Brevet FR2717585A1 — publié le 19950922

La présente invention concerne un système de localisation d'un récepteur ou d'un émetteur d'ondes radioélectriques parmi un ensemble d'émetteurs non dédiés au système. Elle s'applique à la réalisation de systèmes de radionavigation com- portant de faibles moyens d'infrastructure et à la localisation d'émetteurs dans la gamme des fréquences radioélectriques basses VLF-LF et MF. Les systèmes de radionavigation connus types LORAN ou OMEGA comportent généralement au moins un récepteur dont la position géographi- que est recherchée et une ou plusieurs balises radioélectriques fixes dispo- sées à des endroits bien déterminés sur la géoilde terrestre émettant sur des fréquences et avec des types de modulation dédiés au système. Les coûts de réalisation des infrastructures correspondantes sont très élevés et ceci d'autant plus que les systèmes couvrent un domaine géographique important. C'est le cas notamment des balises qui émettent de fortes puis- sances dans les bandes de fréquence VLF ou LF pour les besoins de radionavigation de submersibles par exemple. Les systèmes de radiolocalisation d'émetteurs sont composés d'un ensemble de capteurs, chaque capteur effectuant le relèvement goniométri- que de l'émission en utilisant soit une antenne directive, ou un système an- tennaire directif dans le cas de la goniométrie spatiale, soit un traitement de signal effectué en temps réel entre les phases des signaux reçus des différentes antennes dont il dispose. Dans ce dernier cas, la base an- tennaire du capteur doit avoir une dimension suffisante vis à vis de la longueur d'onde de l'émetteur à localiser. En VLF cela conduit à des distances entre antennes d'un même capteur très importantes, et rend ce type d'infrastructure difficile à réaliser dans les gammes des fréquences basses, du fait qu'il nécessite la présence d'un moyen de communication en temps réel entre les différentes antennes espacées d'un même capteur. D'autre part, ces systèmes qui sont pour la plupart sous la respon- sabilité d'organismes gouvernementaux font courir un risque aux utilisateurs qui peuvent toujours se voir privés des services correspondants en cas de conflit par exemple. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un système de localisation d'un récepteur ou d'un émetteur d'ondes radioélectriques parmi un ensemble d'émetteurs non dédiés au système situés en des lieux déterminés sur le géoïde terrestre, caractérisé en ce que au moins deux récepteurs sont munis respectivement d'un dispositif de communication pour transmettre vers une station centrale de synthèse les informations qu'ils reçoivent d'au moins deux émetteurs et en ce que la station centrale comporte des moyens de corrélation des informations qu'elle reçoit des récepteurs pour déterminer à partir des temps de propagation des ondes radioélectriques entre les émetteurs-récepteurs et la station centrale au moins un lieu géométrique de la position recherchée du récepteur ou de l'émetteur sur le géolde terrestre L'invention a pour principal avantage qu'elle permet de réaliser des systèmes de radionavigation et de localisation d'émetteurs d'infrastructure simple ne nécessitant pas de balises d'émissions radioélectriques spécifi- ques pour référencer l'échelle des temps du système de radionavigation et ne nécessitant pas dans les bandes VLF-LF, de moyens de transmission en temps réel entre les différentes antennes espacées d'un même capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: - La figure 1 un exemple de configuration d'un système de localisation de récepteur selon l'invention; - La figure 2 un exemple de tracé de pistes pour la localisation d'un récepteur selon l'invention; - La figure 3 un exemple de localisation d'un récepteur par intersec- tion de trois pistes selon l'invention; - La figure 4 un mode de réalisation d'un capteur composant le sys- tème de la figure 1; - La figure 5 un mode réalisation d'une station centrale de synthèse composant le système de la figure 1; - La figure 6 un graphe des temps de propagation du top de syn- chronisation transmis par une station centrale de synthèse vers les récep- teurs du système représenté à la figure 1; - La figure 7 un graphe de propagation des signaux émis par les émetteurs à destination des récepteurs du système de la figure 1; - La figure 8 un aspect temporel des échantillons