(Document réalisé en 2016). Document faisant suite à Les interfaces des récepteurs).

(Texte extrait de http://fr.wikipedia.org/wiki/GPS_différentiel – Avril 2015).

“Le GPS différentiel (Differential Global Positioning System : DGPS) est une amélioration du GPS. Il utilise un réseau de stations fixes de référence qui transmet l’écart entre les positions indiquées par les satellites et leurs positions réelles connues. En fait le récepteur reçoit la différence entre les pseudo-distances mesurées par les satellites et les véritables pseudo-distances et peut ainsi corriger ses mesures de positions.

Le terme DGPS peut s’appliquer aussi bien à la technique elle-même qu’à des implémentations qui l’utilisent. Par exemple le WAAS de la Federal Aviation Administration (FAA) utilise des techniques différentielles pour améliorer la précision, elles transmettent les corrections par satellite sur la bande L. Parmi les autres exemples de systèmes similaires on trouve le système européen de complément à la navigation géostationnaire EGNOS, le système japonais MTSAT, le service de correction DGPS canadien et les systèmes commerciaux StarFire et OmniSTAR.

Ce terme s’applique aussi souvent de façon spécifique à des systèmes qui retransmettent des corrections à partir de balises au sol de plus courte portée. Par exemple la US Coast Guard utilise un tel système aux États-Unis en grandes ondes entre 285 kHz et 325 kHz. Ces fréquences sont communément utilisées pour la radio en mer, et sont diffusées près des principales voies navigables et des ports. L’Australie utilise un service similaire pour la navigation terrestre et aérienne, leur signal est transmis par des stations radio AM commerciales.

Histoire

Au début de la mise en service du GPS, l’armée américaine s’est préoccupée de la possibilité que des forces ennemies utilisent les signaux GPS disponibles dans le monde entier pour guider leurs propres armes. Pour éviter ceci le signal principal fut délibérément dégradé en décalant son signal d’horloge d’une quantité aléatoire équivalente à une distance d’environ 100 mètres. Un guidage plus précis était possible mais seulement pour des utilisateurs possédant les clés de décryptage adéquates. Connu sous le nom de disponibilité sélective ou SA (Selective Availability), ce système avait pour effet de réduire la précision de la mesure pour les civils, mais elle restait en général suffisante pour une utilisation standard.

Ceci présenta un problème pour les agences civiles qui utilisaient différents systèmes de navigation radio tel que LORAN pour la navigation maritime ou VOR et NDB pour la navigation aérienne. Ces systèmes civils coûtaient des millions de dollars par an, or ils auraient pu être remplacés à peu de frais par des systèmes basés sur le GPS, mais la précision offerte avec le SA actif était insuffisante pour envisager raisonnablement ce remplacement. La solution la plus simple était de désactiver SA, mais l’armée rejeta d’abord les demandes des différentes agences (particulièrement celles de la FAA, de l’USCG, et du DOT) pour raison de sécurité.

Durant la première moitié des années 1980, plusieurs agences imaginèrent une solution au problème du SA. Étant donné que le signal SA n’était pas changé trop fréquemment, l’effet du décalage sur le positionnement était relativement constant – c’est-à-dire si le décalage était de « 100 mètres à l’est », ce décalage serait uniforme sur une zone relativement vaste. D’où l’idée qu’en transmettant ce décalage aux récepteurs GPS de la zone, on pourrait éliminer les effets du SA, ce qui aurait pour résultat d’obtenir des mesures proches des performances théoriques du GPS, environ 15 mètres. De plus, une autre source d’erreurs importante dans une position donnée par GPS due aux délais de transmission dans l’ionosphère pouvait aussi être mesurée et corrigée en l’émettant de même aux récepteurs GPS. Ceci permit une amélioration de la précision d’environ 5 mètres, ce qui est suffisant pour les besoins civils.

Les gardes-côtes américains furent parmi les partisans les plus combatifs du DGPS (GPS différentiel), ils expérimentèrent le système de façon de plus en plus poussée au cours des dernières années 1980 et des premières années 1990. Ces signaux sont diffusés en grandes ondes sur les fréquences maritimes et pourraient être reçus sur les radio téléphones existants et transmis aux récepteurs GPS équipés de façon adéquate. Les principaux revendeurs de GPS proposaient des appareils pourvus d’entrées DGPS, non seulement pour les signaux USGC, mais aussi des appareils destinés à la navigation aérienne recevant ces signaux en modulation de fréquence ou sur des bandes de fréquences commerciales en modulation d’amplitude.

