Limites de précision du positionnement GPS / GNSS
La grande distance parcourue par le signal entre les satellites et les récepteurs GPS / GNSS entraîne un certain nombre de phénomènes qui influencent la précision du positionnement par GPS.
Les conditions de réceptions au niveau du récepteurs engendrent également d’autres phénomènes. C’est donc la conjonction des tous ces facteurs qui contribue à dégrader la précision.
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 complètement s’annuler par différentiations multiples.
il existe donc des facteurs « naturels » qui limitent la précision des récepteurs GPS / GNSS. Dans l’ordre de leur influence sur la perte de précision liée à la réfraction dans l’ionosphère.
Cette réfraction n’est pas constante et subit les conséquences de l’activité solaire quotidienne. Il est donc intéressant de comprendre et de suivre cette activité et son influence sur le fonctionnement de nos instruments.
Visualisez l’activité Ionosphérique avec Orphéon
Il est désormais possible de visualiser le niveaux des perturbations sur votre espace client ou bien sur l’application smartphone pour les 8 dernières heures (NOVA Maps).
Activité solaire intense
Le 02 Octobre 2013, l’ensemble des réseaux satellitaires (GNSS, télécommunications…) du monde entier ont subi des perturbations temporaires dues à l’activité solaire intense.
Éruption Solaire
La Terre peut être assimilée à un dipôle magnétique dont le champ protège l’atmosphère terrestre des particules énergétiques en les déviant de leur trajectoire.
Des fluctuations du nombre, de l’énergie ou de la vitesse des particules du vent solaire peuvent provoquer une variation du champ magnétique terrestre (orientation et amplitude) et dès lors perturber ce système de bouclier magnétique ; on parle de perturbation géomagnétique
Les conséquences
Les conséquences provoquées par des phénomènes solaires comme des éruptions ou des tempêtes géomagnétiques sont nombreuses et variées : corrosion accélérée des pipe-lines, pannes de satellites ou de réseau électrique… Les phénomènes d’origine solaire provoquent également des perturbations ionosphériques qui entraînent une dégradation de la précision des applications GNSS.
À l’heure actuelle, de récentes techniques de positionnement GPS basées sur l’envoi de corrections différentielles par une station de référence (comme le Real-Time Kinematic ou RTK) permettent, d’une manière générale, d’obtenir une précision de l’ordre de quelques centimètres en temps réel. Toutefois, l’ionosphère constitue la principale limitation à la précision de ces méthodes de positionnement.
En traversant cette couche atmosphérique située entre 50 et 1000 km d’altitude chargée en particules électriques sous l’effet de la ionisation de ses molécules par le rayonnement électromagnétique solaire (ultraviolets), les signaux GNSS sont réfractés, engendrant un allongement de leur parcours ce qui explique l’erreur de positionnement d’un recepteur GNSS quelles que soient les constellations de satellites utilisées (GPS, Glonass, Galiléo ou Beidou).
Une activité solaire importante tous les 11 ans
L’activité solaire suit un cycle périodique de 11,2 ans en moyenne
L’activité solaire passe par un maximum durant lequel son rayonnement augmente et des taches solaires apparaissent ainsi que des éruptions libérant dans l’espace des jets de matière ionisée (masse coronale) provoquant des tempêtes géomagnétiques (ondes de Moreton) qui perturbent les transmissions radioélectriques, peuvent déranger le champ magnétique terrestre et endommager des satellites en orbite haute.
2015 étant un maximum de ce cycle.
L’année 2020 fut donc synonyme de la fin d’un cycle de baisse des perturbations ionosphériques pour nos applications. Nous devons nous attendre à l’avenir à devoir faire face à une activité solaire en augmentation d’où l’importance d’avoir un réseau de stations GNSS permanentes dense pour bien modéliser cette erreur.
