III/ Correction du manque de précision et autres faits sur les GPS
1) Correction permanente du décalage :
"The time synchronization between the GPS satellite clocks is kept to within 20 nanoseconds (ns) through the broadcast clock corrections as determined by the ground control stations and the synchronization of GPS standard time to the Universal Time Coordinated (UTC) to within 100 ns."
Nous avons vu dans la premiere partie que la désynchronisation est dûe à la dilatation du temps. En effet, dans cette derniere, le temps écoulé dans les satellites est en avance de 38µs/jour. La re-synchronisation du temps entre les horloges satellites du GPS est maintenue à 20 nanosecondes (ns) près grâce aux corrections de l'horloge de diffusion déterminées par les stations de contrôle au sol et à la re-synchronisation de l'heure normale du GPS avec le temps universel coordonné (UTC) à 100 ns près.
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2) Autres sources d'erreurs :
a. Trajectoire elliptique des satellites
Le canon de Newton
Vous connaissez sûrement l'expérience de pensée d'Isaac Newton sur le canon. Si vous ne la connaissez pas nous allons vous l'expliquer brièvement. Prenez un canon, placez le au sommet d'une grande montagne. Si vous tirez, la trajectoire sera rectiligne. Cependant, Newton connait les lois de la gravitation et sait donc que la Terre va exercer de la gravité sur le mouvement du boulet. Ainsi, si on tire avec une faible puissance, le canon retombera sur le sol terrestre au bout de quelques kilomètres mais si l'on tire avec une grande puissance, le boulet fera le tour de la Terre et ne retombera plus jamais sur le sol grace à la forme ronde de la Terre mais aussi grace à l'absence de frottement dû au vide de l'espace. C'est donc de cette manière que l'on met des satellites en orbite autour de la Terre.
L’Astronomie populaire, de Camille Flammarion (XIXème siècle)
Tout comme le boulet de canon, le satellite doit être envoyé avec une grande puissance pour qu'il puisse être mis en orbite. En effet, cette puissance est telle que la vitesse de propulsion est comprise entre 7,9 km/s et 11,2 km/s. Cet intervalle définira notamment la trajectoire du satellite envoyé: plus la vitesse se rapproche de 7.9 km/s plus l'orbite sera resserré et donc circulaire et comme vous l'aurez compris plus la vitesse se rapprochera de 11,2 km/s plus l'orbite sera elliptique. Si la vitesse de mise en orbite est inférieure à 7,9 km/s le satellite retombera sur Terre et si elle est supérieure à 11,2 km/s, le satellite quittera la Terre à tout jamais suivant une orbite.
Mise en orbite d'un satellite
La trajectoire d’un satellite est donc caractérisée par son orbite. Il y en a 6 autour de la Terre et leur orbite est elliptique, sur chaque orbite, on trouve environ 4 satellites dont leurs période de révolution est égale à 12h. Cette orbite peut se trouver à une altitude plus ou moins élevée, pour le GPS l’altitude est plutôt moyenne (20200 Km d’altitude) et son plan est incliné de 55° par rapport au plan équatorial et peut aller jusqu’à 65° avec le satellite GLONASS (qui se trouve à une distance plus importante).
?Schématisation d'une orbite
L'orbite du satellite est utile pour partager les prévisions des ses emplacements mais aussi ceux des autres satellites (l'almanach). Le satellite envoie donc des positions mais ces prévisions ne sont pas toujours justes. Pour pallier à cette erreur, la station de contrôle qui reçoit le signal la rectifie et la renvoie au satellite.
b. Effets de la propagation électromagnétique
Tout d'abord, les ondes électromagnétiques se forment lorsqu'un champ électrique entre en contact avec un champ magnétique. Elles sont donc appellées "ondes électromagnétiques".
Ces dernières peuvent voyager dans le vide. Elles sont créées suite à la vibration d'une charge électrique qui crée une composante électrique ainsi qu'une composante magnétique. Les ondes se déplacent à environ 3.00 × 108 m/s (la célerité) dans le vide mais à travers la matière, sa vitesse est réduite. Les ondes lumineuses (la lumière) sont des exemples d'ondes électromagnétiques.
Schéma d'une onde électromagnétique
Lorsqu'une onde électromagnétique entre en collision avec les atomes d'un milieu matériel, l'énergie de l'onde sera absorbée puis fera vibrer les électrons des atomes. Avec cette vibrations, les électrons excités formeront une onde électromagnétique similaire à celle de départ (même fréquence). Cependant, la vitesse de l'onde sera considérablement réduite, elle varie aussi en fonction de la densité du milieu ainsi que l'espace entre chaque atomes. Nous venons donc de définir l’onde électromagnétique, maintenant, concentrons-nous sur l’effet que cela peut avoir sur la propagation de l’onde électromagnétique depuis le satellite (gps ou non). Le satellite se trouvant à environ 20200km d’altitude, envoie des ondes électromagnétiques (qui contiennent la position et l'identification du satellite) aux récepteurs présents sur le sol terrestre. De ce fait, les ondes traversent les différentes couches de l’atmosphère.
L'ionosphère :
Elle est composée de deux couches atmosphériques: la mésosphere (celle qui nous protège des milliers de météorites qui dérivent sur Terre) et la thermosphère (caractérisée par sa faible pression et sa forte température). L'ionosphère porte bien son nom, en effet, il se trouve que cette dernière soit majoritairement composée d'ions et d'électrons libres, ce qui fait de cette couche une couche neutre. Cela résulte de la photo-ionisation provoquée par les rayonnements UV du soleil provoquant une forte émission d'électrons. Nous avons déjà vu l'effet que pouvait avoir un milieu sur une ondes électromagnétique. Ainsi, nous avons donc un exemple concret de ce phénomène. L'ionosphère agit comme un ralentisseur sur la vitesse des ondes électromagnétiques du GPS en les déviant de leurs trajectoires et engendre donc une erreur de la distance entre le satellite et les stations au sol. L'unique solution serait donc d'émettre deux ondes électromagnétiques du satellites n'ayant pas la même fréquence 1.575 GHz et 1.228 GHz, pour établir une différence de la quantité déviée.
