Le positionnement GPS / GNSS

Pour déterminer la position, le récepteur GPS calcule la distance à laquelle se trouvent 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 et c’est justement ce que vous propose le réseau Orphéon.

Le GPS

Un GPS est un récepteur de signaux envoyés par des satellites pour lui permettre de calculer sa position. En mode naturel (sans correction) ce calcul permet d’obtenir une précision de l’ordre de plus ou moins 3 m. Pour obtenir le calcul d’une position, le récepteur doit capter les signaux d’au moins 4 satellites.

Principe de la correction :

En plaçant une Station GPS de Référence fixe (ou station de base) dont on connait la position exacte et précise en longitude, latitude et altitude, nous pouvons calculer l’erreur de positionnement que nous renvoie un GPS à chaque instant.
Il devient alors facile de calculer la correction qui nous donne sa position exacte au centimètre près (et parfois mieux).
A l’usage, nous avons constaté qu’il était possible d’appliquer cette même correction à d’autres GPS qui se trouvent à proximité (quelques Km). Le GPS positionné de façon fixe est appelé station de référence ou pivot.
Pour distribuer cette correction aux GPS qui se trouvent à proximité, il faut pouvoir communiquer avec eux, soit par radio soit par internet via la téléphonie mobile (modem).
Il est alors important de noter que le mobile (ou rover) envoie sa position au centre de calcul du réseau (trame NMEA-GGA) puis calculera à partir des informations de corrections reçues en retour, 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.
Depuis plus de 10 ans Géodata Diffusion a installé un réseau de 184 stations de référence pour couvrir la totalité de la France. L’ensemble des observation de chacune de ces stations sont rassemblées sur nos serveur nous permettant ensuite de les fournir à nos clients via un abonnement.

Le mono Station :

En connectant un GPS mobile à une station de référence (ou pivot) par radio ou téléphonie mobile, il est possible de calculer et de profiter des corrections donc de la précision centimétrique amenée par la station de référence au GPS mobile.
La distance qui sépare le GPS mobile de la Station de Référence devient la ligne de base et la précision de la correction devient alors dépendante de sa longueur. Plus on s’éloigne de la station de base, plus la précision se dégrade. On observe que dans un rayon de 30km la précision centimétrique est conservée.
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Ce mode permet une mise en route très rapide (temps d’initialisation réduit) et un investissement modéré mais reste fragile en cas d’arrêt de la station de base et le besoin de sécuriser ce matériel.

Le mode réseau :

Le mode réseau est un mode avancé de calculs des corrections qui met en oeuvre plusieurs stations de références qui entourent un récepteur mobile, créant ainsi une cellule. En combinant les corrections individuelles de chacune des Stations de référence de la cellule, il est alors possible d’obtenir une correction centimétriques plus homogène et plus stable qu’avec le mono station.

Ce mode, qui ne dépend donc pas du récepteur mobile, présente beaucoup d’intérêts car il offre alors une correction qui ne dépend plus de la longueur de la ligne de base. La qualité des corrections est homogène partout au sein de la cellule.

Le réseau offre également un avantage indéniable car il ne dépend pas d’une seule station de base pour générer des corrections de qualité mais d’une cellule et en cas d’arrêt d’une des stations, le réseau continue de fonctionner correctement et à délivrer des corrections de qualité et de précision centimétriques car il compense l’absence d’une des bases.

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Le réseau permet une mise en route très rapide et un temps d’initialisation très réduit. Bien sur le mode réseau représente un investissement important car il nécessite une infrastructure importante et une grande expertise qui ne s’improvise pas.

La répétabilité :

Dans certaines applications, il est essentiel de pouvoir revenir avec exactitude se repositionner au même endroit et parfois après plusieurs années. Cette répétabilité est obtenue grâce à la précision centimétrique des corrections délivrées d’une part, mais aussi par le positionnement précis et fixe des stations de référence. La stabilité et le contrôle de leur positionnement est l’une des clés.

