Pour comprendre le fonctionnement des systèmes de renforcement basés sur l'espace (SBAS) tels que WAAS/EGNOS/MSAS/GAGAN, la méthode conventionnelle de correction différentielle en temps réel (LBAS) sera d'abord présentée, ainsi que les facteurs affectant la précision locale du DGPS (cette section ne traite pas du différentiel de phase de la porteuse). (Il est à noter que cette section ne traite pas de la correction différentielle de la phase de la porteuse). Système de renforcement local (LBAS) Système de renforcement spatial (SBAS) Traitement des erreurs - Différences entre LBAS et SBAS Système de renforcement local (LBAS) Le DGPS conventionnel implique l'installation d'un récepteur GPS de référence dont l'antenne est réglée sur un point dont les coordonnées sont connues. Ce récepteur mesure la distance, en temps réel, par rapport à chacun des satellites GPS. Les distances mesurées incluent les erreurs présentes dans le système. Le récepteur de la station de base calcule la portée réelle, sans erreur, en connaissant ses coordonnées et celles de chaque satellite. La différence entre la portée connue et la portée mesurée pour chaque satellite est l'erreur de portée. Cette erreur est le montant qui doit être retiré de la mesure de distance de chaque satellite afin de corriger les erreurs présentes dans le système.
Système de renforcement local (LBAS)
La station de base transmet les corrections d'erreur de portée aux récepteurs distants en temps réel. Le récepteur distant corrige ses mesures de distance par satellite à l'aide de ces corrections différentielles, ce qui permet d'obtenir une position beaucoup plus précise. Il s'agit de la principale stratégie DGPS utilisée pour la majorité des applications en temps réel. Le positionnement à l'aide des corrections générées par les balises radio DGPS, par exemple, fournira une précision horizontale de moins de 1 mètre à 5 mètres avec un niveau de confiance de 95 %, en fonction de la qualité du récepteur GPS utilisé. Selon le même principe, des systèmes DGPS plus sophistiqués à courte portée (10 à 15 km) peuvent atteindre une précision de l'ordre du centimètre en utilisant la phase porteuse. Dans ce cas, on parle couramment de RTK au lieu de DGPS.
Systèmes de renforcement spatial (SBAS) L'administration fédérale américaine de l'aviation a mis au point un système de renforcement à grande échelle (WAAS) afin de fournir un positionnement précis à l'industrie aéronautique. En plus de fournir un service précis et de haute qualité à cette industrie, ce service est disponible gratuitement pour tous les autres utilisateurs civils et les marchés d'Amérique centrale et d'Amérique du Nord. Ce service fait partie de la catégorie plus large du système de renforcement basé sur l'espace (SBAS).
Le 24 août 2000, à l'issue d'un test de 21 jours, la Federal Aviation Administration des États-Unis d'Amérique a annoncé que son système de renforcement à couverture étendue (WAAS) fonctionnerait désormais 24 heures sur 24, sept jours sur sept. Depuis, les essais ont montré que ce signal est précis et fiable. Depuis sa mise en service (le 10 juillet 2003), le WAAS a subi quelques changements dans sa constellation de satellites et sa couverture (suppression progressive des PRN 122 et 134 et remplacement par les PRN 135 et 138 à de nouveaux endroits, et ajout de stations de surveillance au sol au Canada et au Mexique en septembre 2007).
D'autres agences gouvernementales ont suivi le rythme et développé des systèmes SBAS compatibles pour leurs régions géographiques respectives. En Europe, l'Agence spatiale européenne, la Commission européenne et EUROCONTROL ont développé conjointement le système européen de navigation par recouvrement géostationnaire (EGNOS). EGNOS est maintenant entièrement déployé et se trouve dans sa phase pré-opérationnelle. Le système fera l'objet d'une certification pour les applications de sécurité de la vie avant de devenir pleinement opérationnel. Par ailleurs, le 28 juin 2007, l'Agence spatiale européenne et l'Agence pour la sécurité de la navigation aérienne en Afrique et à Madagascar ont signé un accord de coopération dont l'objectif est d'utiliser la navigation par satellite pour améliorer la sécurité du trafic aérien sur le continent africain.
