Soutenance mémoire
ANALYSE DES SOURCES D’ERREURS D’UN RÉCEPTEUR GNSS
Compatibilité et interopérabilité des systèmes GNSS
La venue de tous ces nouveaux systèmes de positionnement, de ces systèmes d’augmentation du GNSS et de ces nouveaux signaux complexes offrent des opportunités de performance de positionnement, de robustesse et de sensibilité encore inégalée à ce jour. Toutefois, quel est le prix à payer pour améliorer les performances actuelles et quels en seront les bénéfices réels? Une grande polémique existe à ce sujet, plusieurs groupes croient que le prix à payer pour l’utilisation simultanée de tous ces systèmes/signaux sera trop élevé pour les bénéfices qu’elle offrira (GPS Wolrd, 2008). La réponse à cette question dépend en grande partie de l’interopérabilité qu’il y aura entre chacun des systèmes/signaux et du type d’application.
Le principe de base de l’interopérabilité est : « Better Together Than Separate ». L’interopérabilité, comme vue par l’International Committee on Global Navigation Satellite Systems (ICG), est la capacité des systèmes de navigation d’être utilisés ensemble par un utilisateur afin d’offrir de meilleures performances que si un seul système/signal ne l’était. Bien que l’interopérabilité puisse sembler très simple, il en est tout autre dans les faits. La raison majeure de cette complexité est que chacun des groupes d’utilisateurs ont des besoins spécifiques demandant des choix contradictoires sur les spécifications des signaux. Par exemple, le fait d’avoir plusieurs bandes de fréquence augmente considérablement la complexité des récepteurs, mais s’avère être essentiel pour contrer les problèmes d’interférences, accroître la sensibilité et réduire, voire éliminer, les délais ionosphériques. La simplicité matérielle va donc à l’encontre de la performance, dans cet exemple. De plus, un autre point important soulevé par l’ICG est la compatibilité des systèmes. La compatibilité est l’assurance qu’un système ne dégradera pas de manière considérable les performances d’un autre système. Or, l’utilisation massive d’une même bande de fréquence avec le même type de modulation dégrade la performance individuelle des systèmes ne respectant pas la compatibilité. Un aperçu des performances du GNSS a été présenté au chapitre 1, cette sous-section se concentrera donc que sur la capacité des systèmes d’être utilisés ensemble.
Analyse de l’interopérabilité des fréquences
L’interopérabilité fréquentielle des systèmes GNSS est primordiale pour réduire la complexité et les coûts d’un récepteur multifréquences (Akos, 1997). Bien que des travaux portent sur l’échantillonnage direct de toute la bande GNSS (Brown et Wolt, 1994; Lamontagne, 2009), la méthode traditionnelle de ramener les signaux en fréquence intermédiaire (IF) pour chacune des bandes reste la plus couramment utilisée pour les produits commerciaux1. Cette approche nécessite des coûts supplémentaires pour chacune des bandes additionnelles. Les données du Tableau 1.1 sont donc reprises au Tableau 2.2 afin de vérifier l’interopérabilité des fréquences des signaux GNSS civils. Il est intéressant de constater que sur un total de 19 signaux planifiés, 11 seront situés sur deux fréquences. Ces 11 signaux regroupent les quatre constellations de positionnements ainsi que le système d’augmentation SBAS. Le prix à payer pour un récepteur bi-fréquence ne devrait donc pas être trop élevé d’un point de vue composant analogique. La seule contrainte réside dans la largeur de bande nécessaire passant de ±2 MHz pour un récepteur GPS L1 C/A classique à ± 25 MHz pour un récepteur bi-fréquences en supposant que l’on traite les signaux B2/E5 en deux signaux QPSK.
