Pro XR / XRS. PathFinder POWER Avec TSC1 + Asset Surveyor Et logiciel PathFinder Office

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1 Pro XR / XRS ASSET SURVEYOR PathFinder POWER Avec TSC1 + Asset Surveyor Et logiciel PathFinder Office Guide pratique d utilisation Pro XRS avec TSC1 PathFinder Power avec TSC1 D3E Electronique Parc d Activité SAVIPOL BP SAINTE SAVINE CEDEX Tel. : Fax : gps@d3e.fr - Site Web :

2 SOMMAIRE 1 INTRODUCTION OBJECTIFS QUESTIONNAIRE PRO XR/XRS AVEC ASSET SURVEYOR ASSET SURVEYOR PATHFINDER OFFICE ADRESSES UTILES SUPPORT TECHNIQUE Ressources sur Internet Contacts Importants LE SYSTEME GPS INTRODUCTION DESCRIPTION DU SYSTEME TYPES D ERREURS GPS PRECISION DU SYSTEME SYSTEME DE REFERENCE GEODESIQUE LE DGPS PRINCIPE DU DGPS Le DGPS en temps réel Le DGPS Post traité PARAMETRES DE CONFIGURATION METHODES DE CORRECTIONS ELEMENTS DU PROJET GPS INTRODUCTION TRAVAUX DE RECONNAISSANCE PREPARATION DE LA MISSION Création de dictionnaire d attributs Prévision des satellites Configuration du carnet de terrain PREPARATION DU MATERIEL OPERATION DE TERRAIN CAPTURE DE DONNEES OPERATIONS DE BUREAU PREPARATION D UNE MISSION DEFINITION DU PROJET REALISATION D UN DICTIONNAIRE D ATTRIBUTS SYSTÈME DE COORDONNÉES PREVISION DES SATELLITES (QUICK PLAN) POINTS DE REPERE TRANSFERT DES DONNEES CONFIGURATION DU CARNET DE TERRAIN Configuration du TSC Configuration de TDC

3 OPERATIONS DE TERRAIN DEMARRAGE CAPTURE DES DONNEES OUTILS DISPONNIBLES LORS DU LEVER INFORMATIONS UTILES NAVIGATION OPERATIONS DE BUREAU INTRODUCTION TRANSFERT DES DONNEES Transfert des données du mobile Transfert des données de la station de base CONFIGURATION DANS PATHFINDER OFFICE OUVERTURE DE FICHIERS TRAITEMENT DES CORRECTIONS DIFFERENTIELLES AFFICHAGE ET EDITION DES DONNEES EXPORTER LES DONNEES Ttypes de données à exporter Autres types de données pouvant être exportées Utilitaire d exportation TRAITEMENT EN LOT ANNEXES ANNEXE 1 ANNEXE 2 Gestionnaire de systèmes de coordonnées Transfert du système de coordonnées dans le carnet de terrain TSC1

4 1-Introduction 1.1 OBJECTIFS Ce manuel à été rédigé dans le but de fournir un guide de référence rapide pour l utilisation du système de cartographie par GPS Pathfinder Pro XR/XRS comprenant les logiciels Asset Surveyor et Pahtfinder Office. De la préparation d un projet à l obtention des coordonnées finales, toutes les étapes nécessaires sont décrites de manière chronologique, afin de vous aider à vous familiariser avec ces outils. Ce document n est cependant pas exhaustif, il fournit néanmoins les informations nécessaires pour mener à bien la collecte des données SIG. Ce manuel comprend : Les notions fondamentales du GPS et du DGPS. Les composantes du système PRO XR/XRS La création d un dictionnaire d attribut dans Pathfinder Office. Les Paramètres de configuration du système dans le logiciel Asset Surveyor du carnet de terrain. L enregistrement des données de terrain Les corrections différentielles appliquées en post traitement dans Pathfinder Office. Exporter les données vers des outils SIG ou CAD 1.2 QUESTIONNAIRE Des questions de contrôle sont présentes en fin de chapitre pour vous aider à évaluer vos connaissances sur ce qui vient d être étudié.

5 1.3 Pro XR / XRS et PathFinder POWER avec Asset Surveyor 1.4 ASSET SURVEYOR Les PRO XR/XRS et PathFinder POWER sont des outils qui permettent de collecter des données SIG associées à des positions GPS. Le système est composé d un récepteur GPS, d un carnet de terrain et son logiciel Asset Surveyor ainsi que des accessoires (antenne pour Pro XR/XRS et câbles). Il est idéal pour toutes les applications qui nécessitent 50 centimètres à 1 mètre de précision. Le logiciel Pathfinder Office fournit les outils nécessaires à la préparation d une mission, à la création d un dictionnaire d attributs, au calcul différentiel post traité et au transfert des données vers des outils d information géographique SIG. Les récepteurs Pro XR/XRS et PathFinder POWER permet d obtenir 50 cm de précision en mode différentiel sur le code. Avec un traitement sur la phase, il permet d obtenir 10 cm, voire 1 cm, de précision. Le Pro XR comprend un récepteur et une antenne qui permet de recevoir en temps réel les corrections différentielles des Phares et Balises. Les Pro XRS et PathFinder POWER comprennent les éléments du PRO XR et permettent de recevoir en plus les corrections différentielles transmises par satellite. Il offre ainsi la possibilité de choisir différentes sources pour les corrections différentielles en temps réel. Asset Surveyor est le logiciel du carnet de terrain. Il permet d effectuer les opérations sur le terrain en associant des attributs SIG à des objets tels que les points, les lignes et les surfaces. Deux carnets de terrain sont disponibles : Le TSC1 et le TDC1. Le TSC1 est plus récent, plus rapide et offre un affichage graphique. Le logiciel Asset Surveyor va permettre de : Configurer les opérations de lever en fonction du type de travail à réaliser. Enregistrer les données GPS auxquelles ont été associés les attributs selon le dictionnaire préalablement défini. Enregistrer des données issues de Senseurs externes tel qu un Laser par exemple. Entrer des Offsets (décalages constants) pour des points, des lignes ou des surfaces.

