INTRODUCTION
En se basant sur la calibration et l'étalonnage des instruments de mesure topographique, les administrations et grands comptes, les entreprises de construction ainsi que tous les organismes délivrant des rapports basés sur les mesures effectuées à l'aide de récepteurs GNSS doivent produire un rapport de "calibration".
On ne peut pas "calibrer" la constellation des satellites GNSS (on peut par contre en valider l'intégrité) et encore moins un récepteur car la calibration inter-canaux par exemple est intégré. Les fabricants de récepteurs GNSS produisent cependant des rapports de calibration en imprimant simplement les résultats des tests fournis par les logiciels de maintenance. Ce ne sont pas des rapports valides au sens ISO du terme.
On peut par contre vérifier la conformité d'un récepteur par rapport aux spécifications annoncées par le producteur en se basant sur les observations produites et les résultats des traitements appliqués.
On ne peut pas "calibrer" la constellation des satellites GNSS (on peut par contre en valider l'intégrité) et encore moins un récepteur car la calibration inter-canaux par exemple est intégré. Les fabricants de récepteurs GNSS produisent cependant des rapports de calibration en imprimant simplement les résultats des tests fournis par les logiciels de maintenance. Ce ne sont pas des rapports valides au sens ISO du terme.
On peut par contre vérifier la conformité d'un récepteur par rapport aux spécifications annoncées par le producteur en se basant sur les observations produites et les résultats des traitements appliqués.
CALIBRATION RECEPTEURS GNSS - LA METHODE - LES ANALYSES - LE RAPPORT
La technologie de positionnement GNSS (Système mondial de navigation par satellite) a été utilisée pour la topographie, la géodésie par satellite et la navigation dans le monde entier et également en Belgique depuis une trentaine d’années déjà.
Cependant, les performances des récepteurs GNSS doivent correspondre à la précision attendue en topographie et géodésie.
Afin de garantir la précision du positionnement et de répondre aux exigences de l'ISO (Organisation internationale de normalisation), l'étalonnage des récepteurs GNSS prend de plus en plus d'importance.
Les normes de contrôle de la qualité et d'assurance de la qualité d'ISO 9000 insistent sur le fait que le matériel de test, de mesure et de vérification (y compris le logiciel de test) doit être contrôlé, étalonné et entretenu. L'équipement de mesure doit avoir les caractéristiques métrologiques requises pour l'usage auquel il est destiné (par exemple précision, stabilité, portée et résolution). Le Guide ISO / CEI 17025 indique que le rapport de laboratoire doit couvrir l’incertitude des résultats d’étalonnage et d’essai.
Pour assurer la qualité de la mesure aux exigences ISO, la traçabilité de l'étalonnage a été importante pour de nombreux domaines d'application.
En Belgique, la société CGEOS – Creative Geosensing SPRL, dispose de l’expertise et des moyens afin de fournir des services d'étalonnage pour les récepteurs GNSS.
La méthode ISO est adoptée pour calculer l’incertitude du système d’étalonnage GNSS permettant de décrire les résultats de l’étalonnage.
Il s’agit de vérifier l’exactitude des résultats obtenus pour un récepteur GNSS donné selon les étapes suivantes :
Cependant, les performances des récepteurs GNSS doivent correspondre à la précision attendue en topographie et géodésie.
Afin de garantir la précision du positionnement et de répondre aux exigences de l'ISO (Organisation internationale de normalisation), l'étalonnage des récepteurs GNSS prend de plus en plus d'importance.
Les normes de contrôle de la qualité et d'assurance de la qualité d'ISO 9000 insistent sur le fait que le matériel de test, de mesure et de vérification (y compris le logiciel de test) doit être contrôlé, étalonné et entretenu. L'équipement de mesure doit avoir les caractéristiques métrologiques requises pour l'usage auquel il est destiné (par exemple précision, stabilité, portée et résolution). Le Guide ISO / CEI 17025 indique que le rapport de laboratoire doit couvrir l’incertitude des résultats d’étalonnage et d’essai.
Pour assurer la qualité de la mesure aux exigences ISO, la traçabilité de l'étalonnage a été importante pour de nombreux domaines d'application.
En Belgique, la société CGEOS – Creative Geosensing SPRL, dispose de l’expertise et des moyens afin de fournir des services d'étalonnage pour les récepteurs GNSS.
La méthode ISO est adoptée pour calculer l’incertitude du système d’étalonnage GNSS permettant de décrire les résultats de l’étalonnage.
