Pour
comprendre le fonctionnement d’un système d’augmentation spatial (SBAS) comme
WAAS/EGNOS/MSAS/GAGAN, nous vous présentons d’abord la méthode conventionnelle
de correction différentielle en temps réel, ainsi que les facteurs affectant la
précision d’un DGPS local. (À noter que cette section ne traite pas de la
correction différentielle de la phase porteuse).
Système d’augmentation local (LBAS)
Un DGPS
conventionnel implique l’installation d’un récepteur GPS de référence dont
l’antenne est placée en un point dont les coordonnées sont connues. Ce
récepteur effectue les mesures de distance, en temps réel, vers chacun des
satellites GPS. La portée mesurée comprend les erreurs présentes dans le
système. Le récepteur de la station de référence calcule la véritable portée,
sans les erreurs, connaissant ses propres coordonnées et celles de chaque
satellite. La différence entre la portée connue et la portée mesurée de chaque
satellite représente l’erreur de portée. Cette erreur est le nombre qui doit
être soustrait de la mesure de la distance de chaque satellite afin de corriger
les erreurs présentes dans le système. La station de référence transmet les
corrections à l’erreur de portée aux récepteurs distants en temps réel.Le
récepteur distant corrige ses mesures de portée des satellites à l’aide de ces
corrections différentielles, ce qui résulte en un positionnement beaucoup plus
précis. Il s’agit là de la stratégie prédominante du DGPS utilisée dans la
majorité d’applications en temps réel. Un positionnement qui utilise les
corrections générées par un radiophare, par exemple, donnera une précision
horizontale de 1 mètre à 5 mètres avec 95 % de fiabilité selon la qualité du
récepteur GPS utilisé. Selon le même principe, les systèmes DGPS de courte
portée plus sophistiqués (10 à 15 km) peuvent atteindre une précision
centimétrique à l’aide d’une phase porteuse. Nous parlons dans ce cas d’un
système RTK plutôt qu’un DGPS.
Système d’augmentation spatial (SBAS)
La Federal
Aviation Administration des États-Unis a élaboré un système d’augmentation
étendu (WAAS – Wide Area Augmentation System) dans le but d’assurer un
positionnement très précis à l’industrie de l’aviation. En plus de fournir un
service de haute qualité et de précision à cette industrie, ce système est
disponible gratuitement à tous les utilisateurs et marchés civils en Amérique
du Nord et en Amérique Centrale. Ce service fait partie de la grande catégorie
des systèmes d’augmentation spatiaux (SBAS).
Après un
essai réussi de 21 jours le 24 août 2000, la Federal Aviation Administration
américaine annonçait que son système d’augmentation étendu (WAAS) serait
dorénavant en opération 24 heures par jour, sept jours par semaine. Les essais
ont démontré que ce signal est précis et fiable. Depuis sa mise en service le
10 juillet 2003, le WAAS a subi quelques modifications à sa constellation et à
sa couverture de satellites (PRN 122 et 134 remplacés par PRN 135 et 138 à de
nouveaux emplacements; et par l’ajout de stations de surveillance terrestres au
Canada et au Mexique en septembre 2007).
D’autres
agences gouvernementales ont suivi cet exemple et ont développé des SBAS
compatibles pour leurs régions géographiques respectives. En Europe, l’Agence
spatiale européenne, la Commission européenne et l’Organisation EUROCONTROL ont
développé ensemble le Complément géostationnaire européen de navigation
(EGNOS). EGNOS est désormais entièrement déployé et se trouve en phase
pré-opérationnelle. Le système doit être certifié sécuritaire pour la
sauvegarde de vies humaines avant d’être entièrement opérationnel. De plus, le
28 juin 2007, l’Agence spatiale européenne et l’Agence pour la sécurité de
navigation aérienne en Afrique et à Madagascar ont signé une entente de
collaboration ayant pour but l’utilisation de la navigation par satellite pour
améliorer la sécurité du trafic aérien au-dessus du continent africain.
Au Japon, le
Satellite multifonctionnel des transports (MSAS – Satellite-based Augmentation
System) a été déployé par le Bureau d’aviation civile du Japon. Les lancements
réussis des satellites MTSAT-1R et MTSAT-2 ont été suivis par l’intégration du
système pour le MSAS terrestre et les MTSAT, par l’envoi de signaux d’essai à
partir des MTSAT. Le but de la transmission des signaux d’essai visait à
optimiser la performance du système et à vérifier que les renseignements
d’augmentation respectent les exigences de sécurité et de performance. Comme
ces essais ont réussi, le MSAS a été mis en service pour utilisation par
l’aviation le 27 septembre 2007.
