Brevet FR2589569A1 — publié le 19870507

Boucle à inertie et à effet Doppler pour un système de navigation aérienne et procédé pour sa mise en oeuvre La présente invention concerne un système de guidage par inertie et effet Doppler pour des avions et plus particulièrement un système qui utilise des données provenant d'accéléromètres et de gyroscopes en com- binaison avec des données de vitesse provenant d'un radar Doppler pour calculer le tangage et le roulis d'un véhicule, lesquels peuvent ensuite être utilisés pour calculer avec precision le cap du véhicule. Beaucoup de véhicules aériens ont besoin de systèmes de naviga- tion autonomes précis, mais de faible coût. Des radars Doppler sont capables de fournir des données de vitesse précises, mais la solution glo- bale de la navigation exige aussi un cap précis. Des compas magnétiques peuvent donner ce cap, mais les appareils que l'on trouve couramment sont de grande taille, lourds et onéreux. Un aspect fondamental de tout détecteur de cap magnétique réside dans la nécessité de mesurer un cap dans le seul plan horizontal. Toute contamination de cette mesure intro- duite par une partie du champ magnétique vertical de la terre, due à une erreur d'inclinaison (tangage ou roulis), se traduit par une erreur de cap importante. La figure 1 illustre la sensibilité de la précision de cap magnétique à l'erreur d'inclinaison, en fondtion de l'angle de déclinai- son magnétique. L'angle de déclinaison est l'arc tangente du rapport des composantes verticale et horizontale du champ magnétique terrestre. Des compas magnétiques antérieurs ont utilisé un certain nombre de techniques pour déterminer un cap à bord d'un véhicule aérien. Une technique consiste à utiliser un détecteur de cap magnétique en suspension pendulaire dans un fluide. Le pendule a pour effet d'obliger l'élément détecteur magnétique à rester horizontal en vol non accéléré, de sorte que le cap peut être mesuré correctement. Cependant, des accélérations du véhicule font que le pendule s'écarte de la verticale, ce qui entraîne des erreurs de cap considérables de la part des détecteurs magnétiques. Une autre approche consiste à utiliser un bloc fixe de trois détecteurs magnétiques et à transformer leurs signaux de sortie dans le plan horizon- tal à l'aide du tangage et du roulis transmis par un détecteur vertical ou un gyroscope vertical séparé. Un gyroscope vertical type est ajusté ou calé sur la verticale locale à l'aide de simples accéléromètres ou même de niveaux à liquide. Cette technique permet d'obtenir une précision de tangage et de roulis satisfaisante en vol non accéléré mais perd de sa valeur en cours de manoeuvres. Un tangage et un roulis précis peuvent être fournis par un sys- tème à inertie, c'est-à-dire une combinaison dtaccéléromètres et de gyros- copes disposés de façon à fonctionner à la manière de deux boucles à syn- tonisation Schuler. Ces boucles, lorsqu'elles sont correctement initiali- sées avant un décollage, conservent la notion du tangage et du roulis même au cours de manoeuvres difficiles. Les inconvénients majeurs d'un tel système à inertie résident dans son coût élevé et dans sa complexité. Un système de détermination de cap magnétique bon marché et précis peut être réalisé en utilisant un détecteur de champ magnétique triaxial "de bord" ou fixe dont les trois composantes orthogonales sont transformées par les angles de tangage et de roulis du véhicule. La pré- sente invention aboutit ainsi à une technique simple et peu coûteuse de mesure du tangage et du roulis en vol qui est precise aussi bien en vol rectiligne ou à plat que pendant des manoeuvres difficiles, au cours des- quelles des détecteurs de tangage et de roulis classiques enregistrent des erreurs importantes. La présente invention utilise des données provenant d'accéléro- mètres et de gyroscopes de faible coût plus des données de vitesse trans- mises par un radar Doppler pour calculer le tangage et le roulis du véhi- cule, lesquels peuvent ensuite être utilisés pour transformer les compo- santes du champ magnétique orthogonales provenant du détecteur de champ magnétique "de bord" ci-dessus mentionné pour fournir des données de cap horizontal. Les accéléromètres mesurent à la fois l'accélération du véhicule