Ils commencèrent par envoyer des signaux DGPS de qualité de façon limitée en 1996 et étendirent le réseau jusqu’à couvrir la plupart des ports d’escale, ainsi que la route maritime du Saint-Laurent en partenariat avec les gardes-côtes canadiens. Des plans furent élaborés pour étendre le système à l’ensemble des États-Unis, mais cela n’allait pas être facile. La qualité des corrections DGPS diminuait avec la proximité et la plupart des émetteurs importants sont généralement regroupés près des villes. Ce qui signifiait que la couverture par des balises GPS au sol serait faible dans les zones faiblement peuplées, notamment dans le midwest.

Au contraire la FAA (et d’autres agences) commencèrent des études pour diffuser les signaux dans tout l’hémisphère à partir de satellites de communications en orbite géostationnaire. Ceci conduisit à la création de WAAS et à des systèmes similaires, bien que le terme DGPS ne s’applique généralement pas à ces systèmes. WAAS offre une précision semblable à celle des réseaux DGPS au sol de l’USCG et la question de savoir si ces derniers seront désactivés au fur et à mesure que WAAS devient complètement opérationnel fait l’objet de débats.

Dès le milieu des années 1990 il était clair que le SA n’avait plus d’utilité pour jouer le rôle qui lui était dévolu. Le DGPS allait le rendre inefficace aux États-Unis, précisément là où on considérait qu’on en avait le plus besoin. De plus l’expérience durant la deuxième Guerre du Golfe démontra que l’utilisation généralisée de récepteurs civils par les militaires nuisait apparemment davantage à leurs propres troupes que si le SA était désactivé. Après avoir subi des pressions pendant de nombreuses années les opérateurs du GPS acceptèrent de désactiver SA de façon permanente en l’an 2000.

Cependant à ce stade le DGPS s’était transformé en un système fournissant une précision supérieure à celle que même un signal GPS, avec SA désactivé, pouvait fournir à lui seul. Il y a plusieurs autres sources d’erreur qui partagent les mêmes caractéristiques que SA en ce sens qu’elles sont identiques sur de vastes zones pendant une durée raisonnable. Parmi ces sources d’erreur on compte les effets ionosphériques mentionnés plus tôt ainsi que des erreurs dans les données des éphémérides de position transmises par satellite et le décalage d’horloge des satellites. Selon la somme de données envoyées dans le signal de correction du DGPS, la correction de ces effets peut réduire l’erreur de façon significative, les meilleures implémentations offrant des précisions de moins de 10 cm.

En plus des déploiements continuels des systèmes des USCG et de systèmes sponsorisés par la FAA, de nombreux revendeurs ont créé des services DGPS commerciaux qui vendent leur signal (ou des récepteurs pour ce signal) à des utilisateurs qui ont besoin d’une meilleure précision que la précision nominale de 15 mètres fournie par le GPS. Tous les GPS commerciaux, même les GPS portables proposent maintenant des entrées pour données DGPS et nombreux sont ceux qui supportent WAAS directement. Dans une certaine mesure le « DGPS » fait maintenant naturellement partie des applications GPS.

Principe

Au contraire la FAA (et d’autres agences) commencèrent des études pour diffuser les signaux dans tout l’hémisphère à partir de satellites de communications en orbite géostationnaire. Ceci conduisit à la création de WAAS et à des systèmes similaires, bien que le terme DGPS ne s’applique généralement pas à ces systèmes. WAAS offre une précision semblable à celle des réseaux DGPS au sol de l’USCG et la question de savoir si ces derniers seront désactivés au fur et à mesure que WAAS devient complètement opérationnel fait l’objet de débats.

Dès le milieu des années 1990 il était clair que le SA n’avait plus d’utilité pour jouer le rôle qui lui était dévolu. Le DGPS allait le rendre inefficace aux États-Unis, précisément là où on considérait qu’on en avait le plus besoin. De plus l’expérience durant la deuxième Guerre du Golfe démontra que l’utilisation généralisée de récepteurs civils par les militaires nuisait apparemment davantage à leurs propres troupes que si le SA était désactivé. Après avoir subi des pressions pendant de nombreuses années les opérateurs du GPS acceptèrent de désactiver SA de façon permanente en l’an 2000.

