Le GPS et les erreurs

La présente section donne un bref aperçu simplifié du GPS, un résumé des erreurs associées aux mesures, et les divers types de correction différentielle.

  • GPS – Fonctionnement
  • Budget d’erreur et nécessité de correction différentielle

 

GPS – Fonctionnement

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Le Department of Defence (DoD) des États-Unis exploite 24 heures par jour un système de positionnement global (Global Positioning System ou GPS) fiable à toutes températures. NAVSTAR (NAVigation Satellite Time And Ranging), le nom original de cet outil de positionnement et de navigation géographique, comprend une constellation officielle de 24 satellites (plus quelques-uns en réserve active) en orbite autour de la terre à une altitude d’environ 22 000 km.

 

Principe de base

Ces satellites transmettent divers renseignements codés aux utilisateurs de GPS sur différentes fréquences UHF (par exemple, Code C/A sur L1 à 1575.42 MHz).

Ces renseignements permettent à l’équipement d’un utilisateur de calculer la portée vers chaque satellite. Le GPS est essentiellement un système de chronométrage – les portées sont calculées en minutant le temps nécessaire à un signal GPS codé pour atteindre l’antenne GPS de l’utilisateur. Pour calculer une position géographique, le récepteur GPS se sert d’un algorithme complexe incorporant les coordonnées des satellites et la portée vers chaque satellite. La réception de quatre ou plus de ces signaux permet au récepteur GPS de calculer les coordonnées en 3 dimensions. La poursuite de seulement trois satellites réduit le positionnement à des coordonnées en deux dimensions (horizontale et verticale fixe). Le récepteur GPS calcule sa position par rapport à une phase centrale de l’antenne GPS. La latitude, la longitude et l’altitude de l’antenne sont mesurées conformément à la plus récente révision (G-1150) de l’ellipsoïde du Système géodésique mondial 1984 (WGS 84). (Il est à noter que la révision actuelle G-1150 diffère de la mise en place originale du datum WGS 84. Voir « À propos du Datum » dans le menu « Comprendre le SBAS »).

Services GPS

La précision de la position présentée par le GPS dépend du type de service et de l’équipement disponible. Pour des raisons de sécurité, il existe deux services GPS : le service de positionnement standard (SPS) et le service de positionnement précis (SPP). Le SPS utilise un code modulé dans le signal de mesure connu sous le nom de Code C/A. Le Department of Defence (DoD) des États-Unis réserve le SPP à l’utilisation de son personnel et de partenaires autorisés. Le SPP utilise un code différent de celui du SPS, connu sous le nom de Code P, dont la résolution est supérieure au Code C/A. Le DoD fournit le SPS gratuitement partout dans le monde, à tous les utilisateurs civils.

 

Actuellement, un récepteur GPS autonome peut atteindre une précision d’environ 10 à 15 mètres, en fonction de la sophistication du moteur GPS. Pour plusieurs applications de positionnement et de navigation, ce niveau de précision est insuffisant, et des techniques différentielles doivent être utilisées.

 

Budget d’erreur et nécessité de correction différentielle

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Il existe diverses sources d’erreurs qui affectent la précision des récepteurs GPS, et différentes méthodes de compensation de ces erreurs.
Budget d’erreur

Dans le passé et afin de conserver un avantage stratégique, le DoD des États-Unis dégradait artificiellement la performance du SPS de sorte que la précision du positionnement se limitait à 100 mètres dans 95 % des cas. Cette dégradation intentionnelle était appelée SA (disponibilité sélective). L’effet de la SA a été réduit à zéro depuis le milieu de l’année 2000, et s’est officiellement « éteint » (définitivement) en 2007.

Les principales sources d’erreurs qui dégradent maintenant la performance du GPS comprennent les erreurs atmosphériques, la géométrie des satellites, les trajets multiples, le repérage de temps et les erreurs orbitales des satellites.

 

  • Erreurs atmosphériques :

Les erreurs atmosphériques sont les sources d’erreurs les plus fréquentes pour le GPS.
Comme les satellites sont en orbite à environ 20 000 km autour de la terre, les signaux GPS doivent traverser les couches de l’ionosphère et de la troposphère avant d’atteindre l’antenne réceptrice. L’ionosphère est un terme collectif identifiant diverses couches de particules ionisées et d’électrons se trouvant à des altitudes de 80 à 250 km dans l’atmosphère. L’ionisation est surtout causée par les courtes longueurs d’ondes du rayonnement solaire (rayons X et ultraviolets) au cours de la journée. Les activités ionosphériques ont le plus fort impact sur la précision du GPS.

La correction différentielle compense grandement les erreurs atmosphériques.

  • Géométrie des satellites :

Comme le récepteur utilise une triangulation des signaux GPS pour déterminer son positionnement sur la terre, plus la géométrie des satellites dans le ciel est précise, plus la triangulation qui en résulte est précise.

L’effet de la géométrie des satellites sur les erreurs de positionnement est appelé DOP (pour Dilution of Precision ou affaiblissement de la précision). Le récepteur GPS calcule constamment la valeur DOP en fonction des satellites actuellement utilisés afin d’établir sa localisation. Meilleure est la géométrie (satellites bien répartis dans le ciel), plus faible est la valeur DOP. Si tous les satellites sont dans le même secteur du ciel ou s’ils sont obstrués par des immeubles, des montagnes, etc., la géométrie sera pauvre et la valeur DOP calculée sera élevée.