et la composante d'attraction terrestre le long de l'axe d'entrée. Cette dernière est fonction (pour un accéléromètre de bord, par exemple) du tan- gage et du roulis. Les effets d'uneaccélération du véhicule sur le signal de sortie de l'accéléromètre peuvent être éliminés si l'on soustrait de celui-ci la dérivée de temps de la vitesse Doppler. Le signal résiduel est alors fonction du tangage et du roulis; deux accéléromètres perpendicu- laires fournissent assez d'informations pour déterminer le tangage et le roulis. Une autre approche consiste à intégrer le signal de sortie de l'accéléromètre (ce qui donne des estimations de vitesse) et à soustraire la vitesse Doppler. Le signal obtenu est proportionnel à l'intégrale de temps du tangage et du roulis. Dans les deux cas, des données de gyros- copes sont utilisées pour assister ce processus de calcul afin de permettre de manière dynamique un filtrage acoustique exact et de fournir instan- tanément des données précises de tangage et de roulis. Le but essentiel de la présente invention est d'utiliser des accéléromètres et des gyroscopes courants et peu coûteux ainsi que les données de vitesse que l'on peut obtenir à partir d'un radar Doppler pour calculer le tangage et le roulis d'un véhicule tout en compensant la con- tamination de ces grandeurs dérivées due à l'influence du champ d'attrac- tion terrestre sur les appareils de guidage par inertie classiques. Les buts et avantages susmentionnés de la présente invention vont apparaître plus clairement à partir de la description suivante donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un tracé de courbe d'erreur de cap en fonction de l'angle de déclinaison et de l'erreur verticale; - la figure 2 est un diagramme vectoriel indiquant les composantes du champ magnétique terrestre dans un système horizontal de coordonnées X, Y, Z; - la figure 3 est un schéma synoptique de la boucle à inertie et à effet Doppler selon la présente invention; - la figure 4 est un schéma synoptique de principe d'un système de navigation utilisant la présente invention. Une application de la présente invention est destinée à rendre un système de guidage à inertie capable de fournir un cap magnétique cor- rect. Un aspect fondamental de tout détecteur de cap magnétique réside dans la nécessité de mesurer un cap dans le seul plan horizontal. Toute contamination de cette mesure par une partie du champ magnétique vertical de terre, due à une erreur d'inclinaison (tangage ou roulis), se traduit par une erreur de cap importante. La présente invention est orientée vers une technique de calcul précis du tangage et du roulis dans le plan hori- zontal sans les effets de contamination des données exercés par l'attrac- tion terrestre. La figure 2 montre les deux composantesdu champ magnétique terrestre, BH et Bv, ainsi que le système de coordonnées X, Y, Z d'une structure d'avion. Le tracé de la figure 2 correspond aux conditions de vol horizontal sur un cap H. Le cap magnétique de l'avion se calcule par la formule: - H = tan-1 BH BHX dans laquelle BHY est la composante du champ terrestre suivant l'axe des Y, H BHX est la composante du champ terrestre suivant l'axe des X. S'il existe des erreurs dans la mesure du tangage et du roulis, les composantes du champ magnétique vertical terrestre sont alors jumelées dans le cadre à système de coordonnées X, Y, et le cap ne sera pas calculé correctement. Dans ces conditions, le cap est calculé avec une erreur, H, suivant la formule: suivant la formule: tan (H + úH) = BV sin H + - *H BV cos H + - BH dans laquelle: ER et SP sont respectivement des erreurs des grandeurs de tangage et de roulis. Si le cap est proche de zéro ou 180 degrés, l'erreur de cap calculée est donnée approximativement par la formule: B c H - B.