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Peut-on obtenir une précision centimétrique avec des récepteurs L1 abordables ?


La plupart des modules GNSS que l’on retrouve dans les appareils de consommation courante, pour un usage récréatif, sont des modules GNSS-L1. Toutefois, ceux-ci n’offrent pas nécessairement les caractéristiques requises pour établir la position d’objet sur le territoire avec une précision de quelques centimètres. Pour atteindre ce niveau de précision avec un récepteur GNSS-L1, vous avez besoin d’un appareil qui permet d’enregistrer des observations GNSS sur médium facilement accessible (fichier facilement transférable sur PC). De plus, vous devez vous assurer que ces observations incluent les mesures de pseudo-distances, de la phase porteuse ainsi que les mesures doppler (sur la bande L1). Plusieurs appareils vous donneront accès à ces observations, mais certains d’entre eux n’incluront pas les mesures de la phase porteuse, ce qui rend le calcul de position au centimètre impossible. De bonnes mesures de la phase porteuse sont essentielles aux calculs de positions centimétriques. Finalement, votre appareil doit aussi avoir un connecteur d’antenne externe qui vous permet d’utiliser une antenne de qualité (fixée sur un jalon). En plus d’améliorer la qualité des signaux reçus, l’antenne externe permet de relier facilement le centre de phase de l’antenne et le point d’intérêt devant être déterminé au centimètre.

Qu’est-ce qu’un récepteur L1 de précision abordable ?

La plupart des fabricants de récepteurs GNSS sur le marché offrent des récepteurs GNSS-L1 de qualité (Trimble, Leica, Topcon, Javad). Ceux-ci ont toutes les caractéristiques requises pour faire du positionnement au centimètre. Toutefois, ils sont généralement très dispendieux et vous emprisonnent souvent dans un écosystème assez hermétique.

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Par abordable, nous entendons les appareils basés sur des technologies conçues par uBlox, NVS ou autres fabricants offrant des technologies de qualité et de prix équivalents. Il s’agit de petits modules GNSS donnant accès aux mesures requises pour effectuer des calculs d’une précision au centimètre. Ce sont des modules de quelques dizaines de dollars américains. Évidemment, une fois intégré dans un ordinateur de main ou dans un boîtier, ce sont des unités qui peuvent se détailler entre 1 000 $ et 2 500 $ US.

À ce prix, vous aurez un récepteur GNSS-L1 qui vous permettra d’obtenir une précision centimétrique et, dans certains cas, cela inclura un ordinateur de main (si le module GNSS est intégré à même l’ordinateur de main).

Mode statique : les contraintes d’un récepteur L1 pour obtenir une précision centimétrique

Effectuer des mesures en mode statique est la façon la plus facile d’obtenir des positions centimétriques avec un récepteur GNSS-L1. Il s’agit d’immobiliser une antenne de 15 à 30 minutes au-dessus des points d’intérêt afin d’accumuler suffisamment de données pour effectuer des calculs.

Une fois que vos données seront rendues sur votre ordinateur de bureau, celles-ci seront combinées avec celles provenant d’une station de référence dans un logiciel de post-traitement afin de déterminer la position de vos points d’intérêt au centimètre près, et ce, par rapport à la position de votre station de référence. La station de référence peut être un récepteur GNSS-L1 que vous faites fonctionner sur un point dont les coordonnées sont connues, ou encore une station d’un des multiples réseaux existant sur le territoire.

L’une des contraintes est la distance séparant vos points d’intérêt de votre station de référence. Pour des récepteurs GNSS-L1, on suggère de ne pas dépasser la distance de 20 kilomètres. Au-delà de cette distance, les données GNSS sont entachées d’erreurs atmosphériques difficiles à modéliser afin d’atteindre une précision centimétrique. On suggère généralement d’augmenter votre période d’observation pour les plus longues distances. Normalement, de 15 à 30 minutes sont suffisantes pour obtenir une précision centimétrique en mode statique.

Lorsque l’on parle de position centimétrique, la connaissance de la position exacte de la réception du signal à l’intérieur de votre antenne (antenna phase center) est importante quand on se préoccupe de l’altitude de nos points d’intérêt. Ces spécifications de l’antenne doivent être entrées dans le logiciel de post-traitement afin d’appliquer les corrections appropriées.

Finalement, avec un récepteur GNSS-L1, les positions en mode statique ne sont obtenues qu’avec un logiciel de post-traitement GNSS. Les résultats du positionnement statique sont rarement disponibles en temps réel.

