Brevet FR2611399A1 — publié le 19880902

Système d'aide à l'atterrissage mettant en oeuvre des satellites de navigation L'invention concerne un système d'aide à l'atterrissage pour aéronefs. Le système d'aide à l'atterrissage le plus récent et qui est normalisé, est un système d'atterrissage à micro-ondes, appelé MLS. Il comporte deux faisceaux étroits de micro-ondes, réalisant respectivement un balayage vertical et un balayage horizontal dans le prolongement d'une piste d'atterrissage. Ces deux faisceaux permettent de déterminer la position d'un aéronef respectivement dans un plan vertical et dans un plan horizontal. Ce système MLS équipe ou équipera couramment les grands aéroports, mais il a l'inconvénient de nécessiter une infrastructure complexe pour chaque piste. Cette infrastructure est trop coûteuse pour les petits aéroports, d'une part, et, d'autre part, trop complexe pour être installée rapidement auprès d'une piste d'atterrissage militaire pour des besoins tactiques. Par ailleurs, on connaît des systèmes de positionnement très précis mettant en oeuvre des satellites de navigation tels que ceux du système de positionnement appelé NAVSTAR/GPS. Un tel système comporte une pluralité de satellites, chaque satellite émettant des signaux pilotés par une horloge atomique et constitués notamment par des données d'almanach permettant de connaître la position du satellite par rapport à un repère géodésique. Un récepteur de positionnement, embarqué dans un aéronef par exemple, permet de déterminer la position de cet aéronef en recevant simultanément les signaux émis par plusieurs satellites situés en vue directe à un instant donné. Une constellation de 18 satellites est prévue afin de permettre la réception de quatre ou cinq satellites à tout instant en tout point de la terre. Chaque récepteur de positionnement comporte un dispositif de calcul permettant de calculer la position de l'aéronef dans trois dimensions et à une cadence élevée, en utilisant toutes les informations de phase cumulée de la porteuse émise par chaque satellite et en utilisant la phase d'un code modulant cette porteuse. Un procédé différentiel, décrit, par exemple, dans la revue française NAVIGATION n 137, pages 88 à 91, janvier 1987, permet d'améliorer la précision du positionnement réalisé au moyen du système GPS. Par ce procédé différentiel, la précision obtenue est de l'ordre de 3 mètres en moyenne et permet d'envisager l'utilisation du système GPS comme aide à l'atterrissage des aéronefs. Selon ce procédé différentiel, le système comporte une station fixe constituant une référence pour les aéronefs situés au voisinage de la station fixe, dans un rayon de 100 kilomètres par exemple. La station fixe comporte un récepteur de positionnement par satellites, fournissant une estimation de la position de cette station fixe, et des moyens de calcul fournissant des données de correction traduisant l'écart entre cette estimation et une position de référence qui peut être la position de la station fixe, relevée sur une carte. Après suppression de l'essentiel du décalage de l'horloge incorporée au récepteur de la station fixe, les distances observées pour chaque satellite, et qui sont appelées pseudo-distances, sont comparées aux distances exactes calculées à partir des données d'almanach transmises par les satellites et à partir de la position de référence. Le résultat de ces calculs fournit des données de correction permettant de compenser la plupart des erreurs provenant des éphémérides des satellites et provenant des incertitudes de propagation des ondes radio. La station fixe comporte en outre des moyens de transmission radio pour transmettre les données de correction aux aéronefs. La station embarquée à bord de chaque aéronef comporte, en plus du récepteur de positionnement par satellite, des moyens de réception radio pour recevoir les données de correction, et des moyens de calcul pour corriger, au moyen des données de correction, l'estimation de position fournie par le récepteur de positionnement. Ce dispositif de calcul peut être ineorporé au récepteur de positionnement qui est alors appelé récepteur de positionnement différentiel et qui fournit directement la valeur de l'estimation corrigée. L'estimation corrigée a une précision suffisante pour être utilisable pour guider un atterrissage mais nécessite un matériel complémentaire de réception. Cependant il n'est pas souhaitable, pour des raisons d'encombrement et de coût, d'augmenter la quantité de matériel équipant les aéronefs, pour leur permettre d'utiliser un autre système d'aide à l'atterrissage, complémentaire du système MLS. Le but de l'invention est de proposer un système d'aide à l'atterrissage permettant de remplacer le système MLS pour les pistes d'atterrissage qui ne peuvent pas être équipées avec ce système, sans augmenter notablement le coût des matériels de navigation et d'aide à