(cR) EH Si le cap est proche de 90 ou de 270 degrés, l'erreur de cap calculée est (O R) (EP) donnée approximativement par la formule: BV c H (EcP) BH L'erreur de cap est ainsi fonction du cap, de l'importance des erreurs de tangage et de roulis, et du rapport des composantes verticaleet horizon- tale du champ magnétique terrestre. La figure 1 montre l'erreur de cap en fonction de l'erreur de roulis (en supposant un vol en direction du nord) par opposition à l'angle de déclinaison, (tan -1 [BV/BH]) Cette figure identifie également les zones géographiques de la terre asso- ciées à différentes plages d'angles de déclinaison. Il faut, de manière caractéristique, considérer un fonctionnement dans des zones o les angles de déclinaison peuvent atteindre jusqu'à 70 degrés. La figure 1 montre que, dans ce cas, pour une erreur de cap d'un degré, il faut une précision ver- ticale de 0,25 degré. La figure 3 illustre une boucle à inertie et à effet Doppler 10 destinée à calculer un angle de tangage. Il est bien entendu qu'une seconde boucle similaire est reproduite pour le calcul de l'angle de roulis. Un détecteur multiple classique envoie un signal de sortie A x d'accéléromètre d'axe des X sur la ligne 12 qui constitue une première en- trée dans un circuit soustracteur 14. La grandeur d'accélération sur la ligne 12 comprend des composantes, à savoir, (1) la composante d'accéléra- tion linéaire souhaitée et (2) la composante d'attraction contaminante. Seule la composante d'attraction est calculée par la boucle 10 et devient utilisable en retour sous la forme d'une seconde entrée dans le circuit soustracteur 14 de sorte qu'il en résulte une soustraction des deux entrées, ce qui développe l'accélération linéaire souhaitée le long de la ligne 16. L'accélération linéaire souhaitée de la ligne 16 est ensuite transmise à la première entrée d'un circuit soustracteur 22 qui possède comme seconde entrée un signal d'erreur qui lui est transmis par l'intermédiaire d'une ligne 38, laquelle sera abordée brièvement ultérieurement. Le résultat provenant du circuit soustracteur 22 est une valeur corrigée d'accélération linéaire qui subit une intégration dans un intégrateur 24 pour ainsi fournir une valeur correcte de vitesse inertielle, laquelle doit, dans une situation idéale, être identique à la vitesse fournie par un radar Doppler 32. La vitesse Doppler sert d'étalon ou de référence par l'intermédiaire d'une ligne 30, à un circuit soustracteur 28. Une ligne de sortie 33 est porteuse du signal d'erreur entre la vitesse inertielle le long d'une ligne 26 et la vitesse Doppler acheminée le long de la ligne 30. Le signal d'erreur subit un gain, au niveau de l'entrée 48 de l'amplificateur 50; et le signal de sortie de l'amplificateur est transmis, par l'intermédiaire d'une ligne 52, à la première entrée d'un circuit additionneur 46. Le terme de gain s accélère effectivement le traitement effectué par la boucle. La seconde entrée du circuit additionneur 46 est générée par l'intermédiaire d'une voie parallèle à celle de l'amplificateur 50. De manière plus spécifique, un intégrateur 42 reçoit le signal d'erreur du circuit soustracteur 28 qui arrive à une entrée 40 de l'intégrateur 42, lequel intègre et multiplie le signal d'erreur à ce niveau par une constante 8. L'intégrateur de données mémorise la dérive du gyroscope et cette erreur est compensée en conséquence dans la boucle indiquée. Les composantes de signal d'erreur combinées pro- venant des lignes 44 et 52 sont additionnées dans le circuit additionneur 46.et le signal obtenu est relié, par l'intermédiaire d'une ligne 54, à une première entrée d'un circuit additionneur 56. La vitesse inertielle est reliée en seconde entrée au circuit additionneur 56 en suivant une voie de sortie parallèle 58 de l'intégrateur 24. La sortie 60 du circuit addition- neur 56 est multipliée par un facteur d'étalonnage inversement proportionnel au rayon de la terre, par un circuit multiplicateur 62, pour constituer, sur une ligne de sortie 64, une sortie qui correspond à la vitesse angulaire du véhicule concerné autour de la terre. En additionnant le signal de sor- tie acheminé le long de la ligne 64 et la vitesse de rotation de la terre, on peut prendre en compte l'effet dynamique du déplacement du véhicule au- tour de la terre et l'effet de la rotation de la terre. Ceci est réalisé dans un circuit additionneur 68 qui relie la sortie de la ligne 64 et la vitesse de la terre d'une ligne 66 pour constituer un résultat de sortie sur une ligne 70. Un circuit soustracteur 74 possède une première entrée reliée à la ligne 70 et une seconde entrée reliée en 72 au détecteur de vitesse de l'axe des X d'une sortie de détecteur multiple (figure 4) qui génère la vitesse