TD "Acquisition de données spatialisées SYSTEME DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE "
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- Mauricette Mercier
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1 TD "Acquisition de données spatialisées SYSTEME DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE " 1. Généralités sur le Positionnement par Satellite (GPS par abus de langage) 2. Objectifs / Besoins 3. Utilisation du Dakota 20 (importer points, créer nouveau, s orienter ) 4. Export du GPS vers SIG 1. Généralités sur le Positionnement par Satellite (fonctionnement) a) Présentation : Qu es t -ce que c'est? A la fin des années 1970, le département de la défense américaine (DOD) a cherché à mettre en place un système militaire pour la navigation des véhicules se déplaçant sur terre, sur mer et dans les airs. Ce système devait remplir toutes les conditions d un système militaire (résistance aux tentatives de destruction et de brouillage intentionnel) et permettre à tout instant et en tout endroit de la surface terrestre, de fournir à tout utilisateur fixe ou mobile, sa position, sa vitesse dans un référentiel mondial ainsi qu une information de temps. Le programme a démarré en 1978 par le lancement du premier satellite et est devenu réellement pleinement opérationnel en Ils ont appelé ce système NAVSTAR GPS "NAVigation System with Time And Ranging GLOBAL POSITIONING SYSTEM". b) Principes généraux NAVSTAR GPS environ 30 satellites (on parle de constellation), évoluant sur une orbite de km, se situant entre 60 Nord et 60 sud (les zones polaires sont donc moins bien couvertes). La période de révolution des satellites est de 12 heures donc on retrouve les mêmes satellites, dans les mêmes positions, deux fois par jour Galileo constellation européenne, prévision de 30 satellites (programme a débuté en 2005 > 4 satellites lancés en 2011 et 2012, fin prévue en 2020), évoluant sur une orbite de 23222km, situés sur 3 plans orbitaux à 56 par rapport à équateur. Glonass constellation russe de 26 satellites environ (opérationnel, en maintenance, en réparation), le lancement a débuté en 1982, évoluant sur une orbite de 19130km, situés sur 3 plans orbitaux à 64.8 par rapport à équateur. Page 1
2 Beidou Kompass constellation chinois de 4 satellites géostationnaires et 1 satellite en orbite moyenne, le lancement a débuté en 2000 : il concerne uniquement le territoire chinois et autres pays asiatique (peutêtre la terre entière en 2020, avec 30 satellites en orbite intermédiaire). > Ces constellations permettent à chaque utilisateur d apercevoir entre 5 et 8 satellites de n importe quel point du globe. Cela ne tient bien sûr pas compte des difficultés engendrées par le relief (vallées profondes) ou les bâtiments. Ces systèmes comportent également des stations terrestres parsemées sur toute la terre et qui ont comme rôle de contrôler le bon fonctionnement de la constellation de satellites. La station terrestre principale se trouve sur la base aérienne de Falcon dans l Etat de Colorado aux USA. Les trois composantes essentielles : le segment spatial, le segment de contrôle et les utilisateurs c) Les fonctions des satellites Les fonctions assurées par les satellites sont les suivantes : maintenir une échelle de temps très précise : chaque satellite est équipé d une horloge atomique ; une très grande précision est nécessaire car une microseconde correspond à un déplacement de 300mètres. Les horloges de ces satellites sont de plus synchronisées : cette synchronisation est régulièrement contrôlée et corrigée par des ordinateurs se trouvant à bord des satellites et communiquant avec un ordinateur central se trouvant à la station de contrôle. La précision de cette synchronisation est de 0, seconde. A des intervalles de temps réguliers, les satellites émettent des signaux radio (Puissance 50w). d) Informations portées par les signaux un code permettant d identifier le satellite l instant de temps t auquel le signal est transmis sa position et sa hauteur par rapport aux coordonnées géographiques terrestres (a,b,c) Donc chaque satellite transmet un «message radio» disant je suis le satellite X, ma position est a,b,c, et ce message a été envoyé au temps t. Chaque satellite envoie aussi d'autres informations des prévisions sur leur orbite : les EPHEMERIDES. Ceci permet aux utilisateurs d'effectuer des calculs pour les navigations en temps réel. Page 2
