Systèmes de positionnement par satellite

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Questions and Answers

Quelle est l'implication précise de l'utilisation d'orbites radiodiffusées dans les systèmes GNSS en temps réel, compte tenu des avancées récentes permises par l'IGS?

  • Elles permettent une estimation de la position avec une latence inférieure à 10 secondes et une exactitude orbitale de l'ordre de 20 cm, compensant les erreurs horloges par des corrections post-traitement.
  • Les orbites radiodiffusées garantissent une exactitude positionnelle inférieure au décimètre, éliminant ainsi le besoin d'ajustements ultérieurs.
  • Malgré leur exactitude métrique, elles servent de base pour l'amélioration de la précision via des produits précis en temps réel fournis par l'IGS, réduisant ainsi les erreurs d'orbite et d'horloge. (correct)
  • Bien que d'une exactitude métrique, les orbites radiodiffusées sont suffisantes pour les applications nécessitant une résolution temporelle élevée, mais limitée.

Quel est l'impact relatif des effets relativistes sur la détermination de la position dans les systèmes GNSS, en distinguant l'effet sur l'orbite des satellites et l'effet sur les horloges?

  • Les effets relativistes affectent de manière égale l'orbite et les horloges des satellites, nécessitant des corrections complexes pour chaque paramètre.
  • Seul l'effet sur les horloges est critique, car il biaise l'estimation du temps de parcours des signaux, rendant impossible une localisation précise sans correction. (correct)
  • L'effet sur l'orbite est significatif et doit être corrigé en utilisant des modèles de haute précision, tandis que l'effet sur les horloges est négligeable.
  • L'effet sur l'orbite est négligeable, tandis que l'effet sur les horloges nécessite une correction précise via l'équation de Sagnac, intégrant des paramètres orbitaux et gravitationnels.

Comment le concept de 'Phase Wind-Up' affecte-t-il la précision des mesures GNSS, et quelles stratégies sont employées pour atténuer son impact, en particulier dans les configurations différentielles?

  • Bien qu'il puisse induire des changements dans l'observation de la phase, son impact est minime dans les configurations différentielles, à moins que le récepteur ne soit mobile. (correct)
  • Il introduit des erreurs significatives, surtout dans les configurations différentielles, en raison des variations rapides de l'orientation relative des antennes émettrices et réceptrices.
  • Le 'Phase Wind-Up' affecte de manière critique toutes les mesures GNSS, nécessitant une modélisation dipolaire complexe du couple émetteur-récepteur pour corriger les erreurs de phase.
  • Il est principalement problématique dans les traitements non-différentiels, où il exige une correction pour éviter des erreurs décimétriques, surtout avec des récepteurs statiques.

Dans le contexte de la correction ionosphérique pour les mesures GNSS, comment l'utilisation de la combinaison linéaire 'ionosphere-free' atténue-t-elle les retards ionosphériques, et quelles sont les limitations inhérentes à cette technique, en particulier lors de périodes d'activité solaire intense?

<p>Elle corrige les retards ionosphériques au premier ordre en combinant les mesures de deux fréquences, mais peut être affectée par une erreur résiduelle due à la limitation du développement de l'indice de réfraction, surtout en cas d'activité solaire intense. (A)</p> Signup and view all the answers

Quelle précision peut-on atteindre typiquement dans le positionnement GNSS précis post-correction des erreurs, et quels facteurs limitent davantage l'amélioration de cette précision au-delà des niveaux actuels?

<p>La précision post-correction est typiquement de l'ordre de 5 à 20 mm, limitée par les erreurs résiduelles dues à la troposphère non modélisée, aux réflexions multiples, et aux marées terrestres complexes. (D)</p> Signup and view all the answers

Comment l'effet de Sagnac influence-t-il les mesures GNSS et comment est-il modélisé pour minimiser son impact sur la précision du positionnement?

