Dans nos précédents articles sur la maîtrise de la précision, nous avons abordé le GNSS, ses sources d'erreurs et la façon dont le RTK les atténue en supposant que la station de base et le mobile sont suffisamment proches pour que les erreurs atmosphériques soient éliminées par des calculs de double différence. Cependant, les couches atmosphériques étant souvent hétérogènes, cette méthode peut ne pas éliminer totalement les erreurs, entraînant une réduction de la précision.
Qu'est-ce que l'ionosphère et quel est son impact sur le GNSS ?
L'ionosphère est un composant crucial 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, entraînant la présence d'électrons libres et d'ions (atomes ayant gagné ou perdu des électrons). Le degré d'ionisation varie selon l'altitude, l'activité solaire et 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 lors de leur traversée de l'ionosphère. Le GNSS reposant fondamentalement sur la capacité à prendre en compte le temps de parcours 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 causer des pannes permanentes ou temporaires sur les infrastructures. En voici quelques exemples :
- Mars 1989 : de majeures pannes de courant électrique ont été observées à la suite d'une tempête solaire
- Juillet 2000 : pannes de radio et défaillances de 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 variations de l'activité du Soleil. Ce cycle est marqué par la croissance et la décroissance du nombre de taches solaires à la surface du Soleil. Les taches solaires sont des phénomènes temporaires sur le Soleil qui apparaissent sous forme de taches sombres et sont associées à une intense activité magnétique.
Le cycle solaire se divise en deux phases principales : le minimum solaire et le maximum solaire. Pendant le minimum solaire, le Soleil présente 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, de même que l'activité solaire.
Pendant les périodes de forte activité solaire, l'ionosphère connaît une densité électronique accrue, amplifiant l'effet de retard ionosphérique sur les signaux GNSS.
Depuis 2020, l'activité solaire n'a cessé d'augmenter, avec une forte activité enregistrée depuis le second semestre 2022 et un pic attendu en 2025. Cette forte activité entraîne une dégradation globale des performances GNSS et rend l'obtention d'une correction RTK fixe plus complexe.
Cycles saisonniers
Les changements saisonniers jouent un rôle crucial dans le comportement ionosphérique. Aux latitudes nordiques, les mois de printemps et d'automne connaissent généralement des niveaux d'ionisation plus élevés en raison d'un rayonnement solaire accru, tandis que les mois d'été et d'hiver connaissent une ionisation plus faible.
Ces variations saisonnières impactent différemment les signaux GNSS, contribuant à la variabilité globale de la précision du positionnement.
Variations journalières
Les variations journalières 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 des niveaux d'ionisation variables. Sur le graphique ci-dessous, TECU signifie Total Electron Content Unit (Unité de Contenu Électronique Total), qui caractérise l'activité ionosphérique et est également liée au extra retard subi par les signaux.
Emplacement
En plus des variations cycliques, saisonnières et journalières mentionnées ci-dessus, la position sur Terre a un impact majeur sur l'activité ionosphérique. L'activité ionosphérique moyenne est plus élevée autour de l'équateur géomagnétique.
Exemples types d'une activité ionosphérique journalière 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 gèrent généralement mal cet impact et peuvent présenter un taux de fixation RTK réduit ou des temps de convergence accrus.
Les récepteurs GNSS de plus haute qualité (géodésiques) ou les moteurs de post-traitement peuvent intégrer un certain niveau d'atténuation ionosphérique qui peut reposer sur deux techniques principales :
- Combinaison de mesures spécifique appelée Iono Free, également désignée sous le nom de L3 dans certaines publications scientifiques.
- Estimation des erreurs ionosphériques au moyen 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.
Atténuer ces effets grâce à la technologie Ionoshield
Pour mieux accompagner 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 de positionnement RTK centimétriques fiables, même dans des conditions GNSS difficiles et une forte activité ionosphérique. Ionoshield est un algorithme d'atténuation des erreurs atmosphériques. Il utilise les observations de la base et du 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 finalise le processus pour viser un temps de convergence nul, même dans des conditions exigeantes.
Enfin, Ionoshield s'associe à l'algorithme RAIM intégré pour détecter et exclure tout satellite défaillant en raison de problèmes ionosphériques tels que la scintillation.
Avec cette approche, Ionoshield offre des avantages significatifs :
- Capacité inégalée à atteindre la fixation RTK et à afficher une précision centimétrique
- Aucun bruit ajouté, contrairement à d'autres techniques de traitement ionosphérique telles que la combinaison sans effet ionosphérique
- Exploite pleinement les récepteurs multi-fréquences modernes pour accroître la précision et la robustesse en utilisant le PPK multi-constellations sur trois fréquences
- Fonctionne même dans les applications terrestres (environnements urbains légers à modérés).
Pour rendre Ionoshield aussi simple d'utilisation 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 base unique, Ionoshield PPK ou VBS. Pour les utilisateurs avancés, il est également possible de sélectionner manuellement le mode de traitement.
Bien qu'Ionoshield offre des avantages considérables, certains prérequis sont nécessaires :
– Un récepteur GNSS au moins bi-fréquence (L1/L2 de préférence), ce qui est le cas sur tous les produits SBG Systems. Ionoshield tire également pleinement parti d'un récepteur GNSS tri-bande (L1/L2/L5) pour une précision accrue !
– Durées des enregistrements et ciel ouvert : Ionoshield peut converger rapidement. Cependant, dans des conditions extrêmes où l'activité ionosphérique est élevée, avec de grands écarts entre les erreurs observées par la base et le mobile, Ionoshield peut nécessiter un temps de convergence plus long.
Si vous souhaitez tester l'impact d'Ionoshield sur vos données, contactez-nous.
