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 GNSS 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 GNSS 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 un positionnement avec 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 plus 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 GNSS 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 GNSS 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 GNSS 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 GNSS se trouve à 25 000 km d’un premier satellite donné. Cela signifie que le récepteur GNSS 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.

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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 GNSS 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
30
GLONASS
25
GALILEO
27
BEIDOU
44
QZSS
5
IRNSS
8

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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24 Comments

  • 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 sont disponibles sur plusieurs fréquences.

      Les récepteurs et antennes présents dans un Smartphone ou un GPS de voiture embarquent des puces à bas coûts. Elles 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 sophistiqués sont capables de mesurer simultanément plusieurs fréquences ainsi que 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, plus imposant et consomme plus d’énergie.

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

      A très vite.

      • Luc Gramsch dit :

        pouvez-vous me dire quelles sont les constellations qu’un iPad, mini et/ou pro peut utiliser:
        GPS
        GALILEO
        GLONASS
        BEIDOU
        autres

        Merci pour votre retour

        • L'équipe technique TERIA dit :

          Bonjour,

          Seuls les iPads contenant un modem cellulaire ont une puce GNSS intégrée.
          Concernant les constellations suivies par ces modems d’iPad, Apple ne communique pas beaucoup d’information sur le sujet (leur puce GNSS est qualifiée de GPS/GNSS) mais il semblerait qu’ils utilisent les constellations GPS, GLONASS et GALILEO. En revanche, la constellation BEIDOU ne semble pas être prise en charge.
          Espérant avoir répondu à votre interrogation.

          L’équipe technique TERIA.

      • Dayou dit :

        Bonjour comment faire si mon GPS ne marche pas sur mon téléphone ?aidez-moi

        • L'équipe technique TERIA dit :

          Bonjour, si vous avez déjà essayé de redémarrer votre téléphone ainsi que de désactiver/activer la fonction GPS, nous vous recommandons de vous rapprocher de votre revendeur de matériel.
          Bien que rétablir la configuration usine peut-être une solution, elle est souvent irréversible. Contactez votre revendeur ou le fabriquant de votre matériel pour une procédure dépannage adaptée.

  • Négrel dit :

    Bonjour,
    J’utilise un Samsung Galaxy S20. Il est censé travailler en bi-fréquence (source Galileo). Une vérification avec GPSTest indique qu’il utilise en fait presque exclusivement la gamme 1, avec parfois un petit éclair sur la gamme 5 (gps et galileo). Le précision de la mesure qui « pourrait » être de 30 cm selon certains commentaires du web est en fait de 4m (dop) sur la première mesure. En utilisant Mobiletopographer, on arrive assez rapidement à 1m (60 mesures), voire à 50cm (500 mesures).
    Pourtant, quand on compare le résultat aux données de cadastre.fr sur des bornes parfaitement identifiées, on trouve des écarts de 1 à 2m, voire plus.
    Avez vous une explication ?
    Accessoirement, savez-vous quelle méthode est utilisée par Mobiletopographeur pour réduire son estimation de l’erreur et calculer la position « corrigée » ?
    Cordialement
    YN

  • Le décalage que vous observez est dû à deux raisons:
    – le système de coordonnées : en effet le cadastre et autres cartes nationales sont référencés dans le système de coordonnées français RGF93, or le GPS de votre Smartphone fonctionne dans le système de coordonnées WGS84. Aujourd’hui l’écart entre les deux systèmes est de 60 cm.
    – Le logiciel Mobiletopographer fonctionne en faisant une moyenne des positions observées. Or il ne corrige pas la position, du coup il faut faire la différence entre « précision » (écart à la moyenne des positions) et « exactitude » (écart à la position vraie).

    Pour compléter, un Smartphone même bi-fréquence ne permet pas d’atteindre une position absolue à 30 cm à notre connaissance.

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

  • DROUBLI dit :

    Bonjour
    J’aimerais savoir si votre solution permet de pouvoir localiser un smarphone avec une précision de centimètres? Je vous donne un exemple simple . J’ai faire des grilles de dalle de 25 cm de côté en découpant la surface de la terre. J’ai obtenu par la suite 8 millions de milliards de dalles et chaque dalle aura un numéro matricule unique – la question est de savoir si un utilisateur se tient debout avec son smarphone est ce que votre technologie peut permettre avec précision de détecter à telle dalle qu’il se trouve précisément ?
    Je serai ravi d’avoir une réponse de vous cas je pourrais entrer en partenariat avec votre solution, merci.

    • CHAMBON dit :

      Bonjour,
      Notre service nécessite d’être utilisé avec un appareil compatible, hors actuellement les Smartphones ne le sont pas nativement. Le produit PYX que nous proposons permet via une connexion Bluetooth de rendre le Smartphone alors compatible.
      Nous restons disponibles si vous souhaitez plus d’informations,
      Bien cordialement,

      Paul CHAMBON.
      Directeur technique TERIA.

