R4P_BAHNA_2015

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R4P_BAHNA_2015

  1. 1. PFE 2015 Amir BAHNA 1/4 Validation des performances et des fonctionnalités d’un récepteur GNSS topographique « Smart Antenna » et développement d’un accessoire innovant de levé de points déportés PFE présenté par : Amir BAHNA Société d’accueil : Trimble Nantes Directeur de PFE : Romuald GUERIN Correcteur : Gilbert FERHAT 1. Introduction Lorsque le système GPS (Global Positioning System) est devenu disponible pour des usages civils, les récepteurs GNSS (Global Navigation Satellite System) devinrent des instruments de plus en plus essentiels dans le domaine de la topographie. Cela a poussé de grandes entreprises, spécialisées dans la fabrication de ce matériel, à lancer des recherches scientifiques pour développer leurs récepteurs, afin de répondre aux besoins du marché dans le domaine GNSS. Trimble Nantes conçoit chaque année un ou plusieurs produits GNSS sous les marques « Spectra Precision » et « Ashtech ». Ainsi, pour l’année 2015, un nouveau récepteur de précision centimétrique et de type « Smart Antenna » sera commercialisé sous le nom de « SP60 ». Il représente pour l’entreprise le récepteur le plus important de l’année 2015. Pour cela, un projet appelé Blaze a été lancé en 2012, afin de définir et développer ce nouveau produit. 2. L’objectif du Projet de Fin d’Etudes (PFE) Mon PFE est composé de deux parties. La première, majeure, s’inscrit dans un contexte industriel. Elle consiste en la validation du nouveau récepteur GNSS SP60. L’objectif est de s’assurer qu’il répond bien à toutes les exigences requises par le marketing. Cela passe notamment par la vérification de ses fonctionnalités, sa performance, et son utilisation en environnement client avec tous les modes fonctionnels possibles. Cela consiste également à valider son intégration dans un système plus complet, c’est-à-dire garantir la compatibilité avec les logiciels de terrain et de bureau associés. Trouver la bonne méthodologie adaptée à chaque type de test s’avère être un élément indispensable pour optimiser le déroulement du travail, ce dernier étant conditionné par un contexte commercial qui prévoit d’introduire le SP60 sur le marché en juillet 2015. La deuxième partie, mineure, s’inscrit dans une démarche de développement. Elle sera consacrée à la participation et à la validation technique du concept d’un accessoire innovant pouvant équiper le SP60, mais aussi d’autres produits. Cet accessoire sera destiné à lever rapidement et efficacement des points inaccessibles ou masqués des signaux GNSS. Etant donné que cette partie est dédiée à la recherche et l’innovation, mon travail aura un impact direct sur l’avenir du projet. Ce dernier n’est pas soumis à des délais stricts contrairement à la première partie. 3. Etat de l’art 3.1. La validation des produits GNSS Elle consiste à valider tous les aspects et les fonctionnalités de ces nouveaux produits selon les principes suivants : spécifier, simuler, choisir les bons équipements nécessaires, automatiser et standardiser. Le but des tests est de préciser les caractéristiques de l’appareil en phase de développement, ainsi que les conditions dans lesquelles nous souhaitons le tester. En règle générale, l’exercice de validation s’appuie sur différents points : la capacité d'acquisition des signaux GNSS, leur suivi, la stabilité du produit, l’autonomie, la précision et l’exactitude attendues du point mesuré, les portées radio UHF (Ultra Hautes Fréquences) et Bluetooth.
