Vocabulaires marins

Navigation


La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :

• connaître la position (ses coordonnées) d'un mobile par rapport à un système de référence, ou par rapport à un point fixe déterminé ^[1];
  
• calculer ou mesurer la route à suivre pour rejoindre un autre point de coordonnées connues ;
  
• calculer toute autre information relative au déplacement de ce mobile (distances et durées, vitesse de déplacement, heure estimée d'arrivée, etc.).
  

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Navigation aérienne et navigation maritime


Les principes de la navigation aérienne sont identiques à ceux de la navigation maritime. Les premiers instruments utilisés à bord des aéronefs sont directement issus des instruments utilisés dans la marine. Les systèmes de radionavigation utilisés également en navigation maritime, se sont particulièrement diversifiés et développés au profit de la navigation aérienne, notamment pour les approches d'aérodromes et le guidage à l'atterrissage. Depuis leur apparition dans les années 1970, la navigation utilise des systèmes satellitaires. Les récepteurs utilisés en aéronautique sont identiques à ceux utilisés au sol ou en mer.
En aéronautique :

• La fonction pilotage, c’est-à-dire le contrôle du vol de l'avion par rapport à l'air est exercé grâce aux instruments de bord. On peut y associer les instruments qui contrôlent les paramètres des moteurs.
  
• La fonction radiocommunication permet l'échange d'informations entre un aéronef et les autorités de contrôle de la navigation au sol.
  
• Les instruments correspondant à ces trois fonctions sont rassemblés sur la planche de bord qui constitue l'IHM, interface homme-machine, entre le pilote et l'aéronef.
  

Référence et problématique


Sur la Terre, la navigation nécessite un système de référence, dit système géodésique. Le système désormais le plus utilisé est le WGS84 (World Geodetic System, 1984), mais de nombreuses cartes utilisent encore un système géodésique plus ancien.
Connaissant les coordonnées du mobile et celles du point de destination, on peut alors calculer (ou mesurer sur une carte) la route à suivre pour rejoindre ce dernier point, qui peut être notamment :

• une route à cap constant (à angle constant avec les méridiens), la loxodromie ;
  
• ou la route la plus courte, l'orthodromie, c'est-à-dire une géodésique (un arc de grand cercle, si l'on assimile la terre à une sphère) ;
  
• ou une autre route plus complexe, en fonction des conditions externes (météorologie, courants, vent...) ou des contraintes choisies (vitesse maximale, consommation minimale, etc.).
  

Évolution historique


Les techniques de navigation ont été développées par les premiers marins pour naviguer sur les mers et océans. La constatation du magnétisme terrestre a très tôt conduit à l'invention de la boussole (appelée en navigation un compas), qui a permis de tenir un cap et suivre une route. La mesure de la vitesse a été rendue possible grâce à l'invention du loch à bateau. Ces deux éléments, cap et vitesse, permettent une navigation à l'estime, insuffisamment précise dans la durée. Sans repère terrestre (hors de vue d'une côte), les navigateurs se sont repérés grâce à l'observation des astres. La hauteur d'un astre au dessus de l'horizon, facilement mesurable par les «ancêtres» du sextant, tels que l'astrolabe, permet de calculer la latitude. Toutes ces techniques étaient acquises, dès le XV^e siècle. La mesure de longitude, qui se déduit de la mesure du temps, n'a été véritablement possible qu'au XVIII^e siècle avec l'invention de chronomètre (ou garde-temps) précis qui permettait de «garder» le temps du méridien d'origine.
Par la suite, ces moyens ont gagné en précision et les méthodes de calcul se sont affinées. À la fin du XIX^e, l'invention de l'électricité a entraîné celle du compas gyroscopique qui permet de s'affranchir des difficultés inhérentes au magnétisme terrestre. Le développement de la radio a permis dans la première moitié du XX^e siècle, l'arrivée des premiers systèmes de radionavigation (principe de la radiogoniométrie à l'origine). Ceux-ci se sont diversifiés et développés, particulièrement au profit de la navigation aérienne, notamment pour les approches d'aérodromes et le guidage à l'atterrissage^[2].
À partir de la fin du XX^e siècle sont apparus les systèmes de navigation satellitaires. Le principe de base est identique à la radionavigation, mais les balises sont implantées sur une constellation de satellites en orbite^[3]. Le faible coût des récepteurs permet d'envisager l'équipement des mobiles les plus rustiques. Les systèmes satellitaires ont, en navigation maritime, supplanté tous les systèmes de radionavigation existants.
Les techniques anciennes à base de sextants et de chronomètres, qui n'utilisent pas l'énergie électrique, restent toujours pertinentes car elles constituent un moyen de secours en cas de non fonctionnement (accidentel ou volontaire) des systèmes de positionnement, voire le seul moyen sur des voiliers de plaisance traditionnels

Carte marine





Exemple de carte marine actuelle



La carte marine est un type particulier de carte qui représente les éléments indispensables à la navigation maritime. En adéquation avec la signalisation maritime, elle permet de se situer et de se diriger.
Elle indique essentiellement les sondes et les isobathes (profondeur de l'eau), les dangers (récifs, hauts-fonds, épaves, munitions immergées), la réglementation maritime, la signalisation maritime (phares, balises, bouées) et les amers.
Les cartes marines officielles sont publiées par les services hydrographiques officiels des États côtiers (le SHOM pour la France) ; elles engagent la responsabilité de l'État en cas d'erreur. Des versions simplifiées ou spécialisées destinées à certains utilisateurs (plaisanciers) sont aussi publiées en complément par des éditeurs privés.
En complément ou en remplacement des cartes classiques (papier), les services hydrographiques publient désormais des cartes électroniques, qui peuvent être visualisées sur des systèmes (comme les ECDIS) directement interfacés avec les instruments de navigation (GPS, sondeur...)
Les cartes marines, qu'elles soient papier ou électroniques, doivent être impérativement tenues à jour. Pour ceci les ECDIS se mettent à jour grâce à une connexion à un serveur spécialisé, et pour les cartes papier est édité toutes les semaines par le SHOM le Groupe d'avis aux navigateurs.


Histoire


Carta Marina, 1539




La constitution de cartes marines a surtout commencé à compter du XV^e siècle lors de l'expansion maritime des grandes nations européennes. Elles furent surtout le fait du Portugal, de l'Espagne, des Pays-Bas.
La réalisation de ces cartes était aussi l'une des missions essentielles des explorateurs de l'époque, Vasco de Gama, Ferdinand Magellan, Christophe Colomb, etc. Les états conservaient ces données comme leurs plus précieux trésors.
C'est au XVII^e siècle, avec l'apparition d'instruments de mesure performants, que vont apparaître les premières cartes précises des côtes. Les plus brillants cartographes se trouvent alors aux Pays-Bas, soutenus par la Compagnie néerlandaise des Indes orientales. En France est créé le corps des ingénieurs cartographes.
L'ingénieur Charles-François Beautemps-Beaupré et son équipe réalisent une cartographie exhaustive et précise des côtes de France entre 1816 et 1844.

