Univers et espace

Navigation – Mais où suis-je réellement?

Satellite de Galileo

Galileo est le système de navigation par satellite européen, qui comptera 24 satellites (plus 6 en réserve) au total quand il sera opérationnel. L'illustration montre un satellite Galileo. (Image: ESA/ P. Carril)

Applications smartphone, Google Earth, Pokemon Go ou un simple dispositif de navigation automobile: le GPS fait partie intégrante de notre quotidien. Mais que se cache-t-il derrière?

Tout est déjà dit dans le nom: GPS signifie «Global Positioning System» et c’est exactement ce que fait ce système. Il nous permet de déterminer précisément notre position, que nous soyons à la montagne, dans le désert ou en haute mer. La localisation GPS permet aux bateaux et aux avions de maintenir le cap, mais également de retrouver des véhicules volés et de gérer des flottes de camions.

Une précision de 10 mètres

Le GPS a été conçu dans les années 70 pour l’armée américaine, puis mis gratuitement à la disposition des civils – le département de la défense américain a toutefois réduit délibérément la précision de positionnement à l’aide de signaux parasites. Néanmoins, depuis mai 2000, le GPS offre également une précision d’environ 10 mètres dans le domaine civil.

Le GPS est considéré comme standard, mais il ne s’agit pas du seul système de navigation par satellite mondial. La Russie exploite déjà un système opérationnel avec Glonass. La Chine avec Beidou et l’Europe avec Galileo mettent en place leurs concurrents du GPS, alors que l’Inde et le Japon travaillent sur des systèmes régionaux.

24 satellites

Mesurer sa position nécessite d’avoir des points de référence. Pour le GPS, ce sont 24 satellites. Ceux-ci gravitent autour de la Terre à une altitude de 20'200 kilomètres sur six orbites différentes. À une vitesse de 3,9 km par seconde, ils parviennent à faire un tour complet de la Terre en 12 heures. Ils transmettent en permanence leur heure exacte. De plus, des stations de contrôle sur Terre surveillent les orbites de satellites ainsi que les horloges de bord, et les corrigent si nécessaire.

La position exacte d’un récepteur GPS, par exemple ton smartphone, est obtenue en déterminant la distance qui le sépare de plusieurs de ces satellites. Pour cela, la durée précise nécessaire aux signaux des différents satellites pour atteindre ton récepteur GPS est mesurée (distance = vitesse x temps). Une fois la distance connue par rapport à trois satellites, la triangulation permet de calculer les coordonnées de position. Les signaux d’au moins quatre satellites permettent également de déterminer l’altitude.

Une petite excursion dans les théories de la relativité

Sans Einstein et ses théories de la relativité, le GPS nous induirait en erreur. D’après la théorie de la relativité restreinte, nous savons que la vitesse de la lumière est constante dans tous les référentiels, indépendamment des observateurs. Rien n’est plus rapide que la lumière. Il en résulte une «dilatation relativiste du temps» qui stipule qu’une horloge au repos est plus rapide qu’une horloge en mouvement. L’horloge du satellite tourne donc plus lentement que le récepteur GPS. Toutefois, selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, plus la force de gravitation est grande, plus le temps s’écoule lentement. L’horloge dans le satellite, qui est plus éloignée du champ de gravitation de la Terre, tourne donc plus rapidement que l’horloge sur Terre. Par conséquent, les deux variations relativistes se compensent, mais pas totalement: il en résulte toujours une erreur qui doit être prise en compte lors du calcul de la position réelle. Ce n’est pas clair? Alors demande à ton professeur de physique de t’expliquer les théories de la relativité!

Mini-satellite suisse

Il est en forme de cube, ne pèse qu’un kilo et possède une longueur de côté de 10 cm – CubETH, le mini-satellite entièrement construit en Suisse, gravitera autour de la Terre à une altitude de seulement 400 kilomètres et déterminera en continu sa trajectoire, sa position et son orientation dans l’espace à quelques mètres près pour les signaler ensuite à la Terre. Et comme il le fera à l’aide de composants électroniques standards, son coût de fabrication restera raisonnable.

Texte: SATW / Christine D’Anna-Huber
Source: Technoscope 2/17: Satellites - Navigation, mensuration, observation. Technoscope est la revue technique de la SATW destinée aux jeunes.

Créé: 10.05.2017

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