Système de positionnement global

Lors du lancement par l' Union soviétique de son premier satellite artificiel ( Spoutnik 1 ) en 1957, deux physiciens américains, William Guier et George Weiffenbach, du Laboratoire de physique appliquée (APL) de l' Université Johns Hopkins , ont surveillé ses émissions radio. En quelques heures, ils ont compris que, grâce à l' effet Doppler , ils pouvaient déterminer la position exacte du satellite sur son orbite. Le directeur de l'APL leur a alors donné accès à l' ordinateur UNIVAC I pour effectuer les calculs complexes nécessaires.

Au début de l'année suivante, Frank McClure, directeur adjoint de l'APL, demanda à Guier et Weiffenbach d'étudier le problème inverse : déterminer la position de l'utilisateur à partir de celle du satellite. (À l'époque, la Marine développait le missile Polaris , lancé depuis un sous-marin , ce qui nécessitait de connaître la position de ce dernier.) Ces travaux les conduisirent, avec l'APL, à développer le système TRANSIT . En 1959, l'ARPA (renommée DARPA en 1972) participa également au développement de TRANSIT.

Le système TRANSIT a été testé avec succès pour la première fois en 1960. Il utilisait une constellation de cinq satellites et pouvait fournir un point de navigation environ une fois par heure. En 1967, l'US Navy a développé le satellite Timation , qui a prouvé la faisabilité de placer des horloges précises dans l'espace, une technologie nécessaire au GPS.

Dans les années 1970, le système de navigation terrestre OMEGA , basé sur la comparaison de phase des signaux émis par paires de stations , est devenu le premier système de radionavigation mondial. Les limitations de ces systèmes ont engendré le besoin d'une solution de navigation plus universelle et plus précise.

Bien que les besoins en navigation précise fussent importants dans les secteurs militaire et civil, presque aucun ne justifiait les milliards de dollars nécessaires à la recherche, au développement, au déploiement et à l'exploitation d'une constellation de satellites de navigation. Durant la course aux armements de la Guerre froide , la menace nucléaire pesant sur l'existence des États-Unis était le seul besoin qui, de l'avis du Congrès américain, justifiait cet investissement. C'est cet effet dissuasif qui a motivé le financement du GPS. C'est également ce qui explique le secret absolu qui entourait le système à cette époque. La triade nucléaire était composée des missiles balistiques lancés par sous-marin (SLBM) de l'US Navy, ainsi que des bombardiers stratégiques et des missiles balistiques intercontinentaux ( ICBM ) de l'US Air Force . Considérée comme essentielle à la dissuasion nucléaire , la détermination précise de la position de lancement des SLBM constituait un facteur de puissance considérable .

Une navigation précise permettrait aux sous-marins lanceurs de missiles balistiques américains de déterminer avec exactitude leur position avant le lancement de leurs SLBM. L'USAF, qui possède les deux tiers de la triade nucléaire, avait également besoin d'un système de navigation plus précis et fiable. L'US Navy et l'US Air Force développaient en parallèle leurs propres technologies pour résoudre ce qui était fondamentalement le même problème. Afin d'accroître la capacité de survie des ICBM, il était proposé d'utiliser des plateformes de lancement mobiles (comparables aux SS-24 et SS-25 soviétiques ), ce qui rendait la nécessité de déterminer la position de lancement similaire à celle des SLBM.

En 1960, l'US Air Force proposa un système de radionavigation appelé MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), qui était essentiellement un système LORAN 3D. Une étude complémentaire, le projet 57, fut menée en 1963 et c'est au cours de cette étude que le concept du GPS vit le jour. La même année, ce concept fut approfondi sous le nom de projet 621B, qui présentait « de nombreuses caractéristiques que l'on retrouve aujourd'hui dans le GPS » et promettait une précision accrue pour les bombardiers et les missiles balistiques intercontinentaux de l'US Air Force.

Les mises à jour du système TRANSIT de la Marine étaient trop lentes pour les vitesses élevées des opérations de l'Armée de l'Air. Le Laboratoire de Recherche Navale (NRL) a continué à faire des progrès avec ses satellites Timation (Navigation Temporelle), lancés pour la première fois en 1967, le deuxième en 1969, le troisième en 1974 emportant la première horloge atomique en orbite et le quatrième en 1977.

Un autre précurseur important du GPS provenait d'une autre branche de l'armée américaine. En 1964, l' armée de terre américaine a mis en orbite son premier satellite SECOR (Sequential Collation of Range), utilisé pour les levés géodésiques. Le système SECOR comprenait trois émetteurs au sol, situés à des emplacements connus, qui envoyaient des signaux au transpondeur du satellite en orbite. Une quatrième station au sol, à une position indéterminée, pouvait ensuite utiliser ces signaux pour déterminer sa position avec précision. Le dernier satellite SECOR a été lancé en 1969.

Grâce à ces développements parallèles dans les années 1960, un système supérieur a pu être mis au point en synthétisant les meilleures technologies des programmes 621B, Transit, Timation et SECOR au sein d'un programme multiservices. Il était nécessaire de corriger les erreurs de position orbitale des satellites, induites notamment par les variations du champ gravitationnel et la réfraction radar . Une équipe dirigée par Harold L. Jury de la division aérospatiale de Pan Am en Floride, de 1970 à 1973, a utilisé l'assimilation de données en temps réel et l'estimation récursive pour y parvenir, réduisant ainsi les erreurs systématiques et résiduelles à un niveau acceptable pour permettre une navigation précise.

Durant le week-end de la fête du Travail de 1973, une réunion d'une douzaine d'officiers militaires au Pentagone a porté sur la création d'un système de navigation par satellite de défense (DNSS) . C'est lors de cette réunion que fut élaborée la véritable synthèse qui allait devenir le GPS. Plus tard dans l'année, le programme DNSS fut baptisé Navstar. Le nom Navstar n'était pas un acronyme, mais avait été choisi simplement pour sa sonorité agréable. Les satellites individuels étant associés au nom Navstar (comme pour ses prédécesseurs Transit et Timation), un nom plus englobant fut utilisé pour identifier la constellation de satellites Navstar : Navstar-GPS . Dix satellites prototypes « Block I » furent lancés entre 1978 et 1985 (une unité supplémentaire fut détruite lors d'un échec au lancement).

L’influence de l’ionosphère sur la transmission radio a été étudiée au sein d’un laboratoire de géophysique du Laboratoire de recherche de l’armée de l’air de Cambridge , rebaptisé Laboratoire de recherche géophysique de l’armée de l’air (AFGRL) en 1974. L’AFGRL a développé le modèle de Klobuchar pour le calcul des corrections ionosphériques appliquées à la localisation GPS. Il convient de souligner les travaux menés par la scientifique spatiale australienne Elizabeth Essex-Cohen à l’AFGRL en 1974. Elle s’intéressait à la déviation des ondes radio ( réfraction atmosphérique ) traversant l’ionosphère depuis les satellites Navstar.