Il s’agit de vérifier l’exactitude des résultats obtenus pour un récepteur GNSS donné selon les étapes suivantes :
- Inspection des équipements (récepteur et carnet de terrain) et validation des connections ainsi que de l’état des batteries et du chargeur.
- Analyse de série temporelle des données de position (dX, dY et dZ) dans le mode Network RTK en utilisant les ressources d’un réseau GNSS permanent, ici dans le cas présent c’est le réseau WALCORS qui est utilisé avec le service NTRIP VRS31GG (station de référence dématérialisée pour les constellations GPS et GLONASS)
- Évaluation des performances dans le domaine des observations en analysant les données au format RINEX version 3.01 en ce qui concerne les rapports signaux/bruits, la contribution des effets de multi-rebonds des ondes électromagnétiques et la capacité de poursuivre tous les signaux des satellites en vue durant la session de mesure.
- Analyse des résultats des données de position (dX, dY et dZ) dans le mode ligne de base ultra-courte en traitement différé (post-processing) et principalement en considérant les résidus obtenus après le calcul des observation par la méthode des Moindres Carrés (Filtrage de Kalman).
- Conclusions
QUELQUES PARAMETRES UTILISES
Les satellites GNSS transmettent en permanence les signaux de navigation à deux fréquences ou plus dans la bande L. Ces signaux contiennent des codes de télémétrie et des données de navigation permettant aux utilisateurs de calculer le temps de parcours d'un satellite à un récepteur et les coordonnées du satellite à n'importe quelle époque.
Les principales composantes du signal sont décrites comme suit:
Porteuse:
Signal sinusoïdal à radiofréquence à une fréquence donnée.
Code de télémétrie:
séquences de 0 et de 1 (zéros et unités) permettant au récepteur de déterminer le temps de parcours du signal radio du satellite au récepteur. Ils sont appelés séquences de bruit pseudo-aléatoire (PRN) ou codes PRN.
Données de navigation:
message codé binaire fournissant des informations sur les éphémérides du satellite (éléments képlériens ou position et vitesse des satellites), paramètres de biais d'horloge, almanach (avec un ensemble de données d'éphémérides de précision réduite), l'état de santé du satellite et d'autres informations complémentaires.
Pour réaliser une analyse des performances qualitative d’un récepteur GNSS on dispose de plusieurs possibilités qui se basent toutes sur les observations que celui-ci produit.
Ces observations sont enregistrées sous différents formats (BINEX, RINEX, RTCM) et sont disponibles pour l’analyse. Elles interviennent dans le calcul des positions du centre de phase de l’antenne de réception des signaux GNSS.
Elles peuvent être traitées en temps réel (RTK Real Time Kinematic) et en temps différé (Post Processing).
Dans nos rapports de calibration, nous utilisons à la fois les observations ainsi que les positions du récepteur afin d’établir l’état de ses performances réelles eu égard aux spécification techniques édictées par le producteur.
Les paramètres principalement qui interviennent dans nos rapports sont décrit ci-après.
ECART-STANDARD, RMS (RATIO MEAN SQUARE), MOYENNE, MEDIANNE
Il s’agit des paramètres statistiques décrivant la distribution des échantillons selon la loi normale.
SNR, RAPPORT SIGNAL BRUIT
En général, le rapport signal-sur-bruit (SNR ou S/N) est une mesure relative, permettant la comparaison entre le niveau du signal utile et celui du bruit.
Le SNR désigne le rapport de la puissance du signal en bande de base, sur le bruit mesuré avant modulation ou après démodulation. Dans le cas des signaux GNSS le SNR est mesuré après démodulation. Il est exprimé en Décibel.
Un rapport élevé indique la réception d’observations correspondantes précises (non bruitées). Généralement le maximum oscille entre 45 et 50 dBHz. Il est le fait des signaux émis par les satellites au zénith de l’horizon local du plan de phase de l’antenne GNSS. Une fluctuation de ce rapport peut indiquer des perturbations dans la ligne de vue (entre le satellite et l’antenne de réception des signaux GNSS) qui sont le fait des effets multi-rebonds (réfraction et/ou diffraction) produits par l’environnement. Les performances élevées ou non d’un récepteur sont liées à la façon dont ces rapports sont optimisés par filtrage et traitement des signaux.
EFFETS MULTI-REBONDS
Les effets multi-rebonds sont généralement éliminés par le hardware (antennes GNSS performantes) et/ou par le software (traitement du signal). On peut estimer à partir d’une combinaison linéaire des mesures de code et de phase leur magnitude et localiser la source de ces interférences. MP1 se réfère à la fréquence L1 et MP2 à la fréquence L2. Généralement on regarde l’évolution des valeurs MPi (i =1,2) comparée à un ou plusieurs récepteurs. On estime cependant qu’une valeur acceptable doit être inférieure à 50 cm.