Au Japon, le système de renforcement satellitaire MTSAT (MSAS) a été déployé par le Bureau japonais de l'aviation civile (JCAB). Lancements réussis du MTSA
En Inde, l'Organisation indienne de recherche spatiale (ISRO) et l'Autorité indienne des aéroports ont achevé avec succès le test final d'acceptation du système GAGAN (GPS Aided GEO Augmented Navigation system), comme l'a annoncé Raytheon Company le 20 novembre 2007. Avec l'achèvement du test final d'acceptation du système, l'Inde est prête à s'engager dans la phase suivante du programme, qui étendra le réseau terrestre existant, ajoutera de la redondance, et produira l'analyse de certification et la documentation pour la mise en service de la sécurité des vols. Inmarsat 4f1 a été utilisé lors de l'essai d'acceptation du système. Dans l'attente du lancement de son propre satellite de communication, le GSAT-4 (prévu pour juin 2009), l'ISRO indien a interrompu la diffusion des signaux d'essai de GAGAN. La Chine a un programme similaire pour un SBAS et le service s'appelle le Chinese Satellite Navigation Augmentation System (SNAS). La série SXBlue GPS est capable de recevoir des données de correction de tous les SBAS compatibles.
Fonctionnement Le SBAS incorpore 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 les transpondeurs Inmarsat) Le segment utilisateur comprend l'équipement de l'utilisateur, tel qu'un récepteur GPS SXBlue II et une antenne Le SBAS utilise une approche basée sur l'état dans son architecture logicielle. Cela signifie qu'une correction séparée est mise à disposition pour chaque source d'erreur plutôt que la somme des effets des erreurs sur les mesures de portée de l'équipement de l'utilisateur. Cela permet de gérer plus efficacement la question de la décorrélation spatiale que d'autres techniques, ce qui se traduit par une performance plus cohérente du système, 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 du satellite GPS Les figures ci-dessous montrent les segments au sol des systèmes WAAS, EGNOS et MSAS, respectivement. En 2007, 13 stations de surveillance ont été ajoutées au réseau WAAS existant, augmentant ainsi la couverture ionosphérique de cette constellation SBAS. Leur emplacement est indiqué en rouge : 4 en Alaska, 4 au Canada et 5 au Mexique.
Segment terrestre WAAS Segment terrestre WAAS (fin 2007) Segment terrestre EGNOS Segment terrestre EGNOS (fin 2009) Segment terrestre MSAS Segment terrestre MSAS (fin 2007)
Si un satellite GPS est disponible pour le réseau de stations de référence SBAS à des fins de suivi, les corrections d'erreur d'orbite et de synchronisation seront disponibles pour 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 du WAAS couvre l'ensemble de l'Amérique centrale et de l'Amérique du Nord). Par exemple, si un satellite se trouve au sud de votre position actuelle à un faible angle d'élévation, le point de percée de l'ionosphère sera considérablement au sud de votre position puisque l'ionosphère se trouve à une altitude d'environ 60 km. La couverture cartographique de l'ionosphère doit être suffisante au-delà de votre position pour que des correcteurs ionosphériques soient disponibles pour tous les satellites.
Pour améliorer l'information fournie par le SBAS, le SXBlue GPS a la capacité unique d'extrapoler l'information ionosphérique au-delà de la grille de diffusion. Cette fonction augmente la zone de couverture géographique utilisable d'un système SBAS.
Informations sur le signal Un SBAS transmet les données de correction sur la même fréquence que le GPS à partir d'un satellite géostationnaire (le segment spatial), ce qui permet d'utiliser le même équipement de réception que celui utilisé pour le GPS. Un autre avantage de l'émission du SBAS sur la même fréquence est qu'une seule antenne est nécessaire.
Réception Étant donné que le SBAS émet dans la bande L, le signal nécessite une ligne de visée de la même manière que le GPS pour maintenir l'acquisition du signal. Prenons l'exemple du WAAS. Actuellement, deux satellites de communication transmettent des données WAAS pour un usage public. En raison de leur emplacement, ces satellites peuvent apparaître plus bas sur l'horizon, en fonction de votre position géographique sur terre. Dans les régions où les satellites apparaissent plus bas sur l'horizon, ils peuvent être masqués par le terrain, le feuillage, les bâtiments ou les objets, ce qui entraîne une perte de signal. Plus vous êtes éloigné de l'équateur et de la longitude du satellite, plus le satellite apparaîtra bas sur l'horizon. Heureusement, la technologie COAST permet d'atténuer ce problème en maintenant les performances du système lorsque la perte de signal SBAS se produit pendant de longues périodes.
Couverture mondiale du SBAS La figure ci-dessous illustre la couverture mondiale actuelle du SBAS. Cette figure n'est qu'une approximation de la couverture du signal par chacune des constellations SBAS. Bien qu'il y ait une couverture géographique à des latitudes plus élevées, l'utilisation pratique du SBAS sera limitée aux environnements où une ligne de visée relativement constante vers les satellites du système GPS SXBlue est disponible.
Couverture mondiale du SBAS
Couverture mondiale du SBAS La carte ci-dessous montre la couverture ionosphérique pour chacune des constellations SBAS. Pour WAAS, EGNOS et MSAS, les grilles indiquées sont des grilles réelles sans extrapolation. La grille montrée pour GAGAN a été enregistrée par un GPS SXBlue II pendant la phase de test d'acceptation finale et n'est pas une grille officielle des autorités indiennes.