Suite au tragique accident de 1983 au cours duquel le vol 007 de Korean Air Lines , un Boeing 747 transportant 269 personnes, fut abattu par un avion intercepteur soviétique après avoir pénétré dans l'espace aérien interdit en raison d'erreurs de navigation , à proximité des îles de Sakhaline et de Moneron , le président Ronald Reagan publia une directive rendant le GPS accessible gratuitement aux civils, une fois son développement suffisant, comme un bien commun . Le premier satellite Block II fut lancé le 14 février 1989 et le 24e en 1994. Le coût du programme GPS à ce jour, hors coût des équipements utilisateurs mais incluant les coûts de lancement des satellites, était estimé à 5 milliards de dollars américains (soit l'équivalent de )

Initialement, le signal de la plus haute qualité était réservé à l'usage militaire, et le signal disponible pour les civils était intentionnellement dégradé, selon une politique appelée « disponibilité sélective » . Cette situation a changé le 1er mai 2000, lorsque le président américain Bill Clinton a signé une directive visant à désactiver la disponibilité sélective afin d'offrir aux civils la même précision qu'aux militaires. Cette directive avait été proposée par le secrétaire américain à la Défense, William Perry , face à l'essor des services GPS différentiels proposés par le secteur privé pour améliorer la précision du système pour les civils. Par ailleurs, l'armée américaine développait des technologies permettant de bloquer l'accès au GPS à des adversaires potentiels à l'échelle régionale. La disponibilité sélective a été supprimée de l'architecture GPS à partir du GPS-III.

Depuis son déploiement, les États-Unis ont apporté plusieurs améliorations au service GPS, notamment de nouveaux signaux pour un usage civil et une précision et une intégrité accrues pour tous les utilisateurs, tout en maintenant la compatibilité avec les équipements GPS existants. La modernisation du système satellitaire est une initiative continue du département de la Défense américain, qui se traduit par une série d' acquisitions de satellites afin de répondre aux besoins croissants des forces armées, des civils et du marché commercial. Début 2015, les récepteurs GPS SPS (Standard Positioning Service) de haute qualité offraient une précision horizontale supérieure à bien que de nombreux facteurs, tels que la qualité du récepteur et de l'antenne et les conditions atmosphériques, puissent affecter cette précision.

Le GPS est la propriété du gouvernement des États-Unis et est exploité par celui-ci en tant que ressource nationale. Le département de la Défense est responsable de sa gestion. Le Conseil exécutif inter-agences du GPS (IGEB) a supervisé les questions de politique relatives au GPS de 1996 à 2004. Par la suite, le Comité exécutif national du positionnement, de la navigation et de la synchronisation par satellite a été créé par directive présidentielle en 2004 afin de conseiller et de coordonner les ministères et agences fédéraux sur les questions concernant le GPS et les systèmes connexes. Ce comité exécutif est coprésidé par les secrétaires adjoints à la Défense et aux Transports. Il est composé de hauts fonctionnaires des départements d'État, du Commerce et de la Sécurité intérieure, de l'état- major interarmées et de la NASA . Des représentants du cabinet du président participent aux travaux du comité exécutif en qualité d'observateurs, et le président de la FCC y assure la liaison.

Le ministère américain de la Défense est tenu par la loi de « maintenir un service de positionnement standard (tel que défini dans le plan fédéral de radionavigation et la spécification du signal du service de positionnement standard) qui sera disponible en continu dans le monde entier » et de « développer des mesures pour empêcher l'utilisation hostile du GPS et de ses améliorations sans perturber ou dégrader indûment les utilisations civiles ».

• En 1972, l'US Air Force Central Inertial Guidance Test Facility (Holloman Air Force Base) a effectué des essais en vol de développement de quatre prototypes de récepteurs GPS en configuration Y au-dessus du champ de tir de missiles de White Sands , en utilisant des pseudo-satellites terrestres.
• En 1978, le premier satellite expérimental GPS Block-I a été lancé.
• En 1983, après que des avions intercepteurs soviétiques eurent abattu le vol civil KAL 007 qui avait pénétré dans l'espace aérien interdit en raison d'erreurs de navigation, tuant les 269 personnes à bord, le président américain Ronald Reagan annonça que le GPS serait accessible aux civils une fois son développement achevé Il était toutefois de notoriété publique dès 1979 que le code CA (Coarse/Acquisition code) serait disponible pour les utilisateurs civils
• En 1985, dix autres satellites expérimentaux de type Block-I avaient été lancés pour valider le concept.
• À partir de 1988, le commandement et le contrôle de ces satellites ont été transférés de la base aérienne d'Onizuka , en Californie, au 2e escadron de contrôle des satellites (2SCS) situé à la base spatiale Schriever à Colorado Springs, dans le Colorado .
• Le 14 février 1989, le premier satellite moderne de type Block-II a été lancé.
• La guerre du Golfe de 1990 à 1991 a été le premier conflit dans lequel l'armée a largement utilisé le GPS.
• En 1991, le projet de la DARPA visant à créer un récepteur GPS miniature s'est achevé avec succès, remplaçant les précédents récepteurs militaires lb) par un récepteur GPS portable entièrement numérique de lb) .
• En 1991, TomTom , un fabricant néerlandais de systèmes de navigation par satellite, a été fondé.
• En 1992, la 2e escadre spatiale , qui gérait initialement le système, a été désactivée et remplacée par la 50e escadre spatiale .
• En décembre 1993, le GPS a atteint sa capacité opérationnelle initiale (IOC), avec une constellation complète (24 satellites) disponible et fournissant le service de positionnement standard (SPS).
• La pleine capacité opérationnelle (FOC) a été déclarée par le Commandement spatial de l'Armée de l'air (AFSPC) en avril 1995, ce qui signifie la pleine disponibilité du service de positionnement précis sécurisé (PPS) de l'armée.
• En 1996, reconnaissant l'importance du GPS pour les utilisateurs civils ainsi que pour les utilisateurs militaires, le président américain Bill Clinton a publié une directive politique déclarant que le GPS était un système à double usage et établissant un conseil exécutif inter-agences du GPS pour le gérer comme un atout national.
• En 1998, le vice-président des États-Unis, Al Gore, a annoncé son intention de moderniser le GPS avec deux nouveaux signaux civils pour une précision et une fiabilité accrues pour l'utilisateur, notamment en matière de sécurité aérienne, et en 2000, le Congrès des États-Unis a autorisé ce projet, le désignant sous le nom de GPS III .
• Le 2 mai 2000, le système de « disponibilité sélective » a été abandonné suite au décret présidentiel de 1996, permettant ainsi aux utilisateurs civils de recevoir un signal non dégradé dans le monde entier.
• En 2004, le gouvernement des États-Unis a signé un accord avec la Communauté européenne établissant une coopération relative au GPS et au système Galileo européen .
• En 2004, le président des États-Unis, George W. Bush, a mis à jour la politique nationale et a remplacé le conseil exécutif par le Comité exécutif national pour le positionnement, la navigation et la synchronisation basés sur l'espace.
• En novembre 2004, Qualcomm a annoncé des tests réussis de GPS assisté pour téléphones mobiles .
• En 2005, le premier satellite GPS modernisé a été lancé et a commencé à transmettre un deuxième signal civil (L2C) pour des performances utilisateur améliorées.
• Le 14 septembre 2007, le système de contrôle du segment sol vieillissant basé sur un mainframe a été transféré vers le nouveau plan d'évolution de l'architecture.
• Le 19 mai 2009, le Government Accountability Office des États-Unis a publié un rapport avertissant que certains satellites GPS pourraient tomber en panne dès 2010.
• Le 21 mai 2009, le Commandement spatial de l'armée de l'air a apaisé les craintes de défaillance du GPS, en déclarant : « Il n'y a qu'un faible risque que nous ne continuions pas à dépasser notre norme de performance. »
• Le 11 janvier 2010, une mise à jour des systèmes de contrôle au sol a provoqué une incompatibilité logicielle avec 8 000 à 10 000 récepteurs militaires fabriqués par une division de Trimble Navigation Limited de Sunnyvale, en Californie.
• Le 25 février 2010, l'US Air Force a attribué le contrat à Raytheon Company pour développer le système de contrôle opérationnel de nouvelle génération GPS (OCX) afin d'améliorer la précision et la disponibilité des signaux de navigation GPS et de servir de partie essentielle de la modernisation du GPS.
• Le 24 juillet 2020, l'exploitation de la constellation GPS est transférée à la nouvelle Force spatiale américaine dans le cadre de sa création.

