🤔 GPS : comment ça marche ? (Tout comprendre)

Narrateur: [0:01] À 200 mètres, tournez à gauche. Narrateur: [0:11] Sur la route des vacances, cette voix est devenue banale. Que l'on parte vers la mer, la montagne ou vers un rendez-vous professionnel, on suit le guidage GPS sans même y penser. En voiture, à pied ou à vélo, cette petite voix rassurante nous indique la route à suivre. Elle estime même notre heure d'arrivée. Elle nous prévient quand on s'est trompé de direction. Google Maps, Apple Plans, Waze, un petit point bleu sur une carte, c'est nous, c'est vous, c'est votre voiture ou votre vélo ou vous-même à pied quelque part sur la Terre. Mais comment un smartphone ou un système de guidage intégré au véhicule peut-il savoir exactement où l'on se trouve à quelques mètres près ? Comment un appareil glissé dans notre poche parvient-il à déterminer notre position n'importe où sur la planète ? La réponse se trouve à plus de 20 000 km au-dessus de nos têtes. Elle repose sur une constellation de satellites, sur des horloges atomiques d'une précision extraordinaire et sur un calcul fondé sur le temps que mettent des signaux radio à voyager dans l'espace. Cette technologie porte un nom que tout le monde connaît, le GPS. Mais ce que l'on sait moins, c'est comment ça fonctionne et de quand ça date. Narrateur: [1:25] Le GPS n'a pas été inventé pour nous aider à trouver un restaurant, pour nous faire livrer des plats cuisinés ou pour éviter les embouteillages. C'est d'abord une technologie militaire née aux États-Unis pendant la guerre froide. Voici son histoire. Narrateur: [1:49] Cet épisode de Monde Numérique vous est proposé en partenariat avec Frogans, le pionnier de l'informatique spatialisée. Comme les inventions dont je vous parle dans cette série, Frogans ouvre une nouvelle voie. C'est une manière innovante de diffuser du contenu sur Internet, à travers des sites d'un nouveau genre, plus visuel et plus libre, qui sortent du cadre du web traditionnel. Les sites Frogans sont optimisés pour tous les écrans, y compris les casques de réalité augmentée, grâce à une technologie ouverte, respectueuse de la vie privée. C'est un véritable outil de création propulsé par un nouveau langage basé sur le XML, accessible en bêta à tous les développeurs professionnels. Frogans est un projet français tourné vers l'Internet de demain. Pour en savoir plus, rendez-vous sur f2r2.fr. F2r2.fr. Et merci à Frogans de soutenir Monde Numérique. Narrateur: [2:53] L'histoire commence en octobre 1957, non pas aux États-Unis, mais en Union soviétique. Les Russes viennent de placer en orbite Sputnik 1, le premier satellite artificiel de l'histoire. Sputnik émet un simple signal radio, une sorte de bip bip que les scientifiques peuvent capter depuis la Terre. Des chercheurs américains constatent alors un phénomène bien connu en physique, l'effet Doppler. C'est le même effet qui donne l'impression qu'une sirène est plus aiguë lorsqu'une ambulance s'approche, par exemple, et plus grave lorsqu'elle s'éloigne. La fréquence du signal de Sputnik varie légèrement selon que le satellite se rapproche ou s'éloigne de l'antenne qui l'écoute. En analysant ces variations, les chercheurs parviennent à calculer la trajectoire du satellite. Ils comprennent rapidement que le raisonnement peut être inversé. Si l'on connaît précisément la trajectoire d'un satellite, il devient possible d'utiliser son signal pour déterminer la position d'un récepteur sur Terre. En 1973, le département américain de la Défense lance officiellement le programme Global Positioning System, le GPS. Narrateur: [4:21] Le premier satellite expérimental de la constellation GPS sera lancé en 1978. 