Métrologie des essais GNSS

Spécifités des tests GNSS et méthodologies

Le domaine de la géolocalisation s’est doté d’une méthodologie de référence indispensable pour évaluer et caractériser des terminaux GNSS destinés à la navigation terrestre. La série de normes EN16803 a pour objectif d’éclairer les choix des utilisateurs et de simplifier l’intégration des technologies satellitaires aux systèmes embarqués. Elle s’appuie sur une technique de métrologie instrumentale, identifiée sous le terme « Record & Replay » et offrant plusieurs avantages-clefs :

• Restituer des environnements d’essais « Reproductibles » et « Représentatifs » du monde réel ;
• Dissocier les erreurs de « Justesse » et de « Fidélité » pour enrichir les analyses ;
• Etablir des scénarios de référence fiables pour « comparer les résultats de mesures ».

PROFIL DES PRINCIPALES SOURCES LOCALES D’ERREUR

Pour observer les effets des phénomènes locaux sur la propagation des signaux, une dizaine de récepteurs – identiques, avec la même configuration et partageant la même antenne – est embarquée à bord d’un véhicule pour traverser des zones urbaines et péri-urbaines. Quatre phénomènes redoutés sont mis en situation pour visualiser les trajectoires des différentes positions calculées par les récepteurs : 

Erreurs de position dues à des interférences

Sur l’image, ci-dessous, les récepteurs embarqués ont été perturbés par une interférence « fugitive ». A l’aller, vingt minutes auparavant, aucun problème n’avait été relevé sur les trajectoires de l’autre côté de la voie rapide. Au retour, cette interférence non identifiée vient dégrader la précision des récepteurs avec une dispersion visible des trajectoires. Dans d’autres situations, des interférences intentionnelles ou non pourraient complètement occulter la bande GNSS et empêcher toute mesure de position. NB : Dans le cas étudié, la source des interférences semble venir du bas et être guidées par les 2 bâtiments latéraux.

JUSTESSE ET FIDÉLITÉ DES MESURES DE POSITION GNSS

Les récepteurs d’un même lot se comportent différemment en fonction des environnements traversés. Soumis à un multi-trajet net, ils convergent tous vers la même position erronée. Par contre, lorsque les phénomènes de propagation se complexifient avec de multiples diffractions, comme une réception sous des feuillages, tous les récepteurs déterminent leurs positions avec des erreurs différentes. Bien entendu, les environnements complexes combinent ces deux comportements. Le premier comportement est Déterministe. Le vocabulaire de la métrologie fait référence au terme de Justesse de mesure pour : « Étroitesse de l’accord entre la moyenne d’un nombre infini de valeurs mesurées répétées et une valeur de référence ». Le second comportement est NON Déterministe. La métrologie utilise alors le terme de Fidélité de mesure pour : « Étroitesse de l’accord entre les indications ou les valeurs mesurées obtenues par des mesurages répétés du même objet ou d’objets similaires dans des conditions spécifiées » Les applications terrestres offrent souvent un panachage varié de milieux où les erreurs de « Justesse » et de « Fidélité » se cumulent. La considération de ces deux composantes est essentielle pour caractériser et étudier les performances d’un récepteur. Distribution statique des différentes erreurs de position :

PROBABILITES CUMULEES

Figure 9 – Répartitions statistiques des erreurs sur un parcours (scénario), c’est à dire le pourcentage des erreurs (Probability) par rapport à la somme des erreurs (absolues) inférieure à une précision donnée.  

Ci-dessus, 95% des positions calculées lors d’un rejeu ont une précision meilleure que 1,5m ; cette même précision n’est atteinte qu’avec ~80% des positions calculées lors d’un autre rejeu – voir ligne verticale [d]. La ligne horizontale [e] illustre l’étalement de la précision horizontale en considérant 95% des positions de 2 rejeux : pour l’un, la précision affichée est ~1,5m, et pour l’autre elle est dégradée jusqu’à 3,5m. Cette courbe pointera toujours sur les mêmes repères [a], [b] et [c] préconisées par la norme EN16803-1 et correspondant à l’ensemble des mesures respectivement inférieures à 50%, 75% et 95%.

En opposition : Un générateur de constellations synthétisera des signaux trop parfaits, et dans tous les cas, peu représentatifs de l’environnement réel. Les mesures seront alors seulement Déterministes, c’est à dire soumises à des erreurs systématiques. Une simulation répétée sur un même récepteur calculera toujours les mêmes mesures. Ce type de bancs d’essais offre, néanmoins, de nombreux avantages pour simuler des situations inobservables dans le monde réel. Disparités des capacités d’analyses sur les erreurs de position à base de :

Signaux GNSS en environnement réel :

En synthèse, les principaux profils d’erreurs sont décrits, ci-contre. Chaque cas est formé d’erreurs de Justesse et de Fidélité. Cette dernière composante nécessite plusieurs mesures de la même configuration pour déterminer l’étendue potentielle des dispersions.