<p>Il induit des erreurs significatives dans la détermination de la distance satellite-récepteur, en raison de la rotation de la Terre pendant la propagation des signaux, et est modélisé à l'aide du vecteur rotation de la Terre. (D)</p> Signup and view all the answers

En quoi consiste la correction des marées terrestres (Solid Earth Tides) dans le traitement des données GNSS, et pourquoi son impact est-il devenu plus significatif avec l'amélioration des techniques de positionnement?

<p>Elle implique la modélisation des déformations verticales et horizontales de la croûte terrestre dues aux forces gravitationnelles, devenant importante à mesure que les techniques de positionnement atteignent une plus grande précision. (C)</p> Signup and view all the answers

Comment le phénomène de trajets multiples (multipath) affecte-t-il les mesures GNSS, et quelles sont les stratégies les plus efficaces pour atténuer ces effets dans les environnements opérationnels?

<p>Ils causent des erreurs significatives en raison des réflexions parasites des signaux, avec des stratégies efficaces incluant l'éloignement de l'antenne des surfaces réfléchissantes et l'utilisation de plans absorbants. (C)</p> Signup and view all the answers

Quel rôle jouent les fichiers ANTEX de l'IGS dans la correction des erreurs liées à l'antenne, et comment leur utilisation contribue-t-elle à améliorer la précision du positionnement GNSS?

<p>Ces fichiers contiennent les données sur les PCO et PCV pour chaque antenne, ce qui permet de corriger les variations du centre de phase et d'améliorer la précision du positionnement. (B)</p> Signup and view all the answers

Quelle est la distinction fondamentale entre le retard troposphérique hydrostatique et le retard troposphérique humide, et comment leur modélisation diffère-t-elle dans les applications GNSS de haute précision?

<p>Le retard hydrostatique est estimé précisément à partir de mesures de pression au sol, tandis que le retard humide est plus variable et complexe, nécessitant des estimations de paramètres supplémentaires lors de l'analyse GNSS. (D)</p> Signup and view all the answers

Comment la connaissance des masques environnementaux peut-elle être exploitée pour optimiser la configuration des stations GNSS et minimiser les erreurs de positionnement, et quelles sont les limitations de cette approche?

<p>Elle permet de choisir judicieusement l'emplacement de la station pour éviter les obstacles physiques, améliorant ainsi la réception du signal et réduisant les erreurs, mais ne corrige pas les sauts de cycle. (A)</p> Signup and view all the answers

Quels sont les principes fondamentaux derrière l'utilisation de modèles empiriques, tels que Klobuchar et NeQuick-G, pour la correction ionosphérique dans le positionnement GNSS, et comment leur performance est-elle évaluée en termes de pourcentage de correction et de situations couvertes?

<p>Ils fournissent une correction basée sur des paramètres ionosphériques moyens, avec le modèle NeQuick-G capable de corriger plus de 70% des erreurs dans 85% des situations, surpassant ainsi le modèle Klobuchar. (C)</p> Signup and view all the answers

Comment l'utilisation des réseaux GNSS permanents contribue-t-elle à l'amélioration du positionnement en temps réel et quelles sont les principales caractéristiques de ces réseaux en termes d'origine, de fonctionnement et de finalités?

<p>Les réseaux GNSS permanents fournissent des corrections différentielles en temps réel, améliorant la précision du positionnement grâce à une infrastructure de stations de référence dont l'origine et le fonctionnement sont variés, servant à des applications allant de la navigation à la surveillance environnementale. (D)</p> Signup and view all the answers

Comment la surcharge atmosphérique affecte-t-elle la croûte terrestre, et quelles sont les implications de ces déformations pour les mesures GNSS de haute précision, en particulier dans des contextes de surveillance géodésique et environnementale?