Mode cinématique : les contraintes d’un récepteur L1 pour obtenir une précision centimétrique

Les relevés cinématiques centimétriques, communément appelés « Stop and Go » ou « OTF », avec récepteurs GNSS-L1 demandent un peu plus d’attention. Il faut comprendre qu’avec une seule fréquence, certaines contraintes s’appliquent afin d’atteindre une précision centimétrique. Toutefois, avec le bon équipement, plusieurs cas d’utilisation s’y prêtent parfaitement.

Il y a principalement deux enjeux importants :

  1. La capacité du module GNSS à détecter (à l’aide de son micrologiciel) la discontinuité dans les mesures de la phase porteuse, communément appelé « saut de cycle » ;
  2. La continuité des observations GNSS d’une époque à l’autre sur au moins 5 satellites pendant une période minimale de 30 à 40 minutes, nécessaire pour accumuler suffisamment de données pour résoudre correctement les ambiguïtés de phase.

Typiquement, les données sont enregistrées à un intervalle d’une seconde sur le terrain. À cet intervalle, il est pratiquement impossible de détecter les sauts de cycle en mouvement avec une résolution d’un cycle. On doit normalement se rabattre sur la capacité du module GNSS à nous fournir cette information à chaque époque. Les micrologiciels ont normalement accès à un très haut taux d’échantillonnage qui leur permet de détecter les sauts de cycle sur le signal de chacun des satellites et d’inscrire cette information dans les observations enregistrées par les logiciels de collecte de données (ils peuvent les détecter, mais ne peuvent pas les corriger).

Le deuxième point est primordial afin d’atteindre la précision centimétrique. La discontinuité dans les observations provient généralement d’obstructions aux alentours de l’antenne, ce qui bloque le signal et crée de nombreux sauts de cycle. Avec un récepteur GNSS-L1, on doit éviter le plus possible les milieux très obstrués. Pour assurer une précision centimétrique, les données enregistrées doivent contenir des périodes d’au moins 30 à 40 minutes consécutives sans discontinuité pour au moins 5 satellites. Si l’on travaille avec un logiciel de post-traitement qui permet d’utiliser des coordonnées connues (lors du relevé) pour initialiser les ambiguïtés de phase, cette durée peut facilement être réduite. De plus, si le logiciel de collecte de données sur le terrain permet de détecter les coupures de signal, l’usager peut facilement aller se réinitialiser sur un point à proximité pour relancer son relevé centimétrique.

Au final, on comprend que les récepteurs GNSS-L1 (adressant correctement les deux enjeux précédents décrits) utilisés en mode cinématique doivent être utilisés en terrain relativement dégagé. Dans de tels cas, ces appareils, utilisés de concert avec une bonne antenne et un bon logiciel de post-traitement, vous donneront des résultats équivalents à ceux obtenus avec des récepteurs GNSS L1/L2 dispendieux.

L’usage dans des environnements ouverts comme des champs d’agriculture ou sur des étendues d’eau sont des exemples de milieux tout à fait désignés pour l’utilisation des ces appareils en mode cinématique.

Quelques essais sur le terrain

Pour illustrer nos propos, nous avons effectué des relevés sur le terrain avec un récepteur GNSS-L1 basé sur la technologie NVS (Allegro 2 de Juniper utilisant un module NV08C-MCM, GPS et GLONASS) et un récepteur uBlox M8T (GPS et GLONASS).  Nous avons fait des relevés en modes statique et cinématique. Ces relevés ont été effectués à proximité des bureaux d’Effigis à Montréal, sur un réseau de points (10) et dont les coordonnées ont été établies au préalable avec un récepteur L1/L2 (LandPAK de Navcom, GPS et GLONASS).

Figure 1

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Blog-Post-Précision-Récepteur-L1-Abordables-DenisParrot-Nov2015-Figure1-Tableau

Le réseau de points de référence sur le terrain

Les 10 points ont été mesurés à deux reprises (deux fois 30 secondes d’observation) avec un système GNSS à double fréquence (L1/L2) utilisé en combinaison avec les données de la station de Montréal, située à 6 km du relevé. Les positions ont été obtenues à l’aide d’un logiciel de post-traitement. Les résultats présentés à la figure 1 sont le résultat d’un ajustement des deux déterminations (deux relevés indépendants). Les déviations standards obtenues reflètent la précision typique obtenue lors d’un relevé avec un jalon d’arpentage (centrage à +/- 0,5 cm).

