Pour aller plus loin techniquement

Les récepteurs GNSS de précision capables d’accepter les corrections vont intégrer des composants ainsi que des modules logiciels supplémentaires dédiés au calculs de précision.

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 – a titre indicatif, on estime l’erreur à environ 1 mm/km d’éloignement). Le GPS positionné de façon fixe est appelé station de référence ou pivot.

 

Pour distribuer cette correction aux GPS (au format RTCM standard) 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 15 ans Géodata Diffusion a installé un réseau de 215 stations de référence pour couvrir la totalité de la France. L’ensemble des observations de chacune de ces stations sont rassemblées sur nos serveurs nous permettant ensuite de les fournir à nos clients via un abonnement à nos corrections pour le positionnement par satellites .

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.

 

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 pour le positionnement par satellites 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 centimétrique plus homogène et plus stable qu’avec le mono station.

Ce mode, qui ne dépend donc pas d’une seule station d’observation, 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 ne dépendant pas d’une seule station de base pour générer des corrections de qualité mais d’une cellule 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.

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. 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 10 µs engendre une erreur de 300 m : 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.

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.

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

Le Client NTRIP

Le protocole NTRIP (Network Transport of RTCM data over IP) permet d’envoyer les données de correction RTK de la base vers le mobile via Internet.

Ceci est particulièrement utile dans les zones où les radios traditionnelles ne fonctionnent pas bien en raison des arbres ou des collines.

Le client NTRIP est une partie du logiciel intégrée au mobile. Il obtient les données de correction du serveur NTRIP Orphéon et les envoie vers en interne dans le GPS au module de calcul du positionnement. Ce programme est une alternative plus utile à la radio Internet GNSS.

L’accès à Internet se fait généralement via les moyens classiques :

• • • • • Une connexion Wifi
        • Une connexion Bluetooth
        • Une connexion de téléphonie mobile

Tant que le GPS n’est pas connecté et ne reçoit pas les messages de corrections RTCM du serveur Orphéon, le GPS fonctionne comme un GPS ordinaire avec une précision de plusieurs mètres (mode naturel).

Pour ce connecter au serveur NTRIP Orphéon, le Client NTRIP du mobile doit être paramétré pour s’identifier auprès du serveur et obtenir les corrections au format adapté à son mode de calcul.

• • • • • Adresse IP du serveur (ou DNS)
        • Le port de communication
        • L’identifiant de l’utilisateur
        • Le mot de passe de l’utilisateur
        • Le point de montage correspondant au mode de calculs

Au moment de la connexion, le Client NTRIP va s’identifier puis il va envoyer au serveur sa position actuelle  (trame $GxGGA) afin que le serveur puisse définir les stations de référence qui seront utilisées dans la solution de correction (mode réseau) ou la station de référence la plus proche (mode mono station).

Le serveur va alors envoyer toutes les secondes le message de correction au format RTCM sélectionné par le point de montage.

Le GPS va intégrer ces paramètres de correction à ses calculs pour améliorer sa précision qui en quelques cycles va atteindre la précision recherchée. Le temps mis à obtenir cette précision est le temps de convergence.

Le GPS va également envoyer régulièrement au serveur sa position afin :

• • • • • de recevoir les meilleurs paramètres de correction (notamment si  le GPS se déplace dans un véhicule).
        • de permettre au serveur de déterminer que le mobile se trouve toujours dans la zone de travail couverte par le service.
        • de permettre au serveur de confirmer que la connexion avec le mobile est toujours valide.

Les étapes

Sans entrer dans le détail de ces programmes, il est intéressant de comprendre ce qui se passe à chacune de ces étapes.

Formats des messages de correction

Le format et le contenu des messages de corrections GPS sont édictés par la norme de l’organisme RTCM. Chaque message RTCM est constitué d’un nombre variable de mots de 30 bits, dont les deux premiers servent d’en-tête. Dans le cadre de la localisation temps réel, les messages 18 et 19 sont d’un intérêt majeur, et la quantité minimale d’information à diffuser pour une correction RTK est donnée par la formule :
(1) [octets/s] = [mots de 30 bits] x 5 = f x2 xFREQ x(3 + 2x N) x51
Où f désigne la cadence de mesures ; FREQ, valant 1 ou 2, décrit le caractère mono ou bifréquence du récepteur ; N représente le nombre de satellites.

La version officielle de la norme à l’heure actuelle s’appelle :
RTCM 10403.3, Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Services – Version 3 + Amendement 1 (28 avril 2020).

Voir la liste complète des messages RTCM et leur utilisation : https://www.use-snip.com/kb/knowledge-base/rtcm-3-message-list/

la version 3 regroupe les messages avec des données associées au lieu d’envoyer des messages séparés pour accomplir la même tâche. Par exemple, dans la version 2, l’envoi d’un message RTK complet nécessitait un message de type 18 pour les corrections et 19 pour les mesures de pseudo-distance, alors que dans la version 3 ces informations sont regroupées dans un seul type 1003. Plusieurs types de messages sont définis pour les mêmes types de des informations pour améliorer encore l’efficacité ; Le type 1001 a des données GPS uniquement sur la fréquence L1, tandis que 1002 ajoute diverses informations supplémentaires, tandis que 1003 et 1004 font de même avec les données L1 et L2 pour les stations qui peuvent tirer parti de la deuxième porteuse.

la version 3.x utilise un format de message de longueur variable et un seul contrôle de redondance cyclique (CRC) de 24 bits sur l’ensemble du message, par opposition à une parité de 6 bits pour chaque mot de 30 bits. Comme les versions précédentes, le format de message commence par un préambule étendu à 8 bits, suivi d’une zone réservée de 6 bits, puis d’une longueur de message de 10 bits qui autorise jusqu’à 1 024 octets de données. Le message, chacun avec son en-tête et ses données définis de manière privée, suit l’en-tête et est ensuite limité par le CRC. L’économie de données, notamment dans le cas du RTK, est importante, un jeu de correction RTK version 3 est généralement deux fois moins long que la version 2.