angulaire du véhicule (Wx). En effectuant la soustrac- tion indiquée, la sortie du circuit différentiel 74 génère une donnée re- lative à la vitesse angulaire du véhicule par rapport à la terre sur une ligne 76. Cette donnée est ensuite soumise à intégration dans un intégra- teur 78 qui calcule l'angle de tangage actualisé au niveau de la sortie 80. En dérivant le sinus de l'angle de tangage sur un circuit 82, on dispose alors en 84 du sinus de l'angle de tangage calculé en vue d'une multiplica- tion par l'attraction terrestre, calcul effectué par un circuit 86. Le ré- sultat est que la ligne 18 est porteusede la composante d'attraction ter- restre de l'accélération du véhicule; et comme indiqué initialement, si l'on soustrait cette dernière de l'accélération totale du véhicule a., on peut dériver la composante d'accélération linéaire. Pour obtenir une plus grande précision dans la détermination de l'accélération linéaire, on peut soustraire la valeur de l'effet de Coriolis au niveau du circuit sous- tracteur 14. L'effet de Coriolis est fonction de la latitude et de la vitesse du véhicule ainsi que de la vitesse de rotation de la terre, et, dans une application réelle, la valeur de l'effet peut être facilement mémorisée sur une table de mémoire morte à consulter. Ainsi, comme il a été décrit, l'intégration de l'accélération, après compensation de la contamination par l'attraction terrestre, fournit la correction du déplacement du véhicule autour de la terre suivant le calcul effectué par la boucle de la figure 3. Dans le circuit soustracteur 28, la vitesse Doppler est comparée à la vitesse inertielle et la diffé- rence est utilisée pour amortir les oscillations de la boucle principale par l'intermédiaire d'une boucle gamma comprenant des lignes d'interconnec- tion 33, 34, et un circuit 36 qui introduit le terme de retour d'amortisse- ment Tsur la ligne 38 en direction d'une entrée soustractrice du circuit soustracteur 22. Le traitement qui se déroule dans la boucle à inertie et à effet Doppler de la figure 3 peut être mis en oeuvre aussi bien sur un ordinateur analogique que sur un ordinateur numérique ou un ordinateur hybride; Si l'on considère le concept inventif de la figure 3, son applica- tion logicielle réelle sur un ordinateur est tout à fait dans le domaine des compétences d'un homme de l'art. Il faut souligner qu'une boucle simi- laire à celle qui vient d'être présentée doit être reproduite pour le calcul de l'angle de roulis dans la mesure o la figure 3 ne concerne que le traite- ment de l'angle de tangage. Afin que l'on puisse apprécier l'application de la présente invention, la figure 4 représente un schéma synoptique d'un système de navigation utilisant la présente invention. Les calculs décrits en rela- tion avec la boucle de la figure 3 ainsi qu'avec une boucle reproduite pour le calcul de l'angle de roulis peuvent être effectués par un ordinateur numérique d'un Système de Navigation Doppler 88. Dans le système de navi- gation global illustré sur la figure 4, les éléments et lignes communs à ceux préalablement décrits sur la figure 3 portent des numéros de référence identiques. Deux axes d'accélération sont utilisés; tous deux s'étendent dans un plan formé par l'axe avant-arrière et l'axe des ailes d'un véhicule. Deux axes de gyroscope (X et Y) sont utilisés par le calcul du roulis et du tangage de manière correspondante à la description de la présente in- vention telle que définie en relation avec la figure 3. Un troisième axe orienté vers Z est utilisé pour lisser le cap dérivé du magnétomètre. Le convertisseur analogique-numérique indiqué convertit les signaux de sortie émis par les détecteurs analogiques mentionnés en format numérique mis à la disposition de l'ordinateur 88 par l'intermédiaire de la liaison d'in- terconnection entre le convertisseur et l'ordinateur. Le tangage et le roulis dérivés par la boucle à inertie et à effet Doppler de la figure 3 sont utilisés pour transformer les signaux de sortie du magnétomètre triaxial représenté sur la figure 4 en un cadre à système de coordonnées horizontales. La transformation réelle peut être effectuée sur l'ordina- teur du Système de Navigation Doppler suivant des algorithmes bien établis dans l'art et qui ne constituent