militaires, des navires et des navires spéciaux. Lors de la recherche des paramètres d'objet, il utilise les codes P et C/A. Cet équipement fournit des déterminations pratiquement continues avec précision : localisation de l'objet— 5+7 m, vitesse — 0,05+0,15 m/s, temps — 5+15 ns

Principales applications du système de navigation par satellite GPS :

• Géodésie : grâce au GPS, les coordonnées exactes des points et les limites des parcelles sont déterminées
• Cartographie : le GPS est utilisé en cartographie civile et militaire
• Navigation : le GPS est utilisé aussi bien pour la navigation maritime que routière
• Surveillance par satellite des transports : grâce au GPS, la position et la vitesse des véhicules sont surveillées et leur mouvement est contrôlé
• Cellulaire : Les premiers téléphones portables équipés de GPS sont apparus dans les années 90. Dans certains pays, comme aux États-Unis, cela permet de déterminer rapidement l'emplacement d'une personne qui appelle le 911.
• Tectonique, Tectonique des Plaques : utiliser le GPS pour observer les mouvements et vibrations des plaques
• Loisirs actifs : il existe différents jeux utilisant le GPS, par exemple le Geocaching, etc.
• Géolocalisation : les informations, comme les photographies, sont « liées » aux coordonnées grâce à des récepteurs GPS intégrés ou externes.

Détermination des coordonnées du consommateur

Positionnement par distances aux satellites

Les coordonnées de localisation sont calculées sur la base des distances mesurées par rapport aux satellites. Quatre mesures sont nécessaires pour déterminer l'emplacement. Trois dimensions suffisent si vous pouvez éliminer les solutions invraisemblables par d’autres moyens disponibles. Une autre mesure est nécessaire pour des raisons techniques.

Mesurer la distance à un satellite

La distance jusqu'à un satellite est déterminée en mesurant le temps nécessaire à un signal radio pour nous parvenir du satellite. Le satellite et le récepteur génèrent le même code pseudo-aléatoire strictement simultanément sur une échelle de temps commune. Déterminons combien de temps il a fallu au signal du satellite pour nous parvenir en comparant le retard de son code pseudo-aléatoire par rapport au code du récepteur.

Assurer un timing parfait

Un timing précis est essentiel pour mesurer les distances par rapport aux satellites. Les satellites sont précis dans le temps car ils ont des horloges atomiques à bord. L'horloge du récepteur n'est peut-être pas parfaite, car sa dérive peut être éliminée à l'aide de calculs trigonométriques. Pour obtenir cette opportunité, il faut mesurer la distance au quatrième satellite. La nécessité de quatre mesures est déterminée par la conception du récepteur.

Détermination de la position du satellite dans l'espace.

Pour calculer nos coordonnées, nous devons connaître à la fois les distances des satellites et l’emplacement de chacun dans l’espace. Les satellites GPS voyagent si haut que leurs orbites sont très stables et peuvent être prédites avec une grande précision. Les stations de suivi mesurent constamment de petits changements dans les orbites et les données sur ces changements sont transmises par les satellites.

Retards des signaux ionosphériques et atmosphériques.

Il existe deux méthodes qui peuvent être utilisées pour minimiser l'erreur. Premièrement, nous pouvons prédire quel serait le changement typique de vitesse au cours d’une journée typique, dans des conditions ionosphériques moyennes, puis appliquer une correction à toutes nos mesures. Mais malheureusement, tous les jours ne sont pas ordinaires. Une autre méthode consiste à comparer les vitesses de propagation de deux signaux ayant des fréquences porteuses différentes. Si nous comparons le temps de propagation de deux composantes de fréquences différentes du signal GPS, nous pouvons découvrir quel type de ralentissement s'est produit. Cette méthode de correction est assez complexe et n’est utilisée que dans les récepteurs GPS les plus avancés, dits « bi-fréquence ».

Chemins multiples.

Un autre type d’erreur est celui des erreurs « multipath ». Ils se produisent lorsque les signaux transmis par un satellite sont réfléchis à plusieurs reprises par les objets et les surfaces environnantes avant d'atteindre le récepteur.

