Le GPS différentiel (DGPS) et temps réel (GPS RTK)

MINISTÈRE DE L ÉCOLOGIE, DE L ÉNERGIE, DU DÉVELOPPEMENT DURABLE ET DE L AMÉNAGEMENT DU TERRITOIRE Centre d'études Techniques Maritimes et Fluviales Département Ports Maritimes et Voies Navigables 2 Boulevard Gambetta BP 6009, 6021 Compiègne Cedex Tél : (0) 44 92 60 00 Fax : (0) 44 20 60 75 Le GPS différentiel (DGPS) et temps réel (GPS RTK) 1 Le GPS Le signal GPS (Global Positionning System) permet d'obtenir une localisation à partir d'un récepteur, n'importe où sur la Terre, grâce à une constellation de satellites dédiés. Ce réseau de satellites a été développé à partir de 1978 (date de lancement du premier satellite GPS) pour les besoins de l'armée américaine. Très vite, l'intérêt du GPS pour des besoins civils se fait ressentir. Le signal GPS est ouvert au public en 1995, mais entaché d'une erreur volontaire d'algorithme (erreur SA) provoquant un décalage d'une centaine de mètres sur la position. En effet, les américains craignent alors qu'une trop grande précision de positionnement soit un avantage pour leurs ennemis. Sur pression de plusieurs agences américaines civiles, le gouvernement américain confirme l'arrêt de l'erreur SA en mai 2000. Le signal reste malgré tout entaché d'erreurs ; celles-ci étant identiques au sein d'une même zone de réception (erreurs des satellites -horloge et orbite- et retards atmosphériques). Afin d'améliorer la précision des positionnements, l'idée est d'introduire un relais de réception de position connue (la base) afin d'appliquer une correction différentielle au récepteur. 2 Le DGPS Le GPS différentiel, ou DGPS, a été imaginé afin de contourner l'erreur SA introduite volontairement. Le signal DGPS est corrigé spécifiquement de cette erreur. Il utilise un réseau de stations fixes de référence qui transmet l écart entre les positions indiquées par les satellites et leurs positions réelles connues. Le réseau de bases est implanté par l'utilisateur, des agences gouvernementales, ou des sociétés privées qui revendent les corrections. A partir de 2000, le procédé DGPS perd un peu de son intérêt mais conserve tout de même un avantage sur le GPS en offrant une résolution de l'ordre du mètre. Cette technologie est très employée en navigation aussi bien terrestre que maritime. On utilise une large gamme de fréquence correspondant à l'application. Plus on travaille dans un milieu confiné (milieu urbain, chantier,...), plus on utilise une gamme de fréquence élevée. La portée des bases de référence peut atteindre 00km, pourvoyant ainsi aux besoins de positionnement pour la navigation côtière. Aout 2008 CETMEF/DPMVN/DOPM 1/6

Type Fréquence Portée UHF 00 MHz et 000 MHz Quelques kilomètres VHF 0 MHz à 00 MHz Jusqu'à 20 km en mer Grandes Ondes Autour de 00 khz Entre 200 et 00km GSM 900Mhz, 1800Mhz Jusqu'à 50km Une autre solution consiste à avoir sur support informatique, l'ensemble des corrections propres au stations de références et de traiter les corrections de coordonnées en post- traitement. En dehors des corrections émises par des station terrestres, des satellites ont été lancés afin de créer une correction des données directement depuis l'espace. C'est ce que l'on appelle les systèmes SBAS (Satellite Based Augmentation System). Les satellites sont géostationnaire et émettent les corrections pour une zone du globe. Le système n'est plus alors considéré comme du DGPS. En effet, un satellite envoie ces corrections pour une vaste zone (voir carte), contrairement au DGPS, où la station envoie des corrections d'après ces relevés. Les satellites envoient des corrections d'horloge, d'orbites des satellites GPS, ionosphériques et troposphériques qui sont calculées, puis transmises en même temps que des informations d'intégrité relatives à la santé des satellites GPS. Pour les Etats-Unis (agence fédérale de l'aviation), c'est le sytème WAAS (Wide Area Augmentation System) ; pour l'europe (Commission européenne, Agence spatiale européenne et organisme européen chargé de la sécurité de la navigation aérienne), c'est le systeme EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) et enfin pour le Japon, c'est le système MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) Au sol, des stations récupèrent les données SBAS pour diffuser les corrections. Les trois systèmes SBAS sont compatibles entre eux. La précision obtenue avec ce système est d'environ m. Malgré cette correction importante, la précision recherchée pour certaines applications n'est pas atteinte. Afin d'améliorer le positionnement au niveau du centimètre, on a recours au GPS RTK. Aout 2008 CETMEF/DPMVN/DOPM 2/6

