Improvement of vertical precision in GPS positioning with a GPS-over-fiber configuration and real-time relative hardware delay monitoring

Une des principales limitations du positionnement GPS est que la composante verticale est généralement 2 à 3 fois moins précise que la composante horizontale. Pour des applications de haute précision, il est possible d'atteindre, par méthode GPS en mode relatif, des précisions de l'ordre de quelques millimètres en composante horizontale mais non pas en composante verticale. Cependant, plusieurs applications, telles que l'auscultation de structures d'ingénierie, exigent une précision similaire tant en horizontal qu'en vertical. Par simulations, il a été démontré par (Santerre & Beutler, 1993), qu'il est possible d'améliorer la précision du positionnement vertical en utilisant un récepteur à antennes multiples et un calibrage précis du délai de propagation relatif dans les câbles et circuits électroniques séparant les antennes du récepteur. Cependant, aucune implementation n'avait été faite à ce jour pour prouver le concept. L'objectif principal de ce travail de recherche a donc été de concevoir et d'implémenter un tel système et de démontrer qu'il permet une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical. Pour ce faire, le défi principal a été de développer un système permettant simultanément le transport des signaux GPS sur fibres optiques et le calibrage précis du délai de propagation relatif entre ces mêmes fibres en temps réel. Une fois le premier prototype complété et testé, des expériences réalisées sur une poutrelle de calibrage utilisée comme ligne de base de référence démontrent qu'avec le prototype et le système de traitement des données proposé, une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical a été observée. Tel que prévu par la théorie et les simulations, une amélioration d'un facteur 2 à 3 a été atteint, permettant ainsi d'obtenir la même précision dans la composante verticale que dans la composante horizontale. Ces résultats, qui représentent une percée importante dans le positionnement GPS de haute précision, permettent ainsi d'envisager le déploiement de ce type de systèmes dans des applications réelles où la même précision dans toutes les composantes tridimensionnelles est essentielle mais n'avait pas pu être atteinte auparavant par positionnement relatif GPS

Détermination d'un modèle en trois dimensions de la réfractivité troposphérique à partir d'un réseau de récepteurs GPS au sol

Le délai troposphérique subi par les signaux GPS entre les satellites et le récepteur affecte la précision du positionnement mais contient aussi de l'information utile sur l'état de la troposphère. Le délai troposphérique consiste en une composante hydrostatique et une composante humide qu'il est possible de séparer. Avec un réseau permanent de récepteurs GPS, où la position des sites est connue avec précision, et en utilisant l'information sur les délais en pente humides (SWD, de l'anglais Slant Wet Delays) estimés entre chaque station et tous les satellites visibles, il est possible de dresser un modèle en trois dimensions de la réfractivité humide au-dessus du réseau. La présente recherche porte sur l'utilisation de fonctions en séries de Taylor en trois dimensions afin de modéliser la réfractivité humide. Un réseau permanent de 43 stations en Suisse a été utilisé afin d'estimer en post-traitement les SWD et de les utiliser comme données d'entrée au modèle de la réfractivité humide proposé. Cette modélisation permet de calculer les délais troposphériques zénithaux humides en tout point à l'intérieur du réseau pour que d'autres récepteurs GPS qui ne font pas partie du réseau puissent corriger l'effet troposphérique. Une comparaison des résultats a été effectuée par rapport à l'utilisation traditionnelle d'une atmosphère standard et un facteur d'amélioration moyen de 30\% a été atteint. D'autre part, des données météorologiques recueillies dans des stations indépendantes du réseau GPS ont été utilisées afin de valider les valeurs de réfractivité humides calculées par le modèle. La concordance entre ces valeurs et celles de validation est à 2 unités près en moyenne.Le délai troposphérique subi par les signaux GPS entre les satellites et le récepteur affecte la précision du positionnement mais contient aussi de l'information utile sur l'état de la troposphère. Le délai troposphérique consiste en une composante hydrostatique et une composante humide qu'il est possible de séparer. Avec un réseau permanent de récepteurs GPS, où la position des sites est connue avec précision, et en utilisant l'information sur les délais en pente humides (SWD, de l'anglais Slant Wet Delays) estimés entre chaque station et tous les satellites visibles, il est possible de dresser un modèle en trois dimensions de la réfractivité humide au-dessus du réseau. La présente recherche porte sur l'utilisation de fonctions en séries de Taylor en trois dimensions afin de modéliser la réfractivité humide. Un réseau permanent de 43 stations en Suisse a été utilisé afin d'estimer en post-traitement les SWD et de les utiliser comme données d'entrée au modèle de la réfractivité humide proposé. Cette modélisation permet de calculer les délais troposphériques zénithaux humides en tout point à l'intérieur du réseau pour que d'autres récepteurs GPS qui ne font pas partie du réseau puissent corriger l'effet troposphérique. Une comparaison des résultats a été effectuée par rapport à l'utilisation traditionnelle d'une atmosphère standard et un facteur d'amélioration moyen de 30\% a été atteint. D'autre part, des données météorologiques recueillies dans des stations indépendantes du réseau GPS ont été utilisées afin de valider les valeurs de réfractivité humides calculées par le modèle. La concordance entre ces valeurs et celles de validation est à 2 unités près en moyenne

3D modeling of the tropospheric refractivity using a permanent GPS network.

