GNSS GPS GALILEO GLONASS BEIDOU

De la théorie à la pratique, les fondamentaux du positionnement GNSS

La localisation par satellites GNSS est présente dans le quotidien de chacun. Avec des domaines d’application très variés, son fonctionnement est souvent peu connu. Comment ça marche?

L'origine du "GPS"

On doit le GPS (Global Positionning System) à l’armée Américaine. Elle a créé à partir de 1973 la première technologie de positionnement par satellites. A l’origine réservée à une utilisation strictement militaire, le GPS va dès l’année 2000 s’ouvrir librement aux applications civiles. Il a pris au fil des années une place incontournable dans la société.

Et si le langage courant retient souvent le seul terme de « GPS » pour évoquer cette technologie, il est plus juste aujourd’hui de parler de GNSS (Global Navigation Satellite System). En effet, d’autres constellations et systèmes de positionnement ont rejoint le GPS américain.

De nos jours

Nous comptons de nos jours des milliers de satellites en orbite autour de la Terre. Parmi eux, nous pouvons citer les satellites des constellations GPS Américain, GLONASS Russe, GALILEO Européen, BEIDOU Chinois… Tous ne sont pas encore 100% opérationnels. C’est le cas de GALILEO et BEIDOU qui devraient l’être en 2020.

Le principe de fonctionnement repose sur l’intersection de signaux électromagnétiques émis par les satellites. L’utilisateur capte les signaux satellitaires définissant  des segments satellites-usagers dont l’intersection géométrique permet la localisation.

Afin d’être en permanence fonctionnelles partout et en tous temps, les solutions actuelles utilisent des signaux provenant de plusieurs constellations. Ce recoupement d’informations autorise une meilleure précision, des temps de convergence quasi instantanés et une disponibilité autour du globe 24h/7j.

La précision des récepteurs est au mieux métrique. On a recours à des calculs et à des stratégies diverses pour améliorer cette précision. TERIA est un des outils d’augmentation de la précision. Il permet à l’usager d’obtenir une précision centimétrique et en temps réel.

L’arrivée de nouvelles solutions centimétriques permet d’aborder des domaines d’application encore inédits : guidage de véhicules autonome, utilisations maritimes, drones, …

TERIA-APPLICATIONS- Drone-autonomous car - sport

Comment ça marche en 3 étapes: 4 satellites pour 1 position précise

Étape 1 - Les satellites servent de points de référence.

Les Constellations opérationnelles nominales GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… , se composent de plusieurs dizaines de satellites évoluant à près de 20 000 km d’altitude suivant des orbites équitablement réparties pour couvrir tous les continents.

Grâce à cette couverture, l’utilisateur est en capacité de voir simultanément entre cinq et trente- cinq satellites suivant sa position sur la Terre.

Chaque constellation est surveillée et pilotée par des stations de contrôle qui mettent à jour les informations (positions, éphémérides et correction des d’horloges) de l’ensemble des satellites. Ceux-ci  diffusent  ensuite leurs paramètres vers la Terre par ondes électro-magnétiques porteuses de signaux codés.

Étape 2 - La distance satellite / antenne GNSS, mesurée en continu

Les satellites GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… disposent d’horloges atomiques qui fournissent une datation extrêmement précise. L’information de temps est placée dans les codes diffusés par le satellite. Le récepteur détermine alors en permanence l’heure à laquelle le signal a été diffusé. Le signal contient également des données d’orbitographie pour que le récepteur puisse calculer l’emplacement des satellites. Il s’agit des informations dites de navigation.

Le récepteur GNSS (téléphone, topographie, système de guidage agriculture / automobile/ aéronautique…) utilise la différence de temps entre l’heure de réception et de diffusion du signal pour déterminer la distance entre le récepteur et le satellite. Le récepteur multiplie le temps de parcours par la vitesse de la lumière afin de calculer la distance récepteur/satellite.

Ainsi, un mobile GNSS qui capte les signaux d’au moins quatre satellites peut situer précisément en trois dimensions n’importe quel point placé en visibilité des satellites. Pour cela il utilisera l’intersection de ces vecteurs satellite-récepteur.

Même en l’absence d’obstacles, il reste cependant des facteurs de perturbation importants nécessitant une correction des résultats de calcul. Le premier est la traversée des couches basses de l’atmosphère, la troposphère. La présence d’humidité et les modifications de pression de la troposphère modifient l’indice de réfraction et donc la vitesse et la direction de propagation du signal satellitaire.

Le deuxième facteur de perturbation est l’ionosphère. Cette couche ionisée par le rayonnement solaire modifie la vitesse de propagation du signal. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de correction.

Étape 3 - La position est calculée par résolution d’équations d’intersection de sphères.

La 3ème et dernière étape est de déterminer une position précise. Le récepteur va pouvoir effectuer une trilatération de la position à partir des données de distances récoltées entre le récepteur et plusieurs satellites.

Un récepteur GNSS a besoin d’un minimum de 4 satellites pour être en mesure de calculer sa propre position. Trois satellites vont déterminer la latitude, longitude, et la hauteur. Tandis que le quatrième permet de synchroniser l’horloge interne du récepteur.

Pour vulgariser la démonstration nous allons nous placer sur un plan 2D. Le principe sera identique pour passer à l’espace 3D. On remplacera uniquement les cercles par des sphères.

Explication

Supposons que le récepteur se trouve à 25 000 km d’un premier satellite donné. Cela signifie que le récepteur peut se trouver n’importe où sur le cercle de diamètre 25 000km, avec le satellite en tant que centre.