Couverture ionosphérique mondiale du SBAS Couverture ionosphérique mondiale du SBAS Le tableau suivant présente une liste de tous les numéros PRN attribués à chacune des constellations SBAS.
Constellation mondiale de SBAS (juillet 2012)
Constellation SBAS Numéro PRN Numéro NMEA Nom du satellite Longitude WAAS 133 46 Immarsat 4F3 98.0° W WAAS 135 48 Galaxy XV 133.0° W WAAS 138 51 Anik F1R (Telesat) 107.3° W EGNOS 120 33 Inmarsat 3f2 (AOR-E) 15.5° W EGNOS 124 37 ESA (Artemis)* 21.5° E EGNOS 126 39 Immarsat 3F5 (IND-W) 25. 0° E MSAS 129 42 MTSAT 1R 140.0° E MSAS 137 50 MTSAT 2 145.0° E GAGAN 127 40 GSAT-8 55.0° E GAGAN 128 41 GSAT-10 83.0° E SDCM 125 38 Luch-5B 16.0° W** SDCM 140 53 Luch-5V 95.0° E** SDCM 141 54 Luch-5A 167.0° E** EGNOS PRN 124 normalement utilisé pour effectuer des tests industriels, est actuellement en mode test. * SDCM n'est pas opérationnel. Luch-5B pourrait être repositionné à un endroit plus à l'est. Luch-5A est actuellement à 95,0°E et sera déplacé à 167,0°E. Le lancement de Luch-5V est prévu pour le premier trimestre 2014. Extrapolation de la carte ionosphérique du SBAS Pour améliorer la carte ionosphérique fournie par le SBAS, les récepteurs GPS SXBlue extrapolent une carte ionosphérique plus grande à partir de la carte de couverture diffusée, étendant ainsi sa couverture effective. Cela permet au SXBlue GPS d'être utilisé avec succès dans des régions où les produits concurrents ne peuvent pas l'être. Par exemple, l'extrapolation permet d'améliorer la couverture dans la partie nord de l'Amérique du Sud pour le WAAS, dans la partie nord de l'Afrique pour EGNOS, etc.
Veuillez noter que le processus d'estimation des corrections ionosphériques au-delà de la carte de diffusion SBAS ne serait pas aussi bon que si l'on disposait d'une carte SBAS étendue en premier lieu. Cette différence peut entraîner une légère dégradation de la précision. À titre d'exemple, la figure ci-dessous illustre l'étendue de la carte ionosphérique diffusée par le WAAS et EGNOS et la version extrapolée. Comme on peut le voir, la grille extrapolée s'étend plus loin dans toutes les directions que la carte diffusée, ce qui améliore la couverture utilisable.
Carte de correction ionosphérique diffusée et extrapolée Carte de correction ionosphérique diffusée et extrapolée Traitement des erreurs - Différences entre LBAS et SBAS Outre la dilution de la précision (DOP) et les trajets multiples (qui sont des erreurs qui ne peuvent être éliminées par la correction différentielle), de nombreux facteurs affectent la précision de positionnement qu'un utilisateur peut attendre d'un système DGPS. Les plus importants de ces facteurs sont les suivants.
La proximité de l'utilisateur distant par rapport à la station de référence (erreurs atmosphériques et d'orbite) L'âge des corrections différentielles reçues Les conditions atmosphériques à la station de base et aux emplacements des utilisateurs distants La qualité du récepteur GPS utilisé à la fois à la station de référence et à la station distante La proximité de la station de référence Dans un LBAS, la distance entre un utilisateur distant et la station de référence peut parfois être considérable, par exemple lors de l'utilisation de balises radio DGPS à 300 kHz. Par conséquent, certaines des erreurs associées au GPS à la station de base diffèrent quelque peu de celles qui se produisent à l'emplacement de l'utilisateur distant. Cette décorrélation spatiale des erreurs peut entraîner un décalage de la position relative par rapport aux coordonnées absolues du récepteur distant. Ce décalage peut atteindre un mètre pour chaque 100 km entre la station de base et le récepteur distant.
