Ces signaux GPS qui font fausse route
10/02/14

Quand les codes ne sont pas en phase

Réfraction ionosphériqueLes mesures effectuées sur le signal GPS sont affectées par différentes sources d’erreurs qui peuvent être classifiées suivant qu’elles sont liées aux satellites, aux récepteurs ou à la propagation du signal dans l’atmosphère terrestre. C’est sur cette dernière source d’erreur que se sont penchés les deux chercheurs.

Les signaux GPS sont en quelque sorte des messages transportés via des ondes électromagnétiques, comme les ondes radio. Dans le vide, un signal radio voyage à la vitesse de la lumière (300.000 km/s). Ce n’est pas le cas dans l’atmosphère terrestre qui perturbe la propagation du signal, lequel subit l’effet de la réfraction atmosphérique à deux niveaux : dans la troposphère (on parle de réfraction troposphérique) et dans l’ionosphère (on parle de réfraction ionosphérique). En d’autres mots, explique Gilles Wautelet,  « l’onde qui porte le signal parcourt la distance entre le satellite et la station à la surface terrestre. En traversant l’atmosphère terrestre, la vitesse de l’onde est un peu plus faible ou un peu plus rapide que la vitesse de la lumière (1). Au total, le retard (ou l'avance) subi par le signal GPS est de l'ordre de plusieurs dizaines de nanosecondes, qui, traduites en unités de longueur, équivalent à plusieurs mètres ». Ce retard ou cette avance dépend en fait de la nature du message (code ou phase) ainsi que de la couche atmosphérique traversée (troposphère ou ionosphère). Ainsi, la réfraction troposphérique se traduit par un retard, à la fois sur les codes et sur les phases, relativement petit et stable : 2,4 mètres. Par contre, la réfraction ionosphérique est de signe contraire pour les codes et les phases. Les codes sont alors ralentis et les phases accélérées. L’ordre de grandeur du délai, quant à lui, se traduit par une erreur sur la distance beaucoup plus variable : entre 1 et 50 mètres. C’est pourquoi la variabilité ionosphérique constitue la principale source d’erreur sur la précision des GPS.

Une des manières de s’affranchir de ces erreurs réside dans la modélisation. « Si les modèles troposphériques permettent de s’affranchir d’une bonne partie de la réfraction troposphérique, les modèles ionosphériques sont, eux, beaucoup plus difficiles à mettre en œuvre et ne représentent qu’une partie de la réalité », commente Gilles Wautelet. Selon René Warnant, « l’étude de ces irrégularités dans l’ionosphère est plus qu’essentielle car ces dernières sont à l’origine d’importantes erreurs dans les mesures de positions effectuées à l’aide de GPS ».

L’ionosphère : terrain d’affrontement entre ondes et électrons

Pour comprendre comment un signal GPS peut interagir avec l’ionosphère, il faut se rappeler que la composition de celle-ci résulte de deux processus complexes. Premièrement, il existe un processus d’ionisation qui est initié par les radiations provenant de l’espace, principalement des rayons solaires ultraviolets et des rayons X. Les photons (particules lumineuses) compris dans ces rayonnements contiennent assez d’énergie pour arracher les électrons (charge négative) des atomes neutres et des gaz atmosphériques. Certains électrons libres sont alors capturés par des ions positifs selon un second processus appelé recombinaison. Il en résulte une compétition permanente entre les processus d’ionisation et de recombinaison, déterminant ainsi la densité électronique globale de l’ionosphère. La concentration en électrons  varie donc à tout moment et dépend de deux facteurs principaux : d’une part, la densité des atomes et molécules neutres (le processus de recombinaison est moins prononcé à des hautes altitudes car la pression y est très faible) et, d’autre part, la quantité de rayonnement solaire reçu de l’espace. Si le gradient de pression (qui est régi par une loi physique dépendant de l’altitude) demeure stable et régulier, c’est loin d’être le cas pour le rayonnement solaire. En effet, les variations diurnes (jour/nuit) et saisonnières (été/hiver) ainsi que l’activité solaire (éruptions solaires, cycles de 11 ans, etc.) vont modifier considérablement la concentration électronique, et par conséquent la propagation des ondes électromagnétiques, y compris les signaux GPS.

(1) Rappelons que dans un milieu donné, une particule ou un signal peut aller plus vite que la lumière dans ce milieu. Il ne s’agit donc pas d’un dépassement de la vitesse c de la lumière dans le vide !

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