Qu’est ce que la MÉTROLOGIE GNSS

En première approche, la caractérisation des performances GNSS supposerait la mise en batterie de nombreux récepteurs à bord du même véhicule d’essais. Cette méthode est certes intéressante au stade expérimental, notamment pour comprendre l’impact des phénomènes de propagation sur les erreurs de positionnement. Toutefois, elle comporte des inconvénients majeurs sur le plan logistique et surtout sur les exigences métrologiques de base. Pour disposer de mesures fiables et utiles, d’un point de vue opérationnel, les essais doivent être « Représentatifs » des milieux à traverser et « Reproductibles » pour vérifier les résultats et établir des comparaisons valables, par exemple entre 2 Terminaux, 2 Firmwares, 2 paramétrages, 2 antennes, voire entre 2 hybridations. Dans ces conditions, les techniques de rejeux, souvent désignées par les 2 mots « Record and Replay », satisfont aux exigences attendues. Pour mémoire, cette méthode de métrologie consiste à numériser les signaux GNSS captés par l’antenne embarquée à bord du véhicule de définition, en prenant soin de collecter toutes les données associées aux essais (VIDEO, INS, DMI, NRTK,…) à commencer par la vérité terrain. Ainsi à l’issue de la campagne, les signaux GNSS et les autres données sont synchronisées et restituées sur un banc de rejeu constitué d’un « SDR replayer ». Le rejeu d’un même scénario sur un récepteur permet de reproduire les conditions de l’enregistrement des données à l’identique. Chaque itération relève de nouvelles mesures, équivalente à une unité supplémentaire, virtuellement embarquée. La compilation des résultats met ainsi en évidence les erreurs Non déterministes, c’est-à-dire celles qui de par leur nature aléatoire se dégage des autres. Des laboratoires d’essais, comme GUIDE-GNSS, conçoivent et commercialisent des données d’essais directement rejouables sur les principaux instruments de simulation capables de fonctionner dans les 2 modes : Simulations et Rejeux. Les configurations dédiées aux rejeux sont généralement beaucoup plus abordables que les imposants générateurs de constellation, structurellement plus complexes. De plus, la mise en œuvre des séances de rejeux est simple, rapide et ne nécessite aucune formation particulière. Au-delà des scénarios réalisés sur demande, les bibliothèques disponibles couvrent déjà une multitude de cas, auparavant inaccessibles à un utilisateur isolé. Elles ouvrent ainsi la possibilité de tester des terminaux sous différentes latitudes avec des reliefs variés et des quartiers composés d’architectures typiques.

Enseignements à tirer des erreurs de positionnement

Le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) a financé plusieurs contrats de R&D pour sa mise au point et la validation de cette technique du rejeu (Record & Replay). D’ores et déjà, elle est recommandée par le CEN/CENELEC au travers de la série des normes EN16803 pour caractériser et classifier les performances des terminaux GNSS. Cette méthodologie répond aux principes de base de la métrologie. Les conditions d’essais sont reproductibles et représentatives des conditions d’utilisation. Les mesurages sont répétables et donnent la possibilité d’analyser distinctement les erreurs systématiques (Justesse) des erreurs aléatoires (Fidélité). Les incertitudes de mesures sont également établies avec précision. Lors d’une campagne de mesure sur site, les distributions statistiques de 2 récepteurs identiques, embarqués à bord du même véhicule, aboutissent à des résultats différents. Ainsi, aucune caractérisation ne peut être établie à ce stade. Sur un banc de rejeux après plusieurs itérations d’un même scénario, la valeur moyenne des mesures d’un récepteur sur une CDF finit par tendre vers une courbe caractérisant ses performances pour une série de situations données. L’instrumentation dédiée aux opérations de rejeux est moins complexe et moins onéreuse. Les modèles statistiques de simulations sont remplacés par des scénarios de signaux GNSS préalablement numérisés sur le terrain ou sur des générateurs de constellation. Ainsi, qu’ils soient issus d’un environnement réel ou synthétique, ces signaux GNSS sont restitués facilement en réduisant drastiquement les temps de préparation et d’exécution. Les avantages économiques de cette technique de tests apparaissent maintenant évidents et favorisent son adoption par les industries du transport.