Les GNSS et l’ionosphère R. Warnant Chargé de cours Université 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). B A 10-20 km STATION REFERENCE position connue Utilisateur RTK position inconnue

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 géomagnétiques Travelling 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

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 effets Prévisions 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, …)