l'atterrissage déjà utilisés à bord des aéronefs. L'objet de l'invention est un système comportant essentiellement, à bord de chaque aéronef, un récepteur classique prévu pour l'aide à l'atterrissage de type MLS, et un récepteur de positionnement par satellite, classique, de type GPS. Selon l'invention, un système d'aide à l'atterrissage mettant en oeuvre des satellites de navigation,--comportant: une pluralité de satellites de navigation émettant des signaux pilotés par une horloge; une station fixe située à proximité des pistes d'atterrissage; et une station embarquée à bord de chaque aéronef; est caractérisé en ce que la station fixe comporte: - un récepteur de positionnement par satellites, fournissant une estimation de la position de cette station fixe, et des moyens de calcul fournissant des données de correction traduisant l'écart entre cette estimation et une position de référence; - des moyens de transmission radio pour transmettre les données de correction, émettant dans un canal radio conformément aux normes du système d'atterrissage à micro-ondes, dit MLS et en ce que la station embarquée comporte - un récepteur radio classique pour la réception des données transmises par un système d'atterrissage à micro-ondes dit MLS; - un récepteur de positionnement par satellites et des moyens de calcul fournissant une estimation de la position de l'aéronef, corrigée au moyen des données de correction reçues par le récepteur radio. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails appa- raîtront dans la description, ci-dessous, de deux exemples de réalisation du système selon l'invention, et à l'aide des figu- res 1 et 2 représentant des schémas synoptiques de ces deux exemples de réalisation. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 1 com- porte: une pluralité de satellites du système GPS/NAVSTAR, 3 à 7; une station fixe 1 qui constitue la station de référence; et une station 2 embarquée à bord d'un aéronef non représenté. La station fixe i comporte: un récepteur 11 de positionnement par satellite, non différentiel; un disposit'f de calcul 12 et un émetteur de données 13. Le récepteur 11 est un récepteur de positionnement par satellite GPS/NAVSTAR non différentiel, qui est par exemple un récepteur TRIMBLE 10X commercialisé par la société TRIMBLE. Il est relié à une antenne 10 pouvant recevoir les signaux émis par tous les satellites qui sont en vue directe. Il possède une première sortie reliée à une entrée du dispositif de calcul 12 pour lui fournir une estimation X, Y, Z des coordonnées géodésiques de la position de la station fixe 1, calculée de manière classique à partir des signaux reçus de quatre satellites, 3 à 6, parmi tous les satellites 3 à 7 qui sont en vue directe à l'instant considéré. Ce calcul consiste essentiellement à déterminer les pseudo-distances séparant la station fixe i par rapport à ces quatre satellites, 3 à 6, puis à en déduire les coordonnées géodésiques de la station fixe 1 à partir des données d'almanach transmises par ces satellites et qui permettent de connaitre à chaque instant leur position par rapport à la terre. Le récepteur 11 possède une seconde sortie reliée à une entrée de l'émetteur de données 13 pour lui fournir les numéros des satellites dont les signaux sont utilisés pour estimer les coordonnées X, Y, Z. Le dispositif de calcul 12 possède en outre une entrée recevant trois coordonnées de référence qui sont constantes. Il calcule l'écart entre ces coordonnées de référence et les coordonnées X, Y, Z, et en déduit des données de correction notées A X, D Y, a Z. Il possède une sortie reliée à une entrée de l'émetteur 13 pour lui fournir ces données de correction. Les coordonnées de référence peuvent être soit la position géodésique exacte de la station fixe 1, si elle est connue soit celle déterminée par le récepteur 11 à un instant antérieur et mémorisée une fois pour toutes. Le dispositif de calcul 12 est constitué par un dispositif de calcul classique à microprocesseur. Il a aussi pour fonction de fournir une information dite d'intégrité indiquant que les signaux des satellites utilisés pour déterminer les coordonnées X, Y, Z sont de qualité suffisante. Le dispositif 12 possède une sortie reliée à une entrée de l'émetteur 13 pour lui fournir cette information d'intégrité. L'émetteur de données 13 possède une entrée recevant une suite d'informations propres au lieu d'atterrissage. Par exemple: l'angle de la direction d'une piste d'atterrissage par rapport au nord magnétique, les coordonnées du seuil de la piste, et l'identité de celle-ci. Les coordonnées du seuil de la piste, transmises par l'émetteur 13, doivent se rapporter au même repère de référence que les coordonnées de référence fournies au dispositif de calcul 12 de la station fixe 1. Les coordonnées transmises sont les coordonnées géodésiques du seuil de la piste dans les cas o les coordonnées de référence