Groupe 1 : Renaville Céline, Roussel Dimitri, Hotton Xavier 2 G.E.I. - I.E.P.S.C.F. Namur Préparation d une campagne G.N.S.S. Professeur : Etienne Crispiels Année académique 2009 2010
INTRODUCTION Le système de Positionnement Global (GPS) est un système de navigation par satellites destiné à fournir la position, la vitesse et l'heure n'importe où à la surface de la Terre ou dans ses environs. La précision du positionnement par GPS va de 100 mètres à quelques mètres en temps réel. Elle peut atteindre quelques millimètres pour les applications de géodésie en temps différé. Les satellites GPS envoient des signaux codés qui peuvent être déchiffrés par des récepteurs GPS. Le récepteur mesure la distance entre la station et plusieurs satellites. Systèmes de références WGS 84 C'est l'ellipsoïde de révolution (figure géométrique la plus proche de la forme réelle de la terre) qui a été définie comme référence globale. Le WGS 84 est défini par un système (géocentrique) de coordonnées cartésiennes (X,Y,Z). L'origine est le centre de gravité des masses terrestres, l'axe Z passe par l'axe de rotation de la terre et l'axe X est l'intersection de l'équateur avec le méridien de Greenwich. Lambert 72 C'est le système de référence local spécifique à la Belgique. Cette projection donne lieu aux coordonnées rectangulaires représentée par les lettres X et Y. L'origine de ce système d'axes est choisie arbitrairement en évitant les coordonnées négatives sur le territoire belge. Réseau GPS Walcors Le réseau Walcors (WALlonia Continuous Operating System) est constitué de 23 stations GPS permanentes de référence. Grâce à ce réseau, il est possible aux topographes de connaître la position de tous points en temps réel avec des précisions topographiques, tout en ne disposant que d'un seul récepteur GPS mobile. Cette méthode de positionnement par satellites permet ainsi à un opérateur équipé d'un récepteur GPS de déterminer la position géographique précise du point qu'il mesure. Il peut donc connaître, en moins d'une minute, les coordonnées Lambert avec une précision centimétrique. De tels équipements permettent de garantir un croisement approprié entre les données provenant de sources très variées. Le réseau Walcors fait partie, avec le réseau FLEPOS (Flandre) et GPSBru (Bruxelles), de l' «ACTIVE GEODETIC NETWORK» (AGN) qui offre partout en Belgique un positionnement précis en temps réel fourni par des levés GPS- RTK. 2
Principe GPS Le principe consiste à mesurer le temps de propagation d'une onde dans l'espace entre un satellite et un récepteur. La détermination d'un lieu géométrique est basée sur l'intersection de trois sphères dans l'espace. Chaque sphère est définie par son centre correspondant à la position d'un satellite, et par son rayon qui est la distance entre le centre et le récepteur GPS de l'utilisateur. Ainsi la mesure correspond à une distance entre un satellite et un récepteur. Les éphémérides du satellite transmises par le message permettent de calculer la position du satellite dans un repère terrestre à l'instant de l'observation. Les données des satellites sont transmises dans une trame toutes les 30 secondes. Le temps requis pour transmettre l'almanach complet du système est de 12,5 min. En théorie, quatre satellites sont indispensables afin de tenir compte de l'imperfection de synchronisation du récepteur et des horloges des satellites. 3
La pratique nous permet d'affirmer qu'un nombre de quatre satellites reste bien insuffisant et que 5 ou 6 satellites seront un minimum pour mener à bien sa campagne GPS. La détermination des distances entre satellites et récepteur peut se faire soit par mesure de codes soit par mesure de phases. Les satellites émettent en permanence sur 2 fréquences L1 et L2. Le premier est librement accessible, le second est réservé aux utilisateurs autorisés ; il est le plus souvent crypté. Modes de positionnement -> Le positionnement absolu Le positionnement absolu consiste à déterminer les coordonnées d'un point quelconque de la Terre en utilisant les codes générés par les satellites. Il est qualifié d'absolu car il considère la relation entre un récepteur et plusieurs satellites. Ce système est spécifique au système de navigation embarquée à bord des voitures, avions ou bateau. En utilisant les codes afin de déterminer la position, leur précision est moindre que le positionnement relatif. Mais l'intérêt de cette méthode est la possibilité de l'exploiter en temps réel et d'obtenir une position instantanée, en tout endroit de la Terre. -> Le DGPS (Differential Global Positioning System) - Méthode utilisée avant Le GPS différentiel permet un positionnement en temps réel en utilisant des corrections qui permettent d'affiner le calcul et d'obtenir une plus grande précision. Il est toujours nécessaire d'avoir deux récepteurs pour l'utilisation de cette méthode. Un premier récepteur (fixe), souvent appelé référence, sera