Brevet FR2507770A1 — publié le 19821217

La présente invention concerne un procédé de compensation des perturbations magnétiques influençant les mesures d'un dispositif de détermination d'un cap magnétique a bord d'un aeronef, comprenant un magnétomètre fournissant des grandeurs électriques proportionnelles aux composantes du champ magnétique terrestre perturbé, selon les axes de référence, et une unite de traitement qui permet de calculer directement des coefficients pour corriger les informations délivrées par le magnétomètre et obtenir ainsi le cap réel. Les coefficients de compensation, selon le procédé, sont calculés directement a partir des tensions magnétométriques perturbées, fournies par le magnétomètre, sans faire appel à aucune référence de cap connue. Dans les dispositifs connus de ce type, le magnétomètre délivre des tensions proportionnelles aux composantes Ht, Ht2, Ht3 du champ magnétique terrestre Ht. En théorie, lorsque l'aéronef se déplace dans un plan horizontal , la projection sur le plan horizontal du vecteur Ht est un vecteur Hth dont l'extrémité M se déplace sur un cercle de centre (0) origine des axes OX, OY, OZ du magnétomètre. Dans ces conditions, le cap magnétique réel angle formé entre la direction de l'aéronef et le nord magnétique, et l'angle Y/dédnit des coordonnées que donne le magnétomètre du point M par rapport à ses axes repère et de la référence verticale sont égaux. En fait, si on fait tourner l'aéronef de 3600 dans un plan horizontal, le point M ne décrit pas un cercle, mais une ellipse, ce qui explique le décalage plus ou moins prononcé et variable entre les angles > 'et y^tau cours des évolutions de l'aéronef. Ces erreurs de cap sont dues aux perturbations du champ magnétique terrestre en amplitude et direction résultant des structures ferromagnétiques de l'aéronef et des champs magnétiques induits par les courants électriques susceptibles d'y circuler. Pour corriger les informations de cap ainsi perturbées, une méthode bien connue consiste à compenser les informations uniquement dans le plan horizontal. On compare pour une série de points cardinaux bien définis le cap réel # avec le cap # calculé par le dispositif de détermination de cap, et on en déduit pour tous les points les compensations nécessaires pour obtenir P = 2 Cette méthode nécessite des mesures de cap très precises et qui sont longues et contraignantes au niveau opérationnel. En effet, on oriente approximativement le porteur aux différents caps cardinaux, on mesure son cap exact avec un gyromètre de transfert et on détermine les corrections à apporter aux différents caps. Cette méthode de détermination des corrections peut demander plusieurs heures à un équipage de spécialistes. Le procédé et le dispositif de compensation objet de l'invention visent à simplifier la détermination des coefficients, à gagner du temps et à effectuer une compensation dans tout l'espace. De plus, l'invention vise à fournir des coefficients qui, après calcul, donnent le cap magnétique réel # avec une meilleure précision que la procédure classique. Pour cela, la compensation se fait directement à partir du champ perturbé, mesuré par le magnétomètre. Le porteur effectue un vol qui permet d'avoir une bonne visibilité de l'ellipsolde magnétique, et le calculateur associé détermine de façon itérative les différents coefficients de compensation et calcule le cap magnétique. On admet le module du champ magnétique cons tant entre deus mesures successives Si le ferromagnétisme du véhicule n'avait pas d'influence sur le champ magnétique terrestre, l'extrémité M du vecteur représentant le champ magnétique décrirait une sphère de centre 0 (figure 1) (origine du repère OX, OY, OZ du magnétomètre) en admettant quel'aéronefpuisse prendre toutes les attitudes possibles.En fait, il existe des perturbations dites "fers durs" dues aux champs permanents liés aux structures ferromagnétiques de l'àéronef qui se sont aimantées en cours de fabrication ou sous l'influence de champs magnétiques d'origine électrique. Ces champs permanents sont liés au véhicule et tournent avec lui. I1 en résulte que le magnétomètre mesure les composantes d'un vecteur dont l'extrémité M" se déplace dans une sphère Sz dont le centre O' est translaté de B1, B2,B3, par rapport à l'origine des axes du