Techniquement

Le fonctionnement des GNSS repose sur la mesure du temps de propagation du signal émis par un satellite jusqu’à sa mesure par un récepteur. La mesure du temps de propagation du signal en provenance de plusieurs satellites permet par intersection de déterminer la position du récepteur.

Les satellites émettent donc en direction de la Terre des ondes électromagnétiques qui se propagent à la vitesse de la lumière

Le récepteur sur Terre mesure le temps mis par l’onde pour arriver jusqu’à lui. Connaissant , le récepteur peut alors estimer la distance le séparant du satellite à partir de la durée de propagation de l’onde (environ 70 ms). La mesure précise de ce temps de propagation est primordiale puisqu’une erreur de engendre une erreur de 300 m sur (il faut donc une précision de 1 ns pour atteindre une résolution de l’ordre du mètre).

La mesure précise de ce temps de propagation nécessite une synchronisation parfaite des satellites entre eux et avec le récepteur [Hofmann-Wellenhof et al., 2008 HOFMANN-WELLENHOF, B., LICHTENEGGER, H. et WASLE, E. (2008).Ó]. Cette désynchronisation intervenant de la même manière dans toutes les mesures faites en direction des satellites à une époque donnée, il suffit donc d’estimer un paramètre de désynchronisation (appelé erreur d’horloge) pour lever cette incertitude.

Pour un positionnement standard par GNSS, 4 inconnues doivent donc être déterminées :

  • Trois inconnues de position, dans un repère géocentrique, lié à un système de référence propre au GNSS ;
  • Une inconnue de temps, liée à la désynchronisation du récepteur avec le temps GNSS.

Méthodes de positionnement

les différentes méthodes de positionnement :

  • Standard : Positionnement absolu sur le code en temps réel ou différé ; la précision est de l’ordre de 5 m.
  • DGNSS : Differential GNSS, positionnement relatif sur la mesure de code en temps réel ou différé ; la précision est de l’ordre de 50 cm.
  • RTK : Real Time Kinematic, positionnement relatif sur  la mesure de phase en temps réel ; la précision est de l’ordre de 4 cm.
  • Statique : Positionnement relatif sur la phase en temps réel ou différé ; la précision varie entre quelques millimètres et quelques centimètres en fonction du temps d’occupation.

La mesure de code

Le récepteur reçoit en continu le code provenant du satellite avec un retard venant du temps mis par l’onde pour parcourir la distance entre le satellite et le récepteur. Le récepteur mesure donc ce retard ou décalage , égal à la différence entre l’instant de réception (horloge récepteur) et l’instant d’émission (horloge émetteur). Les horloges récepteur et émetteur (satellite) n’étant pas synchronisés, l’écart de temps est entaché d’une erreur qu’il est nécessaire d’estimer.

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Mesure de Code

4 inconnues doivent donc être déterminées : pour un positionnement instantané, la mesure de 4 pseudo-distances au minimum est donc nécessaire.

Les récepteurs utilisés actuellement permettent de réaliser la mesure de code avec une précision de l’ordre du centième de cycle (longueur d’un bit).

La mesure de phase

Une autre technique que la mesure de code utilisable pour le positionnement par GNSS repose sur la mesure du déphasage entre les signaux reçus et générés par le récepteur. Cette mesure peut se faire sur les différentes porteuses utilisées par le GNSS. Bien sûr, les horloges récepteur et émetteur (satellite) n’étant pas synchronisées, le déphasage mesuré est entaché d’une erreur de synchronisation qu’il est toujours nécessaire d’estimer.

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Mesure de Phase

Le signal émis par le satellite est reçu à par le récepteur. un nombre entier de cycles, la période du signal, la partie fractionnaire de cycle mesurée.

Cependant, seule la partie fractionnaire de la durée de propagation du signal entre le satellite et le récepteur comptée en nombre de cycles peut être mesurée par les récepteurs : le nombre entier de cycles écoulés depuis le début de la mesure est inconnu : on parle d’ambiguïté de la mesure de phase. On définit alors l’ambiguïté entière comme étant le nombre entier de cycles écoulés au début de la mesure.