6 1.5 PATHFINDER OFFICE De retour au bureau, il est possible de récupérer ou traiter les données acquises et de les exporter vers des outils SIG. Avec le logiciel Pathfinder Office, vous pouvez : Planifier les sessions favorables avec le logiciel Plan. Créer un dictionnaire d attribut en fonction des éléments qui seront relevés. / Importer / Exporter des données. + Pathfinder Office est l interface entre le système PRO XR/XRS OU PathFinder Power et votre SIG. Post traiter les données non corrigées Transférer des données entre le PC et le carnet de terrain. Editer les propriétés des objets ainsi que leurs positions. Afficher une carte à l échelle de l ensemble ou en vue partielle.

7 1.6 ADRESSES UTILES SUPPORT TECHNIQUE Trimble Navigation France et ses distributeurs assurent un support technique permanent. Votre revendeur a les compétences ou les moyens pour répondre à vos questions. Trimble France dispose également d un support technique pour parfaire ce service. Lors d un contact, soyez prêt à fournir les éléments suivants : Le système que vous possédez.? La version du «Firmware» de l appareil. La version des logiciels. La configuration du carnet de terrain ou du récepteur. Les détails du problème rencontré, incluant les messages d erreur. Plus vos informations seront précises, plus rapide et plus aisée sera l assistance. Ressources Internet : Site Web Internet Adresses Electronique : trimble_support@trimble.com Site FTP Internet : ftp.trimble.com ( ) Site Web Internet D3E Electronique Support Technique D3E Electronique support@d3e.fr Ressources sur Internet Le site Internet de TRIMBLE fournit l accès à des outils du support technique pour les clients. Les pages concernées sont dans «Support & Training «à partir de la page d accueil ou directement à l adresse suivante : Le numéro de série de votre appareil sera demandé pour y accéder. Astuces TRIMBLE (TIPs) Technical Information Pages contient des informations sur le produit et des réponses aux questions les plus fréquemment posées. Ce site est très intéressant et peut être consulté avant de contacter votre revendeur. L adresse Un service 24-Heures sur 24, est disponible pour répondre à vos questions à l adresse suivante : Trimble_support@trimble.com

8 Le site FTP (File Transfert Protocol) Vous pouvez télécharger des documents techniques, des utilitaires et des softwares directement à partir de ce site. L accès se fait par un double clic sur le site FTP à partir de la page Trimble Support sur le web ou en tapant : ftp.trimble.com ( ) La connexion se fait en tant «Anonyme» (Anonymous) et votre adresse en tant que mot de passe. Remarque : Ces ressources par Internet sont directement accessibles à partir de PathFinder Office dans le menu Aide Contacts importants L institut Géographique National IGN Les points de contrôles pour vos chantiers, les fonds de plan numérique et autres bases de données sont disponibles à l IGN en contactant votre agence locale ou les adresses suivantes : Pour une recherche des points IGN dans votre région #typcoord Ce site vous permettra de parfaire vos connaissances sur les notions de géodésie. U.S Cost Guard Le service des Gardes Côtes américains, US Cost Guard, est une source intéressante pour tout ce qui concerne les informations relatives à la constellation des satellites GPS du système NAVSTAR. Enregistrement des messages : Téléphone : Internet :

9 Le système GPS T INTRODUCTION Le système NAVSTAR (NAVigation System by Timing and Ranging) GPS (Global Positioning System) est un système de positionnement par satellite conçu et mis en service par le U.S.Department of Defense (DoD). Le GPS fournit les informations de position, de vitesse et de temps avec précision et rapidité, n importe où et n importe quand sur ou au voisinage de la terre. Le développement du système a commencé dans les années 70 en vue de remplacer le système TRANSIT. Le lancement du premier satellite a eu lieu en 1978 et le système a été déclaré pleinement opérationnel fin Le système est composé de trois segments : Segment spatial : 28 satellites en orbite à km avec une période de révolution de 12 heures. Segment de contrôle : 5 stations de contrôle permettent de piloter le système (Colorado Springs, Diego Garcia, Ascension Island, Kwajalein et Hawaii). Segment utilisateurs : L ensemble des utilisateurs du système. Accurate clocks are required Distance from satellites used Need to know satellitelocation Correct for atmosphere and ionosphere Remove S/A DESCRIPTION DU SYSTEME Le fonctionnement du GPS peut se résumer en cinq étapes : 1 - Intersection spatiale 2 - Mesure de la distance à partir d un satellite 3 - Mesure précise du temps (4 satellites pour X,Y,Z,t ) 4 - Positionnement des satellites (Message des positions et heures) 5 - Corrections des erreurs troposphériques et ionosphériques

10 Le système GPS Intersection spatiale (ou trilatération) Utilisation des mesures sur 4 satellites au minimum Le signal se propage à la vitesse de la lumière D istance = T emps de trajet x V itesse de la lumière 11,000 miles Le lieu géométrique d une mesure de distance sur un satellite est une sphère L intersection de deux sphères est un cercle L intersection de trois sphères est deux points dont une position est invraisemblable En pratique, un quatrième satellite est nécessaire pour résoudre les quatre inconnues, X, Y, Z et le temps. Trimble Navigation France S.A - Révision version