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, ignition. Générique. Narrateur: [4:36] Le GPS ne repose pas sur un seul satellite, mais sur tout un ensemble, une constellation. Il faut au moins 24 satellites répartis sur plusieurs plans orbitaux. Ces balises stellaires gravitent ainsi autour de la Terre à plus de 20 000 km d'altitude. Chaque satellite effectue environ deux orbites par jour, chacun diffusant en permanence plusieurs informations. D'abord, le satellite indique sa position précise dans l'espace. Il transmet aussi l'heure exacte à laquelle son signal est envoyé. Et c'est là que se trouve le secret du GPS. Contrairement à une idée reçue, le satellite n'a pas de caméra. Il ne nous observe pas, il ne photographie pas notre voiture ou nous-mêmes avec notre téléphone dans la poche chaque minute. Il se contente d'émettre un signal, un peu comme un phare spatial, et le téléphone, lui, écoute. Le fonctionnement est donc principalement à sens unique. Les satellites diffusent leur position et l'heure exacte, sans s'occuper de ce qu'on va en faire, et, sur Terre, le récepteur embarqué dans une voiture ou dans un smartphone calcule sa propre localisation. Narrateur: [5:47] Le récepteur GPS n'a pas besoin d'envoyer sa localisation au satellite, ce qui est plutôt une bonne nouvelle en termes de protection de la vie privée. Oui, mais bon, sauf que les applications de navigation peuvent enregistrer, transmettre cette position par Internet. Du coup, ça fait de la collecte de données qui n'est pas effectuée par les satellites GPS eux-mêmes, certes, mais qui peut parfois poser problème. Ça, c'est un autre sujet. Narrateur: [6:17] Alors, pour comprendre le calcul, imaginons qu'un satellite envoie un signal à midi exactement. Votre téléphone le reçoit une fraction de seconde plus tard. Et comme le signal radio se déplace à la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 km par seconde, le téléphone peut calculer la distance qui le sépare du satellite. La formule est simple : la distance est égale à la vitesse multipliée par le temps de parcours. Si le téléphone connaît précisément l'heure d'émission et l'heure de réception, il peut en déduire à quelle distance se trouve le satellite. Mais ça ne suffit pas. Imaginons que le satellite se trouve à 22 000 km, au-dessus de votre tête. Vous pouvez être n'importe où sur une immense sphère qui a pour centre ce satellite. Narrateur: [7:01] Heureusement, avec un deuxième satellite, on obtient une deuxième sphère. Et l'intersection des deux réduit le nombre de positions possibles. Ajoutons encore un troisième satellite, ça permet de resserrer encore le calcul. Et même, en théorie, ça suffit. Trois satellites peuvent fournir une position en deux dimensions sur la surface de la Terre. C'est le minimum. Mais pour déterminer précisément la latitude, la longitude et l'altitude, et surtout pour corriger l'horloge imparfaite du téléphone, il faut généralement recevoir le signal d'au moins quatre satellites. Alors, on parle parfois de triangulation, mais le terme le plus exact est la trilatération. La triangulation utilise des angles, la trilatération utilise des distances. Vous me suivez ? Alors, on continue ! Narrateur: [7:56] Bon, tout ce bazar repose sur une donnée très importante : la mesure du temps. Celle-ci doit donc être extrêmement précise. Or, à la vitesse de la lumière, une minuscule erreur peut entraîner une erreur de position considérable. Une erreur d'une microseconde, c'est-à-dire un millionième de seconde, représente déjà environ 300 mètres. Les GPS embarquent donc plusieurs horloges très particulières, des horloges atomiques. Elles ne fonctionnent pas avec un balancier ou un mécanisme classique, comme une montre, mais elles utilisent les oscillations extrêmement régulières d'atomes, notamment du rubidium ou du césium, pour mesurer le temps. Elles sont également contrôlées et corrigées depuis des stations au sol. Votre smartphone, en revanche, ne contient pas d'horloge atomique. Ce serait beaucoup trop cher et beaucoup trop encombrant. C'est donc précisément le rôle du quatrième satellite, permettant au téléphone