Le système de navigation par GPS - Sixième leçon : Exploitation en Mode Différentiel
Par Jacques VA2JOT

Le mode différentiel fait appel à deux récepteurs, l'un qui est stationnaire et l'autre qui se déplace tout en calculant sa position. Le secret est caché à l'intérieur du récepteur de référence. Il établit une relation entre les calculs de distance pour chaque satellite à une position déjà connue avec très grande précision car elle a été établie par un arpenteur-géomètre.

Accumulation des erreurs

Le calcul de distance de chaque satellite va comporter diverses formes de distorsion de l'information dépendamment du parcours suivi par chaque faisceau. Vu que tous ces signaux auront des erreurs et qu'elles ne peuvent pas toutes être éliminées, le calcul d'une solution de position à partir d'information partiellement erronée exacerbera l'erreur de calcul. Nous parlons ici de l'erreur résiduelle après correction par le quatrième satellite ou GDOP.

Quantification de l'erreur

Si deux récepteurs sont relativement rapprochés l'un de l'autre, disons en dedans de cent kilomètres, les faisceaux des satellites qu'ils recevront auront à peu de choses près, subi les mêmes distorsions ou erreurs ou GDOP.

La différence

La station de référence, sachant déjà où elle est (souvenez-vous, elle a fait l'objet d'un arpentage) s'occupe plutôt à chercher l'erreur de calcul de distance pour tous les satellites en vue (elle n'a pas de moyens pour connaître quels satellites chaque récepteur mobile utilise). Elle transmet ensuite les données de correction pour chaque satellite à tous les récepteurs mobiles éliminant par le fait même, les erreurs du système incluant le SA.

Le format standard pour l'échange des données de corrections différentielles est la NMEA RTCM SC-104.

D'où proviennent les corrections

Des entreprises spécialisées dans la fourniture de systèmes automatiques de localisation de véhicules (AVL) utilisent une sous-porteuse sur un poste FM local pour les diffuser ou encore, un usager de système AVL privé comme Urgences Santé (911) de Montréal utilise deux canaux de radio UHF avec un récepteur DGPS privé pour localiser ses ambulances.

Des services publics comme la Garde Côtière Canadienne et la U.S. Coast Guard ont établi des stations de référence le long des côtes de l'Atlantique et du Pacifique ainsi que les cours d'eau navigables à l'intérieur du continent.

Autre Modes Différentiels

Traitement en différé

Ce ne sont pas toutes les applications qui nécessitent une liaison radio, seulement celles ayant un besoin en temps réel de solutions de position précises.

Le besoin de DGPS en temps réel est compréhensible quand vous devez dépêcher l'ambulance la plus rapprochée pour un arrêt cardiaque ou chaque seconde de délai est critique. C'est une toute autre histoire si vous devez mettre à jour une carte numérisée pour refléter le tracé d'une nouvelle route. Dans ce dernier cas, tout ce dont vous avez besoin est de noter l'heure précise des relevés GPS. Ces données peuvent alors être traitées en différé à l'aide des données de corrections fournies par le U.S. Geological Services ou encore certaines universités canadiennes via l'Internet.

DGPS inversé

Utilisé par certaines applications de localisation de véhicules (AVL) il consiste à utiliser un récepteur bas de gamme (incapables d'intégrer les données de correction). Chaque véhicule doit donc transmettre ses solutions de distance pour chacun des satellites utilisés afin que l'application AVL puisse les corriger avant d'effectuer le calcul final de solution de position. L'inconvénient de cette solution est qu'elle réduit de façon très significative le nombre de véhicules par canal radio à cause de la longueur des messages que chaque mobile doit transmettre. Ce mode d'exploitation est en perte de vitesse aussi à cause d'une importante diminution du coût d'achat d'un récepteur GPS différentiel et de la disponibilité sans frais, de données de correction différentielles. De nos jours, des stations de référence sont composées d'un récepteur haut de gamme qui est capable de se synchroniser sur un maximum de 12 satellites, interfacé à une application DGPS qui roule sur Windows. En dix ans, les prix de ces stations sont passés d'au-delà de $20,000 à un peu plus de $ 1,000 CAN plus le PC.

Arpenteurs-Géomètres

C'est sans doute la profession qui été le plus marquée par l'avènement du GPS. L'ampleur de l'impact du GPS sur la science de la géodésique est inimaginable. Des solutions d'une précision de 2cm ou moins sont pratiquement chose courante de nos jours. Voici comment ils s'y prennent.

Ils utilisent d'abord un récepteur beaucoup plus sensible avec un ampli à faible bruit (LNA ou low noise amplifier). Ceci permet, une fois synchronisé sur le code pseudo-aléatoire, de re-synchroniser sur la porteuse de 1,575.42GHz, une longueur d'onde d'environ 20cm. Le LNA permet de récupérer une porteuse avec très peu de bruit gaussien ce qui facilite grandement le verrouillage de la boucle asservie à la phase de la porteuse (PLL).

Si on compare la longueur d'onde de la porteuse (20cm) à celle d'un bit du code pseudo-aléatoire qui est de l'ordre de 200 mètres, la distorsion (isochrone, 5%) responsable de la dilution de la précision sera réduite d'un facteur de 1000.

Atteindre une telle précision comporte certains inconvénients. Entre autres, l'arpenteur doit attendre des dizaines de minutes avec son récepteur monté sur trépied avant d'obtenir une solution de position. Le récepteur doit d'abord se synchroniser sur le code pseudo-aléatoire, ensuite sur la porteuse après quoi il doit localiser le bit de synchronisation du code dans la porteuse pour finalement déterminer le point exact ou se trouve le milieu de la rampe ascendante du premier bit du code pseudo-aléatoire (ouf !).

GPS d'arpenteur pour localiser un véhicule

Les maniaques de la précision de repérage de véhicules on tous rêvé de solutions de position au millimètre près. Malheureusement, les véhicules bougent constamment ce qui empêcherait le récepteur de se verrouiller sur les satellites. Ces récepteurs sont aussi très dispendieux et finalement, quel est l'intérêt si l'ont doit s'arrêter et décider quelle est la partie exacte du véhicule que nous désirons localiser; c'est la mauvaise solution.

Récapitulation

Exploitation en mode différentiel

1. On utilise le mode différentiel en temps réel pour les applications critiques ou chaque seconde compte pour localiser un véhicule

2. On utilise le traitement différentiel en différé pour les applications non-critiques requérant une solution de position très précise.

3. Le mode inversé monopolise inutilement du spectre et est en perte de popularité à cause de la baisse des coûts des récepteurs différentiels et de la disponibilité (gratuite) des données de corrections différentielles.

Vous en connaissez maintenant plus long sur le fonctionnement du système GPS que la plupart des soi-disant connaissant en la matière.

73 de Jacques, VA2JOT, 2004-08-19

Sources et références :

National Marine Electronics Association, Norme RTCM SC-104

Trimble Navigation Inc., Comment Fonctionne un GPS

Magellan-Ashtech, manuel technique du récepteur OEM G-8 et G-12

Département de la Défense Américaine, Système de Navigation Globalstar, Spécification Technique (quelle brique !).