Faits :
A.
Par jugement du 12 décembre 2019, le Tribunal de police de l'arrondissement de La Côte a libéré A._ de l'infraction de violation grave qualifiée des règles de la circulation routière au sens de l'art. 90 al. 3 et 4 LCR.
B.
Par jugement du 8 mai 2020, la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal du canton de Vaud a partiellement admis l'appel du Ministère public et constaté que A._ s'était rendu coupable de violation grave qualifiée des règles de la circulation routière au sens des art. 90 al. 3 et 4 LCR. Elle l'a condamné à une peine pécuniaire de 100 jours-amende, le montant du jour-amende étant fixé à 60 fr., assortie du sursis pendant deux ans.
Elle a retenu en substance les faits suivants.
Le 26 juin 2017, peu avant 7h30, une annonce a été diffusée sur le canal de la gendarmerie suite à un car-jacking survenu au Garage B._ à Crissier. A la suite de cette diffusion, deux patrouilles ont été engagées sur l'événement, soit la patrouille X._ composée des agents C._ et A._ et la patrouille Y._ composée de l'adjudant D._ et du sergent-major E._.
L'agent A._ était sur le point de quitter le poste F._ lorsqu'il a entendu un ou plusieurs véhicules passer à très grande vitesse sur l'avenue des Pâquis en direction du centre-ville de Morges. A._ a estimé qu'il s'agissait des auteurs du car-jacking et s'est engagé, avec son co-équipier l'agent C._, à la poursuite des malfaiteurs présumés. Les deux patrouilles sont parties en direction du centre-ville, les moyens prioritaires enclenchés. Au carrefour de l'avenue des Pâquis-avenue de Peyrolaz, la vitesse d'un des véhicules poursuivis a été contrôlée à 67 km/h, marge de sécurité déduite, à 7:28:21 (1er radar). Arrivée à la hauteur de la Place Dufour, la patrouille X._ a aperçu une VW Golf 7 R Variant break bleue sur l'avenue Paderewski roulant à vive allure en zigzaguant entre les autres usagers de la route. La patrouille conduite par A._ a été contrôlée à une vitesse de 53 km/h (marge non déduite) pour une violation du feu rouge à 7:29:39 (2ème radar, séparé du 1er par une distance de 1000 mètres). A ce même moment, A._ a aperçu une Volvo type S80 verte à plaques françaises s'engager sur la route des Vignerons alors que le feu était au rouge. A._ a poursuivi la VW Golf qui circulait à haute vitesse sur la route cantonale 1 jusqu'à St-Prex, roulant ainsi sur des tronçons limités entre 50 et 80 km/h. Sur la route de Morges 30-32, A._ a été contrôlé à 7:31:06 à une vitesse de 105 km/h, marge de sécurité déduite, en lieu et place des 50 km/h autorisés sur ce tronçon (3ème radar, séparé du 2ème par une distance de 3600 mètres). Arrivée au giratoire de Penguey, la VW Golf a contourné l'édifice par la droite. A._ a décidé de le prendre par la gauche pour éviter une file de véhicules qui s'était créée à l'entrée du giratoire. En raison de la circulation dense, les patrouilles ont été bloquées quelques secondes. Une fois arrivées au giratoire desservant la rue du Motty, toujours à St-Prex, les deux patrouilles ont perdu la trace de la VW Golf. Ce véhicule a été aperçu à Nyon avant d'être perdu de vue.
C.
A._ forme un recours en matière pénale au Tribunal fédéral à l'encontre du jugement cantonal. Il conclut principalement, avec suite de frais, à sa réforme en ce sens qu'il est acquitté et qu'une indemnité lui est allouée conformément à l'<ref-law>. Subsidiairement, il conclut à l'annulation du jugement attaqué et au renvoi de la cause à la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal pour nouvelle décision. Il sollicite par ailleurs l'octroi de l'effet suspensif.

Considérant en droit :
1.
Le recourant ne conteste pas que l'excès de vitesse commis, soit un dépassement de 55 km/h dans une zone limitée à 50 km/h, tombe sous le coup de l'<ref-law>. Il reproche à la cour cantonale de ne pas avoir conclu à son impunissabilité en vertu de l'<ref-law>.