mis en station sur un point connu exactement en coordonnées (ex : une borne IGN), tandis que le second appareil va être mobile et sera destiné à lever les points voulus. La station de référence reçoit en permanence les signaux GPS et connaissant ses coordonnées «exactes», elle va déterminer des paramètres de correction. Ces paramètres sont transmis au récepteur mobile qui les appliquera aux données qu'il a reçu. - Méthode utilisée actuellement Depuis quelques années, des systèmes de réseaux permanents ont été mis au point dans la plupart des pays. Ceux-ci permettent à un utilisateur de GPS, par exemple un géomètre, de n'employer plus qu'un seul récepteur au lieu de deux. Les antennes permanentes du réseau font maintenant office de stations de références. 4
METHODE DE TRAVAIL Notre groupe étant composé de trois membres disposant chacun d une station G.N.S.S., nous avons décidé de travailler sur trois points différents simultanément. - Implantation au décamètre des trois points fixes (clous) en triangle le plus équilatéral possible (optimisation du contrôle). - Mise en station d un trépied sur chacun de ces points «centrage forcé». - Disposition d une station G.N.S.S. sur chaque trépied. - Prise simultanée d une série de cinq mesures avec une configuration identique de deux ou trois lectures. - Tournante des stations sur chacun des trépieds et réitération du point précédent. INFLUENCE SUR LA PRECISION Consultation des éphémérides Répartition spatiale de la constellation des satellites 5
Fluctuation des hauteurs d antennes L IGN met à disposition librement sur son site «www.ign.be» un service (AGN) permettant de vérifier la stabilité des stations (antennes) utilisées par les différents réseaux (Walcors, GPSBru et Flepos) en X,Y et Z. AGN vient de «ACTIVE GEODETIC NETWORK» et englobe différentes initiatives d'organismes publics ayant comme but d'offrir partout en Belgique un positionnement précis en temps réel fourni par des levés GPS-RTK. Un exemple de graphique fourni par ce service pour la station de Namur (01/2008 01/2010) : 6
Positionnement de l utilisateur Environnement - des obstacles naturels - des obstacles artificiels - écho du signal / multi-trajets Configuration des mesures > Temps d observation Conditions troposphériques et ionosphériques - La troposphère : couche basse de l atmosphère (0 50 km). - L ionosphère : couche haute de l atmosphère (50 1000 km) 7
METHODE DE CONTROLE Sans toucher à la mise en station des trois trépieds, voir «méthode de travail» : - Disposition d une station totale sur le premier trépied (exemple : ST.100). - A l aide d un mini-prisme standard (sans centrage forcé), mesure des distances d(st.100,st.200) et d(st.100,st.300) en double retournement. - Tournante de la station sur chacun des trépieds et réitération du point précédent à adapté au point stationné. ENVIRONNEMENT Urbain Cet environnement décrit un endroit à proximité de bâtiment, ou infrastructure (ex : centre ville). Remarque une zone boisée engendre les mêmes conditions. Pour notre travail, nous nous sommes installés dans la cours de l école à proximité des bâtiments et d un arbre. Dégagé On entend par «dégagé» un endroit distant d au moins 30 mètres de tout obstacle (champs). Pour cette partie du travail, nous avons choisi un terrain agricole, bien dégagé et face à la briqueterie de Wanlin. 8
CONCLUSION Matériel Il n y a aucun but commercial à notre travail. Ce moyen de comparaison nous permet tout de même de constater que la précision obtenue ne varie pas significativement selon la marque de la station utilisée. Les divergences de résultat viennent principalement des conditions de mesures. Il est donc nécessaire de bien préparer sa campagne pour assurer la précision qui vous est demandée. Matériel utilisé : - 3 trépieds - 3 stations G.N.S.S. (Sokkia, Leica et Trimble) - 1 station totale (Leica) - 6 clous - 3 piquets en bois - 1 mini-prisme (Leica) - 3 embases - 3 supports pour station G.N.S.S. Précision 1. Consultation des éphémérides 2. Fluctuation des hauteurs d antenne 3. Configuration des mesures (nombre de lectures, etc.) 4. Environnement (nombre de satellites disponibles) 5. Répartition spatiale de la constellation des satellites (géométrie des satellites) 6. Positionnement de l utilisateur 7. Conditions troposphériques et ionosphériques 9
Canevas L utilisation des outils dont notre travail parle, ainsi qu une configuration adaptée de votre station peut vous aider à assurer une bonne campagne G.N.S.S. Nous avons essayé de déterminer la différence de précision résultant d un levé de mêmes points et dans des conditions sensiblement identiques entre une station totale et une station G.N.S.S. A VERIFIER Précision requise (selon objet de la mission) Connexion GPS (éphémérides) Connexion GSM (walcors) (vérifier d avoir une bonne réception du réseau) Prévisions météorologiques (ex : réseau souvent indisponible pendant un orage) 10