Analyse de l’interopérabilité des modulations
L’interopérabilité des types de modulation des systèmes GNSS est un autre facteur très important pour diminuer les coûts et complexités d’un récepteur multi-constellations. Le regroupement des modulations est présenté au Tableau 2.3. Il est intéressant de constater qu’une grande majorité des signaux sont de type BPSK ou QPSK. Sachant qu’une modulation QPSK peut être traitée comme du BPSK, si le canal pilote est traité indépendamment, il y aura 11 signaux pouvant être démodulés avec la même structure de canal que le GPS L1 C/A. Les principales modifications à apporter au canal serait l’ajout d’un code secondaire et la modification du taux du code primaire pour les signaux GPS L5, Galileo E5a et E5b. De plus, il faudrait ajouter un mécanisme de multiplexage de code d’étalement pour GPS L2C. Les autres modulations sont toutes de la famille BOC exigeant des modifications variant d’un signal à un autre. Analyse de l’interopérabilité des structures des messages de navigation La structure des messages de navigation peut complexifier la gestion de tous ces signaux si la structure diffère trop d’un signal à l’autre. À ce jour, les structures des messages de navigation sont divisées en six types comme le présente le Tableau 2.4. La structure des nouveaux signaux GLONASS et ceux de Compass ne sont pas encore disponibles.
Analyse de l’interopérabilité des références temporelle et géographique
Les références temporelles et géographiques sont un point très important pour l’interopérabilité des systèmes de positionnement. Le temps écoulé entre la transmission d’un signal GNSS et la réception de celui-ci, multiplié par la vitesse de la lumière est la mesure de base pour le calcul de la distance nous séparant du satellite. Or, une erreur de synchronisation entre les mesures des systèmes, aussi petite soit-elle, détériorera la précision de la solution de navigation de manière considérable. La synchronisation du système GPS et Galileo va être résolue via les messages de navigation (ESA, 2008b), toutefois aucune information n’est disponible à ce sujet pour GLONASS et Compass. Une approche réside dans l’ajout de nouvelles inconnues dans les équations de navigation, mais augmente ainsi le nombre minimal de satellites nécessaire pour la solution de navigation. Les différentes références géographiques des systèmes GNSS exigent des opérations supplémentaires lors du calcul de la solution de navigation afin de convertir la position des satellites d’une référence à une autre (Misra et Enge, 2006). Il est important de mentionner que cette transformation peut engendrer des erreurs qui ne seraient survenues dans le cas d’un seul système. Le Tableau qui suit résume les différentes références utilisées par les systèmes du GNSS.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PRÉSENTATION DU SUJET DE RECHERCHE
1.1 Mise en contexte de l’avancement du GNSS
1.2 Motivation de l’utilisation des nouveaux signaux GNSS
1.3 Objectifs du mémoire
1.4 Contributions générales
CHAPITRE 2 STATUT DES SYSTÈMES DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITES
2.1 Nouveaux systèmes en déploiement (Galileo et Compass)
2.1.1 Système de l’Union Européenne Galileo
2.1.2 Système de la République Populaire de Chine Compass
2.2 Système mondial de positionnement par satellites américain (GPS)
2.2.1 Présentation du système GPS
2.2.2 Présentation des signaux civils GPS actuels
2.2.3 Présentation des différents satellites GPS
2.3 Système mondial de positionnement par satellites russe (GLONASS)
2.3.1 Présentation du système GLONASS
2.3.2 Présentation des signaux GLONASS
2.3.3 Présentation des différents satellites GLONASS
2.4 Système régional d’augmentation de précision du GPS (SBAS)
2.4.1 Présentation du système SBAS
2.4.2 Présentation des signaux SBAS
2.4.3 Bref historique et présentation des différents satellites SBAS
