Brevet FR2732117A1 — publié le 19960927

PROCEDE DE IOCALISATICN DE MOBiLES DESCRIPTIOW Dandine technique La présente invention a pour objet un procédé de localisation de mobiles. Elle trouve une application dans la gestion de parcs importants de mobiles automobiles, bateaux de plaisance, navires, conteneurs, wagons de chemins de fer, camions, avions, etc... L'invention trouve une application particulière dans le système TAOS proposé par le Centre National d'Etudes Spatiales. Ce système utilise plusieurs satellites répartis sur des orbites basses circulaires à des altitudes inférieures à 1500 km et inclinées de 50 à 600. A bord de chaque satellite se trouve embarqué un répéteur transparent. Les bandes de fréquences utilisées sont les bandes UHF/VHF : dans la liaison Terre-satellite, on utilise la bande 148-150,05 MHz et dans la liaison satellite-Terre la bande 137-138 MHz et 400,15-401 MHz. Les messages sont transmis par paquets. Etat de la technique On connaît un procédé de localisation bidirectionnel de mobiles qui consiste à moduler une porteuse à l'aide de divers signaux sinusoidaux appelés "tons". Le mobile répète ces tons de manière cohérente. En mesurant la phase des tons reçus dans la station, après transit dans le mobile à localiser, par rapport à la phase dans la station émettrice, on peut déterminer la distance entre la station et le mobile. La porteuse peut avoir, par exemple, une fréquence située dans la bande 148-150 MHZ et les tons avoir une fréquence répartie entre 20 kHz pour le ton à plus haute fréquence (dit ton majeur) et 10 Hz pour le ton de plus basse fréquence (dit ton mineur). Il existe une norme européenne pour cette technique. Cette norme a été établie par l'Agence Spatiale Européenne. Elle est décrite dans le document "Ranging Standard" édité par Data Handing and Signal Processing Division European Space Research and Technology Centre Noordwijk, Pays-Bas. Cette technique permet non seulement de déterminer les distances mais également les variations de distance et cela à partir de mesures d'effet DOPPLER. Pour cela, on mesure les décalages en fréquence entre les différents signaux émis et reçus. Cette technique présente l'avantage de conduire à un terminal très simple puisqu'il travaille à basse fréquence (les tons n'excède pas, généralement, 20 kHz). Elle convient bien lorsqu il s'agit de localiser un seul mobile ou un petit nombre de mobiles. Mais elle devient vite inexploitable s'il existe un grand nombre d'utilisateurs, car le canal de fréquences offert se révèle insuffisant pour transmettre tous les signaux requis. Une autre technique de radiolocalisation est connue qui permet de remédier à cet inconvénient. Cette technique utilise l'étalement de spectre et met en oeuvre des codes pseudo-aléatoires (en abrégé, par la suite, "PN" pour "Pseudo-Noise"). Un code pseudoaléatoire est une séquence périodique d'un nombre impair de bits ou "bribes". L'étalement de spectre consiste à moduler le signal utile par un tel code pseudo-aléatoire, ce dernier ayant un débit binaire élevé par rapport à celui des données, et à moduler ensuite une porteuse par le signal composite obtenu. La mesure de distance des mobiles peut s'effectuer à l'aide de tels codes PN en datant les instants d'émission et de réception d'un événement particulier du code par rapport à l'horloge d'un récepteur de signaux à spectre étalé. Cet événement particulier est le début ou la fin d'une bribe spécifique du code. Pour cette technique d'étalement de spectre à l'aide de codes pseudo-aléatoires en liaison avec la radio-localisation, on pourra se reporter à l'ouvrage collectif intitulé "Techniques et technologies des véhicules spatiaux", Tome 1, Cépaduès-Editions, (1994) et spécialement au Module 6 "Localisation spatiale" par Jean-Luc ISSLER, pages 561-634. Cette technologie est utilisée notamment sous la forme unidirectionnelle dans le système dit "Global Positioning System" ou GPS en abrégé. Si cette technique permet un accès multiple au système de localisation et, par conséquent, convient bien dans le cas d'un grand nombre d'utilisateurs, en revanche, elle présente l'inconvénient de conduire à une certaine complexité du terminal placé dans chaque module. I1 faut, en effet, que ce terminal soit capable de recevoir et traiter les signaux à spectre étalé, ce