Brevet FR2759783A1 — publié le 19980821

8YBTEME POUR LA DETECTION A DISTANCE DE LA POSITION D'UN MOBILE L'invention est relative à un système pour la détection de la position d'un mobile utilisant les signaux émis par un ensemble de satellites ou de balises. Elle concerne plus particulièrement un tel système dans lequel le mobile comporte un dispositif pour, d'une part, la réception des signaux provenant de satellites ou de balises, et, d'autre part, pour la réémission de ces signaux vers un dispositif de traitement disposé en un autre emplacement, par exemple de position fixe au sol, le dispositif de traitement déterminant la position du mobile. Pour déterminer la position d'un mobile aérien, maritime ou terrestre, il existe aujourd'hui deux réseaux de satellites, l'un étant affecté au système GPS (Global Positionning System") et l'autre au système GLONASS ("Global Orbiting Navigation Satellite System"). Dans ce qui suit, on se référera surtout au réseau GPS. Ces deux réseaux utilisent chacun une constellation de satellites tournant autour de la terre. Par ailleurs, il est envisagé l'utilisation de satellites géostationnaires et de balises fixes au sol. Tous ces systèmes de positionnement sont basés sur la détermination de la distance de l'objet, dont on veut déterminer la position, à trois satellites ou balises dont la position est connue à chaque instant. On fait cependant intervenir au moins un quatrième satellite, car la mesure des distances est fonction d'un paramètre supplémentaire qui est le temps. En effet, la mesure de la distance du lieu à repérer au satellite s'effectue de la façon suivante Le satellite émet un signal à un instant précis, cet instant étant une donnée transmise par le satellite. Le signal hertzien parcourt la distance séparant le satellite du point à repérer à la vitesse de la lumière. La distance est proportionnelle au temps séparant l'instant d'émission, fourni par le signal du satellite, de l'instant de réception. Dans le système GPS, chaque satellite émet sur une fréquence porteuse L1 égale à 1 575,42 MHZ ainsi que sur une fréquence porteuse auxiliaire L2 de fréquence 1 227,6 MHz. La fréquence porteuse, qui constitue une référence de temps et sert à la détermination des vitesses, est modulée par une séquence binaire pseudo-aléatoire répétitive, selon une modulation de phase de type BPSK ("Binary Phase Shift Keying"). Chaque séquence constitue un code qui, dans le cas du GPS, a une longueur de 1 023 bits. Ces codes sont émis à une fréquence de 1,023 MHz. Ils coexistent avec d'autres codes émis à une fréquence dix fois plus élevée : 10,23 MHz. Les codes C/A à 1,023 MHz permettent en principe une détermination de position approximative tandis que les codes P à la fréquence dix fois plus élevée permettent une localisation précise. Le rôle de chaque code est triple : d'une part, il permet d'identifier le satellite émetteur, d'autre part, il facilite la détection et la démodulation des signaux qui sont noyés dans un bruit très élevé, la détection étant effectuée par corrélation entre le code reçu du satellite et un code identique produit localement, et d'autre part, enfin, il sert à la mesure des déphasages temporels pour le calcul des distances. La fréquence porteuse L1 est en outre codée par d'autres données binaires qui représentent, notamment, la date d'émission du signal. Le satellite étant identifié et la date d'émission du signal étant connue, la position de ce satellite au moment de l'émission du signal est alors connue avec une grande précision. Pour mémoire, on indiquera ici que dans le système GLONASS la fréquence porteuse L1 constitue l'identification du satellite. Elle diffère donc d'un satellite à un autre. Les fréquences L1 s'étalent d'environ 1 600 MHz à 1 615 MHz. Un code pseudo-aléatoire est également prévu dans ce système GLONASS mais son utilité est limitée à l'extraction du signal dans le bruit et à la détermination des écarts temporels pour la mesure des distances entre récepteur et satellite. Il est important de noter que, dans tous les cas, la fréquence de la porteuse comporte en elle-même une information qui est une référence de temps et de dérive de temps. Il est fréquent que les signaux reçus par un objet, pour déterminer sa position, soient réémis vers un autre emplacement, notamment une station au sol. En particulier il est préférable que les mobiles aériens légers, éventuellement destructibles, comportent un minimum d'équipement de traitement de données, cet équipement étant lourd et onéreux. A cet effet, à bord du mobile on prévoit une transposition ou changement de fréquence des signaux reçus des satellites ou balises et un émetteur pour diriger les signaux en fréquence transposée vers un récepteur GPS, ou analogue, au sol. Cette transposition de fréquence est rendue nécessaire par le fait que le signal émis par le mobile ne doit pas être confondu avec celui provenant d'un satellite. En général, la transposition est une augmentation modérée de la fréquence porteuse L1 jusqu'd 2 GHz environ. Dans ce cas, la porteuse à 1 575 MHz environ est simplement transportée à 2 GHz environ avec l'information modulante qu'elle porte. La différence relativement faible entre la fréquence d'émission du mobile vers le sol et la fréquence reçue du satellite permet de limiter l'imprécision supplémentaire apportée par l'imprécision, inévitable, de l'écart de fréquences, cette imprécision supplémentaire étant d'autant plus importante que l'écart est grand. D'autres facteurs limitent le choix de la fréquence transposée : d'une part, les fréquences légalement et physiquement disponibles, et, d'autre part, l'effet Doppler du à la vitesse du mobile par rapport au sol. En effet, l'effet Doppler se traduit par un écart de fréquence qui est proportionnel à la fréquence de la porteuse de l'émetteur du mobile. La limitation du choix de la fréquence de transmission est particulièrement gênante car elle peut empêcher de choisir une fréquence pour laquelle la