  2. 2. PFE 2015 Amir BAHNA 2/4 3.2. RTX (Real Time eXtended) En 2011, Trimble a introduit le nouveau mode « RTX Center Point service » qui fournit une position avec une précision centimétrique en temps réel. Ce service se base sur les informations précises en temps réel de l'orbite, de l’horloge et d’autres informations des satellites GPS, GLONASS, BeiDou et QZSS. Les récepteurs peuvent recevoir les corrections soit par liaison satellitaire (L-Band), soit par internet. L’intérêt du RTX est d’obtenir une précision de positionnement horizontal de l’ordre de 4 centimètres, après seulement 15 minutes de temps de convergence, voire 5 minutes dans certaines zones du globe, et cela, sans avoir besoin d’internet, comme par exemple aux endroits où le réseau cellulaire n’est pas toujours disponible. 3.3. Bluetooth Long Range Utiliser le Bluetooth pour établir une liaison et transmettre les corrections différentielles entre le pivot et le mobile est une nouveauté dans le monde GNSS. Cela permet de remplacer le mode UHF et de réduire le coût du récepteur. Cette solution peut être idéale pour les chantiers qui ne demandent pas de longues lignes de base. Jusqu’à présent, il n’y a que l’entreprise Topcon qui propose cette technologie avec leur récepteur « HiPer SR » qui garantit une portée jusqu’à 300m. 4. Le récepteur SP60 Le but du SP60 est de remplacer le ProMark 700, récepteur de la génération précédente de Spectra Precision. Il vise principalement les grands marchés émergents comme la Chine, l'Inde et le Brésil, où la solution RTK, réseau purement cellulaire, est parfois indisponible. Une solution UHF à bas prix est devenue une exigence pour ces marchés. L’innovation majeure pour SP60 est le mode RTK utilisant le Bluetooth pour transmettre les corrections différentielles entre le pivot et le mobile, jusqu’à 500 m de portée. Cela permet de baisser le prix d’achat du produit par rapport à une solution UHF, et d'optimiser l'autonomie de la batterie. Une deuxième innovation est la réception du signal satellite L-Band obtenue au travers d’une antenne GNSS large bande de nouvelle technologie. Elle offre au client la possibilité de calculer un point précis avec un seul récepteur grâce à la technologie Trimble RTX. Figure 1 : le nouveau récepteur SP60 sous différentes vues 5. Expérimentations & Résultats L’étude de la validation du SP60 par l’équipe « System Test » de l’entreprise est divisée en trois phases : I. La phase d’intégration La première étape des tests consiste à vérifier les fonctions élémentaires du récepteur. Le système est encore incomplet et le matériel non abouti : absence de logiciel terrain, utilisation de prototypes électroniques de 2nde génération dont le design n’est pas final, logiciel embarqué partiellement développé.
  3. 3. PFE 2015 Amir BAHNA 3/4 II. La phase de premier cycle de test dite « TC1 » Cette phase consiste à valider le système complet : prototypes électroniques de 3ème génération identiques à ceux de la future production, logiciel embarqué doté de toutes ses fonctionnalités, logiciel terrain et logiciel bureau disponibles. III. La phase de deuxième cycle de test dite « TC2 » Elle consiste à réaliser un sous-ensemble des tests TC1 sur les versions finales du produit et du système qui seront livrées au client, afin de garantir l’absence de régression. À la fin de chaque test, une analyse exhaustive des données est réalisée puis consignée dans un rapport archivé sur le réseau interne. Toutes les anomalies détectées sont saisies dans une base de données du groupe Trimble. Enfin, le plan et le statut des tests seront mis à jour en fonction des résultats obtenus. Parmi plus de 150 tests effectués pendant les différentes phases de la validation, citons les tests les plus importants : 1. Tests de Sensibilité et Répétabilité : consistent à valider la bonne réception des signaux GNSS en vérifiant le rapport signal sur bruit et la répétabilité des mesures sur différentes unités. 2. Test RTK Bluetooth Long Range : il faut distinguer trois différents types de portées :  La portée optimale avec laquelle l’utilisateur travaille en solution fixe avec un âge de correction acceptable et stable (< 2 sec).  