Maîtriser la précision : Corrections différentielles du DGPS au PPK

Dans la vie de tous les jours, la précision du système mondial de navigation par satellite (GNSS) autonome est plus que suffisante pour aider quelqu'un à trouver son chemin, mais de nombreuses applications exigent une plus grande précision. De nombreuses technologies ont été développées pour améliorer la précision du GNSS à 1 cm près, ce qui permet de créer un large éventail de nouvelles applications.

Pour obtenir une telle précision, il faut prêter attention au cadre de référence utilisé pour les calculs et les résultats du positionnement, un sujet couvert par la géodésie et les transformations du système de référence, qui dépasse le cadre de cet article.

 

Corrections GNSS

L'amélioration de la précision du GNSS repose sur la correction de diverses erreurs décrites dans notre article précédent, Maîtriser la précision : Le GNSS et ses sources d'erreur.

Il existe de nombreux types de corrections qui offrent différents niveaux de couverture et de performance. Les principales sont détaillées dans le tableau ci-dessous. Dans cet article, nous aborderons les bases des corrections les plus courantes : une brève explication du DGNSS, suivie d'explications approfondies du SBAS et du RTK, et nous décrirons les avantages du PPK.

Le prochain article de cesite series examinera plus en détail les notions de Ionoshield et le PPP plus en détail.

GNSS différentiel (DGNSS)

Le DGNSS traditionnel basé sur un code repose sur une hypothèse simple : les erreurssatellitaires et les erreurs atmosphériques locales sont supposées être les mêmes dans de petites zones. Une paire de récepteurs GPS peut alors être utilisée pour annuler les erreurs atmosphériques (ionosphériques et troposphériques) et satellitaires, améliorant ainsi les performances de navigation.

Dans ce mode de fonctionnement, un récepteur GNSS de station de base est installé à quelques kilomètres de la portée du récepteur GNSS du rover. La station de base transmet un ensemble de corrections au récepteur du rover à l'aide d'un modem RF ou GSM. Le récepteur du rover peut alors utiliser ces corrections pour calculer une position différentielle (par rapport à la station de base).

Cette technique permet d'améliorer la précision de la navigation jusqu'à un niveau inférieur au mètre, mais elle est désormais obsolète, la méthode RTK étant devenue la norme pour le positionnement de haute précision.

 

SBAS (système d'augmentation par satellite)

Le SBAS a été développé pour permettre une navigation sûre des avions civils. Il a depuis été utilisé pour de nombreuses autres applications d' utilisateurs finaux qui nécessitent une plus grande précision qu'un récepteur GNSS autonome.

 

Le concept du SBAS consiste à utiliser un réseau de stations de référence pour calculer des corrections qui peuvent améliorer les performances du GPS sur une large zone (couverture continentale).

Ces corrections sont ensuite diffusées par des satellites géostationnaires SBAS spécialisés. Les récepteurs GNSS modernes peuvent suivre ces corrections directement via leur antenne GNSS habituelle et les utiliser dans leur moteur de positionnement, comme le SBAS, qui offre une précision de 1 mètre.

L'objectif principal de toutes les constellations SBAS n'est pas d'atteindre une précision maximale, mais de permettre au GNSS d'atteindre une précision minimale pour l'application prévue (navigation et atterrissage des avions) avec un concept supplémentaire d'intégrité (mesure précise de l'erreur de position).

 

 

Les SBAS actuellement utilisés sont les suivants

• WAAS pour les pays d'Amérique du Nord
• EGNOS pour l'Europe
• GAGAN pour l'Inde
• MSAS pour le Japon

Cependant, la plupart des SBAS actuels ne fournissent des corrections que pour la constellation GPS, ce qui les rend sous-optimaux pour la navigation terrestre. Les futures solutions SBAS (par exemple EGNOS V2) fourniront des corrections multi-constellations.

 

La technologie du SBAS

Les différentes solutions SBAS utilisent la même technologie sous-jacente pour fournir des corrections. Elles fournissent des corrections pour :

• Erreurs d'horloge du satellite
• Déviations de l'orbite des satellites
• Erreurs atmosphériques

Le SBAS fournit également des informations sur l'intégrité des satellites, qui peuvent être utilisées pour rejeter les données provenant de satellites défaillants.

Les corrections atmosphériques sont également calculées à l'aide du réseau de stations de base afin de fournir un modèle des erreurs atmosphériques. La valeur de l'erreur transférée correspond au retard vertical introduit par l'atmosphère en des points donnés appelés IGP (Ionospheric Grid Points). Le récepteur peut alors corriger le retard pour les différents signaux de chaque satellite.

 

En utilisant les informations fournies par le SBAS, le récepteur peut corriger les erreurs dans la mesure basée sur la pseudo-distance, améliorant la précision de la position à environ 1,2 m RMS horizontalement et 1,6 m RMS verticalement. Il s'agit d'une amélioration significative par rapport au GNSS autonome, en particulier pour la composante verticale.

 

Cinématique en temps réel (RTK) et cinématique post-traitement (PPK)

La technologie RTK a été introduite pour la première fois pour les applications cartographie au milieu des années 1990. Comme le système de positionnement global différentiel (DGPS) traditionnel, le RTK repose sur une station de base située avec précision et sur des récepteurs GNSS de type "rover".

