SBAS Made Easy

Pour comprendre le fonctionnement d’un système d’augmentation spatial (SBAS) comme WAAS/EGNOS/MSAS/GAGAN, nous vous présentons d’abord la méthode conventionnelle de correction différentielle en temps réel, ainsi que les facteurs affectant la précision d’un DGPS local. (À noter que cette section ne traite pas de la correction différentielle de la phase porteuse).

 

Système d’augmentation local (LBAS)

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Un DGPS conventionnel implique l’installation d’un récepteur GPS de référence dont l’antenne est placée en un point dont les coordonnées sont connues. Ce récepteur effectue les mesures de distance, en temps réel, vers chacun des satellites GPS. La portée mesurée comprend les erreurs présentes dans le système. Le récepteur de la station de référence calcule la véritable portée, sans les erreurs, connaissant ses propres coordonnées et celles de chaque satellite. La différence entre la portée connue et la portée mesurée de chaque satellite représente l’erreur de portée. Cette erreur est le nombre qui doit être soustrait de la mesure de la distance de chaque satellite afin de corriger les erreurs présentes dans le système. La station de référence transmet les corrections à l’erreur de portée aux récepteurs distants en temps réel.

 

Le récepteur distant corrige ses mesures de portée des satellites à l’aide de ces corrections différentielles, ce qui résulte en un positionnement beaucoup plus précis. Il s’agit là de la stratégie prédominante du DGPS utilisée dans la majorité d’applications en temps réel. Un positionnement qui utilise les corrections générées par un radiophare, par exemple, donnera une précision horizontale de 1 mètre à 5 mètres avec 95 % de fiabilité selon la qualité du récepteur GPS utilisé. Selon le même principe, les systèmes DGPS de courte portée plus sophistiqués (10 à 15 km) peuvent atteindre une précision centimétrique à l’aide d’une phase porteuse. Nous parlons dans ce cas d’un système RTK plutôt qu’un DGPS.

 

Système d’augmentation spatial (SBAS)

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La Federal Aviation Administration des États-Unis a élaboré un système d’augmentation étendu (WAAS – Wide Area Augmentation System) dans le but d’assurer un positionnement très précis à l’industrie de l’aviation. En plus de fournir un service de haute qualité et de précision à cette industrie, ce système est disponible gratuitement à tous les utilisateurs et marchés civils en Amérique du Nord et en Amérique Centrale. Ce service fait partie de la grande catégorie des systèmes d’augmentation spatiaux (SBAS).

Après un essai réussi de 21 jours le 24 août 2000, la Federal Aviation Administration américaine annonçait que son système d’augmentation étendu (WAAS) serait dorénavant en opération 24 heures par jour, sept jours par semaine. Les essais ont démontré que ce signal est précis et fiable. Depuis sa mise en service le 10 juillet 2003, le WAAS a subi quelques modifications à sa constellation et à sa couverture de satellites (PRN 122 et 134 remplacés par PRN 135 et 138 à de nouveaux emplacements; et par l’ajout de stations de surveillance terrestres au Canada et au Mexique en septembre 2007).

D’autres agences gouvernementales ont suivi cet exemple et ont développé des SBAS compatibles pour leurs régions géographiques respectives. En Europe, l’Agence spatiale européenne, la Commission européenne et l’Organisation EUROCONTROL ont développé ensemble le Complément géostationnaire européen de navigation (EGNOS). EGNOS est désormais entièrement déployé et se trouve en phase pré-opérationnelle. Le système doit être certifié sécuritaire pour la sauvegarde de vies humaines avant d’être entièrement opérationnel. De plus, le 28 juin 2007, l’Agence spatiale européenne et l’Agence pour la sécurité de navigation aérienne en Afrique et à Madagascar ont signé une entente de collaboration ayant pour but l’utilisation de la navigation par satellite pour améliorer la sécurité du trafic aérien au-dessus du continent africain.

Au Japon, le Satellite multifonctionnel des transports (MSAS – Satellite-based Augmentation System) a été déployé par le Bureau d’aviation civile du Japon. Les lancements réussis des satellites MTSAT-1R et MTSAT-2 ont été suivis par l’intégration du système pour le MSAS terrestre et les MTSAT, par l’envoi de signaux d’essai à partir des MTSAT. Le but de la transmission des signaux d’essai visait à optimiser la performance du système et à vérifier que les renseignements d’augmentation respectent les exigences de sécurité et de performance. Comme ces essais ont réussi, le MSAS a été mis en service pour utilisation par l’aviation le 27 septembre 2007.