11 Le système GPS Mesure de la distance Le Signal GPS Deux fréquences L MHz L MHz Trois modulations Deux codes distances λ =19 cm λ =24 cm - Code C/A sur L1 f =1.023 MHz (Ce code sera sur L2 dans le futur) - Code P sur L1 et sur L2 f =10.23 MHz Un message de navigation NAVDATA sur L1 et L2 Ce message comprend :. le temps GPS. les éphémérides des satellites. des informations sur les satellites. les almanachs des satellites. un modèle de paramètres. ionosphériques. URA User Range Accuracy 2 types de mesures - mesures de déphasage sur le code - mesures de déphasage sur l onde porteuse 2 types de résultats - Coordonnées d un point et navigation - à partir du code - Ligne de base entre deux stations - à partir de la phase Mesures réalisées sur le code La distance récepteur - satellite est obtenue par la mesure du temps de trajet effectué par le signal radio. (D = c.t). Si l horloge du récepteur est précise, le seul élément qui reste à connaître c est le moment où le signal a été émis. Comment déterminer cet instant? C est une des subtilités du système GPS Chaque satellite génère son propre code PRN sur une même fréquence commune à tous les satellites Le récepteur génère sur chaque canal le code du satellite observé Synchronisation des émissions des codes entre les satellites et le récepteur Mesure du déphasage entre le signal émis par le satellite et le signal généré dans le récepteur. T Signal du satellite Signal du récepteur Il est nécessaire d avoir des horloges précises : pour une synchronisation parfaite entre le récepteur et les satellites. l ensemble du système repose sur la précision des horloges Les satellites sont équipés d horloges atomiques Les récepteurs ont des horloges suffisamment précises Les mesures sur des satellites supplémentaires permettent de corriger et d ajuster l horloge du récepteur Trimble Navigation France S.A - Révision version

12 Le système GPS Mesures réalisées sur la phase Z Distance terrain Géodésique Station 1 Station 2 VECTEUR Distance directe Y Ellipsoide L aspect fondamental des mesures sur la phase réside dans l obligation d enregistrer les variations de la phase sur au moins deux récepteurs observant les mêmes satellites (4 au minimum). Le résultat obtenu lors du traitement (temps réel ou différé) est un vecteur tridimensionnel reliant deux stations. X Distance Distance réduite Comment obtenir une ligne de base (vecteur) à partir des mesures sur la phase? Le traitement utilise la technique dite de la Différenciation Dl N La simple différe nce compare les données de 2 satellites avec une station ou 2 stations avec 1 satellite La double différence combine les simples différences La triple différence combine les doubles différences Qu est ce que l ambiguïté de phase N? Le récepteur mesure le déphasage lors du premier enregistrement. Ensuite, il comptabilise les cycles successifs Il ignore le nombre de longueur d onde entière depuis la première mesure entre le récepteur et le satellite Cette inconnue N, s appelle l ambiguïté de phase ou entier de phase. Etapes de calcul 9 1 D λ 3 6 Mesure Estimation des positions des récepteurs par les mesures sur le code. Calcul des triples différences à partir de l estimation précédente et de l analyse de l effet Doppler pour déduire une solution de la forme dx, dy, dz, solution triple différence. Détermination des ambiguïtés de phase par l équation dx, dy, dz = (N.λ) + Φ. A ce stade les ambiguïtés sont des valeurs réelles. Ce jeu d ambiguïtés est comparé de nouveau pour l ensemble des données pour extraire un nouveau vecteur appelé solution flottante. Les ambiguïtés sont alors arrondies à des valeurs entières les plus proches. L ensemble des données est alors retraité avec ce jeu d entiers. La solution obtenue est appelée solution fixe. Trimble Navigation France S.A - Révision version

13 Le système GPS Mesure précise du temps Les résultats des calculs dépendent de la précision de l horloge. Le code doit être généré au sein du satellite et du récepteur au même instant. Les satellites ont des horloges atomiques précises à la nanoseconde. La précision de l horloge du récepteur est de l ordre de Le récepteur utilise en fait les mesures sur un quatrième satellite pour ajuster l erreur de son horloge. Horloges précises Erreurs d horloges 4 sec's 6 sec's Position erronée 8 sec's Positionnement des satellites Ephémérides transmises à l utilisateur Les stations de contrôle enregistrent continuellement le signal des satellites, transmettent ces données à la station principale de Colorado Springs qui recalcule les trajectoires et les corrections d horloges. Ces informations sont mises à jour au niveau des satellites une fois par jour. Ces almanachs sont radiodiffusés toutes les 12,5 minutes. Colorado Springs Ionosphere Troposphere Correction des erreurs atmosphériques Le signal radio est retardé lors de la traversée de l ionosphère et de la troposphère provoquant ainsi une erreur sur la mesure de distance. Le récepteur réalise une estimation de ces retards afin de corriger cette erreur. Trimble Navigation France S.A - Révision version

14 Le système GPS TYPES D ERREURS GPS Le Selective Availability S.A : Il s agissait d une dégradation volontaire imposée par le gouvernement américain sur les horloges embarquées et sur les éphémérides radiodiffusées. Ce brouillage est officiellement supprimé depuis le 01 mai Erreurs d horloges Ephémérides Ionosphère + Troposphère S.A mètres Erreurs liées au système : L Ionosphère : C est la couche de l atmosphère qui s étend de 50 à 1000 kms. C est un milieu ionisé par l action des radiations solaires. L effet sur la mesure des distances aux satellites peut varier de 0 à 50 m. La Troposphère : C est la couche basse de l atmosphère située de 7 à 14 kms. Le retard troposphérique est d environ 2 m pour un satellite au zénith jusqu à 30 m pour une élévation de 5. Il dépend de la température, de la pression et de l humidité. Les éphémérides : la précision des orbites radiodiffusées est de l ordre de 2 à 20 m. K Ces erreurs sont partiellement ou complètement corrigées par la technique du GPS différentiel DGPS et les modes opératoires. Erreurs liées à l environnement : Bonne géométrie Le multi-trajet : Ce phénomène apparaît lorsque le signal issu du satellite arrive au récepteur après avoir suivi un autre chemin que le trajet direct en particulier après réflexion sur un obstacle. Des antennes et récepteurs performants permettent de réduire cet effet. Le récepteur : La qualité des récepteurs (nombre de canaux, qualité de l horloge, antenne de réception, traitement du signal ) influe sur la précision du positionnement. Dilution de la précision DOP : Une géométrie des satellites défavorable provoque une imprécision dans le résultat. Intersection défavorable K Ces erreurs sont partiellement corrigées par les modes opératoires. Trimble Navigation France S.A - Révision version

