Travailler dans des endroits difficiles

L'utilisation de récepteurs GPS-GNSS, de plus en plus répandue, est soumis à quelques contraintes de réception liés à certains paramètres ou phénomènes pouvant affecter la qualité des signaux et donc les mesures réalisées.

Il est alors indispensable de bien comprendre l'ensemble de ces phénomènes pour pouvoir s'en affranchir lorsque c'est possible et tirer le meilleur parti de son équipement.

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GPS + Glonass + Galiléo + Beidou

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.

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

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

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, le récepteur doit théoriquement utiliser la même heure que ces satellites.

Mais du fait de la désynchronisation de ces horloges et de perturbations dans la propagation des signaux, ce calcul perd en précision (on parle de pseudo-distances).

  • le signal est ralenti durant sa traversée de l’atmosphère (ionosphère et troposphère) de manière variable.
  • le signal peut être réfléchi par des éléments au sol (surfaces métalliques, vitrées, bâtiments ect.) avant d’être captées par le récepteur.
  • le signal peut etre bloqué et ne pas parvenir jusqu’au récepteur (masques), dans les villes, à causes d’arbres, de pont, de tunnels etc.

Les erreurs affectant la précision du positionnement par méthodes GPS / GNSS sont liées :

  • à la géométrie des satellites utilisés (PDOP),
  • aux erreurs affectant la mesure de distance entre les différents satellites vus et le récepteur de l’utilisateur.

Pour s’affranchir des erreurs liées à la bonne répartition des satellites dans le ciel et avoir les 5 satellites bien répartis nécessaires à un calcul d’intersection de sphères non ambigu, il faut travailler :

  • soit dans des environnements suffisamment dégagés,
  • soit avec un nombre de satellites suffisamment important,
  • de manière à ce que le récepteur mobile de l’utilisateur puisse choisir les 5 meilleurs satellites utilisables parmi les 13 à 14 satellites classiquement observables en France avec un masque de 10° au-dessus de l’horizon.

Masques et multitrajets

Dans les zones boisées ou bordées de constructions, il se peut que certains satellites GPS soient masqués et donc inutilisables par le matériel sur le terrain pour établir une position correcte. Il se peut également que ces signaux proviennent des réflexions d’une nappe d’eau, de surfaces vitrées ou métalliques, de montagnes, d’arbres ou de constructions créant des multitrajets qui altère la précision du positionnement.

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Masques et multitrajets

Précautions

Pour en limiter les effets, certaines précautions permettrons d’obtenir de meilleurs résultats comme s’éloigner de ces surfaces réfléchissantes ou bien choisir un équipement compatibles avec les différentes constellations mais aussi avec une antenne déportée du récepteur et surtout moins sensible aux multitrajets.

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.

Erreur liée à la traversée de la ionosphère

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La principale source d’erreur affectant la précision du positionnement par méthodes GNSS est liée à la traversée atmosphérique du signal et plus particulièrement à la traversée de sa partie ionisée appelée ionosphère.

Cette erreur ionosphérique est dispersive, dans la mesure où elle dépend de la fréquence des signaux utilisés. Les erreurs d’orbite et l’erreur troposphérique étant quant à elles purement géométrique.

L’erreur ionosphérique peut être mesurée à chaque instant sur chaque station du réseau par l’intermédiaire d’une combinaison de fréquence dite « Geometry Free », ou « L4 ».

Pour modéliser finement cette erreur ionosphérique sur l’ensemble du réseau, il est important de disposer de suffisamment de stations permanentes pour la mesurer (points d’échantillonnage) avant de mettre en place des modèles mathématiques (interpolation) permettant de déterminer, et donc de corriger pour chaque époque et chaque satellite (modèles 4D), les erreurs affectant la position de chaque utilisateur.

Phénomènes siégeant dans l’ionosphère

L’ionosphère est une haute couche de l’atmosphère comprise entre environ 50 et 1000 km d’altitude. Dans cette couche atmosphérique, les molécules sont amputées d’un électron sous l’effet du rayonnement solaire (allant de l’ultraviolet aux rayons X) et forment un plasma, c’est-à-dire une phase de la matière constituée de particules chargées d’ions et d’électrons.

En fonction de la densité électronique de ce plasma le long de la ligne satellite / récepteur, le signal électromagnétique émis par les satellites va être réfracté pour suivre un chemin optique plus long que le chemin géométrique, cet allongement ionosphérique pouvant atteindre les 100 mètres.

Pour les fréquences utilisées dans les systèmes GNSS, l’ionosphère est un milieu dispersif dans la mesure où l’indice de réfraction n dépend de la fréquence du signal.

À partir de mesures sur différentes fréquences, il est donc possible d’éliminer, ou d’estimer en temps réel, la valeur de l’allongement ionosphérique en réalisant différentes combinaisons linéaires de mesures (combinaison « Geometry free » ou « L4 »).

L’indice ionosphérique I95

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 Un indice ionosphérique, appelé Indice I95, permet de quantifier l’activité ionosphérique différentielle entre stations en donnant la variation de l’erreur ionosphérique sur un ensemble de stations et une plage de temps donnée. Cet indice donné en « parties par millions » (ppm) peut être perçu comme donnant la pente de différence de délais ionosphériques entre stations. Il traduit donc de la probabilité que l’erreur ionosphérique en un point donné soit décorrélée du modèle d’interpolation, le seul moyen de réduire cette probabilité étant de rapprocher les stations, comme illustré ci-dessous :

 

Les paramètres faisant varier l’activité ionosphérique

(Cliquer pour voir plus de détails)

 La variation de l’activité ionosphérique dépend de la quantité de rayonnement émis par le soleil. L’activité solaire étant cyclique, avec une longueur d’onde de 11 ans, comme illustré ci-dessous avec les derniers cycles et le détail du dernier cycle :

L’activité ionosphérique dépend également de la saison et de l’heure solaire au sein d’une journée, comme illustré ci-dessous avec la représentation de l’indice I95 sur le réseau Orphéon le 3 mars 2012. On constate que l’activité journalière est plus importante entre 10h et 14h.

Les valeurs de seuils de l’indice I95 sont définies de la manière suivante :

  • De 0 à 2 : pas d’influence de l’activité ionosphérique.
  • De 2 à 4 : activité ressentie mais sans conséquence.
  • De 4 à 8 : activité ressentie et pouvant gêner la mesure, première mise en garde.
  • Au-delà de 8 : forte activité et il est vivement déconseillé de travailler dans ces conditions.

La résultante des erreurs géométriques peut quant à elle être mesurée, toujours à chaque instant sur chaque station du réseau, par l’intermédiaire d’une combinaison de fréquence dite « Iono Free » ou « L3 »

Choisir son matériel (Suite)