Facteur géométrique réduisant la précision.

Les bons récepteurs sont équipés de procédures informatiques qui analysent les positions relatives de tous les satellites observables et en sélectionnent quatre candidats, c'est-à-dire quatre satellites les mieux positionnés.

Précision GPS qui en résulte.

L'erreur GPS résultante est déterminée par la somme des erreurs provenant de diverses sources. L'apport de chacun varie en fonction des conditions atmosphériques et de la qualité du matériel. En outre, la précision peut être délibérément réduite par le département américain de la Défense suite à l'installation du mode dit S/A (Selective Availability) sur les satellites GPS. Ce mode est conçu pour empêcher un ennemi potentiel d'acquérir un avantage tactique en matière de positionnement GPS. Lorsque et si ce mode est défini, il crée la composante la plus importante de l'erreur GPS totale.

Conclusion:

Précision des mesures l'utilisation du GPS dépend de la conception et de la classe du récepteur, du nombre et de l'emplacement des satellites (en temps réel), de l'état de l'ionosphère et de l'atmosphère terrestre (nuages ​​épais, etc.), de la présence d'interférences et d'autres facteurs. Les appareils GPS « domestiques », destinés aux utilisateurs « civils », ont une erreur de mesure comprise entre ±3-5 m et ±50 m et plus (en moyenne, la précision réelle, avec une interférence minimale, s'il s'agit de nouveaux modèles, est de ±5-15 mètres en plan). La précision maximale possible atteint +/- 2-3 mètres horizontalement. Hauteur – de ±10-50 m à ±100-150 mètres. L'altimètre sera plus précis si vous calibrez le baromètre numérique par le point le plus proche avec une altitude exacte connue (d'après un atlas régulier, par exemple) sur un terrain plat ou par la pression atmosphérique connue (si elle ne change pas trop rapidement lorsque la météo changements). Mètres de haute précision de « classe géodésique » - plus précis de deux à trois ordres de grandeur (jusqu'à un centimètre, en plan et en hauteur). La précision réelle des mesures est déterminée par divers facteurs, par exemple la distance de la station de base (de correction) la plus proche dans la zone de service du système, la multiplicité (nombre de mesures/accumulations répétées en un point), le contrôle de qualité approprié du travail, le niveau de formation et expérience pratique du spécialiste. De tels équipements de haute précision ne peuvent être utilisés que par des organisations spécialisées, des services spéciaux et des militaires.

Pour améliorer la précision de la navigation Il est recommandé d'utiliser un récepteur GPS dans un espace ouvert (pas de bâtiments ni d'arbres en surplomb à proximité) avec un terrain assez plat, et de connecter une antenne externe supplémentaire. À des fins de marketing, ces appareils sont crédités d'une «double fiabilité et précision» (en référence aux deux systèmes satellitaires utilisés simultanément, Glonass et Gypies), mais l'amélioration réelle des paramètres (précision accrue de la détermination des coordonnées) ne peut atteindre que plusieurs dizaines de pour cent. Seule une réduction notable du temps de démarrage à chaud et de la durée de mesure est possible

La qualité des mesures GPS se détériore si les satellites sont situés dans le ciel dans un faisceau dense ou sur une seule ligne et « loin » - près de l'horizon (tout cela s'appelle « mauvaise géométrie ») et qu'il y a des interférences de signal (immeubles de grande hauteur bloquant le signal, arbres, montagnes escarpées à proximité, reflétant le signal). Du côté jour de la Terre (actuellement éclairé par le Soleil) - après avoir traversé le plasma ionosphérique, les signaux radio sont affaiblis et déformés d'un ordre de grandeur plus fort que du côté nuit. Lors d'une tempête géomagnétique, après de puissantes éruptions solaires, des interruptions et de longues interruptions du fonctionnement des équipements de navigation par satellite sont possibles.

