PPP-GNSS: Principe et Nouveautés - gps-rs.scg.ulaval.cagps-rs.scg.ulaval.ca/pdf/PPP-GNSS Santerre CIDCO juin2015 vF.pdf · PPP-GNSS: Principe et Nouveautés Rock SANTERRE, Ph.D.,

PPP-GNSS:Principe et Nouveautés

Rock SANTERRE, Ph.D., a.-g., ing.

Département des Sciences GéomatiquesCentre de Recherche en Géomatique

Université Laval

Colloque CIDCO 2015Rimouski (Québec)

18-19 juin 2015

www.scg.ulaval.ca/gps-rs/

CONTENU DE LA PRÉSENTATION

- Comparaison des modes de positionnement GPS (GNSS)

- Sources d’erreurs GPS (GNSS) et modélisation en mode absolu

- Solutions PPP «standard»

- Solutions PPP en temps réel

- Solutions IAR-PPP

- Exemples de résultats et applications PPP

- Développements actuels et futurs

- Références et sites Internet

2

R. Santerre, SCG-CRG. U. Laval, juin 2015

PPP: Precise Point Positioning / Positionnement Ponctuel Précis


PRÉCISION HORIZONTALE DE DIFFÉRENTSMODES DE POSITIONNEMENT GPS

Adaptée de Parkinson et al. & Bossler et al.

(m)

3

SOURCES D’ERREUR GPS (GNSS)

Toutes les sources d’erreur introduisent des erreurs dans la distance

récepteur-satellite à moins d’être modélisées

ou éliminées.

d

c dt

dion

c dT

dtrop

N


+ PCV, relativité, biais électroniques,…

+ multitrajets,PCV,biais élec.,…

+ déplacements du site:

marée terrestre,surcharges océanique et atmos.

4

ÉQUATIONS D’OBSERVATIONS


Mode absolu PPP (un peu plus compliqué !)

Mode relatif RTK (plutôt simple)

= -dion +dtrop +N + dmp +

P = +dion + dtrop + dmpP + P

5

ERREURS ET SOLUTIONS (1/3)


Sources: Seepersad & Bisnath (2014); Banville (2014), Navipedia (ESA)

Au satellite Magnitude Solution RésiduOrbite satellite ±1 m Message sat.

Éphémérides précises±2 cm±5 cm

IGS DifféréeIGS Temps réel

Horloge sat. (dt) ±2 m (5 ns) Message sat.Correction précise horloge sat. (dt)

±2 cm (75 ps)±9 cm (300 ps)

IGS DifféréeIGS Temps réel

Relativité horloge sat. (e:0.02) (dtr)

|15 m| Modélisée mm

Biais de code sat. (b ) |dm-m| tGD, message sat.DCB, IGS IONEX

qq cmcm-mm

Biais de phase sat. (b ) |½ cy porteuse| IGS RTS cmExcentrement CM-CP sat. (PCO)

1-2 m Modèle IGS ANTEX

qq mm

PCV satellite |mm-cm| Modèle IGS qq mm

6

P

ERREURS ET SOLUTIONS (2/3)


Propagation du signal Magnitude Solution Résidu

Délai iono. (phase : - )

(dion)

1-100 m Coeff. message 25-50%Modèle IGS

IONEX0.3 m

Combinaison L1&L2

mm

Délai troposphérique(dtrop)

2-10 m Modèle tropo. cmEstimé qq mm

Effet Sagnac |0-150 m| Modélisé mmEnroulement de phase(dpwu)

|½ cy porteuse| Modèle JPL mm

Courbure signal (relativité) 0-2 cm Modélisé mmMultitrajets (P(Y) - C/A)(dmpP)

|qq m-qq 10s m| Ant.&Rx + Filtrage

dm

Multitrajets (dmp)(phase L1-L2)

|Max ¼ : 5-6 cm| Sélection antenne/Rx

cm-mm

7

ERREURS ET SOLUTIONS (3/3)8

Au récepteur Magnitude Solution Résidu

PCO ant. Rx cm-dm Modèle IGS ANTEX qq mm

PCV ant. Rx |mm-cm| Modèle IGS ANTEX qq mm

Horloge Rx (dT) |1 ms| 4e inconnue estimée

cm-mm

Biais de code Rx (bP) |dm| Absorbé par. dT m-cm

Biais de phase Rx (b) |½ cy porteuse| Absorbé par. dT cm-mm

Ambiguïtés de phase (N) |1-10 cy| Estimées mm

Bruit code (x3 comb. IF) (P) ±0.2 m Filtrage cmBruit phase (x3 comb. IF) () ±2 mm mm

