MARKET TRENDS & REPORT
Le marché mondial du GNSS en aval continue de croître rapidement et cette année, la base installée mondiale de dispositifs GNSS utilisés devrait atteindre près de 6,5 milliards de dollars,
tandis que les revenus du marché mondial du GNSS en aval provenant à la fois de dispositifs et de services
atteindra 150 milliards d’euros.
Il est donc très intéressant de comprendre l'impact du GNSS sur l'économie en général pour accroitre la motivation dans cette technologie de positionnement.
Il est donc très intéressant de comprendre l'impact du GNSS sur l'économie en général pour accroitre la motivation dans cette technologie de positionnement.
| market_report_issue_6.pdf |
Les Global navigation satellite systemS
Les GNSS (global navigation satellite systems) parmi lesquels le système américain GPS (global positioning system), GLONASS (Russe), GALILEO (Européen) et BEIDOU (Chinois) ont tous pour principal objectif de délivrer les observations permettant le calcul de la position et la vitesse d’un mobile à tout instant, en tout lieu et dans un référentiel global. En bref les coordonnées (X,Y,Z) et le temps d'un mobile équipé d'un récepteur des signaux GNSS et les traitements de ceux-ci.
Comme tout système basé sur des satellites, il est structuré en trois composantes
Auquel il faut ajouter les infrastructures de positionnement et d'augmentation (GNSS Network RTK et SBAS)
Le calcul du géopositionnement peut être basé sur deux mesures :
Théoriquement (1) doit donner une précision décimétrique et (2) millimétrique mais des sources d’erreur viennent parasiter les observations - les satellites orbitant à plus de 20.000 km de la surface terrestre.
Pour améliorer la qualité du géopositionnement il existe d’autres systèmes satellitaires (SBAS - satellite based augmentation system) et également des réseaux de stations au sol (GBAS - ground based augmentation system - comme WALCORS en Wallonie) pour transmettre des corrections de positionnement et des observations corrigées (le quatrième segment).
Les algorithmes de repositionnement peuvent être utilisés en direct (correction différentielle en temps réel « DGNSS », observations corrigées « RTK ») ou en différé (post-traitement) pour atteindre une précision centimétrique voire mieux dépendant des méthodes d'observation et du temps de saisie (quelques minutes ou plusieurs heures voire une journée).
Comme tout système basé sur des satellites, il est structuré en trois composantes
- Le segment spatial (les satellites)
- Le segment de contrôle (les stations de poursuite au sol)
- Le segment utilisateur (le récepteur mobile)
Auquel il faut ajouter les infrastructures de positionnement et d'augmentation (GNSS Network RTK et SBAS)
Le calcul du géopositionnement peut être basé sur deux mesures :
- Soit la mesure du temps qu’ont mis les signaux émis par au moins quatre satellites pour parcourir la distance les séparant du mobile
- Soit le décalage de phase des signaux auquel cas un traitement spécifique doit lever des ambiguïtés (nombre entier de longueur d'onde séparant chaque satellite du récepteur).
Théoriquement (1) doit donner une précision décimétrique et (2) millimétrique mais des sources d’erreur viennent parasiter les observations - les satellites orbitant à plus de 20.000 km de la surface terrestre.
Pour améliorer la qualité du géopositionnement il existe d’autres systèmes satellitaires (SBAS - satellite based augmentation system) et également des réseaux de stations au sol (GBAS - ground based augmentation system - comme WALCORS en Wallonie) pour transmettre des corrections de positionnement et des observations corrigées (le quatrième segment).
Les algorithmes de repositionnement peuvent être utilisés en direct (correction différentielle en temps réel « DGNSS », observations corrigées « RTK ») ou en différé (post-traitement) pour atteindre une précision centimétrique voire mieux dépendant des méthodes d'observation et du temps de saisie (quelques minutes ou plusieurs heures voire une journée).