qui suppose des moyens de désétalement travaillant à fréquence élevée. Chacune de ces techniques connues présente donc des avantages et des inconvénients. Le but de la présente invention est de proposer un nouveau procédé qui évite ces inconvénients tout en préservant ces avantages. Exposé de 1 'invention Le procédé de l'invention peut être qualifié de mixtè en ce sens qu'il emprunte pour une part à la technique de localisation fondée sur la mesure du déphasage de tons et pour une autre part à la technique d'étalement de spectre par code pseudo-aléatoire avec datation. Empruntant à la première, il permet de préserver la simplicité des équipements embarqués à bord des mobiles (la mesure de phase s'effectue à basse fréquence) et évite donc le recours à des terminaux complexes. Empruntant à la seconde, il permet l'accès au service à un grand nombre d'utilisateurs. A cette fin, le procédé de l'invention comprend, de manière schématique, une liaison bidirectionnelle mixte en ce sens qu'elle est constituée d'une liaison aller, qui est du type à porteuse modulée par au moins un ton et d'une liaison retour, qui est du type à étalement de spectre par code pseudo-aléatoire. Le terminal embarqué dans le mobile travaille donc en réception par mesure de déphasage du ou des tons, et en émission par étalement de spectre. La station travaille en émission par porteuse modulée par au moins un ton et en réception par désétalement et datation. La complexité liée à la technique d'étalement de spectre est donc reportée dans la station. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de localisation de mobiles, dans lequel on établit une liaison radioélectrique aller-retour entre une station au sol et un mobile à localiser équipé d'un terminal, à travers un satellite artificiel, et on localise le mobile à partir des caractéristiques comparées des signaux radioélectriques de la liaison aller-retour, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes A) dans la liaison aller - depuis la station au sol, on émet, à un instant compté par rapport à un instant de référence propre à la station, un signal aller constitué par une porteuse ayant une fréquence déterminée modulée par au moins un signal sinusoïdal appelé "ton", chaque ton ayant une fréquence déterminée et une phase, les phases instantanées de tous les tons étant nulles à l'instant de référence propre à la station, - on reçoit le signal aller dans le satellite et l'on réémet un signal aller avec un certain retard lié au temps de transit dans le satellite, - on reçoit le signal aller réémis par le satellite dans le terminal du mobile à localiser et on mesure la phase des tons reçus à un instant particulier, B) dans la liaison retour - on forme un signal retour dans le terminal du mobile en modulant une porteuse ayant une certaine fréquence par l'information correspondant aux résultats de la mesure de phase des tons, on effectue une opération d'étalement de spectre de cette porteuse modulée, par un code d'étalement lié à un instant particulier, - on émet, depuis le terminal du mobile, un signal retour à spectre étalé à cet instant particulier, - on reçoit ce signal retour dans le satellite et on réémet un signal retour avec un certain retard lié au temps de transit dans le satellite, - on reçoit dans la station le signal retour réémis par le satellite, on désétale le spectre du signal reçu puis on démodule ce signal pour restituer l'information relative à la mesure de différence de phase fait dans le mobile. - on date l'instant de réception de ces mesures par intercorrélation entre le code d'étalement reçu et un code identique attendu, - à partir de la ou des mesures de phases, de l'instant de réception des mesures, des écarts, du décalage entre l'instant de mesure et l'instant d'émission, par le terminal des temps de transit dans le satellite de la distance station-satellite à l'instant de réception, de la distance station-satellite à l'instant d'émission, on déduit la somme des distances des trajets aller et retour entre le satellite et le mobile, ce qui localise le mobile. L'instant particulier peut être décalé de l'instant de mesure d'une quantité connue par exemple, ou suffisamment proche de l'instant de mesure pour introduire une erreur négligeable. A cette mesure de distance peut s'ajouter une mesure