Dans nos précédents articles « Maîtriser la précision », nous avons abordé le GNSS, ses sources d'erreurs et la manière dont le RTK les atténue en supposant que la base et le rover sont suffisamment proches pour que les erreurs atmosphériques soient supprimées par des calculs de différences doubles. Cependant, les couches atmosphériques sont souvent hétérogènes, de sorte que cette méthode peut ne pas éliminer complètement les erreurs, ce qui entraîne une réduction de la précision.
Qu'est-ce que l'ionosphère et quel est son impact sur le GNSS ?
L'ionosphère est une composante essentielle de la haute atmosphère terrestre, située approximativement entre 50 et 1 000 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre.
Le rayonnement solaire frappe les particules de cette couche atmosphérique, ce qui entraîne la présence d'électrons libres et d'ions (atomes qui ont gagné ou perdu des électrons). Le degré d'ionisation varie en fonction de l'altitude, de l'activité solaire et de l'heure de la journée.
Les aurores polaires sont une conséquence visible de cette ionisation de la haute atmosphère. En ce qui concerne la communication RF, et en particulier la transmission des signaux GNSS, ces particules chargées créent des retards sur les signaux lorsqu'ils traversent l'ionosphère. Et comme le GNSS repose fondamentalement sur la capacité de prendre en compte le temps de trajet des signaux, ces retards ont un impact majeur sur la précision du GNSS.
En cas de forte activité solaire, l'impact peut être encore plus problématique : la scintillation ionosphérique peut dégrader les signaux au point de les rendre inutilisables pour la navigation. Les tempêtes solaires peuvent également provoquer des pannes permanentes ou temporaires sur les infrastructures. Voici quelques exemples :
- Mars 1989 : d’importantes pannes d’électricité ont été observées à la suite d’une tempête solaire
- Juillet 2000 : coupures radio et défaillance des satellites
- Février 2022 : 40 satellites Starlink ont été détruits par une tempête solaire
Cycles et périodicité de l'ionosphère
Le niveau de charge de l'ionosphère présente des schémas périodiques influencés par l'activité solaire, les variations saisonnières et les changements quotidiens.
Cycles solaires
Le cycle solaire désigne le cycle d'environ 11 ans des changements de l'activité du Soleil. Ce cycle est marqué par l'augmentation et la diminution du nombre de taches solaires à la surface du Soleil. Les taches solaires sont des phénomènes temporaires sur le Soleil qui apparaissent comme des taches sombres et sont associées à une activité magnétique intense.
Le cycle solaire peut être divisé en deux phases principales : le minimum solaire et le maximum solaire. Pendant le minimum solaire, le Soleil compte moins de taches solaires et son activité globale est relativement faible. Au fur et à mesure que le cycle progresse vers le maximum solaire, le nombre de taches solaires augmente et l'activité solaire s'intensifie.
Pendant les périodes de forte activité solaire, l'ionosphère connaît une densité électronique accrue, ce qui amplifie l'effet de retard ionosphérique sur les signaux GNSS.
Depuis 2020, l'activité solaire a augmenté, avec une activité élevée enregistrée depuis la seconde moitié de 2022 ; et un pic attendu en 2025. Cette activité élevée entraîne une baisse générale des performances du GNSS et rend l'acquisition des coordonnées RTK plus difficile.
Cycles saisonniers
Les changements saisonniers jouent un rôle crucial dans le comportement de l'ionosphère. Sous les latitudes septentrionales, les mois de printemps et d'automne connaissent généralement des niveaux d'ionisation plus élevés en raison de l'augmentation du rayonnement solaire, tandis que les mois d'été et d'hiver connaissent une ionisation plus faible.
Ces variations saisonnières ont un impact différent sur les signaux GNSS, ce qui contribue à la variabilité globale de la précision du positionnement.
Variations quotidiennes
Les variations quotidiennes de l'ionosphère sont influencées par la rotation de la Terre et la position du soleil. Au fur et à mesure que la Terre tourne, différentes régions connaissent différents niveaux d'ionisation. Sur le graphique ci-dessous, TECU signifie Total Electron Content Unit, qui caractérise l'activité de l'ionosphère et est également lié au délai supplémentaire subi par les signaux.
