comment fonctionne dgps

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Le DGPS (Differential GPS) est un système permettant de fournir essentiellement des corrections de position aux signaux GPS.

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mardi 24 mai 2022

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Comment fonctionne le DGPS - Differential GPS ?

Samedi 10 juillet 2021

Qu’est-ce que le DGPS ?

Le DGPS (Differential GPS) est un système permettant de fournir essentiellement des corrections de position aux signaux GPS. Le DGPS utilise une position fixe et connue pour ajuster les signaux GPS en temps réel afin d'éliminer les erreurs de pseudo-distance. Il permet ainsi de passer d'une précision de 15 mètres à 1-3 cm avec les meilleures implémentations.

Il est important de noter que les corrections apportées par le DGPS améliorent la précision uniquement des données de position. Le système n’a aucun effet sur les résultats basés sur des données de vitesse et des résultats des arrêts de freinage.

Que sont les erreurs de pseudo-gamme ?

Les signaux GPS provenant des satellites jusqu'au sol doivent traverser des couches de l'atmosphère terrestre et sont donc soumis à des retards. Cela affecte le temps que met le signal à voyager d'un satellite donné vers un récepteur GPS, ce qui introduit une légère erreur dans le moteur GPS, entraînant une erreur dans la position mesurée.

Quelles sont donc les causes réelles de ces retards de signal ? Tout d'abord, les signaux doivent traverser l'ionosphère, c'est-à-dire les bords extérieurs de l'atmosphère. Cette partie de l'atmosphère est frappée par le rayonnement solaire, qui provoque la séparation des particules et leur charge positive. Cette couche de l'atmosphère a le plus grand impact sur les signaux électromagnétiques qui la traversent, ce qui inclut bien sûr les signaux radio provenant des satellites.

L'ionosphère ajoute un retard relativement important, dont le nombre réel dépend de : 

  • l'emplacement du récepteur
  • l'emplacement du satellite
  • l'heure de la journée
  • l'activité des éruptions solaires, etc.

Un grand nombre de ces facteurs sont estimés et pris en compte, ce qui correspond alors à un retard allant jusqu'à 16 ns pour le signal qui passe à travers - il faut noter qu'il s'agit d'un chiffre approximatif, qui change tout le temps. Cela peut introduire jusqu'à 5 m d'erreur dans la position capturée.

La deuxième couche que les signaux GPS traversent est la troposphère. Il s'agit de la section "météo" de l'atmosphère, qui comprend des conditions telles que les nuages, la pluie et les éclairs. Cela ajoute un retard beaucoup plus faible au signal, jusqu'à 1,5 ns, qui peut introduire jusqu'à 0,5 m d'erreur de position.

Ces délais sont des délais aléatoires qui fluctuent. Il n'y a donc aucun moyen de mesurer précisément ce qu'ils seront à un moment donné. Chaque retard est également spécifique à chaque satellite, car ils sont positionnés dans différentes régions du monde et leurs signaux sont soumis à des conditions atmosphériques différentes.

Correction des retards de signal

Le principe du DGPS est basé sur le fait que les effets des erreurs de mesure, comme d'ailleurs les effets des erreurs ajoutées volontairement, sont très semblables. Il suffit donc d'observer en un point connu les fluctuations des mesures, et de les transmettre à un récepteur observant les mêmes satellites. Il pourra ainsi corriger une grande partie des erreurs de mesure, qu'elles soient liées au satellite (horloge), aux conditions de propagation (effets troposphériques...) ou à des fluctuations volontaires du signal émis.

Station de base statique

Une station de base statique peut être utilisée pour fournir des messages de correction aux retards de signal. Pour ce faire, on installe la station de base à un endroit précis sur le sol, puis on détermine sa position exacte sur la surface de la terre. Pour ce faire, on la laisse enregistrer des données GPS aussi longtemps que possible. Pendant que la station de base enregistre les données, l'ionosphère et la troposphère changent, ce qui entraîne une modification aléatoire des délais des signaux. Comme les retards sont soumis à des changements aléatoires, on peut en faire la moyenne.

La plupart des unités VBOX professionnelles peuvent atteindre une précision de position absolue de ±80 cm en utilisant une station de base statique. Les unités VBOX dotées de la technologie RTK peuvent obtenir une précision allant jusqu'à ±2 cm en utilisant une station de base statique.

SBAS (Space Based Augmentation System)

Une autre forme de correction du signal consiste à utiliser les signaux des satellites géostationnaires. Ces satellites se trouvent à une distance déterminée au-dessus de l'équateur terrestre et suivent le sens de rotation de la Terre. Les objets en orbite géostationnaire semblent rester dans une position fixe dans le ciel lorsqu'ils sont vus depuis le sol.

Un réseau de stations de base au sol envoie des données à un PC central, qui calcule les erreurs de position actuelles dans la région. Ces informations sont envoyées au satellite géostationnaire avant d'être retransmises aux récepteurs GPS. En fonction de la position du récepteur, le décalage de correction actuel peut être calculé.

