Masques et multitrajets
Dans les zones boisées ou bordées de constructions, il se peut que certains satellites 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.
Masques et multitrajets
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 complètement s’annuler par différentiations multiples.
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.
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.
Erreur liée à la traversée de la ionosphère
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
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
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 ».
Dilution de la précision GDOP, HDOP …
Le HDOP, une question de géométrie
La précision de positionnement d’un système de navigation par satellites (GPS) est affecté par les erreurs mathématiques liées à la géométrie des satellites observables soit à cause de leur position et leur répartition au dessus de l’utilisateur. Qui peut etre défini comme :
L’idée du DOP géométrique (GDOP) est d’indiquer comment les erreurs de mesure affecteront l’estimation de l’état final.
Le DOP peut être exprimé en un certain nombre de mesures distinctes :
- HDOP – dilution horizontale de la précision
- VDOP – dilution verticale de la précision
- PDOP – dilution de position (3D) de la précision
- TDOP – dilution temporelle de la précision
- GDOP – dilution géométrique de la précision
Valeurs repères
Ces valeurs découlent mathématiquement des positions des satellites utilisables. Les récepteurs de signaux permettent l’affichage de ces positions ( skyplot ) ainsi que les valeurs DOP.
| Valeur DDP | Classement | La description |
|---|---|---|
| <1 | Idéal | Niveau de confiance le plus élevé possible à utiliser pour les applications exigeant la plus grande précision possible à tout moment. |
| 1-2 | Excellent | À ce niveau de confiance, les mesures de position sont considérées comme suffisamment précises pour répondre à toutes les applications, sauf les plus sensibles. |
| 2-5 | Bien | Représente un niveau qui marque le minimum approprié pour prendre des décisions précises. Les mesures de position pourraient être utilisées pour faire des suggestions de navigation fiables à l’utilisateur. |
| 5-10 | Modérer | Les mesures de position pourraient être utilisées pour les calculs, mais la qualité de la correction pourrait encore être améliorée. Une vue plus dégagée du ciel est recommandée. |
| 10-20 | Équitable | Représente un niveau de confiance faible. Les mesures de position doivent être ignorées ou utilisées uniquement pour indiquer une estimation très approximative de l’emplacement actuel. |
| >20 | Pauvre | À ce niveau, les mesures sont imprécises jusqu’à 300 mètres avec un appareil précis de 6 mètres (50 DOP × 6 mètres) et doivent être rejetées. |
La carte du ciel
La carte du ciel permet de se faire une bonne idée de la répartition des satellites au-dessus de soi et donc potentiellement des problèmes de DOP que l’on pourrait rencontrer.
Exemple d’observation du ciel des constellations GPS et Glonass avec un angle de coupure de 45° comparé à la carte du ciel en Full GNSS avec un angle de coupure de 10°.
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.
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
- Le premier réseau Full GNSS ... (précédent)
- Les stations permanentes ... (suite)
