Le positionnement GPS / GNSS

Pour déterminer la position, le récepteur GPS calcul la distance à laquelle se trouve les satellites au même instant à partir des données de leurs éphémérides et en se basant sur son horloge interne, connaissant précisément la trajectoire que suivent les satellites.

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La position naturelle donnée par un GPS tout seul, donne une bonne idée l’endroit où celui-ci se trouve à quelques mètres près, mais n’est pas assez précise pour permettre un travail de précision. Il nécessite une correction pour que sa précision soit augmentée et utilisable professionnellement.

Techniquement

Le principe du positionnement par méthode GPS / GNSS repose sur une multilatération spatiale : la mesure de l’intersection d’au moins 4 sphères dont on connait le centre et dont on mesure le rayon pour se positionner avec précision en réduisant en réseau les erreurs spatialement corrélées.

Différents satellites

Jusqu’à aujourd’hui, nous utilisions le terme générique GPS pour Global Positionning System pour décrire les différents équipements de géo positionnement.

Toutefois, ce terme est en réalité le nom d’un ensemble de 24 satellites américains placés en orbite à 20 00 km d’altitude. Cette constellation de satellites qui était la première dans l’histoire a donc laissé son nom à la technologie de géo positionnement.

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GPS + Glonass + Galiléo + Beidou

Ces satellites tournent autours de la terre et sont donc en déplacement constant. Pour établir une position, un minimum de 5 satellites est nécessaire.

D’autres constellations de satellites ont ainsi été mises en services par d’autres pays : Glonass pour la Russie, Beidou pour la Chine et plus récemment Galileo pour l’Europe a également été mis en service, toutes sont disponibles en France. L’ensemble de ces constellations est regroupé sous la seule appellation de GNSS pour Global Navigation Satellite System.

Compatibilité matériel

Ainsi la compatibilité ou la capacité d’un récepteur à traiter les signaux provenant de ces différentes constellations de satellites permet d’augmenter la possibilité de travail dans des zones difficiles ou les masques sont nombreux car il faut malgré tout toujours un minimum de 5 satellites pour établir une position.

Limites de précision du positionnement par méthodes GPS / GNSS

Plusieurs erreurs naturelles affectent la mesure de distance satellite / récepteur :

  • Le biais d’électronique du satellite.
  • L’effet de l’erreur d’orbite.
  • L’effet de l’erreur d’horloge du satellite.
  • L’erreur de position du centre de phase de l’antenne du satellite.
  • L’allongement ionosphérique.
  • L’allongement troposphérique.
  • Les éventuels multi-trajets.
  • L’erreur de position du centre de phase de l’antenne du récepteur mobile.
  • L’effet de l’erreur d’horloge du récepteur.
  • Le biais d’électronique du récepteur.

Parmi toutes ces sources d’erreurs, la réfraction atmosphérique, responsable de l’allongement ionosphérique et troposphérique, ainsi que les erreurs d’orbites sont les plus problématiques, dans la mesure où :

  • elles ne peuvent pas être préalablement finement modélisées, (contrairement aux biais d’électroniques ou aux variations de centre de phase des antennes),
  • elles ne peuvent pas complétement s’annuler par différentiations multiples.

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Le tableau suivant (Gerhard WUBBENA, 2008), précise la résultante de ces erreurs :

Source d’erreur Influence absolue
 Orbites Entre 2 et 50 mètres
 Ionosphère Entre 50cm et plus de 100 mètres
 Troposphère Entre 1 et 50 cm

Calcul de corrections GNSS en réseau

Le principe du calcul de corrections GNSS en réseau consiste à fournir au mobile de l’utilisateur, par diverses méthodes plus ou moins directes, ces erreurs spatialement corrélées (s’annulant mal par doubles différences) afin qu’il puisse se positionner dans la même classe de précision, indépendamment de sa position au sein du réseau.

Il est alors important de noter que le mobile calculera toujours sa solution de positionnement par doubles différences, afin d’éliminer les erreurs non corrélées dans l’espace, telles que l’erreur d’horloge des satellites ou leurs biais d’électronique.

Le positionnement RTK (Real Time Kinematic)

  • Traitement différentiel de la phase des signaux GNSS
  • Précision centimétrique inversement proportionnel à la « ligne de base » du fait de la décorrélation spatiale des sources d’erreurs et notamment des erreurs atmosphériques.
  • Recevoir la position approchée de l’utilisateur (NME-GGA) connecté par TCP/IP (GPRS, EDGE, UMTS(3G) voir xDSL ou Internet par satellite)
  • Modéliser en temps réel les erreurs affectant le chantier de l’utilisateur et lui renvoyer des « corrections » spécialement générées pour sa zone de travail (concept réseau MAC, VRS, FKP)
  • Diffuser les corrections de manière fiable et transparente en s’appuyant sur les réseau Télécoms existants

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Relier les station GNSS permanente en réseau à un centre de calcul

Pour plus de précision, ses signaux d’observation des antennes permanentes sont regroupées sur un serveurs qui va permettre un meilleurs traitement des signaux et une meilleur détermination et modélisation des sources d’erreurs en utilisant :

  • Des orbites ultra rapides prédites avec une imprécision de 5 cm correspondant à  3 ns en lieu et place des orbites radiodiffusées  qui ont une plus grande imprécision de 100 cm ou 5 ns.
  •  Des modèles météo complémentaires notamment troposphériques
  • Des modèles géophysiques (marée et surcharge océanique induite, marée solide, marée polaire, surcharge atmosphérique etc .)

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Traitement des signaux

Concernant la correction de position intégrant l’ensemble de ces signaux, il est nécessaire que le matériel de terrain , mais aussi les bases de stations permanentes du réseau, soient elles-mêmes compatibles avec l’ensemble de ces différents satellites pour pouvoir délivrer une correction complète correspondante aux différents utilisateurs sur le terrain.

Géodata Diffusion a été le premier réseau en France à proposer une correction totalement compatible GPS + Glonass.

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Le GLONASS pour quoi faire ?

Pour rappel, afin de pouvoir se positionner à quelques centimètres près, un mobile GPS/GNSS doit pouvoir :

  • effectuer des mesures de phase non bruitées sur au moins 5 satellites bien répartis dans l’espace,
  • et recevoir des corrections différentielles sur ces mêmes 5 satellites.

Ajouter la constellation de satellites Glonass à ceux de la constellation GPS permet ainsi d’augmenter la possibilité de recevoir un nombre de signaux suffisant et de meilleure qualité.

Ainsi, les gains de productivité liées à l’utilisation de la constellation de satellites GLONASS peuvent être estimés de +20 à +30 % en milieu semi-urbain ou à proximité d’arbres.

Travailler dans des endroits difficiles (suite)

Les domaines d’application