Partie 1 : Géolocalisation et protocole NMEA

Programme officiel (B.O.)

B.O. spécial n° 1 du 22 janvier 2019 - SNT Seconde

Contenus	Capacités attendues
GPS, Galileo	Décrire le principe de fonctionnement de la géolocalisation.
Cartes numériques	Identifier les couches d'information d'une carte numérique.
Protocole NMEA 0183	Déconstruire une trame NMEA pour identifier les informations de géolocalisation.
Calculs d'itinéraires	Utiliser un logiciel de cartographie pour obtenir un itinéraire. Identifier les données nécessaires et les algorithmes utilisés.
Confidentialité	Évaluer les risques liés à la géolocalisation et les moyens de s'en protéger.

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1. La géolocalisation

1.1. Principe du GPS

Le GPS (Global Positioning System) est un système de géolocalisation par satellite permettant de déterminer la position d'un récepteur n'importe où sur Terre.

Le système GPS repose sur une constellation de 24 à 32 satellites en orbite autour de la Terre à environ 20 200 km d'altitude. Chaque satellite émet en permanence un signal radio contenant :

• sa position précise dans l'espace ;
• l'heure exacte d'émission du signal, mesurée par une horloge atomique embarquée.

Le principe de fonctionnement est la trilatération :

1. Le récepteur GPS reçoit les signaux d'au moins 4 satellites.
2. Il calcule la distance à chaque satellite en mesurant le temps de trajet du signal (qui se déplace à la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 km/s). La formule est : distance = vitesse × temps.
3. Chaque distance définit une sphère centrée sur le satellite. Le récepteur se trouve quelque part sur cette sphère.
4. L'intersection de trois sphères permet de déterminer un point dans l'espace : la position du récepteur (latitude, longitude, altitude).

Pourquoi 4 satellites ?

Trois satellites suffisent théoriquement pour calculer une position en 3D (latitude, longitude, altitude) par intersection de trois sphères. Cependant, le quatrième satellite est indispensable pour corriger les erreurs d'horloge du récepteur GPS. En effet, l'horloge d'un smartphone est bien moins précise qu'une horloge atomique de satellite : une imprécision d'1 microseconde (un millionième de seconde) entraîne une erreur de position d'environ 300 mètres.

Avec seulement 3 satellites, on peut obtenir une position en 2D (latitude et longitude uniquement, sans l'altitude) si l'on connaît déjà l'altitude approximative.

Analogie : l'intersection de sphères

Imaginez que vous êtes dans une pièce et que trois personnes vous disent : « Tu es à 5 mètres de moi », « Tu es à 3 mètres de moi » et « Tu es à 4 mètres de moi ». Chaque indication définit un cercle (en 2D) ou une sphère (en 3D) autour de cette personne. Le seul point qui satisfait les trois conditions à la fois est votre position exacte. C'est exactement le principe de la trilatération GPS, mais avec des satellites situés à 20 000 km d'altitude.

1.2. Le système européen Galileo

Le système européen Galileo est le concurrent direct du GPS américain. Quelques différences majeures :

Caractéristique	GPS	Galileo
Origine	États-Unis (militaire à l'origine)	Union européenne (civil dès la conception)
Nombre de satellites	~31	~30
Précision standard	5 à 10 mètres	Environ 1 mètre
Opérationnel depuis	1995	2016 (services initiaux)
Contrôle	Département de la Défense américain	Agence spatiale européenne (ESA)

Galileo offre une indépendance stratégique à l'Europe : en cas de conflit, les États-Unis pourraient dégrader ou couper le signal GPS civil (comme ils l'ont fait avant 2000). Avec Galileo, l'Europe dispose de son propre système souverain.

Bon à savoir

La plupart des smartphones modernes utilisent simultanément les signaux GPS, Galileo, GLONASS (Russie) et BeiDou (Chine) pour améliorer la précision et la rapidité du positionnement.

1.3. Autres systèmes de géolocalisation par satellite

Système	Origine	Nombre de satellites
GPS	États-Unis	~31
Galileo	Union européenne	~30
GLONASS	Russie	~24
BeiDou	Chine	~35

1.4. Autres méthodes de géolocalisation

En plus des satellites, d'autres méthodes permettent de se localiser :

Méthode	Principe	Précision
Wi-Fi	Repérage par les bornes Wi-Fi à portée	10-50 mètres
Antennes relais	Triangulation par les antennes de téléphonie mobile	50-300 mètres
Adresse IP	Localisation approximative via le fournisseur d'accès	Ville

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2. Les coordonnées géographiques

La position d'un point sur Terre est définie par deux coordonnées :

• La latitude : angle par rapport à l'équateur, de -90° (pôle Sud) à +90° (pôle Nord).
• La longitude : angle par rapport au méridien de Greenwich, de -180° (Ouest) à +180° (Est).

Exemple

Paris : latitude 48.8566° N, longitude 2.3522° E

Lyon : latitude 45.7640° N, longitude 4.8357° E

Formats de coordonnées

Les coordonnées peuvent s'exprimer de deux manières :

Format	Exemple (Paris)
Degrés décimaux (DD)	48.8566, 2.3522
Degrés, minutes, secondes (DMS)	48° 51' 23.8" N, 2° 21' 7.9" E

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3. Le protocole NMEA

3.1. Qu'est-ce que le NMEA ?

Le NMEA 0183 est un protocole de communication standard utilisé par les récepteurs GPS pour transmettre les données de géolocalisation sous forme de trames (chaînes de texte).

3.2. Exemple de trame NMEA

$GPGGA,064036.289,4836.5375,N,00221.3245,E,1,04,3.2,73.0,M,48.0,M,,*69

Décodage :

Champ	Valeur	Signification
$GPGGA	-	Type de trame (position GPS)
064036.289	06h 40min 36.289s	Heure UTC
4836.5375,N	48° 36.5375' N	Latitude (48 degrés, 36.5375 minutes Nord)
00221.3245,E	2° 21.3245' E	Longitude (2 degrés, 21.3245 minutes Est)
1	-	Qualité du signal (1 = GPS fixé)
04	4	Nombre de satellites utilisés
3.2	-	Précision horizontale
73.0,M	73.0 m	Altitude au-dessus du niveau de la mer
*69	-	Somme de contrôle (vérification d'intégrité)

Convertir latitude NMEA en degrés décimaux

La latitude 4836.5375 signifie 48 degrés et 36.5375 minutes. En degrés décimaux : 48 + 36.5375/60 = 48.6089 degrés Nord.

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