Autres facteurs : Précession et Nutation périodique 18.6 ans
Par ailleurs, l’axe de rotation terrestre dessine un cercle sur la sphère céleste (Précession). Cependant, ce cercle n’est pas parfait due à l’attraction de la Lune, et dans une moindre mesure du Soleil. L’excentricité est l’un des facteurs les s’ajoutant à ces perturbations car lorsqu’elle est maximale, la Terre au périhélie peut recevoir du Soleil jusqu’à 26 % d’énergie de plus qu’à l’aphélie (impactant également les variations climatiques naturelles de la terre – John Imbrie). Cette oscillation périodique (Nutation) parcourt un cycle complet en 18,6 années. (cycles de Milankovitch)
Comme vous pouvez le voir sur le graphique ci-dessus, le cycle de l’activité solaire atteint son minimum en 2020 et les prévisions de cette activité sont désormais à la hausse :
Au fil des mois, le nombre de taches solaires a rapidement commencé à dépasser les prévisions pour un mois donné au milieu de 2020, ce qui s’est ensuite accéléré au début de 2021. En mars 2021, le nombre de taches solaires était régulièrement bien supérieur à la quantité prévue, conduisant à une moyenne lissée supérieure au double de ce qui avait été prévu.
Arrivée en janvier 2023, la NOAA avait une valeur moyenne prévue de 63,4, alors que la valeur mesurée a atteind 143,6 !
Source : Site SpaceWeatherLive.com article du 08.02.2023
par Christian Harris
Variations quotidiennes
Au cours d’une journée, l’activité ionosphérique liée à l’activité solaire est maximale aux alentours de 12h00, heure solaire. Ainsi comme le montre le graphique ci-dessous, cette activité ionosphérique était très importante mercredi 2 octobre à midi avec des valeurs d’index I95 au-delà de la limite de 8 indiquant une très forte activité pour les applications visées et impactant donc toutes communications satellitaires lors de leur passage dans la ionosphère alors riche en particules chargées :
La Météo des perturbations
Comme vous pouvez le voir sur le site web du SpaceWeatherLive.com qui observe la Météo Solaire, ce phénomène est global avec un indice ionosphérique K (quantification des perturbations géomagnétiques) . Celui-ci est une moyenne des indices K relatifs à 13 stations situées entre 44 et 60◦ de latitude ; il s’agit donc d’un indice global.
L’indice K est un indice local qui caractérise la variation du champ magnétique à la station considérée par rapport à une journée calme de référence ; ces mesures sont réalisées à l’aide de magnétomètres. L’échelle de l’indice Kp comporte
10 échelons :
Les échelons de l’Indice Kp
Lorsque l’indice Kp est supérieur à 5, cela correspond à une tempête géomagnétique :
Par ailleurs, de manière complètement dé-corrélée, la répartition des satellites GPS n’est pas optimale dans cette même tranche horaire avec un GDOP dépassant la limite fixée à 3 comme figuré ci-dessous :
Pour rappel, le DOP correspond à un coefficient d’affaiblissement de la précision liée à la bonne répartition des satellites dans le ciel (calcul de la position du mobile par multilatération spatiale). Le GDOP (General Dilution of Precision), idéalement égal à 1, ne doit pas excéder 2 ou 3 pour des applications de positionnement de précision.
Au-delà de la notion de DOP, il faut également un minimum de 5 satellites visibles au-delà du fait qu’ils soient bien répartis, ce qui peut s’avérer compliqué à ce moment de la journée, cette configuration particulière liée à la nature même des orbites GPS avançant de 4 minutes par jour :
Pour rappel enfin, GLONASS servant d’augmentation à GPS pour la majorité des mobiles GNSS, il faut un minimum de satellites GPS (au moins 4) bien répartis pour pouvoir travailler en GPS+GLONASS.
Prévoir l’état des constellations sur vos chantiers
En suivant le lien suivant, vous trouverez un outil vous permettant de visualiser et de prévoir l’état des constellations sur vos chantiers : http://www.gnssplanningonline.com/#/Settings
L’impact sur votre connexion
Comme vous l’aurez compris à ce sujet, si vous avez des problèmes en milieu de journée (temps anormalement long pour fixer les ambiguïtés entières ou impossibilité de les fixer en environnements dégagés, passages répétés en flottant alors même que vous recevez bien des corrections etc.), vérifiez le nombre et la répartition des satellites GPS et vérifiez l’activité ionosphérique via le site : http://gpsweather.meteo.be/geomagnetism/ground_K_dourbes.
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.
Malheureusement il est très difficile de se prononcer sur une valeur donnée car l’impact des perturbations va principalement dépendre de l’endroit exact où vous vous trouvez
- Les perturbations fluctuent en fonction des zones et en fonction des moments de la journée
- En plus des différentes perturbations, l’impact peut être différent en fonction de l’environnement (bâtiments, arbres, masques, multi-trajets, nombre de satellites observés, etc ..)