2.5 Compatibilité et interopérabilité des systèmes GNSS
2.5.1 Analyse de l’interopérabilité des fréquences
2.5.2 Analyse de l’interopérabilité des modulation
2.5.3 Analyse de l’interopérabilité des structures des messages de navigation
2.5.4 Analyse de l’interopérabilité des références temporelles et géographiques . 31 2.6 Conclusion du statut des systèmes de positionnement par satellites
CHAPITRE 3 MISE EN ŒUVRE D’UN CANAL DE DÉMODULATION BPSK
3.1 Considérations relativement à l’antenne d’un récepteur GNSS
3.2 Tête de réception radio-fréquence (RF) et échantillonnage du signal IF
3.3 Analyse du module de démodulation IF
3.3.1 Vérification de la consigne de la boucle à verrouillage de phase (PLL)
3.3.2 Vérification de la consigne de la boucle à verrouillage de délai (DLL)
3.3.3 Implémentation des générateurs de code d’étalement en bloc mémoire
3.3.4 Validation du registre à décalage de la DLL
3.3.5 Mise en œuvre d’un mécanisme de contrôle des canaux BPSK
3.4 Analyse de l’acquisition d’un signal GNSS
3.5 Analyse de la poursuite d’un signal GNSS
3.6 Analyse du calcul de la solution de navigation
3.6.1 Calcul des mesures d’observation GNSS
3.6.2 Équations pour le calcul de la solution de navigation
3.7 Résultats préliminaires du canal BPSK 3.8 Conclusion de la mise en œuvre d’un canal de démodulation BPSK
CHAPITRE 4 ANALYSE DES SOURCES D’ERREURS D’UN RÉCEPTEUR GNSS
4.1 Introduction
4.2 Méthodologie pour la prise des mesures présentées
4.2.1 Performance du récepteur dans un environnement simulé sans erreur
4.2.2 Performance du récepteur dans un environnement réel
4.2.3 Calcul de la solution de navigation via Matlab en post-traitement
4.3 Erreurs liées à la géométrie de la constellation de satellites visibles
4.3.1 Principe de la dilution de précision
4.3.2 Valeur généralement observée des facteurs géométriques
4.3.3 Mesure des différents facteurs géométriques de dilution de précision
4.3.4 Impact de la géométrie sur la solution de navigation
4.4 Erreur liée à l’estimation de la position des satellites
4.4.1 Estimation de la position des satellites
4.4.2 Impact d’une mauvaise estimation de la position des satellites sur la solution de navigation
4.4.3 Analyse comparative du modèle d’estimation de la position des satellites 100 4.5 Erreur liée à la précision des horloges
4.5.1 Précision et synchronisation des horloges des satellites
4.5.2 Impact de l’erreur de synchronisation d’horloges des satellites sur la solution de navigation
4.5.3 Analyse comparative du modèle de synchronisation d’horloges
4.6 Erreurs liées aux délais atmosphériques
4.6.1 Délai troposphérique
4.6.2 Impact de la correction troposphérique sur la solution de navigation
4.6.3 Analyse comparative du modèle de correction du délai troposphérique
4.6.4 Concept et analyse du délai ionosphérique
4.6.5 Impact de la correction ionosphérique initiale sur la solution de navigation
4.6.6 Analyse comparative du modèle de correction du délai ionosphérique
4.7 Analyse des erreurs liées au récepteur
4.7.1 Analyse comparative des erreurs du récepteur
4.8 Analyse de l’erreur liée aux multitrajets
4.8.1 Impact des multitrajets sur la solution de navigation
4.9 Analyse des erreurs liées aux modèles de représentation géodésique
4.9.1 Analyse comparative du modèle géopotentiel EGM96
4.10 Analyse de l’implémentation du filtre étendu de Kalman
4.11 Conclusion de l’analyse des erreurs d’un récepteur GNSS
CHAPITRE 5 MISE EN ŒUVRE D’UNE SOLUTION SBAS
5.1 Concepts essentiels du SBAS
5.1.1 Architecture du système SBAS
5.1.2 Performance du système SBAS (précision et intégrité)
5.1.3 Structure, type et validité des messages SBAS
5.2 Acquisition, poursuite et synchronisation du signal SBAS L1
5.3 Correction des erreurs de transmission via l’encodage convolutionnel
5.3.1 Structure du code convolutionnel
5.3.2 Principe du décodeur de Viterbi
5.3.3 Analyse de performance du codage/décodage du signal SBAS L1