3 des informations sur la qualité des horloges des différents satellites des informations générales sur le système Le récepteur est donc capable d'identifier les satellites qui envoient des signaux, les instants de temps GPS auxquels les signaux ont été envoyés, les positions exactes de ces satellites au moment où ces signaux ont été émis. e) Principe de la mesure Un récepteur GPS portable reçoit des signaux radio provenant de plusieurs satellites. Les informations contenues dans ces signaux sont lues par le récepteur GPS. Les signaux radio voyagent à la vitesse de la lumière, soit km/s. Les ondes électromagnétiques se déplacent selon des sphères concentriques de rayon de plus en plus grand au fur et à mesure que le temps s'écoule. Le récepteur enregistre le moment où il reçoit le signal de chaque satellite. Donc lorsqu'un récepteur reçoit un signal radio, tout ce que l'on peut déduire est qu'il se trouve sur la surface d'une sphère dont le centre est le satellite. Il faut combiner les signaux provenant de plusieurs satellites (minimum quatre) pour que le récepteur GPS puisse calculer sa position (latitude et longitude) et son altitude. Plus le nombre de satellites est élevé, plus précis sera le calcul de position et d'altitude. Avec 8 satellites on aura donc des mesures plus précises qu'avec quatre ou cinq. Les facteurs de qualité : Le principe du positionnement par GPS nous montre que des contraintes existent en terme de distribution de la constellation. En effet, une mauvaise répartition des satellites engendrera une faible précision de positionnement. Pour qualifier cette géométrie, on dispose généralement d indicateurs notés DOP ou GDOP (Geometric Dilution Of Precision) et qui donnent, à un instant donné, une appréciation de l affaiblissement de la précision pour : Un positionnement planimétrique : HDOP (Horizontal DOP) Un positionnement altimétrique : VDOP (Vertical DOP) Une détermination du temps : TDOP (Time DOP) Un positionnement 3D (avec un minimum de trois satellites) : PDOP (Position DOP) Mauvais GDOP Bon GDOP Mauvais GDOP dus aux obstacles Page 3
4 f) Les sources d'erreurs SA (selective availability) Erreurs dues à l'atmosphère (troposphère et ionosphère) Réflexions parasites des ondes avant de parvenir à l'antenne Autres Au niveau de l'utilisateur Le GPS a été créé à des fins militaires. Le gouvernement américain a imposé une dégradation des signaux à destination des civils de manière à limiter la précision. Jusqu'au 1er mai 2000, cette perturbation délibérée de la synchronisation des horloges de certains satellites pris au hasard était appliquée sur les signaux à destination des civils. Cette SA entrainait des erreurs aléatoires pouvant atteindre 100 mètres. Elle a été supprimée sur décision du président Clinton au 1er mai Lorsque les signaux traversent l'ionosphère (une couche de l'atmosphère chargée en électricité), ils rencontrent des électrons libres. La charge en électrons dépend du flux de particules venant du soleil ou de l'espace. La présence de ces électrons retarde les signaux radio. Ce retard étant lié à la fréquence, les signaux sont envoyés dans deux fréquences différentes ce qui permet avec un récepteur bi fréquence de mesurer le retard et de le corriger. > Les GPS de gamme grand public ne reçoivent qu'une seule fréquence et sont donc incapables de corriger cette erreur. Lorsque le récepteur se trouve à proximité de bâtiment, forêt, montagne, ligne à haute tension ou de surface réfléchissante, des phénomènes de "multitrajets" peuvent survenir. Ils représentent un allongement de la distance antenne / satellite impossible à connaître et donc, des erreurs de mesures. la dérive d horloge d un satellite (3 nanosecondes de décalage = jusqu à 1m d'erreur de positionnement) la précision des données des éphémérides diffusées (1m) un brouillage radioélectrique volontaire ou non l'alignement momentané de quelques satellites qui empêche le calcul précis (incertitude géométrique temporaire) Se tromper de système géodésique entraine une erreur de plusieurs centaines de mètres. Des problèmes cartographiques peuvent entrer en jeu, car la position calculée par un récepteur GPS se réfère au système géodésique WGS 84, qui n'est pas généralement le système de référence pour les cartes terrestres nationales. La légende de chaque carte signale toujours le système géodésique de référence utilisé et la majorité des récepteurs GPS modernes peuvent être programmés pour exprimer la position calculée dans un système géodésique différent du WGS 84, et éventuellement dans la projection cartographique souhaitée (par exemple UTM ou Lambert), plutôt qu'en coordonnéesgéographiques MAIS non conseillé. Page 4
5 > Limiter les erreurs Exemple du logiciel "Planning" = planifier une mission, surveillance pour campagne de lever Quand plus de tant de satellites sont ils visibles? Je souhaite lever x stations simultanément. Quand les conditions sont elles les meilleures pour l'ensemble de celles ci? Je souhaite effectuer un lever durant une plage horaire donnée. Combien de satellites seront alors visibles? L'emplacement du lever est partiellement masqué par des bâtiments et par des arbres. Puis je malgré tout espérer obtenir des résultats de bonne qualité? Voilà peu, j'ai manuellement créé un rapport de visibilité pour chaque jour de l'année. Puis je automatiser cette opération? g) Différents types de récepteurs GPS portables de navigation simple (150 à 300 ) GPS portables de navigation avec outils cartographiques (à