Cette section présente une vue d'ensemble simple et succincte du GPS, un résumé des erreurs associées aux mesures et les différents types de corrections différentielles.
GPS - Fonctionnement
Le budget d'erreur et la nécessité d'une correction différentielle GPS - Fonctionnement - Le ministère américain de la défense (DoD) exploite un système de positionnement global (GPS) fiable, fonctionnant 24 heures sur 24 et par tous les temps. NAVSTAR (NAVigation Satellite Time And Ranging), le nom original donné à cet outil de positionnement géographique et de navigation, comprend une constellation officielle de 24 satellites (plus des satellites de rechange actifs) en orbite autour de la Terre à une altitude d'environ 22 000 km.
Principe de base
Ces satellites transmettent diverses informations codées aux utilisateurs du GPS sur différentes fréquences UHF (par exemple, le code C/A sur L1, 1575,42 MHz). Ces informations permettent à l'équipement de l'utilisateur de calculer la portée de chaque satellite. Le GPS est essentiellement un système de chronométrage - les distances sont calculées en chronométrant le temps nécessaire pour que le signal GPS codé atteigne l'antenne GPS de l'utilisateur. Pour calculer une position géographique, le récepteur GPS utilise un algorithme complexe qui intègre les coordonnées des satellites et la portée de chacun d'entre eux. La réception d'au moins quatre de ces signaux permet au récepteur GPS de calculer des coordonnées 3D. Le suivi de seulement trois satellites réduit la position à des coordonnées 2D (horizontales et verticales fixes). Le récepteur GPS calcule sa position par rapport au centre de phase de l'antenne GPS. La latitude, la longitude et l'altitude de l'antenne sont référencées selon la révision actuelle de l'ellipsoïde WGS 84 (G-1150) du système géodésique mondial de 1984 (Notez que la révision actuelle du G-1150 diffère de la mise en œuvre originale du datum WGS 84. Voir « Un mot sur le système de référence » dans le menu « Comprendre le SBAS »).
Services GPS
La précision du positionnement offerte par le GPS varie en fonction du type de service et d'équipement disponible. Pour des raisons de sécurité, il existe deux services GPS : le service de positionnement standard (SPS) et le service de positionnement précis (PPS). Le SPS utilise un code modulé sur le signal pour les mesures et est appelé code d'acquisition grossière (code C/A). Le ministère américain de la défense (DoD) réserve le PPS à l'usage de son personnel et de ses partenaires autorisés. Le PPS utilise un code différent de celui du SPS, appelé code de précision (code P), et contient plus de résolution que le code C/A. Le DoD fournit le SPS gratuitement. Le DoD fournit le SPS gratuitement, dans le monde entier, à tous les utilisateurs civils.
Actuellement, le GPS autonome est capable de fournir une précision de l'ordre de 10 à 15 mètres, en fonction de la sophistication du moteur GPS. Pour de nombreuses applications de positionnement et de navigation, ce niveau de précision n'est pas suffisant et des techniques différentielles doivent être utilisées.
Le budget d'erreurs et la nécessité d'une correction différentielle Il existe plusieurs sources d'erreurs qui altèrent la précision des récepteurs GPS et plusieurs façons de les compenser.
Le budget des erreurs
Afin de conserver un avantage stratégique, le ministère américain de la défense a eu l'habitude de dégrader artificiellement les performances du SPS de manière à ce que la précision du positionnement soit limitée à 100 mètres 95 % du temps. Cette dégradation intentionnelle était appelée disponibilité sélective (DS). L'effet de la SA a été réduit à zéro depuis le milieu de l'année 2000 et a été officiellement « désactivé » (définitivement) en 2007.
Les principales sources d'erreurs qui dégradent aujourd'hui les performances du GPS sont les erreurs atmosphériques, la géométrie des satellites, les trajets multiples, les erreurs de synchronisation et les erreurs d'orbite des satellites.
Erreurs atmosphériques
Les erreurs atmosphériques constituent la source d'erreurs la plus importante du GPS. Les satellites étant en orbite à environ 20 000 km au-dessus de la terre, les signaux GPS doivent traverser les couches de l'ionosphère et de la troposphère avant d'atteindre l'antenne du récepteur. L'ionosphère est le terme collectif désignant les différentes couches de particules ionisées et d'électrons que l'on trouve à des altitudes comprises entre 80 et 250 km dans l'atmosphère. L'ionisation est principalement causée par le rayonnement solaire de courte longueur d'onde (rayons X et ultraviolets) pendant la journée. Les activités ionosphériques ont le plus grand impact sur la précision du GPS. La correction différentielle compensera largement les erreurs atmosphériques.
Géométrie des satellites
Étant donné qu'un récepteur utilise la triangulation des signaux GPS pour déterminer sa position sur la terre, plus la géométrie des satellites dans le ciel est bonne, meilleur est le résultat de la triangulation.
L'effet de la géométrie des satellites sur l'erreur de position est appelé dilution de la précision (DOP). Un récepteur GPS calcule en permanence une valeur DOP en fonction des satellites utilisés pour le calcul de la position (ou du point). Plus la géométrie est bonne (satellites correctement répartis dans le ciel), plus la valeur DOP est faible. Si tous les satellites sont confinés dans une partie du ciel ou bloqués par des bâtiments, des montagnes, etc., la géométrie sera mauvaise et la valeur DOP calculée sera élevée.
HDOP, VDOP, PDOP, TDOP et GDOP sont respectivement l'Horizontal, le Vertical, la Position (3D), le Temps et la Dilution Géométrique de la Précision.