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Mesure des distances (codes) des satellites au récepteur
Les satellites GNSS qui sont identifiés par un numéro, envoient des signaux codés binaires et dont la génération se base sur le temps d'émission à partir d'une horloge atomique embarquée. Le récepteur des signaux, génère également et pour tous les satellites GNSS, sur base de son horloge interne, la séquence des codes. Dès que le récepteur reçoit les signaux, le processeur va mettre en corrélation les signaux codés reçus des satellites avec les signaux codés générés. Le décalage que l'on constate est le temps de propagation des signaux électro-magnétiques et donc ce décalage multiplié par la vitesse de la lumière délivre les distances.
Comme l'horloge du récepteur n'est pas synchronisée avec les horloges atomiques des satellites, on a des distances plus longues ou plus courtes. Et pour résoudre ce problème, on ajoute dans les équations de solution du positionnement une inconnue qui est appelée le biais d'horloge.
Le traitement consiste à rendre les équations "linéaires" et à construire les équations d'observation qui seront traitées par la méthode des Moindres Carrés.
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Pour autant il faut aussi tenir compte des écarts de temps entre les satellites GNSS et le temps de référence (Master Time) - ClockBias - et des corrections apportées aux distances traversant la troposphère et à l'ionosphère.
Pour chaque satellite repris par leur identifiant (PRN), nous pouvons calculer les coordonnées de celui-ci et en disposant de la distance "satellite" - "récepteur", nous en déduirons la position en X, Y et Z avec le décalage de temps entre l'horloge du récepteur et le temps de la constellation.
C'est pour cela que l'on dit qu'il s'agit d'un système délivrant les distances et le temps. Les banques utilisent d'ailleurs des récepteurs GNSS pour synchroniser les opérations de conversions des monnaies.
Pour chaque satellite repris par leur identifiant (PRN), nous pouvons calculer les coordonnées de celui-ci et en disposant de la distance "satellite" - "récepteur", nous en déduirons la position en X, Y et Z avec le décalage de temps entre l'horloge du récepteur et le temps de la constellation.
C'est pour cela que l'on dit qu'il s'agit d'un système délivrant les distances et le temps. Les banques utilisent d'ailleurs des récepteurs GNSS pour synchroniser les opérations de conversions des monnaies.
Et l'on obtient alors les performances suivantes ...
GDOP, VDOP, HDOP, TDOP, RDOP ...
Comme nous utilisons les distances mesurées entre les satellites GNSS et le récepteur, la géométrie des satellites par rapport à la position du récepteur joue un grand rôle. Il ne s'agit pas simplement de recevoir les signaux de plusieurs satellites ( > 4 ) pour obtenir une positionnement de qualité. Il faut encore que les satellites soient bien disposés dans le ciel local.
Dans la résolution des équations de navigation, cette géométrie de retrouve dans la valeur du déterminant de la matrice des équations normales dont il faut calculer l'inverse ainsi que dans les éléments diagonaux de cette matrice inverse (matrice de variance-covariance). En extrayant cette information on peut former les paramètres GDOP, HDOP, VDOP et TDOP par exemple qui reprennent l'influence de la géométrie sur les différents paramètres (3D, 2D, temps, ...).
Au plus faibles sont les valeurs numériques de ces paramètres, au plus forte sera la forme géométrique et l'on recommande de travailler avec un GDOP < 4 par exemple. La bonne nouvelle c'est que nous disposons de plus en plus de satellites (GPS, GLONASS, BEIDOU et GALILEO) et à moins de travailler dans un environnement obstrué, le GDOP avoisinera souvent 1 ou 2 !
Dans la résolution des équations de navigation, cette géométrie de retrouve dans la valeur du déterminant de la matrice des équations normales dont il faut calculer l'inverse ainsi que dans les éléments diagonaux de cette matrice inverse (matrice de variance-covariance). En extrayant cette information on peut former les paramètres GDOP, HDOP, VDOP et TDOP par exemple qui reprennent l'influence de la géométrie sur les différents paramètres (3D, 2D, temps, ...).
Au plus faibles sont les valeurs numériques de ces paramètres, au plus forte sera la forme géométrique et l'on recommande de travailler avec un GDOP < 4 par exemple. La bonne nouvelle c'est que nous disposons de plus en plus de satellites (GPS, GLONASS, BEIDOU et GALILEO) et à moins de travailler dans un environnement obstrué, le GDOP avoisinera souvent 1 ou 2 !