Pendant une session d’observation, on veille donc de ce fait à ne pas interrompre le signal observé en direction d’un satellite. En cas d’interruption, on parle de saut de cycle : la valeur de l’ambiguïté entière change.

Remarque : Pour GPS les longueurs d’onde associées aux porteuses L1 et L2 sont respectivement A1 = 19,0 cm et A2 = 24.4 cm . La précision sur la mesure de phase est donc sub-millimétrique.

Message de navigation

En plus d’être modulé par la phase à l’aide du code, les signaux GNSS sont également modulés à l’aide du message de navigation. Le message de navigation contient des informations qui sont exploitées par le récepteur, citons entre autres :

  • La position des satellites (éphémérides) et des informations le concernant (état du satellite).
  • Les éléments permettant l’obtention de la date de l’émission du signal, dans l’échelle du temps du satellite.
  • La correction d’horloge satellite à appliquer pour s’affranchir de sa dérive par rapport au temps du GNSS.
  • Des informations plus générales : modèle paramétrique global de l’ionosphère (pour la correction de son effet), almanach de tous les satellites (santé, position approchée).

Définition RTK (Wikipedia)

La Cinématique temps réel (Real Time Kinematic, en anglais ou RTK) est une technique de positionnement par satellite basée sur l’utilisation de mesures de la phase des ondes porteuses des signaux émis par les systèmes GPS, GLONASS ou Galileo. Une station de référence fournit des corrections en temps réel permettant d’atteindre une précision de l’ordre du centimètre. Dans le cas particulier du GPS, le système est alors appelé Carrier-Phase Enhancement ou CPGPS.

  • 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

Corrections VRS

La « station de référence virtuelle » (VRS) s’appuie sur un concept de réseau de stations de référence GNSS espacées de 50 à 60 km et reliées en permanence à un centre de calcul via Internet. Ces stations en réseau modélisent précisément les erreurs ionosphériques pour le récepteur mobile GNSS individuel dans la zone de couverture du réseau.

Le récepteur mobile interprète et utilise les données de correction-réseau VRS d’une base virtuelle comme s’il fonctionnait avec une seule station de base physique sur une très courte ligne de base, ce qui augmente considérablement la performance RTK. Il ne crée toutefois pas de vecteur virtuel.

Réduction au minimum des possibilités d’erreur 

Les corrections (vecteurs) proviennent de la base la plus proche, mais étant donné qu’une base virtuelle a été créé  à proximité directe du mobile, les erreurs ionosphériques (qui dépendent habituellement de la ligne de base) sont pratiquement nulles, la dégradation de la précision du récepteur mobile en raison de la longueur de la ligne de base débute lorsque le récepteur mobile est d’abord initialisé sur le site de vos travaux. Par conséquent, cette précision augmente et devient plus constante partout dans la région de travail.

Différents satellites

Jusqu’à aujourd’hui, nous utilisions le terme générique GPS pour Global Positioning 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 :

  • GPS pour les satellites américains
  • Glonass pour la Russie,
  • Galileo pour l’Europe a également été mis en service, toutes sont disponibles en France.
  • Beidou pour la Chine et plus récemment

L’ensemble de ces constellations est regroupé sous la seule appellation de GNSS pour Global Navigation Satellite System.

Compatibilité matériel

Le récepteur doit avant tout être capable de recevoir et de traiter des corrections en étant client-RTK (ce qui n’est pour le moment pas le cas de la majorité des smartphones). Différents fabricants, représentés par nos distributeurs, proposent une large gamme de récepteurs adaptés aux différentes applications les plus courantes (voir Domaines d’application). Mais il est également possible de trouver de nombreuses cartes électroniques ou composants à intégrer pour le développement de solutions dédiées ou pour l’études et la conception de nouvelles applications.

Les récepteurs GNSS ne sont pas tous compatibles avec la totalités des constellations de satellites aujourd’hui disponibles. 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 4 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

Les avantages du GNSS

En offrant la possibilité de mixer les signaux des différentes constellations de satellites, les récepteurs GNSS permettent de calculer une position plus stable mais aussi de travailler dans des endroits plus restreints.

