Le principe de la correction GPS RTK

Besoin de corrections pour obtenir le centimètre

Un GPS standard donne une position naturelle approximative avec une précision de quelques mètres. Cette précision qui est suffisante pour beaucoup d’applications grand publique, peut être corrigée pour obtenir une bien meilleure précision et rendre cette technologie utilisable par les professionnels pour leurs travaux de précision.

Des corrections pour gagner en précision

Pour que sa précision soit augmentée et utilisable dans les travaux agricoles, la topographie, le guidage d’engins ou dans bien d’autres domaines d’application (voir)   Il nécessite des corrections.

Les GPS vont devoir intégrer des données supplémentaires dans leurs calculs de positionnement afin de corriger les différentes erreurs liées à cette technologie.

Les données de corrections sont obtenus à partir de GPS fixes (station de référence) placés sur des positions dont les coordonnées sont parfaitement connues. Il est ainsi possible de quantifier les différentes erreurs et les corriger pour pouvoir ensuite les partager avec d’autre GPS se situant dans les même conditions (à proximité).

Les GPS de précision

Nous distinguons deux types de récepteurs GNSS : 

• • • 1. Les récepteurs grand public (Montres, téléphones, tablettes, voitures etc…) qui vont travailler uniquement en mode naturel sans possibilité d’améliorer leur précision grâce à des corrections
      2. Les récepteurs de précision, qui vont être capables d’intégrer des données externes de corrections leur permettant d’augmenter leur précision. 

Performances du GPS

Tous les GPS du marché n’ont pas les mêmes performances.

Avant toutes choses, les coordonnées géographiques fournies par un GPS sont le résultat de calculs statistiques complexes. Plus il y a de satellites observés, plus il y a de signaux à traiter et plus la puissance de calcul devient importante, mais pas seulement. 

En effet pour effectuer ces calculs complexes, rien n’est laissé au hasard. Les grands constructeurs font des choix de composants sans compromis pour la CPU, la mémoire, la fréquence, l’assemblage constituant le moteur. Tout cela faisant l’objet d’investissements, de recherche et de dépôts de nombreux brevets, mais pas seulement.

Les GPS vont devoir travailler dans des conditions variables de température, d’humidité et dans des environnements plus ou moins parasités. Pour pouvoir résister à ces conditions, les grands constructeurs développent des méthodes et des filtres de calculs toujours plus performants faisant également l’objet de nombreux brevets. 

Pour résumer, la différence entre 2 GPS se joue déjà sur la réputation du fabriquant ainsi que la description de la fiche technique mais aussi sur un ensemble d’éléments concrets qui feront vraiment une grande différence au quotidien sur le terrain.

Accéder aux corrections

Pour accéder aux corrections le GPS de précision doit disposer d’un accès internet mobile. Après s’être identifié sur le serveur et avoir donné sa position initiale, le GPS va recevoir un flux de données chaque seconde contenant les paramètres de correction à intégrer à son calcul de positionnement. En quelques instants, le GPS va converger vers une précision centimétrique.

Depuis plus de 15 ans, le réseau Orphéon propose des services de corrections GPS d’augmentation de précision RTK Full GNSS temps réel permettant aux utilisateurs, en utilisant un seul capteur GNSS de se positionner avec une précision centimétrique dans la référence nationale partout en France et aux Antilles.

Le RTK

Le RTK (Real Time Kinematic) est le dispositif permettant de transmettre en temps réel les données de corrections d’une base d’observation aux GPS mobiles.

Le mobile va alors intégrer les informations de cette station d’observation (mono-station) dans son calcul de positionnement pour gagner en précision.

La vrai force du réseau Orphéon 

Le N-RTK (Network Real Time Kinematic) vient de l’utilisation de plusieurs bases d’observations connectées ensemble en réseau pour optimiser et de modéliser les informations de corrections  sur la zone couverte.

• En mode corrections réseau pour un récepteur GNSS RTK centimétrique la précision de positionnement est indépendante de la distance à la station physique du réseau la plus proche.

• Avec le réseau Orphéon, vous travaillez avec une précision identique sur tout le territoire grâce à une cellule de plusieurs stations de référence crée autour de l’utilisateur et à la répartition homogène des stations  sur toutes les zones couvertes, quelle que soit votre position.

Les données de ce réseau de stations d’observations sont rassemblées en temps réel sur un serveur centralisé. Les mobiles se connectent au serveur via internet mobile pour obtenir leurs informations de corrections.

Les stations d’observations

Orphéon est le premier réseau Français multi-constellations de France.