La portée avec laquelle on peut rester dans une position fixe, avec une précision centimétrique, mais avec un âge de correction instable avant la perte de connexion entre le pivot et le mobile.  La portée avec laquelle on peut se reconnecter automatiquement lorsque l’on perd la connexion entre le mobile et le pivot. Une comparaison entre ce mode et le mode UHF sur la même longueur de ligne de base a montré la même performance au niveau de la précision et de l’âge des corrections en temps réel. 3. Tests RTK GPRS : consistent à réaliser des enregistrements en mode statique sur une longue durée et en utilisant différents réseaux et points d’accès disponibles : Réseau Orpheon Teria Teria Teria Teria Euref Point d'accès Plus_pres_RTC M-3.0_GG MAC30 VRS30 MACH_R30 SBLS_R30 BRST0 Longueur de ligne de base ~10 km ~42 km Variable ~42 km ~ 107 km ~ 254 km Part de position fixe 99% 99% 99% 96% 51% 0% Age moyen des corrections (sec) 1 1 1 1 1 N/A HRMS* (mm) 3 5 9 11 54 N/A VRMS* (mm) 5 7 13 23 98 N/A HRMS* = Horizontal Root Mean Square, VRMS* = Vertical Root Mean Square 4. Test dynamique de RTK & RTX : consiste à valider la performance du nouveau récepteur dans les conditions de « dynamique voiture ». 5. Test GPS L1 & GPS/GLONASS L1 : consiste à vérifier la capacité du récepteur à obtenir une position fixe lorsqu’il n’utilise qu’une partie des signaux GNSS disponibles, comme par exemple, le GPS L1 ou le GPS/GLONASS L1. 6. Test TTFF RTK (Time To First Fix) : consiste à vérifier le temps nécessaire pour avoir la première position fixe en utilisant différents réseaux : Teria, Orpheon et Euref.
  4. 4. PFE 2015 Amir BAHNA 4/4 7. Test TTFF RTX (Time To First Fix) : consiste à calculer le temps de convergence nécessaire pour avoir une précision planimétrique inférieure ou égale à 4 cm, sachant qu’il existe 2 types de RTX avec différents niveaux de précision, selon les besoins du client. 8. Test de précision et exactitude : consiste à calculer la précision du récepteur par rapport aux différents modes de fonctionnement, tels que SBAS, RTK, RTX et le post-traitement. Figure 2 : Comparaison entre les HRMS obtenus (en noir) et attendus (en rouge) pour le récepteur SP60 dans différents modes GNSS 9. Tests de l’accessoire innovant : consistent à valider techniquement une solution basée sur les principes d’imagerie et de GNSS, encore en cours de développement par un ingénieur informatique et mécanique. Cela se traduira par la mesure des points en condition utilisateur, la détermination de leur précision 3D et leur comparaison avec des méthodes de mesures traditionnelles. Pendant cette phase, certaines fonctions de l’accessoire ont été modifiées afin de faciliter et simplifier son utilisation. 6. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Après avoir passé 6 mois sur ce projet, nous avons pu valider le SP60 qui, depuis, a été commercialisé dans différentes parties du monde. Plus de 160 tests ont été effectués et 170 bugs ont été trouvés puis corrigés durant les différentes phases de la validation. La stabilité, la performance et la précision de ce récepteur dans les différents modes (RTK, RTX, Post-traitement…etc.) ont atteint des niveaux très satisfaisants, avec de forts espoirs que le SP60 réponde totalement aux besoins du marché de la topographie GNSS. Certains correctifs et améliorations seront introduits dans les futures versions du récepteur SP60, et les logiciels de terrain et de bureau. Avec la fonctionnalité RTX L-Band existante et les différentes précisions dégradées envisagées, le SP60 peut également représenter un récepteur idéal pour le domaine SIG, marché dans lequel il sera introduit prochainement avec l’actuelle application « SPace » de Spectra Precision pour les tablettes et les Smartphones. Concernant l’accessoire innovant et, comme souvent lors de projets de recherche et développement, il reste encore beaucoup de points à clarifier, spécifier et déterminer. Certains obstacles rencontrés ont besoin d’être éliminés afin de pouvoir prendre une décision favorable sur l’avenir de cet accessoire et sa commercialisation potentielle ou non. ~

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