reçus par chacun des capteurs du système de la figure 1; Les figures 9 et 10 des exemples de corrélations effectuées par la station centrale S de la figure 5 sur les signaux émis par les émetteurs du système; - Les figures 11 et 12 des exemples de tracés de pistes pour localiser un émetteur. Selon l'invention, la localisation d'un récepteur mobile par radionavi- gation s'obtient par l'intersection de lieux géométriques de ce récepteur à la surface du globe terrestre. Chaque lieu géométrique est déterminé par l'ensemble des positions géographiques possibles pour lesquelles un récepteur qui serait placé en chacune de ces positions donnerait les mêmes résultats de mesure sur les signaux qu'il reçoit de sources d'émissions radioélectriques situées en des positions connues par lui sur le géoilde terrestre. Dans ce qui suit chaque lieu géométrique est assimilable à une piste sur laquelle se trouve le récepteur. Pour tracer une piste le système selon l'invention comprend, de la façon représentée à la figure 1, au moins deux récepteurs A et B, dénommés ci-après "capteurs" dont l'un A est solidaire d'un mobile et dont au moins un autre B est dans une position fixe connue sur le géolde. Le système comprend également deux émetteurs de radiodiffusion ou de transmission de donnée, désignés par Y et Z sur la figure 1, une station centrale de synthèse S, et un dispositif pour la trans- mission de données entre les capteurs et la station centrale de synthèse S. Les émetteurs Y et Z émettent sur des fréquences et en des positions connues par l'ensemble des éléments du système. Leur émission peut cependant être dédiée à une toute autre organisation que celle du système de radionavigation ou de radiolocalisation de l'invention. Il en est ainsi notamment lorsque des émetteurs de radiodiffusion sont utilisés. Cependant leurs émissions doivent pouvoir être recrçues par les capteurs A et B. La sta- tion centrale de synthèse S reçoit les données transmises par le dispositif de transmission de données et effectue des calculs sur les données qu'il reçoit afin de communiquer les résultats à un opérateur ou à un autre système ca- pable de les exploiter. Comme montré sur la figure 2, une piste, o doit se situer le capteur A, dénommée [AY-Zl], est déterminée au niveau de la station centrale de synthèse S, par un calcul qui est effectué sur les données fournies par A et par B, en fonction de leur écoute des émissions qu'ils reçoivent des émetteurs Y et Z. Un calcul équivalent est effectué pour la piste [B:Y-Z] passant par B, la calibration du système s'effectuant par ajustement des paramètres permettant à la piste [B:Y-Z] de passer effectivement par le capteur B. Afin de localiser le capteur A, le système met à profit, figure 3, le signal d'un troisième émetteur X, dont les émissions doivent également être recçues sur le capteur A et au moins le capteur B. Grâce aux données d'écoute des émissions de X retransmises par les capteurs A et B, la station S trace les pistes [A:X-Y] et [A:X-Z], dont l'inter- section avec la précédente piste [A:Y-Z] permet la localisation du capteur A. Les pistes [B:X-Z] et [B:X-Y] sont également utilisées pour calibrer le système. Chaque capteur est formé, comme le montre la figure 4 d'une an- tenne 1 couplée éventuellement à un dispositif composé d'un filtre et d'un amplificateur 2, d'un dispositif d'acquisition 3 effectuant l'échantillonnage et la numérisation du signal reçu sur l'antenne 1 et d'un dispositif de communi- cation 4 entre la station centrale de synthèse S et le capteur. La station centrale de synthèse S comporte, de la manière représen- tée à la figure 5, des dispositifs de communication 5a, 5b avec les capteurs A et B couplés à un corrélateur 6 par l'intermédiaire respectivement de dispo- sitifs de mémorisation 7a, 7b en série éventuellement avec des filtres 8a et 8b. Le corrélateur 6 comporte des moyens de calcul formés par des dispositifs de pondération 9a et 9b couplés respectivement entre les sorties des dispositifs de mémorisation 7a et 7b et des dispositifs à retard 10a et b. Un soustracteur 11 est placé en sortie des dispositifs à retard 10a et b. Ce soustracteur 11 est relié par sa sortie à l'entrée d'un dispositif de mesure 12 par l'intermédiaire d'un filtre 13. Un automate 14 formé par un microprocesseur ou tout dispositif équivalent assure la commande des dispositifs 9a, 9b, 10a, 