La précision réelle du GPS dépend du type de récepteur GPS et des caractéristiques de collecte et de traitement des données. Plus il y a de canaux (il doit y en avoir au moins 8) dans le navigateur, plus les paramètres corrects sont déterminés avec précision et rapidité. Lors de la réception de « données auxiliaires du serveur de localisation A-GPS » via Internet (via transfert de données par paquets, dans les téléphones et smartphones), la vitesse de détermination des coordonnées et de l'emplacement sur la carte augmente

WAAS (Wide Area Augmentation System, sur le continent américain) et EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, en Europe) - sous-systèmes différentiels transmettant par géostationnaire (à des altitudes de 36 000 km dans les latitudes inférieures à 40 000 kilomètres au-dessus des latitudes moyennes et élevées) les satellites corrigent les informations vers les récepteurs GPS (des corrections sont introduites). Ils peuvent améliorer la qualité du positionnement d'un mobile (terrain, récepteur mobile) si des stations de correction de base au sol (récepteurs de signaux de référence fixes disposant déjà d'une référence de coordonnées de haute précision) sont localisées et fonctionnent à proximité. Dans ce cas, les récepteurs de terrain et de base doivent suivre simultanément les satellites du même nom.

Pour augmenter la vitesse de mesure Il est recommandé d'utiliser un récepteur multicanal (8 canaux ou plus) avec une antenne externe. Au moins trois satellites GPS doivent être visibles. Plus il y en a, meilleur est le résultat. Une bonne visibilité du ciel (horizon ouvert) est également nécessaire. Un démarrage rapide, « à chaud » (durée dans les premières secondes) ou « à chaud » (une demi-minute ou une minute, dans le temps) de l'appareil récepteur est possible s'il contient un almanach à jour et récent. Dans le cas où le navigateur n'a pas été utilisé pendant une longue période, le récepteur est obligé de recevoir l'almanach complet et, lorsqu'il est allumé, un démarrage à froid sera effectué (si l'appareil prend en charge AGPS, alors plus rapidement - jusqu'à quelques secondes). Pour déterminer uniquement les coordonnées horizontales (latitude/longitude), les signaux de trois satellites peuvent suffire. Pour obtenir des coordonnées tridimensionnelles (avec hauteur), au moins quatre coordonnées sont nécessaires. La nécessité de créer notre propre système de navigation national est due au fait que le GPS est américain, des adversaires potentiels qui peuvent à tout moment, dans leurs intérêts militaires et géopolitiques, le désactiver de manière sélective, le «bloquer», le modifier dans n'importe quelle région ou augmenter l'intelligence artificielle. , une erreur systématique de coordonnées (pour les consommateurs étrangers de ce service), toujours présente en temps de paix.

Erreur spéciale

La principale cause des erreurs de données GPS n’est plus un problème. Le 2 mai 2000, à 5 h 05 (MEZ), la soi-disant erreur spéciale (SA) a été désactivée. Une erreur particulière est une falsification artificielle de l'heure dans le signal L1 transmis par le satellite. Pour les récepteurs GPS civils, cette erreur a conduit à une détermination moins précise des coordonnées. (erreur d'environ 50 m en quelques minutes).

De plus, les données reçues étaient transmises avec moins de précision, ce qui signifie que la position transmise du satellite n'était pas correcte. Ainsi, en quelques heures, il y a une imprécision de 50 à 150 m dans les données de position. À l'époque où l'erreur spéciale était active, les appareils GPS civils avaient une imprécision d'environ 10 mètres, et aujourd'hui elle est de 20 ou généralement même moins. . La désactivation de l'erreur d'échantillonnage a principalement amélioré la précision des données d'altitude.

La raison de cette erreur particulière était la sécurité. Par exemple, les terroristes ne devraient pas être en mesure de détecter d’importants chantiers de construction à l’aide d’armes télécommandées. Lors de la première guerre du Golfe en 1990, l'erreur spéciale a été partiellement désactivée car... Les troupes américaines manquaient de récepteurs GPS militaires. 10 000 appareils GPS civils (Magellan et Trimble) ont été achetés, ce qui a permis de naviguer librement et avec précision en terrain désertique. L'erreur spéciale a été désactivée en raison de l'utilisation généralisée des systèmes GPS dans le monde entier. Les deux graphiques suivants montrent comment la précision de la détermination des coordonnées a changé après la désactivation de l'erreur spéciale. La longueur de la limite des diagrammes est de 200 mètres, les données ont été obtenues le 1er mai 2000 et le 3 mai 2000, dans un délai de 24 heures chacun. Alors que les coordonnées avec une erreur particulière se situent dans un rayon de 45 mètres, sans cette erreur, 95 % de tous les points se trouvent dans un rayon de 6,3 mètres.