Amélioration des performances de positionnement ?
En plaçant deux récepteurs GNSS côte à côte on va voir les positions évoluer dans le même sens et c'est normal car les altérations dues à la troposphère et l'ionosphère sont pratiquement identiques. Cela change quand la distance entre deux récepteurs devient importantes pour que les effets deviennent différents.
L'astuce (ou le trait de génie) consiste alors à combiner les observations de deux récepteurs et de s'intéresser à la position relative de l'un vis-à-vis de l'autre en supposant qu'un récepteur reste "fixe" sur un point connu en X,Y et Z.
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On pourrait également imaginer que des stations de base soit réparties sur tout un territoire pour "aider" les récepteurs mobiles à recevoir ces "corrections" ...
C'est exactement ce que le réseau WALCORS délivre ! Avec 23 stations de base répartie sur toute la Wallonie, WALCORS permet d'améliorer considérablement les performances de la navigation par GNSS. En Flandre, c'est le réseau FLEPOS. |
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Nous avons re-développé toutes ces équations et écrit un logiciel pour faire ce traitement "différentiel" pour le GPS dont les performances étaient de l'ordre d'une vingtaine de centimètre en 3D.
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La mesure de phase (battement de phase)
Plutôt que d'utiliser les distances obtenues avec le traitement des signaux codés, on a également imaginé utiliser les mesures de phase réalisée sur l'onde porteuse.
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Le soucis c'est que l'on ne connait pas le nombre de "portées" à ajouter à cette mesure de phase (appoint). On ne s'en sort donc qu'en combinant les différentes observations issues d'au moins deux récepteurs GNSS.
C'est à l'identique ce que l'on fait pour mesurer un distance de 117,34 mètres avec un ruban de 25 mètres. On portera 4 x 25 mètres et puis on mesurera 17,34 mètres. les 4 portées de 25 mètres, avec le GNSS on les ignore et donc il faut les calculer en variant les mesures et en considérant les "différences". C'est ce que l'on fait avec un théodolite qui ne mesure que des directions ! En soustrayant 2 directions, nous obtenons la mesure de l'angle ...
C'est à l'identique ce que l'on fait pour mesurer un distance de 117,34 mètres avec un ruban de 25 mètres. On portera 4 x 25 mètres et puis on mesurera 17,34 mètres. les 4 portées de 25 mètres, avec le GNSS on les ignore et donc il faut les calculer en variant les mesures et en considérant les "différences". C'est ce que l'on fait avec un théodolite qui ne mesure que des directions ! En soustrayant 2 directions, nous obtenons la mesure de l'angle ...
Le processus est itératif et on commence par calculer des valeurs approchées (FLOAT) pour ces "ambiguïtés" pour ensuite par tests d'hypothèse statistique conclure à un niveau de probabilité donné, quels sont les valeurs les moins erronées (FIXED).
Les tests d'hypothèses statistiques n'affirment rien en tant que tel, mais bien ce qui est acceptable avec un taux de probabilité fixé et un risque d'erreur faible. En GNSS on travaille avec des taux de probabilités autour de 99,99 % soit 1 chance sur mille d'accepter un résultat comme correct alors qu'il ne l'est pas.
Les performances sur les résultats obtenus en considérant les mesures de phase sont de l'ordre du centimètre voire du millimètre.
Les tests d'hypothèses statistiques n'affirment rien en tant que tel, mais bien ce qui est acceptable avec un taux de probabilité fixé et un risque d'erreur faible. En GNSS on travaille avec des taux de probabilités autour de 99,99 % soit 1 chance sur mille d'accepter un résultat comme correct alors qu'il ne l'est pas.
Les performances sur les résultats obtenus en considérant les mesures de phase sont de l'ordre du centimètre voire du millimètre.
TEMPS REEL - RTK - REAL TIME KINEMATIC
Les solutions en temps réel nécessitent un transfert des données de la station de base GNSS (le récepteur fixe ou ... le réseau GNSS permanent) aux récepteurs mobiles. Aujourd'hui ce transfert est réalisé à l'aide des resources de l'Internet Mobile (3/4G).
POURQUOI DES RESEAUX GNSS PERMANENTS ?