DOPPLER classique. Dans ce cas, le terminal asservit sa fréquence d'émission sur la fréquence de la liaison aller qu'il reçoit. La station peut alors combiner le résultat des mesures de distance et celui de la mesure de l'effet DOPPLER, ce qui permet de minimiser les messages à émettre depuis le terminal ou de lever certaines ambiguïtés liées à la mesure du déphasage des tons, comme on le comprendra mieux par la suite. Brève description des dessins - la figure 1 décrit l'organisation générale d'un système de localisation de mobile à l'aide de stations au sol et de satellites ; - la figure 2 est un diagramme temporel montrant les instants d'émission et de réception de divers signaux. Description de modes particuliers de réalisation On voit, sur la figure 1, un système de localisation de mobiles comprenant des stations de connexion 10 (une seule est représentée), un satellite 12, des mobiles 14 (un seul est représenté) équipés chacun d'un terminal 16. Les stations 10 sont reliées à un centre d'exploitation 18. Un signal aller montant 20 est émis par la station 10, à une fréquence Fle. Un signal aller descendant 22 est réémis par le satellite à une fréquence F2e et est reçu par le terminal 16. La fréquence F2e peut être décalée par rapport à Fîr d'une quantité Fsa égale à la fréquence d'un premier oscillateur local embarqué dans le satellite et travaillant sur le signal aller. Le terminal émet un signal retour montant 24, à une fréquence F3e qui peut être proportionnelle à la fréquence F2r reçue dans le terminal (F3e=KF2r). Le satellite réémet un signal retour descendant 26 à une fréquence F4e décalée par rapport à F3r d'une quantité Fsr égale à la fréquence d'un second oscillateur local embarqué dans le satellite et travaillant sur le signal retour. Avant de décrire en détail le procédé mis en oeuvre dans une telle installation selon l'invention, il est utile de préciser les notations qui vont être utilisées. Notations Pe = Signal émis par la station Pr = Signal reçu par le terminal, Se = Composante "tons" de Pe, Sr = Composante "tons" de Pr, Sens aller = sens station vers terminal, Sens retour = sens terminal vers station, t0 : temps de référence propre à la station, tl : instant d'émission du signal aller, t2 : instant de mesure dans le terminal, t3 : instant d'émission du signal retour par le terminal, t4 : instant de réception par la station du signal retour, 5t = retard dans le terminal, Djk = distance station-satellite si j=1 ou satelliteterminal si j=2, lorsque le signal est dans le sens aller si k=a ou dans le sens retour si k=r ; on a donc quatre distances à considérer : Dla, D2a, Dir, D2r ; tsa = temps de transit du signal aller dans le satellite sur le parcours aller, tsr = temps de transit du signal retour dans le satellite sur le parcours retour, fi = fréquence du ton de rang i, mti = mesure effectuée par le terminal sur le ton i, c'est-à-dire phase çi du ton i, ms = écart de temps mesuré par la station entre l'instant de réception t4 et le temps de référence to. S = position de la station, M = position du mobile, Ta = position du satellite à l'aller, Tr = position du satellite au retour, Va = vecteur vitesse du satellite à l'aller, Vr = vecteur vitesse du satellite au retour, Fle = fréquence aller montante émise par la station, Flr = fréquence aller montante reçue par le satellite, F2e = fréquence aller descendante émise par le satellite, F2r = fréquence aller descendante reçue par le terminal, F3e = fréquence retour montante émise par le terminal, F3r = fréquence retour montante reçue par le satellite, F4e = fréquence retour descendante émise par le satellite, F4r = fréquence retour descendante reçue par la station, Fsa : fréquence de l'oscillateur local ou de transposition du satellite dans le sens aller, Fsr = fréquence de l'oscillateur local ou de transposition du satellite dans le sens retour, c = vitesse de la lumière. Remarques : les temps sont notés ti s'ils sont référencés par la station et ti s'ils sont référencés par le terminal. On note D1a= ISTa(tl)l, D2a= iMTa(t2)I D2r = IMTr(t3)1, Dlr= ISTr(t4)1 Ces notations sont utilisées sur la figure 2, qui représente un diagramme temporel où sont marqués les instants to de référence, t1 d'émission du signal aller, t2 de réception du signal aller dans le terminal, t3 d'émission