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Florian Mathieu
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# Localisation, cartographie et mobilité
> Grâce à nos smartphones, nous pouvons savoir où nous sommes à tout moment, trouver notre chemin, localiser un restaurant ou suivre notre colis en temps réel.
>
> Mais comment cela fonctionne-t-il ? Comment un téléphone sait-il où il se trouve sur Terre ?
---
## Le Programme
| Contenus | Capacités attendues |
|----------|---------------------|
| GPS, Galileo | Décrire le principe de fonctionnement de la géolocalisation |
| Cartes numériques | Identifier les différentes couches d'information d'une carte numérique |
| Protocole NMEA 0183 | Décoder une trame NMEA pour trouver des coordonnées géographiques |
| Calculs d'itinéraires | Utiliser un logiciel de cartographie |
---
## Se repérer sur Terre
### Les coordonnées géographiques
Pour localiser un point sur Terre, on utilise deux nombres : la **latitude** et la **longitude**.
| Coordonnée | Description | Valeurs |
|------------|-------------|---------|
| **Latitude** | Position Nord-Sud | -90° (pôle Sud) à +90° (pôle Nord) |
| **Longitude** | Position Est-Ouest | -180° à +180° (méridien de Greenwich = 0°) |
**Exemple** : Le lycée Charlotte Perriand se situe à :
- Latitude : 50.3851° N
- Longitude : 3.0608° E
> **Activité** : Trouvez les coordonnées GPS de votre domicile sur Google Maps (clic droit → "Plus d'infos sur cet endroit")
### Différents formats de coordonnées
Un même point peut s'écrire de plusieurs façons :
| Format | Exemple (Tour Eiffel) |
|--------|----------------------|
| Degrés décimaux (DD) | 48.8584° N, 2.2945° E |
| Degrés, minutes (DM) | 48° 51.504' N, 2° 17.670' E |
| Degrés, minutes, secondes (DMS) | 48° 51' 30.24" N, 2° 17' 40.20" E |
### Conversion DMS → DD
Pour convertir des degrés/minutes/secondes en degrés décimaux :
```
DD = Degrés + (Minutes / 60) + (Secondes / 3600)
```
**Exemple** : 48° 51' 30.24" N
```
DD = 48 + (51 / 60) + (30.24 / 3600)
DD = 48 + 0.85 + 0.0084
DD = 48.8584°
```
---
## Le système GPS
### Qu'est-ce que le GPS ?
**GPS** signifie *Global Positioning System* (Système de positionnement mondial). C'est un système de navigation par satellite développé par les États-Unis dans les années 1970, initialement pour l'armée américaine.
Aujourd'hui, il existe plusieurs systèmes de navigation :
| Système | Pays/Région | Nombre de satellites |
|---------|-------------|---------------------|
| **GPS** | États-Unis | 31 |
| **Galileo** | Europe | 30 |
| **GLONASS** | Russie | 24 |
| **BeiDou** | Chine | 35+ |
### Comment ça marche ?
Le GPS fonctionne grâce à une constellation de **satellites** en orbite autour de la Terre, à environ 20 200 km d'altitude.
#### Principe de la trilatération
1. Chaque satellite envoie un signal contenant :
- Sa position exacte
- L'heure précise d'émission du signal
2. Votre récepteur GPS (smartphone, montre, voiture) :
- Reçoit les signaux de plusieurs satellites
- Calcule la distance à chaque satellite grâce au temps de trajet du signal
- Détermine sa position par **trilatération**
```
Satellite 1
★
/|\
/ | \
/ | \
/ | \
★------ ● ------★
Satellite 2 Vous Satellite 3
```
#### Pourquoi faut-il au moins 4 satellites ?
| Nombre de satellites | Ce qu'on peut calculer |
|---------------------|------------------------|
| 1 satellite | On est quelque part sur une sphère |
| 2 satellites | On est sur un cercle (intersection de 2 sphères) |
| 3 satellites | On est en 2 points possibles |
| 4 satellites | Position exacte + altitude + correction d'horloge |
### Précision du GPS
| Contexte | Précision |
|----------|-----------|
| GPS standard (smartphone) | 3 à 5 mètres |
| GPS assisté (A-GPS) | 1 à 3 mètres |
| GPS différentiel (DGPS) | Quelques centimètres |
| GPS RTK (professionnel) | Quelques millimètres |
> **Question** : Pourquoi le GPS est-il moins précis en ville qu'en campagne ?
