La navigation embarquée dans l'automobile

EN BREF


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La navigation, qu'est ce que c'est ?

La navigation consiste à déterminer la position et la vitesse courante d’un véhicule. Historiquement ce sont les marins qui furent les premiers vrais "navigateurs". En effet, pour se diriger au milieu de l’océan, il faut connaître sa position et celle de son point de destination. Pour savoir où l’on est, il faut des points de repère connus (on parle "d’amers"), les premiers d’entre eux sont les astres : le Soleil et les étoiles. Dans "L’Odyssée" Homère raconte comment Ulysse naviguait :

"Assis près de la barre, en maître il gouvernait […], son œil fixait les Pléiades et le Bouvier, qui se couche si tard, et l’Ourse qu’on appelle aussi le Chariot, la seule des étoiles, qui jamais ne se plonge aux bains de l’Océan, mais tourne en même place, en guettant Orion ; l’avis de Calypso, cette toute divine, était de naviguer sur les routes du large, en gardant toujours l’Ourse à gauche de la main".

Outre ces points de repère naturels, sont apparus ensuite des instruments permettant de se repérer et de se diriger : boussole, sextant, phare…

La nécessité de systématiser et d’automatiser ces moyens de mesure est apparue avec l’avènement de l’aéronautique puis de l’astronautique. Dans le premier cas, le pilote doit pouvoir "naviguer" dans les airs. Dans le deuxième cas, les fusées doivent pouvoir naviguer de façon automatique. C’est d’ailleurs l’origine étymologique des mots "aéronautique" et "astronautique" qui signifient respectivement "naviguer dans les airs" et "naviguer dans les astres".

Du point de vue du vocabulaire, l’aéronautique a délimité le sens précis des différentes fonctions permettant de voler de façon autonome : on parle de la boucle de Navigation – Guidage – Pilotage :

  • la navigation consiste à déterminer la position et la vitesse courante du mobile,
  • connaissant la position courante et l’objectif à atteindre, une fonction calcule le chemin à suivre, c’est le guidage,
  • enfin la fonction manœuvrant le mobile pour suivre le chemin dicté par le guidage s’appelle tout simplement le pilotage.

Les instruments utilisés dans le secteur aéronautique ou spatial sont nombreux, citons :

  • la navigation inertielle : il s’agit de capteurs mesurant les accélérations et les rotations du véhicule sur lequel ils sont fixés. Par intégrations successives des mesures d’accélérations et de rotations, on détermine la vitesse (cumuls d’accélération) puis la position (cumuls de vitesse) du véhicule. L’avantage de ce système est qu’il est entièrement autonome, il n’a pas besoin de mesures venant de l’extérieur. Ce système a été développé d’abord pour les militaires (missiles intercontinentaux) puis pour les véhicules spatiaux. Le principal problème est que l’erreur de navigation augmente au fur et à mesure étant donné que les calculs se font par cumuls successifs, les erreurs se cumulent aussi.
  • La navigation avec des moyens radioélectriques : une balise de position connue émet un signal. Il suffit de mesurer le temps de propagation du signal entre la balise et le véhicule pour déterminer la distance balise - véhicule. Par triangulation (trois balises) on remonte à la position du véhicule. Il faut pour cela disposer de balises suffisamment réparties (visibilité) pour permettre de se localiser

En pratique, ces deux systèmes de navigation sont complémentaires : la navigation inertielle est recalée par des mesures externes (balises ou autres). On parle parfois d’hybridation, il s’agit de calculs tirant parti des caractéristiques de différents moyens de mesure pour naviguer de façon plus précise qu'avec l’un ou l’autre des instruments…

La navigation GPS : comment ça marche ?

Le département de la défense américain a voulu se doter d’un système permettant de naviguer avec précision sur l’ensemble du globe terrestre, c’est ainsi qu’est né le système GPS "Global Positioning System". Les Russes ont développé un système équivalent baptisé "GLONASS". Les Européens veulent se doter d’un système indépendant appelé "GALILEO".

Le principe est simple : disposer des satellites en orbite et les utiliser au sol comme des balises. L’intérêt des satellites est évident : une vingtaine de satellites permet de couvrir toute la terre, alors qu’il faudrait des millions de balises au sol sans compter les impossibilités techniques (balises en pleine mer) ou politiques (pays refusant de telles balises).

Dans le monde automobile, le GPS est apparu au grand public lors du rallye Paris - Dakar : les "navigateurs", c’est à dire les copilotes, profitaient de ce système en plein désert pour pouvoir rallier facilement l’arrivée. Grâce au GPS il était alors impossible de se perdre. C’est une illustration sportive de la finalité du système GPS.

Rentrons dans le détail du fonctionnement du GPS : on ne peut pas imaginer un système qui mesure la distance entre chaque satellite et chaque utilisateur au sol, ce serait impossible vu les millions d’utilisateurs potentiels ! L’astuce consiste à utiliser… le temps ! Chaque satellite envoie deux types d’information : une information sur son orbite exacte (ses éphémérides, permettant de localiser précisément le satellite) ainsi qu’un signal indiquant "l’heure" courante d’après une horloge interne très précise. Le récepteur de l’utilisateur possède également une horloge : en comparant l’heure du récepteur avec le message reçu (heure d’émission du signal et position du satellite), on calcule la distance récepteur - satellite comme une balise standard. Par triangulation, on peut donc déterminer la position de l’utilisateur. Le système se résume donc à deux composantes : la composante spatiale (i.e. les satellites) et la composante sol (i.e. l’utilisateur). L’utilisateur n’a que le récepteur à payer (pas d’abonnement).