En effet, les bâtiments les arbres, les constructions etc créent des masques qui empêchent les récepteurs de recevoir correctement les signaux des satellites. Plus un récepteurs est en capacité de traiter de signaux différents et moins ces masques vous empêcheront de travailler : d’où un confort de travail et une productivité accrus.

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 en 2006.

En octobre 2017, Géodata Diffusion devient le premier réseau RTK à proposer des correction Full GNSS temps réel compatibles avec GPS, GLONASS, Galiléo et BeiDou et devient le premier réseau en France à couvrir la totalité du territoire métropolitain et celui des Antilles Françaises.

Les avantages du réseau Orphéon

Réduisez vos investissements grâce à Orphéon

Un seul récepteur GNSS mobile suffit : votre investissement initial se retrouve réduit significativement, et vous maîtrisez finement votre budget en fonction de votre activité.

Les services Orphéon ont pour but de vous simplifier l’accès aux corrections :

  • Pas d’investissement initial important dans une ou plusieurs stations de base
  • Pas de surveillance d’installation (station de référence, d’accès internet, d’alimentation)
  • Pas de maintenance / remplacement de matériel à assurer
  • Pas de crainte de panne ni d’arrêt de la station de référence , lorsqu’une station s’arrête, notre maillage compense et vous continuez à travailler avec la même précision.
  • Pas de notion de distance avec la station de référence pour une précision centimétrique constante, le réseau Orphéon calcul les corrections optimales à partir d’une cellule de plusieurs stations
  • Pas de personnel à former ou de sous-traitant à faire intervenir pour gérer la station de référence.
  • Pas d’astreinte à organiser pour des applications ou des sites sensibles

Nous nous chargeons de tout cela pour vous et vous pouvez vous concentrer sur votre mission première : votre métier.

Le Full GNSS 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.
  • une qualité de positionnement accrue
  • gain de productivité

Ajouter les constellations de satellites Glonass, Galiléo et BeiDou à ceux de la constellation GPS permet ainsi d’augmenter la possibilité de recevoir un nombre de signaux suffisant et de meilleure qualité. u meilleur de la journée, jusqu’à 11 satellites observés et utilisés : 7 Galiléo et 4 Beidou.

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Exemple: réception de 7 satellites Galileo et 4 Beidou – Spider

50% de satellites supplémentaires

L’ajout des satellites Galiléo et BeiDou aux satellites GPS et GLONASS permet d’accroitre significativement le nombre de satellites pouvant être observés en simultané par une antenne GNSS.

Aujourd’hui, cela représente une trentaine de satellites contre une vingtaine habituellement, soit une augmentation de 50%. A terme, le nombre de satellites visible sera d’une quarantaine, soit une augmentation de 100% !

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

Une qualité de positionnement accrue

  •  Un accès même dans des environnements difficiles (canyons urbains par exemple ou sous une canopée)
  • Une fiabilité du positionnement améliorée (fig 3)
  • Un temps de fixation plus court

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Figure 3 : résultat réduction de l’erreur 3D de positions NRTK fixe en open-sky

Sur l’ensemble de la période l’intégration de Galileo et Beidou fournit une répétabilité de positionnement plus forte comme illustrée sur la figure 3a ci-dessus.

Sur une période de 12 heure, la figure 3b met en avant les avantages de Galileo qui réduit l’erreur 3D de 6-8 cm à 3-4 cm au moment où deux ou trois satellites Galileo sont utilisés dans la solution Full GNSS.

Extension de nos services à Galiléo et BeiDou

Depuis le 12 Octobre 2017, la totalité des stations de référence, l’infrastructure et les logiciels de calculs de correction nous permettent de délivrer des corrections NRTK Full GNSS comprenant GPS + GLONASS + Galiléo + BeiDou.

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Recevez dès maintenant

les corrections Galileo grâce au réseau Orphéon

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sur tout le territoire et pour l’ensemble de ses services.

Plus de détails sur le Réseau Orphéon 

Travailler dans des endroits difficiles (suite)

Les domaines d’application