Baccalauréat - Exemple de sujet traité pour l'épreuve du Grand oral en physique et en sciences de l'ingénieur : le GPS
Le GPS, acronyme de Global Positioning System en anglais, est un système de localisation très répandu et utilisé quotidiennement au XXIe siècle, intégré aujourd’hui dans nos smartphones, véhicules et même dans les outils chirurgicaux. Allant de l’usage pour des interventions médicales jusqu’à celui d’un usager lambda lorsqu’il cherche son chemin ; le fonctionnement du GPS, basé sur l’envoi des signaux depuis les satellites vers les récepteurs, au-delà de la simplification de notre vie quotidienne, combine aussi les aspects scientifiques relatifs aux matières de la physique et de l’ingénierie.
Ainsi, cela m’a amené à m’interroger sur la problématique : en quoi consiste le fonctionnement du GPS, et quelle est son importance pour nos deux disciplines ?
Pour y répondre, je vais, dans un premier temps, expliciter son fonctionnement de manière plus détaillée et scientifique, puis, dans un second temps, déduire son importance pour les disciplines de la physique et celle des sciences de l’ingénieur.
Fonctionnement du GPS
Envoi des signaux par les satellites en orbite aux récepteurs au sol
Le GPS est un système qui a pour vocation de déterminer la localisation de l’objet détenant le récepteur. Voici comment il fonctionne : quatre satellites envoient des ondes de manière continue, ondes qui sont réceptionnées par le récepteur, ce qui permet de localiser, en fonction de la position orbitrale des satellites, l’objet en trois dimensions, chose qu’on appelle la trilatération spatiale.
Voici un schéma explicatif de ce fonctionnement (à reproduire au tableau) :
Il est à noter que, contrairement aux idées reçues, le GPS n’émet aucun signal, et ne fonctionne qu’avec la réception de ces derniers. Et que ce sont bien les signaux de 4 satellites qui sont nécessaires pour éviter les biais, notamment en raison du fait que les horloges du récepteur sont moins précises que celles des satellites émetteurs, mais aussi, du fait que leurs localisations respectives diffèrent.
Le temps mis pour atteindre le récepteur permet de déterminer sa localisation
Les horloges des satellites et du récepteur permettent en effet de déterminer la localisation grâce à la mesure du temps que les signaux mettent pour parcourir la distance entre les satellites et le récepteur, ce qui permet de calculer ces distances ; et l’intersection de ces distances permet de déduire la localisation de l’objet, les signaux se déplaçant avec la vitesse de la lumière.
Ainsi, la distance est déterminée avec la formule suivante : Distance du satellite au récepteur (en miles) = temps de propagation du signal (en secondes) / (186 000 mi/s).
Il est à noter que les satellites sont situés à des endroits différents, et déterminent tous logiquement des distances différentes entre eux-mêmes et le récepteur. C’est donc bien leur juxtaposition qui permet de déterminer la position de l’objet contenant le récepteur.
Importance pédagogique pour les disciplines étudiées
Pour la physique
Le fonctionnement du GPS est particulièrement instructif et illustrateur pour la discipline de la physique, car il en mobilise plusieurs concepts :
- L’émission et la propagation des signaux
- Les récepteurs
- Le calcul basé sur la vitesse de la lumière
- La localisation orbitrale
Ainsi, le fonctionnement du GPS, que nous sollicitions quotidiennement, sans forcément nous en rendre compte d’ailleurs, mobilise énormément d’aspects de la physique. Il sert également de cas pratique illustrant ces concepts théoriques, et peut nous aider à mieux comprendre leur nature ainsi que leur utilité.
Pour les sciences de l’ingénieur
Comme évoqué, il s’agit d’un mécanisme intégré dans de nombreux appareils de toutes envergures et destinées. De ce fait, il s’agit d’un indispensable en ingénierie, mobilisant là aussi de nombreux concepts de la discipline : conception et exploitation des algorithmes, ici, en l’occurrence, ceux permettant de déterminer la localisation de l’objet, intégration spatio-temporelle, conception de systèmes complexes…
Là aussi, le fonctionnement de ce mécanisme nous illustre très bien les principes et les finalités de ces nombreux aspects que nous étudions en sciences de l’ingénieur, car il nous montre comment et pourquoi l’ingénieur les mobilise, les exploite et les interprète.
Conclusion
En conclusion, nous pouvons dire que le GPS, omniprésent dans la vie d’aujourd’hui, mobilise de nombreux concepts de la physique et de l’ingénierie pour nous permettre de localiser tel ou tel objet. Le récepteur recevant les ondes émises par les satellites, le temps parcouru par ces dernières permet au système de déduire à quel endroit précis est situé l’appareil électronique, le véhicule ou même la sonde introduite dans le corps humain lors d’une intervention chirurgicale.
Mais également, comme nous avons pu le voir, c’est un système qui met en application de très nombreux concepts abordés en physique tout comme en sciences de l’ingénierie. C’est un réel cas pratique qui nous permet à la fois de mieux visualiser le fonctionnement de ces concepts, ainsi que de comprendre leur utilité, pourquoi nous les apprenons et de quelles manières ces connaissances sont mobilisées et exploitées lors de l’exercice professionnel. Ce qui fait incontestablement son intérêt pédagogique pour les SI ainsi que pour la physique.
Sources bibliographiques
ENAC. (s. d.). Global Navigation Satellite System. Consulté le 07/01/2026 sur : enac.fr
GUIZIOU, Robert. (2000, 1er juin). La constellation GPS. Sitelec. Consulté le 08/01/2026 sur : sitelec.org
Sciences et techniques. (2023, 7 juin). Grand oral maths : comment fonctionne un GPS ? Consulté le 07/01/2026 sur : devoir-de-philosophie.com
Service national des océans. (s. d.). Le système de positionnement global. Consulté le 09/01/2026 sur : oceanservice.noaa.gov
Trilateration. (s. d.) GPS.gov. Consulté le 07/01/2026 sur : gps.gov