magnétomètre. Dans l'espace et dans un repère lié au magnétomètre on peut représenter ces champs permanents par un vecteur représentant les axes orthogonaux repérés du magnétomètre trois axes monté sur l'aéronef. I1 existe une deuxième sorte de perurbations dites "fer doux" affectant les mesures du magnétomètre et qui sont dues aux champs induits par l'action du champ magnétique terrestre. Ces champs ne tournent pas avec le véhicule, mais leurs polarités et leurs amplitudes varient en fonction de la direction et de l'amplitude du champ magnétique terrestre par rapport au véhicule. La représentation de ces champs induits Hi peut s'écrire sous la forme soit sous forme matricielle : ta : champ terrestre en axes-aGronef Toutes perturbations comprises, le magnétomètre mesure un champ perturbé Hm tel que Pour avoir le cap, il suffit de calculer et de calculer ensuite les composantes horizontales du champ terrestre compensé grâce à une référence de verticale. On va rappeler les équations qui permettent de calculer le cap magnétique à partir d'une référence de verticale et des mesures du champ magnétique terrestre dans un a6-ronef soit : [A] d'axes (X, Y, Z) le repère aéxcnef [GmJ d'axes (Nm, Em, V) le repère géomagnétique local A tout instant t, le passage de [A] sur ex figure 2 avec t : angle de roulis assiette longitudinale Le vecteur champ magnétique terrestre est défini Les paramètres dans lGmJ se déduisent des informations de module et d'inclinaison par Ht : module du vecteur champ : : inclinaison du champ par rapport au plan horizon tal. Gn trouve alors les relations suivantes A partir de la deuxième équation, on peut calculer le cap magnétique Cm L'ambiquite de 1800due à la fonction arctangente est levée en examinant le signe de cos Cm (obtenu à partir de (1) et (2) t et par définition ch est compris entre L'expression de cos Cm est alors du signe de son numérateur qui est le dénominateur de l'expression tgCm, la séquence de lever de doute sur Cm ne nécessite donc aucun calcul algébrique supplémentaire. Pour calculer les fers durs et les fers doux, on se sert uniquement des mesures délivrées par le magnétomètre. Pour un vecteur, seule l'information de son module est indépendante du trièdre de mesure. Le module du vecteur champ magnétique terrestre ne dépend donc pas du trièdre de mesure et par hypothèse a un gradient suffisamment faible pour être négligé. La variation dans le temps peut être considérée comme nulle. Ces remarques se formulent par l'équation Ht1 Ht2, Ht3 composantes du champ magnétique en axes avion. Ht : module du champ magnetique terrestre. La modélisation des perturbations par des fers durs et des fers doux (le vecteur mesuré se déplace sur un ellipsoide) conduit donc à l'expression suivante des composantes mesures L'équation du module du champ mesuré s'écrit alors en ne gardant que les termes du premier ordre (car on suppose que les perturbations sont des infiniménts petits du premier ordre par rapport aux composantes mesurees). L'équation du module du champ mesuré s'écrit alors somme des infiniments petits du 2ème et 3ème ordre. Si on dérive cette expression par rapport au temps t a or Ht- c donc on obtient L'équation est linéaire et fait apparaître neuf paramètres. Elle ne permet d'estimer que la partie symétrique des fers doux (kij + kji). De plus les coefficients des paramètres sont les dérives des composantes du champ terrestre qui ne peuvent être qu'approximées par les composantes estimées du champ terrestre. Nous allons estimer les neuf paramètres par la méthode classique des moindres carrés récursifs. A chaque instant d'échantillonnage, on prélève les informations du magnétomètre et on tient compte de ces nouvelles mesures pour améliorer l'estimation des paramètres. A un instant n, on a donc et on résoud alors avec t4 : champ terrestre estimé. Les mesures ont montré que les termes du tenseur fKg étaient très faibles si le magnétomètre était bien harmonisé et placé assez loin des grandes perturbations du porteur, donc on peut écrire De plus, l'hypothèse que la matrice est symétrique est pratiquement vérifiée si les axes des magnétomètres sont confondus avec les axes du porteur. La figure 1 représente le vecteur champ magnétique dont l'extrémité M', lorsque l'aéronef se déplace dans toutes les directions de l'espace, décrit