  • Ahmat Abdi dit :

    Bonjour,
    Je voudrais localiser un site minière au Tchad si possible contactez-moi s’il vous plaît.

    Bien à vous,

    AHMAT

  • Teria dit :

    Bonjour monsieur,
    Merci d’avoir pris contact avec nous.
    Malheureusement nous ne fournissons pas ce genre de service.
    Restant disponible,
    L’équipe Teria

  • Abdou dit :

    Qu’elles sont les limites du GNSS en topographie ?

    • équipe Teria dit :

      Bonjour,

      À quels genre de limites pensez-vous ? Quel usage souhaitez-vous avoir du GNSS ?
      Restant disponible,
      L’équipe Teria

  • BRIE dit :

    Bonjour,
    J’ai un smartphone Samsung A51 et je peux voir les satellites reçus avec l’application GPSTest. On peut classer les satellites par constellation (GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU…) et aussi par la « force » du signal reçu (C/NO : Carrier to Noise Density). Votre article montre très bien que le calcul de la position gps utilise 4 satellites. Comment la puce GNSS (S.LSI,K102 dans mon cas) choisit-elle les satellites ?
    Elle prend les 4 meilleurs C/NO, même s’ils appartiennent à des constellations différentes ?
    Elle prend les 4 meilleurs dans une même constellation ?
    Est-ce que Galileo, présenté comme ayant de meilleures performances du point de vue précision, est favorisé lors du choix des satellites ?
    A quelle fréquence est recalculée la position gps ? A intervalles de temps régulier ?
    Comme la « force » des signaux reçus évolue facilement, est-ce que le calcul de la position gps utilise à l’instant T+1 d’autres satellites que ceux utilisés à l’instant T ?
    Encore merci pour cet article très intéressant. Bonne journée.

    • L'équipe Teria dit :

      Bonjour,
      il n’est pas évident de répondre à vos questions en tant que fournisseur de corrections GNSS car elles concernent plutôt le fonctionnement de la puce GNSS de votre smartphone qui est donc propre à chaque constructeur. Pour information, les puces GNSS contenues dans les smartphones proviennent de plusieurs fabricants : Qualcomm, MediaTek, STMicroelectronics et Broadcom Inc. Après quelques recherches, il semblerait que les puces équipant les Samsung sont fabriquées par Broadcom Inc. Je vous suggérerais soit de passer par la communauté Samsung (voici un sujet un peu similaire https://eu.community.samsung.com/t5/applications-mobiles-services/smartphone-avec-puce-gps-2-canaux/td-p/3558827) soit de contacter directement le fournisseur de puces GNSS.
      Nous vous souhaitons une bonne journée,
      L’équipe TERIA

  • schegerin dit :

    pouvez-vous m’envoyer les equations permettant de calculer les coordonnées d’un point à partir de quatre satellites, en GPS et en GNSS RTK
    merci

  • Leonard Gabin dit :

    Bonjour, pouvez m’envoyer les équations permettant de déterminer notre position à partir de 3 ou 4 satellites ?
    Merci d’avance et bonne soirée

  • Essengue Clément dit :

    Salut, svp j’aimerais savoir si la précision des observations GNSS Nord-Sud et Est-Ouest reste la même.

    • L'équipe TERIA dit :

      Bonjour,
      La précision obtenue lors de mesures GNSS est à peu près similaire en Est-Ouest et en Nord-Sud car le nombre de satellites disponibles aujourd’hui fait que la répartition est à peu près homogène dans le ciel.En revanche la précision est toujours moindre en vertical (2 fois moindre qu’en horizontal).

      • Essengue Clément dit :

        Bonjour merci pour votre réponse. Puis-je avoir un peu plus de détails qui justifient cette différence ? Quelques références me seront très utile merci d’avance.

  • L'équipe TERIA dit :

    Bonjour,
    La précision du positionnement est liée, entre autres, à ce qu’on appelle le coefficient de précision DOP (Dilution Of Precision) qui traduit la géométrie des satellites de positionnement dans le ciel. Plus la répartition des satellites sera homogène dans le ciel, meilleur sera le DOP et meilleur sera la précision. Plus en détail, la composante horizontale (X,Y) utilisera des satellites répartis à 360° tandis que la composante verticale n’utilisera que des satellites répartis à 180° (au dessus de vous) ce qui explique la précision deux fois moindre en vertical qu’en horizontal. Vous pouvez vous référer forum Georezo qui à travers les commentaires de Yves Egels l’explique : https://georezo.net/forum/viewtopic.php?id=121224

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