Standardisation


De nombreux États produisent des cartes marines ; la Convention SOLAS (Safety Of Life At Sea, règle 9, chapitre V) signée dans le cadre de l'Organisation Maritime Internationale impose d'ailleurs aux États parties à la convention de "prendre des dispositions en vue de rassembler et de compiler les données hydrographiques et de publier, diffuser et tenir à jour tous les renseignements nautiques nécessaires pour assurer la sécurité de la navigation."
Les cartes officielles (classiques ou électroniques) respectent le plus souvent les normes et recommandations de l'Organisation hydrographique internationale.

Projection, système de référence


La plupart des cartes marines utilisent la projection de Mercator du nom de son inventeur Gerardus Mercator. C'est une projection conforme qui conserve les angles (ce qui permet de reporter directement sur la carte les angles mesurés au compas, et vice-versa) mais pas ni les distances (l'échelle de la carte variant avec la latitude) ni les surfaces (contrairement aux projections équivalentes).
Elles utilisent plusieurs systèmes de référence :

• Un système altimétrique pour indiquer l'altitude des points terrestres utiles à la navigation ;
  
• Un système bathymétrique pour indiquer la profondeur de l'eau par rapport à une référence ;
  
• Un système de coordonnées (système géodésique) pour localiser les éléments portés sur la carte en latitude et longitude.
  

En France, les cartes marines sont éditées par le SHOM. Elles utilisent comme références :

• pour l'altitude, le zéro du nivellement général de la France, système de référence de l'IGN.
  
• pour la profondeur, le niveau zéro des cartes marines, qui correspond au niveau d'eau des plus basses mer possibles (voir marées).
  
• pour les coordonnées, le WGS 84, système géodésique associé aux coordonnées fournies par le GPS.
  

Attention la migration des cartes en WGS 84 n'est faite que sur les cartes éditées depuis 2001. La plupart des anciennes cartes utilisent pour l'Europe le système européen 1950 (ED50), ou des systèmes locaux ; les corrections nécessaires pour passer de ces systèmes au WGS 84 sont généralement de l'ordre de quelques dizaines de mètres, mais peuvent atteindre plusieurs centaines de mètres dans certaines régions du monde, les modifications à apporter sont en général marquées dans les notas.

Global Positioning System


Le Global Positioning System plus connu par son sigle GPS, que l'on peut traduire en français par « système de positionnement mondial » ou encore (en respectant le sigle) Géo-Positionnement par Satellite, est le principal système de positionnement par satellite mondial actuel; de plus il est également actuellement le seul à être entièrement opérationnel. Ce système a, avant tout, été mis en place à l'origine par le Département de la Défense des États-Unis à destination de ses forces armées. Mais il est très rapidement apparu qu'un des signaux transmis par les satellites pouvait être librement reçu et exploité, et qu'ainsi un récepteur pouvait connaître sa position sur la surface de la Terre, avec une précison sans précédent, dès l'instant qu'il était équipé des circuits électroniques et des logiciels nécessaires au traitement des informations reçues. Une personne munie de ce récepteur peut ainsi se localiser et s'orienter sur terre, sur mer, dans l'air ou dans l'espace (au voisinage de la Terre). Le système GPS a donc connu un grand succès dans le domaine civil et engendré un énorme développement commercial dans de nombreux domaines : navigation maritime, sur route, localisation de camions, randonnée, etc. De même le milieu scientifique a su développer et exploiter des propriétés des signaux transmis pour de nombreuses applications : géodésie, transfert de temps entre horloges atomiques, étude de l'atmosphère,etc.
Le GPS utilise le système géodésique WGS84, auquel se réfèrent les coordonnées calculées grâce au système.
Le premier satellite expérimental fut lancé en 1978, mais la constellation de 24 satellites ne fut réellement opérationnelle qu'en 1995.
Un satellite Navstar, appartenant à la constellation du GPS


Présentation


Le système GPS comprend au moins 24 satellites artificiels orbitant à 20 200 km d'altitude. Ces satellites émettent en permanence un signal complexe (code pseudo-aléatoire) daté précisément grâce à leur horloge atomique, ainsi que des éphémérides permettant le calcul de leurs coordonnées prédites.
Ainsi un récepteur GPS qui capte les signaux d'au moins quatre satellites peut, en mesurant les écarts relatifs des horloges, connaître sa distance par rapport aux satellites et, par trilatération, situer précisément en trois dimensions n'importe quel point placé en dessous des satellites GPS (avec une précision de 15 à 100 mètres pour le système standard). Le GPS est ainsi utilisé pour localiser des véhicules roulants, des navires, des avions, des missiles et même des satellites évoluant en orbite basse.
Concernant la précision, le GPS étant un système développé pour les militaires américains, une disponibilité sélective (selective availability) a été prévue. Certaines informations peuvent ainsi être chiffrées et priver les personnes qui ne disposent pas des codes de la précision maximale. Pendant de nombreuses années, les civils n'avaient accès qu'à une faible précision (environ 100 m). Le 1^er mai 2000, le président Bill Clinton a annoncé qu'il mettait fin à cette dégradation volontaire du service. Depuis, il est courant d'avoir une position précise à 20 mètres ou moins.
Certains systèmes GPS conçus pour des usages très particuliers peuvent fournir une localisation à quelques millimètres près. Le GPS différentiel (DGPS), corrige ainsi la position obtenue par GPS conventionnel par les données envoyées par une station terrestre de référence localisée très précisément. D'autres systèmes autonomes, affinant leur localisation au cours de 8 heures d'exposition parviennent à des résultats équivalents.
Dans certains cas, seuls trois satellites peuvent suffire. La localisation en altitude (axe des Z) n'est pas d'emblée correcte alors que la longitude et la latitude (axe des X et des Y) sont encore bonnes. On peut donc se contenter de trois satellites lorsque l'on évolue au-dessus d'une surface « plane » (océan, mer). Ce type d'exception est surtout utile au positionnement d'engins volants (avions, etc.) qui ne peuvent de toute façon pas se reposer sur le seul GPS, trop imprécis pour leur donner leur altitude. Mais il existe néanmoins un modèle de géoïde mondial nommé « Earth Gravity Model 1996 » ou EGM96 ^[1] associé au WGS 84 qui permet, à partir des coordonnées WGS84, de déterminer ^[2] des altitudes rapportées au niveau moyen des mers avec une précision d'environ 1 mètre. Des récepteurs GPS évolués incluent ce modèle pour fournir des altitudes plus conformes à la réalité.