sont les coordonnées géodésiques de la station fixe 1. Les coordonnées transmises sont des coordonnées mesurées en utilisant le système selon l'invention, dans le cas o les 26 1 1399 coordonnées de référence sont des coordonnées mesurées au moyen du récepteur 11 de la station 1, à un instant antérieur, et mémorisées une fois pour toutes. Pour cela, un aéronef est placé au seuil de la piste et une série de mesures de position est effectuée avec une station embarquée. L'émetteur 13 a une sortie reliée à une antenne 14 omnidirectionnelle dans le plan horizontal. Il émet sur un canal radio qui est dédié habituellement à la transmission des données auxiliaires pour le système d'aide à l'atterrissage de type MLS, L'émetteur 13 émet, selon le format normalisé pour le système MLS, les données constituées par: les données de correction & X, L Y, à Z; l'information d'intégrité; les numéros de satellites; et les informations propres au lieu d'atterrissage. La fréquence du canal MLS utilisée par l'émetteur 13 est propre au lieu d'atterrissage. La station embarquée 2 comporte: un récepteur de don- nées, 17; un récepteur 18 de positionnement par satellite, non différentiel; et un dispositif de calcul 19. Le récepteur de données 17 est un récepteur classique que comporte tout aéronef équipé du système d'aide à l'atterrissage du type MLS. Il est relié à une antenne 16 omnidirectionnelle dans le plan horizontal. Il est accordé, par le pilote de l'aéronef, sur la fréquence du canal MLS propre au lieu d'atterrissage. Il possède: une première sortie reliée à une entrée du récepteur 18 pour lui fournir les numéros des satellites qui ont été utilisés par la station fixe 1 pour l'estimation des coordonnées X, Y, Z. Il possède une deuxième sortie reliée à une entrée du dispositif de calcul 19 pour lui fournir les données de correction LX, bY, A Z; une troisième sortie et une quatrième sortie reliées respectivement à deux entrées d'un calculateur de bord 8 situé à bord de l'aéronef considéré pour lui fournir l'information d'intégrité et les informations propres au lieu d'atterrissage. Le récepteur 18 est relié à une antenne 20 lui permettant de recevoir tous les satellites, 3 à 7, qui sont en vue directe 26 1 1399 à l'instant considéré. Le récepteur 18 est un récepteur classique de positionnement non différentiel par satellite GPS/NAVSTAR. Il possède une sortie fournissant une estimation X', Y', Z', des coordonnées géodésiques de l'aéronef, à une entrée du dispositif de calcul 19. Le récepteur 18 peut être constitué par un récepteur TRIMBLE 10X, légèrement modifié car les numéros des satellites dont les signaux sont utilisés par le récepteur 18, ne sont pas entrés manuellement par un opérateur mais sont fournis par le récepteur 17. Cette modification n'est pas décrite car elle est à la portée de l'homme de l'art. Une sortie du dispositif de caleul 19 fournit une estimation corrigée des coordonnées géodésiques de la station embarquée 2, calculée selon un algorithme classique, à partir des données de correction aX, b Y, úAZ et de l'estimation X', Y', Z' fournie par le récepteur 18. Le calculateur de bord 8 revoit donc des coordonnées très précises de la position de l'aéronef et l'information d'intégrité qui garantit la validité des signaux des satellites utilisés et des données de correction. Il reçoit en outre 2 0 l'angle de la direction de la piste par rapport au nord magnétique, les coordonnées du seuil de la piste, et éventuellement toute autre information propre au lieu d'atterrissage. Le caleulateur 8 est un calculateur de bord classique qui détermine des informations de guidage pour l'atterrissage. Ces informations sont fournies au pilote humain par un indicateur à aiguilles croisées, ou bien sont fournies au pilote automatique. Les récepteurs de positionnement par satellites comportent classiquement, un dispositif de calcul à microprocesseur. Une variante de réalisation du système selon l'invention peut consister à utiliser le dispositif de calcul incorporé au récepteur 11 de la station fixe 1 pour constituer le dispositif de calcul 12, moyennant une modification de la programmation du microprocesseur qui réalise les calculs de position dans le récepteur 11. De même, les calculs réalisés par le dispositif de calcul 19 de la station embarquée 2 peuvent être réalisés par le microprocesseur qui réalise les calculs de position dans le récepteur 18, moyennant une modification du programme de ce microprocesseur. Ce même microprocesseur peut être utilisé aussi pour effectuer certains des calculs de guidage, à la place du calculateur de bord 8. La figure 2 représente le schéma synoptique d'un second exemple de réalisation du système selon l'invention. Il diffère du premier exemple de réalisation par le type des données de correction qui sont transmises de la station fixe 1 à la station embarquée 2. Dans la station fixe 1, le récepteur 11 est remplacé