15 Le système GPS PRECISION DU SYSTEME GPS La précision du système dépend de la technique utilisée du type de récepteur de la position et du nombre de satellites du temps d observation Mode Autonome ( sans correction ) Précision : 10 m Mode différentiel sur le code post-traité Station de base < 500 km Précision : < 50 cm + 1 ppm Mode différentiel sur le code en temps réel Station de base équipée d une liaison radio Mode différentiel sur la phase post-traité Station de base Code : < 500 km Phase : < 10 km < 50 km Précision : précision sub-métrique pour des distances inférieures à 500 km avec une station de référence précision améliorée avec le système satellitaire diminution de l erreur ppm liée à la distance à la base en utilisant plusieurs stations de référence Précision : < 20 cm pour 10 minutes d observations < 10 cm pour 20 minutes d observations 3-4 cm pour 45 minutes d observations 1 cm pour 45 minutes d observations avec une distance base/mobile < 10 km Trimble Navigation France S.A - Révision version

16 Le système GPS Définitions des critères de précision 95% (10 m) En mode autonome 68% (5 m) La précision des récepteurs GPS ne recevant pas de corrections différentielles est de 10 m en planimétrie et de 20 m en altimétrie (2drms) à 95 % du temps. 50% (4 m) Définitions 1. Erreur probable (CEP = Circular Error Probality) représente 50 % de probabilité Pour 100 positions enregistrées, 50 positions seront < 4 m et 50 seront au-delà 2. Ecart type s = RMS (Root Mean Square) représente 68 % de probabilité Pour 100 positions enregistrées, 68 positions seront < 5 m et 32 seront au-delà 3. A 2s = 2drms représente 95 % de probabilité Pour 100 positions enregistrées, 95 positions seront < 10 m et 5 seront au-delà Trimble Navigation France S.A - Révision version

17 Le système GPS SYSTEMES DE REFERENCES Z Système de référence géodésique X O Y Un système de référence géodésique est un repère affine tel que : l origine O est proche du centre des masses de la terre OZ est proche de l axe de rotation de la terre (fixé à une époque) OXY est proche du plan équatorial avec OX définissant le méridien origine (Greenwich). Aplatissement b a Un ellipsoïde, centré en O et dont les dimensions sont fixées, est associé à ce repère. a : grand axe de l ellipsoïde b : petit axe 1/f : l aplatissement e : l excentricité Un ellipsoïde est défini par a et b, a et e ou a et 1/f. L ellipsoïde est une représentation mathématique de la terre. Z P H Z Un point P à la surface terrestre s exprime : en coordonnées géocentriques (X,Y,Z) ou en coordonnées géographiques (F,l,H) X Y l λ f X Y F : la latitude est l angle entre le plan équatorial et la normale passant par P. l : la longitude est l angle entre le méridien origine et le plan méridien passant par P. H : la hauteur est la distance au-dessus de l ellipsoïde le long de la normale au point P. y P x Une représentation plane (ou projection) transforme l ellipsoïde en un plan. A tout point de l ellipsoïde de coordonnées (Φ, λ) correspond un point sur le plan de coordonnées (E, N ou x, y). Dans cette transformation, la connaissance de H n est pas nécessaire (ou est perdue). o Trimble Navigation France S.A - Révision version

18 Le système GPS Système de référence altimétrique Ellipsoïde H h = H + N Surface Topo N h h H h N hh Géoïde N G L altitude d un point de la surface topographique est de manière approchée la distance entre le point et une surface de référence appelée géoïde. Le géoïde est une équipotentielle du champ de pesanteur qui correspond approximativement au niveau moyen des mers. Un système de référence altimétrique est défini par : Un point fondamental : point pour lequel on fixe arbitrairement l altitude. Ce point est proche d un marégraphe et rattaché au niveau moyen des mers. Un type d altitude : dynamique, orthométrique, normal Ellipsoïde local WGS84 Geoid Réalisation d un système de référence Un système de référence n est pas directement accessible. Sa réalisation se fait implicitement en exprimant la position de points dans le système de référence par des coordonnées. Le système est donc matérialisé par un réseau de points connus en coordonnées. Pourquoi y a-t-il de nombreux systèmes? Un système géodésique est ou était défini pour une étendue donnée (un pays, un continent). Une étendue mondiale est devenue possible avec les techniques de géodésie spatiale. Aujourd hui, plusieurs systèmes coexistent pour des raisons pratiques et historiques (on ne peut refaire instantanément toute une cartographie) mais aussi pour des raisons légales ou réglementaires. Trimble Navigation France S.A - Révision version

19 Le système GPS Système de référence géodésique français Le réseau géodésique français actuel est constitué de sites répartis sur l ensemble du territoire à raison d un site pour 7 km² environ. Il se décompose en deux réseaux complémentaires, le réseau NTF (Nouvelle Triangulation de la France) constitué de plus de sites, associé au système NTF et déterminé par triangulation de la fin du 19 èm e siècle à 1981 et le réseau RGF réalisé par GPS (environ 1000 sites à ce jour 1 point tous les 20 kms +/- 5 kms) associé au système géodésique RGF93. 4 Le système NTF reste à ce jour le système réglementaire 4 Le réseau RGF est une matérialisation précise du système WGS 84 utilisé par le GPS. 4 Le réseau RGF exprimé dans le système RGF-93 étant facilement exploitable par GPS, plus précis, plus exact, il est recommandé aux utilisateurs de travailler dans ce nouveau système, qui constitue la meilleure référence nationale, en voie de devenir réglementaire. 4 Toute altitude publiée ne peut être référencée qu à un de ces deux systèmes d altitudes normales. Le système NTF : Nouvelle Triangulation de la France. Les coordonnées sont exprimées en coordonnées planes Lambert I, II, III ou IV avec une précision relative estimée à 10-5 (1 cm par km). La projection Lambert associée est une représentation plane conique conforme tangente avec réduction d échelle de l ellipsoïde Clarke Le système RGF 93 : Réseau Géodésique français. Le Conseil National de l Information géographique (CNIG) a préconisé en 1989 la mise en œuvre d un nouveau réseau, matérialisant pour le territoire français, un système de référence tridimensionnel mondial géocentrique de précision centimétrique sites ont alors été observés par GPS et déterminés dans ce système, désigné par RGF93, issu du système européen ETRS89 (European Terrestrial Reference System) et équivalent au système WGS 84, de précision métrique. Les coordonnées des sites sont exprimées dans ce système en coordonnées géographiques sur l ellipsoïde IAG-GRS 1980 et en coordonnées planes Lambert-93, avec une précision relative estimée à 10-6 (1mm par km) et une précision absolue de quelques centimètres. La projection Lambert-93 associée est une représentation plane conique conforme sécante de l ellipsoïde IAG-GRS 80. Le système d altitude. Les altitudes sont exprimées dans les systèmes utilisés pour le réseau de Nivellement Général de la France : systèmes NGF- IGN69 pour le continent et NGF-IGN78 pour la Corse. Trimble Navigation France S.A - Révision version