Au plus un récepteur GNSS mobile d'éloigne de la station de base, au plus les erreurs ressenties par les deux récepteurs sont identiques et donc la précision au récepteur GNSS mobile va se dégrader jusqu'à un seuil à partir duquel les solutions ne seront plus FIXED.
La portée pratique entre une station GNSS de base et un mobile se situe entre 10 - 15 km pour les récepteurs mono-fréquence (L1 pour GPS) et autour de 40 - 50 km pour les récepteurs GNSS multi-fréquence (L1, L2, L5 par exemple pour GPS).
La portée pratique entre une station GNSS de base et un mobile se situe entre 10 - 15 km pour les récepteurs mono-fréquence (L1 pour GPS) et autour de 40 - 50 km pour les récepteurs GNSS multi-fréquence (L1, L2, L5 par exemple pour GPS).
Pour s'affranchir de cette limitation, on considère non seulement une station GNSS de base, mais bien un réseau de stations permanentes dont la position des centres de phase des antennes est déterminé à quelques millimètres près.
On modèlisera les différences (entre les observations calculées et mesurées) comme on le fait pour un modèle numérique de terrain ... Le récepteur GNSS mobile envoie sa position (au format standardisé NMEA) à un serveur, qui l'utilise pour déterminer les observations corrigées (au format standardisé RTCM- à lui envoyer.
On modèlisera les différences (entre les observations calculées et mesurées) comme on le fait pour un modèle numérique de terrain ... Le récepteur GNSS mobile envoie sa position (au format standardisé NMEA) à un serveur, qui l'utilise pour déterminer les observations corrigées (au format standardisé RTCM- à lui envoyer.
Master Auxiliary Concept (MAC)
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Virtual Reference Station (VRS)
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Dans un réseau GNSS RTK, il n'y a plus de dépendance vis-à-vis de la distance "mobile" - "station de base" mais les performances dépendent de la modélisation et de l'interpolation dans le modèle.
Une réalisation interessante consiste à générer sur la position de navigation d'un récepteur GNSS mobile, une station de base "virtuelle" construite à l'aide des observations corrigées de la modélisation du réseau.
Cette "Virtual Reference Station" (VRS) localisée à quelques mètres du récepteur GNSS mobile va favoriser la résolution des "ambiguïtés" de phase, va converger plus rapidement et surtout la précision de positionnement sera uniforme dans le périmètre du réseau.
Cette "Virtual Reference Station" (VRS) localisée à quelques mètres du récepteur GNSS mobile va favoriser la résolution des "ambiguïtés" de phase, va converger plus rapidement et surtout la précision de positionnement sera uniforme dans le périmètre du réseau.
Dans la série temporelle nous pouvons voir la solution RTK avec une station de base GNSS isolée (ligne bleue foncée) et la solution "Network RTK" (ligne bleue claire). On voit clairement que la solution "réseau" a le bénéfice d'être nette des biais (troposphère, ionosphère, erreurs d'orbite, ...) non modélisés. En clair on peut maintenant appliquer des filtres et des moyennes !
L'échelle est exprimée en mètre et non en millimètre (comme indiqué) et il faut donc lire une variation de +/- 3 mm.
VRS, FKP, i-MAX, MAX, RTCM 2.x, RTCM 3.X, ...
Les différents modèles d'observation corrigée par une modélisation en réseau donnent lieu au même résultat et à des performance identique ... en pratique ! Chaque producteur défendant son approche cependant.
En se connectant sur WALCORS on obtient une table de montage avec les différents "produits". Essayez sur le lien suivant : http://157.164.253.36:8081/
En se connectant sur WALCORS on obtient une table de montage avec les différents "produits". Essayez sur le lien suivant : http://157.164.253.36:8081/
Le VRS31GG est donc un "produit" qui délivre sur la position de l'utilisateur une station de base virtuelle au format RTCM 3.1 pour le GPS et GLONASS (GG) alors que le produit "NEAR31G" connectera un récepteur GPS à la station WALCORS la plus proche de sa position et délivrera les données au format RTCM 3.1 non corrigée de la modélisation des erreurs.
