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Explication des systèmes de coordonnées GNSS
Table des matières
Quand faut-il se soucier des systèmes de coordonnées, et quand ne pas s'en préoccuper ?
Vous faire pas Il faut réfléchir aux systèmes de coordonnées si la tâche ne concerne que coordonnées relatives comme:
- Le robot navigue en utilisant des coordonnées relatives, par exemple se déplacer de 5 mètres vers l'est.
- Le tracteur doit traverser un champ avec une précision centimétrique de passage à passage.
- Le drone doit simplement « retourner à son point de décollage ».
- Comparaison des points enregistrés par le même récepteur, sans lien avec les cartes (vérification si un tracteur est retourné au même endroit dans le champ).
Vous J'ai besoin se soucier des systèmes de coordonnées si la tâche implique comparer les mesures GNSS avec des cartes tierces, des SIG ou des documents officiels:
- Géodésie, cadastre, levés topographiques : vous mesurez les limites d’un terrain et souhaitez les comparer à une carte cadastrale.
- Combiner les données GNSS obtenues avec des cartes préparées par des fournisseurs tiers ou avec les mesures effectuées par votre établissement d'enseignement supérieur à l'aide d'un autre équipement.
- Le partage de données de positionnement avec des tiers (tels que les services cadastraux ou des entreprises de travaux publics), par exemple lorsque vous fournissez les coordonnées d'un emplacement de fouilles prévu à une entreprise qui utilisera son propre équipement RTK pour localiser le point exact sur le terrain à partir de votre carte, implique que ces données peuvent être partagées.
Si tel est votre cas, poursuivez votre lecture — Les systèmes de coordonnées ont désormais une importance pour vous.
Explication des systèmes de coordonnées
L'une des raisons les plus courantes de Les données erronées sur le terrain sont dues à des systèmes de coordonnées incompatibles — entre vos rover, base, ou NTRIP service.
Pour éviter des erreurs coûteuses, il est important de comprendre le fonctionnement des systèmes de coordonnées et comment chaque élément de votre configuration GNSS contribue à la position finale.
Date
Pour mesurer quelque chose, il faut toujours un point de départ, ou « zéro ». Si deux personnes n'utilisent pas le même point de départ, leurs mesures ne sont pas comparables. Il en va de même pour les positions sur Terre.
Comme la Terre n'est pas une sphère parfaite, la géodésie utilise un ellipsoïde comme modèle simplifié de la Terre. donnée elle définit cet ellipsoïde, sa position par rapport au centre de la Terre et la manière dont la latitude, la longitude et l'altitude sont mesurées.
- Les systèmes de référence mondiaux couvrent l'ensemble de la planète. Ces systèmes sont utilisés par le GPS/GNSS. Ils sont mis à jour au fil du temps à mesure que les mesures s'améliorent. Cependant, les systèmes de référence mondiaux étant liés au centre de la Terre, les coordonnées évoluent lentement en raison du mouvement des plaques tectoniques (environ 10 cm par an). Un point mesuré aujourd'hui n'aura donc pas exactement les mêmes coordonnées dans 10 ans.
Exemples : WGS84, ITRF. - Les systèmes de référence locaux fixent les coordonnées à une plaque tectonique, une région ou un pays. Tout sur cette plaque se déplace ensemble, les coordonnées restent donc stables dans le temps.
Exemples : GDA94 (Australie), NAD83 (Amérique du Nord), ETRS89 (Europe).
Les données géodésiques peuvent également être :
- Statique: Les coordonnées ne changent pas avec le temps.S'il y a peu ou pas d'activité tectonique et que les mouvements de la terre d'une année sur l'autre sont négligeables.
Exemples : ETRS89 utilisé en Europe.
- Dynamique : les coordonnées se mettent à jour en permanence en fonction des mouvements de la Terre.Les systèmes de référence mondiaux sont généralement dynamiques et mis à jour plusieurs fois par an car les continents dérivent les uns par rapport aux autres.
Exemples : WGS84, ITRF, IGS.
- Semi-dynamique : Mise à jour des coordonnées après les événements de déformation, comme les tremblements de terre, ou tous les quelques années. Les systèmes de référence locaux, régionaux/nationaux dans les pays où il y a une activité tectonique sont généralement semi-dynamiques.
Exemples : NAD83 (2011) utilisé aux États-Unis, GDA2020 utilisé en Australie.
Époques
Pour les données dynamiques et semi-dynamiques, vous aussi Il est nécessaire de connaître la date et l'heure auxquelles la position a été mesurée, car la position dépend du temps. ainsi que X, Y, Z.
Par exemple, le nom exact du système de référence horizontal le plus récent utilisé aux États-Unis est : NAD83 (2011) Époque 2010.00 ou NAD83 (2011) Époque 2025.00
Lorsque vous combinez le datum (le « où ») et l'époque (le « quand »), vous obtenez ce que la géodésie appelle le cadre de référenceSi vous comparez vos mesures avec une carte ou un ensemble de données existant, assurez-vous toujours qu'elles utilisent le même système de référence (datum et époque) — sinon, les positions risquent de ne pas correspondre correctement.