En Inde, la Indian Space Research Organisation (ISRO) et les Autorités aéroportuaires indiennes ont complété avec succès l’essai final d’acceptation du GPS Aided GEO Augmented Navigation system (GAGAN) tel qu’annoncé le 20 novembre 2007 par la Raytheon Company. Ce test d’acceptation final étant complété, l’Inde se dirige maintenant vers la phase suivante du programme, qui étendra le réseau terrestre existant, ajoutera une redondance, et produira l’analyse et la documentation de certification pour la mise en service de la sécurité aérienne. Le satellite Inmarsat 4f1 a été utilisé pour l’essai d’acceptation du système. Dans l’attente du lancement de son propre satellite de communication, le GSAT-4 (prévu pour juin 2009), le ISRO indien a cessé l’émission des signaux d’essai GAGAN.

La Chine a un programme semblable pour un SBAS, le service portant le nom de Chinese Satellite Navigation Augmentation System (SNAS).

La gamme de GPS SXBlue peut recevoir les données de correction de tous les SBAS compatibles.

 

Fonctionnement

 

Le SBAS 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 des transpondeurs Inmarsat).
  • La composante utilisateur comprend l’équipement de l’utilisateur, par exemple un récepteur GPS SXBlue II et une antenne.

L’architecture logicielle du SBAS se base sur l’état. Cela signifie qu’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. Ceci permet de gérer plus efficacement les problèmes de décorrélation spatiale qu’avec certaines autres techniques, résultant en une performance plus stable du système 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

Les figures ci-dessous montrent les segments terrestres des systèmes WAAS, EGNOS et MSAS, respectivement. En 2007, treize stations de surveillance ont été ajoutées au réseau WAAS existant, augmentant ainsi la couverture ionosphérique de la constellation SBAS. Les emplacements sont indiqués en rouge : 4 en Alaska, 4 au Canada et 5 au Mexique.

Segment terrestre WAAS (fin 2007)

 

Segment terrestre EGNOS (fin 2007)

 

Segment terrestre MSAS (fin 2007)

 

Pourvu que le réseau de stations de référence SBAS puisse poursuivre un satellite GPS, les corrections d’orbite et de chronométrage seront fournies à ce satellite. Les corrections ionosphériques pour ce satellite ne sont disponibles que si le signal traverse la carte ionosphérique fournie par le SBAS (par exemple la carte ionosphérique WAAS couvre toute la région de l’Amérique du Nord et de l’Amérique Centrale). Par exemple, si un satellite se trouve au sud de votre position actuelle à une faible élévation, le point de percée de l’ionosphère se situera beaucoup plus au sud de votre position puisque l’ionosphère est à une altitude d’environ 60 km. Il doit y avoir une couverture suffisante de la carte ionosphérique au-delà de votre position pour que les corrections ionosphériques se rendent à tous les satellites.

Pour améliorer les renseignements fournis par le SBAS, le GPS SXBlue possède la capacité unique d’extrapoler l’information ionosphérique au-delà de la grille d’émission. Cette fonction élargit la zone de couverture géographique utilisable du système SBAS.

 

Renseignements sur le signal

Un SBAS transmet les données de correction sur la même fréquence qu’un GPS à partir d’un satellite géostationnaire (segment spatial), permettant l’utilisation du même récepteur utilisé pour la fonction GPS. Un autre avantage à cette transmission du SBAS sur la même fréquence est qu’une seule antenne est nécessaire.

 

Réception

 

Comme le SBAS transmet dans la bande L, le signal nécessite une ligne de vue tout comme le GPS afin de maintenir l’acquisition. Choisissons par exemple le WAAS. Actuellement, deux satellites de communication transmettent des données WAAS à usage public. Étant donné leur emplacement, ces satellites peuvent paraître bas à l’horizon, selon votre position géographique sur terre. Dans les régions où les satellites semblent bas à l’horizon, ils sont plus facilement cachés par le terrain, les arbres, les immeubles ou autres objets, ce qui peut résulter en une perte de signal. Plus vous êtes loin de l’équateur et de la longitude du satellite, plus le satellite semblera bas à l’horizon. Heureusement, la technologie COAST atténue ce problème en maintenant la performance du système pendant une perte de signal assez prolongée du SBAS.

 

Couverture globale du SBAS

La figure ci-dessous illustre la couverture globale actuelle du SBAS. Cette figure présente une couverture approximative du signal pour chaque constellation SBAS. Bien qu’il y ait une couverture géographique à des altitudes plus élevées, l’utilisation pratique du SBAS se limite aux environnements où une ligne de vue relativement constante des satellites par le système GPS SXBlue est disponible.

