Accéléromètres
Histoire
Dans les années 1920, une technique appelée radionavigation (des radios qui permettaient aux navigateurs de localiser la direction des émetteurs à terre) est devenue le début d’un système de localisation militaire. Une fois que les satellites artificiels ont été conçus pour permettre des transmissions de radionavigation en ligne de mire plus précises, ils ont ouvert la voie à un système de la Marine appelé Transit (un système de localisation à deux niveaux). Ce fut le premier GPS (Global Positioning System).
Voici comment fonctionne le GPS en cinq étapes logiques :
La base du GPS est la « triangulation » à partir des satellites.
Pour « trianguler », un récepteur GPS mesure la distance en utilisant le temps de trajet des signaux radio.
Pour mesurer le temps de trajet, le GPS a besoin d’un chronométrage très précis qu’il réalise avec quelques astuces.
En plus de la distance, vous devez savoir exactement où se trouvent les satellites dans l’espace. Les orbites hautes et une surveillance attentive sont le secret.
Enfin, vous devez corriger les retards subis par le signal lorsqu’il voyage dans l’atmosphère.
La trilatération est un principe géométrique de base qui vous permet de trouver un emplacement si vous connaissez sa distance par rapport à d’autres emplacements déjà connus. La géométrie derrière cela est très facile à comprendre dans un espace à deux dimensions.
Ce même concept fonctionne également dans l’espace tridimensionnel, mais vous avez affaire à des sphères au lieu de cercles. Vous avez également besoin de quatre sphères au lieu de trois cercles pour trouver votre emplacement exact. Le cœur d’un récepteur GPS est la capacité de trouver la distance du récepteur à partir de quatre (ou plus) satellites GPS. Une fois qu’il a déterminé sa distance par rapport aux quatre satellites, le récepteur peut calculer sa position et son altitude exactes sur Terre ! Si le récepteur ne peut trouver que trois satellites, il peut alors utiliser une sphère imaginaire pour représenter la Terre et peut vous donner des informations de localisation mais aucune information d’altitude.
Les satellites GPS envoient des signaux radio que votre récepteur GPS peut détecter. Mais comment le signal permet-il au récepteur de savoir à quelle distance se trouve le satellite ? La réponse est simple : un récepteur GPS mesure le temps qu’il faut au signal pour voyager du satellite au récepteur. Puisque nous savons à quelle vitesse les signaux radio voyagent – ce sont des ondes électromagnétiques et donc (dans le vide) voyagent à la vitesse de la lumière, environ 186 000 miles par seconde – nous pouvons déterminer la distance qu’ils ont parcourue en calculant combien de temps il a fallu qu’ils arrivent.
Un satellite commence à émettre un long motif numérique, appelé code pseudo-aléatoire, dans le cadre de son signal à une certaine heure, disons minuit. Le récepteur commence à exécuter le même modèle numérique, également exactement à minuit. Lorsque le signal du satellite atteint le récepteur, sa transmission du motif sera un peu en retard par rapport à la lecture du motif par le récepteur. La durée du retard est égale au temps de parcours du signal. Le récepteur multiplie ce temps par la vitesse de la lumière pour déterminer la distance parcourue par le signal. Si le signal voyageait en ligne droite, cette distance serait la distance au satellite.
La seule façon de mettre en œuvre un système comme celui-ci nécessiterait un niveau de précision que l’on ne trouve que dans les horloges atomiques. En effet, le temps mesuré dans ces calculs s’élève à des nanosecondes. Pour faire un GPS en utilisant uniquement des horloges synchronisées, vous auriez besoin d’horloges atomiques non seulement sur tous les satellites, mais aussi dans le récepteur lui-même. Les horloges atomiques coûtent généralement entre 50 000 $ et 100 000 $, ce qui les rend un peu trop chères pour un usage quotidien.
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Le système de positionnement global a une solution très efficace à ce problème — un récepteur GPS ne contient aucune horloge atomique. Il a une horloge à quartz normale. Le récepteur examine tous les signaux qu’il reçoit et utilise des calculs pour trouver simultanément l’heure exacte et l’emplacement exact. Lorsque vous mesurez la distance à quatre satellites localisés, vous pouvez dessiner quatre sphères qui se coupent toutes en un point, comme illustré ci-dessus. Quatre sphères de ce type ne se croiseront pas à un moment donné si vous avez mal mesuré. Puisque le récepteur effectue toutes ses mesures de temps, et donc ses mesures de distances, à l’aide de l’horloge dont il est équipé, les distances seront toutes proportionnellement incorrectes. Le récepteur peut donc facilement calculer exactement quelle distance d’ajustement provoquera l’intersection des quatre sphères en un point. Cela lui permet de régler son horloge pour ajuster sa mesure de distance. Pour cette raison, un récepteur GPS garde en fait une heure extrêmement précise, de l’ordre des horloges atomiques réelles des satellites !
Accéléromètres
Ces appareils mesurent l’accélération dans une direction particulière.
Ces données peuvent être utilisées pour déterminer la probabilité de blessure. L’accélération est la vitesse à laquelle la vitesse change. Par exemple, si vous vous cognez la tête contre un mur de briques, la vitesse de votre tête change très rapidement. Mais si vous vous cognez la tête dans un oreiller, la vitesse de votre tête change plus lentement à mesure que l’oreiller s’écrase.
Ces appareils ont été utilisés dans des mannequins de crash test, des satellites, des voiles solaires et certains ordinateurs imprimables.
Ils détectent et répondent aux accélérations de traduction. Les accélérateurs sont constitués de masses d’épreuve mécaniques, de charnières et de servos ; les gyroscopes ont été construits avec plusieurs masses étalons mécaniques.
Gyroscopes et accéléromètres
Si vous montez deux gyroscopes avec leurs axes à angle droit l’un par rapport à l’autre sur une plate-forme et placez la plate-forme à l’intérieur d’un ensemble de cardans, la plate-forme restera complètement rigide pendant que les cardans tournent comme bon leur semble. C’est cette base des systèmes de navigation inertielle (INS).
Dans un INS, les capteurs sur les axes des cardans détectent quand la plate-forme tourne. L’INS utilise ces signaux pour comprendre les rotations du véhicule par rapport à la plate-forme. Si vous ajoutez à la plate-forme un ensemble de trois accéléromètres sensibles, vous pouvez dire exactement où se dirige le véhicule et comment son mouvement change dans les trois directions. Avec ces informations, le pilote automatique d’un avion peut maintenir l’avion sur sa trajectoire, et le système de guidage d’une fusée peut insérer la fusée dans une orbite souhaitée !
Satellites et accéléromètres
Une fusée doit être contrôlée très précisément pour insérer un satellite sur l’orbite souhaitée. Un système de guidage inertiel (IGS) à l’intérieur de la fusée rend ce contrôle possible. L’IGS détermine l’emplacement et l’orientation exacts d’une fusée en mesurant avec précision toutes les accélérations subies par la fusée, à l’aide de gyroscopes et d’accéléromètres. Montés dans des cardans, les axes des gyroscopes restent orientés dans la même direction. Cette plate-forme gyroscopiquement stable contient des accéléromètres qui mesurent les changements d’accélération sur trois axes différents. S’il sait exactement où se trouvait la fusée au lancement et s’il connaît les accélérations subies par la fusée pendant le vol, l’IGS peut calculer la position et l’orientation de la fusée dans l’espace.