pas, en soi, la présente invention. Les signaux de sortie provenant du magnétomètre triaxial comprennent Mx, My, M qui sont les trois composantes du champ d'attraction terrestre des z composantes de la structure d'avion qu'il faut transformer, en utilisant la présente invention, au moyen des angles de tangage et de roulis en composantes horizontales et verticales de manière à pouvoir déterminer le cap magnétique d'un avion piloté. Ceci est indiqué par la donnée de sortie HM à la sortie de l'ordinateur 88 sur la figure 4. D'autres données dis- ponibles sous la forme de composantes X, Y, Z souhaitées comprennent les termes de vitesse Vx, Vy et Vz ainsi que les termes de vitesse angulaire suivant les trois axes, à savoir,WLx,UJy, etuJz. Comme il est également indiqué à la sortie de l'ordinateur 88 sur la figure 4, des données rela- tives au tangage (P) et au roulis (R) sont à la disposition d'un ordinateur de navigation, lequel peut ensuite utiliser la totalité des données calcu- lées à des fins de pilotage automatique. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux détails précis de construction représentés et décrits ici, des modifications étant évidentes pour l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Boucle à inertie et à effet Doppler (10) pour calculer res- pectivement l'angle de roulis ou de tangage d'un véhicule, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un premier moyen soustracteur (14) possédant une première en- trée reliée à un signal d'accélération totale comprenant des composantes linéaire et d'attraction terrestre suivant un axe prédéterminé; une seconde entrée du moyen soustracteur (14) étant reliée à un signal relatif à la seule composante d'attraction terrestre, et la sortie du moyen soustracteur (14) émettant un signal correspondant à l'accélération linéaire souhaitée; - un premier moyen intégrateur (24) relié à la sortie du moyen soustracteur (14) pour émettre un signal correspondant à la vitesse iner- tielle suivant l'axe prédéterminé; - un moyen Doppler (32) pour générer un signal de vitesse indé- pendant relatif à l'axe prédéterminé; - un second moyen soustracteur (22) possédant des entrées reliées respectivement aux signaux de vitesse inertielle et Doppler pour émettre un signal d'erreur; - un moyen (62) pour traduire le signal d'erreur plus la vitesse inertielle en vitesse angulaire du véhicule par rapport à la terre; - un moyen (78) relié au moyen traducteur (62) pour générer un signal correspondant à l'angle respectif de roulis ou de tangage à partir de la vitesse angulaire; - un moyen (82) relié à la sortie du moyen générateur (78) pour transmettre un signal indicatif de sinus de l'angle respectif de roulis ou de tangage; un moyen (86) relié à la sortie du moyen transmetteur de sinus (82) pour multiplier le sinus de l'angle par une grandeur correspondant à l'attraction terrestre afin d'obtenir la composante d'attraction terrestre de l'accélération totale; et - un moyen (18) reliant la sortie du moyen multiplicateur (86) à la seconde entrée du premier moyen soustracteur (14) pour fournir un signal d'accélération linéaire précis au niveau de la sortie du premier moyen soustracteur (14). 2. Bouele selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte également un troisième moyen soustracteur (28) relié, au niveau de sa première entrée, à la sortie du premier moyen soustracteur (14) et, au niveau de sa sortie, à une entrée du premier moyen intégrateur (24); et un moyen de retour (36) raccordé entre la sortie du second moyen sous- tracteur (22) et une seconde entrée du troisième moyen soustracteur (28) pour amortir le retour entre le premier moyen soustracteur (14) et le premier moyen intégrateur (24). 