  

• Le 13 octobre 2023, la Force spatiale a activé le PNT Delta (provisoire) pour gérer les moyens de guerre de navigation américains . Les opérations 2SOPS et GPS ont été réorganisées sous ce nouveau Delta .

Le 10 février 1993, la National Aeronautic Association a décerné à l'équipe GPS le trophée Robert J. Collier 1992 , la plus prestigieuse récompense aéronautique des États-Unis. Cette équipe réunit des chercheurs du Naval Research Laboratory, de l'US Air Force, de l' Aerospace Corporation , de Rockwell International Corporation et d'IBM Federal Systems Company. La citation les honore « pour leur contribution la plus significative à la navigation et à la surveillance sûres et efficaces des aéronefs et des engins spatiaux depuis l'introduction de la radionavigation il y a 50 ans ».

Deux développeurs de systèmes GPS ont reçu le prix Charles Stark Draper de l' Académie nationale d'ingénierie pour l'année 2003 :

• Ivan Getting , président émérite de The Aerospace Corporation et ingénieur au Massachusetts Institute of Technology , a établi les bases du GPS, améliorant le système radio terrestre de la Seconde Guerre mondiale appelé LORAN (Long-Range Radio Aid to Navigation).
• Bradford Parkinson , professeur d' aéronautique et d'astronautique à l'université de Stanford , a conçu le système satellitaire actuel au début des années 1960 et l'a développé en collaboration avec l'US Air Force. Parkinson a servi pendant vingt et un ans dans l'Air Force, de 1957 à 1978, et a pris sa retraite avec le grade de colonel.

Le concepteur du GPS, Roger L. Easton, a reçu la Médaille nationale de la technologie le 13 février 2006. Le colonel Francis X. Kane (USAF, retraité) a été intronisé au Temple de la renommée des pionniers de l'espace et des missiles de l'US Air Force à la base aérienne de Lackland, à San Antonio, au Texas, le 2 mars 2010, pour son rôle dans le développement des technologies spatiales et la conception technique du GPS, réalisée dans le cadre du projet 621B. En 1998, la technologie GPS a été intronisée au Temple de la renommée des technologies spatiales de la Space Foundation .

Le 4 octobre 2011, la Fédération internationale d'astronautique (IAF) a décerné au Système mondial de positionnement (GPS) son prix du 60e anniversaire, sur proposition de l'American Institute for Aeronautics and Astronautics (AIAA), membre de l'IAF. Le Comité des distinctions et récompenses de l'IAF a salué le caractère unique du programme GPS et le rôle exemplaire qu'il a joué dans le développement de la collaboration internationale au service de l'humanité. Le 6 décembre 2018, Gladys West a été intronisée au Temple de la renommée des pionniers de l'espace et des missiles de l'US Air Force en reconnaissance de ses travaux sur un modèle géodésique terrestre d'une extrême précision, qui a permis de déterminer l'orbite de la constellation GPS. Le 12 février 2019, quatre membres fondateurs du projet ont reçu le prix Reine Elizabeth pour l'ingénierie. Le président du jury a déclaré : « L'ingénierie est le fondement de la civilisation ; […] Ils ont profondément transformé l'infrastructure de notre monde. »

Chaque satellite GPS émet en continu un signal ( onde porteuse modulée ) qui comprend :

• Un code pseudo-aléatoire (séquence de 0 et de 1) connu du récepteur. En alignant temporellement la version du code générée par le récepteur et la version mesurée par celui-ci, on peut déterminer le temps d'arrivée (TOA) d'un point défini de la séquence, appelé époque, sur l'échelle de temps de l'horloge du récepteur.
• Un message qui inclut l'heure de transmission (TOT) de l'époque du code (en temps GPS) et la position du satellite à ce moment-là.

Conceptuellement, le récepteur mesure les TOA (temps d'arrivée) (selon sa propre horloge) de quatre signaux satellitaires. À partir des TOA et des TOT (temps de transit), le récepteur calcule quatre valeurs de temps de vol (TOF), qui sont (étant donné la vitesse de la lumière) approximativement équivalentes à la somme des distances récepteur-satellite et de la différence de temps entre le récepteur et les satellites GPS, multipliée par la vitesse de la lumière ; ces valeurs sont appelées pseudo-distances. Le récepteur calcule ensuite sa position tridimensionnelle et son écart d'horloge à partir de ces quatre TOF.

En pratique, la position du récepteur (en coordonnées cartésiennes tridimensionnelles avec l'origine au centre de la Terre) et le décalage de l'horloge du récepteur par rapport à l'heure GPS sont calculés simultanément, en utilisant les équations de navigation pour traiter les TOF.

La position géocentrique du récepteur est généralement convertie en latitude , longitude et altitude par rapport à un modèle ellipsoïdal de la Terre. L'altitude peut ensuite être convertie en altitude par rapport au géoïde , qui correspond essentiellement au niveau moyen de la mer. Ces coordonnées peuvent être affichées, par exemple sur un écran de carte mobile , ou enregistrées ou utilisées par un autre système, tel qu'un système de guidage de véhicule.

À compter de 2025, ces principes fondamentaux sont renforcés par la modernisation continue de la constellation GPS avec l'introduction des satellites GPS III et GPS IIIF. Ces satellites de nouvelle génération intègrent des horloges atomiques plus performantes pour une précision temporelle accrue et diffusent des signaux plus puissants, sécurisés et interopérables (tels que L1C, L2C et L5). Ceci améliore la précision des mesures de temps de vol (TOF) et offre une meilleure résistance aux interférences, renforçant ainsi la fiabilité du calcul de position pour tous les utilisateurs.

