L’équipe Fermes LEADER s’est rendue le mardi 23 avril sur le campus de Montpellier Sup’Agro pour assister au séminaire de la Chaire AgroTIC sur le thème de “La géolocalisation en agriculture“.
Le programme de la journée était scindé en deux parties:
- La matinée était consacrée à la compréhension de la technologie GNSS et ses systèmes de correction
- L’après-midi était consacrée aux témoignages d’intégrateurs et utilisateurs de ces technologies.
Nous avons pu interviewer Thomas, ingénieur de recherche, afin qu’il nous présente la Chaire AgroTIC ainsi que Le Mas Numérique.
Clément, CEO et fondateur de la start-up Permagro et Paul, directeur technique du réseau Teria nous ont ensuite présenté leurs activités.
Ce séminaire a aussi été l’occasion d’en savoir plus sur les constellations GNSS qui nous entourent et sur les différents systèmes d’augmentation de la précision de positionnement qui sont utilisés en agriculture.
- Les acteurs de la chaîne de valeur:
- Fournisseurs de signal: Les constellations de satellites (GPS, GALILEO) qui vont fournir un signal de géolocalisation GNSS.
- Fournisseurs de correction: Améliorent la qualité de la géolocalisation (EGNOS, RTK, PPP)
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- Fournisseurs de récepteurs: Téléphones ou “GPS” permettant de se géolocaliser sur les parcelles.
- Fabricants de machines: Technologies de géolocalisation intégrées au matériel agricole et vendues aux utilisateurs.
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- Utilisateurs: Conseillers et agriculteurs qui utilisent les technologies sur le terrain
2. Qu’est-ce que le GNSS ?
Un système de positionnement (Global Navigation Satellite System) reposant sur une constellation de satellites et permettant de fournir à un utilisateur équipé d’un récepteur portable sa position (verticale et horizontale) sa vitesse et le temps.
Le terme “GPS” que nous utilisons quotidiennement désigne la constellation qui a été créée par les USA. Il en existe 3 autres dans le monde dont le nombre, l’inclinaison, l’altitude des satellites et le nombre de plan d’orbites varie:
- GLONASS (Russie)
- BEIDOU (Chine)
- GALILEO (Union Européenne)
Pour en savoir plus sur le fonctionnement de GALILEO, découvrez la vidéo du CNES ci-dessous:
3 caractéristiques des GNSS
- Le temps: Le signal se propage à la vitesse de la lumière, donc la mesure du temps doit se faire de manière très précise afin d’avoir une géolocalisation la plus précise possible
- La gratuité: Les signaux sont financées par les entités publiques donc gratuits pour les utilisateurs.
- La diffusion: Le signal est uniquement diffusé, il n’y a donc pas de retour, ce qui permet d’avoir la même performance tout le temps, quelque soit le nombre d’utilisateurs.
3. Message de navigation
Time To First Fix (TTFF): Lorsqu’un récepteur va démarrer, il a besoin d’un certain temps pour calculer le premier point de localisation.
Même si les récepteurs peuvent fournir un premier point rapidement, la précision n’est pas optimale. Un temps de chauffe est nécessaire pour synchroniser les informations issues des 2 ou 3 fréquences des satellites: c’est le temps de convergence.
Le calcul d’une position comprend le temps d’émission pour calculer la durée de propagation (toutes les 6s), le temps de correction pour connaître la position du satellite et l’estimer (toutes les 30s) et les corrections ionosphériques (toutes les 750s).
Le système GNSS permet d’obtenir un niveau de précision de géolocalisation d’ordre métrique seulement, ce qui est dû à des erreurs de mesure au cours des différentes étapes du parcours du signal.
4. Les différentes sources d’erreurs
a. Satellite
- Connaissance de la position précise du satellite: Mauvaise répartition des satellites dans l’espace
- Horloge: Décalage
b. Propagation
- Perturbations atmosphériques: Ionosphère et troposphère
- Perturbations locales: Multi-trajets et interférences (masquage par les arbres, réflexion par les bâtiments) → erreur de 1m (zone rurale) à 50m (zone urbaine)
c. Récepteur
- Architecture: Qualité de l’antenne
Pour corriger ces biais, différents systèmes d’augmentation GNSS ont été mis en place.
5. Les systèmes de correction
a. EGNOS
Système d’augmentation spacial qui corrige et améliore le signal GPS en utilisant le principe de GPS différentiel: un réseau de stations fixes de référence qui transmet l’écart entre les positions indiquées par les satellites et les positions réelles connues. Ce service européen et gratuit est assuré par 40 stations situées principalement en Europe. Il est notamment utilisé en aéronautique afin de donner une fiabilité au positionnement que GPS seul ne fourni pas.
