thumb|redresse=2|Orbites de la constellation de satellites du système GPS : les 24 satellites sont répartis dans six plans orbitaux de manière à garantir qu'au moins 4 satellites soient visibles depuis n'importe quel point à la surface de la Terre.
Un système de positionnement par satellitesDésignation complète : « système de positionnement et de datation par satellites ». également désigné sous le sigle GNSS (pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites.Francisation de l'anglais global navigation satellite system, dont le sigle est GNSS.) est un ensemble de composants reposant sur une constellation de satellites artificiels permettant de fournir à un utilisateur par l’intermédiaire d'un récepteur portable de petite taille sa position 3D, sa vitesse 3D et l'heure. Cette catégorie de système de géopositionnement se caractérise par une précision métrique, sa couverture mondiale et la compacité des terminaux, mais également par sa sensibilité aux obstacles présents entre le terminal récepteur et les satellites. Certains systèmes d'augmentation et de fiabilisation de portée régionale ou mondiales, gratuits ou payants, permettent de fiabiliser le système et d'améliorer les performances (DGPS, EGNOS, (A-GNSS)).
Le premier système de positionnement par satellites est développé par les États-Unis grâce tout particulièrement aux travaux de Gladys West ; d'abord avec TRANSIT à usage uniquement militaire en 1964 puis avec le (GPS), devenu opérationnel en 1995, qui fixe les principes de fonctionnement repris par les systèmes de navigation par satellites développés par d'autres pays. Le système GPS repose sur une constellation d'une trentaine de satellites qui permet à un utilisateur, situé sur n'importe quel point du globe, d'avoir toujours au minimum quatre satellites à portée, dans l'hypothèse d'un environnement dégagé (« »). Le terminal de l'utilisateur calcule sa position grâce au signal émis par chacun des satellites. À ce stade, la communication est mono-directionnelle, c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'émission de signaux du terminal vers les satellites, ce qui implique que le système ne reçoit aucune information de la part de l'utilisateur. Celui-ci est donc le seul à connaître sa position calculée.
L'URSS, à la suite des États-Unis, développe GLONASS entré en fonction en 1996 et qui, après une période d'éclipse liée à l'éclatement de l'Union soviétique, est redevenu opérationnel en 2010. L’Union européenne avec le système Galileo (2016) complété par Celeste (2026) et la Chine avec le système Beidou-2 [COMPASS] (2012) devenu opérationnel avec la mise en orbite de Beidou-3 en 2020. Le Japon avec le QZSS (2018) et l’Inde avec l'IRNSS (2018) développent de leur côté un système assurant une couverture régionale dont la Chine dispose également avec Beidou-1 depuis 2003.
Après une exploitation purement militaire par les États-Unis, l'utilisation des terminaux GPS (et plus généralement GNSS) s'est généralisée pour répondre aux besoins des professionnels et du grand public (navigation , topographie, géodésie, génie civil, agriculture, synchronisation du temps) Les terminaux permettent souvent d'exploiter les signaux de plusieurs systèmes, dont fréquemment GLONASS, GPS et Beidou, augmentant de ce fait les performances de positionnement grâce à la redondance des satellites. Les terminaux, qui sont des systèmes passifs, peuvent être complétés par des émetteurs de radiolocalisation pour des applications de suivi logistique (APRS), de sauvetage (SAR), de surveillance de trafic maritime (AIS), d’étude océanographique, de biologie () Cette retransmission de la position du terminal par télécommunication est également largement généralisée aux smartphones qui sont aujourd'hui tous munis d'un récepteur GNSS et dont de multiples applications exploitent la position de l'utilisateur. Cette fonction de suivi, ou , est souvent attribuée à tort au système GNSS lui-même alors qu'il n'y est pour rien.
Principes de fonctionnement
Un système de positionnement par satellites fournit à son utilisateur via un récepteur dit GPS Par abus de langage, il est souvent fait référence au GPS pour désigner le système de positionnement par satellites alors que la plupart des appareils utilisent simultanément plusieurs systèmes de positionnement (GPS, Glonass, Galileo,...).(smartphone équipé d'une puce électronique spécialisée ou récepteur GPS spécialisé). : les coordonnées géographiques en trois dimensions : longitude, latitude, altitude la vitesse de déplacement de l'utilisateur la date et heure.
Ces informations sont calculées à partir des mesures de distance à un instant donné entre le récepteur de l'utilisateur et plusieurs satellites artificiels spécialisés (les satellites de navigation) dont les positions dans l'espace sont connues avec précision : Chaque satellite émet en permanence un signal qui peut être reçu par tout récepteur situé dans le cône de visibilité du satellite. Chaque satellite inclut dans son signal les informations donnant sa position précise dans l'espace et la date/heure de l'émission du message. Pour optimiser le système, les satellites de navigation circulent sur une orbite moyenne à une altitude d'environ 20000 kilomètres. Compte tenu de cette donnée et de la nécessité que le récepteur puisse en permanence avoir quatre satellites visibles au-dessus de l'horizon, un système de navigation (GPS, Galileo, Beidou, Glonass) doit comporter environ 25 satellites de navigation opérationnels pour fournir une position, quelle que soit la position de l'utilisateur à la surface de la Terre.