On dit parfois, à tort, que la position de l'utilisateur se situe à l'intersection de trois sphères. Bien que plus simple à visualiser, cette représentation n'est valable que si l'horloge du récepteur est synchronisée avec celles des satellites (c'est-à-dire si le récepteur mesure la distance réelle aux satellites et non la différence de distance). L'utilisation d'une horloge synchronisée avec les satellites présente des avantages considérables en termes de performances. Le principal avantage est que seulement trois satellites sont nécessaires pour calculer la position. Si le concept GPS exigeait que tous les utilisateurs soient équipés d'une horloge synchronisée, on pourrait déployer moins de satellites, mais le coût et la complexité de l'équipement utilisateur augmenteraient.

La description ci-dessus illustre le démarrage d'un récepteur. La plupart des récepteurs sont équipés d'un algorithme de poursuite , qui combine des ensembles de mesures satellitaires collectées à différents moments, exploitant ainsi la proximité des positions successives du récepteur. Après le traitement d'un ensemble de mesures, l'algorithme de poursuite prédit la position du récepteur correspondant à l'ensemble suivant de mesures satellitaires. Lors de l'acquisition de ces nouvelles mesures, le récepteur utilise une méthode de pondération pour les combiner à la prédiction de l'algorithme de poursuite. De manière générale, un algorithme de poursuite permet : (a) d'améliorer la précision de la position et de l'heure du récepteur ; (b) de rejeter les mesures erronées ; et (c) d'estimer la vitesse et la direction du récepteur.

L'inconvénient d'un système de suivi est que les variations de vitesse ou de direction ne peuvent être calculées qu'avec un certain délai, et que la direction calculée devient imprécise lorsque la distance parcourue entre deux mesures de position est inférieure ou proche de l' erreur aléatoire de mesure. Les systèmes GPS peuvent utiliser la mesure du décalage Doppler des signaux reçus pour calculer la vitesse avec précision. Les systèmes de navigation plus avancés utilisent des capteurs supplémentaires, comme une boussole ou un système de navigation inertielle, en complément du GPS.

Bien que quatre satellites soient nécessaires au fonctionnement normal, un nombre inférieur suffit dans certains cas particuliers. Si une variable est déjà connue, un récepteur peut déterminer sa position à l'aide de seulement trois satellites. Par exemple, l'altitude d'un navire en haute mer est généralement connue et proche de 0 m , et celle d'un aéronef peut également être connue. ​​Certains récepteurs GPS peuvent utiliser des indices ou des hypothèses supplémentaires, comme la réutilisation de la dernière altitude connue, la navigation à l'estime , la navigation inertielle ou l'intégration d'informations provenant de l'ordinateur de bord, afin de fournir une position (éventuellement imprécise) lorsque moins de quatre satellites sont visibles.

Le segment spatial (SS) est composé de 24 à 32 satellites, ou véhicules spatiaux (SV), en orbite terrestre moyenne , et comprend également les adaptateurs de charge utile pour les lanceurs nécessaires à leur mise en orbite. La conception initiale du GPS prévoyait 24 SV, huit sur trois orbites approximativement circulaires , mais cette configuration a été modifiée pour six plans orbitaux avec quatre satellites chacun. Les six plans orbitaux ont une inclinaison d'environ 55° (inclinaison par rapport à l' équateur terrestre ) et sont séparés par une ascension droite de 60° du nœud ascendant (angle le long de l'équateur entre un point de référence et l'intersection de l'orbite). La période orbitale est d'une demi- journée sidérale , soit environ 11 heures et 58 minutes, de sorte que les satellites survolent les mêmes positions ou presque chaque jour. Les orbites sont conçues de manière à ce qu'au moins six satellites soient toujours visibles depuis n'importe quel point de la surface terrestre (voir l'animation à droite). De ce fait, les quatre satellites ne sont pas espacés de manière équidistante (90°) au sein de chaque orbite. De manière générale, la différence angulaire entre les satellites sur chaque orbite est de 30°, 105°, 120° et 105°, soit un total de 360°.

En orbite à une altitude d'environ mi) et un rayon orbital d'environ mi) , chaque satellite effectue deux orbites complètes par jour sidéral , en suivant la même trajectoire au sol chaque jour. Ceci s'est avéré très utile lors du développement, car même avec seulement quatre satellites, un alignement correct permet de les rendre visibles depuis un même point pendant quelques heures chaque jour. Pour les opérations militaires, la répétition de la trajectoire au sol peut être utilisée pour assurer une bonne couverture dans les zones de combat.

[ La constellation GPS compte 31 satellites , dont 27 sont opérationnels simultanément les autres étant en réserve. Un 32e satellite a été lancé en 2018, mais était encore en phase d'évaluation en juillet 2019. D'autres satellites mis hors service sont en orbite et disponibles comme satellites de secours. Ces satellites supplémentaires améliorent la précision des calculs des récepteurs GPS grâce à des mesures redondantes. Avec l'augmentation du nombre de satellites, la constellation a été modifiée pour adopter une disposition non uniforme. Il a été démontré que cette disposition améliore non seulement la précision, mais aussi la fiabilité et la disponibilité du système, par rapport à une disposition uniforme, en cas de défaillance de plusieurs satellites. Grâce à cette constellation étendue, neuf satellites sont généralement visibles à tout moment depuis n'importe quel point du globe terrestre avec un horizon dégagé, assurant une redondance considérable par rapport aux quatre satellites minimum requis pour le positionnement.

Le segment de contrôle (CS) est composé de :

1. une station de contrôle principale (MCS),
2. une station de contrôle principale alternative,
3. quatre antennes terrestres dédiées, et
4. six postes de surveillance dédiés.

Le MCS peut également accéder aux antennes terrestres du réseau de contrôle des satellites (SCN) (pour des capacités de commande et de contrôle supplémentaires) et aux stations de surveillance de la NGA ( Agence nationale de renseignement géospatial ). Les trajectoires des satellites sont suivies par des stations de surveillance dédiées de l'US Space Force situées à Hawaï, à l'atoll de Kwajalein , sur l'île de l'Ascension , à Diego Garcia , à Colorado Springs (Colorado) et à Cap Canaveral (Floride), ainsi que par des stations de surveillance partagées de la NGA exploitées en Angleterre, en Argentine, en Équateur, à Bahreïn, en Australie et à Washington (District de Columbia). [ informations de suivi sont transmises au MCS de la base spatiale Schriever , à l'est-sud-est de Colorado Springs, qui est exploitée par le 2e escadron d'opérations spatiales (2 SOPS) de l'US Space Force. Le 2 SOPS contacte ensuite régulièrement chaque satellite GPS pour lui fournir une mise à jour de navigation, en utilisant des antennes terrestres dédiées ou partagées (AFSCN) (les antennes terrestres dédiées au GPS sont situées à Kwajalein , sur l'île de l'Ascension , à Diego Garcia et à Cap Canaveral ). Ces mises à jour synchronisent les horloges atomiques embarquées sur les satellites à quelques nanosecondes près et ajustent l' éphéméride du modèle orbital interne de chaque satellite. Elles sont générées par un filtre de Kalman qui utilise les données des stations de surveillance au sol, les informations météorologiques spatiales et diverses autres sources.