LES COORDONNéES GNSS en "version locale"
Jusqu'ici nous avons parlé des coordonnées fournies par les GNSS sans en dire davantage. Ces coordonnées dont celles dans lequel les satellites sont repérés et pour le GPS c'est le WGS-84 (World Geodetic System).
Elles sont impropres à la topographie et aux autres applications en tant que telles (car les bases de données ne sont pas exprimées en WGS-84). Il faut donc les "transformer" et en Belgique nous avons les représentations cartographiques LAMBERT 72 et 2008. Le SPW a adopté le LAMBERT 2008 pour être conforme avec la directive INSPIRE Européenne.
Elles sont impropres à la topographie et aux autres applications en tant que telles (car les bases de données ne sont pas exprimées en WGS-84). Il faut donc les "transformer" et en Belgique nous avons les représentations cartographiques LAMBERT 72 et 2008. Le SPW a adopté le LAMBERT 2008 pour être conforme avec la directive INSPIRE Européenne.
| scr_picc_24nov17_new.pdf |
L'éditeur Wab "WallOnMap" du Service Public de Wallonie - Direction de la Géométrologie - présente les coordonnées du curseur selon le système de représentation cartographique souhaité. Un récepteur GNSS va donc permettre d'interagir directement entre la représentation virtuelle de l'espace Wallon et sa réalité. L'éditeur du Cadastre CAD VIEWER exprime les coordonnées en Lambert 72.
EXEMPLE DE PREPARATION d'un recepteur GNSS en mode RTK
Pour pouvoir bénéficier de la haute précision GNSS en temps réel, il faut donc considérer les points suivants :
- Disposer d'un accès à WALCORS : http://gnss.wallonie.be/files/FormulaireWALCORS.pdf
- Disposer d'une carte SIM non protégée par un code PIN. Cette carte doit permettre la connexion à l'Internet Mobile. On vérifiera bien que cette carte donne un accès à l'Internet Mobile ... Attention, la nouvelle réglementation en vigueur impose une identification électronique par la carte d'identité. Une carte de type Proximus PAY&GO ou d'un autre fournisseur fait l'affaire.
- Variante - vous disposez d'un Smartphone Androïd et vous avez accès à l'Internet Mobile. Installez l'application SURVEY MASTER délivrée par ComNav Technology Ltd. Shanghai
- Disposer des paramètres de la transformation LAMBERT 2008 (par exemple)
- Acquérir un récepteur GNSS G100/G200, T300 ou M300 MINI G.
- Introduire les paramètres de la représentation cartographique LAMBERT 2008. Avec SURVEY MASTER les paramètres sont déjà enregistrés.
- Insérer la carte SIM dans le récepteur, introduire les paramètres d'accès à WALCORS avec l'adresse IP 157.164.253.36 et le port 8081 de même que le nom utilisateur et le mot de passe délivré par WALCORS.
- Variante - vous utilisez SURVEY MASTER et donc vous ne devez pas introduire une carte SIM dans le récepteur ...
- Mettre le récepteur sous tension (ON)
- Le récepteur va commencer l'acquisition des éphémérides (grâce auxquelles le récepteur peut calculer les coordonnées X,Y,Z des satellites GNSS) ainsi que des signaux des satellites visibles à l'endroit de l'utilisateur.
- Connecter le PDA ou votre Smartphone via Bluetooth avec le GNSS T300 RTK. Le code de "jumelage" est "0000".
- Sélectionnez un projet, puis le type de travail et engagez la connexion avec WALCORS
- Une position de navigation est délivrée (quelques mètres instantanément) et sera envoyé au serveur de WALCORS toutes les 10 secondes.
- Sur base de cette position, WALCORS délivre les données d'une station de base virtuelle (VRS31GG) au format RTCM
- Le récepteur engage le calcul, délivre une solution DGNSS, FLOAT et FIXED dans les quelques secondes.
- L'opérateur place la canne de levé sur un point et encode les attributs du point (borne, bord de route, arbre, égout, limite de propriété ...) puis enregistre ces paramètres avec les coordonnées du point.
SURVEY MASTER
Voici un exemple des séquences à suivre avec l'application SURVEY MASTER