20 Le système GPS PARAMETRES GEODESIQUES Système WGS 84 (système officiel du GPS depuis 1987) Ellipsoïde : WGS 84 ½ grand axe aplatissement a = m 1/f = 298, Système NTF (système réglementaire actuel) Le Lambert II étendu a les mêmes paramètres que le Lambert II avec une constante en Y différente. Cte Y = m Ellipsoïde : Clarke 1880 IGN ½ grand axe aplatissement Projections coniques conformes Lambert I : Parallèle origine : Méridien origine : Latitude isométrique nord : Latitude isométrique sud : Constante en X : Constante en Y : Lambert II : Parallèle origine : Méridien origine : Latitude isométrique nord : Latitude isométrique sud : Constante en X : Constante en Y : Lambert III : Parallèle origine : Méridien origine : Latitude isométrique nord : Latitude isométrique sud : Constante en X : Constante en Y : Lambert IV : Parallèle origine : Méridien origine : Latitude isométrique nord : Latitude isométrique sud : Constante en X : Constante en Y : a = ,2 m 1/f = 293, N E N N m m N E N N m m N E N N m m N E N N m m Système RGF-93 (Seules les coordonnées géographiques sont utilisées pour l instant et constituent les coordonnées précises dans le système WGS84 pour toutes les opérations GPS) Ellipsoïde : IAG-GRS80 ½ grand axe aplatissement Projection conique conforme sécante Lambert -93 Parallèle origine : Méridien origine : Latitude isométrique nord : Latitude isométrique sud : Constante en X : a = m 1/f = 298, N 3 E 49 N 44 N m Trimble Navigation France S.A - Révision version

21 Le système GPS Constante en Y : Transformation entre systèmes m Le passage d un système à un autre ne peut se faire que par la connaissance de points communs connus en coordonnées dans ces deux systèmes ou par l utilisation de modèles de transformation. La précision de la transformation dépendra dans le premier cas du nombre de points d appui et dans le deuxième cas de la précision du modèle. Modèle de transformation entre NTF et RGF 93 L IGN (Institut Géographique National) a établi deux transformations : 1. une transformation d une précision de quelques mètres consistant en une simple translation des centres des ellipsoïdes Clarke 80 et IAG-GRS80 (WGS84) dont les paramètres sont : De RGF vers NTF DX = m DY = + 60 m DZ = m 2. une transformation de précision centimétrique. Il s agit d un modèle de paramètres de transformation locaux calculés pour l ensemble de la France métropolitaine. GRILLE DE TRANSFORMATION GR3DF97A Modèle de transformation entre hauteur ellipsoïdale (RGF) et altitude NGF. Le passage de la hauteur ellipsoïdale, mesurée par GPS, à l altitude normale nécessite de connaître l écart N (ondulation) entre ces deux valeurs. Il existe déjà plusieurs modèles de cet écart sur l ensemble du territoire. Remarque : La grille de transformation planimétrique GR3DF97A ainsi que les modèle de géoïde RAF 96 et RAF 98 sont utilisés dans PathFinder Office dorénavant pour transformer les positions WGS 84 en coordonnées Lambert et en altitudes par rapport au NGF. MODELE DE GEOÏDE Ce système de transformation est disponible sur le Carnet de terrain TSC1 et non sur les carnets TDC1 ou TDC2. Trimble Navigation France S.A - Révision version

22 Le système GPS 1. Quels sont les trois segments du système GPS QUESTION S 2. Eléments constituant le signal GPS 3. Quel type de résultat obtient-on à l issue d un traitement sur le code? sur la phase? 4. Quelles sont les erreurs liées aux systèmes GPS? 5. Quelles sont les erreurs liées à l environnement? 6. Que représente l écart type d une position? 7. Quelle est la précision d un récepteur en mode autonome? 8. Qu est ce qu un système de référence géodésique? 9. Citer le nom des trois types de coordonnées pouvant être utilisées pour exprimer les coordonnées d un point P. 10. Qu est ce que le géoïde? Trimble Navigation France S.A - Révision version

23 Le DGPS 3 Le DGPS Le GPS Différentiel avec les récepteurs PRO XR/XRS 3.1 PRINCIPE DU DGPS Les récepteurs Pro XR et Pro XRS utilisent la technique différentielle pour déterminer la position d un point avec la précision submétrique. Un récepteur, appelé station de référence, est placé sur un point de coordonnées connues et détermine les corrections à appliquer sur les mesures de distances aux satellites (pseudo-ranges). Un nombre illimité de récepteurs mobiles peuvent utiliser ces corrections afin de les appliquer à leurs observations. Les corrections PRC (Pseudo Range Corrections) calculées par la station de référence sont pour chaque satellite, la différence entre les distances observées à l instant t et les distances calculées à partir des coordonnées connues de la station et celles des satellites. PRC = PR observée - PR calculée Le principe du DGPS repose sur le fait que les erreurs observées à la station de référence sont virtuellement identiques à celles observées sur le mobile situé jusqu à 700 kilomètres de la station. Corrections RTCM Station de Référence Trimble Navigation France S.A