Avec ses 220 stations en France continentale, toutes Full GNSS soit : GPS, GLONASS , Galiléo et BeiDou avec une présence historique dans les Antilles Françaises.

L’ensemble de nos stations forment un grand réseau RTK équilibré qui nous permet de délivrer à nos nombreux clients les corrections GNSS centimétriques pour l’augmentation de la précision de leur GPS de précision.

Nos différents services sont commercialisés sous forme d’abonnements ou de forfaits horaires.

Cliquer sur la carte pour accéder à la carte interactive du réseau

Le système de corrections de positionnement par satellites Orphéon est basé sur un réseau de stations de références d’observations (OSR : Observation Space Representation ) réparties sur le territoire dont chaque position est connue avec précision.

Toutes les observations de ce réseau sont concentrées sur un centre de calculs pour délivrer à chaque utilisateurs des corrections lui permettant d’obtenir un positionnement beaucoup plus précis.

Les services OSR offrent une précision de positionnement au centimètre près, au sein du réseau ou bien à moins de 30 km de la station de référence la plus proche (en mode mono station).

Une implantation très régulière, sans compromis et sans équivalent en France.

Le choix d’une implantation minutieuse de chacune de nos 215 stations de référence crée un maillage géométrique linéaire et régulier. La couverture du territoire est uniforme où que vous vous trouviez.

Une implantation régulière et homogène

Avec le réseau Orphéon, vous travaillez avec une précision identique sur tout le territoire grâce à une répartition des stations homogène sur toutes les zones couvertes, quelle que soit votre position, la distance de la station de référence la plus proche, n’est jamais à plus de 30 km.

Vous recevez ainsi les corrections provenant d’une combinaison de plusieurs stations pour plus de stabilité et de précision. Il n’y a qu’un seul paramétrage du matériel pour se connecter au réseau partout en France, c’est notre serveur qui se charge d’établir automatiquement la cellule de stations d’observation qui vous correspond.  

Le réseau Orphéon se démarque ainsi notablement de ses concurrents qui multiplient le nombre de stations de référence à cause de leur l’implantation désordonnées sur le territoire et dont la couverture perd en homogénéité, laissant des distances parfois très grandes dans les mailles de leur réseau.

Une couverture renforcée

Cette couverture est renforcée aux frontières grâce au partage de stations de référence de notre réseau international Hxgn SmartNet avec :

• • • • • La Belgique
        • Le Luxembourg
        • L’allemagne
        • La Suisse
        • L’italie
        • L’Espagne

Un positionnement centimétrique de haute qualité

S’appuyant sur les fréquences L1, L2 et L5 émises par les satellites afin 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. 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.

La précision du positionnement avec Orphéon est centimétrique pour un écart type de 1σ :

• • • • • comprise entre 1 et 2 centimètres en planimétrie (Lambert 93).,
        • comprise entre 2 et 3 cm en altimétrie (IGN69).

Techniquement :

Le fait de travailler en réseau permet d’obtenir, en quelques secondes, une précision homogène sur toutes les zones couvertes, quelle que soit la distance séparant le mobile de la station la plus proche. Le système est compatible avec la très grande majorité des récepteurs mobiles du marché dans la mesure où les corrections sont diffusées dans des formats standards :

Dans un format normalisé (RTCM3) ou dans des formats propriétaires bien définis (CMR/CMR+, MAX, iMAX, LB2)
Suivant des concepts de calcul en réseau, eux aussi bien définis et normalisés (MAC).

Un réseau et des services Full GNSS

L’infrastructure et les logiciels de calculs nous permettent de délivrer des corrections de positionnement pour les différentes constellations GNSS  :

100% de satellites supplémentaires

L’ajout des satellites Galiléo et BeiDou aux satellites GPS et GLONASS permet désormais de doubler le nombre de satellites pouvant être observés en simultané par une antenne GNSS.

L’ajout des constellations GALILEO et BeiDou grâce au réseau Orphéon n’est pas un simple gadget, mais l’assurance d’une meilleure productivité au quotidien sur le terrain.

En effet, vous pouvez dès aujourd’hui compter en permanence sur une disponibilité constante d’au moins 20 satellites en permanence pour vous apporter de réels avantages :

 Une qualité de positionnement accrue

• • • • • Plus de satellites disponibles pour calculer sa position
        • Un positionnement précis même dans des environnements difficiles (canyons urbains par exemple ou sous une canopée)
        • Une fiabilité du positionnement améliorée
        • Un temps de fixation plus court
        • Multifréquences L1/L2 et L5

Les différents messages de transmission des corrections 

Chaque point de montage est le résultat de l’assemblage de messages selon la norme 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.