En Inde, la
Indian Space Research Organisation (ISRO) et les Autorités aéroportuaires
indiennes ont complété avec succès l’essai final d’acceptation du GPS Aided GEO
Augmented Navigation system (GAGAN) tel qu’annoncé le 20 novembre 2007 par la
Raytheon Company. Ce test d’acceptation final étant complété, l’Inde se dirige
maintenant vers la phase suivante du programme, qui étendra le réseau terrestre
existant, ajoutera une redondance, et produira l’analyse et la documentation de
certification pour la mise en service de la sécurité aérienne. Le satellite
Inmarsat 4f1 a été utilisé pour l’essai d’acceptation du système. Dans
l’attente du lancement de son propre satellite de communication, le GSAT-4
(prévu pour juin 2009), le ISRO indien a cessé l’émission des signaux d’essai
GAGAN.
La Chine a
un programme semblable pour un SBAS, le service portant le nom de Chinese
Satellite Navigation Augmentation System (SNAS).
Notre gamme
peut recevoir les données de correction de tous les SBAS compatibles.
Fonctionnement
Le SBAS
incorpore une architecture modulaire, semblable à celle du GPS, incluant une
composante terrestre, une composante spatiale et une composante utilisateur :
La
composante terrestre comprend les stations de référence, les centres de
traitement, un réseau de communication et une station terrestre de navigation
(NLES – Navigation Land Earth Station).
La composante spatiale comprend les satellites géostationnaires (par exemple,
EGNOS utilise des transpondeurs Inmarsat).
La composante utilisateur comprend l’équipement de l’utilisateur, par exemple
un récepteur GNSS Arrow et une antenne.
L’architecture
logicielle du SBAS se base sur l’état. Cela signifie qu’une correction
distincte est disponible pour chaque source d’erreur plutôt que pour l’effet
total sur la portée de mesure de l’équipement de l’utilisateur. Ceci permet de
gérer plus efficacement les problèmes de dé corrélation spatiale qu’avec
certaines autres techniques, résultant en une performance plus stable du
système peu importe l’emplacement géographique par rapport aux stations de
référence. Plus particulièrement, le SBAS calcule les erreurs distinctes
suivantes :
Erreur
ionosphérique
Erreurs de chronométrage du GPS
Erreurs d’orbite des satellites GPS
Les figures
ci-dessous montrent les segments terrestres des systèmes WAAS, EGNOS et MSAS,
respectivement. En 2007, treize stations de surveillance ont été ajoutées au
réseau WAAS existant, augmentant ainsi la couverture ionosphérique de la
constellation SBAS. Les emplacements sont indiqués en rouge : 4 en Alaska, 4 au
Canada et 5 au Mexique. Segment terrestre WAAS Segment terrestre EGNOS Segment
terrestre MSAS (fin 2007)
Segment terrestre MSAS
Pourvu que
le réseau de stations de référence SBAS puisse poursuivre un satellite GPS, les
corrections d’orbite et de chronométrage seront fournies à ce satellite. Les
corrections ionosphériques pour ce satellite ne sont disponibles que si le
signal traverse la carte ionosphérique fournie par le SBAS (par exemple la
carte ionosphérique WAAS couvre toute la région de l’Amérique du Nord et de
l’Amérique Centrale). Par exemple, si un satellite se trouve au sud de votre
position actuelle à une faible élévation, le point de percée de l’ionosphère se
situera beaucoup plus au sud de votre position puisque l’ionosphère est à une
altitude d’environ 60 km. Il doit y avoir une couverture suffisante de la carte
ionosphérique au-delà de votre position pour que les corrections ionosphériques
se rendent à tous les satellites.
Pour
améliorer les renseignements fournis par le SBAS, le GNSS Arrow possède la
capacité unique d’extrapoler l’information ionosphérique au-delà de la grille
d’émission. Cette fonction élargit la zone de couverture géographique
utilisable du système SBAS.
Renseignements
sur le signal
Un SBAS
transmet les données de correction sur la même fréquence qu’un GPS à partir
d’un satellite géostationnaire (segment spatial), permettant l’utilisation du
même récepteur utilisé pour la fonction GPS. Un autre avantage à cette
transmission du SBAS sur la même fréquence est qu’une seule antenne est
nécessaire.
Réception
Comme le
SBAS transmet dans la bande L, le signal nécessite une ligne de vue tout comme
le GPS afin de maintenir l’acquisition. Choisissons par exemple le WAAS.