---
## Le protocole NMEA
### Présentation
Les récepteurs GPS communiquent les données de localisation grâce au protocole **NMEA 0183** (National Marine Electronics Association).
Les données sont transmises sous forme de **trames** (lignes de texte) contenant les informations de position.
### Exemple de trame NMEA
```
$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,47.0,M,,*47
```
### Décoder une trame GPGGA
| Position | Valeur | Signification |
|----------|--------|---------------|
| 1 | `$GPGGA` | Type de trame (GPS Fix Data) |
| 2 | `123519` | Heure UTC : 12h35min19s |
| 3-4 | `4807.038,N` | Latitude : 48° 07.038' Nord |
| 5-6 | `01131.000,E` | Longitude : 11° 31.000' Est |
| 7 | `1` | Qualité du signal (1 = GPS fix) |
| 8 | `08` | Nombre de satellites utilisés |
| 9 | `0.9` | HDOP (précision horizontale) |
| 10-11 | `545.4,M` | Altitude : 545.4 mètres |
| 12-13 | `47.0,M` | Hauteur du géoïde |
| 14 | ` ` | Âge des données DGPS |
| 15 | `*47` | Checksum (vérification) |
### Activité : Décoder une trame
✏️ **À faire** : Décodez la trame suivante et trouvez les coordonnées GPS.
```
$GPGGA,091745,5023.1234,N,00303.6543,E,1,06,1.2,42.0,M,45.0,M,,*5A
```
1. Quelle est l'heure de la mesure ?
2. Quelle est la latitude (en degrés décimaux) ?
3. Quelle est la longitude (en degrés décimaux) ?
4. Combien de satellites sont utilisés ?
5. Quelle est l'altitude ?
<details>
<summary><strong>Voir la correction</strong></summary>
1. Heure : 09h17min45s UTC
2. Latitude : 50° 23.1234' N = 50 + (23.1234/60) = **50.3854° N**
3. Longitude : 3° 03.6543' E = 3 + (3.6543/60) = **3.0609° E**
4. Nombre de satellites : **6**
5. Altitude : **42.0 mètres**
</details>
---
## Cartographie numérique
### Les couches d'une carte numérique
Une carte numérique est composée de plusieurs **couches** superposées :
| Couche | Contenu | Exemple |
|--------|---------|---------|
| **Fond de carte** | Relief, terrain | Satellite, plan, terrain |
| **Réseau routier** | Routes, chemins | Autoroutes, rues, pistes cyclables |
| **Points d'intérêt (POI)** | Lieux remarquables | Restaurants, stations-service, hôpitaux |
| **Données temps réel** | Informations dynamiques | Trafic, météo, transports en commun |
| **Données utilisateur** | Contributions | Avis, photos, itinéraires |
### OpenStreetMap vs Google Maps
| Caractéristique | OpenStreetMap | Google Maps |
|-----------------|---------------|-------------|
| **Type** | Libre et collaboratif | Propriétaire |
| **Contributeurs** | Bénévoles du monde entier | Google + utilisateurs |
| **Licence** | Open Data (ODbL) | Propriétaire |
| **Coût** | Gratuit | Gratuit (limité) puis payant |
| **Personnalisation** | Totale | Limitée |
> **Activité** : Comparez votre quartier sur [OpenStreetMap](https://www.openstreetmap.org) et Google Maps. Quelles différences observez-vous ?
---
## Calcul d'itinéraires
### Le problème du plus court chemin
Quand vous demandez un itinéraire à votre GPS, il doit résoudre un problème algorithmique : trouver le **plus court chemin** entre deux points.