Cependant à ce stade le DGPS s’était transformé en un système fournissant une précision supérieure à celle que même un signal GPS, avec SA désactivé, pouvait fournir à lui seul. Il y a plusieurs autres sources d’erreur qui partagent les mêmes caractéristiques que SA en ce sens qu’elles sont identiques sur de vastes zones pendant une durée raisonnable. Parmi ces sources d’erreur on compte les effets ionosphériques mentionnés plus tôt ainsi que des erreurs dans les données des éphémérides de position transmises par satellite et le décalage d’horloge des satellites. Selon la somme de données envoyées dans le signal de correction du DGPS, la correction de ces effets peut réduire l’erreur de façon significative, les meilleures implémentations offrant des précisions de moins de 10 cm.

En plus des déploiements continuels des systèmes des USCG et de systèmes sponsorisés par la FAA, de nombreux revendeurs ont créé des services DGPS commerciaux qui vendent leur signal (ou des récepteurs pour ce signal) à des utilisateurs qui ont besoin d’une meilleure précision que la précision nominale de 15 mètres fournie par le GPS. Tous les GPS commerciaux, même les GPS portables proposent maintenant des entrées pour données DGPS et nombreux sont ceux qui supportent WAAS directement. Dans une certaine mesure le « DGPS » fait maintenant naturellement partie des applications GPS.

Le mode « différentiel » existe en plusieurs variantes ; la plus élaborée utilise la mesure de la phase des signaux reçus (GPS RTK), et non le code binaire pour calculer les pseudo-distances ; à partir d’une station située sur un point connu ou d’un réseau de stations permanentes de référence distants de quelques kilomètres, on obtient ainsi à l’aide du GPS des positions précises à quelques centimètres près dans les trois dimensions (GPS géodésique ou cinématique), ce qui permet de l’utiliser non seulement pour des levers, mais aussi pour des implantations en topographie. On peut même atteindre quelques millimètres avec des logiciels de traitement très élaborés utilisés en temps différé.

Pour l’utilisateur désirant utiliser le DGPS, il faut brancher un récepteur DGPS sur le récepteur GPS normal (quand cela est possible car tous les récepteurs ne sont pas compatibles avec un récepteur DGPS), configurer le récepteur GPS et ensuite la position sera automatiquement corrigée.”

(Texte extrait de http://fr.wikipedia.org/wiki/GPS_différentiel – Avril 2015).

Les corrections de positions définies par les stations fixes sont transmises à travers plusieurs vecteurs :

• par des émetteurs sol spécifiques,
• par RDS,
• par GSM,
• par satellites géostationnaires de communications.

Ces corrections ne sont valables que localement sur quelques centaines de kilomètres autour de la station fixe. Au-delà, il y a décorrélation entre les erreurs de la station fixe et de la station mobile.

Par contre il est possible d’améliorer la qualité des corrections de la façon suivante :

• Utilisation non pas d’une station fixe mais d’un réseau de stations (principe du WADGPS : Wide Area DGPS), ce qui permet de “cartographier” les corrections
• Séparation des différentes causes d’erreurs (orbites, horloge des satellites, troposphère, ionosphère)
• Estimation de corrections et estimation de vitesses de variations de ces corrections.

Comme en mode navigation le temps d’observation est de quelques dizaines de secondes pour la première position puis d’une position par époque d’observation tant que le récepteur ne perd pas le signal. La précision est la suivante : 0,5 à 3 m + 1,5 m pour 150 km suivant le type de récepteur et le type de correction. Les corrections émises par les stations de référence sont le plus souvent au format RTCM SC 104 (Radio Technical Commission for Maritime Services) qui est reconnu internationalement. Il est donc possible d’utiliser des récepteurs de marques différentes pour la station de référence et pour les stations mobiles.

La norme RTCM SC104

Le standard se compose de 64 types de messages. Ces messages contiennent les informations nécessaires pour corriger les pseudo-distances calculées pour chaque satellite la fréquence de rafraichissement des données, les coordonnées des stations de référence.

L’interface physique se fait couramment à travers la norme RS-422.

Les messages sont composés de trains binaires de N+2 x 30 bits de long.

Où N représente le nombre de mots représentant la donnée à transmettre.
Chaque train débute par un en-tête de 2 mots (N+2) et est suivi des mots de données correspondant au type de message.
Un Message, en plus des deux mots d’en-tête peut être constitué de plusieurs mots de données, éventuellement répétés un certain nombre de fois si les données sont relatives à plusieurs satellites.

Exemple de message

(message décodé par une application sur PC)

Transmis via les interfaces série des récepteurs, les mots RTCM sont exploités par l’unité de calcul du récepteur GPS, lequel tient compte de ces données pour augmenter la précision du calcul de la position.
Parfois un élément calculateur extérieur peut se charger des calculs.