10b, 11, 12 et 13 du corrélateur 6. Une mémoire 15 est couplée à une sortie de donnée de l'automate 14 pour mémoriser les résultats de calcul effectué par l'automate 14 et éventuellement les convertir et les corriger. Suivant cette organisation les signaux appliqués aux entrées du cor- rélateur 6 sont pondérés en amplitude par les dispositifs de pondération 9a et 9b et les signaux résultants sont appliqués respectivement sur les deux entrées d'opérande du soustracteur 11 après avoir été retardés relativement l'un par rapport à l'autre par les dispositifs à retard 10a et 10b. La différence des deux signaux ainsi obtenue est appliquée au dispositif de mesure 12 après avoir été filtrée par le filtre 13. La mesure du niveau du signal ainsi obtenu est exploitée par l'automate 14 pour la commande de l'ensemble des dispositifs formant le corrélateur 6, et pour calculer les coordonnées géographiques des pistes représentatives des lieux géométriques sur lesquels sont situés les capteurs A ou B. Pour ce faire, et en se référant à la figure 6 la station centrale S transmet à un instant initial To un "top" aux deux capteurs A et B. Ce "top" est reçu - par le capteur A à l'instant TSA = TO + tSA - par le capteur B à l'instant TSB = TO + ts8B tSA et tsB étant les temps de propagation du "top" entre la station S et les capteurs A et B. A l'instant de réception de ce "top," le capteur A échantillonne le signal reçu sur son antenne, pendant une durée tpRoF. Comme le montre la figure 7, le signal reçu par le capteur A est com- posé du signal émis par Z, retardé du délai de transmission tzA entre Z et A du signal émis par Y, retardé du délai de transmission tyA entre Y et A et de bruits et signaux parasites. De même, à l'instant de réception du "top", le capteur B effectue l'ac- quisition des échantillons du signal qu'il reçoit sur son antenne, pendant une même durée tPROF. Ce signal est composé du signal émis par Z, retardé du délai de transmission tZB entre Z et Bn du signal émis par Y, retardé du délai ty8 de transmission entre Y et B et de bruits et signaux parasites. Chacun des deux capteurs A et B envoie ensuite à la station centrale de synthèse S les échantillons correspondant à leurs acquisitions. En désignant par Ty l'instant o un phénomène remarquable tempo- rellement, c'est-à-dire reconnaissable par corrélation, est émis par Y, et par s Tz l'instant o un autre phénomène remarquable est émis par Z, ces phé- nomènes pouvant être, par exemple, un état de modulation particulier, un état de phase, d'amplitude, de fréquence,... - Le phénomène émis par Y est reçu par A à TyA = Ty + tyA (1) et est reçu par B à TyB = Ty + tyB (2) Le phénomène émis par Z est reçu par A à TZA = Tz + tZA (3) et est reçu par B à TZB = Tz + tzB (4) Les signaux correspondant à ces phénomènes sont mémorisés dans les dispositifs de mémorisation d'échantillons, 7a, 7b. Ils correspondent aux instants d'échantillonnage, représentés figure 8, et déterminés par les rela- tions TyA = TSA + tAy (5) TyB = TSB + tBy (6) TZA = TSA + tAZ (7) TZB = TSB + tBZ (8) Il découle des relations (5) à (8) les relations Ty + tyA = TSA + tAy (9) Ty + tyB = TSB + tBy (10) Tz + tZA = TSA + tAZ (11) Tz + tZB = TSB + tBZ (12) d'o il vient la relation: tYA - tZA = (tAy - tBy) - (tAZ - tBZ) + (tYB - tZB) (13) Les écarts de temps (tAy - tBy) et (tAz - tE) sont mesurés par la sta- tion centrale de synthèse S en effectuant comme le montre les figures 9 et deux corrélations successives sur les signaux émis par Y puis sur ceux émis par Z. La première consiste à mesurer le retard nécessaire entre deux séries d'échantillons issues de A et B, pour que leur différence soit minimale à la fréquence de Y. La deuxième consiste à mesurer le retard nécessaire pour que l'écart soit minimal pour les échantillons correspondant à la fré- quence de Z. Ces corrélations peuvent être effectuées par balayage de toutes les valeurs de retard relatif (de -tpROF à +tpROF) entre les échantillons issus de A et ceux issus de B. La différence tyA - tzA de la relation (13) désigne l'écart entre le temps de propagation de Y vers A et celui de Z vers A Sa connaissance permet de tracer la piste [A:Y-Z], pour une valeur prédéterminée de la direc- tion et de la vitesse de propagation de l'onde. La distance d séparant un émetteur d'un capteur est déterminée par la relation d = ct, c étant la célérité de l'onde et t