par un récepteur 11' qui est un récepteur de positionnement par satellites, qui fournit, en plus de l'estimation des trois coordonnées X, Y, Z, une estimation des pseudo-distances mesurées entre la station fixe 1 et respectivement tous les satellites 3 à 7 qui sont en vue directe de la station fixe 1 à l'instant considéré. Dans cet exemple, le récepteur Il' fournit 5 valeurs de pseudo-distance: dl,..., d5 correspondant respectivement aux satellites 3 à 7. Ces valeurs sont appliquées à une entrée d'un dispositif de calcul 12' analogue au dispositif de calcul 12 mais fonctionnant selon un programme un peu différent pour déterminer des données de correction Adl,..., /d5 traduisant l'écart entre l'estimation des pseudo-distances dl,..., dB et des valeurs de référence fixées qui sont calculées par le dispositif de calcul 12'. Dans ce second exemple de réalisation, les valeurs de référence sont constituées par des valeurs vraies des pseudo-distances séparant la station fixe 1 des satellites 3 à 7, ces valeurs vraies étant calculées, à un instant donné, à partir de la position de chaque satellite et de la position de la station fixe 1. Comme dans le premier exemple de réalisation, le dispositif de calcul 12' possède une entrée recevant trois coordonnées de référence fixées qui sont: soit les coordonnées géodésiques de la station 1; soit les coordonnées mesurées par le récepteur 11' à un instant antérieur et mémorisées une fois pour toutes. Le dispositif de calcul 12' détermine, comme le dispositif de calcul 12, une information d'intégrité indiquant une bonne réception des signaux émis par les satellites et utilisée pour déterminer l'estimation des pseudo-distances dl, d5. Comme dans le premier exemple de réalisation, l'émetteur de données 13 émet sur un canal aux normes du système d'aide à l'atterrissage MLS et selon un format conforme à ces normes. Il transmet les données de correction pour tous les satellites en vue directe, l'information d'intégrité, les numéros des satellites correspondant aux données de correction, et des informations propres au lieu d'atterrissage. La station embarquée 2 diffère de celle du premier exem- ple de réalisation par le fait que le récepteur 18 et les moyens de calcul 19 sont constitués par un récepteur 18' de positionne- ment différentiel par satellite. Un tel récepteur possède une entrée pour des données de correction transmises par une station fixe de référence. Le récepteur 18' reçoit les émissions de tous les satellites, 3 à 7, qui sont en vue directe et en sélectionne quatre pour faire une estimation de sa position. Il ne sélectionne pas forcément les mêmes que ceux sélectionnés par le récepteur 11' pour déterminer sa position. Un récepteur classique de positionnement différentiel par satellite GPS/NAVSTAR capable de corriger une estimation de sa position au moyen de données de correction transmises par une station fixe de référence peut être utilisé pratiquement sans modification. Par exemple, le récepteur 18' peut être constitué par un récepteur de type TR-5S commercialisé par la société SERCEL (marque déposée). Ce second exemple de réalisation nécessite un récepteur de positionnement différentiel dans chaque station embarquée 2, mais a pour avantage de fournir une meilleure précision de posi- tionnement pour un récepteur car la correction est réalisée directement sur les pseudo-distances des satellites, avant filtrage et estimation de la position, contrairement au premier exemple de réalisation o la correction est réalisée après filtrage et estimation de la position. Un autre avantage réside dans l'absence de contrainte pour le choix des 4 satellites utilisés par le récepteur 18' pour déterminer sa position. Il est possible aussi de transmettre des données supplémentaires de correction, en plus des corrections sur les pseudo-distances, constituées par des corrections sur les pseudo-vitesses des satellites par rapport à la stalion fixe 1, les pseudo-vitesses vraies étant calculées par le dispositif de calcul 12 ou 12', à partir des données d'almanach des satellites. Des algorithmes connus permettent d'utiliser ces données de correction supplémentaires pour calculer avec plus de précision une estimation corrigée de la position de l'aéronef. L'invention ne se limite pas aux deux exemples de réalisa- tion décrits précédemment, de nombreux types de récepteurs de positionnement par satellites, différentiels ou non différentiels, peuvent être utilisés pour la réalisation du système selon l'invention. Dans tous les cas, la station embarquée présente l'avantage d'être réalisable au moyen d'un récepteur MLS et d'un récepteur de positionnement différentiel par satellite qui sont ou seront d'un usage courant à bord des aéronefs; et la station fixe ne nécessite pas une installation complexe avec des antennes directives, ce qui permet de l'installer rapidement n'importe o. Son installation est