Déplacement du sol

Marée terrestre (det) |0-30 cm| Modèle IERS qq mm

Mouvement du pôle (dpt) 0-2.5 cm Modèle IERS qq mm

Surcharge océanique (dol) |0-5 cm| Modèle U. Onsala mm

Surcharge atmosph. (dal) |0-1 cm| Modèle GGFC qq mm

RÉSOLUTION DES MESURES DE CODE ET DE PHASE

300

m

600

m

900

m

1200

m

1500

m

1800

m

2100

m

2x10

7m

2400

m׀ ׀ ׀ ׀ P(Y)30

0 m

600

m

900

m

1200

m

1500

m

1800

m

2100

m

2x10

7m

2400

m׀ ׀ ׀ ׀ C/A

L10,20 m

׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀׀ ׀

׀ ׀ ׀ ׀׀ ׀׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ׀

(échelle différente)


9

COMBINAISONS DES OBSERVATIONS GPS L1, L2 & L5

Nom Symbole n m k a b d (cm) Kiono Kbruit

Bande L1 1 1 0 0 1 0 0 19.0 1 1

Bande L2 2 0 1 0 0 1 0 24.4 1.6 1.28

Bande L5 5 0 0 1 0 0 1 25.5 1.8 1.34

Bandes L1 & L2

Sans Iono. IF 1 -0.78 0 2.55 -1.55 0 48.4 0.0 3.2

Large WL 1 -1 0 4.53 -3.53 0 86.2 -1.3 6.4

Étroite NL 1 1 0 0.56 0.44 0 10.7 1.3 0.8

Bandes L1 & L5

Sans Iono. IF 1 0 -0.75 2.26 0 -1.26 43.0 0.0 2.8

Moyenne WL 1 0 -1 3.95 0 -2.95 75.1 -1.3 5.6

Bandes L2 & L5

Sans Iono. IF 0 1 -0.96 0 12.3 -11.3 299.3 0.0 21.8

Extra-Large WL 0 1 -1 0 24.0 -23.0 586.1 -1.04 43.6 R. Santerre, SCG-CRG. U. Laval, juin 2015

10

SOLUTION PPP «standard»


1) Modélisation a priori de toutes les erreurs affectant les mesures de code et de phase du récepteur de l’utilisateur.

2) Estimation par moindres carrés (ou filtre de Kalman):- des coordonnées 3D à chaque époque en mode cinématique

(un seul jeu de coordonnées 3D en mode statique);- de l’erreur d’horloge du récepteur à chaque époque (ou éliminée en

effectuant une différence entre satellites);- du délai troposphérique (zénithal) au récepteur de l’utilisateur, estimé à

chaque heure, par exemple;- des ambiguïtés de phase, estimées à leurs valeurs réelles (non fixées

à des valeurs entières). N.B. Si un saut de cycle se produit, une nouvelle valeur d’ambiguïtés

doit être estimée (réinitialisation sur le satellite affecté).

11

SERVICE (PPP) EN LIGNE RNCan (1/2)

Soumettre

Courriel

RINEX

Mode

STATIQUEcalcule une

position moyenne

CINÉMATIQUEcalcule uneposition à

chaque époque

Datum

NAD83(SCRS) ou ITRF

avec conversion en altitude

orthométrique

Récepteur

GPS ouGPS&GLONASS

MONO- ou BI-fréquence

www.geod.nrcan.gc.ca Source: LGC, RNCan


12

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

11,11,21,31,41,5

00:00:00 06:00:00 12:00:00 18:00:00 00:00:00

L1 Static L1 Kinematic L3 Static L3 Kinematic

Err

eur

de

po

siti

on

3D

RM

S (

m)

Temps (heures)

Mono-fréquence Double-fréquence

SERVICE (PPP) EN LIGNE RNCan (2/2)

N.B.: Les biais de phase (délais électroniques dans la circuiterie des satellites et des récepteurs) non-calibrés rendent impossibles la résolution des ambiguïtés de phase.

