Techniques de positionnement GNSS

Systèmes globaux de navigation par satellite Concepts de positionnement

À la base, les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) sont un système de chronométrage dans lequel toutes les horloges des satellites sont synchronisées avec précision. Les satellites GNSS émettent des signaux codés à des moments précis, et le récepteur de l’utilisateur recueille les messages codés. Le récepteur estime le temps nécessaire à chaque signal pour voyager de l’antenne du satellite GNSS à l’antenne de l’utilisateur. Une fois le temps de vol estimé, la distance est calculée en multipliant le temps de vol par la vitesse de la lumière pour obtenir une mesure de la distance en mètres entre chaque satellite et l’antenne de l’utilisateur.

Les satellites GNSS diffusent également des messages d’éphémérides qui permettent au récepteur GNSS de l’utilisateur de déterminer la position de l’antenne du satellite au moment de la diffusion du signal de mesure (en coordonnées cartésiennes X, Y, Z). Le récepteur doit mesurer le délai (portée) d’au moins quatre satellites pour estimer la position de l’antenne au sol. Avec quatre mesures de distance, le récepteur GNSS estime les coordonnées X, Y, Z des antennes et T, l’heure du récepteur. La figure 1 montre l’intersection des quatre plages mesurées.

Seules les mesures de code ont été prises en compte dans la description conceptuelle des systèmes GNSS ci-dessus. Dans la pratique, les mesures du code et de la phase de la porteuse sont utilisées pour permettre un positionnement GNSS de haute précision. La précision de la mesure du code et de la phase est affectée par : les erreurs systématiques (décrites plus loin), l’environnement local à trajets multiples, l’antenne et la qualité du récepteur GNSS. Un couple antenne-récepteur GNSS typique de téléphone portable permet de mesurer la distance avec une précision de l’ordre de 3 à 5 mètres. D’autre part, les antennes géodésiques et d’arpentage (VeraChoke®, VeraPhase®, VeroStar® et Accutenna®) et les paires de récepteurs peuvent produire des mesures de code avec une précision d’environ 1,0 à 0,3 mètre. Les mesures de phase peuvent être mesurées avec précision (à mieux que le centième d’une longueur d’onde) dans le cas du GPS L1 ; les mesures de phase ont une longueur d’onde d’environ 19 cm et peuvent être mesurées avec une précision d’environ 1 à 2 mm. Cependant, le nombre exact de longueurs d’onde entre l’antenne du satellite et l’antenne de l’utilisateur (N) est inconnu et doit être estimé. La figure 2 montre la mesure de la phase dans le temps et le paramètre inconnu N qui doit être estimé.

Les mesures de la phase de la porteuse permettent d’estimer les positions GNSS avec une grande précision. Pour obtenir des estimations de position de haute précision, les effets atmosphériques et autres erreurs systématiques doivent être éliminés ou minimisés. Deux techniques de positionnement sont couramment utilisées. L’une d’entre elles utilise une méthode différentielle locale : la cinématique en temps réel (RTK). L’autre utilise un réseau de suivi satellitaire à grande échelle (couvrant généralement la terre) qui permet d’estimer les corrections atmosphériques et satellitaires, cette technique est appelée positionnement ponctuel précis (PPP).

Positionnement cinématique en temps réel

Les techniques GNSS différentielles locales ou cinématiques en temps réel utilisent des techniques de différentiation pour éliminer ou minimiser les erreurs systématiques telles que les erreurs d’horloge et d’orbite du satellite, les effets de la troposphère et de l’ionosphère. Les techniques différentielles locales nécessitent une station de base dont les coordonnées sont connues et un robot dont les coordonnées sont estimées. La station de base diffuse ses coordonnées et les observations GNSS. Le rover reçoit les coordonnées de la station de base et les observations du satellite (distances et mesures de phase) et estime sa position. Cette technique permet d’obtenir des positions très précises (2-3 cm) pour des lignes de base courtes. La figure 3 montre l’architecture RTK typique.

Positionnement précis des points

Le positionnement ponctuel précis (PPP) est une technique qui utilise des corrections de l’orbite de diffusion et de l’horloge du satellite. Outre les erreurs des satellites, le signal GNSS est retardé ou avancé lors de sa traversée de l’atmosphère et doit être corrigé. Généralement, un service de correction PPP diffuse des informations qui permettent de calculer une correction ionosphérique. Une correction troposphérique est estimée à l’aide d’un modèle de référence. Le PPP de haute précision (cm à dm) nécessite un récepteur GNSS multifréquence de haute précision et une antenne. La PPP de haute précision estime généralement les retards ionosphériques et troposphériques. Un service de correction PPP comprend les éléments suivants : des stations de poursuite au sol, un logiciel d’analyse pour calculer l’orbite, l’horloge et les corrections ionosphériques, ainsi qu’une méthode de distribution des modifications aux utilisateurs. La figure 4 montre l’architecture typique d’un système de correction PPP.

Toutes les constellations et tous les signaux GNSS nécessitent une antenne GNSS de haute qualité. Même le meilleur récepteur GNSS ne peut produire des résultats précis et exacts sans une antenne précise de haute qualité.

Pour plus d’informations, consultez le site : https://www.meted.ucar.edu/training_module.php?id=1216