donc beaucoup moins coûteuse que celle d'une station fixe MLS. En outre, une même station fixe peut être utilisée pour plusieurs pistes voisines, en émettant des paquets de données distincts pour chaque piste, dans le même canal MILS, contrairement au système MLS o une station fixe distincte est nécessaire pour chaque piste. REVENDICATIONS 1. Système d'aide à l'atterrissage mettant en oeuvre des satellites de navigation, comportant: une pluralité de satellites de navigation (3 à 7) émettant des signaux pilotés par une horloge; une station fixe (1) située à proximité des pistes d'atterrissage; et une station (2) embarquée à bord de chaque aéronef; caractérisé en ce que la station fixe (1) comporte: un récepteur (11) de positionnement par satellites, fournissant une estimation de la position de cette station fixe (1), et des moyens de calcul (12) fournissant des données de correction traduisant l'écart entre cette estimation et une position de référence; - des moyens de transmission radio (13) pour transmettre les données de correction, émettant dans un canal radio conformément aux normes du système d'atterrissage à micro-ondes, dit MLS; et en ce que la station embarquée (2) comporte - un récepteur radio (17) classique pour la réception des données transmises par un système d'atterrissage à micro- ondes dit MLS; un récepteur (18) de positionnement par satellites et des moyens de calcul (19) fournissant une estimation de la position de l'aéronef, corrigée au moyen des données de correction reçues par le récepteur radio (17). 2. Système d'aide à l'atterrissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la station fixe (1) le récepteur de positionnement par satellites est constitué par un récepteur classique (11) de positionnement non différentiel par satellites; en ce que l'estimation de la position de la station fixe (1), fournie par le récepteur (11) de positionnement, est constituée par une estimation des trois coordonnés géodésiques de la station fixe (1); en ce que les données de correction sont constituées essentiellement par les écarts entre cette estimation et des valeurs de référence, et par des numéros Identifiant les satellites (4 à 6) dont les émissions ont été utilisées pour l'estimation de la position de la station fixe (1); en ce que, dans chaque station embarquée (2), le récep- teur de positionnement par satellite est constitué par un récep- teur classique (18) de positionnement non différentiel par satellites; et en ce que l'estimation corrigée de la position de la station embarquée (2) est constituée par une estimation corrigée des trois coordonnées géodésiques de la station embarquée (2), à partir des émissions des satellites désignés par les numéros transmis par la station fixe (1) et à partir des données de correction transmises par la station fixe (1) dans le canal radio conformément aux normes du système d'aterrissage MLS. 3. Système d'aide à l'atterrissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la station fixe (1) l'estimation de la position de la station fixe (1), fournie par le récepteur (11') de positionnement par satellites est constituée par une estimation des pseudo-distances entre la station fixe (1) et chacun des satellites (3 à 7) du système, dont les émissions sont recevables par la station fixe (1); en ce que les données de correction sont constituées essentiellement par les écarts entre cette estimation et des valeurs calculées à partir des valeurs de référence; et en ce que, dans chaque station embarquée (2), le récepteur de positionnement par satellites et les moyens de cal- cul sont constitués par un récepteur classique (18) de position- nement différentiel par satellites; et en ce que l'estimation corrigée de la position de la station embarquée (2) est réalisée par une estimation des pseudo-distances entre la station embarquée (2) et respectivement une pluralité de satellites (3 à 7) dont les émissions sont recevables par la station embarquée (2); l'estimation de ces pseudo-distances étant corrigée au moyen des données de correction transmises par la station fixe (1) sur un 26 1 1399 canal radio conformément aux normes du système d'atterrissage MLS. 4. Système d'aide à l'atterrissage, selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les moyens de transmission radio (13) transmettent en outre des informations propres au lieu d'atterrissage, notamment les coordonnées du seuil d'une piste d'atterrissage, ces coordonnées ayant été mesurées, dans un repère de référence de la station fixe (1), au moyen d'une station embarquée (2) à bord d'un aéronef placé sur ce seuil. 5. Système d'aide à l'atterrissage, selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'une même station fixe (1) est com- mune à plusieurs pistes d'atterrissage, cette station émettant, en plus des données de correction, des informations propres respectivement à chacune de ces pistes d'atterrissage.