Les solutions PPP convergent donc très lentement.R. Santerre, SCG-CRG. U. Laval, juin 2015

13

PPP vs Mode relatif (Pont de Québec)

Source: Smadi & Santerre, 2015 R. Santerre, SCG-CRG. U. Laval, juin 2015

14

IGS RTS (Real-Time Service) (1/4)

Source: rts.igs.org

Les produits RTS consistent en des corrections d’éphémérides et d’horloges des satellites GNSS transmises (broadcast messages).

La diffusion des corrections RTS utilise la norme RTCM SSR (State Space Representation) et le protocole NTRIP.

Les orbites précises RTS sont exprimées en ITRF08 (International Terrestrial Reference Frame 2008).

N.B.: Les biais de code et de phase des satellites seront aussi transmis en appui aux solutions IAR-PPP.


IGS: International GNSS Service

15

IGS RTS (Real-Time Service) (2/4)

Source: rts.igs.org

RTCM v3 Message Types

1019 GPS Broadcast Ephemeris

1020 GLONASS Broadcast Ephemeris

1045 Galileo Broadcast Ephemeris

1057 GPS orbit corrections to Broadcast Ephemeris

1058 GPS clock corrections to Broadcast Ephemeris

1059 GPS code biases

1060 Combined orbit and clock corrections to GPS Broadcast Ephemeris

1061 GPS User Range Accuracy

1062 High-rate GPS clock corrections to Broadcast Ephemeris

1063 GLONASS orbit corrections to Broadcast Ephemeris

1064 GLONASS clock corrections to Broadcast Ephemeris

1065 GLONASS code biases

1066 Combined orbit and clock corrections to GLONASS Broadcast Ephemeris

1067 GLONASS User Range Accuracy

1068 High-rate GLONASS clock corrections to Broadcast Ephemeris

16


Source: http://kb.igs.org/hc/en-us/articles/201087803-IGS-Real-Time-Service-Fact-Sheet

IGS RTS (Real-Time Service) (3/4)17

Corrections to GPS broadcast clock

Source: rts.igs.org


IGS RTS (Real-Time Service) (4/4)18

PROTOCOLE NTRIP

Sources: igs.bkg.bund.de/ntrip/caster et www.can-net.ca

Les utilisateurs peuvent ainsi se connecter simultanément par ordinateur portable, PDA ou

récepteur à un hôte de diffusion. NTRIP fonctionne avec l'accès Internet sans fil via des réseaux IP

mobiles (ex: GSM, GPRS, EDGE, …).

Le logiciel du protocole NTRIP comprend : NtripServer : Transfère les flux de données d’une

ou de multiples sources à NtripCaster; NtripCaster : Principale composante du système; NtripClient : Accède aux flux de données de la

source NtripSource ou d’un NtripCaster.

NTRIP : Networked Transport of RTCM via Internet Protocol

Le protocole NTRIP a été conçu pour diffuser des données de correction GNSS par exemple dans le format RTCM-104 ou d'autres types de données de transmission à

des utilisateurs (stationnaires ou mobiles) via Internet.


19

SOLUTION IAR-PPP «fournisseur» (1/3)

1) Modélisations a priori des erreurs affectant les mesures de code et de phase du réseau de stations de référence. N.B. : Les coordonnées des stations de référence sont connues.

2) Estimation des biais de phase des satellites (b) sur L1&L2ou sur LWL et LNL qui sont leurs combinaisons linéaires.

où : NWL = N1 - N2 ou N2 = N1 – NWL et NNL = N1 + N2

a) Combinaison Melbourne-Wübbena (MW) en différence simple () entre satellites (afin d’éliminer l’erreur d’horlogeet les biais de code et de phase du récepteur).N.B.: Les biais de code des satellites (bP) peuvent être

obtenus de l’IGS.

Note: Ces calculs sont effectués pour chaque satellite à partir des observations de toutes les stations de référence du réseau de poursuite.