Emplacement
Outre les variations cycliques, saisonnières et quotidiennes mentionnées ci-dessus, la position sur Terre a un impact important sur l'activité ionosphérique. L'activité ionosphérique moyenne est plus élevée autour de l'équateur géomagnétique.
Exemples typiques d'une activité ionosphérique quotidienne à deux dates
Impact des erreurs atmosphériques sur le RTK : état de l’art
Selon la technologie utilisée sur le récepteur GNSS, les effets des erreurs atmosphériques varient.
Les récepteurs RTK d'entrée de gamme ne font généralement pas face à cet impact et peuvent subir un taux de correction RTK plus faible ou des temps de convergence plus longs.
Les récepteurs GNSS de qualité supérieure (géodésiques) ou les moteurs de post-traitement peuvent intégrer un certain niveau d'atténuation ionosphérique qui peut être basé sur deux techniques principales :
- Combinaison de mesures spécifique appelée Iono Free, également appelée L3 dans certaines publications scientifiques.
- Estimation des erreurs ionosphériques à l'aide d'états dédiés dans le filtre de navigation
Les deux méthodes ont des avantages et des inconvénients, mais s'accompagnent généralement d'un bruit et/ou d'un temps de convergence nettement plus élevés.
Atténuez ces effets grâce à la technologie Ionoshield
Pour aider au mieux nos clients, nous avons développé pour Qinertia 4 une technologie révolutionnaire pour corriger l'effet de la forte activité ionosphérique : Ionoshield.
Ionoshield exploite toute la puissance du PPK pour fournir des solutions RTK centimétriques fiables, même dans des conditions GNSS difficiles et en cas de forte activité ionosphérique. Ionoshield est un algorithme d'atténuation des erreurs atmosphériques. Il utilise les observations sur la base et sur le rover pour déterminer les erreurs introduites par l'ionosphère et la troposphère.
Il utilise toutes les fréquences et constellations disponibles pour estimer les erreurs atmosphériques et les compenser. Une stratégie intelligente minimise le temps de convergence tandis que le traitement avant/arrière/fusion complète le processus pour viser un temps de convergence nul, même dans des conditions difficiles.
Enfin, l'Ionoshield est couplé à l'algorithme RAIM intégré pour détecter et exclure tout satellite défectueux dû à des problèmes ionosphériques tels que la scintillation.
Cette approche permet à l'Ionoshield d'offrir des avantages significatifs :
- Capacité inégalée d'atteindre la position RTK et d'afficher une précision centimétrique
- Aucun bruit ajouté contrairement à d'autres techniques de traitement ionosphérique telles que la combinaison iono-libre
- Tire pleinement parti des récepteurs multifréquences modernes pour accroître la précision et la robustesse en utilisant des constellations complètes de trois fréquences PPK
- Fonctionne même dans les applications terrestres (environnements urbains légers à moyens).
Pour rendre Ionoshield aussi facile à utiliser que possible, Qinertia intègre également une option de sélection automatique. Cette option automatique évalue l'activité ionosphérique avant de sélectionner le mode de traitement : PPK à base unique, PPK Ionoshield ou VBS. Pour les utilisateurs avancés, il est également possible de sélectionner manuellement le mode de traitement.
Bien que Ionoshield offre des avantages considérables, il y a quelques conditions préalables :
- Au moins un récepteur GNSS à double fréquence (L1/L2 de préférence), ce qui est une évidence pour tous les produits de SBG Systems . Ionoshield tire également pleinement parti de la disponibilité d'un récepteur GNSS à triple bande (L1/L2/L5) pour une précision accrue !
- Enregistrement des durées et du ciel ouvert : Ionoshield peut converger rapidement. Cependant, dans des conditions extrêmes où l'activité ionosphérique est élevée, avec de grandes différences entre les erreurs observées par la base et le rover, Ionoshield peut avoir besoin d'un temps de convergence plus long.
Si vous souhaitez tester la façon dont Ionoshield améliore vos données, contactez-nous.