"Géométrie des satellites"

Un autre facteur qui affecte la précision de la détermination des coordonnées est la « géométrie des satellites ». La géométrie des satellites décrit les positions des satellites les uns par rapport aux autres du point de vue du récepteur.

Si le récepteur voit 4 satellites et qu'ils sont tous situés, par exemple, au nord-ouest, cela conduira à une « mauvaise » géométrie. Dans le pire des cas, la détection de localisation sera totalement impossible lorsque toutes les distances détectées pointent dans la même direction. Même si l'emplacement est reconnu, l'erreur peut atteindre 100 à 150 M. Si ces 4 satellites sont bien répartis dans le ciel, alors la précision de l'emplacement déterminé sera beaucoup plus élevée. Supposons que les satellites soient situés au nord, à l'est, au sud et à l'ouest, formant des angles de 90 degrés les uns par rapport aux autres. Dans ce cas, les distances peuvent être mesurées dans quatre directions différentes, ce qui caractérise une « bonne » géométrie des satellites.

Si deux satellites sont dans la meilleure position par rapport au récepteur, alors l'angle entre le récepteur et les satellites est de 90 degrés. Le temps de parcours du signal ne peut pas être absolument certain, comme indiqué précédemment. C’est pourquoi les positions possibles sont marquées par des cercles noirs. Le point d'intersection (A) des deux cercles est assez petit et est indiqué par un champ carré bleu, ce qui signifie que les coordonnées déterminées seront assez précises.

Si les satellites sont situés presque sur une ligne par rapport au récepteur, alors, comme vous pouvez le constater, nous obtiendrons une zone plus grande au niveau du réticule, et donc moins de précision.

La géométrie des satellites dépend également beaucoup des grandes voitures ou du fait que vous utilisez l'instrument dans une voiture. Si l'un des signaux est bloqué, les satellites restants tenteront de déterminer les coordonnées, si cela est possible. Cela peut souvent se produire dans les bâtiments lorsque l’on se trouve à proximité des fenêtres. Si la détermination de l'emplacement est possible, dans la plupart des cas, elle ne sera pas précise. Plus une partie du ciel est bloquée par un objet, plus il devient difficile d'en déterminer les coordonnées.

La plupart des récepteurs GPS affichent non seulement le nombre de satellites « capturés », mais également leur position dans le ciel. Cela permet à l'utilisateur de juger si un satellite particulier est masqué par un objet et si les données deviendront inexactes en se déplaçant de quelques mètres seulement.

Les fabricants de la plupart des instruments fournissent leur propre formulation de la précision des valeurs mesurées, qui dépend principalement de divers facteurs. (dont le constructeur hésite à parler).

Les valeurs DOP (Dilution of Precision) sont principalement utilisées pour déterminer la qualité de la géométrie des satellites. Selon les facteurs utilisés pour calculer les valeurs DOP, différentes options sont possibles :

• RGPD(Dilution Géométrique De Précision); Précision totale ; Coordonnées 3D et heure
• PDOP(Dilution Positionnelle De Précision) ; Précision du positionnement ; Coordonnées 3D
• HDOP(Dilution horizontale de précision); Précision horizontale ; Coordonnées 2D
• VDOP(Dilution verticale de précision); Précision verticale ; hauteur
• TDOP(Dilution temporelle de la précision); précision temporelle; temps

Les valeurs HDOP inférieures à 4 sont bonnes, celles supérieures à 8 sont mauvaises. Les valeurs HDOP deviennent pires si les satellites « capturés » sont haut dans le ciel au-dessus du récepteur. D'un autre côté, les valeurs VDOP se détériorent à mesure que les satellites sont proches de l'horizon, et les valeurs PDOP sont bonnes lorsqu'il y a des satellites directement au-dessus et trois autres répartis à l'horizon. Pour une détermination précise de l'emplacement, la valeur GDOP ne doit pas être inférieure à 5. Les valeurs PDOP, HDOP et VDOP font partie des données NMEA GPGSA.

