Comment fonctionne le système de repérage par GPS ?

Quand on utilise un boîtier GPS, celui-ci établit un contact radio avec plusieurs satellites en orbite autour de la Terre. La mesure du temps mis par un signal émis par un satellite pour atteindre le boîtier permet de calculer la distance satellite-boîtier. En faisant de même avec plusieurs satellites, on peut connaître précisément (à 5 ou 10 mètres près) sa position.

Pour cela, il est bien entendu indispensable de connaître précisément la position du satellite au moment de la mesure. Cela est possible car les orbites des satellites, obéissant aux seules lois de la gravitation, sont très régulières et leurs positions sont donc connues très précisément au cours du temps. Encore faut-il avoir l'heure exacte, à quelques dizaines de nanosecondes près (1 nanoseconde=1 milliardième de seconde) !

Une telle précison n'est possible qu'avec une horloge atomique, c'est pourquoi chaque satellite en contient une. De telles horloges sont basées sur le fait qu'un atome peut absorber la lumière (ou plus généralement des ondes électromagnétiques) pour certaines fréquences extrémement précises, ce qui est une des bases de la mécanique quantique. Une horloge atomique contient donc un générateur d'ondes électromagnétiques dont la fréquence est déterminée par un oscillateur, du même type que celui qui équipe les montres à quartz. On vérifie et on ajuste en permanence  la fréquence de cet oscillateur en vérifiant que les ondes émises sont bien absorbées par un certain type d'atomes, contenus eux aussi dans l'horloge atomique.

Par exemple, de nombreuses horloges atomiques fonctionnent avec des atomes de Césium qui absorbent les ondes électromagnétiques de fréquence 9 192 631,77 Hz. Il "suffit" alors de compter 9 192 631,77 oscillations du générateur pour avoir une seconde.

Néanmoins, il subsiste un problème. En effet, la théorie de la relativité prévoit que le temps s'écoule moins vite à bord des satellites qu'à la surface de la Terre. Le retard s'élève à quelques dizaines de microsecondes par jour (1 microseconde=1 millionième de seconde), ce qui est beaucoup trop important. Les horloges atomiques embarquées sont donc volontairement déréglées lors de l'assemblage du satellite sur Terre pour donner l'heure "terrestre" lorsqu'ils sont en orbite.

Pour en savoir plus :

http://fr.wikipedia.org/wiki/GPS

http://science.howstuffworks.com/atomic-clock.htm