1.1. Aux termes de l'<ref-law>, celui qui, par une violation intentionnelle des règles fondamentales de la circulation, accepte de courir un grand risque d'accident pouvant entraîner de graves blessures ou la mort, que ce soit en commettant des excès de vitesse particulièrement importants, en effectuant des dépassements téméraires ou en participant à des courses de vitesse illicites avec des véhicules automobiles est puni d'une peine privative de liberté d'un à quatre ans. L'al. 3 est toujours applicable lorsque la vitesse maximale autorisée a été dépassée d'au moins 50 km/h, là où la limite était fixée à 50 km/h (al. 4 let. b).
L'<ref-law> prévoit que si le conducteur d'un véhicule du service du feu, du service de santé, de la police ou de la douane enfreint les règles de la circulation ou des mesures spéciales relatives à la circulation lors d'une course officielle urgente ou nécessaire pour des raisons tactiques, il n'est pas punissable s'il fait preuve de la prudence imposée par les circonstances. Lors de courses officielles urgentes, le conducteur n'est pas punissable uniquement s'il a donné les signaux d'avertissement nécessaires; il n'est exceptionnellement pas nécessaire de donner ces signaux d'avertissement si ceux-ci compromettent l'accomplissement de la tâche légale. Si le conducteur n'a pas fait preuve de la prudence imposée par les circonstances ou s'il n'a pas donné les signaux d'avertissement nécessaires lors d'une course officielle urgente, la peine peut être atténuée.
Dans des cas d'excès de vitesse très importants commis par des particuliers qui invoquaient pour leur défense l'état de nécessité (<ref-law>), le Tribunal fédéral a jugé que même si le bien en péril était aussi précieux que la vie ou l'intégrité corporelle d'autrui, il était pratiquement exclu de justifier par un gain de quelques instants le risque d'accident mortel auquel les occupants du véhicule et les autres usagers de la route sont exposés en conséquence d'un excès de ce genre. Selon la jurisprudence, les signaux d'avertissement sonores et optiques d'un véhicule de la police circulant à vitesse très élevée ne sont que peu aptes à réduire le risque d'un accident parce qu'en raison de l'approche rapide de ce véhicule, les tiers exposés au danger ne jouissent que d'un temps réduit pour percevoir ces signaux, y réagir et adapter leur propre comportement. Un excès de vitesse très important ne se justifie donc pas davantage en cas de course urgente selon l'<ref-law> que dans le cas d'un déplacement exécuté en état de nécessité avec un véhicule privé (arrêts 6B_1224/2019 du 24 janvier 2020 consid. 3.1 in SJ 2020 I 273; 6B_1102/2016 du 12 décembre 2017 consid. 6.1 et les références citées in JdT 2017 I 370; cf. aussi à cet égard l'arrêt 6B_1161/2018 du 17 janvier 2019 consid. 1.2.2 et les références citées).
Le Tribunal fédéral n'est pas une autorité d'appel, auprès de laquelle les faits pourraient être rediscutés librement. Il est lié par les constatations de fait de la décision entreprise (<ref-law>), à moins qu'elles n'aient été établies en violation du droit ou de manière manifestement inexacte au sens des art. 97 al. 1 et 105 al. 2 LTF, soit pour l'essentiel de façon arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. Une décision n'est pas arbitraire du seul fait qu'elle apparaît discutable ou même critiquable; il faut qu'elle soit manifestement insoutenable et cela non seulement dans sa motivation mais aussi dans son résultat. Lorsque l'appréciation des preuves et la constatation des faits sont critiquées en référence à la présomption d'innocence, celle-ci n'a pas de portée plus large que l'interdiction de l'arbitraire (voir <ref-ruling> consid. 1.1 p. 156 et les arrêts cités). Le Tribunal fédéral n'entre en matière sur les moyens fondés sur la violation de droits fondamentaux que s'ils ont été invoqués et motivés de manière précise (<ref-law>). Les critiques de nature appellatoire sont irrecevables (<ref-ruling> consid. 1.1 p. 155 s.).