Historique


À l'origine le GPS était un projet de recherche de l'armée américaine. Il a été lancé dans les années 1960 et c'est à partir de 1978 que les premiers satellites GPS sont envoyés dans l'espace. En 1983 Ronald Reagan, à la suite de la mort des 269 passagers du Vol 007 Korean Airlines abattu par les Soviétiques a promis que la technologie GPS serait disponible gratuitement aux civils, une fois opérationnelle. Une seconde série de satellites est lancée à partir de 1989 en vue de constituer une flotte suffisante. En 1995 le nombre de satellites disponibles permet de rendre le système GPS opérationnel en permanence sur l'ensemble de la planète, avec une précision limitée à une centaine de mètres pour un usage civil. En 2000, Bill Clinton confirme l'intérêt de la technologie à des fins civiles et autorise une diffusion non restreinte des signaux GPS, permettant une précision d'une dizaine de mètres et une démocratisation de la technologie au grand public à partir du milieu des années 2000.
Les États-Unis continuent de développer leur système par le remplacement et l'ajout de satellites ainsi que par la mise à disposition de signaux GPS complémentaires, plus précis et demandant moins de puissance aux appareils de réception. Un accord d'interopérabilité a également été confirmé entre les systèmes GPS et Galileo afin que les deux systèmes puissent utiliser les mêmes fréquences et assurer une compatibilité entre eux.

Composition


Le système GPS est composé de 3 parties distinctes, appelées encore segments:
Un autre satellite GPS

• Le segment spatial est constitué actuellement d'une constellation de 31 satellites (NAVSTAR pour Navigation Satellite Timing And Ranging). Ces satellites évoluent sur 6 plans orbitaux ayant une inclinaison d'environ 55° sur l'équateur. Ils suivent une orbite quasi circulaire à une altitude de 20 000 à 20 500 km qu'ils parcourent en 11 heures 58 minutes 02 secondes, soit un demi jour sidéral. Ainsi les satellites, vus du sol, reprennent la même position dans le ciel au bout d'un jour sidéral.
  

Il y a eu jusqu'à présent 3 Blocs de satellites :

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  • Bloc I : 11 satellites mis en orbite entre 1978 et 1985. Fabriqués par Rockwell International, ils étaient prévus pour une mission moyenne de 4,5 ans et une durée de vie de 5 ans, mais leur durée de vie moyenne s'éleva à 8,76 années ; l’un d’entre eux est même resté pendant 10 ans en activité. Leur mission principale était de valider les différents concepts du système GPS. Aujourd’hui, plus aucun satellite du Bloc I n'est encore en service.
    
  • Bloc II : Ce sont les premiers satellites opérationnels du système GPS. De nombreuses améliorations ont été apportées à ces satellites par rapport à la version précédente, notamment en ce qui concerne leur autonomie. Ils sont capables de rester 14 jours sans contact avec le segment sol tout en gardant une précision suffisante. Neuf satellites furent lancés en 1989 et 1990. Bien qu'on ait estimé leur durée de vie à 7,5 ans, la plupart d'entre eux sont restés en fonction pendant plus de dix ans. Il ne reste plus aujourd'hui aucun satellite du Bloc II actif.
    
  • Bloc IIA : Lancés à partir de 1990, ils correspondent à une version perfectionnée des satellites du Bloc II Initial : ils ont été équipés pour fonctionner en mode dégradé pour les civils. Ils sont équipés de 2 horloges atomiques au césium et 2 horloges au rubidium. Ils ont marqué à partir de 1993 le début de la phase opérationnelle du GPS. Actuellement 14 satellites du Bloc IIA sont actifs.
    
  • Bloc IIR : Dotés d'une meilleure autonomie, ces satellites mis en orbite à partir de 1996 peuvent se transmettre mutuellement des messages sans aucun contact au sol, permettant ainsi aux opérateurs du système de pouvoir communiquer avec des engins qui leurs sont inaccessibles dans une communication directe. Ils sont équipés de 3 horloges atomiques au rubidium. Dix-sept satellites du Bloc IIR ont été lancés, le dernier le 20 Décembre 2007; tous sont actifs. Les cinq derniers sont désignés sous le sigle IIR-M parce qu'ils émettent un nouveau code civil (L2C) et un nouveau code militaire (M).
    
  • Bloc IIF : Les satellites Bloc IIF (Follow-On) construits par Boeing seront lancés à partir de 2009. Le programme vise à atteindre ainsi une constellation de 33 satellites.
    
  • Bloc III : Les satellites du Bloc III sont encore en phase de développement et ont pour but de faire perdurer le GPS jusqu'en 2030 et plus.
    
  
  
  

• Le segment de contrôle est la partie qui permet de piloter et de surveiller le système. Il est composé de 5 stations américaines au sol du 50th Space Wing de l'Air Force Space Command, basé à la Schriever Air Force Base dans le Colorado (la station maîtresse est basée à Colorado Springs) dans la base de Cheyenne Mountain. Leur rôle est de mettre à jour les informations transmises par les satellites (éphémérides, paramètres d'horloge) et contrôler leur bon fonctionnement .
  

Trois récepteurs GPS

• Le segment utilisateur regroupe l'ensemble des utilisateurs civils et militaires qui ne font que recevoir les informations des satellites. Les récepteurs sont passifs, et le système ne peut donc être saturé : le nombre maximum d'utilisateurs GPS est illimité.
  

Principe de fonctionnement

Le GPS fonctionne grâce au calcul de la distance qui sépare un récepteur GPS et plusieurs satellites. La position des 31 satellites étant transmise régulièrement au récepteur, celui-ci peut, grâce à la connaissance de la distance qui le sépare des satellites, connaître ses coordonnées.

Mesure de la distance du récepteur par rapport à un satellite


Les satellites envoient des ondes électromagnétiques (micro-ondes) qui se propagent à la vitesse de la lumière. Connaissant la vitesse de propagation de la lumière, on peut alors calculer la distance qui sépare le satellite du récepteur en connaissant le temps que l'onde a mis pour parcourir ce trajet.
Pour mesurer le temps mis par l'onde pour lui parvenir, le récepteur GPS compare l'heure d'émission (incluse dans le signal) et de réception de l'onde émise par le satellite. Cette mesure, après division par la célérité du signal (voisine de 300 000 km/s), fournit une pseudo-distance (pseudo range), assimilable à une distance, mais entachée d'une erreur de synchronisation des horloges du satellite et du récepteur (cette erreur peut être modélisée sur une période assez courte à partir des mesures sur plusieurs satellites). Une erreur d'un millionième de seconde provoque une erreur de 300 mètres sur la position !

Décalage de l'horloge du récepteur


La difficulté est de synchroniser les horloges des satellites et celle du récepteur. Ce dernier ne peut bien entendu pas bénéficier d'une horloge atomique comme les satellites ; il doit néanmoins disposer d'une horloge assez stable, mais dont l'heure n'est a priori pas synchronisée avec celle des satellites. Les signaux de quatre satellites au moins sont nécessaires pour déterminer ce décalage, puisqu'il faut résoudre un système d'au moins quatre équations mathématiques à 4 inconnues qui sont la position dans les 3 dimensions plus le décalage de l'horloge du récepteur avec l'heure GPS (voir plus loin).
Outre l'incertitude associée à l'horloge du récepteur, la relativité restreinte et la relativité générale interviennent de façon fondamentale. La première implique que le temps ne s'écoule pas de la même façon dans le référentiel du satellite, parce que celui-ci possède une grande vitesse par rapport au référentiel du récepteur. La seconde explique que la plus faible gravité au niveau des satellites engendre un écoulement du temps plus rapide que celui du récepteur. Le système tient compte de ces deux effets relativistes dans la synchronisation des horloges.