<p>Elle induit des déformations significatives de la croûte terrestre, qui nécessitent une modélisation précise pour des mesures GNSS de haute précision, en particulier pour la surveillance géodésique et environnementale. (B)</p> Signup and view all the answers

Comment la différenciation des mesures GNSS, effectuée sur de courtes lignes de base (inférieures à 15 km), affecte-t-elle la correction des effets ionosphériques et troposphériques, et dans quels contextes cette technique est-elle particulièrement avantageuse?

<p>Elle réduit considérablement les effets ionosphériques et troposphériques, ce qui simplifie les corrections et est particulièrement utile dans les positionnements différentiels précis à courte distance. (B)</p> Signup and view all the answers

Quelle est l'importance de l'étalonnage individuel des antennes GNSS, et dans quelles situations cette procédure devient-elle cruciale pour garantir une exactitude optimale des mesures?

<p>L'étalonnage individuel est crucial pour le positionnement de haute précision, spécialement lorsque des antennes non standard sont utilisées ou lorsque des mesures géodésiques très précises sont requises. (C)</p> Signup and view all the answers

Flashcards

GNSS

Systèmes de positionnement par satellite.

Erreurs d'orbite et d'horloge du satellite

Impactent le positionnement différemment selon le mode d'utilisation.

Organismes gérant les systèmes GNSS

Fournissent les orbites prévues des satellites.

Effet sur les horloges des satellites

Peut être corrigé par la quantité : ∆tr = F・e・√a sin E.

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Indice de réfraction de la troposphère

Il varie avec la pression, la température et l'humidité.

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Le terme TEC

Représente le contenu total en électrons entre le récepteur i et le satellite j.

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Combinaison « ionosphere free »

C'est une combinaison linéaire de mesures réalisées sur deux fréquences porteuses du GNSS permettant l'élimination du retard ionosphérique.

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Partie périodique des marées terrestres

Moyenne quasi-nulle sur 24 h.

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La surcharge océanique

Déformation de la croûte terrestre due au phénomène de marées océaniques.

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Les trajets multiples (multipath)

Trajets parasites qui peuvent entraîner des erreurs de plusieurs centimètres.

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Un masque

Empêche la réception du signal GPS par le récepteur.

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Centre de phase de l'antenne

Point par rapport auquel se fait la mesure.

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PCO (pour Phase Center Offset)

Correspond à la hauteur moyenne du centre de phase.

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PCV (pour Phase Center Variation)

Funccion de l'élévation et de l'azimut du satellite et différente pour chacune des longueurs d'onde du GNSS.

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Phénomène de phase wind-up

Lié à l'orientation relative des antennes émettrice et réceptrice.

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Ionosphère

Couche la plus haute de l'atmosphère, entre 60 et 1000 km. Gaz ionisés, affectant la propagation des ondes.

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Retard ionosphérique

Allongement du temps de parcours entre le satellite et le récepteur.

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Troposphère

Couche la plus basse de l'atmosphère, entre 0 et 80 km.Elle retarde la propagation des signaux.

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Study Notes

Avant-propos

  • Ce document rend compte des travaux réalisés depuis 2009. initialement au sein de l'École Nationale des Sciences Géographiques (ENSG / IGN) puis à l'École Nationale Supérieure des Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne).
  • Il a profité au cours du temps de relectures partielles, cependant des coquilles et des erreurs sont toujours possibles.
  • Il répond principalement aux besoins en compétences F1.3 et H1.2 exigées par l'OHI dans le cadre de la norme internationale FIG-OHI-ACI Hydrographie catégorie A (ОНІ, 2018).