Actuellement, deux satellites de communication transmettent des données WAAS à
usage public. Étant donné leur emplacement, ces satellites peuvent paraître bas
à l’horizon, selon votre position géographique sur terre. Dans les régions où
les satellites semblent bas à l’horizon, ils sont plus facilement cachés par le
terrain, les arbres, les immeubles ou autres objets, ce qui peut résulter en
une perte de signal. Plus vous êtes loin de l’équateur et de la longitude du
satellite, plus le satellite semblera bas à l’horizon. Heureusement, la
technologie COAST atténue ce problème en maintenant la performance du système
pendant une perte de signal assez prolongée du SBAS.
Couverture
globale du SBAS
La figure
ci-dessous illustre la couverture globale actuelle du SBAS. Cette figure
présente une couverture approximative du signal pour chaque constellation SBAS.
Bien qu’il y ait une couverture géographique à des altitudes plus élevées,
l’utilisation pratique du SBAS se limite aux environnements où une ligne de vue
relativement constante des satellites par le système GNSS Arrow est disponible.
Couverture
globale du SBAS
La carte
ci-dessous illustre la couverture ionosphérique de chaque constellation SBAS.
Pour WAAS, EGNOS et MSAS, les grilles illustrées sont les grilles réelles, sans
extrapolation. La grille montrée pour GAGAN a été enregistrée par un GNSS Arrow
pendant la phase finale de l’essai d’acceptation et n’est donc pas la grille
officielle des autorités indiennes.
Extrapolation
de la carte ionosphérique SBAS
Afin
d’améliorer la carte ionosphérique fournie par le SBAS, les récepteurs GNSS
Arrow extrapolent une carte ionosphérique plus étendue que celle émise,
élargissant ainsi sa couverture efficace. Ceci permet d’utiliser avec succès le
GNSS Arrow dans les régions où les produits concurrents ne peuvent fonctionner.
Par exemple, l’extrapolation améliore la couverture du secteur nord de l’Amérique
du Sud pour les signaux WAAS, et de la partie nord de l’Afrique pour les
signaux EGNOS, etc.
Il est à
noter que le processus d’estimation des corrections ionosphériques au-delà de
l’émission du SBAS ne sera pas aussi précis que si la carte SBAS était elle-même
plus étendue. Cette différence peut causer une dégradation mineure de la
précision. La figure ci-dessous illustre l’émission ionosphérique réelle des
signaux WAAS et EGNOS, ainsi que la version extrapolée. Comme on peut le voir,
la grille extrapolée s’étend plus loin que l’émission réelle dans toutes les
directions, améliorant la couverture efficace.
Traitement des erreurs – Différences
entre LBAS et SBAS
Outre
l’affaiblissement de la précision et les trajets multiples (erreurs qui ne
peuvent pas être résolues par une correction différentielle), de nombreux
facteurs peuvent affecter la précision du positionnement auquel on peut
s’attendre d’un système DGPS. Les plus importantes de ces influences
comprennent :
Distance
entre l’utilisateur distant et la station de référence (erreurs atmosphériques
et d’orbite)
De quand datent les corrections différentielles reçues
Conditions atmosphériques à la position de la station de base et de
l’utilisateur distant
Qualité du récepteur GPS utilisé à la station de référence et aux stations
distantes
Proximité de
la station de référence
Dans un
LBAS, la distance entre l’utilisateur distant et la station de référence peut
parfois être considérable, notamment si des radiophares DGPS de 300 kHz sont
utilisés. Par conséquent, certaines erreurs associées au GPS de la station de
référence diffèrent quelque peu de celles associées à l’emplacement distant.
Cette décorrélation spatiale des erreurs peut causer un déport du positionnement
relatif par rapport aux coordonnées absolues du récepteur distant. Ce déport
peut atteindre un mètre par 100 km (62 milles) de distance entre la station de
référence et le récepteur distant.
Les causes
de décorrélation sont :
• Erreurs
d’orbite du satellite GPS (importantes)
• Erreurs ionosphériques (peuvent être plus importantes selon le niveau
d’activité)
• Erreurs troposphériques (moins importantes)
Les erreurs
d’orbite du satellite GPS sont habituellement plus graves dans le cas de
systèmes différentiels locaux comme des radiophares. L’effet de décorrélation
est tel que l’erreur d’orbite du satellite se projette différemment sur les
mesures de portée du récepteur de référence et du récepteur distant. À mesure
que la distance séparant les récepteurs augmente, l’erreur d’orbite ne se
projette pas de la même façon sur les portées, et le processus de
différentiation de mesure ne l’annulera pas complètement. Les réseaux SBAS, qui
utilisent plusieurs stations de référence, peuvent calculer plus précisément le
vecteur d’orbite de chaque satellite. Le correcteur qui en résulte est
géographiquement indépendant, de sorte qu’une très faible dé corrélation se
produit en ce qui a trait au positionnement dans le réseau.