Calcul du point


Connaissant les positions des satellites à l'heure d'émission des signaux, et les pseudo-distances mesurées (éventuellement corrigées de divers facteurs liés notamment à la propagation des ondes), le calculateur du récepteur est en mesure de résoudre un système d'équations dont les quatre inconnues sont la position du récepteur (trois inconnues) et le décalage de son horloge par rapport au temps GPS. Ce calcul est possible dès que l'on dispose des mesures relatives à quatre satellites ; un calcul en mode dégradé est possible avec trois satellites seulement si l'on connaît l'altitude ; lorsque plus de quatre satellites sont visibles (ce qui est très souvent le cas), le système d'équations à résoudre est surabondant : la précision du calcul est améliorée, et on peut estimer les erreurs sur la position et le temps.
La précision de la position obtenue dépend, toutes choses égales par ailleurs, de la géométrie du système : si les satellites visibles se trouvent tous dans un cône d'observation de faible ouverture angulaire, la précision sera a priori moins bonne que s'ils sont répartis régulièrement dans un large cône. Les effets de la géométrie du système de mesure sur la précision sont décrits par un paramètre : le D.O.P. (pour Dilution Of Precision) : le "HDOP" se réfère à la précision horizontale, le "TDOP" à la précision sur le temps, le "VDOP" à la précision sur l'altitude. La précision espérée est d'autant meilleure que le D.O.P est petit.

Erreurs possibles et amélioration du système (DGPS)


La plupart des récepteurs sont capables d'affiner leurs calculs en utilisant plus de 4 satellites (ce qui rend les résultats des calculs plus robustes) tout en ôtant les sources qui semblent peu fiables, ou trop proches l'une de l'autre pour fournir une mesure correcte, comme on le précise ci-dessus.
Le GPS n'est pas utilisable dans toutes les situations : le signal émis par les satellites NAVSTAR étant assez faible, la traversée des couches de l'atmosphère est un facteur qui perturbe la précision de la localisation; de même, les simples feuilles des arbres peuvent absorber le signal et rendre la localisation hasardeuse. De la même façon, l'effet canyon, particulièrement sensible en milieu urbain, consiste en l'occultation d'un satellite par le relief (un bâtiment par exemple) ou pire encore, en un écho du signal contre une surface qui n'empêchera pas la localisation mais fournira une localisation fausse (problèmes des multi-trajets des signaux GPS).
En l'absence d'obstacles, il reste quand même des facteurs de perturbation importants nécessitant une correction des résultats des calculs. Le premier est la traversée des couches basses de l'atmosphère. La présence d'humidité et les modifications de pression de la troposphère modifient l'indice de réfraction n et donc la vitesse (et la direction) de propagation du signal radio. Si le terme hydrostatique est actuellement bien connu, les perturbations dues à l'humidité nécessitent, pour être corrigées, la mesure du profil exact de vapeur d'eau en fonction de l'altitude, une information difficilement collectable, sauf par des moyens extrêmement onéreux comme les lidars, qui ne donnent que des résultats parcellaires. Les récepteurs courants intègrent un modèle de correction.
Le deuxième facteur de perturbation est l'ionosphère. Cette couche ionisée par le rayonnement solaire modifie la vitesse de propagation du signal. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de correction mais en période de forte activité solaire, cette correction n'est plus assez précise. Pour corriger plus finement cet effet, certains récepteurs (bi-fréquences) utilisent le fait que les deux fréquences du signal GPS (L1 et L2) ne sont pas affectées de la même façon et recalculent ainsi la perturbation réelle.
Principe du GPS différentiel



De plus, il existe des dispositifs comme le GPS différentiel (en anglais Differential global positioning system ou DGPS), qui permettent d'améliorer la précision du GPS en réduisant la marge d'erreur du système.
Le principe du DGPS est basé sur le fait qu'en des points voisins, les effets des erreurs de mesure (comme d'ailleurs les effets des erreurs ajoutées volontairement) sont très semblables : il suffit donc d'observer en un point connu les fluctuations des mesures, et de les transmettre à un récepteur observant les mêmes satellites, pour permettre à celui-ci de corriger une grande partie des erreurs de mesure, qu'elles soient liées au satellite (horloge), aux conditions de propagation (effets troposphériques, etc.) ou à des fluctuations volontaires du signal émis. On peut ainsi passer d'une précision de l'ordre de 10 à 20 mètres à une précision de 5 à 3 mètres sur une grande zone (plusieurs milliers de km) à partir d'un ensemble de stations fixes, idéalement réceptrices des mêmes satellites que les terminaux mobiles et qui calculent en permanence l'erreur de positionnement du GPS (puisqu'elles connaissent exactement leur position) et transmettent cette information par radio ou par satellite (Inmarsat ou autre).
Le mode « différentiel » existe en plusieurs variantes ; la plus élaborée utilise la mesure de la phase des signaux reçus (GPS RTK), et non le code binaire pour calculer les pseudo-distances ; à partir d'une station située sur un point connu distant de quelques kilomètres, on obtient ainsi à l'aide du GPS des positions précises à quelques centimètres près dans les trois dimensions (GPS géodésique ou cinématique), ce qui permet de l'utiliser non seulement pour des levers, mais aussi pour des implantations en topographie. On peut même atteindre quelques millimètres avec des logiciels de traitement très élaborés utilisés en temps différé.
Des systèmes complémentaires d'amélioration de la précision ont été développés (SBAS, Satellite based augmentation system) comme WAAS en Amérique du Nord, MSAS au Japon ou EGNOS en Europe. Celui ci développé par l'Union européenne est un réseau de quarante stations au sol dans toute l’Europe, couplé à des satellites géostationnaires, qui améliore la fiabilité et la précision des données du GPS, et corrige certaines erreurs. Certains de ces systèmes sont privés, et nécessitent un abonnement auprès d'un opérateur qui les diffuse (généralement par satellite). D'autres sont publics. De tels système peuvent avoir une couverture limitée (région, pays), et leur précision est variable.



