Journées de la Topographie
du 2 au 4 octobre 2006

Alban Vuillemey

Optimisation de l’utilisation du GPS pour des missions terrestres   et bathymétriques sur la région Rhône-Alpes

Société d’accueil :                     Campenon Bernard Régions
PFE présenté par :                 Alban Vuillemey
Directeur du PFE :                  Bruno Chabal
Correcteurs :                           Tania Landes et Jacques Ledig

Introduction
L’utilisation  du  théodolite  sur  certains  chantiers  pose  des  problèmes.  Le  service  topographique   de   la   société   Campenon   Bernard   Régions   voulait   donc   remplacer   le  théodolite par des récepteurs GPS. Il a choisi des récepteurs capables de capter à la fois les  signaux  des  satellites  GPS  et  GLONASS  ce  qui  pourrait  être  un  avantage  lors  de  la  présence des masques.
Il  m’a  été  demandé  dans  un  premier  temps  d’appréhender  la  précision  de  ces  récepteurs en temps réel et en post-traitement.
Afin de travailler plus facilement sur Lyon, nous devions mettre en place  une station  permanente.
Enfin après ces tests, nous devions mettre au point une procédure d’utilisation des  récepteurs GPS.

Présentation des systèmes GPS et GLONASS
Le  système  GPS  (Global  Positioning  System)  est  composé  de  24  satellites  et  le  système   GLONASS   (Global   Navigation   Satellite   System)   comporte   actuellement   11  satellites. Ces deux systèmes respectivement américain et russe fonctionnent de la même  manière. 
L’intérêt de combiner l’utilisation des satellites GPS et GLONASS est d’augmenter le  nombre  de  satellites  visibles  simultanément  lors  des  mesures  de  points.    Ceci  permet  également d’effectuer des mesures lors de la présence de masques.
Lors des mesures de points, nous pouvons rencontrer diverses sources d’erreurs :  • les erreurs physiques : orbites, ionosphère, troposphère.  • les erreurs liées à l’environnement : masques, mulitrajets.  • les erreurs liées au matériel : centre de phase, sauts de cycle, horloge.

Les types de missions
Le   service   topographique   de   la   société   Campenon   Bernard   Régions   effectue  essentiellement trois types de missions : 
• des relevés topographiques terrestres et bathymétriques  • des implantations 
• des contrôles de points


Ces   missions   demandent   des   précisions   différentes.   Certaines   peuvent   être  effectuées par GPS mais d’autres doivent être réalisées par théodolite.
Le problème le plus souvent rencontré lors de ces missions est la perte de temps.  Les engins circulant sur les chantiers posent des problèmes à l’utilisation du théodolite qui  peut être remplacé par le GPS.

Mis en place de points pour effectuer des tests de précision
Pour effectuer des tests de précision avec les récepteurs TRIMBLE R8 GNSS, nous  avons  mis  en  place  huit  points  fixes.  Nous  avons  placé  quatre  points  avec  des  platines  à  centrage forcé sur le toit du siège social de Campenon Bernard Régions. Les quatre autres  points ont été placés à moins d’un mètre d’un deuxième bâtiment. Celui-ci va alors créer des  masques importants lors de la mesure de ces points.
Ces  points  ont  été  déterminés  en  faisant  un  cheminement  polygonal  avec  un  théodolite par double retournement.

Tests de précision en temps réel et en post-traitement  En temps réel :
Les récepteurs ayant la capacité de recevoir les satellites GPS et GLONASS, nous  avons  décidé  dans  un  premier  temps  de  comparer  la  précision  des  points  enregistrés  uniquement avec les satellites GPS puis dans un deuxième temps d’enregistrer ces mêmes  points en utilisant les satellites GPS et GLONASS.
Lors des deux séries de mesures des points de la polygonale,  nous avons obtenu les  mêmes écarts en Est et en Nord allant jusqu’à 10 mm. En revanche, le PDOP et le HDOP  sont différents. Pour les mesures d’un point effectuées avec le système GPS, les PDOP et  HDOP  sont  supérieurs aux  PDOP  et  HDOP  obtenus  lors de  la  mesure  de  ce  même  point  avec le système GPS et le système GLONASS. 
En utilisant les deux systèmes satellitaires, les valeurs des PDOP et HDOP diminuent  mais cette diminution n’entraîne pas d’augmentation de la précision. 
L’implantation d’axes occupe une partiede l’activité du service topographique de la  société Campenon Bernard Régions. Celle-ci peut être facilitée par l’utilisation du GPS lors  de  grands  chantiers.  Nous  avons  effectué  des  tests  sur  l’implantation  d’axes  de  file  avec  deux récepteurs GPS sur le chantier d’une plateforme de 50 000m².
La première tâche de ce chantier a été d’effectuer la calibration du site. Lors de cette  calibration, nous avons obtenu des résidus sur les points ne dépassant pas 14 mm. 
Ensuite,  nous  avons  implanté  des  axes  de  file.  Afin  d’implanter  et  de  relever  correctement ces axes, nous avons toujours utilisé un trépied.
Nous  avons  obtenu  des  écarts  horizontaux  ne  dépassant  pas  15  mm  ainsi  qu’un  écart moyen quadratique de 9 mm.
Nous  avons  souhaité  faire  les  mêmes  implantations  d’axes  de  file  en  utilisant  un  récepteur GPS avec un réseau GPS. Pour cela nous avons utilisé le réseau de S@t-info qui  est un réseau VRS (Virtual Reference Station). Nous avons effectué la même calibration sur  les mêmes points et nous avons obtenu des résidus sur les points ne dépassant pas 14 mm. 
Nous  avons  observé  des  écarts  horizontaux  plus  importants  que  précédemment.  Ceux-ci  atteignent  35  mm  au  maximum.  Pour  ce  type  de  chantier,  la  précision  demandée  étant centimétrique, nous ne pourrons donc pas utiliser ce réseau GPS.
Sur ces chantiers, nous avons observé la présence de masques importants. Ceux-ci  pouvaient être d’origine naturelle tel que le relief ou artificielle tel qu’un engin de chantier se  trouvant à proximité d’un point à implanter.