La précision d’EGNOS selon la documentation officielle est mesurée avec une marge de confiance de 95%, à l’horizontal de 3m et à la verticale de 4m. Sur le terrain, les performances sont bien meilleures avec 0,7m à l’horizontale et 1,3m à la verticale.
b. RTK
RTK (Real Time Kinematic) ou Cinématique Temps Réel est un procédé technique visant à transmettre en temps réel des corrections depuis une base aux mobiles GNSS. L’utilisateur se connecte à une base référencée localement et reçoit des corrections en fonction de la station la plus proche et plus il s’en éloigne moins la géolocalisation était précise.
Un réseau de stations a donc été créé: le NRTK (Network Real Time Kinematic) ou Réseau Cinématique Temps Réel. L’objectif du réseau était de former un maillage de données de plusieurs stations, complet et suffisamment dense, pour fournir un service global sur l’ensemble de la zone de couverture (régionale) et permettre à l’utilisateur présent dans cette zone de pouvoir travailler avec une précision centimétrique.
Le mode NRTK le plus utilisé aujourd’hui est le VRS (Virtual Reference Station), déployé historiquement par Trimble. Avec ce mode, l’utilisateur peut ainsi se connecter à une station virtuelle qui est créée sur le serveur à proximité. Le temps de convergence du mode NRTK est de 10 secondes.
c. PPP
Precise Point Positioning (PPP) est une technologie de modélisation et d’estimation centimétrique en temps réel de chaque erreur affectant les mesures GNSS. L’objectif est de corriger les biais d’orbite (de 1m à 2,5cm), d’horloge (de 10 ns à 0,3ns) et d’électronique des satellites et des récepteurs à partir des observations réalisées en continu afin d’obtenir une précision finale de 4cm partout dans le monde.
Le temps de convergence en PPP est de 30 minutes et correspond au temps d’estimation locale par accumulation de mesures, de biais locaux.
Il est possible de réduire ce temps de convergence jusqu’à 1-5 minutes avec une technologie hybride, en couplant le système avec une station permanente située dans une rayon de 100km: c’est le Local PPP-RTK.
Avec un récepteur tri-fréquence un peu plus cher, il est possible d’obtenir une précision de 20cm sur une époque de mesure (instantanément) et de 10cm en 5 minutes: c’est le Global PPP-RTK.
Depuis mars 2018, il existe un système quadri-fréquence émis par GALILEO qui donne une précision centimétrique sur une époque de mesure: c’est l’Ultra-Fast Global PPP-RTK.
Les signaux SF1, SF2 (John Deere) et RTX (Trimble) sont issus du réseau PPP.
6. Les usages en agriculture
L’agriculture de précision consiste à utiliser la bonne dose d’intrant au bon moment au bon endroit, ce qui permet d’obtenir des productions de meilleure qualité et en plus grosse quantité avec les même ressources, les même réglementations en apport d’intrants. La géolocalisation est un des outils permettant d’effectuer ce type d’agriculture que ce soit pour des cultures de céréales, pommes de terre, betterave, pour le maraîchage ou la viticulture.
- Guidage/autoguidage: Gérer les passages à intervalle régulier et coupures de tronçon (ex: semis, épandage)
- Cartographie/Modulation: Caractériser et gérer la variabilité intra-parcellaire (ex: nutrition azotée)
- Arpentage/Mesure de la surface des parcelles: Réglementation, gestion, expertise foncière (ex: déclaration PAC)
- Conseil/Logistique: Localiser une observation, faire de la traçabilité (ex: détection entrée-sortie de parcelle, collier de tracking en élevage).
- Gestion de l’eau: Nivellement/drainage
Conclusion
Selon Arvalis, en agriculture 13% des coûts variables totaux (gas-oil, masse salariale, etc) disparaissent avec un système d’autoguidage GNSS.
Aujourd’hui, il y a un réel besoin d’homogénéisation en terme de sémantique : beaucoup de termes (ex: PPP) ne sont pas connus par la profession alors qu’ils sont utilisés quotidiennement. GALILEO et EGNOS connaissent une évolution, tout comme la correction PPP qui se généralise et qui sera gratuite en 2022.
En 2020, le marché du GNSS va peser plus de 60 milliards d’euros, celui de l’augmentation GNSS 3 milliards d’euros et 30% du PIB européen sera sous influence de GNSS.
De nombreuses questions subsistent:
- Comment assurer l’intégrité et mesurer la qualité de la géolocalisation ?
- Quels sont les besoins en précision ? Est-il nécessaire pour tous les usages d’avoir une précision centimétrique sachant que des usages simples demandent une précision de quelques mètres seulement ?
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