Conversion des informations obtenues


Le positionnement 3D donne ainsi les coordonnées du récepteur dans l'espace, dans un repère à 3 axes et qui a pour origine le centre de gravité des masses terrestres (système géodésique). Pour que ces données soient exploitables, il faut convertir les données (X,Y,Z), en « latitude, longitude, altitude » (voir les systèmes de coordonnées)
C'est le récepteur GPS qui effectue cette conversion dans le système géodésique WGS84 (World Geodetic System 84), le système le plus utilisé au monde qui est une référence globale répondant aux objectifs d'un système mondial de navigation. À noter que l'altitude généralement fournie n'est pas toujours directement exploitable, du fait qu'il s'agit le plus souvent de l'altitude par rapport à l'ellipsoïde du système géodésique WGS84, dont le géoïde peut localement s'écarter sensiblement ; les récepteurs les plus élaborés disposent d'un modèle de géoïde, et indiquent une altitude comparable à celle des cartes. Les coordonnées obtenues peuvent naturellement être exprimées dans un autre système géodésique propre à une région ou un pays, et dans un autre système de projection.
Ainsi le GPS s'avère accessible aux transporteurs routiers, avions, navigateurs, randonneurs, géomètres, forestiers, automobilistes, etc.
Comme le calcul des coordonnées géographiques du récepteur intègre obligatoirement le calcul du décalage de l'horloge (ou oscillateur interne) du récepteur par rapport au temps GPS (et donc à l'UTC), l'heure indiquée par cette horloge (ou cet oscillateur) est donc très précises, et peut donc être utilisée pour asservir précisément un système en fréquence ou synchroniser des horloges éloignées. C'est le cas par exemple des réseaux de télécommunications dont les équipements nécessitent une fréquence avec une stabilité spécifiée pour fonctionner correctement. Beaucoup de réseaux à travers le monde sont ainsi synchronisés par des récepteurs GPS.

Inconvénients du GPS



Dépendance stratégique


Le GPS est un système conçu par et pour l'armée des États-Unis et sous son contrôle. Le signal pourrait être dégradé, occasionnant ainsi une perte importante de sa précision, si le gouvernement des États-Unis le désirait. C'est un des arguments en faveur de la mise en place du système européen Galileo qui est, lui, civil et dont la précision théorique est supérieure. La qualité du signal du GPS a été dégradée volontairement par les États-Unis jusqu'au mois de mai 2000, la précision d'un GPS en mode autonome était alors d'environ 100 mètres. Depuis l'arrêt de ce brouillage volontaire, supprimé par le président américain Bill Clinton, la précision est de l'ordre de 5 à 15 mètres.

Confiance exagérée dans ses performances


En démontrant ses performances exceptionnelles, puis en se vulgarisant, le GPS a modifié la perception du positionnement et de la navigation au sein même de la société. De ce fait, l'opinion publique, les institutions et les pouvoirs publics admettent de plus en plus difficilement qu’il soit possible de « ne pas savoir où l’on est » et dans les applications tant professionnelles que pour les loisirs, il est si facile à exploiter qu’il semble pouvoir décharger complètement les pratiquants des tâches de positionnement et navigation.
C’est peut-être le principal danger du GPS. De plus, du fait de sa finalité militaire initiale et de son contrôle total par l'armée étatsunienne, son usage est aux risques et périls de l'utilisateur; il n'offre, a priori, aucune garantie et aucune responsabilité en cas d'incident.
En effet, en dépit de sa fiabilité et de sa précision, il faut garder à l’esprit qu’un tel système ne peut être fiable à 100%. En outre, sa précision peut être mise en défaut car la continuité du calcul reste fragile et peut être interrompue ou perturbée par :

• une cause extérieure de mauvaise réception : parasitage, orage, forte humidité
  
• un brouillage radioélectrique volontaire ou non
  
• une manœuvre au cours de laquelle la réception est temporairement masquée
  
• l’alignement momentané de quelques satellites qui empêche le calcul précis (incertitude géométrique temporaire)
  
• un incident dans un satellite
  

Le Bureau d'enquêtes et d'analyses des accidents de l'aviation civile française a réalisé une étude sur les accidents et incidents pour lesquels l'usage du GPS est identifié comme facteur déclenchant ou contributif de l'évènement et il s'avère que dans nombre de cas, c'est une trop grande confiance en cet outil qui a participé à l'accident ou incident. Ainsi, il est fortement suggéré que les usagers des GPS et en particulier les professionnels l'utilisant, soient clairement informés des limites de cet outil qui ne doit-être qu'une aide et non un moyen de navigation primaire ^[3].

Référence géodésique ou cartographique


Des problèmes cartographiques peuvent également entrer en jeu, car la position calculée par un récepteur GPS se réfère au système géodésique WGS 84, qui n'est pas généralement le système de référence pour les cartes terrestres nationales. En France, cette référence est encore souvent la NTF, bien que le système géodésique officiel soit désormais le RGF93, qui diffère très peu du WGS 84.
La légende de chaque carte signale toujours le système géodésique de référence utilisé et la majorité des récepteurs GPS modernes peuvent être programmés pour exprimer la position calculée dans un système géodésique différent du WGS 84, et éventuellement dans la projection cartographique souhaitée (par exemple UTM ou Lambert), plutôt qu'en coordonnées géographiques.

GPS et surveillance


Dans l'esprit du grand public, un lien direct est effectué entre GPS et surveillance, le terme familier péjoratif de flicage est généralement employé par les détracteurs de tels systèmes. Toutefois, ces outils de surveillance qui, parce qu'ils touchent à des questions de vie privée occasionnent des débats de société, n'incorporent le GPS que comme l'une des briques technologiques nécessaires à son fonctionnement.
Le dispositif de localisation GPS en lui-même est un système passif qui se contente de recevoir les signaux des satellites et d'en déduire une position. Le réseau des satellites GPS ne reçoit donc aucune information d'éventuels systèmes de surveillance au sol (ou embarqués dans un aéronef ou un navire) et demeure techniquement incapable d'effectuer la surveillance d'un territoire d'une quelconque façon.
En revanche, notamment dans le domaine des transports, des systèmes déployés dans les véhicules adjoignent un dispositif de transmission de l'information obtenue avec le GPS. Ce dispositif peut fonctionner en temps réel, il s'agit alors bien souvent d'une liaison de téléphonie mobile data ; ou fonctionner en temps différé, les données sont alors déchargées a posteriori par un système physique ou de radio à courte portée.
Leur application est généralement réservée aux professionnels pour suivre une flotte de camions, véhicules de transports de passagers (y compris les taxis), de véhicules de commerciaux, de dépannage ou d'intervention. Les objectifs de ces outils de suivi de flotte sont pour un employeur de s'assurer que son salarié effectue effectivement ce qu'il est censé faire sur le terrain ou que le véhicule n'a pas été détourné, mais aussi d'améliorer la gestion d'une flotte de véhicules, notamment dans les transports.

Autres systèmes de positionnement par satellite


Il existe deux autres systèmes de positionnement par satellite opérationnels, sans atteindre cependant la couverture ou la précision du GPS :

• GLONASS est le système russe, qui n'est pas pleinement opérationnel
  
• Beidou est le système de positionnement chinois, opérationnel uniquement sur le territoire chinois et régions limitrophes (il utilise des satellites géostationnaires, au nombre de quatre actuellement)
  
• L'Inde prépare également son système de positionnement
  

Enfin il y a Galileo qui est le système civil de l'Union européenne en cours de test et de déploiement depuis 2004. A terme, il est destiné à être au moins équivalent au GPS en terme de couverture et de précision.