Relevé statique

Nous avons sélectionné 5 points de référence que nous avons occupés pendant 15 minutes (à un intervalle de 1 seconde) avec le récepteur GNSS-L1 utilisant le module NVS (une seule occupation par point). Les antennes étaient maintenues fixes sur les points à l’aide d’un jalon et un support bipied. La station de référence, utilisée pour le post-traitement des données, est située à 6,5 km du site de test. Le tableau 1 présente nos résultats de positions, les déviations standards associées ainsi que l’écart avec les points de référence.

Tableau 1 : Écart entre le relevé statique et la référence (récepteur NVS)

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Les résultats du présent tableau nous démontrent hors de tout doute que notre récepteur GNSS-L1 peut facilement déterminer des positions centimétriques avec 15 minutes de données en utilisant une station de référence située à l’intérieur de 15 à 20 km. Toutes les positions ont été obtenues en post-traitement. Les écarts présentés ici incluent évidemment l’imprécision du réseau de référence, qui est probablement de l’ordre de +/- 0,5 cm.

Relevé cinématique

Nous avons fait un relevé de 37 minutes consécutives avec le récepteur NVS (GNSS-L1). Durant cette période, nous avons mesuré à deux reprises chacun des points du site de référence (2 fois 30 secondes d’observation). Le tableau 2 présente les points ajustés (provenant de nos deux déterminations), les déviations standards obtenues de l’ajustement ainsi que l’écart par rapport aux positions de référence obtenues avec le récepteur à double fréquence L1/L2.

Tableau 2 : Écart entre le relevé cinématique et la référence (récepteur NVS)

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Nous avons refait le même exercice avec un récepteur uBlox M8T. Le relevé s’est échelonné quant à lui sur une période de 36 minutes. Les points ont aussi été mesurés à deux reprises pendant 30 secondes. Le tableau 3 présente les points ajustés (provenant de nos deux déterminations). L’information présentée est la même qu’au tableau 2.

Tableau 3 : Écart entre le relevé cinématique et la référence (récepteur uBlox)

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Certains seront surpris de voir que l’écart par rapport aux points de référence est de l’ordre du centimètre. On doit admettre qu’un ordinateur de main, équipé d’un récepteur de quelques dizaines de dollars, peut assez facilement atteindre la précision d’un récepteur bifréquence dispendieux lorsqu’utilisé correctement. Évidemment, ce relevé a aussi été effectué dans un environnement relativement dégagé.

Est-ce qu’une position centimétrique provenant d’un récepteur GNSS-L1 est aussi précise que celle provenant d’un récepteur GNSS L1/L2 ?

En fait, lorsqu’un récepteur L1/L2 est utilisé pour calculer des positions à l’intérieur de 10-15 km de sa station de référence, la plupart des logiciels (en RTK ou en PP) n’utilisent que la bande L1 afin de réduire le bruit dans le signal. Cela a pour effet d’améliorer la qualité des positions estimées. C’est aussi ce qui est utilisé avec notre récepteur GNSS-L1, puisque seule la bande L1 est disponible.

La deuxième fréquence (L2) des récepteurs L1/L2 est toutefois utilisée pour détecter et corriger les sauts de cycle, et ce, même si l’antenne est en mouvement. C’est le principal avantage de ces dispendieux récepteurs. Normalement, ils sont aussi équipés d’une antenne de meilleure qualité. Finalement, le fait de pouvoir corriger les sauts de cycle directement sur le terrain permet d’en faire des systèmes RTK fiables.

Lorsque la station de référence est éloignée du secteur du relevé (en mode RTK ou PP), deux fréquences doivent être utilisées (L1/L2), et dans ces circonstances, les récepteurs GNSS-L1 ne sont pas recommandés lorsqu’une précision centimétrique est requise.

Toutefois, si les ambiguïtés de phase sur L1 sont correctement résolues à l’entier près, la précision obtenue d’un récepteur GNSS-L1 est équivalente à celle d’un récepteur L1/L2 lorsque la station de référence est située à l’intérieur de 15 à 20 km du secteur des relevés.

En conclusion, on peut donc affirmer qu’un récepteur GNSS-L1, combiné avec un logiciel approprié, peut être utilisé pour déterminer des positions avec une précision centimétrique !