Les valeurs HDOP, VDOP, PDOP, TDOP et GDOP sont respectivement l’affaiblissement de la précision Horizontale, Verticale, Position (3D), Temps et Géométrique.
Aucune indication fixe n’établit ce qu’est une « bonne » ou une « mauvaise » valeur DOP. Sachant que la valeur DOP idéale est 1, chaque application nécessite une précision différente et permet des valeurs DOP plus élevées. Habituellement, 1 à 2 est excellent, 3 à 4 est bon, 5 à 7 est acceptable et 8 ou plus est pauvre. Cependant les entreprises forestières qui ne requièrent qu’une précision d’environ 5 m et recherchent une productivité accrue accepteront un PDOP aussi élevé que 8 à 12. La correction différentielle ne compense pas pour les erreurs de valeur DOP. La valeur DOP étant calculée par le récepteur, la plupart des logiciels GPS offrent des filtres empêchant l’opération ou l’enregistrement lorsque la valeur DOP atteint un seuil prédéterminé.

 

  • Trajets multiples :

Il s’agit d’un phénomène de propagation qui fait que les signaux radio atteignent l’antenne par deux ou plusieurs trajets. Les causes de ces trajets multiples comprennent la canalisation atmosphérique, la réflexion et réfraction ionosphérique, et la réflexion d’une nappe d’eau, de montagnes, d’arbres ou d’édifices.

La correction différentielle ne compense pas pour les erreurs causées par les trajets multiples. Certaines précautions peuvent atténuer la sensibilité de l’antenne GPS à ces reflets de signaux, par exemple en s’éloignant des structures réfléchissantes comme les immeubles. Un combiné récepteur/antenne haut de gamme pourra mieux rejeter les trajets multiples, alors qu’un dispositif moins dispendieux tolérera un plus grand nombre de trajets multiples.

 

  • Erreurs de chronométrage et d’orbite des satellites :

Les satellites GPS comportent des horloges atomiques très précises et suivent des orbites déterminées. Mais des dérives sont inévitables à la fois dans l’horloge et dans l’orbite, et même une très faible dérive peut causer des erreurs dans le récepteur sur terre. Bien que l’horloge et l’orbite ne puissent être ajustées, le déport est calculé par la composante terrestre du GPS et renvoyé aux satellites. Les satellites émettent alors les données d’horloge et des éphémérides à l’utilisateur.

Il peut y avoir un délai entre le moment où déport se produit, et le moment où il est calculé et émis.

Selon la correction différentielle utilisée (locale ou globale), les effets des erreurs d’orbite et de chronométrage peuvent être largement compensés.

 

Qu’est-ce qu’une correction différentielle locale ?

Le GPS différentiel local, le DGPS le plus courant, est essentiellement un processus de différentiation qui supprime les sources d’erreurs de positionnement du GPS et améliore son intégrité. Ce type de correction différentielle est souvent appelé système d’augmentation local (LBAS – Local Based Augmentation System), les corrections étant calculées à partir d’une station de référence (où l’antenne est installée à un point connu) et appliquées au GPS mobile soit en temps réel ou dans un logiciel de post-traitement. Il existe plusieurs méthodes de correction différentielle locale :

  • Correction différentielle conventionnelle en temps réel :

Il s’agit de la façon la plus courante de corriger les erreurs de GPS en temps réel, les corrections étant envoyées par la station de référence au GPS mobile par le biais d’un équipement de communication. La correction différentielle conventionnelle en temps réel utilise les mesures de la portée du code C/A et les connexions connexes. Les corrections de la phase porteuse ne sont pas utilisées avec ce type de technique différentielle.

  • Post-traitement :

Cette méthode est souvent utilisée lorsqu’une précision plus élevée que celle offerte par la correction différentielle conventionnelle est nécessaire, ou une forme conventionnelle de correction en temps réel n’est pas disponible dans la région où le GPS mobile est utilisé. En fonction du récepteur physique et de la méthodologie utilisée pour le post-traitement, la précision atteinte peut jouer de quelques centimètres à quelques millimètres. Un éventail de progiciels de tiers fournisseurs sont disponibles pour le post-traitement des mesures brutes du GPS.

  • RTK – cinématique en temps réel :

Cette méthode utilise des techniques plus sophistiquées pour résoudre le nombre de longueurs d’ondes entre le satellite et l’utilisateur, afin de fournir un positionnement centimétrique (ou supérieur) en temps réel. Pour cette technique il faut un récepteur et des antennes haut de gamme, ainsi qu’un logiciel d’exploitation interne pour calculer des positionnements précis.

Qu’est-ce qu’un système d’augmentation spatial (SBAS) ?

  • Le SBAS est un type de correction différentielle plus récent et différent. Il incorpore une architecture modulaire, semblable à celle du GPS, incluant une composante terrestre, une composante spatiale et une composante utilisateur :
  • La composante terrestre comprend les stations de référence, les centres de traitement, un réseau de communication et une station terrestre de navigation (NLES – Navigation Land Earth Station).
  • La composante spatiale comprend les satellites géostationnaires (par exemple, EGNOS utilise actuellement des transpondeurs Inmarsat).
  • La composante utilisateur comprend l’équipement de l’utilisateur, notamment un récepteur GPS SXBlue II et une antenne. Dans un SBAS, une correction distincte est disponible pour chaque source d’erreur plutôt que pour l’effet total sur la portée de mesure de l’équipement de l’utilisateur. Il en résulte une performance du système plus constante, peu importe l’emplacement géographique par rapport aux stations de référence. Plus particulièrement, le SBAS calcule les erreurs distinctes suivantes
  • Erreur ionosphérique
  • Erreurs de chronométrage du GPS
  • Erreurs d’orbite des satellites GPS

 

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