1.2. La cour cantonale a constaté que l'excès de vitesse en cause avait été commis dans le cadre d'une course officielle urgente. Elle a cependant considéré que le recourant n'avait pas, si on s'en tenait aux exigences élevées du Tribunal fédéral, fait preuve de toute la prudence qu'imposaient les circonstances et qu'il ne pouvait dès lors prétendre à l'impunité fondée sur l'<ref-law>.
Le recourant discute l'appréciation cantonale. Il fait grief à l'autorité précédente de ne pas avoir tenu compte du fait qu'il n'y avait aucun piéton à l'endroit et au moment du contrôle radar. Elle avait par ailleurs omis de considérer, en violation du principe de présomption d'innocence, qu'au moment de la poursuite, il ne pouvait pas exclure l'existence d'une mise en danger de mort concrète et imminente car il ignorait si le conducteur « carjacké » ou un passager se trouvait encore à bord du véhicule en fuite. La cour cantonale aurait également dû prendre en considération, d'une part, le fait qu'il était assisté dans sa conduite par son co-équipier et, d'autre part, que le véhicule en fuite jouait un rôle d'avertisseur pour les autres usagers de la route. Elle avait par ailleurs erronément retenu qu'il cherchait à intercepter les fuyards, alors que son but était uniquement de les garder en visuel. Or aussi longtemps qu'il circulait à la même vitesse que les fuyards, sa course devait être considérée comme proportionnée. Il avait même ralenti pour franchir un feu rouge, ce qui montrait qu'il prenait des précautions.
1.3. La cour cantonale n'a pas manqué de relever le constat du premier juge selon lequel aucun piéton ne se trouvait à proximité (jugement attaqué, consid. 4.3.1), de sorte que le grief d'arbitraire dans l'établissement des faits soulevé à cet égard par le recourant est en tout état infondé. La cour cantonale a toutefois constaté que l'excès de vitesse avait été commis à l'entrée d'une agglomération, sur une route bordée de trottoirs, avec des accès secondaires. Dans une configuration des lieux telle que celle-ci, la prudence commandée par les circonstances implique que le conducteur adapte sa conduite à la présence potentielle de piétons ou d'autres usagers de la route. Que, par chance ou coïncidence, il ne se fût pas trouvé de piétons sur les trottoirs à l'endroit et au moment précis où le radar a constaté l'excès de vitesse n'est pas déterminant. A la vitesse où il circulait, le recourant prenait le risque de ne pas pouvoir réagir suffisamment tôt à la survenance d'un danger.
La cour cantonale a observé qu'un car-jacking impliquait généralement une forme de violence et que tant C._ que D._ semblaient considérer la situation comme grave. Cela étant, selon le jugement cantonal, le recourant a reconnu que ni lui ni ses collègues ne disposaient d'informations qui auraient pu laisser penser qu'au moment de la prise en chasse du véhicule volé, la vie ou l'intégrité corporelle d'autrui était encore en danger. Il a même admis que cette hypothèse n'avait été émise par personne (jugement cantonal, consid. 4.3.1). Ces constatations de fait lient le Tribunal fédéral (<ref-law>). C'est ainsi de manière purement appellatoire, partant irrecevable, que le recourant allègue qu'il ne pouvait pas exclure l'existence d'une mise en danger de mort concrète et imminente. Aussi dont-on retenir, dans l'examen des circonstances, que la course d'urgence n'était pas motivée par la volonté de prévenir une atteinte grave à l'intégrité physique, mais uniquement d'empêcher la fuite des auteurs d'un brigandage.