Le RTK classique Le GPS RTK (Real Time kinematic ou cinématique temps réel) utilise le même principe de correction différentielle que le DGPS. Une base dont la position est connue transmet les corrections. Son avantage provient de la différence de phase utilisée pour la correction, c'est-à-dire la différence entre l'instant où un signal est émis depuis le satellite et l'instant auquel il est enregistré par le récepteur. Alors que le DGPS utilise la phase du code (environ 1,02MHz), le GPS RTK utilise la phase de la porteuse du signal (oscillant à 1575,42MHz) apportant ainsi une précision proportionnellement plus importante. Cette amélioration a un prix ; le récepteur ne doit pas être à plus de 10km de la base. La solution est alors d'avoir sa propre base correctrice qui envoie les corrections par liaison radio au mobile. La mesure de phase de l'onde porteuse consiste à comparer la phase de l'onde reçue au récepteur avec la phase d'une onde générée à l'intérieur du récepteur. Théoriquement, cette différence de phase oscille entre 0 et 2π. Cette mesure de phase peut être convertie en mètres puisque l'on connaît la longueur d'onde de l'onde porteuse (autour de 20cm). Malheureusement, le nombre entier de longueur d'onde initial contenu dans la distance récepteur-satellite n'est pas mesurable par le récepteur. Cette inconnue est appelée l'ambiguïté de phase initiale. Par contre, le récepteur est à même de compter le nombre entier de cycles (ainsi que la partie fractionnaire) cumulé depuis l'époque (ou le temps) d'observation initiale, s'il n'y a pas d'interruption dans la réception du signal. Les interruptions provoquent des sauts de cycles et sont principalement causées par les obstructions (édifices, montagnes, arbres,...) entre les satellites et le récepteur. La mesure de phase peut être interprétée comme une mesure précise de la variation de la distance récepteur-satellite depuis l'époque initiale. Si l'ambiguïté de phase initiale peut être résolue, la mesure de phase ainsi corrigée représente une mesure précise de la distance récepteur-satellite. La résolution d'une mesure de phase est de quelques millimètres. En pratique, l'incertitude de positionnement est de l'ordre de quelques centimètres. 4 Le RTK réseau On l'a vu précédemment, le récepteur mobile doit se trouver dans un rayon d'un dizaine de kilomètres de la station. Si on augmente la ligne de base (distance mobile-station), l'incertitude sur la position augmente nettement. De plus, l'équipement station et mobile représente un coût important. L'idée du RTK réseau est de faire supporter les corrections issues de la redondance d'information des stations de référence par un serveur distant. Les récepteurs GPS modernes, reliés par une liaison Bluetooth à un téléphone portable, communiquent avec un serveur de calcul. Ce centre de calcul disponible sans interruption, communique les corrections au récepteur mobile au moyen d'une liaison GPRS, UMTS,... Cette étape de transmission est la plus critique technologiquement. L'information doit être communiquée à l'utilisateur de façon quasi instantanée. Les réseaux de télécommunication actuels permettent des temps de latence inférieurs à la seconde. Le maillage de stations de référence est beaucoup moins dense (60 à 70km entre chaque station). Plusieurs technologies ont été développées s'appuyant chacune sur un concept de correction différent. Actuellement, trois technologies dominent : MAC (réseau Orphéon technologie Leica), VRS (réseau Sat- Info technologie Trimble) et FKP (réseau Teria technologie Geo++ GmbH) 4.1 Orphéon Le réseau Orphéon repose sur le concept de Maître-Auxiliaire (MAC-Master Auxiliary Concept). Il est exploité en France par la société Géodata Diffusion qui comptera fin 2008 près de 70 stations réparties sur des zones géographiques «économiquement intérressantes» (région parisienne, vallée de la Seine,du Rhône, frontières Nord et Est,...). Ce processus utilise une norme de transmission, le RTCM.0 (Radio Technical Commission Maritime), contrairement à VRS et FPK qui utilisent des formats propriétaires basés sur RTCM 2.. En effet, la version 2. n'est pas appropriée pour la transmission des messages de corrections réseau. Les message sont donc envoyés en utilisant un message particulier, dit message 59, codés spécifiquement pour VRS et FKP. Les stations de référence d'une même zone ont un certain nombre de corrections en commun (correction satellite, atmosphériques,...). On s'appuie donc sur ces informations pour envoyer au serveur, les données communes. Aout 2008 CETMEF/DPMVN/DOPM /6