Tout a été pensé pour vous permettre de bénéficier d’une productivité accrue.

Le GPS

Un GPS est un récepteur de signaux envoyés par des satellites pour lui permettre de calculer sa position. En mode naturel (sans correction) ce calcul permet d’obtenir une précision de l’ordre de plus ou moins 3 m. Pour obtenir le calcul d’une position, le récepteur doit capter les signaux d’au moins 4 satellites.

Pour déterminer la position, le récepteur GPS calcule la distance à laquelle se trouvent 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.

Principe de la correction :

En plaçant une Station GPS de Référence fixe (ou station de base) dont on connait la position exacte et précise, 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).

 

Pour distribuer cette correction aux GPS qui se trouvent à proximité, il faut pouvoir communiquer avec eux, soit par radio soit par téléphonie mobile (modem).

Le mono Station :

En connectant un GPS mobile à une station de référence fixe (ou pivot) par radio ou téléphonie mobile, il est possible de profiter des corrections et donc de la précision centimétrique calculées par la station de référence (mode RTK).

 

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 présente beaucoup d’intérêts car il 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.

 

Le mode réseau :

Le mode réseau ou NRTK, est un mode avancé de calculs des corrections 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 du récepteur mobile, 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.

Ce mode offre également un avantage indéniable car il ne dépend pas d’une seule station de base pour générer des corrections de qualité mais d’une cellule et 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.

La mise en route très rapide et le temps d’initialisation sont réduits. 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 de la répétabilité.

Les constellations de satellites :

Jusqu’à aujourd’hui, nous utilisions le terme générique GPS pour Global Positioning 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.

GPS + Glonass + Galiléo + Beidou

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 :

• GPS pour les satellites américains
• Glonass pour la Russie,
• Galileo pour l’Europe a également été mis en service, toutes sont disponibles en France.
• Beidou pour la Chine et plus récemment

L’ensemble de ces constellations est regroupé sous la seule appellation de GNSS pour Global Navigation Satellite System.

Compatibilité matériel

Le récepteur doit avant tout être capable de recevoir et de traiter des corrections en étant client-RTK (ce qui n’est pour le moment pas le cas de la majorité des smartphones). Différents fabricants, représentés par nos distributeurs, proposent une large gamme de récepteurs adaptés aux différentes applications les plus courantes (voir Domaines d’application). Mais il est également possible de trouver de nombreuses cartes électroniques ou composants à intégrer pour le développement de solutions dédiées ou pour l’études et la conception de nouvelles applications.

Les récepteurs GNSS ne sont pas tous compatibles avec la totalités des constellations de satellites aujourd’hui disponibles. 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 4 satellites pour établir une position.

Les avantages du GNSS

En offrant la possibilité de mixer les signaux des différentes constellations de satellites, les récepteurs GNSS permettent de calculer une position plus stable mais aussi de travailler dans des endroits plus restreints.

En effet, les bâtiments les arbres, les constructions etc créent des masques qui empêchent les récepteurs de recevoir correctement les signaux des satellites. Plus un récepteurs est en capacité de traiter de signaux différents et moins ces masques vous empêcheront de travailler : d’où un confort de travail et une productivité accrus.

Par exemple en Agriculture, une première application consiste concrètement à mettre à profit l’autoguidage GPS d’engins afin d’optimiser les opérations de travail du sol, de semis, d’épandage et de récolte en minimisant les recouvrements de 13% entre passages du tracteur permettant par là même de préserver chaque pied, d’optimiser le temps machine, la consommation de carburant, l’usure des outils ou encore la masse salariale. Les temps de préparation sont également réduits grâce à la suppression du jalonnage (environ une heure pour 10 ha). – source  les essentiels d’Arvalis

Le tracteur se déplaçant tout seul tout au long du travail effectué, des corrections doivent lui parvenir de façon continue. La qualité du travail obtenu dépend de la précision de ces corrections qui elles même dépendent des différentes technologies disponibles mais aussi de la qualité de réception de ces informations.

La précision ainsi obtenue permet de réduire les intrants et d’ajuster la gestion des cultures pour une amélioration de l’impact environnemental s’inscrivant dans les programmes d’agriculture durable mais aussi permettre d’augmenter les économies dans votre exploitation. Le guidage GPS permet de se concentrer sur le travail de l’outil avec un résultat répétable et constant, réduisant d’autant la fatigue. Cette solution permet également d’étendre les plages d’intervention possible lorsque les conditions de visibilité sont réduites.

D’autres applications