POSITIONNEMENT GNSS BLEU

Le boitier va recevoir également un signal d’un second satellite à 20 000 km par exemple. Il va en conclure qu’il se trouve aussi sur ce cercle. Sa position exacte sera à l’intersection des deux cercles, soit deux possibilités.

POSITIONNEMENT GNSS. ROUGEpsd

Afin de déterminer laquelle de ces possibilités est correcte, le signal d’un troisième satellite est nécessaire. Pour la démonstration nous allons l’imaginer avec un diamètre de 15 000km.

A l’intersection de ces trois cercles, il n’y a plus qu’un seul point possible dans un plan en 2D. Nous venons de géolocaliser notre récepteur.

POSITIONNEMENT GNSS FOND BLANC POSITIONNEMENT GNSS 3 SATELLITES

Balayez pour passer de la 2D à la 3D

Pour passer à la 3D, un 4ème satellite serait donc nécessaire, car l’intersection de 3 sphères donne 2 points. On peut toutefois s’en passer car seul l’un des deux points est géométriquement cohérent. Et il resterait donc une possibilité à éliminer.

L’utilisation d’un 4ème satellite s’avère pourtant nécessaire, car elle apporte des solutions dans la mesure du temps de propagation des signaux. En effet, les récepteurs GNSS au sol ne disposent que d’horloges sommaires qui n’ont pas la précision des horloges atomiques  des satellites. Il en résulte une désynchronisation qu’il convient de  résoudre pour bien maîtriser la distance récepteur-satellite et obtenir ensuite une géolocalisation correcte.

Vers la précision centimétrique
PPP RTK TERIASAT SATELLITE

L’exemple se réfère à l’utilisation de quatre satellites, mais les récepteurs GNSS  sont capables de suivre de nombreux satellites à la fois (stations, topographique , téléphone, appareil de navigation…). Cela améliore la précision, le temps de convergence, la couverture et réduire la possibilité d’erreurs.

En moyenne un récepteur peut capter 7 satellites de la même constellation (14 satellites sur GPS – GALILEO). Pour un positionnement centimétrique 5 satellites au minimum sont indispensables.

Actuellement 129 satellites satellites de positionnement sont actifs et disponibles pour les applications civiles :

CONSTELLATION
NOMBRE DE SATELLITES
GPS
31
GLONASS
24
GALILEO
22
BEIDOU
39
QZSS
4
IRNSS
6

Pour des applications dont la précision centimétrique est essentielle (véhicule autonome, bathymétrie, topographie…), cela n’est pas suffisant. En effet, des distorsions dans  la propagation des signaux , peuvent conduire à des erreurs de plusieurs mètres. C’est le cas notamment dans la traversée des couches atmosphériques.

Certaines solutions comme  TERIA permettent de corriger ces erreurs de mesure et fournir un positionnement centimétrique de 1-2cm en temps réel.

Elles s’appuient sur des réseaux de récepteurs tous connectés à des centres de calcul, lesquels modélisent l’ensemble des erreurs et retournent des corrections (PPP, PPP-RTK, NRTK et RTK) en temps réel aux usagers.

TERIA TERIASAT RESEAU SATELLITE
Vers la précision centimétrique

Afin de localiser mathématiquement un objet sur la Terre d’une façon univoque, il faut définir un référentiel géodésique qui s’exprime par des coordonnées géographiques qui sont le plus souvent : la latitude, la longitude et l’altitude (ou l’élévation) par rapport au niveau moyen de la mer (élévation orthométrique) ou par rapport à une surface de référence, en général ellipsoïde (élévation ellipsoïdale).  .

Historiquement, les systèmes géodésiques étaient déterminés à partir de mesures angulaires et de quelques mesures de longueur. Un système géodésique était associé à un réseau géodésique, ensemble de points dont les coordonnées avaient été déterminées à partir de mesures terrestres.

Les techniques spatiales ont permis de définir des systèmes géodésiques mondiaux. Le système géodésique le plus utilisé dans le monde est le système WGS84 (World Geodetic System 1984), associé au système de positionnement américain GPS.

Source :
couleur-science.eu
gnssplanning.com

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2 Commentaires

  • heurtevin dit :

    quelle est la différence entre le GPS embarqué dans une voiture ou dans un smartphone, et le GPS utilisé par le géomètre ?

    • Paul Chambon - Directeur Technique TERIA dit :

      Merci pour votre question.

      Les satellites GNSS (incluant GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU, …) émettent des signaux permettant de se positionner. Ceux-ci sont composés de message de code et de phase et disponible sur plusieurs fréquences.

      Les récepteurs et antennes présentent dans un Smartphone ou un GPS de voiture embarquent des puces à bas coûts. Elles ne permettent de réceptionner qu’une seule fréquence et fournissent un positionnement sur les mesures de code uniquement, sans inclure un algorithme de positionnement différentiel.
      Ainsi, cette méthode de positionnement permet d’obtenir une précision de l’ordre de 5 mètres en zone dégagée. L’avantage se situe sur trois points : un coût très faible, un encombrement réduit permettant d’être embarqué dans un Smartphone et une consommation électrique réduite permettant d’augmenter l’autonomie de l’équipement final.

      Des récepteurs et des antennes plus sophistiquées sont en mesure de mesurer simultanément plusieurs fréquences et de mesurer les données de code et de phase. En incluant un algorithme permettant d’utiliser des corrections. Il est alors possible de se positionner avec une précision centimétrique en temps-réel. Bien entendu ce type de matériel est plus onéreux, est plus imposant et consomment plus d’énergie.

      J’espère que cela à pu répondre à vos interrogations. N’hésitez pas si vous voulez en savoir plus.

      A très vite.

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