Deux étapes de calcul essentielles permettent un positionnement précis au centimètre près :

• Double différence
• Mesure de la phase de la porteuse et correction des ambiguïtés

 

Double différence

Le DGPS n'utilise généralement que des mesures de différence simple et de code. En revanche, le RTK ajoute des mesures de phase et utilise une approche de "double différence". Dans cette méthode, les mesures de base sont soustraites des mesures du rover, et toutes les mesures des satellites de navigation sont soustraites d'un satellite pivot.

Cette approche permet de compenser toutes les erreurs induites par le satellite, les erreurs induites par le récepteur, ainsi que les erreurs atmosphériques qui sont supposées être constantes à proximité de la station de base.

 

 

Ce calcul nous permet d'obtenir

• La position du rover (latitude/longitude/altitude) dans le système de référence de la station de base.
• Le temps du rover

La distance entre la station de base et le rover est appelée ligne de base et constitue un facteur clé du RTK. À mesure que la ligne de base augmente, le budget d'erreur augmente marginalement car les erreurs atmosphériques communes et les erreurs d'orbite communes des satellites ne sont pas complètement annulées. C'est ce que l'on appelle le "+1ppm" typique que l'on trouve dans les spécifications de précision de la position RTK.

 

Mesure de la phase de la porteuse et correction des ambiguïtés

La mesure de la phase de la porteuse, présentée dans notre article précédent, est nécessaire pour réduire les erreurs au niveau du centimètre.

Le problème des mesures de la phase de la porteuse est qu'elles sont intrinsèquement ambiguës (ou incomplètes). Il manque un nombre entier de cycles de phase porteuse dans la mesure. Cette partie manquante est également appelée "ambiguïté".

Le processus de positionnement cinématique en temps réel (RTK) commence par l'estimation de ces ambiguïtés. Ce processus est également connu sous le nom de mode "RTK Float". Dans ce mode, les ambiguïtés convergent lentement mais ne sont pas des valeurs entières. Cela permet au récepteur de lisser la position et d'obtenir une précision de l'ordre du décimètre.

Pour obtenir une précision et une robustesse maximales, l'étape suivante consiste à identifier la valeur entière de chacune de ces ambiguïtés en temps réel. Ce processus est appelé résolution des ambiguïtés sur les nombres entiers.

Le résultat de la résolution des ambiguïtés maximise la précision du RTK et offre une plus grande robustesse. C'est ce que l'on appelle communément le mode "RTK fixe".

Si le suivi de la phase d'un satellite particulier est interrompu, un "glissement de cycle" se produit et l'ambiguïté du nombre entier pour ce satellite doit être résolue à nouveau. C'est pourquoi un trop grand nombre de glissements de cycle (et en particulier des glissements de cycle sur tous les satellites en même temps) a un effet négatif sur les performances RTK. Une bonne antenne et un bon positionnement de l'antenne, ainsi qu'un environnement RF propre, sont essentiels pour limiter ces événements.

 

Post-traitement cinématique

Comme nous l'avons vu, le RTK est l'application de ces corrections "en temps réel", ce qui signifie que le rover doit disposer d'une liaison de données avec la station de base afin de calculer le traitement RTK sur le terrain.

Certaines applications n'ont pas besoin de la trajectoire en temps réel, mais pourraient bénéficier d'une plus grande précision ou d'une configuration plus simple. Le post-traitement cinématique (PPK) peut répondre à ces besoins. Avec le PPK, le rover recueille ses propres données GNSS brutes pendant la collecte des données sans recevoir de corrections en temps réel. Ces données sont ensuite post-traitées à l'aide d'informations précises provenant d'une station de base ou d'un réseau de stations de référence.

Le PPK permet une plus grande flexibilité dans la collecte des données car il ne dépend pas de corrections en temps réel. Il est souvent utilisé dans des scénarios où la communication en temps réel est difficile ou inutile, comme la cartographie aérienne, les drones cartographie ou la recherche scientifique.

PPK offre les avantages suivants lors du traitement des données GNSS :

• Amélioration du flux de travail sur le terrain: L'un des principaux coûts d'une mission RTK est de s'assurer qu'une station de base se trouve à proximité, d'installer une station de base si nécessaire, d'assurer une connexion de données fiable, etc. Qinertia dispose d'un grand nombre de réseaux CORS intégrés et d'un accès direct à des réseaux de tierces parties. Il n'est donc pas nécessaire de s'assurer de la disponibilité d'une base et d'établir une connexion de données fiable.
• Amélioration du contrôle de la qualité: De nombreux indicateurs de qualité permettent d'évaluer les performances réelles d'un traitement. Il s'agit notamment de statistiques avancées, de la séparation (différence entre la position/l'attitude calculée lors du traitement en amont et en aval), ainsi que d'indicateurs de signaux GNSS.
• Amélioration générale des performances: La résolution des ambiguïtés RTK peut prendre un certain temps (de quelques secondes à quelques minutes en fonction de la distance par rapport à la station de base et des conditions atmosphériques). Ce délai peut être important au début d'une acquisition ou dans des conditions GNSS difficiles. Le PPK atténue ces effets en traitant les données dans les deux sens, vers l'avant et vers l'arrière, afin de maximiser le taux de fixation. Les performances peuvent également être améliorées par l'utilisation d'algorithmes plus avancés ou par l'utilisation d'éphémérides satellitaires précises.