La géométrie des satellites ne provoque pas d'erreur dans la détermination de la position, qui peut être mesurée en mètres. En fait, la valeur DOP amplifie d’autres inexactitudes. Les valeurs DOP élevées augmentent davantage les autres erreurs que les valeurs DOP faibles.

L'erreur qui se produit lors de la détermination de la position en raison de la géométrie des satellites dépend également de la latitude à laquelle se trouve le récepteur. Ceci est illustré dans les diagrammes ci-dessous. Le diagramme de gauche montre l'incertitude de hauteur (la courbe est représentée avec une erreur spéciale au début) qui a été enregistrée à Wuhan (Chine). Wuhan est située à 30,5° de latitude nord et constitue le meilleur endroit où la constellation de satellites est toujours parfaite. Le diagramme de droite montre le même intervalle enregistré pris à la station Kasei en Antarctique (latitude 66,3°S). En raison de la constellation de satellites loin d’être idéale à cette latitude, des erreurs plus graves se produisaient de temps en temps. De plus, l'erreur est due à l'influence de l'atmosphère - plus les pôles sont proches, plus l'erreur est grande.

Orbites des satellites

Bien que les satellites se trouvent sur des orbites assez bien définies, de légers écarts par rapport aux orbites sont encore possibles en raison de la gravité. Le Soleil et la Lune ont peu d'influence sur les orbites. Les données d'orbite sont constamment ajustées et corrigées et sont régulièrement envoyées au récepteur dans la mémoire empirique. Par conséquent, l’impact sur la précision la détermination de l'emplacement est assez petite et si une erreur se produit, elle ne dépasse pas 2 mètres.

Effets des réflexions du signal

L'effet se produit en raison de la réflexion des signaux satellites d'autres objets. Pour les signaux GPS, cet effet se produit principalement à proximité de grands bâtiments ou d'autres objets. Le signal réfléchi prend plus de temps à se produire que le signal direct. L'erreur ne sera que de quelques mètres.

Effets atmosphériques

Une autre source d'imprécision est la diminution de la vitesse de propagation du signal dans la troposphère et l'ionosphère. La vitesse de propagation du signal dans l'espace est égale à la vitesse de la lumière, mais dans l'ionosphère et la troposphère, elle est inférieure. Dans l'atmosphère, à une altitude de 80 à 400 km, l'énergie du soleil crée un grand nombre d'ions chargés positivement. Les électrons et les ions sont concentrés dans les quatre couches conductrices de l'ionosphère (couches D, E, F1 et F2).
Ces couches réfractent les ondes électromagnétiques émanant des satellites, ce qui augmente le temps de parcours des signaux. Fondamentalement, ces erreurs sont corrigées par les actions informatiques du récepteur. Diverses options de vitesse lors du passage à travers l'ionosphère pour les basses et hautes fréquences sont bien connues pour des conditions normales. Ces valeurs sont utilisées lors du calcul des coordonnées de localisation. Cependant, les récepteurs civils sont incapables de s'adapter aux changements inattendus dans la transmission du signal, qui peuvent être provoqués par de forts vents solaires.

On sait que lors du passage de l'ionosphère, les ondes électromagnétiques ralentissent en proportion inverse de l'aire de leur fréquence (1/f2). Cela signifie que les ondes électromagnétiques basse fréquence ralentissent plus rapidement que les ondes électromagnétiques haute fréquence. Si les signaux hautes et basses fréquences qui parviennent au récepteur permettaient d'analyser la différence entre leurs temps d'arrivée, alors le temps de passage dans l'ionosphère serait également calculé. Les récepteurs GPS militaires utilisent des signaux de deux fréquences (L1 et L2), qui se comportent différemment dans l'ionosphère, ce qui élimine une autre erreur de calcul.