En combinant la mesure simultanée de la distance d'au moins quatre satellites, le récepteur est capable par multilatération de fournir la position et l'altitude avec une précision de l'ordre du mètre, la vitesse avec une précision de quelques cm/s et le temps avec une précision de l'ordre de la nanoseconde. La précision dépend de très nombreux facteurs, dont la qualité du récepteur, le mode de calcul et l'environnement proche. En termes de position, elle peut descendre à quelques millimètres pour un récepteur conçu pour une utilisation en géodésie utilisant la phase des signaux jusqu'à plusieurs dizaines, voire centaines de mètres pour un récepteur bas de gamme en environnement urbain dense. Le récepteur peut être au sol ou embarqué positionné dans un véhicule en déplacement : automobile, navire, avion.
Détermination de la trajectoire du satellite
Pour mesurer la distance entre le récepteur et le satellite, la trajectoire précise de ce dernier doit être connue. Celle-ci est reconstituée à partir de deux types de messages envoyés par le satellite au récepteur : les données dalmanach sont transmises en permanence et fournissent la position approximative (de l'ordre du kilomètre) des satellites de navigation dans le ciel. Les orbites des satellites peuvent être déterminées avec ce niveau de précision plusieurs semaines voire plusieurs mois à l'avance car les perturbations qui l'affectent sont très réduites. Aussi l'almanach une fois chargé dans le récepteur n'a plus besoin d'être actualisé. L'almanach est utilisé par le récepteur pour identifier rapidement les satellites visibles depuis la position de son utilisateur : les données d'''éphémérides fournissent des données de position beaucoup plus précises qui sont actualisées périodiquement (toutes les pour le système) afin de tenir compte des plus petits changements affectant l'orbite des satellites. Ce sont ces données qui sont utilisées pour le calcul de la position.
Détermination de l'heure
Pour déterminer la distance entre le satellite et le récepteur, connaissant les paramètres de la trajectoire que suit le satellite, il faut théoriquement que l'heure des satellites et du récepteur soit identique. La précision de cette synchronisation est vitale. En effet, compte tenu de la vitesse à laquelle circule le satellite (plusieurs kilomètres par seconde), une désynchronisation de 1 microseconde entre l'horloge du satellite et celle du récepteur engendre une erreur de calcul de la position de . A bord du satellite la précision et la stabilité de l'heure du satellite est garantie par l'emport de plusieurs horloges atomiques qui fournissent une heure qui ne dérive que de quelques nanosecondes par jour. Le récepteur, par contre, ne peut pas être équipé d'une horloge aussi précise pour des raisons de coût et d'encombrement (il existe des récepteurs équipés d'horloge atomique mais leur coût et leur encombrement les réservent à des usages très particuliers). L'heure est fournie par un oscillateur à quartz dont la dérive journalière moyenne est de dix millisecondes. Pour contourner ce problème lors du calcul de la position, le décalage entre le temps du récepteur et le temps des satellites est traité comme une inconnue et calculé en même temps que les coordonnées du récepteur.
Calcul de la position
vignette|Détermination de la position du récepteur dans deux dimensions en utilisant le délai de transmission des signaux de trois satellites (A, B et C) avec une synchronisation imparfaite de l'heure du récepteur par rapport à celle des satellites. La différence entre les délais de réception des signaux des satellites A et B d'une part et A et C d'autre part permettent de calculer dans chaque cas une hyperbole sur laquelle se situe le récepteur. Celui-ci est donc situé à l'intersection de ces deux hyperboles. Pour déterminer la position dans la troisième dimension il faut exploiter le signal d'un quatrième satellite.
Pour déterminer sa position, sa vitesse et l'heure, le récepteur calcule la distance à laquelle se trouve le satellite à partir des données de l'éphéméride (formule permettant de calculer la trajectoire du satellite) et l'heure d'émission du signal fournis par le satellite et en se basant sur son horloge interne pour déterminer son heure de réception.
Le signal voyage à la vitesse de la lumière C≈300 000 km / s. La distance D entre le récepteur et un satellite est égale à : D = C x (Heure de réception – Heure d’émission).
Mais ce calcul est entaché d'erreurs - on parle de pseudo-distance - du fait principalement de la désynchronisation des horloges mais également parce que différents phénomènes physiques viennent perturber la propagation du signal. Les principales sources d'erreur sont les suivantes : l'horloge du récepteur n'est pas synchronisée avec celle du satellite ; l'éphéméride envoyé par le satellite n'est pas parfaitement exact ; malgré la dérive très faible de l'horloge atomique du satellite, l'heure fournie par celle-ci est entachée d'une légère erreur ; le signal est ralenti de manière variable durant sa traversée de l'atmosphère (ionosphère et troposphère) ; le signal peut être réfléchi par des objets au sol (bâtiments) avant d'atteindre le récepteur, on parle alors de « multi-trajets » ; enfin en milieu urbain, en montagne ou dans une région boisée le signal peut être bloqué.
La méthode de trilatération permet théoriquement de calculer position, vitesse et temps en utilisant le signal de trois satellites : la distance à laquelle se situe un satellite positionne l'utilisateur à la surface d'une sphère dont le centre est le satellite. L'intersection de permet d'identifier un point unique dans l'espace. Un quatrième satellite au minimum est néanmoins requis pour permettre de déterminer le décalage des horloges (cf schéma ci-contre) et réduire les incertitudes liées aux autres sources de perturbation du signal, on parle alors de multilatération. Dans la réalité, le récepteur utilise le maximum de satellites dont il reçoit correctement le signal et calcule la solution qui lui semble « optimale », c'est-à-dire la plus vraisemblable compte tenu des erreurs estimées sur chaque pseudo-distance.
Système d'augmentation