20

(IAR: Integer Ambiguity Resolution)



a) suite: Le biais de phase sur LWL (bWL) est obtenu en soustrayant la valeur entière la plus proche ( [NWL] ) provenant de la moyenne de la série temporelle suivante:

Sources: CNES; Pan et al. (2014)

0 480 960 1,440 1,920-1.5

-1.2

-0.9

-0.6

-0.3

0

0.3

0.6

0.9

Days (January 1, 2009 - February 11, 2014)

Wide-lane FCB Corr. (cycle)

21

Bia

s de

pha

seba

nde

larg

e (c

y)



b) Combinaison de phase sans effet ionosphérique, où les 3 premiers termes de droite sont calculés avec les coordonnées connues des stations de référence et les orbites précises des satellites (calcul de ) et les corrections précises d’horloge des satellites (dt) de l’IGS; les délais troposphériques sont aussi estimés aux stations de référence :

c) Substitution des valeurs encadrées, ci-dessus, pour obtenir le biais de phase sur L1 (b1) en soustrayant la valeur entière la plus proche ( [N1] ) provenant de la moyenne de la série temporelle suivante:

22

SOLUTION IAR-PPP «utilisateur» (1/2)


1) Correction des mesures de phase avec les valeurs des biais de phase des satellites (b) sur L1, L2, préalablement calculées par le fournisseur.

2) Résolution des ambiguïtés de phase sur la bande large, entre chaque paire de satellites observés par l’utilisateur:

NWL = [(WL – PNL) / WL ] où [ ] est la valeur entière la plus proche.

où BIF = N1 – (f2 / f1)N2 (valeur réelle!)

3) Calcul d’une solution flottante (float ambiguities) avec la combinaison sans effet ionosphérique (IF et PIF) pour obtenir les valeurs réelles (non entières) des ambiguïtés de phase (BIF).

23

SOLUTION IAR-PPP «utilisateur» (2/2)


4) Substitution des résultats précédents (2) et (3) pour obtenir les valeurs entières des ambiguïtés sur L1:

5) Validation des valeurs entières N1 (et N2), en effectuant divers tests statistiques entre plusieurs solutions de phase sans effet ionosphérique (IF) en faisant varier de ±1 cycle les valeurs entières des ambiguïtés N1 et N2.

Se rappelant que : NWL = N1 - N2 ou N2 = N1 – NWL

6) Calcul de la solution IAR-PPP sans effet ionosphérique avec la combinaison d’ambiguïtés gagnante qui a ainsi passé avec succès tous les tests statistiques.

24

PRÉCISION PPP (sans et avec ambiguïtés fixées)


0

10

20

30

40

50

60GPS Float

0

10

20

30

40

50

Per

cent

ages

(%

)

0 3 6 90

10

20

30

40

50

GPS Fixed

0 3 6 9Difference Distributions (cm)

GPS Fixed + GLO

0 3 6 9 12

Up

North

East East

North

UpUp

North

EastMean: 2.8cmSTD: 2.0cm

Mean: 1.3cmSTD: 1.1cm








Distributions des erreurs de position du traitement de 8 sessionsen utilisant les données de 20 stations IGS sur 2 journées consécutives.

Source: Pan, Cai, Santerre, Zhu (2014)

25


0

10

20

30

40

50

60GPS Float

0

10

20

30

40

50

Per

cent

ages

(%

)

0 30 60 900

10

20

30

40

50

GPS Fixed

0 30 60 90Convergence Time (min)

GPS Fixed + GLO

0 30 60 90 120

STD: 21.8minMean: 29.9min

Mean: 11.4minSTD: 11.3min






STD: 6.2minMean: 6.8min


North

East

Up Up

North

East East

North

Up

TEMPS DE CONVERGENCE DES SOLUTIONS PPP26

Source: Pan, Cai, Santerre, Zhu (2014)

Distributions des temps de convergence (< 10 cm) du traitement de 8 sessionsen utilisant les données de 20 stations IGS sur 2 journées consécutives.

APPLICATIONS DU PPP


- Bouées marémétriques au large des côtes- Bouées pour la détection des tsunamis dans les océans

- Positionnement des plateformes offshore- Levés hydrographiques et navigation maritime

- Établissement de points géodésiques en régions éloignées; - Agriculture de précision;- Trajectographie des satellites à basse altitude;

- Auscultation topographique des glissements de terrain, des tremblements de terre;- Suivi du mouvement des glaciers et des volcans;

- Synchronisation des réseaux de télécommunication et réseaux électriques;- Détermination du contenu de vapeur d’eau dans l’atmosphère; etc.

27

AUTRES AMÉLIORATIONS À VENIR…


Une horloge de type Chip Scale Atomic Clock (CSAC) couplée à un récepteur GNSS permettra d’améliorer (d’un facteur 2) la

précision de l’altitude des solutions PPP-GNSS.