24 Le DGPS Le DGPS en temps réel En mode temps réel, la station de référence calcule et transmet par signal radio les corrections différentielles. Le récepteur mobile équipé d un radio modem, reçoit les corrections PRC et calcule ainsi une position corrigée. Le récepteur Pro XR est équipé d un récepteur MSK intégré permettant de recevoir les corrections différentielles issues des stations de référence des Phares & Balises et le récepteur PRO XRS comprend en plus un récepteur satellite différentiel avec antennes et peut recevoir les corrections issues d un satellite de communication d un système de couverture mondiale. Les corrections différentielles sont émises sous un format standard RTCM SC- 104 établi par l International Association of Lighthouse Authorities (IALA). Gattevile Saint Mathieu Les Baleins Cap Ferret Porquerolles Cap Bear Corrections différentielles des Phares & Balises. Les messages des corrections sont émis dans la bande des 283,5 à 325 khz avec une modulation MSK (Minimum Shift Keying). Les stations françaises sont : Station Fréquence Latitude Longitude Portée Gatteville khz 49 42'N 01 16'W 90 km Saint Mathieu khz 48 20'N 04 46'W 90 km Les Baleins khz 46 15'N 01 34'W 90 km Cap Ferret khz 44 39'N 01 15'W 90 km Cap Bear khz 42 31'N 03 08'E 90 km Porquerolles khz 42 59'N 06 12'E 130 km Les stations anglaises disponibles au nord de la France sont : Station Fréquence Latitude Longitude Portée Ste Catherine khz 50 34' N 1 18'W 185 km Cap Lizard khz 49 57' N 5 12' W 185 km North Foreland khz 51 22' N 1 27' W 185 km Le récepteur peut effectuer une recherche automatique selon la distance ou la qualité du signal de la station la plus proche quand l option Phare (Phares & Balises) est sélectionnée. Il est aussi possible de sélectionner une station par sa fréquence. Satellite européen : EMS Système LandStar : f = 1531,21 MHz Système OmniStar : f = 1531,23 MHz Corrections différentielles par Satellite. Les corrections différentielles sont transmises par un satellite de communication dont la couverture est à l échelle d un continent. Ce service est payant et est assuré par le système LandStar de RACAL ou OmniStar de FUGRO. Un réseau de plusieurs stations de référence réparties sur plusieurs pays (6 à 10 stations) transmet à un centre de traitement les observations de chacune des stations. Le centre ré-émet ces messages, après analyses et contrôles, au travers d un satellite de communication. L utilisateur, équipé d un récepteur, reçoit ainsi les corrections. Compte tenu de l éloignement des stations entre elles et celui de l utilisateur, un modèle des corrections est utilisé pour diminuer les erreurs ionosphériques et troposphériques introduites par la différence des trajets des signaux Trimble Navigation France S.A

25 Le DGPS et troposphériques introduites par la différence des trajets des signaux satellites. Deux types de prestations sont proposées : Solution passive : Solution active : Le système calcule des corrections différentielles pour un point fictif appelé station virtuelle passive généralement localisée au centre d un pays. Ces corrections, calculées au centre de contrôle sont directement transmises via le satellite et utilisées par le récepteur. Ce type de service permet de travailler jusqu à 700 kms de la station virtuelle. Pour des raisons d encombrement du message du satellite, il n y a que très peu de stations VRS passives. Dans le cas d une solution active, le récepteur GPS transmet au récepteur des corrections sa position naturelle (100 m près) qui reçoit en plus l ensemble des informations des stations de référence par le satellite. Le calculateur détermine la valeur des corrections à l endroit même en intégrant le modèle. Cette solution permet de travailler indifféremment sur toute la couverture du satellite de communication avec le maximum de précision. La deuxième solution est plus précise car elle n introduit pas d erreur supplémentaire liée à la distance de la zone de travail par rapport à la station virtuelle passive. Le récepteur Pro XRS est équipé du système actif pour garantir le maximum de précision des corrections différentielles. Utilisation de sa propre station différentielle. La station CBS Il est également possible d utiliser sa propre station différentielle. A cet effet, tout récepteur de la gamme Trimble ou autre ayant l option RTCM SC-104 output (en sortie) peut être utilisé en tant que station de référence pour réaliser des levers en temps réel. Le récepteur Pro XRS peut être utilisé à cet effet. Il est par contre nécessaire d utiliser un lien radio entre le mobile et la station pour une application temps réel. Cependant, l intérêt d utiliser sa propre station est surtout pour le posttraitement des données. Trimble Navigation France S.A

26 Le DGPS Le DGPS post traité En mode différé, la station de référence enregistre les données GPS. Les données du mobile sont également enregistrées. L ensemble des données (Base & Mobile) sera calculé ultérieurement ensemble pour établir le différentiel et produire les positions corrigées du mobile. Un fichier d une station de base peut être utilisé pour corriger tous les fichiers mobiles si les conditions suivantes sont remplies : Les données de la base et des mobiles doivent être enregistrées sur la même période. Les satellites doivent être communs à la base et au mobile. Ceci n est guère possible au-delà de 600 à 700 km. L intervalle d enregistrement de la base doit être un sous multiple ou égal à l intervalle du mobile. La précision submétrique ne sera obtenue que pour les époques communes. Pour plus de précision On peut avoir recours au DGPS post traité dans les cas suivants : Les positions obtenues en temps réel ne sont pas suffisamment précises. Elles peuvent être non corrigées ou de manière insuffisante. La précision des corrections différentielles des Phares & Balises français par exemple est de l ordre de 5m. De plus, contrairement à la solution active des systèmes satellite qui offre une meilleure intégrité du système, les corrections ne sont établies qu à partir d une seule station de référence. L utilisation d une station personnelle plus proche en post traitement, permettra d obtenir la précision souhaitée (< 1m voire mieux). La précision décimétrique voire centimétrique est recherchée Le récepteur PRO XR/XRS permet d enregistrer les données de phase L1 pour pourvoir faire un post traitement avec la précision décimétrique (ou centimétrique en option). La station de référence doit enregistrer la phase également. La réduction des erreurs par des méthodes appropriées et une configuration adéquate de l équipement sont nécessaires pour atteindre la précision recherchée sur les données SIG à l aide du récepteur PRO XR/XRS. Le paragraphe suivant décrit les différents modes et paramètres utilisés dans le logiciel Asset Surveyor pour atteindre la précision maximale. Trimble Navigation France S.A