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Couverture globale du SBAS

 

La carte ci-dessous illustre la couverture ionosphérique de chaque constellation SBAS. Pour WAAS, EGNOS et MSAS, les grilles illustrées sont les grilles réelles, sans extrapolation. La grille montrée pour GAGAN a été enregistrée par un GPS SXBlue II pendant la phase finale de l’essai d’acceptation et n’est donc pas la grille officielle des autorités indiennes.

 

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Couverture ionosphérique globale du SBAS

Le tableau ci-dessous donne une liste de tous les nombres PRN alloués à chacune des constellations SBAS.

Constellation SBAS Numéro PRN Nom du satellite Longitude
WAAS 135 Galaxy 15 (Intelsat) 133.0° W
WAAS 138 Anik F1R (Telesat) 107.3° W
EGNOS 120 120 Inmarsat 3f2 (AOR-E) 15.5° W
EGNOS 124 Artemis* 21.5° E
EGNOS 126 Inmarsat 4f2 (IOR-W)** 25.1° E
MSAS 129 MTSAT 1R 140.0° E
MSAS 137 MTSAT 2 145.0° E
GAGAN 127 (Inmarsat 4f1)*** (64.0° E)
*Le PRN 124 est habituellement utilisé en mode test pour effectuer divers essais dans l’industrie. Au cours de la transition qui s’effectue actuellement dans le PRN 126, il émet des signaux valides.
**En février 2009, l’émission du PRN 126 a été transférée du Inmarsat 3f5 au 4f2. Il se trouve actuellement en mode test.
***L’Inde a cessé l’émission des signaux d’essai GAGAN sur l’Inmarsat 4f1 et attend le lancement de son propre GSAT-4 attendu pour la fin de 2009.

 

Extrapolation de la carte ionosphérique SBAS

 

Afin d’améliorer la carte ionosphérique fournie par le SBAS, les récepteurs GPS SXBlue extrapolent une carte ionosphérique plus étendue que celle émise, élargissant ainsi sa couverture efficace. Ceci permet d’utiliser avec succès le GPS SXBlue dans les régions où les produits concurrents ne peuvent fonctionner. Par exemple, l’extrapolation améliore la couverture du secteur nord de l’Amérique du Sud pour les signaux WAAS, et de la partie nord de l’Afrique pour les signaux EGNOS, etc.

Il est à noter que le processus d’estimation des corrections ionosphériques au-delà de l’émission du SBAS ne sera pas aussi précis que si la carte SBAS était elle-même plus étendue. Cette différence peut causer une dégradation mineure de la précision. La figure ci-dessous illustre l’émission ionosphérique réelle des signaux WAAS et EGNOS, ainsi que la version extrapolée. Comme on peut le voir, la grille extrapolée s’étend plus loin que l’émission réelle dans toutes les directions, améliorant la couverture efficace.

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Carte de correction ionosphérique émise et extrapolée

 

 

Traitement des erreurs – Différences entre LBAS et SBAS

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Outre l’affaiblissement de la précision et les trajets multiples (erreurs qui ne peuvent pas être résolues par une correction différentielle), de nombreux facteurs peuvent affecter la précision du positionnement auquel on peut s’attendre d’un système DGPS. Les plus importantes de ces influences comprennent :

  • Distance entre l’utilisateur distant et la station de référence (erreurs atmosphériques et d’orbite)
  • De quand datent les corrections différentielles reçues
  • Conditions atmosphériques à la position de la station de base et de l’utilisateur distant
  • Qualité du récepteur GPS utilisé à la station de référence et aux stations distantes
 

Proximité de la station de référence

 

Dans un LBAS, la distance entre l’utilisateur distant et la station de référence peut parfois être considérable, notamment si des radiophares DGPS de 300 kHz sont utilisés. Par conséquent, certaines erreurs associées au GPS de la station de référence diffèrent quelque peu de celles associées à l’emplacement distant. Cette décorrélation spatiale des erreurs peut causer un déport du positionnement relatif par rapport aux coordonnées absolues du récepteur distant. Ce déport peut atteindre un mètre par 100 km (62 milles) de distance entre la station de référence et le récepteur distant.