Voir Schon et al. (2014)

Source : Microsemi

L’apport des mesures de phase sur la 3e porteuse

GPS (et des autres GNSS) diminuera encore plus le

temps de convergence des solutions PPP.

Voir Laurichesse (2015)

D’ici quelques années, les services IAR-PPP RT (Integer Ambiguity Resolution) en temps réel pour les récepteurs GNSS (triple-fréquence) de précisionseront aussi courants et familiers (et transparents pour les utilisateurs)

que les corrections WAAS (EGNOS, MSAS,…) le sont depuis plusieurs années pour les récepteurs GPS de base.

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SITES INTERNET PPP (1/3)


http://www.navipedia.net/index.php/PPP_StandardsEuropean Space Agency (ESA)

http://www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/geomatics/geodetic-reference-systems/tools-applications/10925#pppCSRS-PPP RNCan

http://www2.unb.ca/gge/Resources/PPP/OnlinePPPs.htmlUNB GAPS- GPS Analysis and Positioning Software

http://www.igsac-cnes.cls.fr/html/documents.html ou http://www.ppp-wizard.net/ CNES PPP

http://www.rtigs.net/ Service Temps Réel de l’IGShttp://www.igs.org/rts International GNSS Service

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Logiciels (avec option PPP)

Gratuits: http://www.rtklib.com/ RTKLib (Tokyo U. of Marine Science and Technology, T. Takasu) Open Source

http://www.gpstk.org/doxygen/classgpstk_1_1SolverPPP.htmlSolverPPP (U of Texas)

http://trimblertx.com/ PPP Post-Processing (service on-line)

Commerciaux: EZSurv OnPos (Effigis); GrafNav (NovAtel);POSPac (Applanix, filiale de Trimble)

Académiques: GINS (CNES); Bernese (AIUB);Gipsy-Oasis (JPL)

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Services PPP privés (payants) temps réel

http://www.navcomtech.com/ NavCom StarFirehttp://www.cnavgnss.com/cnavc2corrections C-NavC2

http://www.novatel.com/products/novatel-correct-ppp/ NovAtelhttp://veripos.com/services.html (TerraStar, Hexagon-Leica)

http://www.starfix.com/ Starfix Fugrohttp://www.fugroseastar.com/services/ Seastar Fugro

http://www.omnistar.com/ filiale de Trimblehttp://www.trimble.com/positioning-services/centerpoint-RTX.aspx Trimble (combinaison RTN et PPP)

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RÉFÉRENCES COMPLÉMENTAIRES


Banville, S. (2014). Improved Convergence for GNSS Precise Point Positioning. Ph.D. dissertation, Department of Geodesy and Geomatics Engineering, UNB Report No. 294.

Banville, S. (2007). Aspects liés à la résolution des ambiguïtés de phase dans le positionnement ponctuel de précision (PPP) par GPS. Mémoire M.Sc., Département des sciences géomatiques, U. Laval.

Cai, C., Gao, Y., Pan, L., Zhu, J. (2015). PPP with quad-constellations: GPS, BeiDou, GLONASS and Galileo. Advances in Space Research (available on-line).

Kamali, O. (2015). A study on PPP ambiguity resolution. PhD Thesis, Département des sciences géomatiques, Université Laval, en rédaction.

Laurichesse, D. (2015). Carrier-Phase Ambiguity Resolution - Handling the Biases for Improved Triple-Frequency PPP Convergence. GPS World, April.

Pan, L., Cai, C., Santerre, R., Zhu, J. (2014). Combined GPS/GLONASS PPP with Fixed GPS Ambiguities. Sensors, 14, pp.17530-17547.

Schon, S., Krawinkel, T. (2014). Applying Minituarized Atomic Clocks for Improved Kinematic GNSS Single Point Positioning, ION GNSS-2014, Tampa, FL, September.

Seepersad, G., Bisnath, S. (2014). Challenges in Assessing PPP Performance. Journal of Applied Geodesy, 8(3), pp. 205-222.

Teunissen, P., Khodabandeh, A. (2015). Review and principles of PPP-RTK methods. Journal of Geodesy, 89, pp. 217-240.

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Documents

PPP-GNSS: Principe et Nouveautés - gps-rs.scg.ulaval.cagps-rs.scg.ulaval.ca/pdf/PPP-GNSS Santerre CIDCO juin2015 vF.pdf · PPP-GNSS: Principe et Nouveautés Rock SANTERRE, Ph.D.,