Les GNSS et l’ionosphère

Les GNSS et l’ionosphèreR. Warnant

Chargé de coursUniversité de Liège

Unité de Géomatique

Chef de section ff.Institut royal

météorologique

Principe de la mesure

Mesure du temps mis par le signal pour parcourir la distance satellite–récepteur

En multipliant par la vitesse des ondes radio, on obtient la distance satellite-récepteur.

Principales sources d’erreurs

Mes_Code = Distance (Sat-Rec) + Erreurs

Mes_phase = Distance (Sat-Rec) + Erreurs + Ambi

Erreur de synchronisation des horloges

Erreur de multi-trajets

Erreur d’orbite

Erreur due à l’atmosphère

Erreur atmosphérique

L’atmosphère affecte la propagation des signaux GNSS (modification de la vitesse de propagation)

Effet de l’atmosphère ionisée erreur ionosphérique

Effet de l’atmosphère neutre erreur troposphérique

Erreur atmosphérique

Erreur ionosphérique: dépend du Total Electron Content ou TEC (intégrale de la concentration en e- libres)

Erreur troposphérique: dépend du profil de la concentration en vapeur d’eau

Techniques de positionnement (1/2)

Absolu: Mesure de la position absolue à l’aide d’un seul récepteur

Différentiel: Mesure de la position absolue à l’aide d’1 seul récepteur mais utilisation de corrections émises par une station de référence

Techniques de positionnement (2/2)

Relatif: Mesure de la position relative en combinant des mesures brutes collectées par 2 récepteurs différents (dont un de position connue)

Principe du positionnement différentiel

Mes(ref) = Distance (ref-sat) + Erreurs (ref)

Mes(user) = Distance(user-sat) + Erreurs(user)

La position de la station de référence est connue

Distance (ref-sat) connue

CorrDiff = Mes(ref) – Distance (ref-sat)

CorrDiff = Erreurs (ref) correction de

Erreurs(user)

Principe du positionnement différentiel

Validité de la correction différentielle:

Erreurs (ref) ?=? Erreurs (user)

Essentiellement :

Iono (ref) ? = ? Iono (user) Tropo (ref) ? = ? Tropo (user)

Real Time Kinematic (RTK)

- Mesure positions en temps réel avec un précision centimétrique

-- Utilisation de mesures de phase et de correction différentielles

-- La distance entre la station de référence et l’utilisateur ne devrait pas dépasser 10 - 20 km (dépend essentiellement de l’activité ionosphérique).

STATION REFERENCE position connue

Utilisateur RTK position inconnue

10-20 kmAABB

Hypothèse de travail (1/2)

Les erreurs atmosphériques subies par la station de référence et par l’utilisateur sont les mêmes :

Iono(ref) = Iono(user)

TEC(ref) = TEC(user)

Tropo(ref) = Tropo (user)

Vapeur d’eau(ref) = Vapeur d’eau(user)

Hypothèse de travail (2/2)

D’une manière générale, cette hypothèse est valide

Présence de structures locales dans l’ionosphère (TEC) ou dans la vapeur d’eau

Hypothèse pas valide Erreur sur la position

Variabilité locale dans l’ionosphère (1/2)

Quels sont le phénomènes qui peuvent provoquer une variabilité locale qui pose problème en RTK ?

Deux types de phénomènes:

Tempêtes géomagnétiquesTravelling Ionospheric Disturbances (TID’s)

Tempêtes géomagnétiques (1/2)

Eruptions solaires Tempêtes géomagnétiques Variabilité locale du TEC

Tempêtes géomagnétiques (2/2)

Tempête du 20/11/2003

0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 24.00U T T im e (hours)

-4.00

-2.00

0.00

2.00

TE

C v

ari

atio

n w

ith t

ime

(T

EC

U/m

in)

Travelling Ionospheric Disturbances (TID’s)

Ondes qui se propagent dans l’ionosphère Variations locales (quelques km) du TEC

Détection de structures locale dans l’ionosphère

Développement d’une technique qui permet de « détecter » la présence de structures locales dans l’ionosphère

Statistiques d’occurrence (à Bruxelles) depuis 1993

La présence de ces structures dépend très fort de l’activité solaire mais il y en a aussi lorsque l’activité solaire est faible

Cycle d’activité solaire

Occurrence de perturbations

Comportement saisonnier

Effet sur les positions

Lorsque structure est détectée Risque pour les mesures de positions

Risque est fonction de l’amplitude des variations du TEC

Quel sera l’effet réel sur les résultats du RTK ?

Logiciel RTK

Développement d’un logiciel qui « reproduit » les conditions de travail d’un utilisateur du RTK sur le terrain

Utilisation des stations des réseaux FLEPOS et WALCORS pour simuler « station de référence » et « user »

Permet une estimation quantitative de l’effet de l’ionosphère

Erreur sur la position (ionosphère calme)

Erreur sur la position (tempête du 20/11/2003)

! Ambiguïtés résolues !

Erreur sur la position (forte TID’s)

Erreur sur la position (TID’s moyennes)

Perspectives: activité solaire

Services utilisateurs GNSS

Site web http://gpsweather.meteo.be

Site momentanément plus opérationnel mais sera complètement transformé avant la fin 2008

Estimation et prévision des effets de l’ionosphère sur le RTK

envoi de SMS, emails si fortes dégradations en cours ou prévues

Estimation des effets sur le RTK

Détection de perturbations effet « qualitatif » sur RTK

Dans le futur, implémentation d’une estimation plus quantitative

Prévision des effets sur le RTK

Forte activité géomagnétique prévue

risque de dégradations du RTK

Indice K = mesure de l’activité géomagnétique

Prévision de K à Dourbes

Si K ≥ 7 risque de problèmes

Conclusions (1/2)

Dans la majorité des cas, les corrections différentielles permettent de corriger l’effet de l’ionosphère sur le RTK

Des structures locales peuvent dégrader de manière très importante le RTK

Les effets les plus importants sont observés lors de fortes tempêtes géomagnétiques mais, en général, l’utilisateur peut être « averti »

Conclusions (2/2)

De fortes TID’s peuvent provoquer d’importantes erreurs à l’insu de l’utilisateur (même sur quelques km)

Les TID’s sont aussi observées lorsque l’activité solaire est très faible

IRM et ULg développent des services pour les utilisateurs des GNSS:

Estimation qualitative et quantitative des effetsPrévisions de l’occurrence de tempêtes géomagnétiques

Perspectives

Implémentation d’une estimation quantitative des effets ionosphériques sur le site web

Développement d’un système de prévision des effets ionosphériques à court terme

Etude de l’influence de petites structures dans la vapeur d’eau (orages, fortes pluies, …)