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 engendre 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.

Activité solaire intense

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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.

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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).

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Une activité solaire importante tous les 11 ans

L’activité solaire suit un cycle de onze ans, 2015 étant un maximum de ce cycle. Cette année 2020 est 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.

Comme vous pouvez le voir sur le graphique ci-dessous, le cycle de l’activité solaire atteint son minimum et les prévisions de cette activité sont désormais à la hausse :

Le cycle de l'activité solaire de 2002 à aujourd'hui
Le cycle de l’activité solaire de 2002 à aujourd’hui

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 :

Activité ionosphérique
Activité ionosphérique

Les perturbations liées aux tempêtes géomagnétique

Comme vous pouvez le voir sur le site web du SpaceWeatherLive.comqui 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.

Activité ionosphérique

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 :

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Les échelons de l’Indice Kp

Lorsque l’indice Kp est supérieur à 5, cela correspond à une tempête géomagnétique :

indice ionosphérique K
indice ionosphérique K

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 :

répartition des satellites GPS
Répartition des satellites GPS

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 :

Carte du ciel GPS
Carte du ciel

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

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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.

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 !

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