Précision du système GPS

1. Précision du système GPS • Le positionnement absolu • Le positionnement relatif • Les dégradations volontaires (SA et A/S) • Bilan d’erreurs

2. j j j iono , j trop , j R c dt dt i i i (1) X , Y , Z : coordonnées inconnue de la station i (2) i i i j j j X , Y , Z : coordonnées connues du satellite j iono , j trop , j et sont calculés à partir de modèles j j 2 j 2 j 2 X X Y Y Z Z ou du mode bi fréquence i i i i j dt : décalage de l ' horloge du satellite j donnée connue dt : décalage de l ' horloge du récepteur inconnue i Le positionnement absolu • + Mode de positionnement basique • + Obtention de la pseudo distance (1) • Déduction de la distance géométrique (2) • Résolution d’un système à quatre inconnues • Nécessité de quatre satellites + Précision d’environ 20 mètre depuis Mai 2000

3. j j j ik k k f j j j i j f dt dt N N ik i k k i k i c Le positionnement relatif + Il consiste à obtenir une position à l’aide de mesures sur des positions déjà connues + Il permet d’éliminer certaines erreurs et inconnues + Il utilise la mesure de phase + Précision de 2 à 10 m Les stations i et k observent le même satellite j au même instant et on forme la simple différence : On remarque que le décalage horloge du satellite est éliminé par cette différence

4. jl l j ik ik ik f jl l j j j l j j l N N N N ik k k i l k k i i c La double différence Les deux stations i et k observent les satellites j et l simultanément, et on forme la double différence en remarquant que le décalage des horloges récepteurs en i et k est éliminé.

5. jl , mn jl , n jl , m ik ik ik f jl l , n j , n j , n l , n l , m j , m j , m l , m ik k k i i k k i i c La triple différence On a toujours les deux mêmes satellites et on effectue les mesures aux époques tm et tn On forme la triple différence en éliminant ainsi les ambiguïtés entières. On peut ainsi détecter les sauts de cycles.

6. Les dégradations volontaires • + Arrêt total des dégradation volontaires du signal GPS en Mai 2000 • +Deux types de dégradations possibles : • La "Selective Availability" (SA) • Dégradation de la précision des horloges embarquées à bord des satellites • effets : imprécision des mesures de phase (on ne sait pas avec précision à quel temps le signal a été émis par le satellite) • remède : modélisation du brouillage (difficile) ou différenciation des données entre stations (simple différences entre stations) • Troncature du message de navigation • effets : imprécision des orbites des satellites (on ne sait pas avec précision où se trouve le satellite au moment de l'émission), d'ou erreur su la position des stations • remède : re-calcul des orbites par l'intermédiaire des mesures sur un certain nombre de stations de références civiles de position bien connues a priori • L' "Anti Spoofing" (AS) • Cryptage du code P (précis) • effets : la mesure directe des pseudo distances précises est impossible • remède : utilisation d’algorithmes de calcul (complexes)

7. Bilan d’erreurs • Les effets atmosphériques • Les effets relativistes • L’effet Doppler-Fizeau • Le bruit de la mesure • Le multi-trajet

8. Les effets atmosphériques • Vitesse de propagation de la phase et du groupe • La troposphère • L’ionosphère Menu

9. Vitesse de propagation de la phase et du groupe Lors de la propagation du signal envoyé par le satellite, il faut distingué deux vitesses différentes de propagation : La vitesse de phase Vph: Vitesse à laquelle la phase de l'onde se propage dans l'espace. Si l'on sélectionne n'importe quel point particulier de l'onde (par exemple la crête), il donnera l'impression de se déplacer dans l'espace à la vitesse de phase. La vitesse de groupe Vgr: Vitesse de l’ondesinusoïdale générée par la superposition de deux ondes électromagnétiques de fréquences voisines. Cette onde est de fréquence légèrement inférieure à celle des deux autres. On peut définir l’indice de réfléction du signal ainsi : ngr = nph + f.(dnph/df) Menu

