Mesures GNSS et Systèmes de Positionnement

• Introduction à la réalisation et à l'exploitation des mesures GNSS dans le cadre des Systèmes Globaux de Positionnement par Satellite (GNSS).
• Cours dispensé à l'ENSTA Bretagne (UE 3.2 HYO) pour l'année 2024-2025, préparé par Pierre Bosser ([email protected]).

Avant-propos

• Un document issu de travaux entamés en 2009 à l'École Nationale des Sciences Géographiques (ENSG / IGN), puis poursuivis à l'ENSTA Bretagne.
• Les relectures de J. Beilin et X. Collilieux ont permis d'améliorer le document.
• Le contenu répond aux exigences de compétences F1.3 et H1.2 définies par l'OHI, conformément à la norme internationale FIG-OHI-ACI Hydrographie catégorie A (OHI, 2018).
• Le cours comprend sept parties majeures.
• Introduction aux systèmes de positionnement par satellite, incluant leur principe et des concepts de géodésie.
• Présentation détaillée des signaux et des mesures utilisés dans les systèmes GNSS.
• Examen des modèles et des sources de données essentiels pour réduire les erreurs dans le positionnement GNSS.
• Étude des différentes techniques de positionnement GNSS offrant une précision variable entre quelques mètres et quelques millimètres.
• Présentation des quatre systèmes mondiaux de positionnement par satellite, qu'ils soient opérationnels ou en phase de déploiement.
• Une vue d'ensemble des réseaux GNSS permanents, incluant leur fondation, leur fonctionnement et leurs objectifs.
• Description de la mise en œuvre d'un positionnement précis par GNSS, allant du choix de la station à l'évaluation des données.
• Il est conseillé de se référer à Teunissen et Oliver Montenbruck (2017) pour une connaissance approfondie des GNSS.
• Les cartes ont été créées avec GMT, The Generic Mapping Tools.
• Page de garde illustrée par "Galileo in Lego", ©ESA.
• Citation de référence suggérée : Bosser, P., « GNSS : Systèmes globaux de positionnement par satellites », Cours de l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées Bretagne, édition 2015.

Réalisation et exploitation de mesures GNSS

• Objectif : déterminer la position d'une ou plusieurs stations inconnues à partir de stations de référence connues.

Position du Problème

• Les configurations classiques de positionnement d'antenne incluent des scénarios avec des antennes fixes terrestres (stations).
• Différentes configurations de positionnement GNSS sont envisagées, représentées sur la Figure 7.1.
• Détermination des coordonnées d'une station inconnue à partir d'un réseau de stations connues, à différentes distances.
• Détermination des coordonnées d'un ensemble de stations inconnues, distantes de moins de 15 km les unes des autres, à partir d'un réseau de stations connues distantes de plus de 50 km.
• Détermination de la trajectoire d'un porteur à partir d'un réseau de stations connues proches, à moins de 15 km.
• Détermination de la trajectoire d'un porteur à partir d'une station inconnue proche du porteur, à moins de 15 km, et d'un réseau de stations connues distantes, à plus de 50 km.
• L'approche de positionnement différentiel sur la phase en temps différé, en mode statique ou cinématique (PPK), sera utilisée.
• L'exactitude attendue varie de 5 mm à 5 cm.

Systèmes d'acquisition GNSS

• Les géonavigateurs sont définis par le Journal Officiel du 4 juillet 2010 comme des systèmes d'aide au déplacement individuel ou à la conduite de véhicules utilisant la géolocalisation par satellite.
• L'utilisation du terme GPS pour désigner ces systèmes est abusive.
• Ces appareils fonctionnent par positionnement standard (absolu, basé sur des mesures de code avec une fréquence en temps réel et une exactitude métrique).
• La plupart des modèles récents sont multi-GNSS, compatibles avec les 4 constellations GNSS.
• Les géonavigateurs sont abordables, coûtant environ une centaine d'euros.
• L'utilisation de ces systèmes n'est pas adaptée en raison des exactitudes attendues.