partir de 300 ) GPS pour applications SIG : GPS différentiels (DGPS) C'est une parade mise en place pour limiter les pertes de précision à destination des civils. Le GPS différentiel est toujours employé pour toutes les mesures précises. Au début, on devait travailler avec deux GPS : un GPS fixe qui permet d'enregistrer toutes les variations en un point connu, et un autre GPS se déplaçant sur les points à déterminer. Les altérations étant les mêmes sur les deux GPS, une synchronisation permet de les annuler par différence. En se calant ainsi sur un ou deux points connus (borne géodésique, bâti..), on peut ainsi augmenter sensiblement la précision. Tous les GPS portables proposent maintenant des entrées pour données DGPS (le GPS fixe n'est donc plus indispensable). Les corrections différentielles peuvent être apportées : * en temps différé en effectuant les corrections après coup (à la fin de la journée par exemple) * en temps réel, par une liaison radio avec la station ou bien plus couramment en recevant les corrections directement depuis un satellite. Des systèmes d'abonnements payants existent (OMNISTAR et RACAL THALES), et depuis 2004 des systèmes fournissent ces corrections gratuitement : EGNOS WAAS MSAS GAGAN SNAS CWAAS European Geostationary Navigation Overlay Service. Constellation de 3 satellites géostationnaires, orbite à 36000km, système opérationnel depuis Corrige les signaux des satellites GPS+Glonass+Galileo. Pour les curieux, les n des satellites sont 33, 37 et 39. Wide Area Augmentation System. Constellation de 4 satellites géostationnaires, système opérationnel depuis Corrige les signaux des satellites GPS. Multi satellite based Augmentation. Pour le Japon. GPS and Geo Augmented Navigation. Pour l'inde. Pour la Chine. Pour le Canada. Page 5
6 Les GPS pour applications topographiques En appliquant un mode de mesure adapté, des corrections différentielles et en utilisant le principe de la bi fréquence, on peut obtenir des précisions centimétriques ou millimétrique. Le GPS peut donc être utilisé en topographie de précision. 2. Objectifs / Besoins Étapes d un projet de Positionnement par Satellite / SIG nomade: Besoin et Identification projet Méthode collecte Choix de la plate forme Choix du matériel Résumé des besoins pour une bonne complétude et précision des données à récolter afin de ne rien oublier (car retourner sur le terrain n est pas toujours possible!!). Type de publics, Nombre d unités GPS à maintenir, Actualisation de la donnée, Budget du projet... Apport saisie numérique, Interface, Modèle de données, Reporter mise à jour... Environnement, Précision, Temps réel ou différé, Volume des données à embarquer, Coût logiciel... GPS, smartphone, PDA, pocket PC...selon des critères comme Précision, Poids, Encombrement, Lisibilité, Autonomie, Robustesse, Interfaçage... Préparer collecte terrain Vérifier le bon fonctionnement du GPS, Piles (ou batterie chargée), Piles de rechange (ou autre batterie chargée), Système géodésique et unités (DD...). > Des GPS avec outils cartographiques permettent d'intégrer des fonds de plan spécifiques à votre zone de mission, pour mieux se repérer (parcelle, arrêt de bus, photo aérienne, Scan25 = carte topographique numérique...). > Des GPS avec logiciel SIG nomade permettent la conceptualisation des tables de données à renseigner ainsi que les champs renseignant ces éléments seront créés et intégrés dans l appareil. Acquisition terrain Prévoir des tableaux (format papier) pour la saisie des informations supplémentaires ou en cas de problème technique du GPS. Post traitement Présentation et valorisation Déchargement des données GPS (et des photos si réalisées) à la fin de chaque journée de terrain : Câble de connexion avec l ordinateur, Logiciel d export (Explorateur de fichier ou GPSBabel ou DNRGPS ou Logiciel fourni avec le GPS...). Mise en recharge des appareils. Base de données, Cartographies, Webmapping... Page 6
7 3. Utilisation du Dakota 20 (importer points, créer nouveau, s'orienter ) précision de localisation: moins de 10m, 3 à 5m avec le DGPS (fonction WAAS) précision en altitude : + ou 3m autonomie : environ 20h > Voir le manuel d'utilisation de Garmin (dernières pages de ce support de cours) Exercice : 1 GPS par groupe de 2 3 personnes connecter le GPS à l'ordinateur et à partir de l'explorateur de fichier, coller le fichier "Waypoints_AllerA.gpx" dans le dossier "\Garmin\GPX " activer la fonction WAAS enregistrer votre tracé : paramétrer pour enregistrer tout vos déplacements durant l'exercice créer waypoint : choisir une espèce végétale parmi la liste proposée et localiser les individus sur le campus de l'um2. Les enregistrer avec un nom explicite. calculer une zone : calculer la surface du bâti où a lieu le cours. naviguer vers un point : rejoindre le waypoint nommé "ALLER A" Importer vos données GPS dans GoogleEarth et GoogleMap (besoin d un compte Google) Page 7
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