Comprendre les erreurs ionosphériques et au-delà : Explorer les conditions ionosphériques

6 novembre 2023

Introduction au GNSS

Que vous fassiez une randonnée dans la nature ou que vous conduisiez dans une rue animée de la ville, le GNSS est un compagnon fiable qui vous guide avec la plus grande précision. Le système mondial de navigation par satellite (GNSS) désigne une constellation de satellites qui émettent des signaux depuis l'espace et transmettent des données de positionnement et de synchronisation aux récepteurs GNSS. Agriculture, cartographie, transport, navigation - la technologie GNSS a un large éventail d'applications dans tous les secteurs et dans la vie de tous les jours.

Les systèmes GNSS les plus importants sont les suivants :

  • Le système de positionnement global ou GPS, développé par le ministère américain de la défense, est un réseau de satellites en orbite autour de la Terre. Il existe actuellement 30 satellites GPS opérationnels. Ces satellites émettent en permanence des signaux contenant des informations sur leur position précise et l'heure.
  • Global Navigation Satellite Systems ou GLONASS est un système de navigation par satellite développé par la Russie. Le système avait une constellation initiale de 24 satellites.
  • Galileo est le système mondial de navigation par satellite de l'Union européenne. Il vise à fournir un système de positionnement indépendant pour l'Europe et d'autres régions.
  • Le système de navigation par satellite BeiDou ou BDS est le GNSS chinois. Il offrait initialement une couverture régionale, mais avec l'achèvement de la constellation BeiDou-3, il fournit désormais des services de navigation à l'échelle mondiale.

 

Erreurs atmosphériques

L'une des sources d'erreur les plus importantes dans le positionnement GNSS peut être attribuée à l'atmosphère. Comme les satellites et les récepteurs de signaux GNSS sont très éloignés, le signal GNSS parcourt des milliers de kilomètres entre le satellite et le récepteur. Au cours de ce trajet, le signal traverse des couches atmosphériques.

L'ionosphère est la couche de l'atmosphère située entre 50 et 1000 km au-dessus de la Terre. Cette couche extérieure de la Terre contient des particules chargées électriquement appelées ions. Elles affectent de manière significative la transmission du signal GNSS, entraînant sa distorsion et son retard.

Les erreurs atmosphériques étant difficiles à prévoir en raison de leur nature changeante, il est difficile de déterminer leur impact précis sur les positions calculées.

Les retards causés par l'ionosphère peuvent varier en fonction :

  • L'heure de la journée
  • La saison de l'année
  • Situation géographique
  • L'activité solaire

Points de repère

Les erreurs atmosphériques dépendent également de la distance entre la station de base de référence et le récepteur du rover. La distance entre la station de base et le rover est appelée ligne de base. Si les erreurs de ligne de base ne sont pas prises en compte, elles entraînent des erreurs de positionnement significatives, en particulier dans les applications à longue ligne de base.

La station de base est installée à un endroit connu avec précision. Elle estime les erreurs GNSS et envoie continuellement des corrections au récepteur du rover. Le récepteur du rover utilise alors ces données pour corriger toutes les erreurs et calculer la position exacte. Ce système fonctionne bien lorsque la station de base et le rover sont proches.

Nous savons que lorsque plusieurs récepteurs sont placés côte à côte dans une zone ouverte, ils ont tendance à avoir des erreurs similaires. Les récepteurs de la station de base et du rover subissent le même retard dû à l'ionosphère et ont donc des erreurs identiques. C'est ce que l'on appelle une erreur GNSS standard. Grâce à cette caractéristique unique, nous pouvons calculer la distance relative entre les récepteurs avec plus de précision. Il est donc plus facile pour les systèmes de corriger les erreurs atmosphériques.

Pourquoi la ligne de base longue présente-t-elle un intérêt particulier aujourd'hui ?

Lorsque la ligne de base est longue, l'ionosphère introduit des écarts importants entre la station de base et le rover. Les fluctuations de l'ionosphère augmentent avec l'activité solaire. Tous les onze ans, le champ magnétique du Soleil se retourne complètement. Cela entraîne une augmentation de l'activité solaire (pic entre 2023 et 2025). De nombreux logiciels de correction modernes proposent des solutions pour tenir compte de la longue ligne de base et de l'activité solaire.

Comment les utilisateurs du GNSS peuvent-ils minimiser l'impact de l'augmentation de l'activité ionosphérique ?