Les causes de la décorrélation sont les suivantes :
Erreurs d'orbite du satellite GPS (significatives) Erreurs ionosphériques (potentiellement les plus significatives en fonction du niveau d'activité) Erreurs troposphériques (moins significatives) Les erreurs d'orbite du satellite GPS constituent généralement un problème plus important avec les systèmes différentiels locaux, tels que ceux des balises radio. L'effet de décorrélation est tel que l'erreur d'orbite du satellite se projette différemment sur les mesures de distance du récepteur de référence et du récepteur distant. Au fur et à mesure que la distance entre les récepteurs augmente, l'erreur d'orbite ne se projette pas de la même manière sur les portées et ne s'annule donc pas complètement dans le processus de différentiation des mesures. Les réseaux SBAS, grâce à l'utilisation de plusieurs stations de base, sont en mesure de calculer avec précision le vecteur orbital de chaque satellite. Le correcteur qui en résulte est géographiquement indépendant, de sorte qu'une décorrélation minimale se produit par rapport à la position au sein du réseau.
L'ionosphère et la troposphère induisent toutes deux des erreurs de mesure sur les signaux reçus du GPS. La troposphère est la partie humide de l'atmosphère la plus proche du sol. En raison de son humidité, la réfraction des signaux GPS à des altitudes inférieures peut fausser les mesures transmises aux satellites. Cette source d'erreur est assez facilement modélisée dans le récepteur GPS et ne constitue pas un problème important.
L'erreur induite par l'ionosphère est cependant plus importante et n'est pas aussi simple à corriger. L'ionosphère est la couche chargée de l'atmosphère responsable des aurores boréales. Les particules chargées provenant du soleil ionisent cette partie de l'atmosphère, ce qui crée une couche atmosphérique électriquement active. Cette activité électrique affecte les signaux GPS qui pénètrent dans cette couche, ce qui a une incidence sur les portées mesurées. La difficulté pour éliminer l'effet de l'ionosphère est qu'il varie d'un jour à l'autre, et même d'une heure à l'autre, en raison du cycle solaire de 11 ans et de la rotation de la terre, respectivement. Au cours de l'été 2001, le cycle solaire a atteint un maximum de 11 ans, et nous avons observé une tendance générale au refroidissement de l'ionosphère au cours des quelques années qui ont suivi, ce qui s'est traduit par une réduction de l'activité ionosphérique. L'élimination de l'effet de l'ionosphère dépend de l'architecture du réseau différentiel. Les balises radio DGPS, par exemple, utilisent une approche plus conventionnelle que le WAAS ou le SBAS en général. Les balises DGPS utilisent une seule station de référence, qui fournit des corrections d'erreur GPS en temps réel sur la base des mesures qu'elle effectue à son emplacement. Il est possible que l'état de l'ionosphère diffère entre l'utilisateur distant et la station de référence unique. Il peut en résulter une source d'erreur incomplètement corrigée qui pourrait dégrader la précision du positionnement à mesure que la distance par rapport à la station de base s'accroît.
Les systèmes SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN, etc.) utilisent une approche différente, en recourant à un réseau de stations de référence situées à des endroits stratégiques pour prendre des mesures et modéliser l'ionosphère en temps réel. Des mises à jour de la carte ionosphérique sont envoyées en permanence pour garantir que la précision du positionnement de l'utilisateur est maintenue, même si l'activité de l'ionosphère change avec le temps. Par rapport à l'utilisation d'une balise DGPS, l'effet de la proximité géographique d'une seule station de référence est minimisé, ce qui permet d'obtenir des performances de système plus cohérentes dans tous les emplacements du réseau.
Latence de la correction La latence des corrections différentielles affecte, dans une moindre mesure, la précision de positionnement réalisable au niveau du récepteur distant depuis que la magnitude de SA a été ramenée à zéro en l'an 2000. La latence est fonction des éléments suivants
Le temps nécessaire à la station de base pour calculer les corrections Le débit de données de la liaison radio Le temps nécessaire au signal pour atteindre l'utilisateur Le temps nécessaire au récepteur différentiel distant pour démoduler le signal et le communiquer au récepteur GPS. La plupart de ces délais sont inférieurs à une seconde, bien que dans certains cas, en fonction de la quantité d'informations transférées, des délais globaux de trois à cinq secondes puissent se produire. L'effet de la latence est atténué par la technologie COAST du SXBlue GPS. Cette technologie est particulièrement utile en cas de perte de signal DGPS, car l'âge des corrections augmente pour chaque seconde de perte de signal.
Qualité du récepteur GPS La qualité d'un récepteur GPS a une influence considérable sur la précision du positionnement. Les produits GPS grand public, tels que de nombreux récepteurs portatifs et fixes abordables, fonctionnent généralement avec une précision de 3 à 10 mètres à l'horizontale 95 % du temps. La précision d'un produit particulier dépend des caractéristiques de performance du récepteur. Les récepteurs GPS plus précis sont capables d'atteindre une précision horizontale inférieure à 1 mètre 95 % du temps en utilisant des transmissions DGPS en temps réel. Les récepteurs GPS de la série SXBlue appartiennent à cette dernière catégorie.
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