Les principales composantes du signal sont décrites comme suit:
Porteuse:
Signal sinusoïdal à radiofréquence à une fréquence donnée.
Code de télémétrie:
séquences de 0 et de 1 (zéros et unités) permettant au récepteur de déterminer le temps de parcours du signal radio du satellite au récepteur. Ils sont appelés séquences de bruit pseudo-aléatoire (PRN) ou codes PRN.
Données de navigation:
message codé binaire fournissant des informations sur les éphémérides du satellite (éléments képlériens ou position et vitesse des satellites), paramètres de biais d'horloge, almanach (avec un ensemble de données d'éphémérides de précision réduite), l'état de santé du satellite et d'autres informations complémentaires.
Pour réaliser une analyse des performances qualitative d’un récepteur GNSS on dispose de plusieurs possibilités qui se basent toutes sur les observations que celui-ci produit.
- L'observable GNSS de base est le temps de parcours ΔT du signal à propager du centre de phase de l'antenne du satellite (au moment de l'émission) au centre de phase du récepteur (au moment de la réception). Cette valeur multipliée par la vitesse de la lumière nous donne la distance apparente D = c . ΔT entre elles. Elle est obtenue par corrélation des codes émis par les satellites et générés par le récepteur. On parle de mesure de code.
- Outre le code, la phase de la porteuse elle-même est également utilisée pour obtenir une mesure de la distance apparente entre le satellite et le récepteur. Ces mesures de phase de porteuse sont beaucoup plus précises que les mesures de code (généralement deux ordres de grandeur plus précis), mais elles sont ambiguës par un nombre entier inconnu de longueurs d'onde (λ . N). En effet, cette ambiguïté change arbitrairement chaque fois que le récepteur perd le verrou sur le signal, produisant des sauts ou des discontinuités dans la distance.
Ces observations sont enregistrées sous différents formats (BINEX, RINEX, RTCM) et sont disponibles pour l’analyse. Elles interviennent dans le calcul des positions du centre de phase de l’antenne de réception des signaux GNSS.
Elles peuvent être traitées en temps réel (RTK Real Time Kinematic) et en temps différé (Post Processing).
Dans nos rapports de calibration, nous utilisons à la fois les observations ainsi que les positions du récepteur afin d’établir l’état de ses performances réelles eu égard aux spécification techniques édictées par le producteur.
Les paramètres principalement qui interviennent dans nos rapports sont décrit ci-après.
ECART-STANDARD, RMS (RATIO MEAN SQUARE), MOYENNE, MEDIANNE
Il s’agit des paramètres statistiques décrivant la distribution des échantillons selon la loi normale.
SNR, RAPPORT SIGNAL BRUIT
En général, le rapport signal-sur-bruit (SNR ou S/N) est une mesure relative, permettant la comparaison entre le niveau du signal utile et celui du bruit.
Le SNR désigne le rapport de la puissance du signal en bande de base, sur le bruit mesuré avant modulation ou après démodulation. Dans le cas des signaux GNSS le SNR est mesuré après démodulation. Il est exprimé en Décibel.
Un rapport élevé indique la réception d’observations correspondantes précises (non bruitées). Généralement le maximum oscille entre 45 et 50 dBHz. Il est le fait des signaux émis par les satellites au zénith de l’horizon local du plan de phase de l’antenne GNSS. Une fluctuation de ce rapport peut indiquer des perturbations dans la ligne de vue (entre le satellite et l’antenne de réception des signaux GNSS) qui sont le fait des effets multi-rebonds (réfraction et/ou diffraction) produits par l’environnement. Les performances élevées ou non d’un récepteur sont liées à la façon dont ces rapports sont optimisés par filtrage et traitement des signaux.
EFFETS MULTI-REBONDS
Les effets multi-rebonds sont généralement éliminés par le hardware (antennes GNSS performantes) et/ou par le software (traitement du signal). On peut estimer à partir d’une combinaison linéaire des mesures de code et de phase leur magnitude et localiser la source de ces interférences. MP1 se réfère à la fréquence L1 et MP2 à la fréquence L2. Généralement on regarde l’évolution des valeurs MPi (i =1,2) comparée à un ou plusieurs récepteurs. On estime cependant qu’une valeur acceptable doit être inférieure à 50 cm.
Les series temporelles
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Les residus apres calcul des lignes de base
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EVOLUTION DU SNR ET CONTRIBUTION ESTIMEE DES EFFETS MULTI-REBONDS
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