Réduire l'impact de l'augmentation de l'activité ionosphérique sur les opérations GNSS :

  • Assurez-vous que vos capteurs GNSS disposent du logiciel le plus récent afin d'obtenir les meilleures performances en matière de suivi et de positionnement avec le GNSS.
  • Utilisez différents systèmes GNSS tels que GPS, GLONASS, Galileo et Baidu, s'ils sont accessibles. Cela permet d'augmenter le nombre d'observations utilisées pour le positionnement et d'obtenir un plus grand nombre de signaux GNSS suivis. Un plus grand nombre de données se traduit par une plus grande fiabilité.
  • Dans les tâches de haute précision ( cartographie ), effectuer deux mesures ou plus à des moments différents et dans des conditions ionosphériques variables.
  • Vérifiez l'influence actuelle de l'ionosphère dans votre région en utilisant divers fournisseurs de services de correction GNSS.
  • Choisissez une méthode de correction GNSS adaptée à vos besoins.

Corrections d'erreurs GNSS - RTK vs PPK

Imaginez un monde où tout est parfait : pas d'erreurs de la part des appareils qui reçoivent les signaux, pas de problèmes de la part des satellites et pas de perturbations dues à l'atmosphère. Dans ce monde idéal, le GNSS pourrait localiser les lieux avec une précision incroyable.

Mais en réalité, des erreurs peuvent se produire. Il existe un moyen de réduire ces erreurs. C'est ce que fait le GPS différentiel (DGPS). Le DGPS utilise les informations de plusieurs récepteurs pour estimer les erreurs et les supprimer.

Lesapplications, telles que cartographie, exigent une plus grande précision. Cela dépend de la technologie et des capacités de correction du récepteur.

Diverses méthodes de correction peuvent être appliquées pour traiter l'erreur côté récepteur.

  • Cinématique en temps réel (RTK)
  • Cinématique post-traitement (PPK)

Corrections RTK

Le RTK utilise un point de référence, comme une station de base, qui est proche de l'appareil GPS dont on veut connaître la position (appelé rover). En sachant où se trouve la station de base et en utilisant un algorithme, le RTK peut se débarrasser des erreurs que partagent la station de base et le rover. Ces erreurs peuvent provenir des satellites et/ou de l'atmosphère.

Pour corriger les erreurs provenant de l'atmosphère, le rover et la station de base doivent être confrontés aux mêmes erreurs. C'est pourquoi elles doivent être proches l'une de l'autre.

Grâce au RTK, le GPS peut être précis jusqu'à 1 centimètre. Cette méthode RTK est très efficace pour obtenir des solutions GPS précises, en particulier pour les terres cartographie.

Corrections PPK

PPK permet un post-traitement précis des données GNSS afin d'améliorer la qualité des informations de localisation. Il est particulièrement utile dans les scénarios où les conditions du signal GNSS sont difficiles, car il fournit des résultats plus fiables et plus précis. Il est largement utilisé dans des applications telles que la cartographie par drone, les levés géodésiques et la gestion des actifs.

La grande question est maintenant de savoir quelle est la meilleure méthode de correction. Cela dépend d'un certain nombre de facteurs tels que l'emplacement, la longueur de la ligne de base, l'activité ionosphérique, les exigences en matière de précision, la fiabilité et le budget.

Méthodes de correction des erreurs GNSS RTK et PPK

Comparons deux des méthodes de correction les plus populaires :

Critères RTK PPK
Correction des données Permet de corriger en direct les données de localisation collectées. Collecte d'abord l'ensemble des données de localisation et fournit la correction hors site.
Post-traitement Ne nécessite pas de post-traitement des données et donc pas d'utilisation d'un logiciel de post-traitement. Nécessite un logiciel spécialisé.
Puissance du signal entre la station de base et le rover La connexion entre la station de base et le récepteur du rover doit être constante. La perte du signal entraîne la perte des données et donc l'introduction d'un plus grand nombre d'erreurs. Ne nécessite pas un signal puissant entre la station de base et le récepteur du rover.
 Environnement de travail Il fonctionne mieux dans des conditions de ciel ouvert, lorsqu'il n'y a pas d'obstacles tels que des arbres, des bâtiments ou des montagnes. Lorsque des éléments bloquent les signaux GNSS, il est difficile de conserver une précision fiable. Il conserve une précision de l'ordre du décimètre, même dans les endroits parsemés d'obstacles (tunnels, ponts, vallées). Cela est possible grâce à des artefacts algorithmiques tels que le traitement "Backward-Forward".
Points de repère  Fonctionne pour des lignes de base jusqu'à 30 km. Évalue et compense les erreurs ionosphériques en cas de lignes de base plus longues.
 Récupération d'un journal endommagé N/A Possibilité de récupérer un journal endommagé par une forte activité solaire en utilisant la "longue ligne de base a posteriori".
 Activité solaire Ne tient pas compte de l'activité solaire lors du calcul des données. Prend en compte l'activité solaire pour décider entre les modes de base long et court.

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