Sextant





Un sextant.



Un sextant est un instrument de navigation permettant de relever la hauteur angulaire d'un astre au-dessus de l'horizon. Il est utilisé pour faire le point hors de vue de terre (voir l'article : navigation astronomique). Le sextant est toujours utilisé dans l'aéronautique, la marine, les raids terrestres, etc. bien que son usage se restreigne en raison du développement des systèmes de positionnement par satellites.

Histoire


Les grecs antiques et byzantins utilisaient déjà pour la navigation des astrolabes et des octants, tels ceux trouvés à Anticythère dans une épave du III^e siècle avant notre ère; Héron d'Alexandrie (Ier siècle) en fait la description.
Toutefois, le sextant moderne fut inventé dans les années 1730 par deux personnes indépendamment l'une de l'autre : John Hadley (1682-1744), un mathématicien anglais, et Thomas Godfrey (1704-1749), un inventeur américain.
La spécificité du sextant par rapport à l'astrolabe est que les deux directions dont on veut mesurer l'angle sont observées en même temps, rendant la mesure à peu près indépendante des mouvements du navire. Le sextant se tient à hauteur des yeux, alors que l'astrolabe nécessite un point de suspension d'autant plus élevé que l'on vise un astre de site élevé.

Précision des mesures et réglage


Schéma d'un sextant



La lecture d'un sextant bien réglé permet une précision de 0,2' d'arc. En théorie, un observateur pourrait donc déterminer sa position avec une précision de 0,2 milles marins (puisque 1 mille correspond à 1' d'arc de grand cercle), soit environ 350 mètres. Dans la pratique, les navigateurs obtiennent une précision de l'ordre de 1 ou 2 milles marins (mouvements du navire, houle, horizon plus ou moins net, imprécisions de l'heure ou de l'estime entre les visées successives du même astre ou d'astres différents).
Les erreurs instrumentales du sextant sont l'excentricité et la collimation.

• l'excentricité est une donnée propre du sextant à la construction et ne peut être corrigée. Elle est fonction de la hauteur mesurée et est inscrite dans la boîte du sextant ;
  
• la collimation peut être réglée et il y a lieu de la vérifier avant chaque observation en superposant l'image directe d'un astre et son image réfléchie et inversement, la collimation étant égale à la moyenne de ces deux mesures.
  

Si la collimation dépasse 3', il faut vérifier et rectifier :

• l'axe optique (vieux sextants), qui doit être parallèle au plan du limbe, en comparant les visées d'une mire à 30 m. par la lunette et par des cavaliers posés sur le limbe. On agit ensuite sur les vis de réglage du collier porte-lunette ;
  
• le grand miroir, qui doit être, en comparant la visée directe d'un cavalier avec la visée réfléchie par le grand miroir d'un second cavalier. On agit ensuite sur la vis de réglage du grand miroir ;
  
• le petit miroir, qui doit être perpendiculaire au plan du limbe et parallèle au grand miroir, en visant un point éloigné ou l'horizon : les deux images doivent être confondues et le rester en inclinant le sextant. On agit sur les vis de réglage du petit miroir.
  

Mesure de la hauteur d'un astre au sextant


Mesure avec un sextant



L'observation consiste à «faire descendre» l'image réfléchie de l'astre sur l'horizon et la faire tangenter l'horizon (d'où le mouvement de balancier de la main qui tient le sextant). S'il s'agit du soleil ou de la lune, on fait tangenter son bord inférieur ou supérieur. Pour les étoiles et les planètes, il est conseillé de «monter l'horizon» au voisinage de l'astre en retournant le sextant, puis d'observer normalement.
La hauteur mesurée au sextant doit être corrigée des erreurs instrumentales et d'un certain nombre de paramètres propres à la hauteur de l'observateur au-dessus de l'eau, à la réfraction astronomique et à l'astre visé.
La hauteur vraie est déduite de la hauteur mesurée par la formule :


avec :

, l'excentricité du sextant ;
, la collimation du sextant ;
, la dépression de l'horizon, fonction de la hauteur de l'œil de l'observateur, donné par les éphémérides ;
, la réfraction astronomique ;
, la parallaxe (négligeable pour les étoiles et les planètes) ;
, le demi-diamètre (apparent) de la lune ou du soleil, affecté du signe + si on a visé le bord inférieur, du signe - si on a visé le bord supérieur.
Pour le soleil, les éphémérides donnent la valeur journalière de ainsi que la somme ; étant le demi-diamètre moyen et on applique une deuxième correction : pour le bord inférieur et pour le bord supérieur.
Pour la lune on applique une formule analogue avec des valeurs données par les éphémérides.
Pour les étoiles et planètes : est négligeable ; est négligeable, sauf pour Mars et Vénus. La somme est fournie par les éphémérides ainsi que la valeur de pour Mars et Vénus.

Autres usages



Distance d'un amer


On mesure au sextant la hauteur angulaire d'un amer dont on connait la hauteur. Il convient toutefois d'être prudent :

• l'édifice doit être complètement visible : il ne doit pas avoir les pieds dans l'eau et ne pas être en partie derrière l'horizon ;
  
• il ne faut pas confondre la hauteur de l'édifice avec l'élévation du foyer d'un phare ou d'un feu, qui seule est mentionnée sur les cartes marines et comptée depuis le niveau des hautes mers de vives-eaux (coefficient 95).
  

La distance en nautiques : avec la hauteur de l'édifice en m. et la hauteur instrumentale en minutes.

Angles horizontaux


En utilisant le sextant dans le plan horizontal, il est possible de mesurer l'angle entre deux objets. Cette méthode permet de faire un point par arcs capables ; voir l'article : Navigation côtière.

Boussole





Une boussole de gousset.



Boussole ultra-légère pour la course d'orientation



Une boussole est un instrument de navigation constitué d'une aiguille magnétisée qui s'aligne sur le champ magnétique de la Terre. Elle indique ainsi le nord magnétique, à ne pas confondre avec le nord géographique; la différence entre les deux directions en un lieu donné s'appelle la déclinaison magnétique.
Une boussole fournit une direction de référence connue qui aide à la navigation. Les points cardinaux sont (dans le sens des aiguilles d'une montre) : Nord, Est, Sud et Ouest. Une boussole peut être utilisée conjointement à une horloge pour fournir une estime de sa navigation.
NOTA : Le terme de boussole ne s'emploie qu'en navigation terrestre. En navigation maritime et aérienne, équipée d'une ligne de foi (repère parallèle à l'axe du navire ou de l'aéronef, gravé sur l'instrument et donnant la direction suivie), elle est alors appelée compas.