de corriger le décalage de sa propre horloge tout en calculant sa position. Le GPS montre ainsi qu'une technologie que l'on considère comme un outil de géolocalisation est en réalité avant tout une technologie de mesure du temps. Narrateur: [9:13] Le GPS ne sert donc pas seulement à dire où nous sommes, mais il permet également de se situer dans le temps, ce qui contribue à faire fonctionner une grande partie du monde numérique. Des réseaux téléphoniques, des systèmes électriques, des infrastructures financières et de nombreux équipements industriels utilisent aussi les signaux satellitaires pour synchroniser leurs horloges. Narrateur: [9:37] Pour fonctionner correctement, le GPS doit même tenir compte des théories de la relativité d'Einstein. Le temps satellitaire, en effet, ne s'écoule pas exactement au même rythme que le temps à la surface de la Terre. Deux effets se combinent. D'abord, les satellites se déplacent très rapidement. Or, selon la relativité restreinte, une horloge en mouvement avance légèrement moins vite qu'une horloge immobile. Mais les satellites sont aussi beaucoup plus éloignés du centre de la Terre, et ils subissent donc une gravité plus faible. Selon la théorie de la relativité générale, l'horloge avance alors légèrement plus vite. Et c'est le deuxième effet qui l'emporte sur le premier. Sans correction, le décalage atteindrait plusieurs dizaines de microsecondes par jour. Ça suffirait pour provoquer rapidement des erreurs de localisation de plusieurs kilomètres. Et là, plus rien ne fonctionnerait. Ce qui veut dire que, lorsque votre téléphone vous guide jusqu'à une adresse, il applique indirectement des principes formulés par Albert Einstein au début du XXe siècle. Sans relativité, pas de petits points bleus que l'on peut suivre aveuglément sur une carte. Narrateur: [10:49] À l'origine, le GPS est donc conçu pour l'armée américaine. Il doit guider les avions, les navires et les troupes, mais aussi améliorer la précision des armes. Les États-Unis vont néanmoins décider progressivement d'autoriser son utilisation civile. Et c'est un événement tragique qui va précipiter cette décision. En 1983, un avion de la Korean Airlines, le vol 007, est abattu par un avion de chasse soviétique. Narrateur: [11:24] L'appareil s'était égaré dans l'espace aérien de l'Union soviétique. Après ce drame, le président américain Ronald Reagan annonce alors que le GPS pourra être mis gratuitement à la disposition de l'aviation civile internationale lorsqu'il sera complètement opérationnel. Ce sera le cas en 1995. Mais pendant plusieurs années, les utilisateurs civils ne vont cependant pas bénéficier de la meilleure précision possible. Ils ont droit à une sorte de sous-GPS. La position affichée peut alors être décalée de plusieurs dizaines de mètres, voire davantage. Mais le 1er mai 2000, le président Bill Clinton décide de mettre fin à cette dégradation volontaire. Et c'est cette décision qui accélère l'essor du GPS civil grand public dans les voitures, les bateaux, les activités de plein air, l'agriculture et, plus tard, les téléphones mobiles. Narrateur: [12:19] Dans les années 1990-2000 apparaissent les GPS automobiles. C'est la période dorée pour des marques comme Garmin, TomTom ou Magellan, qui commercialisent des boîtiers dotés d'un écran et de cartes enregistrées en mémoire. Pour beaucoup d'automobilistes, c'est une révolution. Il n'est plus nécessaire de déplier une carte routière, de préparer minutieusement son itinéraire ou de demander son chemin sur la route. Il suffit de suivre le petit point bleu, ou rouge, selon les appareils. Mais le GPS n'indique encore que la position. Pour guider réellement l'utilisateur, il faut lui ajouter des cartes numériques, une base d'adresses et un logiciel capable de calculer un trajet. Le satellite ne sait pas, par exemple, qu'une route est fermée. Il ne connaît pas non plus les embouteillages, ni