L’ionosphère
et la troposphère causent toutes deux des erreurs de mesure dans les signaux
reçus par le GPS. La troposphère est la portion humide de l’atmosphère, la plus
près du sol. À cause de l’humidité, la réfraction des signaux GPS à plus faible
altitude peut causer une distorsion des mesures des satellites. La source
d’erreur est facilement modelée à l’intérieur du récepteur GPS et ne présente
pas de problème grave.
L’erreur
causée par l’ionosphère est plus importante, cependant, et n’est pas facile à
corriger. L’ionosphère est la couche chargée de l’atmosphère responsable de
l’aurore boréale. Des particules chargées provenant du soleil ionisent cette
portion de l’atmosphère, résultant en une couche atmosphérique électriquement
active. Cette activité électrique nuit aux signaux GPS qui pénètrent cette
couche, affectant les portées mesurées. Ce qui rend difficile l’élimination de
l’effet de l’ionosphère est qu’il varie chaque jour, et même d’heure en heure,
à cause du cycle solaire de 11 années et de la rotation de la terre. Au cours
de l’été 2001, le cycle solaire atteignait son point le plus haut des 11
années, et on notait un refroidissement graduel de l’ionosphère dans les années
qui ont suivi, accompagné d’une activité ionosphérique plus réduite.
L’élimination de l’effet ionosphérique dépend de l’architecture du réseau
différentiel. Les radiophares DGPS, par exemple, utilisent une approche plus
conventionnelle que le WAAS ou le SBAS en général. Les radiophares DGPS
utilisent une seule station de référence, qui fournit des corrections d’erreur
GPS en temps réel basées sur des mesures effectuées à son emplacement. Il est
possible que l’état de l’ionosphère soit différent à la position de
l’utilisateur distant et à celle de l’unique station de référence. Ceci peut
produire une source d’erreur qui n’est pas entièrement corrigée et qui risque
de dégrader la précision du positionnement, plus la distance est grande entre
la station de référence et l’utilisateur distant.
Les systèmes
SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN, etc.) utilisent une approche différente, se
servant plutôt d’un réseau de stations de référence dans des endroits
stratégiques pour prendre des mesures et modeler l’ionosphère en temps réel.
Les mises à jour de la carte ionosphérique sont envoyées en continu afin de
corriger la position de l’utilisateur à mesure que l’ionosphère change.
Comparativement à l’utilisation d’un radiophare DGPS, l’effet de la proximité
géographique à une seule station de référence est minimisé, ce qui résulte en
une performance plus cohérente du système dans tous les emplacements du réseau.
Retard des
corrections
Le délai des
corrections différentielles affecte à un degré moindre la précision du
positionnement du récepteur distant puisque la magnitude du SA a été ramenée à
zéro en 2000. Les retards dépendent de ce qui suit :
Le temps
nécessaire à la station de référence pour calculer les corrections
Le débit de la liaison radio
Le temps nécessaire au signal pour atteindre l’utilisateur
Le temps requis par le récepteur différentiel distant pour démoduler le signal
et le communiquer au récepteur GPS.
Toute perte de données lors de problèmes de réception
La plupart
de ces délais exigent moins d’une seconde, quoique dans certains cas, en
fonction de la quantité d’information transmise, un délai total de trois à cinq
secondes peut se produire. L’effet de ces délais est mitigé par la technologie
COAST incorporée dans les GPS Arrow. Cette technologie est particulièrement
utile lors de la perte de signal DGPS lorsque l’âge des corrections augmente à
chaque seconde de perte de signal.
Qualité du
récepteur GPS
La qualité
du récepteur GPS influence dramatiquement la précision du positionnement. Les
GPS bas de gamme, comme les nombreux récepteurs portatifs ou fixes abordables,
ont habituellement une précision horizontale de 3 à 10 mètres dans 95 % des
cas. La précision d’un produit donné dépend des caractéristiques de performance
du récepteur en question. Les récepteurs GPS plus précis peuvent atteindre une
précision horizontale submétrique dans 95 % des cas en utilisant des transmissions
DGPS en temps réel. La gamme de GPS Arrow se situe dans cette dernière
catégorie.