5.3.4 Implémentation d’un décodeur de Viterbi
5.4 Décodage en temps réel des messages SBAS
5.4.1 Synchronisation à un patron de symbole
5.4.2 Décodage du message
5.4.3 Validation du préambule
5.4.4 Détection des erreurs via un code de redondance cyclique
5.5 Implémentation d’un gestionnaire de message SBAS en temps réel
5.5.1 Utilisation du masque PRN (message 1)
5.5.2 Utilisation des corrections lentes (messages 24-25)
5.5.3 Utilisation des corrections rapides (messages 2 à 5, 24)
5.5.4 Utilisation des corrections ionosphériques (messages 18, 26)
5.5.5 Dégradation des corrections SBAS (messages 7, 10)
5.5.6 Messages d’intégrités SBAS (messages 2-6, 10, 24, 26, 28)
5.5.7 Matrice de confiance SBAS
5.6 Mise en œuvre d’un algorithme de lissage à l’aide de la porteuse
5.7 Conclusion de la mise en œuvre d’une solution SBAS
CHAPITRE 6 ANALYSE DES RÉSULTATS DU RÉCEPTEUR SBAS-GNSS
6.1 Présentation du montage des antennes
6.2 Présentation des performances du récepteur DL-4plus de Novatel
6.3 Analyse des résultats du nouveau canal BPSK
6.3.1 Analyse des performances du nouveau canal BPSK en mode GPS L1 C/A
6.3.2 Vérification du mécanisme de mesure du SNR
6.3.3 Vérification du temps de démarrage en environnement réel
6.3.4 Vérification de la solution de navigation avec une position statique
6.3.5 Analyse des performances du canal BPSK en mode GLONASS L1-L2
6.3.6 Analyse des performances du canal BPSK en mode GPS L2C
6.3.7 Analyse des performances du canal BPSK en mode WAAS L5
6.4 Analyse des performances du canal BPSK en mode SBAS L1
6.4.1 Temps d’acquisition du premier message valide
6.4.2 Pourcentage de messages valides reçus
6.4.3 Temps d’acquisition des corrections lentes et des corrections ionosphériques
6.4.4 Amélioration du nombre de satellites lors du démarrage
6.5 Validation et analyse de l’algorithme de lissage par la porteuse
6.6 Évaluation de l’influence des corrections SBAS L1
6.6.1 Analyse de l’impact des corrections rapides
6.6.2 Analyse de l’impact des corrections lentes
6.6.3 Analyse de l’impact des corrections ionosphériques
6.6.4 Impact des corrections ionosphériques de nuit
6.6.5 Impact des corrections ionosphériques de jour
6.7 Analyse de la solution SBAS avec corrections rapides et lentes combinées
6.8 Analyse de la solution SBAS avec corrections lentes et ionosphériques combinées
6.8.1 Comparaison de la solution SBAS implémentée à une solution sans modification
6.8.2 Comparaison de la solution SBAS complète à une solution avec lissage
6.9 Évaluation de l’influence des mesures d’intégrités
6.10 Analyse des performances des canaux BPSK dans un environnement simulé sans erreur et sans algorithme de lissage
6.11 Analyse des performances des canaux BPSK dans un environnement simulé sans erreur et avec algorithme de lissage
6.12 Analyse de l’impact de la sélection d’antenne sur les performances du récepteur SBAS-GNSS.
6.13 Analyse des performances du récepteur SBAS-GNSS dans un environnement en dynamique
6.14 Conclusion de l’analyse des résultats
CONCLUSION.
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I STRUCTURE DES CODES MÉMOIRES DU RÉCEPTEUR SBAS-GNSS
ANNEXE II CALCUL DE PERFORMANCE D’UNE SOLUTION DE NAVIGATION
II.1 Performance d’une solution de navigation
II.2 Exactitude et précision des mesures
II.2.1 Quantification de la performance d’une solution de navigation
II.2.2 Distance moyenne quadratique (DRMS)
II.2.3 Erreur circulaire probable (CEP)
II.2.4 Distribution Gaussienne
ANNEXE III ANALYSE DE L’IMPACT DU MODÈLE KLOBUCHAR SUR LA SOLUTION DE NAVIGATION EN TEMPS RÉEL
ANNEXE IV QUANTIFICATION DU BRUIT DES MESURES DE PSEUDODISTANCES
ANNEXE V CONFIGURATION DU RÉCEPTEUR NOVATEL DL-4PLUS
V.1 L1/L2 sans lissage de la porteuse
V.2 L1/L2 avec lissage de la porteuse
V.3 L1/L2 avec lissage de la porteuse et corrections SBAS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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