Les causes de décorrélation sont :

  • Erreurs d’orbite du satellite GPS (importantes)
  • Erreurs ionosphériques (peuvent être plus importantes selon le niveau d’activité)
  • Erreurs troposphériques (moins importantes)

Les erreurs d’orbite du satellite GPS sont habituellement plus graves dans le cas de systèmes différentiels locaux comme des radiophares. L’effet de décorrélation est tel que l’erreur d’orbite du satellite se projette différemment sur les mesures de portée du récepteur de référence et du récepteur distant. À mesure que la distance séparant les récepteurs augmente, l’erreur d’orbite ne se projette pas de la même façon sur les portées, et le processus de différentiation de mesure ne l’annulera pas complètement. Les réseaux SBAS, qui utilisent plusieurs stations de référence, peuvent calculer plus précisément le vecteur d’orbite de chaque satellite. Le correcteur qui en résulte est géographiquement indépendant, de sorte qu’une très faible décorrélation se produit en ce qui a trait au positionnement dans le réseau.

L’ionosphère et la troposphère causent toutes deux des erreurs de mesure dans les signaux reçus par le GPS. La troposphère est la portion humide de l’atmosphère, la plus près du sol. À cause de l’humidité, la réfraction des signaux GPS à plus faible altitude peut causer une distorsion des mesures des satellites. La source d’erreur est facilement modelée à l’intérieur du récepteur GPS et ne présente pas de problème grave.

L’erreur causée par l’ionosphère est plus importante, cependant, et n’est pas facile à corriger. L’ionosphère est la couche chargée de l’atmosphère responsable de l’aurore boréale. Des particules chargées provenant du soleil ionisent cette portion de l’atmosphère, résultant en une couche atmosphérique électriquement active. Cette activité électrique nuit aux signaux GPS qui pénètrent cette couche, affectant les portées mesurées. Ce qui rend difficile l’élimination de l’effet de l’ionosphère est qu’il varie chaque jour, et même d’heure en heure, à cause du cycle solaire de 11 années et de la rotation de la terre. Au cours de l’été 2001, le cycle solaire atteignait son point le plus haut des 11 années, et on notait un refroidissement graduel de l’ionosphère dans les années qui ont suivi, accompagné d’une activité ionosphérique plus réduite. L’élimination de l’effet ionosphérique dépend de l’architecture du réseau différentiel. Les radiophares DGPS, par exemple, utilisent une approche plus conventionnelle que le WAAS ou le SBAS en général. Les radiophares DGPS utilisent une seule station de référence, qui fournit des corrections d’erreur GPS en temps réel basées sur des mesures effectuées à son emplacement. Il est possible que l’état de l’ionosphère soit différent à la position de l’utilisateur distant et à celle de l’unique station de référence. Ceci peut produire une source d’erreur qui n’est pas entièrement corrigée et qui risque de dégrader la précision du positionnement, plus la distance est grande entre la station de référence et l’utilisateur distant.

Les systèmes SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN, etc.) utilisent une approche différente, se servant plutôt d’un réseau de stations de référence dans des endroits stratégiques pour prendre des mesures et modeler l’ionosphère en temps réel. Les mises à jour de la carte ionosphérique sont envoyées en continu afin de corriger la position de l’utilisateur à mesure que l’ionosphère change. Comparativement à l’utilisation d’un radiophare DGPS, l’effet de la proximité géographique à une seule station de référence est minimisé, ce qui résulte en une performance plus cohérente du système dans tous les emplacements du réseau.

 

Retard des corrections

 

Le délai des corrections différentielles affecte à un degré moindre la précision du positionnement du récepteur distant puisque la magnitude du SA a été ramenée à zéro en 2000. Les retards dépendent de ce qui suit :

  • Le temps nécessaire à la station de référence pour calculer les corrections
  • Le débit de la liaison radio
  • Le temps nécessaire au signal pour atteindre l’utilisateur
  • Le temps requis par le récepteur différentiel distant pour démoduler le signal et le communiquer au récepteur GPS.
  • Toute perte de données lors de problèmes de réception

La plupart de ces délais exigent moins d’une seconde, quoique dans certains cas, en fonction de la quantité d’information transmise, un délai total de trois à cinq secondes peut se produire. L’effet de ces délais est mitigé par la technologie COAST incorporée dans les GPS SXBlue. Cette technologie est particulièrement utile lors de la perte de signal DGPS lorsque l’âge des corrections augmente à chaque seconde de perte de signal.

 

Qualité du récepteur GPS

 

La qualité du récepteur GPS influence dramatiquement la précision du positionnement. Les GPS bas de gamme, comme les nombreux récepteurs portatifs ou fixes abordables, ont habituellement une précision horizontale de 3 à 10 mètres dans 95 % des cas. La précision d’un produit donné dépend des caractéristiques de performance du récepteur en question. Les récepteurs GPS plus précis peuvent atteindre une précision horizontale submétrique dans 95 % des cas en utilisant des transmissions DGPS en temps réel. La gamme de GPS SXBlue se situe dans cette dernière catégorie.

 

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