En pratique, il faut que quatre satellites soient visibles (et non trois) pour déterminer la position (et la vitesse) et le temps courant exact. En effet, il faut quatre mesures pour déterminer les quatre inconnues que sont la position (en trois dimensions) et le temps. La "quatrième dimension" prend ici tout son sens.

La précision du système a théoriquement deux niveaux : les militaires pouvaient disposer du code "précis" (mais crypté) et les autres utilisateurs disposaient d’un code "grossier", on parlait alors de "disponibilité sélective" ("Selective Availability"). Avant de quitter la Maison Blanche, B. Clinton a donné accès au code précis à l’ensemble des utilisateurs. Rien n’empêche les USA de revenir à deux niveaux de précision.

La précision du code grossier est de l’ordre d’une centaine de mètres, la précision du code précis est de quelques dizaines de mètres. Une astuce appelée "GPS différentiel" permet de descendre à une précision de l’ordre du mètre mais elle nécessite une balise fixe de position connue à proximité équipée d’un récepteur GPS : cette balise "témoin" permet d’identifier les erreurs du signal GPS (par soustraction avec la position connue). Ces erreurs identifiées sont ensuite transférées à l’utilisateur qui effectue les corrections sur le signal reçu.

La navigation dans l'automobile

Elle se fait essentiellement par le GPS, il suffit, en théorie, d’embarquer un récepteur GPS et le tour est joué. Si cela suffisait en plein désert pour le Dakar, cela n’est pas adapté pour l’automobiliste de tous les jours. A quoi ça servirait de savoir que l’on est à 44°25’23,4’’ de latitude nord et 4°18’37,4’’ de longitude ouest ? A rien. Il faut donc fusionner cette information avec une carte. Et là, la tâche est immense. En effet, il faut :

  • cartographier avec précision la totalité du réseau routier,
  • mettre à jour les évolutions des infrastructures (nouvelles routes, nouveaux sens de circulation …),
  • fusionner les informations GPS avec la carte, en d’autres termes il s’agit d’indiquer concrètement sur la carte où le véhicule se trouver

Ce dernier point nécessite beaucoup de précision, en effet il s’agit d’indiquer que le véhicule est bien sur la route (et non à 50 m dans le milieu du champ !) et en ville, qu’il est bien dans telle rue et non dans la rue d’à coté… En ville, le signal GPS peut être masqué par les immeubles. L’idéal est donc de coupler le GPS avec un autre moyen de navigation de la même façon que pour l’aéronautique. En automobile on peut donc utiliser des accéléromètres et des gyromètres ou tout simplement un odomètre (c’est le capteur qui mesure la distance parcourue par l’intermédiaire de la mesure de rotation des roues). La principale différence par rapport à l’aéronautique est bien sûr le coût qui est le principal défi de ce type d’application.

C’est au Japon que s’est d’abord démocratisée la navigation embarquée dans l’automobile pour deux raisons principales. La première est liée au fait que les villes japonaises ne possèdent pas de noms de rue, les adresses sont définies par "quartiers" près de monuments caractéristiques. La deuxième est la passion des japonais pour les "gadgets" électroniques, ce qui a permis de développer ces technologies.

Aujourd’hui la navigation embarquée dans l’automobile peut se faire de deux manières :

  • la navigation "classique", c’est à dire avec un système intégré à la voiture (sorte de gros autoradio avec écran pour visualiser les informations),
  • la navigation "nomade" : grâce aux assistants personnels (PDA) ou même au téléphone portable on peut naviguer en voiture ou en tant que piéton avec le même appareil ! Outre le GPS, ces systèmes utilisent la technologie sans fil "Bluetooth" qui relie le PDA/téléphone au récepteur GPS. On parle dans ce cas de "continuité" de service

Le marché de la navigation embarquée et les perspectives

Les constructeurs travaillent sur la voiture "communicante" (discipline appelée parfois "télématique" qui est la contraction des mots "télécommunication" et "informatique"). On intègre de plus en plus d’électronique dans la voiture en profitant des progrès des télécommunications (GPRS et plus tard UMTS permettant un plus haut débit de communication). Ces progrès ouvrent de larges perspectives à l’automobiliste de demain. Outre la navigation, il aura accès à des informations temps réel sur sa carte : bouchons, travaux, localisation des hôtels et restaurants dans les environs ainsi qu’Internet pour les passagers. Le calculateur de bord ("un" calculateur de bord) devra mettre à jour en temps réel les itinéraires de contournement des difficultés (c’est le guidage au sens propre du terme !). Quelques progrès restent à faire en terme d’ergonomie et de sécurité : il est difficile de lire un petit écran en roulant et de modifier sa demande en tapant sur un clavier. C’est pourquoi se développent les techniques telles que commande vocale, synthèse vocale, vision "tête haute" (projection des données sur le pare-brise)…

La navigation embarquée a du mal à décoller en France. Le marché allemand est beaucoup plus avancé. Ce sont d’abord les véhicules haut de gamme qui se sont vus dotés en option de systèmes de navigation. Cela explique pourquoi le marché est plus porteur outre-Rhin. Les fabricants insistent sur le fait que les systèmes développés fonctionnent, essayant de rassurer les consommateurs français encore réticents. La carte Michelin ou l’Atlas routier sont encore nos compagnons de voyage. Si ceux-ci ne suffisent pas ou si votre passager "navigateur" est complètement désorienté, il reste la solution ultime : demander votre chemin à un(e) charmant(e) autochtone ! Bien sûr, c’est un peu plus délicat si vous êtes perdu dans la banlieue de Stockholm…