Comme relevé dans le jugement cantonal, l'assistance d'un co-équipier n'est pas de nature à diminuer sensiblement le risque d'accident ou de perte de maîtrise du véhicule, puisque le passager - à supposer qu'il perçoive un danger qui aurait échappé au conducteur - doit lui signaler celui-ci avant que l'intéressé soit en mesure de réagir utilement (cf. arrêt 6B_1224/2019 précité consid. 2.5). Par ailleurs, l'argument selon lequel le danger provoqué par la vitesse du véhicule du recourant était d'autant moindre que circulait devant lui une voiture conduite à la même vitesse est largement hypothétique. En l'absence de tout autre élément, il est en effet difficile de déterminer dans quelle mesure les autres usagers de la route et les piétons auraient eu le temps de réagir au passage du premier véhicule et, cas échéant, si leur réaction leur aurait permis d'éviter un accident avec le second ou, au contraire, comme l'envisage la cour cantonale, le passage surprise du véhicule en fuite était davantage de nature à monopoliser l'attention, voire même à provoquer des manoeuvres inconsidérées de leur part. On ne saurait ainsi reprocher à la cour cantonale de ne pas avoir considéré que le risque était amoindri par le passage du véhicule en fuite.
Enfin, le recourant soutient qu'un excès de vitesse commis par la police dans le cadre d'une course officielle urgente doit toujours être considéré comme proportionné sous l'angle de l'<ref-law> aussi longtemps que les policiers se limitent à circuler à la vitesse du véhicule poursuivi, sans chercher à le dépasser. Dans le cas contraire, le travail de la police et plus globalement la sécurité en Suisse s'en trouveraient gravement compromis, car il suffirait alors, pour échapper à la police, de circuler à une vitesse tombant sous le coup de l'<ref-law>. Le recourant présente ici sa propre vision de l'interprétation de la loi, qui ne repose sur aucun élément de nature juridique. Il affirme que la jurisprudence actuelle du Tribunal fédéral en lien avec l'<ref-law> empêche la police de poursuivre efficacement les délinquants qui prennent la fuite en voiture, mais n'expose nullement en quoi les conditions d'un changement de jurisprudence seraient réalisées (cf. <ref-ruling> consid. 5.2 p. 3). Quoi qu'il en soit, selon l'<ref-law>, il convient de prendre en considération toutes les circonstances permettant de définir la prudence nécessaire dans le cas particulier (« il n'est pas punissable s'il a fait preuve de la prudence imposée par les circonstances »); le conducteur doit ainsi se conformer au principe de proportionnalité (cf. FF 2015 2657, 2701). Retenir qu'il suffirait, pour prétendre à l'impunité, que le policier poursuivant ne circule pas plus vite que le malfrat poursuivi, peu importe la vitesse de celui-ci et les autres circonstances du cas d'espèce, va manifestement à l'encontre tant du texte que de l'esprit de la loi. Ce grief doit à son tour être rejeté.
Il découle de ce qui précède que la cour cantonale n'a pas omis, dans son appréciation, de tenir compte des circonstances pertinentes sous l'angle de l'<ref-law>. Compte tenu de ces éléments, elle pouvait conclure que le risque généré par le recourant, soit un grand risque d'accident pouvant entraîner de graves blessures ou la mort au sens de l'<ref-law>, ne se justifiait aucunement par la perspective de maintenir le contact visuel avec les auteurs d'un car-jacking. Le fait que le recourant ait ralenti à un moment donné pour franchir un feu rouge ne rend pas son très grand excès de vitesse moins dangereux par ailleurs. Son comportement était ainsi inconciliable avec la prudence exigée par l'<ref-law> lors d'une course officielle urgente.
2.
Le recourant invoque les art. 13 et 21 CP. Il se prévaut du fait que son supérieur hiérarchique, assis sur le siège passager, n'a pas émis d'objection à sa conduite. De même, il était suivi par une autre voiture de police, avec à son bord deux officiers de police expérimentés. Il pouvait dès lors penser qu'il circulait à une vitesse adaptée aux circonstances, comme l'avait d'ailleurs reconnu le premier juge.
2.1. Aux termes de l' <ref-law>, quiconque agit sous l'influence d'une appréciationerronée des faits est jugé d'après cette appréciation si elle lui est favorable ( <ref-law>). Quiconque pouvait éviter l'erreur en usant des précautions voulues est punissable pour négligence si la loi réprime son acte comme infraction de négligence (al. 2). Agit sous l'emprise d'une erreur sur les faits celui qui n'a pas connaissance ou qui se base sur une appréciation erronée d'un élément constitutif d'une infraction pénale (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 240; plus récemment: arrêt 6B_1445/2019 du 17 avril 2020 consid. 3.1).