une ellipsode-E. Le procédé de compensation consiste , dans un premier temps, à transformer cette ellipsoide en une sphère S' centrée sur O' et à la centrer ensuite sur l'origine O des axes OX, OY et OZ du magnétomètre par une translation 0'0. Dans ces conditions, OM est le vecteur Ht theorique s'il n'y avait pas de perturbation. Sur le plan P (OX, OY) on peut dire que - l'angle OX, OH' représente le cap magnétique perturbé > ' - et l'angle OX, OH le cap magnétique. fv Sur la figure 2 sont représentées les diverses rotations permettant de passer des axes, repère avion X, Y et Z, avec axes repère géomagnétique local Nm, Em, et V verticale. - rotation de Cm, cap magnétique, autour de Z - rotation de 8, assiette longitudinale, autour de Y" - rotation de lo , roulis, autour de X' l'angle représente l'inclinaison de champ magnétique. Le dispositif de calcul de cap magnétique, selon le procédé de compensation décrit ci-dessus, et représenté figure 3, comprend à titre d'exemple de réalisation - un magnétomètre statique trois axes 1. Ce magnétomètre est constitué d'un boitier amagnétique dans lequel sont fixées trois sondes magnétométriques. Les axes sensibles de ces sondes definissent un trièdre trirectangle qui est harmonisé, au montage, avec les axes, d'assiette longitudinale, de roulis et de lacet de l'aéronef. Chaque sonde fonctionne, selon le principe connu1 qui consiste à soumettre un barreau de forte perméabilité magnétique à des cycles d'hystérésis grâce à un signal alternatif. Le champ magnétique extérieur provoque une dissymétrie du cyle d'hystérésis qui est détectéeet annulée grace à un champ contraire créé par un courant circulant dans une bobine. A partir de ce courant on élabore une tension qui est proportionnelle au champ extérieur ainsi mesuré. - un gyroscope de verticale 2, ou une unité de navigation inertielle, qui délivre, soit des tensions analogiques représentatives du roulis P et de l'assiette longitudinale e de l'aéronef, soit des signaux numériques. - une unité de calcul 10, qui effectue, en temps réel, les calculs des coefficients de compensation et du cap magnétique réel. Cette uni te de calcul peut être par exemple un microprocesseur MC 680C de 8 bits, de technologie N-MOS, utilisé de façon mixte, soit par des calculs en 16 bits à virgule fixe, soit pour des calculs en 24 bits à virgule flottante. Cette unité de calcul 10 possède également des mémoires, raccordées sur une base de données 14 et un bus d'adresses 15. Soit - une mémoire de programme 11 (REPROM de technologie N-MOS) de 8 K octets - une première mémoire vive 12, de 512 octets (type RAM de technologie C-MOS) et une seconde mémoire vive 13 de 1 Kbits servant à la rétention des informations pour sauvegarder les résultats d'autocompensation d'un vol à l'autre lorsque l'alimentation électrique de l'aéronef est coupé. Cette mémoire est constituée d'une mémoire RAM de technologie C-MOS. Des interfaces entrée/sortie permettent de réaliser l'acquisition et le codage numériques des informations d'entrée. Ce sont - des multiplexeurs 3 et 4 - un échantillonneur de crêtes 5 pour le gyroscope - un écahntillonneur bloqueur 6 pour prélever successivement les trois tensions issues du magné tomètre. Les échantillonneurs sont pilotés par un chronomètre .7 pour fournir les impulsions de commande. Les signaux d'entrée ainsi captés sont ensuite dirigés vers un multiplexeur 8 et introduits dans un convertisseur 9 analogique digital/avant de pouvoir être utilisés dans l'unité de calcul 10 qui élabore, sous forme numérique, les diverses informations nécessaires àla navigation soit l'assiette longitudinale, le roulis et le cap magnétique autocompensé. En pratique, il sera avantageux, pour réaliser le dispositif de compensation des perturbations magnétiques, de s'arranger pour que les axes du gyroscope et du magnétomètre soient harmonisés avec ceux de l'aéronef. Le calcul des coefficients de compensation peut être effectué en temps réel si le calculateur est embarqué ou effectue au sol, après mémorisation des informations prises en vol. La méthode et le dispositif selon l'invention se prête particulièrement bien au calcul des compensations des perturbations magnétiques à bord des aéronefs qui sont nécessaires en navigation pour déterminer par exemple le cap magnétique réel. REVENDICATIONS 