Il n'existe pas d'indication fixe de ce qui est considéré comme une « bonne » ou une « mauvaise » DOP. Sachant que la valeur idéale de DOP est de 1, différentes applications exigeront des précisions différentes et autoriseront des DOP plus élevés. En général, une valeur de 1 à 2 est excellente, une valeur de 3 à 4 est bonne, une valeur de 5 à 7 est moyenne et une valeur de 8 et plus est médiocre. Mais les entreprises forestières, qui n'ont besoin que d'une précision d'environ 5 m et d'une productivité accrue, travailleront avec des PDOP allant jusqu'à 8-12. La correction différentielle ne compense pas les erreurs de DOP. Comme la PDOP est calculée par le récepteur, la plupart des logiciels GPS proposent des filtres qui empêchent le fonctionnement ou l'enregistrement lorsque la PDOP atteint une valeur prédéfinie.
Multipathes
La propagation par trajets multiples est le phénomène de propagation qui fait que les signaux radio atteignent l'antenne réceptrice par deux chemins ou plus. Les causes de la propagation par trajets multiples comprennent la canalisation atmosphérique, la réflexion et la réfraction ionosphériques et la réflexion sur les plans d'eau, les montagnes, les arbres et les bâtiments.
La correction différentielle ne compense pas les erreurs dues aux trajets multiples. Certaines précautions minimiseront la sensibilité de l'antenne GPS à ces signaux réfléchis, comme le fait d'opérer loin de grandes structures réfléchissantes telles que des bâtiments. Une combinaison récepteur/antenne haut de gamme sera plus robuste pour rejeter les trajets multiples, alors qu'un récepteur grand public tolérera une forte sensibilité à ces trajets multiples. Mais les dérives de l'horloge et de l'orbite sont inévitables et de très petites quantités peuvent provoquer des erreurs significatives dans un récepteur au sol. Même si leurs horloges et leurs orbites ne sont pas ajustées, leurs décalages sont calculés par le segment terrestre du GPS, puis renvoyés aux satellites. Les satellites diffusent ensuite l'horloge et le message d'éphéméride à l'utilisateur final. Il existe un certain temps de latence entre l'occurrence réelle des décalages et le moment où ils sont calculés et diffusés.
Selon le type de correction différentielle utilisé (locale ou globale), les effets de l'orbite du satellite et les erreurs de synchronisation peuvent être largement compensés. Qu'est-ce que la correction différentielle locale ?
Le GPS différentiel local, la forme la plus courante de DGPS, est essentiellement un processus de différenciation qui élimine les sources d'erreur de la solution de position GPS et améliore l'intégrité de la solution de position GPS. Ce type de différentiel est souvent appelé système de renforcement local (LBAS), les corrections étant calculées à partir d'une station de base (dont l'antenne est placée sur un point connu) et appliquées au GPS du rover soit en temps réel, soit dans un logiciel de post-traitement. Il existe un certain nombre de méthodes de correction des mesures différentielles locales.
Différentiel conventionnel en temps réel
Il s'agit de la forme la plus courante de correction des erreurs GPS en temps réel, les corrections étant envoyées de la station de base au récepteur GPS du rover par l'intermédiaire d'un équipement de communication. Le différentiel conventionnel en temps réel utilise les mesures de portée du code C/A et les corrections associées. Les corrections de phase de la porteuse ne sont pas utilisées avec cette forme de technique différentielle.
Post-traitement
Cette méthode est souvent utilisée lorsqu'il est nécessaire d'obtenir une précision supérieure à celle que permet le différentiel conventionnel, ou lorsqu'une forme conventionnelle de corrections en temps réel n'est pas disponible dans la région où le récepteur du rover est utilisé. En fonction du matériel du récepteur et de la méthodologie utilisée pour le post-traitement, les performances peuvent aller de plusieurs centimètres à quelques millimètres de précision. Divers logiciels tiers sont disponibles pour post-traiter les données de mesure brutes du GPS.
Cinématique en temps réel
Cette méthode fait appel à des techniques plus sophistiquées pour résoudre le nombre de longueurs d'onde entre le satellite et l'utilisateur, afin de fournir un positionnement au niveau du centimètre (ou mieux) en temps réel. Cette technique utilise du matériel de réception haut de gamme, des antennes et un logiciel d'exploitation interne pour calculer des solutions de position précises.
Qu'est-ce qu'un système de renforcement spatial ? Un SBAS est un type de correction différentielle plus récent et différent. Il intègre une architecture modulaire, similaire à celle du GPS, composée d'un segment terrestre, d'un segment spatial et d'un segment utilisateur :
Le segment terrestre comprend les stations de référence, les centres de traitement, un réseau de communication et les stations terrestres de navigation (NELS). Le segment spatial comprend les satellites géostationnaires (par exemple, EGNOS utilise actuellement des transpondeurs Inmarsat). Le segment utilisateur comprend l'équipement de l'utilisateur, tel qu'un récepteur GPS SXblue II et une antenne. Dans un SBAS, une correction séparée est disponible pour chaque source d'erreur plutôt que la somme des effets des erreurs sur les mesures de portée de l'équipement de l'utilisateur. Les performances du système sont ainsi plus cohérentes, quelle que soit la situation géographique par rapport aux stations de référence. Plus précisément, le SBAS calcule des erreurs distinctes pour les éléments suivants :
- l'erreur ionosphérique
- les erreurs de synchronisation du satellite GPS
- les erreurs d'orbite des satellites GPS