Conformément à l' <ref-law>, quiconque ne sait ni ne peut savoir au moment d'agir que son comportement est illicite n'agit pas de manière coupable. Le juge atténue la peine si l'erreur était évitable. L'erreur sur l'illicéité vise le cas où l'auteur agit en ayant connaissance de tous les éléments constitutifs de l'infraction, et donc avec intention, mais en croyant par erreur agir de façon licite (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 241; cf. <ref-ruling> consid. 2.4.3 p. 343 et les références citées). La réglementation relative à l'erreur sur l'illicéité repose sur l'idée que le justiciable doit faire tout son possible pour connaître la loi et que son ignorance ne le protège que dans des cas exceptionnels (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 241; arrêts 6B_1228/2019 du 10 décembre 2019 consid. 3.1; 6B_984/2019 du 8 octobre 2019 consid. 3.1; 6B_77/2019 du 11 février 2019 consid. 2.1 non publié aux <ref-ruling>). Pour exclure l'erreur de droit, il suffit que l'auteur ait eu le sentiment de faire quelque chose de contraire à ce qui se doit ou qu'il eût dû avoir ce sentiment (<ref-ruling> consid. 4.1 p. 18; <ref-ruling> consid. 2 p. 218; arrêt 6B_1228/2019 précité consid. 3.1 et les références citées). La possibilité théorique d'apprécier correctement la situation ne suffit pas à exclure l'application de l'art. 21 1ère phrase CP. Ce qui est déterminant c'est de savoir si l'erreur de l'auteur peut lui être reprochée (<ref-ruling> consid. II.3a p. 68; arrêt 6B_1228/2019 précité consid. 3.1). Le Tribunal fédéral a ainsi considéré que seul celui qui avait des « raisons suffisantes de se croire en droit d'agir » pouvait être mis au bénéfice de l'erreur sur l'illicéité. Une raison de se croire en droit d'agir est « suffisante » lorsqu'aucun reproche ne peut être adressé à l'auteur du fait de son erreur, parce qu'elle provient de circonstances qui auraient pu induire en erreur toute personne consciencieuse (<ref-ruling> consid. 2 p. 210; <ref-ruling> consid. 4a p. 303; arrêt 6B_1228/2019 précité consid. 3.1 et les références citées). Le caractère évitable de l'erreur doit être examiné en tenant compte des circonstances personnelles de l'auteur, telles que son degré de socialisation ou d'intégration (arrêt 6B_1228/2019 précité consid. 3.1 et les références citées).
2.2. A teneur du jugement cantonal, le recourant était tout à fait conscient de l'excès de vitesse qu'il commettait, ce que l'intéressé ne discute pas dans son recours. C'est, partant, à juste titre que la cour cantonale a exclu l'erreur sur les faits au sens de l'<ref-law>. Elle a cependant admis, sous l'angle de l'erreur de droit (<ref-law>), que le recourant avait agi en étant convaincu que l'objectif de sa mission de police, à savoir l'interpellation des potentiels auteurs d'un brigandage en fuite, l'autorisait à dépasser les seuils de vitesse fixés à l'<ref-law> et cela d'autant plus qu'il agissait avec l'approbation tacite d'un collègue plus expérimenté et de deux supérieurs. La cour cantonale a cependant considéré que l'erreur commise par le recourant était évitable car en tant que policier au bénéfice d'une formation complète, il devait connaître les limites à ne pas dépasser dans ce genre d'intervention urgente. En outre, aucun de ses collèges ou supérieurs ne lui avait expressément donné l'ordre de poursuivre les fugitifs à une telle vitesse.
