Les GNSS et l’ionosphère

1. Les GNSS et l’ionosphère R. Warnant Chargé de cours Université de Liège Unité de Géomatique Chef de section ff. Institut royal météorologique

2. Principe de la mesure • Mesure du temps mis par le signal pour parcourir la distance satellite–récepteur • En multipliant par la vitesse des ondes radio, on obtient la distance satellite-récepteur.

3. Principales sources d’erreurs • Mes_Code = Distance (Sat-Rec) + Erreurs • Mes_phase = Distance (Sat-Rec) + Erreurs + Ambi • Erreur de synchronisation des horloges • Erreur de multi-trajets • Erreur d’orbite • Erreur due à l’atmosphère

4. Erreur atmosphérique • L’atmosphère affecte la propagation des signaux GNSS (modification de la vitesse de propagation) • Effet de l’atmosphère ionisée  erreur ionosphérique • Effet de l’atmosphère neutre  erreur troposphérique

5. Erreur atmosphérique • Erreur ionosphérique: dépend du Total Electron Content ou TEC (intégrale de la concentration en e- libres) • Erreur troposphérique: dépend du profil de la concentration en vapeur d’eau

6. Techniques de positionnement (1/2) • Absolu: Mesure de la position absolue à l’aide d’un seul récepteur • Différentiel: Mesure de la position absolue à l’aide d’1 seul récepteur mais utilisation de corrections émises par une station de référence

7. Techniques de positionnement (2/2) • Relatif: Mesure de la position relative en combinant des mesures brutes collectées par 2 récepteurs différents (dont un de position connue)

8. Principe du positionnement différentiel • Mes(ref) = Distance (ref-sat) + Erreurs (ref) • Mes(user) = Distance(user-sat) + Erreurs(user) • La position de la station de référence est connue Distance (ref-sat) connue • CorrDiff = Mes(ref) – Distance (ref-sat) • CorrDiff = Erreurs (ref)  correction de Erreurs(user)

9. Principe du positionnement différentiel • Validité de la correction différentielle: Erreurs (ref) ?=? Erreurs (user) • Essentiellement : Iono (ref) ? = ? Iono (user) Tropo (ref) ? = ? Tropo (user)

10. Real Time Kinematic (RTK) - Mesure positions en temps réel avec un précision centimétrique - Utilisation de mesures de phase et de correction différentielles - La distance entre la station de référence et l’utilisateur ne devrait pas dépasser 10 - 20 km (dépend essentiellement de l’activité ionosphérique). B A 10-20 km STATION REFERENCE position connue Utilisateur RTK position inconnue

11. Hypothèse de travail (1/2) • Les erreurs atmosphériques subies par la station de référence et par l’utilisateur sont les mêmes : • Iono(ref) = Iono(user)  TEC(ref) = TEC(user) • Tropo(ref) = Tropo (user)  Vapeur d’eau(ref) = Vapeur d’eau(user)

12. Hypothèse de travail (2/2) • D’une manière générale, cette hypothèse est valide • Présence de structures locales dans l’ionosphère (TEC) ou dans la vapeur d’eau • Hypothèse pas valide • Erreur sur la position

13. Variabilité locale dans l’ionosphère (1/2) • Quels sont le phénomènes qui peuvent provoquer une variabilité locale qui pose problème en RTK ? • Deux types de phénomènes: • Tempêtes géomagnétiques • Travelling Ionospheric Disturbances (TID’s)

14. Tempêtes géomagnétiques (1/2) • Eruptions solaires  Tempêtes géomagnétiques  Variabilité locale du TEC

15. Tempêtes géomagnétiques (2/2) • Tempête du 20/11/2003

16. Travelling Ionospheric Disturbances (TID’s) • Ondes qui se propagent dans l’ionosphère  Variations locales (quelques km) du TEC

17. Détection de structures locale dans l’ionosphère • Développement d’une technique qui permet de « détecter » la présence de structures locales dans l’ionosphère • Statistiques d’occurrence (à Bruxelles) depuis 1993 • La présence de ces structures dépend très fort de l’activité solaire mais il y en a aussi lorsque l’activité solaire est faible

18. Cycle d’activité solaire

19. Occurrence de perturbations

20. Comportement saisonnier

21. Effet sur les positions • Lorsque structure est détectée  Risque pour les mesures de positions • Risque est fonction de l’amplitude des variations du TEC • Quel sera l’effet réel sur les résultats du RTK ?

22. Logiciel RTK • Développement d’un logiciel qui « reproduit » les conditions de travail d’un utilisateur du RTK sur le terrain • Utilisation des stations des réseaux FLEPOS et WALCORS pour simuler « station de référence » et « user » • Permet une estimation quantitative de l’effet de l’ionosphère

23. Erreur sur la position (ionosphère calme)

24. Erreur sur la position (tempête du 20/11/2003) ! Ambiguïtés résolues !

25. Erreur sur la position (forte TID’s)

26. Erreur sur la position (TID’s moyennes)

27. Perspectives: activité solaire

28. Services utilisateurs GNSS • Site web http://gpsweather.meteo.be • Site momentanément plus opérationnel mais sera complètement transformé avant la fin 2008 • Estimation et prévision des effets de l’ionosphère sur le RTK  envoi de SMS, emails si fortes dégradations en cours ou prévues

29. Estimation des effets sur le RTK • Détection de perturbations  effet « qualitatif » sur RTK • Dans le futur, implémentation d’une estimation plus quantitative

30. Prévision des effets sur le RTK • Forte activité géomagnétique prévue  risque de dégradations du RTK • Indice K = mesure de l’activité géomagnétique

31. Prévision de K à Dourbes Si K ≥ 7  risque de problèmes

32. Conclusions (1/2) • Dans la majorité des cas, les corrections différentielles permettent de corriger l’effet de l’ionosphère sur le RTK • Des structures locales peuvent dégrader de manière très importante le RTK • Les effets les plus importants sont observés lors de fortes tempêtes géomagnétiques mais, en général, l’utilisateur peut être « averti »

33. Conclusions (2/2) • De fortes TID’s peuvent provoquer d’importantes erreurs à l’insu de l’utilisateur (même sur quelques km) • Les TID’s sont aussi observées lorsque l’activité solaire est très faible • IRM et ULg développent des services pour les utilisateurs des GNSS: • Estimation qualitative et quantitative des effets • Prévisions de l’occurrence de tempêtes géomagnétiques

34. Perspectives • Implémentation d’une estimation quantitative des effets ionosphériques sur le site web • Développement d’un système de prévision des effets ionosphériques à court terme • Etude de l’influence de petites structures dans la vapeur d’eau (orages, fortes pluies, …)