27 Le DGPS 3.2 PARAMETRES DE CONFIGURATION Il y a cinq types de paramètres qui affectent la précision des mesures. Intervalle d enregistrement Mode de positionnement Masque d élévation Rapport Signal sur bruit PDOP (Position Dilution Of Precision) INTERVALLE D ENREGISTREMENT Synchronisation à la seconde L intervalle d enregistrement définit la fréquence d enregistrement des positions Pour un point : 1 seconde en général Pour une ligne ou une surface : la fréquence d enregistrement doit être égale ou être un multiple de l intervalle de la station de référence. Cette fréquence dépend aussi de la vitesse de déplacement du mobile. A pied : 5 secondes En voiture : 1 seconde Si les intervalles d enregistrements de la base et du mobile sont différents, il est possible d améliorer la précision en utilisant un multiple d intervalle synchronisé de la base pour le mobile. Il est également possible d enregistrer les positions lors des déplacements entre objets. + Enregistrement des données de vitesse : Les enregistrements de données de vitesse peuvent être utilisés. Ils améliorent les précisions en post traitement, surtout dans les zones où il y a beaucoup de multi-trajet. MODE DE POSITIONNEMENT Cette configuration conditionne le type d enregistrement en fonction du nombre de satellites. Pour une meilleure précision, il est conseillé de ne jamais utiliser le mode 2D. Manuel 2D : Seules les positions 2D (planimétrie) sont stockées. Il est nécessaire de fixer la hauteur. Auto 2D/3D : La position 3D est calculée quand c est possible. Cependant, s il n y a que 3 satellites ou que le masque du PDOP est dépassé, une position 2D sera calculée avec l altitude de la dernière position 3D à moins d entrer manuellement une valeur. Manuel 3D : Ce mode nécessite systématiquement 4 satellites au minimum. Surdéterminé : Ce mode nécessite systématiquement 5 satellites au minimum. Pour atteindre la précision maximale avec le PRO XR/XRS, le mode 3D est recommandé pour toutes les mesures sur le code et le mode Surdéterminé est nécessaire pour toutes les mesures faites sur la phase. Trimble Navigation France S.A

28 Le DGPS horizon MASQUE D ELEVATION Le masque d élévation empêche le récepteur de capter des satellites en deçà de cette valeur. Par défaut, il est fixé à 15. Il est conseillé de mettre un masque de 10 sur la station de référence pour être sûr que tous les satellites utilisés par le mobile sont aussi disponibles pour la base. Un masque d élévation faible sur le mobile dégrade la précision car les effets liés à l activité ionosphérique ainsi que les effets de multi-trajet interviennent surtout sur les satellites bas. RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT SNR Le rapport SNR traduit la qualité de la réception du signal GPS parmi le bruit environnant. Plus cette valeur sera élevée, meilleures seront les mesures. Typiquement, ce rapport doit être compris entre 10 et 25. Le masque du SNR est fixé à 6. Un satellite bas présente un SNR plus faible Le couvert végétal atténue le signal GPS SNR > 6 1( ) 1 POSITION DILUTION OF PRECISION PDOD Il s agit d une valeur qui qualifie la géométrie des satellites présents dans la solution. Généralement, une valeur de 3 indique une bonne répartition et une meilleure probabilité de précision sur la position. Une valeur de 7 diminue considérablement cette probabilité. PDOP < 6 P Trimble Navigation France S.A

29 Le DGPS 3.2 METHODES DE CORRECTIONS Le logiciel Asset surveyor permet d enregistrer les données selon 4 méthodes de correction : EN PLANIMETRIE En mode autonome (sans correction) < 10 m (2 s) En différentiel sur le code en temps réel de 50 cm à 1m (1 s) En différentiel sur le code post traité < 50 cm + 1 ppm (1 s) En différentiel sur la phase, post traité de 1 à 20 cm +5 ppm (1 s) + Remarque : 1 sigma représente 68% de probabilité + 1 ppm = partie par million = 1 mm par km Différentiel sur le code < 1 m Différentiel sur la phase 1 à 20 cm Différentiel post traité 50 cm + 1ppm < 10 m en mode autonome ALTIMETRIE En mode autonome < 30 m (2σ) En différentiel sur le code < 3 m (1σ) La précision altimétrique peut être 3 fois inférieure à la précision planimétrique en fonction de la constellation. Ceci est uniquement lié au fait que les mesures ne se font que sur les satellites au-dessus de l horizon. En différentiel sur la phase < 1 m (1σ) Trimble Navigation France S.A

30 Le DGPS EN MODE AUTONOME En mode autonome, aucune correction différentielle n est appliquée à la position enregistrée par le mobile. Les erreurs qui affectent ce mode sont principalement les erreurs atmosphériques. La précision de ce mode est de 10 mètres (2 σ) à 95% en planimétrie et de 20 mètres en altimétrie. Ceci est valable pour tous les récepteurs GPS quels qu ils soient. Ces erreurs sont corrigées par la technique de la différenciation. Non corrigées Corrigées EN MODE DIFFERENTIEL SUR LE CODE EN TEMPS REEL. Les corrections différentielles calculées sur la station de référence sont transmises au mobile par un lien radio. Ces corrections sont le plus souvent émises sous le format RTCM 104 (Radio Technical Commission for Maritime Services). Le PRO XRS offre en plus la possibilité de recevoir les corrections différentielles par satellite de communication et issues des systèmes LANDSTAR et OMNISTAR. Trimble Navigation France S.A