du signal retour par le terminal, t4 de réception du signal retour dans la station. Sur la figure 2 apparaissent également les distances Dla et Dîr, séparant la station du satellite aux instants t1 et t4 et les distances D2a et D2r séparant le mobile du satellite aux instants t2 et t3. Le principe de la mesure réalisée selon l'invention repose sur une première équation dite "équation aller", fondée sur la mesure des phases des tons et sur une seconde équation dite "équation retour", fondée sur la datation du signal retour dans la station, datation qui est rendue possible par l'utilisaton du code d'étalement. Ces deux équations vont donc d'abord être établies. Equation aller Le signal Pr reçu par le terminal en t2 dépend du signal Pe émis par la station et de l'écart t2 - to, lequel dépend du temps Qa mis par le signal à c atteindre le satellite, du temps D2a mis par le signal c pour atteindre le mobile à partir du satellite et du temps de transit tsa dans le satellite. On a De même pour les Sr, le signal Sr qui est la composante ton(s) de Pr, on a Pour chaque ton i le terminal mesure donc une phase mti qui est donnée par à 2Ni7t près où Ni est un entier. Cette équation est l'équation aller donnant la phase des tons reçus par le mobile. Equation retour Le terminal émet le résultat de sa mesure vers la station et cela à l'instant t3. La station date la réception du signal retour à l'instant t4. La somme de la distance D2r séparant le mobile du satellite au moment de l'émission (t3) et de la distance Dlr séparant le satellite de la station à l'instant de réception t4 est D2r + Dif = c(t4 - t3) - ctsr soit, avec t3=t2+6t D2r+D1r=c(t4-t0)-c(t2-t0)-c#t-ctsr En notant ms l'écart de temps mesuré par la station entre les instants de réception t4 et le temps de référence t0, on a D2r+D1r=cms-c(t2-t0)-c#t-ctsr C'est l'équation retour. A partir des équations aller et retour et de l'égalité t2 - to = t2 - t0, on peut obtenir aisément la somme des distances séparant le mobile du satellite aux instants d'émission du signal retour et de réception du signal aller, soit respectivement D2r et D2a. On a mti Ni D2r+D2a=-(D1r+D1a)+cms-c - c - c#t - cT@ 2#fi fi où Ts représente la somme des temps de transit dans le satellite, à l'aller et au retour (tsa+tsr) Cette équation permet de connaître, pour chaque déphasage mti, la somme D2r+D2a avec une ambiguïté due Ni aux facteurs c fi Pour lever cette ambiguïté, on peut utiliser deux tons M et m émis simultanément dont les fréquences fM et fm sont dans le rapport a/b où a et b sont des entiers. On a fM = a/b fm.La mesure des phases de ces deux tons permet de réduire l'ambiguïté sur D2r+D2a au c c c plus petit commun multiple (PPCM) de et soit b . fM fm fm On peut aussi utiliser une structure tramée pour la voie aller et lever l'ambiguité avec une détection de l'instant de mesure dans cette trame, la précision exigée pour cette datation ne servant qu'à cette ambiguité, la mesure fine étant effectuée à l'aid edu'n ton. On indique le symbole ou le bit de cette trame où l'on a effectué la mesure de phase sur le ton pour supprimer l'ambiguité. L'instant to est alors le début de la trame aller. Le procédé de détermination des distances qui vient d'être décrit peut se compléter avantageusement par des mesures de changement de ces distances avec le temps, autrement dit une mesure des vitesses. Ces mesures sont liées aux glissements de fréquence des signaux émis et reçus par le jeu de l'effet DOPPLER. Les mesures d'effet DOPPLER sont effectuées en station à la réception des salves émises par les terminaux lorsque le satellite est à la position Tr marquée sur la figure 2. L'analyse des signaux affectés des différents effets DOPPLER donne les équations suivantes. Dans la liaison aller, les trois fréquences impliquées Fuir, F2e, F2r sont définies par Ces trois relations donnent la fréquence F2r du signal reçu par le terminal Dans la liaison retour, les trois fréquences impliquées F3r F4e, F4r sont définies par Ces trois relations donnent la fréquence retour descendante reçue par la station En imposant que la fréquence F3e de la porteuse émise par le terminal soit, en général, égale à K fois la fréquence aller descendante reçue F2r, soit KF2r et MTr * Vr en notant rrm la quantite et rrs la quantité D2r STr * Vr on peut écrire Dlr