Les Hommes ne cessent de se déplacer, et ce, depuis les premières civilisations. La traversée d’un océan demande à savoir se situer dans un milieu privé de repères. Pour ce faire, les premiers navigateurs ont su observer les étoiles pour se diriger. De nos jours, l’Homme pratique un système technologique couplé à un système dit GPS (Global Positioning System).

Comment se repérer grâce aux étoiles ? Comment certains satellites permettent-ils de se localiser n’importe où sur Terre ?

Se repérer grâce aux étoiles

Cap vers le Nord : à la recherche de l'étoile polaire

Se diriger vers le Nord demande tout d’abord à trouver, dans le ciel étoilé, une étoile de la constellation de la Petite Ourse : Polaris ou étoile polaire (fig. 1).

L’étoile polaire est la plus lumineuse des étoiles de la constellation de la Petite Ourse. Cette étoile se trouve à l’extrémité de la queue de la constellation. Elle porte également le nom de Polaris en relation avec sa position à moins de 1 degré du pôle nord céleste : c’est pour cette raison qu’elle apparaît immobile dans le ciel étoilé.

Il arrive que Polaris ne soit pas si facile à localiser, notamment si la constellation de la Petite Ourse n’a pas pleinement visible. Se présente un autre moyen de localiser cette étoile polaire. Cela passe par l’observation d’une autre constellation et d’autres étoiles.

Les étoiles observées pour situer Polaris sont les étoiles Merak et Duhne. Ces deux étoiles composent, avec d’autres, la constellation de la Grande Ourse (fig. 2). Elles forment le bord droit de la casserole, en face de la poignée de cette constellation.

À partir de ces étoiles, il est possible de trouver l’étoile polaire. En effet, il suffit de tracer une droite passant par les étoiles Merak et Duhne, ainsi que les étoiles Algenib et Alpheratz de la constellation d’Andromède (fig. 3).

Aussi, en plus d’indiquer la direction du Nord, la latitude à laquelle l’observateur se trouve peut être déterminée à l’aide d’un simple quadrant ou sextant. Pour cela, il suffit de lire l’angle indiquer par le quadrant. Cet angle correspond alors à la latitude au Nord de l’équateur.

Après avoir trouvé le Nord, comment repérer le Sud, l’Est ou encore l’Ouest dans l’hémisphère Nord ?

En direction du Sud, de l'Est et de l'Ouest

Le Chasseur, ou la constellation d’Orion, comprend plusieurs étoiles dont quelques-unes célèbres : Betelgeuse et Bellatrix figurent les épaules du chasseur (fig. 4). Les étoiles Saiph et Rigel représentent les genoux d’Orion. De plus, Alnitak, Alnilam et Mintaka, situées au centre de la constellation, font référence à la ceinture du chasseur. Dans l’hémisphère Nord, la constellation d’Orion est visible en hiver et en début de printemps. Elle est plus difficilement observable le reste de l’année : seulement tard dans la nuit courant l’automne, et juste avant le lever du Soleil en été.

L’observation de la constellation d’Orion permet d’indiquer la direction du Sud. Pour ce faire, il faut trouver plusieurs étoiles : une modérément lumineuse, une autre faiblement lumineuse et une dernière dont la lumière donne un aspect flou, il s’agit de la grande nébuleuse d’Orion (M42 Orioni udukogu (fig. 4)). Ces trois objets lumineux sont en-dessous d’Alnilam, étoile située au milieu de la constellation. Les étoiles en question représentent l’épée d’Orion dont la pointe indique la direction du Sud.

Par ailleurs, dans l’hémisphère Nord, la direction du Sud est également donnée par une autre constellation : Crux (fig. 5). Cette constellation est composée de quatre étoiles formant une croix aussi nommée la Croix du Sud. Cette dernière est proéminente qu’elle figure sur les drapeaux de l’Australie ainsi que de la Nouvelle Zélande.

Pour repérer le Sud à l’aide de la constellation de Crux, il faut tracer une droite passant par les deux étoiles figurant le segment horizontal, ou le plus court, de la croix (fig. 6). Cette droite pointe vers deux autres étoiles, les plus proches de la Terre après le Soleil : il s’agit d’Alpha Centauri et de Proxima Centauri. La direction imposée par ces dernières étoiles donne le Sud.

Quant à la recherche de l’Est et de l’Ouest passe par l’observation d’une constellation déjà évoquée précédemment : la constellation d’Orion (fig. 4). L’étoile Mintaka de la ceinture d’Orion se lève et se couche à un certain degré de l’Est ou de l’Ouest.

Aujourd’hui, se repérer sur Terre ne nécessite plus l’observation des étoiles. De nouvelles technologies permettent de connaître sa position n’importe où, et ce, grâce à des réseaux de satellites de positionnement.

Les satellites de positionnement et la géolocalisation

Dès les années 1970, l’armée américaine a développé un système de positionnement global par satellite. Ce réseau est initialement composé de 24 satellites en orbite à 20 000 km d’altitude, chacun d’eux ayant un plan orbital précis. Opérationnel à partir de 1993, il compte aujourd’hui plus de 30 satellites permettant une redondance en cas de panne de certains appareils, mais aussi une meilleure précision. Ce système a été ouvert à la société civile dès le début des années 2000.