Organisation du Cours

  • Le cours est organisé en sept parties.
  • Une présentation rapide des systèmes de positionnement par satellite.
  • Leurs principes, ainsi qu'un rappel de quelques notions de géodésie nécessaires à la compréhension du cours sont détaillés.
  • Une description des signaux et des mesures utilisés est faite.
  • Les principaux modèles et sources de données utilisés pour la réduction des principales sources d'erreur affectant le positionnement par GNSS sont passés en revue.
  • Une revue des différentes méthodes de positionnement est donnée.
  • Ces méthodes permettent une utilisation des GNSS pour une gamme de précision allant de plusieurs mètres à quelques millimètres.
  • Une présentation des quatre systèmes globaux de positionnement par satellite opérationnels ou en cours de déploiement est effectuée dans une cinquième partie.
  • Un rapide aperçu des réseaux GNSS permanents est fait.
  • L'origine, le fonctionnement et les finalités de ces réseaux sont présentés.
  • Une description de la réalisation d'un positionnement précis par GNSS est donnée.
  • Cette description inclut le choix de la station jusqu'à l'analyse des observations.

Erreurs et Modèles de Correction en GNSS: Bilan d'Erreur

  • Le bilan d'erreur est divisé en trois parties:
  • Les erreurs liées aux satellites.
  • Les erreurs liées à la propagation.
  • Les erreurs liées à la station (antenne et récepteur) et à son environnement.

Erreurs Liées aux Satellites: Orbite et Horloges

  • Le positionnement GNSS repose sur la connaissance de la position et de l'horloge des satellites composant les constellations.
  • Les erreurs d'orbite et d'horloge satellite impactent le positionnement de manières différentes selon le mode d'utilisation.
  • En positionnement absolu, l'erreur sur la position du satellite se répercute directement sur la position du récepteur.
  • En positionnement relatif, l'erreur radiale dr sur la position du satellite entraîne une erreur db sur la ligne de base mesurée.

Fournisseurs d'Informations Orbitales

  • Les organismes gérant les systèmes GNSS fournissent, en temps réel via le message de navigation, les orbites prévues des satellites.
  • Ces orbites sont radiodiffusées avec une exactitude métrique.
  • Depuis 2007, le projet de l'IGS (International GNSS Service) vise à fournir des produits précis en temps réel.
  • Différents organismes fournissent ainsi orbites et horloge avec une latence inférieure à 10 s et une exactitude de l'ordre de 20 cm sur les orbites, 0,3 à 0,7 ns sur les horloges.
  • L'IGS combine les orbites et corrections d'horloge précises et les fournit aux utilisateurs pour un positionnement en temps différé.

Disponibilité des Éphémérides

  • La Table 3.1 résume la disponibilité des éphémérides fournies par l'IGS pour GPS et GLONASS.
  • Actuellement, il n'existe pas de produit horloge final pour GLONASS, uniquement l'orbite. La diffusion des éphémérides en temps réel est encore expérimentale.

Effets Relativistes

  • On a affaire aux effets de la relativité restreinte et de la relativité générale.
  • Les effets de la relativité générale sur les satellites impactent à différents niveaux le positionnement ponctuel; effet sur l'orbite, effet sur les horloges des satellites, effet sur les signaux.
  • Une correction liée à l'effet sur les horloges peut être réalisée par la quantité:
∆tr = F・e・√a sin E

Centre de Phase des Satellites

  • Les orbites réfèrent au centre de masse et non au centre de phase de l'antenne.
  • Il faut connaître le vecteur séparant centre de masse et centre de phase.
  • Ce vecteur est divisé en une composante fixe (PCO) et une composante variable (PCV).
  • Le PCO permet corriger la positon du centre de masse du satellite pour la ramener au centre de phase moyen du satellite.
  • Une correction pour le PCV a appliquer sur la mesure de phase.

Erreurs Liées à la Propagation

  • La mesure de distance d'un satellite repose sur l'hypothèse que la vitesse de propagation du signal émis par le satellite est constante.
  • La vitesse change avec le déplacement du signal à travers l'ionosphère et la troposphère.