Exemple : RTCM 1004 : Observables RTK GPS L1 et L2 étendus
Ce type de message GPS est le type de message d’observation le plus courant, avec un contenu L1/L2/SNR. Il s’agit du message hérité le plus fréquemment trouvé.

Le point de montage

Le point de montage permet de choisir le type de flux de données et la liste des messages RTCM qui vont être échangés entre votre matériel et notre serveur, cela correspond à la fois au langage que le matériel va utiliser mais aussi à la méthode de calcul du positionnement qui va être utilisé.

Corrections i-MAX, MAX, MAC, FKP, VRS ?

Dans le paramétrage de votre équipement qui va orienter votre choix de point de montage le choix du type de corrections va dépendre de votre matériel, des mesures que vous allez effectuer et des disponibilités de services.

MAC

A l’initiative de Leica Geosystems et de GEO++ en 2001, première norme NRTK pour la correction de messages réseau qui permettraient de surmonter les problèmes des différentes approches existantes. Concept basé sur la notion de maître et de mobile (Master Auxilary Concept) permettant au Mobile de recevoir les données brutes d’observations de la station Maître la plus proche afin d’effectuer ses calculs de corrections.

MAX

Ce format Leica Geosystems, est basé sur le principe d’utilisation d’une cellule de plusieurs stations de référence autour du mobile avec une station de référence (la plus proche). les corrections MAX contiennent toutes les informations de corrections de la cellule et fournissent un niveau maximal de précision et de fiabilité pour le mobile.

Ces corrections optimisent la bande passante nécessaire pour transmettre les corrections.

FKP

La méthode FKP, (Flächen-Korrektur-Parameter) la plus ancienne développée par Geo++, consiste dans le principe de transmissions d’un modèle d’erreurs calculées pour le lieu ou se trouve spécifiquement le mobile. Par la suite, le mobile calcule lui-même les corrections de la même manière qu’en VRS. En plus la correction d’une station de référence physique est utilisée en combinaison avec les FKP pour calculer les corrections individualisée pour la position du mobile.

Les corrections FKP sont transmises dans le format RTCM 2.3. Cette méthode qui fournit au mobile plus d’informations est gourmande en bande passante et demande une qualité de communication stable sans pour autant être compatible full GNSS.

i-MAX

Introduit par Leica Geosystems les corrections réseau RTK sont basées sur la position du mobile sont calculées à partir des informations relatives à une station maître virtuelle créée par calculs à proximité directe du mobile afin de réduire la longueur de la ligne de base et présenter un niveau d’erreur plus faible. La position de la station maître peut changer pour suivre les déplacements du mobile.

Corrections compatibles Full GNSS transmises au format RTCM-3 MSM

VRS

Avec la Station de Référence Virtuelle , concept introduit par Trimble, le récepteur mobile interprète et utilise les données de correction-réseau 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.

Les différents formats RTCM de transmission des corrections 

Chaque point de montage est le résultat de l’assemblage des messages RTCM complexe. Cet assemblage doit faire l’objet d’une étude et d’une mise au point spécifique dans le choix de ces messages pour une bonne optimisation. Cette mise au point est importante car elle fait toute la différence entre des corrections RTK génériques et des corrections RTK optimisées.

A quoi bon investir dans un GPS de précision de grande qualité pour ensuite utiliser des corrections génériques minimalistes ou peu adaptées ?

Chez Orphéon, le choix des messages RTCM à fait l’objet d’une mise au point longue et attentive par des experts en géodésie qualifiés afin que vous puissiez tirer le meilleur positionnement en toutes circonstances de votre matériel.

A ce niveau, tous les réseaux fournissant des corrections RTK ne se valent pas.

Format RTCM-2.x (DGPS)

Ce message est le moyen le plus courant d’envoyer des corrections de code de style DGPS pour GPS ou FKP

Format RTCM-3.1 ( RTK GPS Glonass)

Les versions 3.0 et 3.1 de RTCM se concentrent sur l’optimisation de l’utilisation de la bande passante, sur une intégrité supérieure et sur la gestion des réseaux RTK

Format RTCM-3.x MSM (RTK Full GNSS)

La norme RTCM-3 MSM assure ainsi l’interopérabilité des données avec tous les récepteurs GNSS compatibles en transmettant les observations normalisées des signaux GPS + Glonass + Galileo + Beidou pour l’ensemble des fréquences L1/L2 et L5.

Les formats des messages étaient auparavant limités aux bandes L1 et L2 et à un seul signal par bande, c’est pourquoi il est devenu nécessaire d’utiliser un nouveau format de données universel en temps réel : le MSM (pour Multiple Signal Message) qui est le nouveau concept de clé RTCM-3 permettant de présenter toutes les données d’observations GNSS sous forme générique.

Liste des messages RTCM utilisés

Voici la liste des messages RTCM utilisés pour chaque point de montage pour le port 8500 (toutes applications sauf agriculture. Pour agriculture voir liste des messages RTCM du port 7500).