le temps de propagation. Dans le cas o l'onde doit être consi- dérée comme ayant une propagation par bonds multiples occasionnés par exemple, par des réflexions sur les couches de la ionosphère, la distance d est corrigée par une table de correction contenue dans le dispositif de mémorisation 15 de la figure 5. Cette table est adressée par divers paramètres qui tiennent compte d'une part, de la fréquence du signal, des conditions de propagation liées au mouvement diurne de la terre, aux saisons (été/hiver), aux déformations locales du front d'onde etc. et d'autre part, des valeurs de retard et de déphasage introduits par les filtres du système. Le tracé de la piste [A:Y-Z] correspond au tracé des points dont la différence des distances respectives entre le capteur A et les deux émet- teurs Y, Z est constante et égale à C(tyA-tyB). Ce tracé est défini comme le montre la figure 11 par une branche d'hyperbole ayant les positions des émetteurs Y et Z comme foyer. Le principe décrit précédemment permet de tracer une piste passant par A. En mettant à profit le signal rayonné par un troisième émetteur X, ce même principe, appliqué d'une part, au couple X et Y et d'autre part, au couple X, Z permet de tracer deux autres pistes [A:X-Y] et [A:X-Z]. L'intersection de ces trois pistes permet de localiser le capteur A. En radiolocalisation l'organisation matérielle du système selon l'in- vention est la même qu'en radionavigation à la différence cependant que le problème n'est plus de localiser le capteur mais de localiser une source d'émission formée par exemple par l'émetteur Z. De façon similaire à ce qui a été décrit pour l'utilisation du système en radionavigation, la localisation d'un émetteur s'obtient par tracé de pistes, la position relevée de l'émetteur Z étant celle de l'intersection de ces pistes. Contrairement au système pré- cédent les capteurs A et B doivent occuper des positions connues sur le géoïde au moment o s'effectue la localisation de l'émetteur Z. La piste, passant par l'émetteur Z, dénommée [Z:A-B] est alors obte- nue comme le montre la figure 11, par un calcul effectué sur les données fournies par les capteurs A et B qu'ils transmettent à la station centrale de synthèse S en fonction des émissions qu'ils reçoivent des émetteurs Y et Z. La calibration du système s'effectue par ajustement des paramètres permet- tant à la piste [Y:A-B] de passer sur la position connue de l'émetteur Y. De façon différente au système de radionavigation précédemment décrit, le système met en oeuvre un troisième capteur C dont la position est également connue sur le géoîde terrestre. Le capteur C retransmet à la sta- tion centrale de synthèse S des données en réponse des émissions qu'il reçoit des émetteurs Y et Z. Gràce à ces données la station centrale de synthèse S trace les pistes [Z:A-C] et [Z B-C], dont l'intersection avec la piste [Z:A-B] permet la localisation de l'émetteur Z. Les pistes [Y:A-C] et [Y:B-C] sont également utilisées pour calibrer le système. Le tracé de la piste [Z:A-B] s'obtient en calculant à partir des relations (1) à (12) précédentes la valeur de l'écart tZA-tZB entre les temps de propa- gation des émissions de Z vers les capteurs A et B. Cet écart est alors véri- fié par la relation: tZA-tZB = (tyA-tyB) - (tAr-tBy) + (tAz-tB) (14) Les écarts (tAy-tBy) et (tAz-tBz) sont mesurés par la station centrale de synthèse S par les deux corrélations déjà décrites à l'aide des figures 9 et 10. L'écart tyA-tyB mesure l'écart de propagation de l'émission de Y à destination des capteurs A et B. Comme les positions de A, B et Y sont con- nues le tracé de la piste [Y:A-B] permet de déterminer cette valeur. La connaissance de l'écart tZA-tzB qui est ainsi déterminé par la rela- tion (14) permet de tracé de la piste [Z:A-B]. Cette piste correspond au tracé des points dont la différence des distances respectives entre l'émetteur Z et les capteurs A et B est constante et égale à C(tzA-tZB). Ce tracé est défini par une branche d'hyperbole ayant les positions des capteurs A et B comme foyers. Le principe décrit précédemment permet de tracer une piste passant par Z. En mettant à profit le signal reçu par le troisième capteur C, ce même principe, appliqué d'une part, au couple des capteurs A et C et d'autre part, au couple B et C permet de tracer deux autres pistes [Z:A-C] et [Z:B-C] comme indiqué sur la figure 