Nous avons donc mesuré une centaine de fois les quatre points se trouvant à moins  d’un  mètre  du  bâtiment.  Celui-ci  a  créé  alors  des  masques  ayant  quatre  orientations  différentes. 
Nous avons obtenu des précisions différentes lors de la mesure de ces points. Sur le  point 21, nous avons eu une précision centimétrique tandis que pour les points 20, 40 et 44,  la précision a diminué car nous avons obtenu des écarts sur les coordonnées pouvant aller  jusqu’à 1.20 m.
Lors de la mesure du point 21, nous avons eu une répartition de points formant trois  groupes  distincts. Les précisions de ces groupes de mesures ont varié entre 15 mm et 1.2  m.
Ces récepteurs permettent donc un gain de productivité sur les chantiers par rapport  à l’utilisation du théodolite. 
La capacité de ces récepteurs à capter les satellites GPS et les satellites GLONASS  permet de faire des observations de points en présence de masques mais dans ce cas la  précision diminue fortement.


  En post-traitement :
Nous avons réalisé également des tests  en post-traitement sur les points que nous  avons mis en place sur le toit  du siège social de Campenon Bernard Régions. 
Nous  avons  commencé  à  faire  des  tests  avec  des  lignes  de  base  très  courtes :  environ  30  mètres.  Nous  avons  effectué  dans  un  premier  temps  des  observations  d’une  heure sur chaque point. En comparant les résultats obtenus par GPS avec ceux obtenus à  l’aide du théodolite, nous avons observé des écarts horizontaux ne dépassant pas 4 mm. 
Dans  un  deuxième  temps,  nous  avons  refait  les  mêmes  observations  avec  des  sessions de trente minutes : nous avons obtenu des écarts  ne dépassant pas 3 mm.
A la suite de ces résultats, nous avons décidé d’augmenter la longueur des lignes de  base. En effet la précision des coordonnées des points est fonction du temps d’observation  ainsi que de la longueur des lignes de base.
Nous avons placé le pivot sur le toit de la filiale Tournaud afin d’obtenir une ligne de  base d’environ 7600 mètres. A partir de là, nous avons fait à nouveau des sessions d’une  heure, de trente minutes et de quinze minutes sur les points de notre polygonale.
Lors  des  temps  d’observation  d’une  heure,  nous  avons  obtenu  des  écarts  ne  dépassant pas  5  mm  sur  les  coordonnées  des  points  calculés.  Nous avons  eu  également  lors  des  sessions  de  trente  minutes  les  mêmes  écarts  sur  les  coordonnées.  Pour  les  observations de quinze minutes, nous avons observé des écarts allant de 5 mm à 11 mm.
Nous avons donc obtenu une précision de 5 mm pour des temps d’observation de 30  minutes pour des lignes de base inférieures à 7 kilomètres. 
Nous avons décidé de valider ces tests en vérifiant une polygonale se trouvant sur le  chantier du projet LEO. Nous avons dans un premier temps relevé cette polygonale à l’aide  d’un théodolite. Puis nous avons observé cespoints deux fois pendant trente minutes et une  heure avec des récepteurs GPS.
Les  écarts  sur  les  coordonnées  obtenues  lors  de  ces  deux  sessions  de  trente  minutes et d’une heure sont similaires. L’utilisation de temps d’observation de trente minutes  suffit donc pour les petits chantiers que nous avons eu effectuer.


Mise en place d’une station permanente
La  société  Campenon  Bernard  Régions  a  souhaité  mettre  en  place  une  station  permanente  pour  faciliter  l’utilisation  du  GPS  sur  la  périphérie  de  Lyon ;  celle-ci  a  été  installée, en raison du relief de la région lyonnaise, sur le toit de siège social de Campenon  Bernard Régions (à l’Est de Lyon).
L’antenne placée, les ondes radio n’ont pas pu être captées sur toute la périphérie de  Lyon ;  en  effet  certaines  collines  ont  empêché  la  réception  des  ondes  radio  par  les  récepteurs. 
L’utilisation de cette station facilite le travail sur les chantiers couverts par les ondes
radio.

Mise en place de procédures
Les procédures d’utilisation du GPS mises en place insistent sur :
• l’analyse du chantier en s’attachant à la précision demandée et à la présence  de masques
• la mise en place du pivot  • la calibration du site
• les précautions à prendre lors des mesures par GPS en temps réel et en post- traitement

Conclusion
Cette étude a permis de mettre en évidence que l’utilisation de récepteurs GPS en  temps réel permet un gain de temps par rapport à l’utilisation du théodolite mais qu’ils ont  une moins bonne précision.
Le    post-traitement    permet    d’obtenir    une    précision    demi-centimétrique    lors  d’observations de trente minutes avec des lignes de base courtes (7 kilomètres).
L’utilisation  de  la  station  permanente  va  permettre  de  faciliter  les  chantiers  se  trouvant à la périphérie de Lyon.
Les  procédures  mises  au  point  sont  donc  nécessaires  au  bon  déroulement  des  chantiers à venir.

 

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