31 Le DGPS PRECISION La technique du différentiel en réel implique plusieurs facteurs qui peuvent altérer la précision et peut être ainsi moins précise que les résultats obtenus en post traitement. Ces facteurs sont : Distance par rapport à la station de référence dans le cas de l utilisation d une seule station. Différentes éphémérides utilisées à la base et au mobile. Fréquence des messages des corrections différentielles(latence). Qualité de la position absolue en WGS 84 de la station de référence. Qualité du récepteur et de l antenne GPS sur la station de référence. Le PRO XR/XRS atteint des précisions inférieures à un mètre pour des distances de 500 km en utilisant une seule station de référence. Le fait d utiliser des systèmes comme Landstar ou Omnistar améliore cette précision pour les observations en temps réel. En effet, l utilisation des corrections issues de plusieurs stations de référence et d un modèle d application tend à éliminer l erreur en ppm liée à la distance par rapport à une station unique. Cependant, la réception du signal des corrections différentielles par satellite peut s avérer difficile en milieu urbain ou sous un couvert végétal dense. EN MODE DIFFERENTIEL SUR LE CODE POST TRAITE Le post traitement est réalisé dans le logiciel Pathfinder Office. Il est nécessaire de récupérer les données d une station de référence pour réaliser la correction différentielle. Mobile? Positions vraies Base 11: : : : :00.05 Positions autonomes mesurées 11: : :00.05 Ces positions autonomes mesurées sont entachées des mêmes erreurs sur la base et sur le mobile. En d autres termes, le vecteur représentant l erreur de positionnement est identique sur la base et sur le mobile. Le récepteur de la station de base doit être sur une position connue et : Enregistrer les données sur la même période que l enregistrement du mobile Etre dégagé de tout obstacle pour voir tous les satellites présents. Enregistrer avec le mode «Mesures synchronisées» Etre jusqu à 1500 km du mobile. Un rayon inférieur à 250 km est conseillé permettra d assurer les précisions maximales annoncées. Trimble Navigation France S.A

32 Le DGPS Le mobile : Enregistre les données en même temps que la base Utilise des satellites obligatoirement observés sur la base. Ainsi, au même instant, les erreurs liées à l atmosphère sont identiques sur la base et sur le mobile. Le logiciel Pathfinder Office détermine à chaque instant les Pseudo Range Corrections PRC à partir des distances aux satellites observées et celles calculées en utilisant les éphémérides et la position connue de la base. Pour le mobile, seules les positions autonomes et les éphémérides ont été enregistrées à partir des satellites observés. Pathfinder recalcule ainsi les distances aux satellites observées et applique les corrections calculées sur la base. + Avec ce mode d enregistrement, il est essentiel que la base soit parfaitement dégagée, afin que tous les satellites présents dans les enregistrements du mobile aient été observés sur la base. Sans quoi, la ou les positions du mobile ne pourront être corrigées. De même, si le site de la station de référence est propice aux multi-trajets, les corrections différentielles seront de moins bonne qualité et altéreront la précision finale du mobile. PRECISION Avec ce mode différentiel post traité, le PRO XR/XRS atteint les précisions à 1 sigma de : dans les conditions suivantes : PDOP < 6 SNR > 6 Masque d élévation à 15 Ligne de base < 250 km 4 satellites minimum 50 cm + 1 ppm en horizontal 100 cm + 2 ppm en vertical Environnement à faible multi-trajet Station de référence enregistrant des «Mesures synchronisées» et installée sur un point précis en WGS 84. Trimble Navigation France S.A

33 Le DGPS EN MODE DIFFERENTIEL SUR LA PHASE EN POST TRAITEMENT Le PRO XR/XRS, en plus de réaliser des mesures sur le code, peut aussi mesurer les distances entre satellites et le récepteur en utilisant les données de phase. Il en résulte une détermination plus fine et des positions plus précises. Par exemple, si vous mesurez la largeur d une pièce, vous obtiendrez un meilleur résultat avec un décamètre gradué en centimètre plutôt qu en mètre. 293 m 19 cm Les données de phase nécessitent des techniques d observation plus strictes :. Mesures précises des hauteurs d antenne Vue dégagée du ciel 5 satellites au minimum Trimble Navigation France S.A

34 Le DGPS Les coupures momentanées (Saut de cycles) perturbent les mesures. Ceci est vrai à la fois pour la station de base et pour le mobile La distance entre la station de base et le mobile ne doit pas excéder 50 kms La station de référence doit enregistrer des mesures synchronisées. Les coordonnées de la station de référence doivent précisément être déterminées en WGS 84. PRECISION La précision des mesures va être fonction du temps d observation en mode statique ou dynamique. Deux types de solution peuvent être obtenus Solution flottante - le nombre d entiers de phase ne peut être fixé - précision de 10 à 30 cm Solution fixe - le nomb re d entiers de phase peut être fixé - précision de 5cm - Option centimétrique nécessaire Précision en fonction du temps 40 cm OSolution flottante 20 cm 0 10 minutes 45 O Solution fixe Trimble Navigation France S.A

35 Le DGPS Précision en fonction de la distance 100 Précision horizontale en cm minutes 20 minutes Distance entre la base et le mobile en km + PRO XR / XRS 20 cm avec 10 mm 10 cm avec 20 mm 3-4 cm avec 45 mm 1 cm avec 45 mm pour une distance base/mobile < 10 km Remarque : Le traitement doit se faire avec PathFinder v 2.x. Ces précisions sont estimées à 1 sigma c est-àdire 68% de probabilité et sont dégradées de 5 ppm si la ligne de base augmente. Trimble Navigation France S.A

36 Le DGPS 1. Citer cinq paramètres qui affectent la précision des mesures. 2. Quels sont les modes de positionnement recommandés pour les mesures sur le code et sur la phase? 3. Quelles sont les précisions en planimétrie attendues en mode différentiel sur le code? 4. Quel rapport maxi y-a-t il entre la précision horizontale et verticale? 5. Jusqu à quelle distance entre la base et le mobile est-il possible de travailler en différentiel sur le code? Quelle est la distance conseillée pour garantir les précisions annoncées? 6. Quelles précisions peuvent attendre des solutions en mode différentiel sur la phase? 7. La précision des mesures sur le code dépend-elle : De la distance? Du temps de mesure? 8. La précision des mesures sur la phase dépend-elle : De la distance? Trimble Navigation France S.A