Lorsqu'un satellite est en cours d'ajustement d'orbite, il est déclaré indisponible et les récepteurs ne peuvent plus l'utiliser. Après la manœuvre, les ingénieurs suivent sa nouvelle orbite depuis le sol, téléchargent les nouvelles éphémérides et le remettent en état de fonctionnement. Le segment de contrôle opérationnel (OCS) sert actuellement de segment de référence. Il assure le fonctionnement du système GPS et garantit sa conformité aux spécifications.

En septembre 2007, le système OCS a remplacé l'ordinateur central datant des années 1970 sur la base aérienne de Schriever. Après son installation, il a permis des mises à niveau et a jeté les bases d'une nouvelle architecture de sécurité soutenant les forces armées américaines.

11 ] (OCX), soit pleinement développé et opérationnel. Le département de la Défense des États-Unis a affirmé que les nouvelles capacités offertes par l'OCX constitueraient la pierre angulaire de l'amélioration des capacités opérationnelles du GPS, permettant ainsi à la Force spatiale américaine d'optimiser les services opérationnels GPS destinés aux forces de combat américaines, aux partenaires civils et aux utilisateurs nationaux et internationaux. Le programme GPS OCX permettra également de réduire les coûts, les délais et les risques techniques. Il est conçu pour générer des économies de 50 % sur les coûts de maintenance grâce à une architecture logicielle efficace et une logistique axée sur la performance. De plus, le GPS OCX devrait coûter plusieurs millions de dollars de moins que la mise à niveau de l'OCS, tout en offrant des capacités quatre fois supérieures.

Le programme GPS OCX représente un élément essentiel de la modernisation du GPS et offre des améliorations en matière de sécurité de l'information par rapport au programme GPS OCS actuel.

• OCX aura la capacité de contrôler et de gérer les satellites GPS existants ainsi que la prochaine génération de satellites GPS III, tout en permettant la transmission de l'ensemble des signaux militaires.
• Construite sur une architecture flexible capable de s'adapter rapidement aux besoins changeants des utilisateurs de GPS, elle permet un accès immédiat aux données GPS et à l'état de la constellation grâce à des informations sécurisées, précises et fiables.
• Fournit au combattant des informations plus sûres, exploitables et prédictives pour améliorer sa connaissance de la situation.
• Permet de prendre en charge de nouveaux signaux modernisés (L1C, L2C et L5) et dispose d'une capacité de code M, ce que le système existant ne peut pas faire.
• Apporte des améliorations significatives en matière de sécurité de l'information par rapport au programme actuel, notamment en détectant et en prévenant les cyberattaques, tout en isolant, en confinant et en maintenant le fonctionnement pendant de telles attaques.
• Prend en charge des capacités et des fonctionnalités de commande et de contrôle à volume élevé et quasi temps réel.

Le 14 septembre 2011, l'US Air Force a annoncé la finalisation de l'examen préliminaire de conception du GPS OCX et a confirmé que le programme OCX était prêt pour la phase de développement suivante. Le programme GPS OCX a manqué des étapes importantes et son lancement a été repoussé à 2021, soit cinq ans après la date limite initiale. Selon le Government Accountability Office (GAO) en 2019, le respect de l'échéance de 2021 semblait compromis.

Le projet a continué d'être retardé en 2023 et, en juin 2023, son budget initial estimé avait dépassé de 73 %. Fin 2023, Frank Calvelli, secrétaire adjoint de l'armée de l'air chargé des acquisitions et de l'intégration spatiales, a déclaré que le projet devrait être opérationnel au cours de l'été 2024.

L'US Space Force a réceptionné les modules OCX Blocks I et II, fournis par RTX, le 1er juillet 2025, soit plus de huit ans de retard et un dépassement de budget d'environ quatre milliards de dollars, dû à leur développement monolithique et à l'ajout constant de nouvelles fonctionnalités en cours de production. Si les estimations actuelles du Government Accountability Office (GAO) se confirment, le nouveau système entrera en service en décembre 2025.

OCX Block 3F est actuellement en développement pour permettre la commande et le contrôle des satellites GPS IIIF, dont le lancement est actuellement prévu pour 2027.

De nombreux récepteurs GPS peuvent transmettre des données de position à un PC ou à un autre appareil via le protocole NMEA 0183. Bien que ce protocole soit officiellement défini par la National Marine Electronics Association (NMEA) , des références à ce protocole ont été compilées à partir de documents publics, permettant ainsi à des outils open source comme gpsd de le lire sans enfreindre les lois sur la propriété intellectuelle. SiRF et MTK . Les récepteurs peuvent communiquer avec d'autres appareils via une connexion série, USB ou Bluetooth .

De nombreuses applications civiles utilisent un ou plusieurs des trois composants de base du GPS : la localisation absolue, le mouvement relatif et le transfert de temps.