Historique


Boussole chinoise Si Nan de la dynastie Han (voir liens externes)



Les plus anciennes boussoles connues étaient utilisées par les Chinois au XI^e siècle, chez qui elle est très utilisée en géomancie (voir aussi mysticisme). Leurs boussoles ressemblaient alors à des assiettes et l'aiguille était une sorte de cuillère à soupe (photo) symbolisant la Grande Ourse et orientée vers le sud. L'utilisation qui était faite du champ magnétique de la Terre constituait un spectacle car les flèches étaient fabriquées comme les dés : elles s'alignaient sur le Nord grâce à leur magnétisme, bluffant l'assistance. Curieusement, il s'est écoulé un certain temps avant que ce phénomène soit utilisé par les Chinois pour les besoins de la navigation, mais au XI^e ou XII^e siècle le procédé devient commun. Cependant, le scientifique chinois Shen Kuo (1031-1095) de la Dynastie Song (960-1279 AD) était le premier à décrire la boussole magnétique qui a été utilisée pour la navigation.
Les Européens ne commencèrent à utiliser la boussole qu'à partir du XI^e siècle, d'abord dans l'Empire romain d'Orient où elle était parvenue par la route de la soie, puis chez les navigateurs Génois et Vénitiens, et à partir de la fin du XIII^e siècle en Espagne et au Portugal, lors des grandes expéditions maritimes (Boussole de marine chinoise ancienne).
Son utilisation se généralise dans la première moitié du XIII^e siècle. En 1358, un moine anglais du nom de Nicholas de Lynne, aurait été navigateur grâce à sa compétence et à sa connaissance de « la boussole magnétique » (voir Inventio Fortunata).
Avant l'introduction de la boussole, la navigation en mer s'effectuait principalement au moyen de la navigation à l'estime, en particulier la navigation par même latitude : le navire se "calait" sur la latitude de destination et y restait; elle était complétée dans quelques endroits par l'utilisation des sondages. Les difficultés surgissaient si la mer était trop profonde pour effectuer des sondages, si les conditions atmosphériques étaient continuellement mauvaises ou si l'air brumeux empêchait la vision du soleil.
Ainsi la boussole n'était pas de la même utilité partout. Par exemple, les Arabes pouvaient généralement compter sur un ciel clair pour naviguer dans le golfe Persique et l'océan Indien, ainsi que sur la nature prévisible des moussons. Ceci peut expliquer en partie l'adoption relativement tardive de la boussole. Les marins en mer Baltique, mer relativement peu profonde, ont fait grande utilisation des sondages.
Cependant, dans le bassin méditerranéen et depuis l'Antiquité, les voyages en mer ne se faisaient pas entre octobre et avril, du fait de l'absence de ciel clair pendant l'hiver méditerranéen et de la mer beaucoup trop profonde pour les sondages.
Avec l'amélioration des méthodes de navigation par estimation et avec le développement de meilleures cartes, cet arrêt saisonnier est modifié pendant la deuxième moitié du XIII^e siècle. Aux environs de 1290, la saison de navigation commence en janvier ou février et se termine en décembre. Les mois additionnels sont d'une importance économique considérable ; ils permettent aux convois vénitiens, par exemple, de faire deux voyages aller-retour par année en Méditerranée orientale au lieu d'un seul.
En même temps le trafic entre l'Europe méditerranéenne et la Scandinavie s'accroît et l'une des raisons est sans doute que la boussole rendait la traversée du golfe de Gascogne plus sûre et plus facile.

Utilisation de la boussole [modifier]
Boussole allemande de la société Pasto à prisme (échelles)



Boussole à prisme : visée 220° par l'oculaire



D'autres caractéristiques communes aux boussoles modernes portables à la main sont une plaque de base équipée de règles graduées permettant de mesurer les distances sur les cartes, une lunette tournante pour mesurer l'angle formé entre le nord magnétique (voir déclinaison magnétique) indiqué par l'aiguille et la direction du point visé, et un miroir réfléchissant l'image de l'aiguille sur le cadran lorsque l'on vise un point repère. La plupart des boussoles possèdent aussi un système de visée composé d’un cran de mire et d’un guidon servant de collimateur ou bien d’un fil tendu dans un évidement, ou d’une ligne peinte ou tracée dans le couvercle. Certaines boussoles possèdent une aiguille aimantée supportant un cadran mobile (comme la rose des vents des compas de marine) et la lecture se fait alors automatiquement au moyen d’une ligne tracée sur le verre (voir la photo de la boussole de l’armée américaine). Un troisième type de boussole, plus perfectionné encore, possède un prisme dirigé vers le bord extérieur du cadran et un oculaire dans lequel on peut directement lire la valeur d’angle (voir photos).
- La boussole a plusieurs usages : navigation, artillerie, géodésie etc. En navigation, elle peut servir à déterminer la position présente de l’utilisateur ou bien indiquer une marche à suivre.

• Dans le premier cas, l’utilisateur doit relever le gisement de points de repères (pont, clocher d’église, sommet de montagne etc.) visibles depuis l’endroit où il se trouve et comparer ses observations avec une carte. À cet effet, il orientera le dispositif de visée de sa boussole vers le point marquant choisi et tournera ensuite la lunette pour mettre le repère indiquant le nord magnétique en regard de la direction indiquée par l’aiguille, visible dans le miroir. L’observateur placera ensuite la boussole sur la carte (posée à plat et orientée vers le nord magnétique) et repèrera la position du point marquant préalablement visé. Pour déterminer sa position par rapport à cet objet, il tracera une ligne droite partant du point marquant passant par le centre du cadran (point de rotation de l’aiguille) et fonction de l’angle mesuré. Une seconde ligne partant d’un autre point marquant visible et coupant la première permettra de déterminer la position présente avec plus de précision.
  

• Pour déterminer une marche à suivre (un cap), la manière la plus simple est de considérer tout d’abord que l’aiguille indique toujours la même direction, c'est-à-dire le nord. Si l’on note soigneusement les distances parcourues (temps et vitesse de déplacement) et les angles mesurés à chaque changement de direction, on peut tracer l'évolution de son propre itinéraire et revenir à son point de départ uniquement à l’aide d’une boussole seule (sans carte). Hormis les régions présentant une forte déviation magnétique (par ex. présence de métaux ferrugineux dans le sol) de 20 degrés ou plus, une boussole simple (de gousset) suffira sur courte distance pour éviter de marcher dans une direction entièrement fausse dans la mesure où le terrain est à peu près plat et aucun obstacle ne vient gêner la visibilité.
  

