Dans un scénario quotidien, la précision d'un système mondial de navigation par satellite (GNSS) autonome est plus que suffisante pour aider une personne à s'orienter, mais de nombreuses applications nécessitent une plus grande précision. De nombreuses technologies de corrections différentielles ont été développées pour améliorer la précision du GNSS à moins de 1 cm, ce qui permet un large éventail de nouvelles applications.
L'obtention d'une telle précision nécessite de prêter attention au référentiel utilisé pour les calculs et les résultats de positionnement, un sujet abordé dans Géodésie et transformations de datum, ce qui dépasse le cadre de cet article.
Corrections GNSS
L'amélioration de la précision GNSS repose sur la correction de diverses erreurs.
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 décrirons les avantages du PPK.
Le prochain article de cette série examinera de plus près Ionoshield et PPP plus en détail.
GNSS différentiel (DGNSS)
Le DGNSS traditionnel basé sur un code repose sur une hypothèse simple : les erreurs satellitaires et les erreurs atmosphériques locales sont supposées être les mêmes dans les 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 de fonctionnement 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 peut améliorer la précision de la navigation à un niveau inférieur au mètre, mais elle est désormais obsolète car le RTK est devenu la norme pour le positionnement de haute précision.
SBAS (Satellite Based Augmentation System)
Le SBAS a été développé pour permettre la navigation sûre des aéronefs civils. Il a depuis été utilisé pour de nombreuses autres applications destinées aux 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 susceptibles d'améliorer les performances du GPS sur une vaste zone (couverture continentale).
Ces corrections sont ensuite diffusées par des satellites géostationnaires SBAS dédiés. 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 systèmes 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 que des corrections 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 des satellites
- 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 défectueux.
Des corrections atmosphériques sont également calculées à l'aide du réseau de stations de base afin de fournir un modèle des erreurs atmosphériques. La valeur d'erreur transférée correspond au retard vertical introduit par l'atmosphère à 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 Temps Réel (RTK) et Cinématique Post-traitée (PPK)
La technologie RTK a été introduite pour la première fois pour les applications topographiques au milieu des années 1990. Comme le système différentiel mondial de positionnement (DGPS) traditionnel, le RTK repose sur une station de base et des récepteurs GNSS mobiles situés avec précision.
Deux étapes de calcul clés permettent un positionnement précis au centimètre près :
- Double différence
- Mesure de phase porteuse et résolution d'ambiguïtés
Double différence
Le DGPS utilise généralement des mesures de code et de différence unique uniquement.
D'autre part, le RTK ajoute des mesures de phase et utilise une approche de « double différence ». Dans cette méthode, les mesures de la station de base sont soustraites des mesures du mobile, et toutes les mesures des satellites de navigation sont soustraites d'un satellite pivot.
Cette approche peut compenser toutes les erreurs induites par les satellites, les erreurs induites par le récepteur, ainsi que les erreurs atmosphériques qui sont supposées constantes au voisinage de la station de base.
À partir de ce calcul, nous obtenons :
- 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. Lorsque la ligne de base augmente, le budget d'erreur augmente marginalement car les erreurs atmosphériques communes et les erreurs d'orbite du satellite 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 phase porteuse et résolution d'ambiguïtés
La mesure de la phase porteuse, présentée dans notre article précédent, est nécessaire pour réduire les erreurs au niveau du centimètre.
Le problème des mesures de la phase porteuse est qu'elles sont intrinsèquement ambiguës (ou incomplètes). Il manque un nombre entier de cycles de phase de la 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 d'ambiguïté de nombre entier.
Le résultat de la résolution d'ambiguïté maximise la précision 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 des nombres entiers 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-processing Kinematics
Comme nous l'avons vu, le RTK est l'application de ces corrections « en temps réel », ce qui signifie que le rover doit avoir une connexion de liaison de données à 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 Processing Kinematic (PPK) peut répondre à ces besoins. Avec le PPK, le rover collecte ses propres données GNSS brutes pendant la collecte de données sans recevoir de corrections en temps réel. Plus tard, ces données sont post-traitées à l'aide d'informations précises provenant d'une station de base ou d'un réseau de stations de référence.
Le PPK offre plus de flexibilité dans la collecte de données, car il ne repose pas sur des corrections en temps réel. Il est souvent utilisé dans les scénarios où la communication en temps réel est difficile ou inutile, comme la cartographie aérienne, les levés par drone ou la recherche scientifique.
Avantages de l'utilisation du PPK pour les corrections différentielles.
Le PPK offre les principaux avantages suivants lors du traitement GNSS :
- Amélioration du flux de travail sur le terrain : un coût majeur d'une mission basée sur RTK est de s'assurer qu'une station de base est à proximité, de mettre en place une station de base si nécessaire, de garantir une connexion de données fiable, etc. Qinertia possède un grand nombre de réseaux CORS intégrés et un accès direct aux réseaux tiers. Cela élimine la complexité de s'assurer de la disponibilité d'une base et de mettre en place une connexion de données fiable.
- Amélioration du contrôle qualité : De nombreux indicateurs de qualité aident à évaluer les performances réelles d'un traitement. Ceux-ci incluent des statistiques avancées, la séparation (différence entre la position/l'attitude calculée pendant le traitement aller et le traitement retour), ainsi que les indicateurs de signaux GNSS.
- Amélioration globale des performances : La résolution d’ambiguïtés RTK peut prendre un certain temps (de quelques secondes à quelques minutes selon la distance à la station de base et les conditions atmosphériques). Cela peut être important au début d’une acquisition ou dans des conditions GNSS difficiles. Le PPK atténue ces effets en traitant dans les directions avant et arrière afin de maximiser le taux de correction. Les performances peuvent également être améliorées en utilisant des algorithmes plus avancés ou en utilisant des éphémérides de satellite précises.