3. Boucle selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen pour traduire le signal d'erreur plus la vitesse inertielle en vitesse angulaire du véhicule par rapport à la terre comporte: un moyen (62) pour étalonner le signal d'erreur plus la vitesse inertielle sous la forme d'une fonction inverse du rayon de la terre pour dériver la vitesse angulaire du véhicule autour de la terre; un moyen additionneur (68) possédant une première entrée reliée à une sortie du moyen d'étalonnage (62), une seconde entrée pourvue de la vitesse angulaire de la terre en vue de développer, au niveau de la sortie du moyen additionneur (68), un signal correspondant à la somme de l'effet dynamique d'un véhicule se déplaçant autour de la terre et de l'effet de la rotation de la terre; et un quatrième moyen soustracteur (74) relié, au niveau d'une première entrée, à la sortie du moyen additionneur (68) et, au niveau d'une seconde entrée, à un signal de vitesse angulaire du véhicule dérivée de manière indépendante de la boucle, la sortie du quatrième moyen soustracteur (74) fournissant le signal d'erreur traduit correspondant à la vitesse angu- laire du véhicule par rapport à la terre. 4. Boucle selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen pour générer un signal de l'angle respectif de roulis ou de tangage à partir de la vitesse angulaire comporte un moyen (78) pour intégrer la sortie du quatrième moyen soustracteur (74). 5. Boucle selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte également un moyen relié à une entrée du premier moyen sous- tracteur (14) pour soustraire un signal correspondant à l'Effet de Coriolis. 6. Boucle selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen pour traduire le signal d'erreur plus la vitesse inertielle en vitesse angulaire du véhicule par rapport à la terre comporte: un moyen (62) pour étalonner le signal d'erreur plus la vitesse inertielle sous la forme d'une fonction inverse du rayon de la terre pour dériver la vitesse angulaire du véhicule autour de la terre; un moyen additionneur (68) pos- sédant une première entrée reliée à une sortie du moyen d'étalonnage (62), une seconde entrée pourvue de la vitesse angulaire de la terre en vue de développer, au niveau de la sortie du moyen additionneur (68), un signal correspondant à la somme de l'effet dynamique d'un véhicule se déplaçant autour de la terre et de l'effet de la rotation de la terre; et un quatrième moyen soustracteur (74) relié, au niveau d'une première entrée, à la sortie du moyen additionneur (68) et, au niveau d'une seconde entrée, à un signal de vitesse angulaire du véhicule dérivée de manière indépen- dante de la boucle, la sortie du quatrième moyen soustracteur (74) fournis- sant le signal d'erreur traduit plus la vitesse inertielle correspondant à la vitesse angulaire du véhicule par rapport à la terre. 7. Boucle selon la revendication 6, caractérisée en ce que le moyen pour générer un signal de l'angle respectif de roulis ou de tangage à partir de la vitesse angulaire comporte un moyen.pour intégrer la sortie du quatrième moyen soustracteur. 8. Boucle selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte également un moyen relié à une entrée du premier moyen soustracteur pour soustraire un signal correspondant à l'Effet de Coriolis. 9. Procédé pour calculer l'angle de roulis ou de tangage d'un véhicule à partir de signaux inertiels et Doppler, caractérisé en ce qu'il consiste à: - calculer l'accélération linéaire d'un véhicule; - intégrer l'accélération pour obtenir la vitesse inertielle du véhicule; - comparer la vitesse inertielle à la vitesse détectée par un Doppler et à former entre celles-ci une valeur d'erreur; - traduire la valeur d'erreur plus la vitesse inertielle en vitesse angulaire du véhicule autour de la terre; superposer la vitesse de rotation de la terre et la vitesse angulaire du véhicule pour dériver l'effet dynamique du véhicule se dé- plaçant autour de la terre par rapport à la rotation de la terre; soustraire la vitesse angulaire du véhicule mesurée du calcul de l'effet dynamique pour dériver une mesure précise de la vitesse angulaire du véhicule par rapport à la terre; - intégrer la vitesse angulaire dérivée pour former une mesure actualisée d'un angle respectif de roulis ou de tangage; - calculer le sinus de l'angle; - multiplier le sinus de l'angle par l'accélération de l'attrac- tion terrestre; et - soustraire la grandeur multipliée de l'accélération totale du véhicule mesurée qui comprend des composantes linéaire et d'attraction terrestre pour ainsi obtenir un calcul précis de la seule composante d'accé- lération linéaire. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste également à ajuster la valeur calculée de l'accélération linéaire au moyen de l'Effet Coriolis.