• Radioamateur : la synchronisation d’horloge est requise pour plusieurs modes numériques tels que FT8 , FT4 et JS8 ; également utilisée avec l’APRS pour le signalement de position ; elle est souvent essentielle lors des communications d’urgence et de secours en cas de catastrophe.
• Atmosphère : étude des délais troposphériques (rétablissement de la teneur en vapeur d'eau) et ionosphériques (rétablissement du nombre d'électrons libres). Rétablissement des déplacements de la surface terrestre dus à la pression atmosphérique.
• Astronomie : les données de synchronisation de position et d’horloge sont utilisées en astrométrie , en mécanique céleste et pour la détermination précise des orbites. Le GPS est également utilisé en astronomie amateur avec de petits télescopes ainsi que par les observatoires professionnels pour la recherche d’exoplanètes .
• Véhicule automatisé : l’application d’une localisation précise du véhicule, associée à des cartes très détaillées , fournit le contexte nécessaire au fonctionnement des voitures et des camions sans conducteur humain.
• Cartographie : les cartographes civils et militaires utilisent largement le GPS.
• Téléphonie cellulaire : la synchronisation de l’horloge permet le transfert de l’heure, essentiel à la synchronisation des codes de propagation avec d’autres stations de base. Ceci facilite le transfert intercellulaire et prend en charge la détection de position hybride GPS/cellulaire pour les appels d’urgence mobiles et d’autres applications. Les premiers téléphones portables avec GPS intégré ont été commercialisés à la fin des années 1990. La Commission fédérale des communications (FCC) des États-Unis a rendu obligatoire cette fonctionnalité, soit dans le téléphone, soit dans les antennes-relais (pour la triangulation), en 2002, afin que les services d’urgence puissent localiser les personnes appelant le 911. Les développeurs de logiciels tiers ont ensuite obtenu l’accès aux API GPS de Nextel dès leur lancement, puis de Sprint en 2006 et de Verizon peu après.
• Synchronisation d'horloge : la précision des signaux horaires GPS (±10 ns) n'est surpassée que par celle des horloges atomiques sur lesquelles ils sont basés, et est utilisée dans des applications telles que les oscillateurs disciplinés GPS .
• Secours en cas de catastrophe / services d'urgence : de nombreux services d'urgence dépendent du GPS pour la localisation et le timing.
• Radiosondes et largages de sondes équipés de GPS : mesurent et calculent la pression atmosphérique, la vitesse et la direction du vent jusqu'à pieds) de la surface de la Terre.
• Occultation radio pour les applications en météorologie et en sciences atmosphériques.
• Suivi de flotte : utilisé pour identifier, localiser et maintenir en temps réel les rapports de contact avec un ou plusieurs véhicules de la flotte .
• Géodésie : détermination des paramètres d'orientation de la Terre, y compris le mouvement polaire quotidien et infra-quotidien, et les variations de la durée du jour, le mouvement du centre de masse de la Terre – géocentre, et les paramètres du champ de gravité de bas degré.
• Géorepérage : les systèmes de suivi de véhicules , de personnes et d’animaux domestiques utilisent le GPS pour localiser les dispositifs fixés à une personne, un véhicule ou un animal domestique, ou portés par ceux-ci. L’application peut assurer un suivi continu et envoyer des notifications si la cible quitte une zone désignée (ou « clôturée »).
• Géolocalisation : applique des coordonnées de localisation à des objets numériques tels que des photographies (dans les données Exif ) et d'autres documents à des fins telles que la création de superpositions de cartes avec des appareils comme le Nikon GP-1 .
• suivi GPS des aéronefs
• GPS pour l'exploitation minière : l'utilisation du GPS RTK a considérablement amélioré plusieurs opérations minières telles que le forage, le terrassement, le suivi des véhicules et les levés topographiques. Le GPS RTK offre une précision de positionnement centimétrique.
• Exploration des données GPS : Il est possible d’agréger les données GPS de plusieurs utilisateurs afin de comprendre les schémas de déplacement, les trajectoires communes et les lieux d’intérêt. Les données GPS sont aujourd’hui utilisées dans les transports et la gestion des catastrophes pour prévoir la mobilité en situation normale et lors d’évacuations (par exemple, ouragans, feux de forêt, tremblements de terre).
• Visites GPS : la localisation détermine le contenu à afficher ; par exemple, des informations sur un point d’intérêt à proximité.
• Santé mentale : suivi du fonctionnement mental et de la sociabilité.
• Navigation : les navigateurs apprécient les mesures numériques précises de vitesse et d'orientation, ainsi que les positions précises en temps réel avec l'aide de corrections d'orbite et d'horloge.
• Détermination de l'orbite des satellites en orbite basse avec récepteur GPS installé à bord, tels que GOCE , GRACE , Jason-1 , Jason-2 , TerraSAR-X , TanDEM-X , CHAMP , Sentinel-3 , et certains cubesats, par exemple CubETH .
• Mesures de phaseurs : le GPS permet un horodatage très précis des mesures du réseau électrique, ce qui rend possible le calcul des phaseurs .
• Loisirs : par exemple, le géocaching , le géodash , le dessin GPS , le balisage de parcours et d'autres types de jeux mobiles basés sur la localisation tels que Pokémon Go .
• Systèmes de référence : réalisation et densification des systèmes de référence terrestres dans le cadre du Système mondial d’observation géodésique. Colocalisation spatiale des données de télémétrie laser par satellite et des observations micro-ondes pour le calcul des paramètres géodésiques globaux.
• Robotique : robots autonomes à navigation automatique utilisant des capteurs GPS, qui calculent la latitude, la longitude, le temps, la vitesse et le cap.
• Sport : utilisé en football et en rugby pour le contrôle et l'analyse de la charge d'entraînement.
• Arpentage : les arpenteurs utilisent des coordonnées absolues pour établir des cartes et déterminer les limites des propriétés.
• Tectonique : Le GPS permet la mesure directe des mouvements de faille lors des séismes . Entre les séismes, le GPS peut être utilisé pour mesurer les mouvements et les déformations de la croûte terrestre afin d’estimer l’accumulation de contraintes sismiques et d’établir des cartes d’aléa sismique .
• Télématique : Technologie GPS intégrée aux ordinateurs et à la technologie de communication mobile dans les systèmes de navigation automobile .

En 2009, les applications militaires du GPS comprenaient :

• Navigation : Les soldats utilisent le GPS pour localiser leurs objectifs, même de nuit ou en territoire inconnu, et pour coordonner les mouvements de troupes et de ravitaillement. Dans les forces armées américaines, les commandants utilisent l’ assistant numérique du commandant et les soldats du rang utilisent l’ assistant numérique du soldat .
• Coordination des horloges radio à sauts de fréquence : Les systèmes radio militaires utilisant des modes de sauts de fréquence , tels que SINCGARS et HAVEQUICK , exigent que toutes les radios d'un réseau reçoivent la même heure d'entrée pour leurs horloges internes (à ± 4 secondes près pour SINCGARS) afin d'être sur la bonne fréquence à un instant donné. Les récepteurs GPS militaires, tels que le PLGR ( Precision Lightweight GPS Receiver ) et le DAGR ( Defense Advanced GPS Receiver ), sont utilisés par les opérateurs radio au sein d'un réseau pour synchroniser précisément l'horloge interne de ces radios. Les radios militaires plus modernes sont équipées de récepteurs GPS internes qui synchronisent automatiquement l'horloge interne.
• Suivi des cibles : Divers systèmes d’armes militaires utilisent le GPS pour suivre les cibles terrestres et aériennes potentielles avant de les signaler comme hostiles. Ces systèmes d’armes transmettent les coordonnées des cibles aux munitions de précision afin de leur permettre de les engager avec exactitude. Les aéronefs militaires, notamment dans les missions air-sol , utilisent le GPS pour localiser leurs cibles.
• Guidage des missiles et des projectiles : le GPS permet un ciblage précis de diverses armes militaires, notamment les missiles balistiques intercontinentaux (ICBM ) , les missiles de croisière , les munitions guidées de précision et les obus d’artillerie . Des récepteurs GPS embarqués, capables de résister à des accélérations de 12 000 g , soit environ ⁽ 260 000 mph/s), ont été développés pour être utilisés dans les obus d’obusiers
• Recherche et sauvetage.
• Reconnaissance : Les mouvements des patrouilles peuvent être gérés de plus près.
• Les satellites GPS embarquent un ensemble de détecteurs de détonations nucléaires comprenant un capteur optique appelé bhangmètre , un capteur à rayons X, un dosimètre et un capteur d'impulsions électromagnétiques (capteur W), qui constituent une part importante du système de détection des détonations nucléaires des États-Unis . Le général William Shelton a déclaré que les futurs satellites pourraient abandonner cette fonctionnalité pour des raisons d'économie.

La navigation de type GPS a été utilisée pour la première fois en temps de guerre lors de la guerre du Golfe de 1991 , avant même le développement complet du GPS en 1995, afin d'aider les forces de la coalition à se repérer et à effectuer des manœuvres. Ce conflit a également mis en évidence la vulnérabilité du GPS au brouillage , les forces irakiennes ayant installé des dispositifs de brouillage sur des cibles potentielles. Ces dispositifs émettaient des parasites radio, perturbant ainsi la réception du faible signal GPS.