L’influence de la troposphère est la deuxième raison pour laquelle le temps de parcours du signal augmente en raison de la réfraction. Les causes de la réfraction sont différentes concentrations de vapeur d'eau dans la troposphère, en fonction des conditions météorologiques. Cette erreur n'est pas aussi importante que celle qui se produit lors du passage à travers l'ionosphère, mais elle ne peut être éliminée par calcul. Pour corriger cette erreur, une correction approximative est utilisée dans le calcul.

Les deux graphiques suivants montrent l'erreur ionosphérique. Les données présentées à gauche ont été obtenues avec un récepteur monofréquence, qui ne peut pas corriger l'erreur ionosphérique. Le graphique de droite a été obtenu avec un récepteur bi-fréquence capable de corriger l’erreur ionosphérique. Les deux diagrammes ont à peu près la même échelle (Gauche : Latitude -15m à +10m, Longitude -10m à +20m. Droite : Latitude -12m à +8m, Longitude -10m à +20m). Le graphique de droite montre une plus grande précision.

En utilisant WAAS et EGNOS, vous pouvez configurer des « cartes » des conditions météorologiques sur différentes régions. Les données corrigées sont envoyées au récepteur et améliorent considérablement la précision.

Imprécision de l'horloge et erreurs d'arrondi

Même si l'heure du récepteur est synchronisée avec l'heure du satellite lors de la détermination de la position, il existe toujours une imprécision temporelle, ce qui entraîne une erreur de 2 m dans la détermination de la position. Les erreurs d'arrondi et de calcul du récepteur ont une erreur d'environ 1 m.

Effets relativistes

Cette section ne fournit pas une explication complète de la théorie de la relativité. Dans la vie de tous les jours, nous ne sommes pas conscients de l’importance de la théorie de la relativité. Cependant, cette théorie affecte de nombreux processus, notamment le bon fonctionnement du système GPS. Cette influence sera brièvement expliquée ci-dessous.

Comme nous le savons, le temps est l'un des principaux facteurs de la navigation GPS et doit être égal à 20 à 30 nanosecondes pour garantir la précision nécessaire. Il faut donc tenir compte de la vitesse des satellites (environ 12 000 km/h)

Quiconque a déjà rencontré la théorie de la relativité sait que le temps s'écoule plus lentement à des vitesses élevées. Pour les satellites, qui se déplacent à une vitesse de 3 874 m/s, l’horloge tourne plus lentement que pour la Terre. Ce temps relativiste entraîne une imprécision temporelle d'environ 7,2 microsecondes par jour (1 microseconde = 10-6 secondes). La théorie de la relativité affirme également que le temps se déplace d’autant plus lentement que le champ gravitationnel est fort. Pour un observateur à la surface de la Terre, l'horloge du satellite fonctionnera plus vite (puisque le satellite est 20 000 km plus haut et est soumis à moins de forces gravitationnelles que l'observateur). Et c’est la deuxième raison de cet effet, six fois plus fort que l’imprécision évoquée un peu plus haut.

En général, les horloges des satellites semblent aller un peu plus vite. L'écart de temps pour un observateur sur Terre serait de 38 microsecondes par jour et entraînerait une erreur totale de 10 km par jour. Pour éviter cette erreur, il n’est pas nécessaire de procéder constamment à des ajustements. La fréquence d'horloge des satellites a été réglée à 10,229999995453 MHz au lieu de 10,23 MHz, mais les données sont utilisées comme si elles avaient une fréquence standard de 10,23 MHz. Cette astuce a résolu une fois pour toutes le problème de l’effet relativiste.

Mais il existe un autre effet relativiste qui n'est pas pris en compte lors de la détermination de la localisation à l'aide du système GPS. C'est ce qu'on appelle l'effet Sagnak et est dû au fait que l'observateur à la surface de la Terre se déplace également constamment à une vitesse de 500 m/s (vitesse à l'équateur) en raison de la rotation de la planète. Mais l’influence de cet effet est faible et son ajustement est difficile à calculer, car dépend de la direction du mouvement. Cet effet n’est donc pris en compte que dans des cas particuliers.

Les erreurs du système GPS sont indiquées dans le tableau suivant. Les valeurs partielles ne sont pas des valeurs constantes, mais sont sujettes à des différences. Tous les chiffres sont des valeurs approximatives.