Ce problème peut être modélisé par un **graphe** :
- Les **sommets** sont les intersections
- Les **arêtes** sont les routes
- Les **poids** sont les distances ou durées
### Différents critères d'optimisation
| Critère | Objectif |
|---------|----------|
| **Distance** | Chemin le plus court en kilomètres |
| **Temps** | Chemin le plus rapide |
| **Économique** | Moins de péages, moins de carburant |
| **Écologique** | Moins d'émissions CO2 |
### L'algorithme de Dijkstra
L'algorithme de **Dijkstra** (1956) est utilisé pour trouver le plus court chemin dans un graphe. C'est l'un des algorithmes les plus importants en informatique !
**Principe simplifié** :
1. Partir du point de départ
2. Explorer les voisins et noter les distances
3. Choisir le voisin le plus proche non encore visité
4. Répéter jusqu'à atteindre la destination
> Cet algorithme est étudié en détail en NSI Terminale.
---
## Vie privée et géolocalisation
### Les risques
| Risque | Description |
|--------|-------------|
| **Pistage** | Suivi de vos déplacements par des applications |
| **Profilage** | Analyse de vos habitudes (domicile, travail, loisirs) |
| **Cambriolage** | Publication de votre absence (vacances) |
| **Harcèlement** | Localisation par une personne malveillante |
### Qui peut vous localiser ?
- Votre **opérateur téléphonique** (antennes relais)
- Les **applications** avec permission de localisation
- Les **réseaux WiFi** auxquels vous vous connectez
- Les **photos** que vous publiez (métadonnées EXIF)
### Bonnes pratiques
✅ Vérifier les **permissions** des applications
✅ Désactiver la localisation quand elle n'est pas nécessaire
✅ Désactiver la **géolocalisation des photos**
✅ Ne pas publier sa localisation en temps réel
✅ Utiliser le mode **navigation privée** ou un VPN
---
## Activités pratiques
### Activité 1 : Chasse au trésor GPS (Geocaching)
Le **geocaching** est une chasse au trésor moderne utilisant le GPS.
1. Rendez-vous sur [geocaching.com](https://www.geocaching.com) ou utilisez l'application
2. Trouvez une cache près du lycée
3. Notez les coordonnées et essayez de la trouver !
### Activité 2 : Créer un itinéraire
Utilisez [OpenRouteService](https://openrouteservice.org) ou Google Maps pour :
1. Créer un itinéraire entre le lycée et un lieu de votre choix
2. Comparer les options (voiture, vélo, à pied, transports)
3. Noter les différences de temps et de distance
### Activité 3 : Contribuer à OpenStreetMap
1. Créez un compte sur [OpenStreetMap](https://www.openstreetmap.org)
2. Trouvez un élément manquant près du lycée (banc, poubelle, passage piéton...)
3. Ajoutez-le à la carte !
---
## Pour aller plus loin
- 📖 [Comment fonctionne le GPS ?](https://www.cnes.fr/fr/le-gps-comment-ca-marche) - CNES
- 🎥 [Le GPS expliqué](https://www.youtube.com/watch?v=FU_pY2sTwTA) - ScienceEtonnante
- 📖 [Galileo, le GPS européen](https://www.gsa.europa.eu/european-gnss/galileo/galileo-european-global-satellite-based-navigation-system)
- 🗺️ [OpenStreetMap France](https://www.openstreetmap.fr/)
---
## Synthèse
Complétez le texte suivant :
Le **GPS** (_____________ Positioning System) est un système de navigation par _____________ permettant de se localiser sur Terre.
Pour déterminer sa position, un récepteur GPS a besoin d'au moins _____________ satellites. Il utilise le principe de la _____________.
Les coordonnées géographiques sont exprimées en _____________ (Nord-Sud) et _____________ (Est-Ouest).
Le protocole _____________ permet de transmettre les données GPS sous forme de trames.
Une carte numérique est composée de plusieurs _____________ superposées (fond de carte, routes, POI...).
Pour calculer un itinéraire, on utilise des algorithmes comme celui de _____________.
---
Auteur : Florian Mathieu
Licence CC BY NC
<a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/"><img alt="Licence Creative Commons" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/4.0/88x31.png" /></a> <br />Ce cours est mis à disposition selon les termes de la <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/">Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International</a>.