Traitement des données GNSS

Présentation des données GNSS

Différents formats de données ont été spécifiés pour l’échange de données de navigation par satellite. Trois formats ont été retenus au niveau international : RTCM, RINEX, NMEA. Le premier format RTCM est défini par la commission technique radio pour les services maritimes (RTCM-Radio Technical commission for Maritime Services). Il est utilisé pour la transmission en temps réel des mesures et des corrections différentielles. Le deuxième format RINEX est utilisé pour l’échange de données brutes (raw data), en particulier pour les applications de posttraitement, tester les nouveaux algorithmes (RINEX-Receiver-Independent Exchange). Le troisième format NMEA est défini par l’Association nationale d’électronique marine (NMEANational Marine Electronics Association). Il est particulièrement utilisé pour la transmission des solutions de position.

Format RTCM

La transmission des données de correction entre un récepteur référent et un récepteur inconnu a été normalisée en 1985 selon les propositions de la commission technique radio des services maritimes des Etats-Unis [16]. Le format RTCM a été introduit à l’origine pour les opérations différentielles dans les applications maritimes. Cependant, il est désormais utilisé dans tous les domaines d’application pour la transmission de toutes sortes de données GNSS. RTCM maintient les normes RTCM 10402.3 (version 2.3) et RTCM 10403.3 (version 3.3) en tant que normes « actuelles ». La version 2.3 définit 64 types de messages différents comme indiqué dans le Tableau 3.1. Les messages sont constitués d’une séquence de mots de 30 bits chacun. Les six derniers bits de chaque mot sont des bits de parité. Chaque message commence par un en-tête de deux ou trois mots. Le premier mot contient un préambule fixe, l’identificateur du type de message et l’identificateur de la station de référence. Le deuxième mot contient l’étiquette temporelle de la trame, le numéro de séquence, la longueur du message et un indicateur de santé de la station de référence. Dans certains messages, un troisième mot est ajouté à l’en-tête. Le message total a une longueur maximale de 33 mots.Dans la Figure 3.1, la longueur de la trame du message de type 1 est de 30 bits, tandis que la hauteur de la trame dépend du nombre de satellites visibles à la station de référence – par exemple dans ce cas, la hauteur de la trame est de neuf mots avec quatre satellites visibles. Chaque mot se termine par une parité de 6 bits, qui est utilisée pour vérifier les erreurs. Dans la version 2.3, le DGPS (Différentiel GPS) conventionnel nécessite les types de message 1, 2 et 9 pour assurer la précision du compteur. Le fonctionnement RTK (Real Time Kinematics) repose sur les types de message 18 à 21 pour fournir une précision centimétrique. Divers systèmes utilisent le format de message RTCM pour transmettre des informations propriétaires. Le message de type 59, en particulier, peut être utilisé comme canal de communication pour transmettre, par exemple : des messages courts. La version 3 du RTCM a été définie pour accroître l’efficacité de la transmission des informations et pour améliorer l’opération d’intégrité. La version 3 a été conçue en particulier pour les opérations RTK et le réseau RTK, où un grand volume de données doit être transmis. Le message se compose d’un préambule de 8 bits, d’un identificateur de longueur de message de 10 bits et de 6 bits supplémentaires dans l’en-tête, réservés pour une utilisation future. Le champ de données a une longueur maximale de 1024 octets, suivie d’un contrôle de redondance cyclique (CRC – Cyclic Redundancy Check) sur 24 bits.

Format RINEX

Afin d’économiser de l’espace de stockage, les formats propriétaires de récepteur GNSS sont principalement binaires. Cela crée un problème lors de la combinaison de données provenant de différents récepteurs GNSS. Pour résoudre ce problème, le format RINEX est développé. En 1989, la première version est développée par W.Gurtner de l’institut d’astronomie de l’Université de Berne, en Suisse. Les types de fichiers RINEX (ASCII) les plus couramment utilisés sont le fichier de navigation, qui contient les données d’éphémérides du satellite, et le fichier d’observation. Le fichier d’observation contient essentiellement les phases de porteuse, les distances en code, les mesures Doppler et les rapports signal/bruit des GPS, GLONASS, Galileo, Beidou, ainsi que les données de systèmes d’augmentation satellitaire EGNOS et WASS(SBAS). Les observations des différents GNSS sont désignées par le caractère « G » pour GPS, « R » pour GLONASS, « E » pour Galileo et « S » pour les satellites SBAS. Depuis 1993, la version RINEX 2 est disponible, elle a été révisée et adoptée plusieurs fois. La version RINEX 3.02 a été soumise en avril 2013 et contient de nouveaux codes d’observation provenant de système GPS ou Galileo. La dernière version est RINEX 3.04 de décembre 2018. Actuellement, les deux version RINEX 2 et RINEX 3 sont toujours utilisées. La version RINEX 2.11 définit sept fichiers RINEX différents, chacun contenant une section d’en-tête et une section de données : (1) fichier de données d’observation GNSS, (2) fichier de message de navigation GPS, (3) fichier de données météorologiques, (4) fichier de message de navigation GLONASS, (5) fichier de message de navigation par satellite géostationnaire, (6) fichier de données d’horloge satellite et récepteur et (7) fichier de données de diffusion SBAS. La longueur de ligne de tous les fichiers RINEX 2.11 est limitée à un maximum de 80 caractères et le nombre de lignes varie selon le fichier. Dans la version 3, la restriction de 80 caractères dans la longueur de ligne des enregistrements d’observation est supprimée. Les détails de fichiers RINEX sont présentés dans la section 3.2. 

Format NMEA

L’association nationale américaine d’électronique marine (NMEA-US National Marine Electronics Association) a proposé en 1983 la spécification d’interface NMEA-0183 [16]. Bien que définie à l’origine pour l’interface des appareils électroniques marins, elle est devenue entre-temps une interface standard volontaire de l’industrie pour les récepteurs GNSS. Le format de données NMEA spécifie le format d’échange des informations de position, y compris les indicateurs de qualité, les données de route sur terre ou de vitesses sur terre. La transmission de la correction différentielle, bien que spécifiée aujourd’hui, ne faisait pas partie des objectifs initiaux de NMEA-0183. La norme NMEA-0183 spécifie une transmission de données en série avec un débit de 4800 bps et un format ASCII 8 bits des données. Les récepteurs GNSS offrent généralement des débits de transmission plus élevés Un ensemble de données NMEA, désigné par une chaîne ou une phrase, est composé de 82 caractères au maximum. Chaque phrase commence par le signe de dollar « $ » suivi de l’adresse déposée. L’adresse déposée est généralement subdivisée en un champ de deux caractères et un type de phrase de trois caractères. Entre-temps, environ 60 types de phrases différents ont été approuvés (certaines phrases dans Tableau 3.2.). Le champ parlant utilise un « GP » pour indiquer les données GPS et un « GL » pour les informations GLONASS, BD ou GB pour les informations Beidou et « GA » pour les informations Galileo. L’adresse déposée est suivie d’un nombre variable de champs de données qui sont séparés par des virgules (,). Le dernier champ de données est suivi d’un astérisque « * » et d’une somme de contrôle optionnelle. Seuls certains types de messages requièrent obligatoirement la somme de contrôle, qui est calculée par une opération XOR des caractères commençant après le « $ » jusqu’au « * », mais à l’exclusion de celui-ci. La somme de contrôle, donnée en format hexadécimal, est finalement suivie d’un caractère de retour de chariot et de saut de ligne. Les différents messages et leur contenu sont définis dans le Tableau 3.2. La version actuelle 4.11 de la NMEA-0183 a été publiée en 2018.