Projections
Une projection est une méthode mathématique permettant de représenter la Terre courbe sur une carte plane (2D). Ceci est nécessaire car les coordonnées de latitude et de longitude ne sont pas pratiques pour les distances, les angles, ou CAD .
Alors que le système de coordonnées géographiques collecte des informations sur l'ellipsoïde, le géoïde et le système de référence, indiquant où se trouve un objet dans l'espace 3D, Le système de coordonnées projetées contient les informations du système de coordonnées ainsi que des détails supplémentaires tels que le modèle mathématique. de la projection.
Exemples de projections cartographiques :
- UTM (Universelle Transverse de Mercator) Il s'agit de la projection la plus courante pour les systèmes GNSS, la cartographie et la topographie. Par exemple, la zone UTM 32N est utilisée en Europe centrale.
- Web Mercator Il s'agit de la projection utilisée par Google Maps, OpenStreetMap et d'autres services de cartographie en ligne.
Transformations de données
Un même lieu sur Terre peut avoir des coordonnées différentes selon le système de référence utilisé :
- Les récepteurs GNSS autonomes (sans corrections RTK) fournissent une position dans le système de référence mondial WGS84/ITRF.
- Les récepteurs RTK fournissent la position dans le système de référence auquel la station de base / NTRIP Le service de correction a été calibré.
Si le système de référence géodésique (datum) utilisé par votre récepteur GNSS et celui dans lequel vous souhaitez obtenir les positions diffèrent, une transformation de datum est nécessaire. C'est un peu comme convertir des devises : 100 € ne valent pas 100 $, mais avec le bon taux de change, on peut les comparer. Une transformation de datum consiste simplement en des opérations mathématiques qui déplacent, font pivoter ou mettent à l'échelle les coordonnées exprimées dans différents datums afin qu'elles correspondent à un même point physique.
Les quatre exemples ci-dessous illustrent les scénarios concrets les plus courants où interviennent les transformations de données. Chaque exemple met en lumière le problème rencontré et sa solution.
Cas d'utilisation typiques :
Travailler avec des cartes et des données GNSS utilisant différents systèmes de référence
Imaginez que vous vous préparez pour un travail de terrain et que vous chargez une carte ou une couche de fond (par exemple, depuis Google Earth, OpenStreetMap ou une orthophoto prise par drone) dans une application comme SW Maps. Ces sources utilisent presque toujours le système géodésique mondial WGS84, car il s'agit du standard pour la plupart des cartes mondiales en ligne.
Pendant ce temps, votre récepteur RTK est connecté à un réseau local NTRIP service correctionnel comme SAPOS, qui fournit des corrections RTK en ETRS89 — le système de référence géodésique officiel pour l'Allemagne et la majeure partie de l'Europe.
Bien que les systèmes WGS84 et ETRS89 soient très similaires, leurs origines de référence diffèrent d'environ 1 à 2 mètres en Europe. Par conséquent, lorsque vous superposez votre carte WGS84 à des mesures RTK basées sur ETRS89, vos points peuvent apparaître légèrement décalés ; par exemple, les limites de propriété ou les bordures de champs ne seront pas parfaitement alignées.
Pour résoudre ce problème, vous devez effectuer une transformation de système de référence d'ETRS89 vers WGS84 (ou inversement, selon la configuration de votre projet) dans votre application ou logiciel SIG. Après la transformation, vos points RTK mesurés et la carte de fond seront correctement alignés.
Pourquoi Google Maps peut afficher de petits décalages :
Google Maps constitue un cas particulier qu'il convient de mentionner. Bien qu'il soit aligné sur l'ITRF (très proche du WGS84), ses images ne sont pas parfaitement rattachées à ce système de référence.
Chaque image satellite de Google Maps est traitée et orthorectifiée séparément, ce qui introduit de légers décalages résiduels. De ce fait, la couche visuelle peut être décalée d'environ 10 à 20 cm, voire davantage selon la zone.
Ainsi, même si vous effectuez correctement la transformation entre ETRS89 et WGS84, vous pouvez toujours constater un léger décalage entre les points précis RTK et l'image de fond de Google Maps.
Utilisation des services de correction RTK locaux
Lorsque vous utilisez un récepteur RTK connecté à un réseau de correction national comme SAPOSLes corrections sont transmises dans le système de référence local — dans le cas de l'Allemagne, ETRS89. Il s'agit du système de référence horizontal officiel utilisé dans toute l'Europe pour la cartographie, les levés topographiques et les applications GNSS.