Systèmes Professionnels

• Une grande variété d'instruments permet de réaliser du positionnement GNSS pour des applications professionnelles.
• Plusieurs paramètres sont à considérer dans le choix du système d'acquisition.
• Parmi ces paramètres, on peut citer : le type de mesures disponibles, le nombre de fréquences observées, la mobilité du système, la présence d'un module radio ou modem pour le positionnement en temps réel et les constellations GNSS utilisées.
• Le prix varie, allant de quelques centaines à quelques milliers d'euros.

Choix de la localisation de l’antenne inconnue

• Choisir l'emplacement pour le positionnement statique d'une station est sujet aux recommandations suivantes.
• Identifier et minimiser la présence de masques, assurer l'accessibilité et la sécurisation de la station.
• Considérer le potentiel de rattachement du site à un réseau existant, qu'il soit 2D, 3D, ou de nivellement.
• Le point de stationnement doit être concrétisé physiquement et précisément associé à l'antenne GNSS, incluant le centrage et la mesure de la hauteur de l'antenne.
• Mesurer la hauteur de l'antenne en début et en fin de session d'observation, en orientant l'antenne vers le nord pour tenir compte des modèles de calibration.
• Remplir une fiche de stationnement pour chaque station et chaque séquence d'observation avec précision.

Stratégie d'observation

• Il est difficile de suivre certaines recommandations pour une antenne mobile (équipant un porteur).
• Il est recommandé de privilégier le point le plus haut du porteur pour éviter les masques.
• Il faut éloigner l'antenne de toute source d'interférence (radar, balise iridium, etc).
• En positionnement différentiel, des paramètres tels que la longueur des lignes de base(distance entre les stations), et la durée d'observation influencent la précision du positionnement.
• Les stratégies suivantes sont à privilégier :.
• Si les distances avec les stations de référence sont faibles (moins de 15 km), il est possible de se positionner directement par rapport à celles-ci avec des périodes d'observation de quelques heures.
• Si les distances avec les stations de référence sont élevées (plus de 50 km), le temps d'observation doit être allongé, potentiellement de manière considérable.
• Dans un positionnement cinématique ou le positionnement d'un nombre important de points, le choix d'un point pivot peut induire un gain de temps et de précision.

Observations

• Les données acquises par GNSS sont stockées et partagées au format RINEX(Receiver Independent Exchange Format).
• La dernière version du format, la version 4.0, est encore peu utilisée.
• Les versions 2 et 3 sont actuellement privilégiées.
• Le format RINEX décrit la représentation des :.
• Observations acquises par un récepteur depuis les différentes constellations GNSS, mais aussi les constellations régionales et d'augmentation.
• Messages de navigations diffusés par les différentes constellations,.
• Observation météorologique qui peuvent être acquises par un capteur colocalisé avec le récepteur GNSS.
• Le format RINEX est gourmand en espace de stockage.

Données externes

• Le traitement des observations nécessite l'utilisation de données externes.
• Modèle d'antenne : Prise en compte précise de la position du point de mesure de phase (voir chapitre 3).
• Éphémérides précises (position et erreur d'horloge des satellites).
• Fichiers d'observation de stations permanentes.
• En France, le RGP propose une interface simplifiée permettant la récupération simultanée des fichiers d'observations des stations permanentes.

Analyse des observations

• Les données étant disponibles, la première étape du calcul consiste à calculer les lignes de base entre les stations permanentes et la ou les station(s) inconnue(s).

Positionnement statique

• En fonction du nombre de stations, différentes stratégies de calcul peuvent être appliquées.
• On calcule les différentes lignes de base entre les stations de référence et la station inconnue, puis on en déduit les coordonnées de la station inconnue.
• Plusieursstationsinconnues:utilise la méthode dupivot(Figure7.8).
• Sileslignesdebasesontlongues,ilfautdisposerd'uneduréed'observation importante.
• Onconsidèrequeseulementstationpivot.
• Le calcul des lignes de bases entre le pivot et les stations inconnues restantes peut être ensuite effectué, permettant la détermination de leurs coordonnées.

Positionnement dynamique

• Trajectoire à proximité des stations de références : On calcule en PPK les différentes lignes de base entre les stations de référence et l'antenne dynamique.
• Trajectoire à grande distance des stations de références.