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.

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, 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).
Pour distribuer cette correction aux GPS qui se trouvent à proximité, il faut pouvoir communiquer avec eux, soit par radio soit par téléphonie mobile (modem).

Le mono Station :

En connectant un GPS mobile à une station de référence (ou pivot) par radio ou téléphonie mobile, il est possible de profiter des corrections et donc de la précision centimétrique calculées par la station de référence.
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.
Ce mode présente beaucoup d’intérêts car il 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.

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, 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.

Ce mode offre également un avantage indéniable car il ne dépend pas d’une sel 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 a délivrer des corrections de qualité et de précision centimétriques.

La mise en route très rapide et le temps d’initialisation 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.

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

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 en 2006.

En octobre 2017, Géodata Diffusion étoffe son offre de service en proposant des corrections NRTK temps réel Full GNSS 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.

 

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Les avantages du réseau Orphéon

  • Compatibles avec les récepteurs GNSS RTK de toutes marques
  • Mise en service très rapide et simple partout
  • Couverture dense, régulière et structurée de tout le territoire
  • Une qualité et un service de haut niveau
  • Full GNSS : Productivité accrue
  • Tout ce que vous avez à faire est de connecter votre récepteur GNSS au service temps réel de corrections et d’augmentation de précision.
  • Vous recevez très rapidement vos données de positionnement, directement dans le référentiel national.
  • Vous pouvez consulter l’état du réseau
  • Nos offres sont modulaires : Abonnements ou Forfaits
  • Un investissement maîtrisé

Réduisez vos investissements grâce à Orphéon

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

Inutile donc d’acheter votre propre station de base RTK, de vos préoccuper de son rattachement au RGF93, et de la faire surveiller contre les vols et dégradations.

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.

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.

Ajouter les constellation 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.

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% !

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
  • Un temps de fixation plus court

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.

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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les corrections Galileo grâce au réseau Orphéon

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

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Travailler dans des endroits difficiles (suite)

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