Cependant, ETRS89 n'est pas qu'un simple système de référence géodésique ; il inclut également une époque, qui définit le moment précis auquel les coordonnées se réfèrent. L'Europe se déplaçant légèrement par rapport au centre de la Terre (environ 2.5 cm par an), les coordonnées en ETRS89 sont fixées à une référence temporelle spécifique : ETRS89 à l'époque 1989.0 (date à laquelle la position de la plaque européenne a été « figée » par rapport au système mondial WGS84/ITRF).
SAPOS diffuse des corrections dans une réalisation d'ETRS89 à l'époque 1989.0, donc : Vos positions RTK sont stables et cohérentes avec les cartes nationales, même si la plaque tectonique a bougé depuis lors.
Vous n'avez pas besoin d'appliquer de transformation d'époque lors de la comparaison de vos SAPOS- les coordonnées sont basées sur les données cadastrales ou topographiques officielles allemandes — elles sont toutes définies dans le même système de référence.
C'est l'un des principaux avantages de faire appel à un fournisseur local NTRIP Ce service « traduit » en temps réel les données satellitaires mondiales dans le système de coordonnées local de votre pays.
Utilisation du service de correction global (Galileo HAS, PointPerfect, Skylark)
Imaginez que vous concevez un projet routier dans AutoCAD, en utilisant le système de référence de coordonnées officiel de votre pays — par exemple, ETRS89 / UTM zone 33N en Autriche.
Plus tard, votre équipe de terrain se rend sur place pour marquer le tracé à l'aide d'un récepteur GNSS connecté au réseau. Galileo HAS Ce service fournit des corrections directement issues des satellites. Pour la construction de routes, une précision de 20 à 40 cm est suffisante ; l’utilisation du HAS est donc pertinente.
Toutefois, Galileo HAS Elle diffuse des corrections dans le système géodésique mondial WGS84 (World Geodetic System 1984). Bien que WGS84 et ETRS89 soient assez similaires, leurs points de référence diffèrent d'environ 1 à 2 mètres en Europe, voire de plusieurs mètres ailleurs.
C’est pourquoi, pour garantir que vos données topographiques, vos plans et vos cartes s’alignent parfaitement dans le même système de référence, vous devez transformer les données de conception du système de référence local ETRS89 au système global WGS84 avant de les envoyer au récepteur GNSS.
Utilisation d'un service de correction qui envoie des messages RTCM 1021–1027
Dans certains pays, les services correctionnels nationaux (comme APOS en Autriche, SatRef à Hong Kong) diffuser non seulement les données de correction RTK standard, mais aussi les messages de transformation RTCM 1021–1027 spéciaux.
Ces messages supplémentaires contiennent des paramètres de transformation de coordonnées locales — des décalages mathématiques qui convertissent le système de référence global en un système de coordonnées régional exact.
Cette « transformation locale » ajuste les positions GNSS calculées dans un repère global (comme l'ITRF dans le cas de APOSIl applique de légères translations, rotations et corrections d'échelle pour que vos coordonnées correspondent au système de coordonnées national officiel utilisé pour la cartographie et les levés topographiques.
Il est important de noter que cela diffère de l'utilisation d'un système de référence régional comme ETRS89. ETRS89 définit un système de référence stable pour toute l'Europe, mais chaque pays peut avoir sa propre version locale (par exemple, ETRS89(AT) en Autriche ou ETRS89(PL) en Pologne). Les messages RTCM 1021 à 1027 permettent l'étape supplémentaire nécessaire pour ajuster précisément les coordonnées de ce système régional au système de coordonnées local de votre pays.
Lorsque votre récepteur RTK et votre logiciel de terrain prennent en charge ces messages, ils peuvent automatiquement générer les coordonnées dans la grille locale appropriée, sans que vous ayez à saisir manuellement de paramètres de datum ou de projection.
Hauteurs : ellipsoïde vs. niveau de la mer vs. orthométrique
Un autre défi courant du positionnement GNSS est de comprendre que toutes les « altitudes » ne sont pas identiques. Les récepteurs GNSS émettent naturellement des signaux différents. hauteurs ellipsoïdalesCes données sont référencées à l'ellipsoïde WGS84, et non au niveau de la mer. Cependant, de nombreuses applications topographiques s'appuient sur ces données. hauteurs orthométriques, qui sont basées sur le niveau moyen de la mer. Ce décalage pose un problème majeur : pour comparer ou utiliser des données d’altitude de manière cohérente, il est nécessaire de convertir entre les systèmes de référence à l’aide d’un modèle de géoïde.
Pour une explication plus détaillée des hauteurs ellipsoïdales, orthométriques et géoïdes, consultez le La différence entre la hauteur ellipsoïdale, orthométrique et géoïde.
Si vous recherchez un modèle de géoïde adapté à votre pays, nous avons rassemblé pour vous des données de géoïde pour différents pays : Modèle de géoïde pour votre pays pour mesurer la hauteur orthométrique.
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