Le principe du GPS

Chaque milliseconde, les satellites émettent des signaux codés. Ces derniers sont des ondes radios de fréquences L1 = 1,575 GHz et L2 = 1,228 GHz. Au sol, la réception de ces ondes permet de déterminer une position. En détails, connaître la position précise d’une balise réceptrice demande de calculer sa distance à quatre satellites de positionnement. Cette distance est déterminée en multipliant le temps depuis l’émission jusqu’à la réception de l’onde par la vitesse de la lumière notée c.

Ainsi, une balise réceptrice recevant un signal d’un satellite émis Dt secondes plus tôt se localise sur la sphère de rayon c.Δt. Cette sphère est centrée sur le satellite en question. Si cette balise mesure sa distance à trois satellites différents en même temps, elle se situe alors à l’intersection des trois sphères centrées sur chacun des satellites de positionnement (fig. 7).

Deux points définissent l’intersection. Cependant, l’un de ses points n’est pas vraisemblable. C’est pourquoi, la distance de la balise réceptrice à un quatrième satellite est indispensable pour donner la position réelle. Cela permet également de corriger les erreurs de positionnement dues au décalage entre les horloges de la balise réceptrice ainsi que des satellites. En découle alors une position unique.

La précision des mesures de distance et les sources d’erreurs

Les satellites émettent quatre signaux, deux par fréquences (L1 et L2). Sur une fréquence, les deux signaux sont distinguables. Le premier correspond à une onde dite porteuse, le second est une modulation sur l’onde porteuse aussi appelée code. Ce code est une séquence binaire caractérisée et envoyée de manière répétitive par le satellite. De plus, si la balise réceptrice possède une horloge précise, et après réception du signal, il reste seulement à déterminer le moment où le signal émis a été envoyé par le satellite pour connaître la distance exacte.

Pour ce faire, chaque satellite utilise une même fréquence d’émission, mais génère un code propre. Après détection du code d’un satellite, la balise réceptrice génère le code du satellite observé. Ensuite, la balise réceptrice synchronise le code généré avec celui émis par le satellite. C’est à ce moment que la balise mesure le décalage entre le code émis par le satellite avec le code qu’elle a généré. Ce décalage en temps permet à la balise réceptrice de déduire l’heure d’émission du code du satellite (fig. 8). Cela permet ainsi d’effectuer une mesure très précise de la distance entre la balise réceptrice et le satellite de position.

Cependant, la traversée des signaux au sein de l’ionosphère provoque un retard variant selon la densité électronique de l’ionosphère et la longueur d’onde du signal émis. En effet, l’ionosphère est une couche de l’atmosphère terrestre composée de particules chargées : les ions. Ces derniers interfèrent avec les ondes causant alors des erreurs dans l’interprétation de la position d’une balise réceptrice. Pour corriger cette source d’erreur, les satellites émettent des ondes sur deux fréquences différentes. Ces fréquences étant chacune affectée d’un retard distinct, leur comparaison conduit à l’obtention d’une évaluation du délai ionosphérique pour chaque longueur d’onde.

Par ailleurs, d’autres sources d’erreur tendent à limiter la précision du système GPS. La vitesse de déplacement de l’objet géolocalisé est une source d’erreur potentielle. En effet, les satellites n’émettent des signaux que toutes les millisecondes, de ce fait, la précision des mesures est diminuée d’autant plus que l’objet se déplace rapidement. Une autre source d’erreur existe : la position des quatre satellites utilisés pour déterminer la position de la balise réceptrice. Plus les satellites sont près de l’horizon plus les mesures de distance sont faussées. Ceci s’explique par le fait que les signaux traversent une couche plus épaisse de l’atmosphère terrestre, qui, parfois n’est pas homogène. Enfin, les signaux peuvent connaître des interférences liées à leur réflexion sur diverses surfaces s’élevant à partir du sol.

Malgré les multiples sources d’erreur à la mesure précise du positionnement d’un objet sur Terre, il est aujourd’hui possible d’affiner les mesures du système GPS. Une technique simple consiste à laisser la balise réceptrice sur le point à mesurer pendant une durée relativement longue. Cela permet alors d’effectuer une moyenne des résultats obtenus à partir de plusieurs jeux de satellites.

Le GPS, initialement développé et utilisé par l’armée américaine, connait aujourd’hui des applications civiles. Néanmoins, ce système reste la propriété du département de la défense américaine, qui, selon les conflits internationaux pourrait réactiver le cryptage de cette innovation. C’est pourquoi l’Europe travaille activement sur un système analogue compatible avec le GPS : Galileo.

Bibliographie et sitographie

Colliat V.. Comment repérer les constellations dans le ciel [en ligne]. Sciences & Avenir, [consulté le 24 mars 2021]. Disponibilité et accès sur : https://www.sciencesetavenir.fr/espace/univers/comment-reperer-les-constellations-dans-le-ciel_126094

Henarejos P.. Se repérer dans le ciel. Delachaux, 2008. 128 p.. ISBN 978- 2603015452

Javaux G.. Se repérer dans le Ciel [en ligne]. PGJ Astronomie, [consulté le 24 mars 2021]. Disponibilité et accès sur : https://pgj.pagesperso-orange.fr/repere.htm

Souplet C.. Repérer et comprendre l’étoile Polaire [en ligne]. Stelvision, [consulté le 24 mars 2021]. Disponibilité et accès sur : https://www.stelvision.com/astro/etoile-polaire/

Thollot P. & Langlois C.. Utilisation des satellites en sciences de la Terre. Démonstration de l’ENS de Lyon, 2005.