L'Ionosphère

  • L'ionosphère est la couche la plus haute de l'atmosphère, située entre 60 et 1000 km.
  • Elle est constituée de gaz fortement ionisés, en conséquence elle est dispersive.
  • Le retard ionosphérique est l'allongement du temps de parcours entre le satellite et le récepteur et varie en fonction de l'agitation ionosphérique

L'Ionosphère: Caractéristiques Clés

  • La traversée de l'ionosphère se traduit par un retard de la propagation de l'information et une avance des phases porteuses.
  • En première approximation, l'indice de réfraction pour la propagation de l'information et de la phase s'écrivent.
  • Le retard ionosphérique est donné par: Tiono,X = SX - T
  • Le terme TEC représente le contenu total en électrons entre le récepteur i et le satellite j.

Correction pour l'Ionosphère

  • Il existe différentes approches pour la correction, notamment la combinaison «ionosphere free», des modèles empiriques et l'utilisation de modèles plus fins.
  • La combinaison linéaire de mesures réalisées sur deux fréquences porteuses du GNSS élimine le retard ionosphérique 5.

La Troposphère

  • La troposphère est la couche la plus basse, située entre 0 et 80 km et contenant près de 90% de la masse de l'atmosphère.
  • Elle retarde la propagation des signaux.
  • L'effet induit est appelé retard troposphérique.
  • Le retard troposphérique est défini comme la différence entre le trajet optique et la distance géométrique entre satellite et récepteur.

Retard Troposphérique: Variation et Correction

  • Le retard troposphérique varie en fonction de l'élévation du satellite au-dessus de l'horizon
  • Différentes approches peuvent être employées pour la correction, notamment une correction empirique et l'estimation de paramètres supplémentaires.

Estimation Paramètres: Composantes du Retard troposphérique

  • Le retard troposphérique est divisé en trois composantes: hydrostatique, humide et des termes de gradients troposphériques décrivant les variations azimutales du taux.
  • Pour l'estimation, le retard troposphérique dans une direction d'azimut a et d'élévation e est modélisé.
  • Des modèles paramétriques décrivent les différentes fonctions de projections;hydrostatique, humide et de gradient.

Erreurs Liées à la Station: Trajet Multiple

  • Les trajets multiples (multipath) sont des réflexions parasites pouvant entraîner des erreurs de plusieurs centimètres.
  • L'erreur induite est difficile à corriger, mais on peut essayer de s'affranchir des trajets multiples lors des observations.

Les Masques

  • Des éléments de l'environnement de la station peuvent former des obstacles qui représentent des masques pour les signaux GPS.
  • Il n'existe aucun moyen pour corriger l'effet de masques, la seule solution étant de choisir judicieusement la situation de la station.

Le Centre de Phase de l'Antenne

  • On appelle centre de phase de l'antenne le point par rapport auquel se fait la mesure.
  • On considère un excentrement correspondant la hauteur moyenne du centre de phase, appelé PCO, et une partie variable, appelée PCV qui est fonction de l'élévation et de l'azimut du satellite.

<< Phase wind up >>

  • Le phénomène de phase wind-up est lié à l'orientation relative des antennes émettrice et réceptrice.
  • Wu et al. propose une correction de cet effet basée sur une modélisation dipolaire du couple émetteur - récepteur.

Déformation de l'Écorce Terrestre: Marée Terrestre

  • La croute terrestre est aussi sujette aux forces gravitationnelles induites par la Lune et le Soleil ce qui entraîne le phénomène de marées océaniques.
  • Une modélisation sous forme d'harmoniques sphériques permet une correction de cet effet avec une exactitude de l'ordre de 1 mm.

Surcharge Océanique

  • La surcharge océanique est une déformation de la croûte terrestre liée au phénomène de marées océaniques.
  • La modélisation de la surcharge océanique se présente sous la forme de 11 harmoniques décrivant ses variations semi-diurne, diurne et à longue période.

Surcharge Atmosphérique

  • La surcharge atmosphérique est une déformation de la croûte terrestre due à la force exercée par l'atmosphère terrestre.
  • L'utilisation de modèle permet une correction de ce phénomène avec une exactitude submillimétrique.

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