- La sensibilité du matériel (son Age, sa version de logiciel, son moteur de calcul, le type d’antenne externe, etc …)
- La qualité de la connexion internet mobile (latences etc)
Donc, parmi les recommandations essentielles en période de perturbations (et surtout si vos mesures d’élévation en Z sont importantes) :
- Surveiller le GDOP reste inférieur à 3 – 4,
- Respecter des temps d’acquisition des points suffisamment longs
- Réoccuper au moins une fois les points importants au bout de 20 minutes au moins (permet de constater d’éventuels écarts)
Mais aussi nous recommandons en cas de mesures sensibles :
- Enregistrer les données brutes d’observation au format Rinex en parallèle de vos meures de terrain temps réel (permet ensuite de contrôler avec un post-traitement).
- Vérifier à postériori les différents états de votre mobile lors de la cession de mesure grâce à votre espace client Orphéon et aux journaux de logs enregistrés (permet de voir si le mobile a fixé les ambiguïtés, ou s’il est en flottant etc …)
Le but de ces précautions est principalement d’avoir un certain indice de confiance dans les mesures effectuées et de pouvoir déterminer celles qui potentiellement seraient plus douteuses.
Le choix stratégique de votre matériel
Aujourd’hui plus que jamais, le choix de votre équipement est essentiel.
Si pendant des années ces perturbations physiques sont restées assez discrètes, elles ont pu nous laisser penser que tous les récepteurs GPS du marché se valaient et qu’ils présentaient peu ou prou les mêmes performances.
Or nous le savons bien, il y a parfois de fausses économies. Il vaut mieux parfois acquérir un matériel d’un grand constructeur avec moins de fonctionnalité mais être sur de ses performances dans l’adversité et les conditions difficiles du terrain.
La force du réseau Orphéon
Notre réseau étant à ce jour construit selon les règles de l’art avec des stations tous les 60 km, vous ne devriez normalement ne pas être trop impacté. Nous souhaitions cependant vous faire passer l’information, un utilisateur averti en valant deux !
L’intérêt des Multifréquences L1/L2 et L5
L’utilisation de fréquences multiples permet un meilleur rejet des signaux de réfection ce qui permet de traiter un maximum de signaux directs qui apporte une plus grande précision et une plus grande répétabilité de positionnement.
Le positionnement des stations d’observation du réseau Orphéon et les calculs de corrections s’appuyant sur les fréquences L1 et L5 émises par les satellites permet de rendre le positionnement plus résistant aux interférences et aux réflexions de signaux, notamment dans un environnement urbain.
Concrètement le temps d’initialisation et de délai pour fixer ou de convergence s’en trouve notablement réduits ainsi que les temps de repositionnent en cas de déconnexion.
Le taux de disponibilité le plus élevé du marché
La force du réseau Orphéon est d’avoir été intégré dans le plus grand réseau européen pour partager des infrastructures et des équipes techniques les plus qualifiées et pour garantir des procédures de contrôles identiques sur toute la zone de couverture, un suivi renforcé continu et régulier de l’ensemble de stations et du réseau. Cette équipe technique internationale d’un grand constructeur est chargée de superviser l’ensemble des installations 24 h/365 j.
Une expertise internationale couvrant de nombreux pays
Un choix de matériel et de récepteur GNSS pour le réseau
Les stations GNSS du réseau Orphéon sont toutes de même marque, pour limiter les bruits de mesure entre capteurs et permettent à 100% les calculs des corrections Full GNSS en réseau (GPS + GLONASS + Galileo + BeiDou). De plus, les stations sont toutes la propriété de Geodata Diffusion, de manière à assurer pérennité et performance.
Le choix sans aucun compromis du matériel utilisé pour créer le réseau Orphéon
Tous les capteurs et les antennes sont de même marque afin que les biais d’électronique soient parfaitement maîtrisés ou tout du moins constant dans le calcul RTK réseau.
L’antenne GPS / GNSS de la station est reliée par un câble d’antenne à un coffret électrique hébergeant :
- Le récepteur GPS / GNSS.
- Un modem pour le connecter à notre réseau de télécommunication propriétaire.
- Tous les automatismes nécessaires au redémarrage du site à distance en cas d’indisponibilité des équipements.
- Transmission des données dédoublé pour une plus grande disponibilité
