La géolocalisation

Géolocalisation : historique et principe

La géolocalisation sur une carte numérique fait aujourd'hui partie du quotidien des particuliers (trouver son chemin, en remplacement ou en complément des plans et cartes en papier…) comme des professionnels (aide aux navigations terrestres, aériennes ou maritimes…).

Cette page peut être considérée comme une ressource pour élèves de seconde (cours de SNT).

 

Historique

  • 1978 : lancement du premier satellite GPS (Global Positioning System), conçu par le département de la Défense des États-Unis dans les années 60 et fonctionnant par trilatération. Naissance des balises Argos pour la recherche en mer, puis la surveillance environnementale (suivi des animaux migrateurs, par exemple). Le système Argos, moins précis que le GPS, est basé sur une technique très différente (effet Doppler).
  • 1995 : avec 24 satellites, le système GPS devient pleinement opérationnel.
  • 2000 : le GPS est disponible dans les domaines civils.
  • 2004 : création de Google Maps, service de cartographie en ligne.
  • 2011 : le système de géolocalisation GLONASS, concurrent russe du GPS, couvre l’ensemble de la planète.
  • 2012 : le système chinois Beidou 2 est opérationnel.
  • 2016 : le système européen Galileo est opérationnel.
  • 2020 : le système chinois Beidou 3 atteint une précision de 10 cm (en version militaire).

 

Localisation

Tout point du globe terrestre est repérable par deux coordonnées qui sont des mesures d’angles : la latitude et la longitude (voir le repérage sur une sphère).

Par exemple, rendons-nous sur Géoportail pour connaître les coordonnées d’un lieu à partir d’une carte numérique.

https://www.geoportail.gouv.fr/carte

Nous avons zoomé sur la place du Capitole, à Toulouse. Plus précisément sur la croix occitane marquée au sol.

À droite, un choix de systèmes de coordonnées nous est demandé. Nous sélectionnons le plus courant : géographique en degrés sexagésimaux.

capture d'écran

Nous lisons Latitude 43°36’16.97’’N et Longitude 1°26’39.97’’E.

 

Géolocalisation

La géolocalisation repose sur le principe de trilatération.

Des satellites sont munis d’horloges astronomiques. Grâce aux décalages entre l’heure d’émission de trois satellites et celle d’un récepteur terrestre (votre smartphone, par exemple) ainsi que les distances qui les séparent, il est possible de connaître précisément la latitude et la longitude du récepteur. Précisons qu’un quatrième satellite synchronise l’horloge de ce dernier afin qu’il bénéficie de la même précision horaire.

Théoriquement, le calcul est très simple puisqu’il se fonde sur la formule \(d = vt\) avec \(v\) vitesse de la lumière. \(d\) est la distance entre un satellite et le récepteur. Quant à \(t,\) c’est la durée de transmission du signal entre le satellite et le récepteur. Il suffit donc de connaître \(t\) pour connaître \(d.\)

Pour couvrir la surface de la Terre, trois satellites ne suffisent pas. Galileo fonctionne avec 24 satellites en service.

Pour bien comprendre le principe de trilatération, il est plus simple de d’abord raisonner en deux dimensions.

Un premier satellite S1 informe que le point de réception se trouve dans un certain rayon. Il y a donc une infinité de possibilités (tous les points du cercle).

Un deuxième satellite S2 informe que le point de réception se trouve dans un certain rayon. Cette information, combinée à la première, restreint le nombre de points possibles à deux (ci-dessous, P1 et P2).

2 cercles

Il faut un troisième satellite pour informer lequel des deux points est le bon.

3 cercles

En réalité, il ne s’agit pas de cercles mais de sphères et l’intersection de deux sphères n’est pas constituée de deux points mais d’un cercle. Celle de trois sphères prend la forme de deux points mais l’un d’eux n’a aucune chance de se trouver à la surface de la Terre. Il faut toutefois que l’altitude du récepteur soit connue, ce qui suppose une cartographie détaillée de la planète.

Au sol, des stations de contrôle et de surveillance assurent le bon fonctionnement des satellites et la précision de leurs données.

Les récepteurs indiquent les coordonnées d'un lieu sous une forme normalisée : protocole NMEA 0183  pour la navigation maritime, métadonnées d’une photo numérique…

Voici un exemple de données NMEA 0183. Elles ont été enregistrées le 10 janvier 2022 avec l'application NMEA Tools installée sur un banal smartphone (durée de l'enregistrement : une seconde).

Remarquez que la plupart des signaux proviennent d'équipements GPS (trames commençant par $GP). Deux émanent du système GLONASS (trames commençant par $GL).

Voir aussi la page consacrée à la localisation avec téléphone mobile.

 

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