Orientation de la boussole sur la carte (D représente la déclinaison magnétique locale)



Lorsque l’aiguille est alignée sur la flèche du cadran, la valeur d’angle (en degrés) indiquée sur la lunette rotative de la boussole indique le relèvement (angle de gisement) du sommet, c’est-à-dire le cap à suivre pour s’y rendre directement, par exemple s’il disparaissait de la vue pendant la traversée d’une forêt ou si le brouillard venait a surgir



Nota : Si l’on utilise la boussole en liaison avec une carte, on doit alors appliquer une méthode entièrement différente. Il faut tenir compte de la déclinaison magnétique. Celle-ci variant en fonction de la position dans l’espace et du temps, il faudra éventuellement la calculer (ou la demander au club de randonnée local) pour déterminer combien de degrés mesure l’angle entre le nord magnétique (indiqué par l’aiguille) et le nord géographique (haut de la carte). Cet angle devra être pris en compte lors de la visée du point de repère.
Pour mesurer un angle vrai, c’est-à-dire par rapport au nord géographique et non pas au nord magnétique, par exemple à l’aide d’une boussole ayant un côté en forme de règle graduée, on placera le point zéro de la règle sur la position présente repérée sur la carte (préalablement orientée avec le haut vers le nord géographique) et on orientera la règle dans la direction de la destination souhaitée (certaines sources recommandent aux débutants pour plus de sécurité de tracer une ligne sur la carte). On tournera ensuite la lunette (supportant le cadran transparent de la boussole) pour orienter le zéro de la graduation angulaire vers le nord géographique en alignant les lignes parallèles sur les lignes nord-sud (longitude) ou sur le bord latéral de la carte. Le cap à suivre est alors indiqué sur la ligne de visée de la boussole. Tenir ensuite la boussole horizontalement au niveau des yeux et l’orienter de manière à ce que l’aiguille reste en regard de la valeur d’angle correspondant au nord magnétique. L’axe longitudinal de la boussole (généralement matérialisé par une flèche) indiquera le cap à suivre.
Méthode simplifiée : (sans orienter la carte le haut vers le nord) on peut déterminer sur la carte sa position présente en fonction d’un point de repère visible dans le paysage en orientant sur ce dernier la flèche de visée de la boussole et en tournant la lunette de manière à aligner les lignes parallèles et l’aiguille. On placera ensuite sur la carte un coin de la boussole sur le point de repère visé et on la fera tourner jusqu’à ce que les lignes parallèles soient alignées sur les lignes de longitude (nord-sud) de la carte. La position présente se situe sur la règle graduée de la boussole ou dans son prolongement. Une seconde ligne tracée à partir d’un autre point de repère et coupant la première permettra de déterminer la position avec plus de précision.
Inversement, cette méthode est aussi applicable pour déterminer le cap à suivre. Placer d’abord la boussole sur la carte, le bord de la règle étant sur une ligne imaginaire reliant la position présente et le point zéro sur l’objectif à atteindre, sans tenir compte de l’aiguille. Tourner ensuite la lunette (supportant le cadran transparent de la boussole) pour aligner les lignes parallèles sur les lignes nord-sud de la carte (ou sur le bord latéral de la carte) en conservant le repère nord (zéro) du côté « nord ». L’angle ainsi défini par ces lignes et le côté du boîtier de la boussole correspond au sens de la marche à suivre par rapport au nord, matérialisé par la flèche de la boussole. En tenant la boussole au niveau des yeux (à bout de bras), se placer de manière telle que l’aiguille soit alignée sur les lignes parallèles et pointée vers le nord.
La photo montre un sommet visé à partir des indications de la carte.

Boussoles de marine et compas de navigation


Pour plus d'informations techniques consulter : Article détaillé : compas (navigation).

Compas de marine à cadran (lecture par dessus)



Compas de voilier à sphère (lecture latérale)



Les boussoles de marine sont appelées communément compas. Elles sont de deux types :

• fixée sur une paroi verticale pour permettre une lecture par le côté (photo de gauche)
  
• ou bien placée dans un logement vertical pour permettre une lecture par dessus (photo de droite).
  

Elles possèdent une ou plusieurs aiguilles magnétisées à l'intérieur d'une capsule remplie de liquide pour en ralentir les mouvements ; la viscosité du liquide force l'aiguille (ou la sphère graduée) à s'arrêter rapidement sans osciller de part et d'autre du nord magnétique. Les aiguilles magnétiques peuvent aussi être fixées de manière permanente à un cadran de boussole (rose des vents, équipage magnétique) et qui tourne librement autour d'un pivot. Les boussoles modernes possèdent aussi un dispositif permettant de corriger la déclinaison magnétique pour retrouver directement le nord géographique.
Boussole de marine avec inclinomètre incorporé et niveaux à bulle



Une ligne de lourdaud, qui peut être une inscription sur la cuvette de boussole ou une petite aiguille fixe, indique l’axe longitudinal (direction de la marche) du bateau par rapport au cadran de la boussole.
La boîte (la cuvette) hermétiquement fermée par un couvercle de verre est fixée à une suspension à cardan. Ceci garantit son maintien en position horizontale quels que soient les mouvements du navire.
Les grands bateaux se fient plus précisément au compas gyroscopique ou plus récemment au compas satellitaire plutôt qu’à un compas magnétique pour la navigation, bien que la présence de ce dernier reste toujours obligatoire. Le compas magnétique, gyroscopique ou satellitaire se voit fréquemment associé à un système de maintien automatique du cap (pilote automatique) et de navigation intégré. Des compas électroniques vanne de flux (fluxgate (en)) sont de plus en plus souvent utilisés sur les voiliers, même de petite taille.

Boussole de poignet des fantassins de l'armée soviétique (sous les chiffres 15°, 30° et 45° de l'échelle extérieure en sens anti-horaire : les lettres cyrilliques "3" (zapad = ouest), "Ю"(youg = sud) et "B" (vostok = est)

Boussole de l'ancienne NVA de RDA graduée en 60°

Boussole graduée en gons (ou grades) avec table de conversion

Boussole RECTA graduée en millièmes d'artillerie

Boussoles militaires


Boussole de type Bézard (Sté Lufft) de l'Armée française (la visée s'effectue à travers les encoches du couvercle)



Chaque arme utilise des boussoles spécifiques car celles-ci doivent satisfaire à des exigences différentes. Le fantassin a besoin d'un modèle compact, léger et d'une solidité à toute épreuve. Ce sont la plupart du temps des boîtiers métalliques repliables protégeant le verre et bloquant l'aiguille. La société allemande Lufft avait développé dès le début du XX^e siècle une boussole (type Bézard - voir discussion) utilisée par les armées de nombreux pays européens dont la France (photo de gauche). La société suisse Recta avait développé un dispositif à tiroir particulièrement ergonomique (voir galerie). L'artilleur a besoin de mesurer l'angle de site en plus de l'angle de gisement par rapport à une cible. Ces boussoles ont un inclinomètre et parfois un ou deux niveaux à bulle.
Certains systèmes à loupe et à prisme permettent de voir la rose du compas grossie en même temps que l'objet visé.

Boussole de l'armée suisse

Boussole de fantassin américain à double graduation (degrés et millièmes)

Visée (graduation vue au travers de la loupe)

Boussole avec inclinomètre (l'ergot rabattable définit un plan tangent au boîtier en regard du point zéro)

Boussole finlandaise (Physica A.B.)