les limitations de vitesse, ni les horaires d'un restaurant. Ce sont des informations qui viendront ensuite sous forme de services supplémentaires. Lorsque les smartphones se généralisent à la fin des années 2000, tous ces éléments peuvent être réunis dans un même appareil. Un récepteur satellitaire, une connexion à Internet, des cartes, un écran tactile et des applications de navigation avec des microprocesseurs suffisamment puissants pour faire tourner tout ça. Le GPS automobile commence alors à décliner. Il est détrôné par le smartphone. Narrateur: [13:37] Le smartphone offre de nombreux avantages pour la navigation par GPS. Il permet d'améliorer encore la localisation en s'appuyant sur différentes sources complémentaires. Non seulement les signaux satellitaires, mais aussi les antennes du réseau mobile, les bornes Wi-Fi voisines, le Bluetooth, les capteurs de mouvement, la boussole électronique ou encore le baromètre. Mais le problème, c'est que cette précision est variable. Par exemple, dans une rue avec de très hauts immeubles, les signaux peuvent rebondir sur les façades avant d'atteindre le téléphone. Et du coup, le récepteur va être trompé. C'est l'une des raisons pour lesquelles le petit point bleu peut sauter d'un côté à l'autre dans une rue, sous un tunnel, dans un parking ou au cœur d'un bâtiment aussi. Les arbres, les reliefs, l'atmosphère et la disposition des satellites eux-mêmes peuvent aussi réduire la précision. Narrateur: [14:29] Dans le langage courant, on appelle GPS presque tous les systèmes de localisation par satellite. Mais en réalité, vous l'avez compris, GPS désigne précisément le système américain. Et aujourd'hui, il existe aussi d'autres constellations. La Russie dispose de GLONASS, la Chine a développé BeiDou, l'Europe possède Galileo. L'Inde et le Japon exploitent également des systèmes régionaux. Dans la vie quotidienne, on ne s'en rend pas compte, l'utilisateur ne choisit pas lui-même la constellation, c'est le téléphone qui gère tout ça automatiquement, sans qu'on s'en occupe. Narrateur: [15:04] Reste une question : peut-on brouiller ou tromper le GPS ? Eh bien, la réponse est oui. On parle de jamming. Ce sont des systèmes embarqués, par exemple, dans des véhicules spécialisés, qui vont brouiller les signaux GPS. Il existe aussi une autre technique plus sophistiquée, le spoofing. Ça consiste à diffuser de faux signaux qui ressemblent à ceux du satellite afin de faire croire aux récepteurs qu'ils se trouvent ailleurs. Ça va se pratiquer en cas de tension internationale. J'ai vécu ça personnellement il y a quelques années au Proche-Orient, où il était impossible de savoir exactement où on était au Liban ou à Chypre. En fait, le satellite indiquait toujours la même position. Le brouillage s'est aussi beaucoup pratiqué, notamment dans les pays baltes, au moment de la guerre en Ukraine. Narrateur: [15:56] Le GPS a donc changé bien davantage que notre manière de conduire. Il a transformé notre rapport à l'espace, aux distances et aux déplacements. Il nous permet d'explorer plus facilement des lieux inconnus, mais il nous rend aussi dépendants d'une infrastructure invisible située à des milliers de kilomètres au-dessus de nos têtes. Et il y a aussi un effet pervers. Plus nous disposons d'outils capables de nous dire exactement où nous sommes, et moins nous faisons l'effort de nous repérer par nous-mêmes. Alors, en suivant un itinéraire sur la route des vacances, ou ailleurs, pensez donc à tout ce qui se cache derrière ce petit point bleu sur votre écran. Tout ça pour vous permettre d'entendre cette phrase tellement banale et tellement rassurante à la fois. Vous êtes arrivé à votre destination. Voilà, c'était Tout comprendre, le podcast de Monde Numérique qui décrypte les technologies qui changent nos vies. Retrouvez les autres épisodes sur le fil du podcast Monde Numérique, sur toutes les plateformes et sur le site.