STa* Va ras = Dra MTa* Va ram = D2a ram rrm rrs + K. Fsa (1 - )(1 - )(1 - ) c c c rrs + Fsr 1 - () c L'orbitographie permet de connaître Ta,Tr,Va,Vr donc une relation liant ras et rrs d' où La quantité r/ c C peut donc être calculée à partir de toutes les autres quantités La station mesure la fréquence F4r, qui est la fréquence du signal retour qu'elle reçoit. Par ailleurs, les distances station-satellite (Dla, D1r) et la vitesse relative station-satellite Va sont connues par la connaissance de l'orbite du satellite. Cette connaissance peut résulter d'un procédé d'orbitographie mis en oeuvre dans la station par des opérations classiques mettant en oeuvre une porteuse modulée par des tons comme décrit par exemple dans le document "Ranging Standard" cité plus haut. REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation de mobiles, dans lequel on établit une liaison radioélectrique aller-retour entre une station au sol et un mobile à localiser équipé d'un terminal, à travers un satellite artificiel, et on localise le mobile à partir des caractéristiques comparées des signaux radioélectriques de la liaison aller-retour, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes A) dans la liaison aller - depuis la station au sol (10), on émet, à un instant (tl) compté par rapport à un instant de référence (t0) propre à la station, un signal aller (20) constitué par une porteuse ayant une fréquence déterminée (F1) modulée par au moins un signal sinusoïdal appelé "ton", chaque ton ayant une fréquence déterminée (fi) et une phase, les phases instantanées de tous les tons étant nulles à l'instant de référence (t0) propre à la station, - on reçoit le signal aller (20) dans le satellite (12) et l'on réémet un signal aller (22) avec un certain retard lié au temps de transit (tsa) dans le satellite (12), - on reçoit le signal aller (22) réémis par le satellite (12) dans le terminal (16) du mobile (14) à localiser et on mesure la phase (mti) du ou des ton(s) reçus à un instant particulier (t2), B) dans la liaison retour - on forme un signal retour dans le terminal (16) du mobile (14) en modulant une porteuse ayant une certaine fréquence (F3) par l'information correspondant aux résultats de la mesure de phase du ou des ton()s (mti), on effectue une opération d'étalement de spectre de cette porteuse modulée par un code d'étalement lié à un instant particulier (t3) décalé de l'instant de mesure (t2) d'une quantité (6t) connue, - on émet, depuis le terminal (16) du mobile (14), un signal retour (24) à spectre étalé à cet instant particulier (t3), - on reçoit ce signal retour (24) dans le satellite (12) et on réémet un signal retour (26) avec un certain retard lié au temps de transit (tsar) dans le satellite, - on reçoit dans la station (10) le signal retour (26) réémis par le satellite (12), on désétale le spectre du signal reçu puis on démodule ce signal pour restituer l'information relative à la mesure (mti) de différence de phase, - on date l'instant de réception (t4) de ces mesures (mti) par intercorrélation entre le code d'étalement reçu et un code identique attendu, - à partir des mesures de phases (mti) de l'instant de réception des mesures (t4), du décalage entre l'instant de mesure d'émission et l'instant par le terminal, des temps de transit dans le satellite (6t, tsr, tsa), de la distance (D1r) station-satellite à l'instant de réception (t4), de la distance (Dia) station-satellite à l'instant d'émission (t1), on déduit la somme des distances des trajets aller et retour (D2a+D2r) entre le satellite et le mobile, ce qui localise le mobile. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on mesure en outre les décalages de fréquence entre les signaux émis et les signaux reçus, pour évaluer les effets DOPPLER. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise, dans la liaison aller, au moins deux tons de fréquences différentes fM et fm, ces a deux fréquences étant reliées par fM=-/b fm oú a et b sont des entiers. 4. Procedé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise, dans la liaison aller,un ton de fréquence FN multiple du rythme symbole ou bit, que la liaison aller est faite avec une structure tramée et que 1'on indique le symbole ou le bit de cette trame où a été effectuée la mesure de phase sur le ton pour supprimer l'ambiguité.