12. REVENDICATIONS 1. Système de localisation d'un récepteur ou d'un émetteur d'ondes radioélectriques parmi un ensemble d'émetteurs non dédiés au système situés en des lieux déterminés sur le géolde terrestre, caractérisé en ce que au moins deux récepteurs (A, B) sont munis respectivement d'un dispositif de communication (4) pour transmettre vers une station centrale de synthèse (S) les informations qu'ils reçoivent d'au moins deux émetteurs (Y, Z) et en ce que la station centrale (S) comporte des moyens de corrélation (6) des in- formations qu'elle reçoit des récepteurs (A, B) pour déterminer à partir des temps de propagation des ondes radioélectriques entre les émetteurs- récepteurs et la station centrale (S) au moins un lieu géométrique de la position recherchée du récepteur (A) ou de l'émetteur (Z) sur le géoide terrestre. 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de corrélation (6) comprennent des moyens de calcul (11, 14, 15) de la diffé- rence des temps de propagation (tyA et tZA) des émissions d'au moins deux émetteurs (Y, Z) reçus sur le récepteur (A) à localiser. 3. Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que la diffé- rence des temps de propagation (tyA et tZA) est obtenue en effectuant: une premier différence entre les temps de propagation (tyA et tZA) des émissions d'un premier émetteur (Y) reçues par le récepteur (A) à localiser et par un deuxième récepteur (B), - une deuxième différence entre les temps de propagation (tyA et tZA) des émissions d'un deuxième émetteur (Z) reçues par le récepteur (A) à localiser et le deuxième récepteur (B) - une troisième différence entre les temps de propagation des émis- sions (tyB et tzB) des premier et deuxième émetteurs reçues par le deuxième récepteur (B), - ainsi que la somme de la troisième différence, à la différence des écarts de temps entre les résultats obtenus par la première et la deuxième différence. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le lieu géométrique de la position recherchée du récepteur (A) est déterminée sur une branche d'hyperbole ayant comme foyers les positions de deux émetteurs (Y, Z) et telle que l'écart des temps de propagation des émissions des deux émetteurs reçues par le récepteur (A) à localiser soit constant. 5. Système selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend au moins un troisième émetteur (X) pour obtenir à partir des couples qu'il forme avec le premier (Y) et le deuxième émetteur (Z) deux autres branches d'hyperbole ayant les couples d'émetteurs pour foyers et déterminer la position du récepteur (A) recherché à l'intersection des trois branches d'hyperboles ainsi obtenues. 6. Système selon la revendication I caractérisé en ce que les moyens de corrélation comprennent des moyens de calcul de la différence des temps de propagation (tzA-tZB) des émissions de l'émetteur (Z) à localiser reçues par les deux récepteurs (A, B). 7. Système selon la revendication 6 caractérisé en ce que la diffé- rence des temps de propagation (tzA-t7B) est obtenue en effectuant: - une première différence entre les temps de propagation (tAy et tBy) des émissions d'un deuxième émetteur (Y) reçues par les récepteurs (A, B) une deuxième différence entre les temps de propagation (tAz et tBz) des émissions de l'émetteur (Z) à localiser reçues par les récepteurs (A, B) une troisième différence entre les temps de propagation (tyA et tyB) des émissions du deuxième émetteur (Y) reçues par les récepteurs (A, B) ainsi que la somme de la deuxième différence, à la différence des écarts de temps entre les résultats obtenus par la première et la troisième différence. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1, 6 et 7 caractérisé en ce que la position recherchée de l'émetteur (Z) est détermi- née sur une branche d'hyperbole ayant comme foyer les positions des deux récepteurs (A, B) et telle que l'écart des temps de propagation des émis- sions de l'émetteur (Z) à localiser reçues par les deux récepteurs (A, B) est constant. 9. Système selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend au moins un troisième récepteur pour obtenir à partir des couples qu'il forme avec l'émetteur à localiser et le deuxième émetteur deux autres branches d'hyperbole ayant ces couples pour foyers et déterminer la position de l'émetteur (Z) à localiser à l'intersection des trois branches d'hyperboles ainsi obtenues.