1 - Procédé de compensation de perturbations magnétiques influençant les mesures d'un dispositif de détermination du cap magnétique à bord d'un aéronef et comprenant un magnétomètre fournissant des grandeurs électriques proportionnelles aux composantes, du champ magnétique perturbé, selon ses axes de référence et une unité de traitement qui permet de calculer directement des coefficients, pour corriger les informations délivrées par le magnétomètre sans nécessiter aucune comparaison avec un cap connu, caractérisé par le fait que le calcul des coefficients de compensation s'effectue - en supposant que le module de champ terrestre est constant entre deux mesures successives - en examinant l'évolution du module du champ magnétique terrestre perturbé dans l'espace (ellipsoide) - en calculant, de façon itérative, les coefficients de compensation permettant de ramener l'évolution du module du champ magnétique terrestre d'un ellipsoide à une sphère théorique centrée sur les axes du magnétomètre, afin de définir la correspondance entre les mesures perturbées et les mesures réelles 2 - Procédé de compensation des perturbations magnétiques selon revendication 1, caractérisé par le fait que le tenseur des champs induits (fer doux) est considéré comme étant symétrique. 3 - Procédé de compensation des perturbations magnétiques, selon revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les mesures du magnétomètre sont trois tensions analogiques représentatives des composantes du champ magnétique selon ses axes OX, OY, OZ, qui sont codéesen numérique avant d'être introduites sur le bus de données d'un calculateur qui élabore les coefficients de compensation en temps réel. 4 - Procédé de compensation des perturbations magnetiques, selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'outre le calcul des coefficients de compensation, le calculateur calcule également le cap magnétique réel à partir des informations complémentaires de roulis et d'assiette longitudinale fournies par un gyroscope de verticale, ou une unité de mesure inertielle. 5 - Dispositif de détermination d'un cap magnétique pour la mise en oeuvre du procédé de compensation, selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend, outre les sources d'alimentation nécessaires - des moyens pour obtenir trois grandeurs électriques proportionnelles aux composantes du champ magnétique terrestre selon trois axes - des moyens pour fournir une référence de verticale sous forme de grandeurs électriques représentatives du roulis et de l'assiette longitudinale du porteur - des moyens pour effectuer les calculs des coefficients de compensation et du cap magnétique réel à partir des grandeurs fournies par les moyens cités ci-dessus. 6 - Dispositif de détermination d'un cap magnétique, selon la revendication 5, caractérisé par le fait - que les moyens pour obtenir les grandeurs proportionnelles aux composantes du champ magnétique terrestre consistent en un magnétomètre - que les moyens pour fournir une référence de verticale consistent en un gyroscope de verticale ou une centrale inertielle. 7 - Dispositif de détermination d'un cap magnétique, selon les revendications 5 et 6, caractérisé par le fait - que le magnétomètre est un magnétomètre statique trois axes (1 délivrant trois tensions analogiques tHml, Hm2, Hm3) proportionnelles aux composantes du champ magnétique terrestre perturb selon ses axes~OX, OY, OZ - que les références de verticale sont données par un gyroscope de verticale/, délivrant des signaux synchros de roulis T et d'assiette longitudinale gL, - deux multiplexeurs 3 et 4 - un premier échantillonneur de crêtes 5 - un second échantillonneur bloqueur 6 - un chronomètre 7, générateur d'impulsions de commande ; ; - un troisième multiplexeur 8 pou-r introduire les informations analogiques dans un convertisseur analogique digital 9 - une unité de calcul 10 avec ses mémoires 11-12-13 et bus de données 14 et d'adresses 15, pour élaborer les coefficients de compensations nécessaires pour déterminer les composantes du champ magnétique non perturbé et en déduire le cap magnétique réel. 8 - Dispositif de détermination du cap magnétique, selon les revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que les axes du magnétomètre et du gyroscope sont harmonisés avec ceux de l'aéronef.