Tropospheric delay inherent to GPS signals negatively impacts positioning precision. However, it can also provide information about the state of the troposphere, which may be useful for several meteorological applications. With a permanent GPS network, and using the estimated slant wet delays (SWD) between receivers and satellites, it is possible to develop a 3D model of the wet refractivity within the network and, for this purpose, we propose to use a 3D Taylor’s series development. To test this approach, a permanent network of 43 GPS stations in Switzerland has been used to estimate the SWD and use these values as input data to the proposed model. Using this model, it is possible to estimate zenith wet delay (ZWD) for a random 3D location within the network. The resulting ZWD can then be used to correct tropospheric delays of any additional roving GPS receiver not being part of the network. The wet refractivity values obtained with the model were validated against meteorological data gathered at independent meteorological stations within Switzerland.Le délai troposphérique inhérent aux signaux GPS a des répereussions négatives sur la précision du positionnement. Toutefois, il peut aussi fournir des renseignements sur l’état de la troposphère, qui peuvent être utiles pour de nombreuses applications météorologiques. Avec un réseau permanent de récepteurs GPS et en utilisant les délais humides en pente (DHP) entre les récepteurs et les satellites, il est possible d’élaborer un modèle 3D pour la réfractivité humide à l’intérieur du réseau. À cette fin, nous proposons l’utilisation d’un développement en série 3D de Taylor. Pour faire l’essai de cette approche, on a utilisé un réseau permanent de 43 stations GPS en Suisse pour évaluer les DHP. Ensuite, ces valeurs ont servi de données d’intrant pour le modèle proposé. L’utilisation de ce modèle permet d’évaluer le délai humide zénithal (DHZ) pour un emplacement 3D aléatoire à l’intérieur du réseau. Le DHZ qui en découle peut ensuite être utilisé pour corriger les délais troposphériques de tout récepteur GPS itinérant supplémentaire qui ne fait pas partie du réseau. On a validé les valeurs humides de réfractivité obtenues du modèle avec les données météorologiques rassemblées à des stations météorologiques indépendantes en Suisse

Improvement of vertical GPS precision with a GPS-over-fiber architecture and real-time relative delay calibration

A limitation of GPS positioning is that the vertical component is generally two to three times less precise than the horizontal components. In a previous work by R. Santerre of Laval University and G. Beutler of University of Bern, it was shown in simulations that it is possible to improve the GPS vertical positioning precision by using a multi-antenna GPS receiver and a precise calibration technique of the relative hardware delay between the antennas and the receiver. However, no actual implementation of the system was done to prove the concept until now. A new multi-antenna, GPS-over-fiber architecture with real-time delay monitoring, designed and implemented to improve the vertical precision is presented. The improvement in vertical precision arises from the elimination of the relative receiver clock error in single difference, between antennas, and the precision real-time calibration of the relative hardware delay. Experiments were conducted with a zero baseline and a short baseline configuration. The results show, as expected by the theory and the simulations, a two to three times improvement in the precision of the vertical component such that it reached the same level of performance as the horizontal components. These promising results will enable the use of this type of configuration in several applications where the same precision in all 3D components is essential and could not be achieved before with standard GPS positioning techniques

Research activities in precise positioning at Laval University

This review paper summarises the recent, on-going, and future research activities in precise positioning at Laval University. The projects undertaken by the GPS and Geodesy Research Group are presented following three main research topics. The first one deals with the use of precise positioning for deformation monitoring of engineering structures. The study of ice forces on dams using a robotic total station and the improvement of GPS height determination using multiple GPS antennas linked to a single receiver with calibrated fiber optics are presented. A second topic of research is the crustal deformation of the Charlevoix seismic zone in Quebec. This study uses GPS and levelling techniques and involves an investigation of the temporal stability of the GPS permanent stations available in the surrounding area. Finally, research on single GPS receiver positioning techniques is presented, namely, Precise Point Positioning (PPP) and Time Relative Positioning (TRP).Cet article récapitule les activités de recherche récentes, actuelles et futures dans le positionnement de haute précision réalisées à l’Université Laval. Les projets entrepris par le groupe de recherche en GPS et géodésie sont présentés selon trois thèmes de recherche principaux. La première thématique concerne l’utilisation du positionnement précis pour le contrôle des déformations de structures d’ingénierie. Dans ce contexte, on présente une étude sur les forces exercées par les glaces sur les barrages utilisant des mesures effectuées avec une station totale robotisée ainsi qu’une méthode pour améliorer la détermination de l’altitude par positionnement GPS en utilisant de multiples antennes reliées à un seul récepteur à l’aide de câbles en fibre optique dont les délais de propagation sont calibrés. Un deuxième thème de recherche porte sur la déformation de la croûte terrestre dans la zone séismique de Charlevoix au Québec. Cette étude utilise le GPS et le nivellement de précision et comporte une analyse de la stabilité temporelle des stations GPS permanentes disponibles dans la région. Finalement, deux recherches sur les techniques de positionnement avec un seul récepteur GPS sont présentées, soit le positionnement ponctuel précis (PPP) et le positionnement relatif temporel (PRT)