En tant qu'il souligne avoir agi avec l'approbation tacite de ses collègues, le recourant ne démontre pas en quoi les considérations de l'autorité précédente, qui a tenu compte de cet élément, seraient erronées. En définitive, l'approche de la cour cantonale, qui reconnaît que le recourant a pu se croire en droit d'agir comme il l'a fait mais qui lui reproche de ne pas avoir connu la réglementation applicable à son activité professionnelle, n'est pas critiquable. Il est rappelé, de surcroît, que le dépassement de vitesse en cause est loin d'être anodin mais tombe sous le coup de la disposition légale réprimant les excès de vitesse les plus graves. Aussi la cour cantonale pouvait-elle considérer que le recourant aurait dû savoir qu'un tel excès n'était pas autorisé, même dans le cadre d'une course officielle urgente. Le grief formé par le recourant est dénué de fondement.
3.
Le recourant invoque encore la violation de l'<ref-law>.
L' <ref-law> prévoit que quiconque agit comme la loi l'ordonne ou l'autorise se comporte de manière licite, même si l'acte est punissable en vertu du présent code ou d'une loi.
En tant que lex specialis, l'<ref-law> règle de manière exhaustive les obligations des conducteurs accomplissant une course officielle urgente (cf. arrêts 6B_1161/2018 du 17 janvier 2019 consid. 1.1.3; 6B_689/2012 du 3 avril 2013 consid. 2.1; 6B_20/2009 du 14 avril 2009 consid. 4; 6B_288/2009 du 13 août 2009 consid. 3.3). Puisque le principe d'une course officielle urgente a été admis en l'espèce, l'<ref-law> n'est pas applicable.
En définitive, la condamnation du recourant sous l'angle de l'art. 90 al. 3 et 4 LCR ne viole pas le droit fédéral.
4.
Le recourant discute la sanction qui lui a été infligée, soit une peine pécuniaire de 100 jours-amende à 60 francs assortie du sursis pendant deux ans.
4.1. Le recourant soutient que la cour cantonale aurait dû constater que le but qu'il poursuivait n'était pas égoïste mais visait au contraire à assurer une mission de sécurité publique, et envisager dès lors l'application de l'<ref-law>.
La cour cantonale a considéré que la peine devait être atténuée dans la mesure où le recourant avait agi dans le cadre d'une course officielle urgente (art. 100 ch. 4 dernière phrase LCR). Elle a ainsi déjà pris en compte, dans la détermination de la sanction, le fait que le prénommé n'agissait pas dans son propre intérêt mais dans la poursuite d'une mission de police. Ce grief est ainsi sans fondement.
4.2. Le recourant argue par ailleurs que s'il avait circulé à 100 km/h plutôt qu'à 105 km/h, il n'aurait pas du tout été inquiété pénalement. En effet, selon des directives internes, les excès de vitesse commis lors d'une course officielle urgente qui n'atteignaient pas les seuils de l'<ref-law> n'étaient pas dénoncés pénalement. Il y avait donc lieu de tenir compte, dans la détermination de sa sanction, d'un excès de vitesse de 5 km/h seulement.
Cette approche ne saurait être suivie. Comme l'a rappelé la cour cantonale, si le Tribunal fédéral a certes posé le principe qu'une course urgente effectuée à une vitesse atteignant les seuils de l'<ref-law> était en principe toujours disproportionnée, il n'a en revanche jamais affirmé qu'une course effectuée à une vitesse inférieure était toujours licite. Peu importe également que, selon ce qu'affirme le recourant - sans le démontrer aucunement - les excès de vitesse inférieurs aux seuils de l'<ref-law> effectués dans le cadre de courses officielles urgentes ne soient pas dénoncés en pratique; il n'en demeure pas moins que le recourant a été reconnu coupable de violation grave qualifiée de la LCR dans la mesure où il a dépassé la vitesse autorisée de 55 km/h dans une localité. Ce comportement doit être sanctionné conformément à la loi, en tenant compte du facteur d'atténuation de l'<ref-law> s'agissant d'une course officielle urgente.
Pour le surplus, le recourant ne soulève aucun autre grief à l'encontre de la peine.
5.
Au regard de ce qui précède, le recours doit être rejeté dans la mesure où il est recevable. Le recourant, qui succombe, supporte les frais judiciaires (<ref-law>). La cause étant jugée, la demande d'effet suspensif n'a plus d'objet.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2.
Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3.
Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 3 novembre 2020
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président : Denys
La Greffière : Musy