La station de référence la plus proche est désignée comme maître, elle possède un certain nombre de correction transmises au serveur de calcul. Les autres stations alentour sont désignées auxiliaires. Serveur Aux. Aux. 2 Aux. 1 Maître Données brutes 1 Interrogation du serveur 2 Corrections différentielles récepteur Le serveur calcule alors des corrections différentielles entre les stations et envoie les corrections relativement à la station maître. Cette dernière envoie les données brutes issues de ces observations. Cet arrangement des données génère des messages compacts, peu consommateurs de bande passante. Le mobile récupère les informations auprès du serveur Internet et de la station maître puis effectue les interpolations. Le concept de MAC concède au mobile une part importante du calcul de position, ce qui est pris en charge par le serveur pour VRS et FPK, mais apporte plus de latitude dans les déplacements et les renouvellements de correction. 4.2 Sat-info Le réseau Sat-info introduit le concept de station virtuelle de référence (VRS-Virtual Reference Station). Il est exploité par la société Sat-Info qui possède des stations dans toute la moitié Nord de la France, dans la vallée du Rhône et quelques stations dans le Sud. 1) La première étape est la modélisation des différentes erreurs grâce à l'arrivée permanente des informations des stations permanentes vers le centre de calcul : Pour l'effet ionosphérique, le logiciel utilise un modèle en " couche unique " associé à un filtre. Cela permet d'éliminer directement plus de 50% de l'effet ionosphérique. La partie restante est traitée par un modèle d'interpolation des résidus dans le réseau. Pour la troposphère on utilise les orbites prédites de l'igs (précision 50 cm à comparer aux orbites radiodiffusées de précision 10 m) qui permettent d'obtenir une influence minime des erreurs d'orbite sur le positionnement. Pour la troposphère le logiciel se sert d'un modèle dit " de Hopfield modifié ". Une méthode de résolution des ambiguïtés basée sur l'utilisation des matrices variance / covariance des observations de phase sert à fixer les ambiguïtés sur toutes les lignes de base du réseau. 2) Un utilisateur utilise le réseau ; il commence par se connecter au centre de calcul, s'identifier et envoyer sa position approchée (en utilisant la position de navigation) sous la forme d'un message normalisé. Le serveur envoie une première correction de pseudo-distance. Le mobile procède au calcul d'une solution de code différentielle qu'il retourne au serveur. Aout 2008 CETMEF/DPMVN/DOPM 4/6

Serveur 1 Interrogation du serveur 2 Corrections de la station virtuelle Station virtuelle récepteur ) Le serveur va alors envoyer les corrections différentielles de pseudo-distance et de phase précises au mobile qui seraient celles d'une station (pivot) placée à la première position fournie. Le mobile travaille autour de sa " station virtuelle " dans des conditions équivalentes à celles du RTK classique sans se préoccuper de son pivot. 4. Teria Le réseau Teria est adossé aux infrastructures du réseau GPS permanent (RGP) de l'ign et offre ainsi une couverture totale du territoire français. Les stations de références construites et maintenues par Thales/Martec sont mise en place par l'ordre des Géomètres Experts (OGE). Le serveur de calcul récupère les données des stations de référence. Il effectue la résolution des ambiguïtés par la méthode Flächenkorrekturparameter (FPK ou paramètre de correction surfacique) permettant la triangulation du mobile. Le serveur diffuse en permanence les données par onde radio. Le mobile utilisateur se connecte au serveur qui renvoie les corrections au mobile. Ce dernier génère alors les interpolations nécessaires et obtient ainsi la position. Serveur récepteur Interrogation du serveur 1 Position du mobile 2 Aout 2008 CETMEF/DPMVN/DOPM 5/6

5 Conclusion Les levés GPS RTK réseau représentent la solution la plus poussée en matière de précision de positionnement. La précision théorique est donnée en millimètres avec une portée de plusieurs centaines de kilomètres. Ces valeurs sont à comparer avec les données ci-dessous résumant les technologies de GPS. Type de mesure Phase du code Phase du code Phase de la porteuse Phase de la porteuse Temps réel / différé Temps différé Temps réel Temps différé Temps réel Dénomination Précision Zone de validité DGPS ou LADGPS temps différé ou WADGPS temps différé DGPS ou LADGPS ou WADGPS Cinématique, statique rapide ou statique Cinématique temps réel de < 1 m à ~10 m de < 1 m à ~10 m de < 1 cm à quelques cm de < 1 cm à quelques cm De quelques x 10 km à quelques x 1000 km De quelques x 10 km à quelques x 1000 km De quelques km à quelques x 1000 km De plusieurs km à quelques x 10 km Les réseaux GPS RTK ne sont pas équivalents. Le mobile effectuant les corrections (type FKP ou MAC) ne pourra pas développer un algorithme de corrections aussi poussé (corrections ionosphérique, troposphériques,...) que si un serveur de calcul avait été utilisé (VRS). La contrepartie de cette «délégation de calculs» au mobile est une bien meilleure réactivité lors de l'évolution de la position du mobile. Aout 2008 CETMEF/DPMVN/DOPM 6/6