10. La troposphère tropo 6 tropo n 1 ds 10 N ds Caractéristiques Couche basse de l’atmosphère Epaisseur: 8km aux pôles/17km à l’équateur Milieu non dispersif pour f < 30GHz La troposphère affecte essentiellement la composante verticale de la station. On utilise des modèles pour corriger l’erreur (voir annexe ). Mais elle reste un facteur important d’imprécision. Néanmoins le positionnement relatif permet de pratiquement l’annuler. On a : Avec n l’indice de réfraction troposphérique et N le co-indice Et 2m < retard < 30 m Menu

11. L’ionosphère 1 2 iono 1 2 f 1 1 2 f 2 Caractéristiques: Couche supérieure de l’atmosphère Épaisseur: de 70km (altitude) à 2000 km (altitude) Milieu dispersif Agitation dépendant de la latitude et de l’activité solaire L'Ionosphère est un "nuage" de particules chargées (ions et électrons) qui enveloppe la Terre.. Le signal GPS est perturbé comme toute onde électromagnétique traversant un milieu conducteur. imprécision importante (0 à 50 m). Elle est difficilement modélisable aussi, on utilise le positionnement relatif ou le calcul bi fréquence pour compenser cette erreur. Ci-dessous la formule utilisée pour calculer la correction ionosphérique : (détails du calcul en annexe) Menu

12. Les effets relativistes • Le système GPS est utilisé au voisinage de la Terre qui est un corps massif dont la présence gravitationnelle modifie l’espace environnant. On a donc trois sources d’erreurs principales (les sources secondaires engendrant des erreurs de l’ordre du picomètre) : • le potentiel gravitationnel: • L’horloge transporté est plus rapide que celle du géoïde. Cette erreur est fonction de la hauteur. Pour une altitude de 20 200 km l'horloge des satellites avance de 45.700 ns/jour. • l’effet Sagnac • l'horloge transportée est plus rapide ou plus lente que l'horloge • sur le géoïde. Cette erreur est fonction du sens et du type de la trajectoire. • elle est de maximum 137 ns. • le décalage du temps propre • Le temps propre en orbite est légèrement différent du temps de l’utilisateur. Elle occasionne une erreur de 500 ns. Ce qui correspond à un écart au sol de 15 cm au sol mais ce retard étant cumulatif, après un tour d’orbite on obtient une incertitude de 810 m. Menu

13. Détails du calcul On a d’après la théorie de la relativité générale : s

14. L’effet Doppler-Fizeau ƒ1 ƒ1 ƒ1 ƒ1 ƒ1 ƒ1 ƒ1 ƒ1 -2∆ƒ -∆ƒ -2∆ƒ -∆ƒ -∆ƒ -∆ƒ ƒ1 ƒ1 Il est utilisé pour le calcul de la position Malgré cela il est également source d’incertitude. Le principe étant que lors de l’envoi du satellite au récepteur du signal de position, le satellite ayant une grande vitesse, la distance entre le récepteur et le satellite varie et occasionne ainsi une erreur de l’ordre de 10 ns en fonction de la vitesse du satellite. Menu

15. Le bruit de la mesure Les mesures de phase ou de pseudo-distances sont réalisées par la comparaison entre le signal venant du satellite et le signal généré par le récepteur. Le bruit de la mesure est estimé à moins de 1% de la longueur d'onde du signal sur lequel se fait la mesure, ce qui donne : Menu

16. Le multi-trajet • Ce phénomène est constaté lorsque le signal issu du satellite arrive • au récepteur après avoir suivie un autre chemin que le chemin direct, • en particulier après réflexion sur un obstacle proche. • Du fait de son caractère aléatoire, il n’y a pas de modélisation possible • de ce phénomène qui peut engendrer une incertitude pouvant aller d’une dizaine • de centimètre à une dizaine de mètre. • Le seul moyen de réduire cette erreur est de privilégier une • zone dégagée et de pratiquer un relevé de position prolongé, • on peut alors réduire l’erreur à quelques centimètres. t t+∆t Menu