Schéma de la traversé des ondes électromagnétiques L1 et L2 à travers l'atmosphère
La troposhère :
L'onde électromagnétique a déjà été ralentie suite à son passage à travers l'ionosphère, cependant, son voyage n'est pas encore terminé. En effet, elle doit encore franchir la couche nous permettant de respirer : la troposhère. Elle est composée de 21% de dioxygène, 78% de diazote et d'1% d'autres gaz mais aussi de nuages. Ces nuages sont constitués de vapeur d'eau qui vont encore une fois ralentir la progression de l'onde. De plus, les conditions météorologiques ne font qu'empirer cette précision car il est à ce jour encore très compliqué de calculer avec une telle précision la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère. En effet, le seul moyen serait de mesurer la pression au sol ainsi que le délai troposphérique (distance parcouru par l'onde dans la troposphère).
3) Trou noir :
La théorie des trous noirs fut développée bien avant qu’il y ait le moindre indice sur leur existence. Je ne connais pas d’autre exemple en science de réussite d’une extrapolation aussi extrême fondée sur la pensée pure.
Qu’est-ce qu’un trou noir ?
A première vue, les trous noirs ne sont que des « astres » parmi tant d’autres dans l’espace. Les trous noirs sont si denses qu’ils sont capables de créer de profonds puits gravitationnel. En effet, un trou noir est petit et très dense. La vitesse de libération (vitesse à laquelle on échappe à l'attraction gravitationnel d'un astre) de celui-ci devant être supérieur à la vitesse de la lumière, ce qui n'est pas possible, rien ne peut sortir d'un trou noir. Pour vous donner une idée de la puissance d’un trou noir, imaginez que tout ce qui s’aventurera trop près qu'il s'agisse d'une étoile, d'une planète, d'un vaisseau spatial ou de la lumière sera étiré et comprimé comme du mastic dans un processus théorique connu sous le nom de spaghettification (ou effet de nouilles). Un trou noir a une masse, une vitesse d'orientation, une taille, une charge électrique etc... Un trou noir est composé d'une singularité en sont centre contenant la masse du trou noir et de l'horizon des événements qui délimite le trou noir et qui lorsqu'un objet passe cette limite ne pourra pas en sortir. A ce jour, il existe 4 types de trous noirs : stellaires, intermédiaires, miniatures et supermassifs. Dans cette partie, nous allons plutôt nous intéresser au trous noirs supermassifs et plus précisément aux quasars.
?Image d'un quasar
Découverts au début des années 1960, les quasars sont les membres les plus éloignés et les plus énergétiques des noyaux galactiques actifs. Ils sont composés d’un disque d’accrétion contenant une énorme quantité de matière créant un champ magnétique perpendiculaire au quasar et permettant une projection gazeuse impressionnante pouvant atteindre des centaines de milliers d’années lumières. De ce fait, les quasars sont extrêmement lumineux. En effet, la luminosité d’un quasar est cent fois plus élevée que la totalité des étoiles présentes dans notre galaxie. Ils ont d'abord été identifiés comme étant des sources d'énergie électromagnétique à fort Redshift (correspond à un virement vers le rouge sur un spectre), y compris la lumière visible et les ondes radios, qui semblaient être semblables aux étoiles, plutôt que des sources étendues semblables aux galaxies. Créées pour la plupart il y a 12 milliards d’années, les quasars proviennent de collisions de galaxies, les trous noirs centraux des galaxies fusionnant pour former un trou noir supermassif.
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A quoi servent les quasars dans le GPS ?
L’utilisation des quasars dans le GPS n’est pas indispensable cependant très utile. En effet, un satellite a besoin d’un référentiel fixe et les quasars jouent parfaitement ce rôle grâce notamment à leur distance nous permettant de les désigner comme fixe (des milliards d’années lumières) et leur forte luminosité nous permettant de les distinguer à une telle distance (le plus proche est le quasar 3C273 situé à une distance de 2,44 Milliards d’années lumières) nous utilisons pour cela des télescopes spatiaux comme Hubble.
Satellite spatiale Hubble
Comment sont répertoriés les quasars ?
Depuis 1995, environ 600 quasars sont référencés sur une carte céleste servant de référence fiable pour nos satellites : l’ICRF (International Celestial Reference Frame). Cette carte restant tout de même assez incroyable est maintenant un peu dépassé depuis l’arrivé de l’IRCF 2. En effet, cette nouvelle carte contient des milliers de quasars, elle ne sert pas seulement aux GPS, elle sert aussi à la navigation des sondes spatiales dont les missions peuvent être ainsi optimisés. N’oublions pas que ce système ne serait pas aussi performant sans le VLBI (Very Long Baseline Interferometer) qui est un réseau de radiotélescopes situés à des centaines ou des milliers de kilomètres de distance coopèrent pour former un seul télescope.
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Image d'un radiotélescope
En traitant les signaux numérisés à l'aide d'un ordinateur central dédié, les astronomes peuvent produire des images du ciel avec une résolution qui surpasse celle des meilleurs télescopes optiques, même le télescope spatial Hubble. Ainsi cela nous permet de mieux étudier la structure de certains quasar.