La vulnérabilité du GPS au brouillage constitue une menace croissante, parallèlement au développement des équipements et des techniques de brouillage. De nombreux brouillages de signaux GPS à des fins militaires ont été signalés au fil des ans. La Russie semble poursuivre plusieurs objectifs : intimider ses voisins tout en sapant leur confiance dans les systèmes américains, promouvoir son système alternatif GLONASS, perturber les exercices militaires occidentaux et protéger ses intérêts contre les drones. La ​​Chine utilise le brouillage pour dissuader les avions de surveillance américains de survoler les îles Spratleys, territoire contesté . La Corée du Nord a mené plusieurs opérations de brouillage d'envergure près de sa frontière avec la Corée du Sud et au large de ses côtes, perturbant le trafic aérien, maritime et la pêche. Les forces armées iraniennes ont brouillé le GPS de l'avion de ligne civil PS752 avant de l'abattre.

Durant la guerre russo-ukrainienne , les munitions guidées par GPS fournies à l'Ukraine par les pays de l'OTAN ont connu des taux d'échec importants en raison de la guerre électronique russe. Le taux d'efficacité des obus d'artillerie Excalibur atteignant leurs cibles est passé de 70 % à 6 % suite à l'adaptation par la Russie de ses activités de guerre électronique.

Chaque satellite GPS diffuse en continu un message de navigation sur les fréquences L1 (C/A et P/Y) et L2 (P/Y) à un débit de 50 bits par seconde (voir débit binaire ) . La transmission de chaque message complet prend 750 secondes ( 12 minutes et demie ). La structure du message comprend une trame de 1 500 bits composée de cinq sous-trames, chacune d'une durée de 300 bits (6 secondes). Les sous-trames 4 et 5 sont commutées 25 fois chacune, de sorte qu'un message de données complet nécessite la transmission de 25 trames complètes. Chaque sous-trame est composée de dix mots de 30 bits chacun. Ainsi, avec 300 bits par sous-trame, 5 sous-trames par trame et 25 trames par message, chaque message a une longueur de 37 500 bits. À un débit de transmission de 50 bits/s, la transmission d'un message d'almanach complet (GPS) prend 750 secondes . Chaque trame de 30 secondes commence précisément à la minute ou à la demi-minute indiquée par l'horloge atomique de chaque satellite.

La première sous-trame de chaque trame code le numéro de semaine et l'heure au sein de cette semaine , ainsi que des données relatives à l'état du satellite. Les deuxième et troisième sous-trames contiennent l' éphéméride , c'est-à-dire les paramètres orbitaux précis du satellite. Les quatrième et cinquième sous-trames contiennent l' almanach , qui comprend des informations approximatives sur l'orbite et l'état de jusqu'à 32 satellites de la constellation, ainsi que des données relatives à la correction d'erreurs. Par conséquent, pour obtenir une position précise du satellite à partir de ce message transmis, le récepteur doit démoduler le message de chaque satellite inclus dans sa solution pendant 18 à 30 secondes. Pour collecter tous les almanachs transmis, le récepteur doit démoduler le message pendant 732 à 750 secondes, soit 12 minutes et demie .

Tous les satellites émettent sur les mêmes fréquences, en codant les signaux à l'aide d' un accès multiple par répartition de code (AMRC) unique, permettant ainsi aux récepteurs de distinguer les différents satellites. Le système utilise deux types de codage AMRC distincts : le code d'acquisition grossier (C/A), accessible au grand public, et le code précis (P(Y)), chiffré de sorte que seuls les militaires américains et les autres pays de l'OTAN ayant reçu l'autorisation d'accéder au code de chiffrement peuvent y accéder.

L'éphéméride est mise à jour toutes les 2 heures et est suffisamment stable pendant 4 heures, avec la possibilité d'une mise à jour toutes les 6 heures, voire plus fréquemment en cas de conditions anormales. L'almanach est généralement mis à jour toutes les 24 heures. De plus, les données des semaines suivantes sont téléchargées en cas de modifications de la transmission entraînant un retard dans le téléchargement des données.

Tous les satellites émettent sur les mêmes deux fréquences : 1,57542 GHz (signal L1) et 1,2276 GHz ( signal L2 ). Le réseau satellitaire utilise une technique d’étalement de spectre CDMA où les données de messages à faible débit sont encodées à l’aide d’une séquence pseudo-aléatoire (PRN) à haut débit, différente pour chaque satellite. Le récepteur doit connaître les codes PRN de chaque satellite pour reconstituer les données du message. Le code C/A, destiné à un usage civil, transmet des données à 1,023 million de bits par seconde, tandis que le code P, destiné à un usage militaire américain, transmet à 10,23 millions de bits par seconde. La référence interne des satellites est de 10,22999999543 MHz afin de compenser les effets relativistes qui entraînent un décalage temporel entre les observateurs terrestres et les émetteurs en orbite. La porteuse L1 est modulée par les codes C/A et P, tandis que la porteuse L2 est uniquement modulée par le code P. Le code P peut être chiffré en un code P(Y) accessible uniquement aux équipements militaires disposant de la clé de déchiffrement appropriée. Les codes C/A et P(Y) fournissent tous deux l'heure précise à l'utilisateur.

Le signal L3, à une fréquence de 1,38105 GHz, sert à transmettre des données des satellites aux stations au sol. Ces données sont utilisées par le Système de détection des explosions nucléaires des États-Unis (USNDS) pour détecter, localiser et signaler les explosions nucléaires dans l'atmosphère terrestre et le proche espace. Ce signal est notamment utilisé pour faire respecter les traités d'interdiction des essais nucléaires.

La bande L4 à 1,379913 GHz est étudiée en vue d'une correction ionosphérique supplémentaire.

La bande de fréquence L5 à 1,17645 GHz a été ajoutée lors de la modernisation du GPS. Cette fréquence se situe dans une plage de fréquences protégées internationalement pour la navigation aéronautique, garantissant une absence ou une quasi-absence d'interférences en toutes circonstances. Le premier satellite Block IIF fournissant ce signal a été lancé en mai 2010. Le 5 février 2016, le douzième et dernier satellite Block IIF a été lancé. Le signal L5 est composé de deux porteuses en quadrature de phase. Chaque porteuse est modulée par déplacement de phase biphasé (BPSK) à l'aide d'un train de bits distinct. « Le signal L5, troisième signal GPS civil, permettra à terme de prendre en charge des applications critiques pour la sécurité des personnes dans l'aviation et offrira une disponibilité et une précision accrues. »

En 2011, une dérogation conditionnelle a été accordée à LightSquared pour l'exploitation d'un service Internet haut débit terrestre proche de la bande L1. Bien que LightSquared ait déposé une demande de licence d'exploitation dans la bande 1525-1559 MHz dès 2003, et que cette demande ait fait l'objet d'une consultation publique, la FCC a demandé à LightSquared de constituer un groupe d'étude avec la communauté GPS afin de tester les récepteurs GPS et d'identifier les problèmes susceptibles de survenir en raison de la puissance de signal plus élevée du réseau terrestre de LightSquared. La communauté GPS n'avait formulé aucune objection aux demandes de LightSquared (anciennement MSV et SkyTerra) jusqu'en novembre 2010, date à laquelle LightSquared a demandé une modification de son autorisation pour la composante terrestre auxiliaire (ATC). Cette demande (SAT-MOD-20101118-00239) revenait à solliciter l'autorisation d'utiliser une puissance plusieurs ordres de grandeur supérieure dans la même bande de fréquences que les stations de base terrestres, transformant ainsi une zone initialement prévue pour les signaux spatiaux en un réseau cellulaire. Les tests effectués au premier semestre 2011 ont démontré que les effets des 10 MHz inférieurs du spectre sont minimes sur les appareils GPS (moins de 1 % des appareils GPS sont concernés). Les 10 MHz supérieurs, destinés à être utilisés par LightSquared, pourraient avoir un impact sur les appareils GPS. On craint que cela ne dégrade fortement le signal GPS pour de nombreux usages grand public. Le magazine Aviation Week rapporte que les derniers tests (juin 2011) confirment un brouillage important du GPS par le système de LightSquared.