Bien que cette méthode n'augmente pas le niveau de précision de la position autant que l'utilisation d'une station de base statique qui a fait un enregistrement stationnaire à long terme, elle ne nécessite aucune installation et est donc rapide et facile à utiliser à n'importe quel endroit.

La plupart des unités VBOX professionnelles peuvent atteindre une précision de position absolue de ±1 m en utilisant les messages de correction des satellites géostationnaires.

Le terme générique pour ces systèmes est SBAS, qui signifie Space Based Augmentation System. Les systèmes régionaux sont appelés :

  • WAAS (Wide Area Augmentation System) aux Etats-Unis
  • EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) en Europe
  • MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) au Japon
  • GAGAN (Geo Augmented Navigation System) en Inde

Comment utiliser ces informations ?

Après avoir déterminé la position exacte de l'antenne relais sur la Terre, ainsi que la position exacte du satellite (leur position exacte est transmise en direct, à tout moment), on possède deux points connus.

Cela signifie qu’il est possible de calculer avec précision la distance entre ces deux points.

Le signal "réel", qui a traversé l'ionosphère et la troposphère, sera retardé d'une quantité aléatoire. Le signal "théorique" devrait se trouver à une distance plus courte. En soustrayant les deux, on peut obtenir une correction qui peut être appliquée à ce satellite particulier.

Le GPS différentiel est la différence entre la mesure de la distance "réelle" et la distance "théorique".

Pour chaque satellite, un signal de correction peut être envoyé au récepteur GPS, qui appliquera cette correction à chaque mesure qu'il effectue, ce qui annulera un grand pourcentage des différentes erreurs de pseudo-distance de chaque signal satellite. Cela ne fonctionne que si le récepteur est proche de la station de base, de sorte que les signaux des deux unités auront traversé les mêmes parties de l'atmosphère.

Position absolue et position relative

La précision de la position absolue est basée sur la position WGS84 sur la terre, tandis que la position relative concerne la précision entre les points d'échantillonnage des données enregistrées. La précision de la position relative capturée sera toujours plus élevée, car les conditions atmosphériques qui retardent les signaux ne changent pas rapidement d'état pour avoir un impact ou déplacer les échantillons enregistrés, les uns par rapport aux autres.

Fréquences multiples

Une autre façon de mesurer les erreurs causées par les couches atmosphériques consiste à envoyer deux signaux vers la terre depuis chaque satellite, à deux fréquences différentes. Ces différentes fréquences seront affectées par l'atmosphère de différentes manières. Par exemple, le premier signal pourrait avoir une erreur de 1,2 m, alors que le second pourrait avoir une erreur de 1,4 m.

Les fréquences auxquelles ces signaux sont envoyés sont connues, il est possible alors de calculer le retard de chaque signal à partir de la différence entre les deux retards.

Quels sont les différents types de fréquences disponibles ?

Voici les différents types de fréquences :

  • L1' - Fréquence GPS 'normale' que chaque récepteur GPS RACELOGIC utilise.
  • L2' - Cette fréquence est cryptée, car elle est réservée à un usage militaire.
  • L2C' - Signal "civil" non crypté sur la fréquence L2, qui est plus puissante que L1. Cette fréquence a été ajoutée aux satellites lancés depuis 2005, et est actuellement présente sur environ 19 satellites. Bien que la constellation complète de 24 satellites n'ait pas encore été atteinte, la fréquence est émise et peut être utilisée. Lorsqu'une constellation complète de 24 satellites sera disponible, la précision des données de position GPS (sans l'utilisation d'une station de base) passera de ±3 m à ±1 m. Cette fréquence devrait être pleinement fonctionnelle dans les deux prochaines années.
  • L5 - Cette fréquence est présente sur tous les satellites lancés depuis 2010. Elle offre une nouvelle avancée en termes de performances, avec une puissance et des schémas de codage accrus. Cette fréquence est appelée "sécurité de la vie", car elle est principalement destinée aux avions et aux véhicules d'urgence, bien que, tout comme la fréquence L2C, il s'agisse d'un signal non crypté. Ainsi, bien qu'elle permette d'améliorer encore la précision du positionnement, la constellation complète ne sera probablement pas disponible avant 2020.

En utilisant les deux fréquences actuellement disponibles (L1 et L2C), les unités VBOX de RACELOGIC peuvent obtenir une précision de positionnement d'environ un demi-mètre.

Les différents types de DGPS

Il existe des différents types de DGPS :

  • SBAS : les messages de correction sont envoyés par des satellites géostationnaires, par exemple, EGNOS ou WASS
  • RTCMv2 : les messages de correction sont envoyés depuis une station de base statique, ce qui donne une précision de 40 à 80 cm
  • RTK : les messages de correction sont envoyés à partir d'un signal de station de base statique, ce qui donne une précision de <2cm sur les unités compatibles RTK

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