Le système GPS (Global Positionning System) est issu d'un programme militaire Américain débuté en 1958 (un an après le lancement du premier satellite) ; ce programme visait à obtenir la position d'un mobile terrestre à partir d'émissions radio en provenance d'un satellite.
En 1960 les ingénieurs de l'US Navy mettent au point le système Transit. Celui-ci basé sur l'éffet Doppler (utilisé par les radars) permet de positionner un point fixe avec une précision métrique, cependant des contraintes fortes le rendent inutilisable : des temps de mesures importants et deux survols du récepteur sont nécessaire.
Dans les années 1970 le Département of Défense des États-Unis met en place ce qui deviendra le système GPS. Dans un premier temps réservé aux militaires qui envisageaient d'en crypter les émissions celui-ci sera ouvert à une utilisation civile sous la pression du marché (plusieurs milliards de dollars par an).
L'ouverture au marché civil s'accompagne toutefois d'une dégradation des performances introduite par les militaires. Nommée Sélective Aviability ce système peut dégrader, en fonction des tensions géopolitiques, la précisions du GPS à 100m dans 95% des mesures.
Les constructeurs civils se sont ingéniés à trouver des solutions permettant de disposer d'une précision de l'ordre du centimètre.
Principe de Fonctionnement
Le système GPS se base sur une constellation de 24 satellites regroupés sur six plans orbitaux inclinés de 59°. Il est ainsi possible de voir entre 4 et 10 satellites de n'importe quel point du globe. Ces satellites émettent continuellement un flux d'information comportant des données concernant leur orbite (position du satellite) et des informations temporelles (référence temps). La fréquence d'émission en SHF est de 1 575,42MHz.
Les satellites du réseau GPS embarquent chacun une horloge atomique d'une précision meilleure que 10-9 seconde. A un instant t un satellite émet un signal horaire vers les récepteurs GPS qui le reçoivent à un instant t1 (le temps d'arriver au récepteur). Ce signal se déplaçant à la vitesse de la lumière (300 000km/s) il est aisé de connaître la distance (d1) séparant le récepteur GPS du satellite ayant émis le signal :
( t1 - t ) /300 000 = d1
Le récepteur se trouvera donc sur le pourtour de la sphère de diamètre d1 centrée sur ce premier satellite.
En reproduisant au même instant cette opération les signaux en provenance de trois autres satellites (donc un total de quatre) on obtient la distance séparant le récepteur de ces quatre satellites, par recoupement il est alors aisé d'obtenir la position du récepteur.
Cependant ce système présente ses limites : si les satellites embarquent chacun une horloge atomique de grande précision ce n'est pas le cas des récepteurs GPS, il s'ensuit donc des erreurs de mesures pouvant influencer le calcul. Le récepteur GPS recevant les signaux des satellites va calculer, comme indiqué plus haut, les distances d1, d2, d3 et d4 qui devraient se recouper en même point. Ce qui ne sera pas le cas du fait des erreurs de mesures, le récepteur GPS cherchera alors les valeurs les plus proches de t1, t2, t3 et t4 pour lesquelles les quatre sphères centrées sur leurs satellites respectifs se recoupent en un même point. Il s'ensuit une marge d'erreur dans le calcul du positionnement (pouvant varier suivant différents paramètres explicités au paragraphe Précision).