Comme tous les signaux satellitaires sont modulés sur la même fréquence porteuse L1, ils doivent être séparés après démodulation. Cette séparation est réalisée en attribuant à chaque satellite une séquence binaire unique appelée code de Gold . Les signaux sont ensuite décodés par addition des codes de Gold correspondant aux satellites suivis par le récepteur.

Si les données de l'almanach ont été préalablement acquises, le récepteur sélectionne les satellites à écouter grâce à leurs PRN (numéros de référence préférentiels), des nombres uniques compris entre 1 et 32. Si les données de l'almanach ne sont pas en mémoire, le récepteur passe en mode recherche jusqu'à l'acquisition du signal d'un satellite. Pour ce faire, une visibilité directe entre le récepteur et le satellite est indispensable. Le récepteur peut alors acquérir l'almanach et déterminer les satellites à écouter. À chaque détection du signal d'un satellite, il l'identifie grâce à son code C/A spécifique. Un délai allant jusqu'à 30 secondes peut être nécessaire avant la première estimation de position, en raison de la lecture des données d'éphémérides.

Le traitement du message de navigation permet de déterminer l'heure de transmission et la position du satellite à ce moment-là. Pour plus d'informations, voir Démodulation et décodage avancés .

Le récepteur utilise les messages reçus des satellites pour déterminer leur position et l'heure d'envoi. Les composantes x, y et z de la position du satellite et l'heure d'envoi ( s ) sont désignées par [ x _{_i}, y _i , z_{_i} , s_{_i} ], où l'indice i désigne le satellite et prend les valeurs 1, 2, ..., n , avec n ≥ 4. Lorsque l'heure de réception du message, indiquée par l'horloge du récepteur embarqué, estb représente le décalage d'horloge du récepteur par rapport aux horloges GPS, beaucoup plus précises, utilisées par les satellites. Ce décalage est identique pour tous les signaux satellites reçus (en supposant que les horloges des satellites soient parfaitement synchronisées). Le temps de transit du message ests _i est l'heure du satellite. En supposant que le message ait voyagé à la vitesse de la lumière , c , la distance parcourue est

Pour n satellites, les équations à satisfaire sont :

où d _i est la distance géométrique ou la portée entre le récepteur et le satellite i (les valeurs sans indices sont les composantes x, y et z de la position du récepteur) :

Définir les pseudo-intervalles comme

Les équations comportant quatre inconnues [ x, y, z, b ] (les trois composantes de la position du récepteur GPS et le décalage d'horloge), il est nécessaire de disposer de signaux provenant d'au moins quatre satellites pour tenter de les résoudre. La résolution peut être effectuée par des méthodes algébriques ou numériques. L'existence et l'unicité des solutions GPS sont étudiées par Abell et Chaffee . Lorsque n est supérieur à quatre, le système est surdéterminé et une méthode d'approximation doit être utilisée.

L'ampleur de l'erreur dans les résultats varie selon la position des satellites de réception dans le ciel, car certaines configurations (lorsque les satellites sont proches les uns des autres) entraînent des erreurs plus importantes. Les récepteurs calculent généralement une estimation continue de l'erreur sur la position calculée. Ce calcul s'effectue en multipliant la résolution de base du récepteur par des facteurs appelés coefficients de dilution géométrique de position (GDOP), calculés à partir des directions relatives des satellites utilisés dans le ciel. La position du récepteur est exprimée dans un système de coordonnées spécifique, tel que la latitude et la longitude, en utilisant le système géodésique WGS 84 ou un système propre au pays.

Les équations du GPS peuvent être résolues par des méthodes numériques et analytiques. Les interprétations géométriques peuvent améliorer la compréhension de ces méthodes de résolution.

Sphères

Les distances mesurées, appelées pseudo-distances, comportent des erreurs d'horloge. Dans une représentation simplifiée où les distances sont synchronisées, ces distances réelles représentent les rayons de sphères, chacune centrée sur l'un des satellites émetteurs. La position du récepteur se situe alors à l'intersection des surfaces de ces sphères ; voir trilatération (plus généralement, multilatération de distance réelle). Les signaux d'au moins trois satellites sont nécessaires, et leurs trois sphères s'intersectent généralement en deux points. L'un de ces points correspond à la position du récepteur, et l'autre se déplace rapidement lors des mesures successives et ne se trouve généralement pas à la surface de la Terre.

En pratique, outre le biais d'horloge, de nombreuses sources d'imprécision existent, notamment les erreurs aléatoires et la perte de précision potentielle due à la soustraction de nombres proches si les centres des sphères sont relativement proches. Par conséquent, la position calculée à partir de trois satellites seulement est rarement suffisamment précise. L'utilisation de données provenant d'un plus grand nombre de satellites permet d'améliorer la précision grâce à la tendance à l'annulation des erreurs aléatoires et à l'augmentation de la dispersion entre les centres des sphères. Cependant, un plus grand nombre de sphères ne se croisent généralement pas en un point précis. On calcule donc une intersection approximative, généralement par la méthode des moindres carrés. Plus le nombre de signaux disponibles est élevé, meilleure sera l'approximation.

Hyperboloïdes

Si l'on soustrait la pseudo-distance entre le récepteur et le satellite i et la pseudo-distance entre le récepteur et le satellite j , </sub> , le biais d'horloge commun du récepteur ( b ) s'annule, ce qui donne une différence de distance </sub> . Le lieu géométrique des points dont la différence de distance avec deux points (ici, deux satellites) est constante est une hyperbole dans un plan et un hyperboloïde de révolution (plus précisément, un hyperboloïde à deux nappes ) dans l'espace 3D (voir Multilatération ). Ainsi, à partir de quatre mesures de pseudo-distance, le récepteur peut être placé à l'intersection des surfaces de trois hyperboloïdes, chacun ayant son foyer sur une paire de satellites. Avec des satellites supplémentaires, les intersections multiples ne sont pas nécessairement uniques, et l'on recherche alors une solution optimale.

Sphère inscrite

La position du récepteur peut être interprétée comme le centre d'une sphère inscrite (sphère circonscrite) de rayon bc , déterminé par le biais d'horloge du récepteur b (mis à l'échelle par la vitesse de la lumière c ). La sphère inscrite est tangente aux autres sphères. Ces sphères circonscrites sont centrées sur les satellites GPS, et leurs rayons correspondent aux pseudo-distances mesurées p _{_i} . Cette configuration diffère de celle décrite précédemment, où les rayons des sphères étaient les distances géométriques non biaisées d _{_i}.