transmission est optimum. L'invention remédie à cet inconvénient. Elle est caractérisée en ce que la transmission des signaux du mobile vers le récepteur GPS (ou analogue) s'effectue à l'aide d'une modulation supplémentaire sur une fréquence porteuse qui ne comporte pas d'information utilisée pour le calcul de la position et/ou la vitesse du mobile. Le récepteur au sol (ou sur un autre mobile) comporte des moyens de démodulation du signal ainsi modulé. La fréquence porteuse de la modulation supplémentaire peut être choisie dans une large gamme car elle ne joue aucun rôle dans le calcul des coordonnées et de la vitesse du mobile. L'écart entre la fréquence de la porteuse de la modulation supplémentaire et la fréquence de la porteuse du signal provenant du satellite peut être grand car l'effet Doppler affectant, au sol, la fréquence de cette porteuse de modulation supplémentaire n'apporte pas d'imprécision dans le calcul des coordonnées ou de la vitesse du mobile. Dans un exemple, la porteuse de transmission mobile/récepteur GPS a une fréquence de l'ordre de 70 GHz. Bien entendu, il n'est pas nécessaire que la fréquence de la porteuse de transmission (porteuse de modulation supplémentaire) soit très précise car elle ne porte pas d'information en elle-même. Dans un mode de réalisation, particulièrement simple et bon marché, sur le mobile les signaux reçus des satellites sont soumis à un traitement réduit qui consiste principalement en une amplification et la modulation supplémentaire pour la transmission. Dans ce cas, la bande de fréquences utilisée est de 1,6 GHz environ autour de la porteuse de modulation de transmission ; cette largeur de bande pourrait être considérée comme n'étant pas optimale. C'est pourquoi, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, sur le mobile on prévoit, en amont de la modulation supplémentaire, un moyen de changement ou transposition de fréquence qui ramène la fréquence du signal à transmettre à une valeur faible, avantageusement réduite à la fréquence des signaux utiles. Dans ce cas, la bande passante en sortie du moyen de changement de fréquence est comprise entre 0 et quelques MHZ (par exemple de l'ordre de 10). Dans le cas du GPS civil ou du GPS militaire dégradé, on choisira, par exemple, une bande passante comprise entre 0 et 2 MHz, tandis que, dans le cas du GPS de type militaire, on choisira par exemple une bande passante comprise entre 0 et 20 MHZ ou entre 0 et 10 MHZ. Ce signal, qui se trouve dans un domaine de fréquences relativement bas, est soumis à la porteuse de transmission mobile/récepteur. L'effet Doppler sur le signal lui-même (à quelques MHz) est négligeable. Par exemple l'effet Doppler sur un signal à 5 MHZ est 200 fois moins important que l'effet Doppler sur un signal à 1 GHz. L'écart entre la fréquence du signal provenant d'un satellite GPS (1,6 GHz environ) et la fréquence (quelques MHz) est donc d'environ 1,6 GHz ; cet écart est relativement plus important que l'écart de 0,4 GHz qui est utilisé dans la technique classique. Toutefois cette augmentation d'écart n'apporte qu'une faible dégradation ; cette dernière est largement compensée par la diminution considérable de la dégradation due à l'effet Doppler. En outre il est possible de compenser l'imprécision supplémentaire introduite par cet écart de fréquence en transmettant un signal représentatif de la fréquence locale servant à la transposition de fréquence. Avantageusement, ce signal représentatif a une fréquence proche de la bande de fréquences en sortie du moyen de transposition. Ce signal représentatif transmis peut être utilisé, dans le récepteur, pour effectuer la compensation requise. Quel que soit le mode de réalisation choisi, on appréciera que l'invention permet une transmission mobile/récepteur GPS à une fréquence qui peut être choisie pratiquement à volonté en fonction des besoins et du spectre disponible. Par exemple pour la détection et/ou le guidage d'un missile se trouvant à faible distance d'un récepteur, on pourra utiliser une fréquence de transmission de 77 GHz pour laquelle la transmission est à courte portée, ce qui permet que le signal du mobile ne soit détectable que dans un faible rayon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif conforme à l'invention qui est destiné à équiper un mobile dont on veut détecter la position, la figure 2 est un diagramme illustrant certaines propriétés du dispositif de la figure 1, la figure 3 est un schéma pour une variante du dis positif représenté sur la figure 1, la figure 4 est un schéma d'une autre variante, et la figure 5 est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention, pour la réception de signaux fournis par un dispositif du type de celui de la figure 1. Dans tous les exemples que l'on va décrire cidessous, on se référera uniquement au système GPS, bien que, comme déjà mentionné, l'invention s'applique à tout système de détection de position et éventuellement de vitesse. Ces exemples concernent la détection de positions d'un mobile aérien tel qu'un missile ou une bombe. Le récepteur est au sol. Le dispositif représenté sur la figure 1 est installé sur un tel mobile aérien (non représenté). I1 comporte une antenne 10 de réception de signaux fournis par la constellation des satellites GPS. Après amplification, à l'aide d'un amplificateur 12, le signal de 1 'antenne est appliqué sur la première entrée 141 d'un organe 14, tel qu'un mélangeur, de changement de fréquence, dont la seconde entrée 142 reçoit un signal local fourni par la sortie 161 d'un générateur 16. Le signal local appliqué sur l'entrée 142 a une fréquence de 1 580 MHz, alors que le signal détecté par l'antenne 10 est le signal de la porteuse L1 à fréquence 1 575,42 MHz. Le signal apparaissant sur la sortie 143 du mélangeur 14 est à une fréquence égale à la différence entre les fréquences des signaux appliqués sur les entrées 141 et 142. Ce signal est appliqué à un second amplificateur 18, puis est transmis à un filtre 20 et, de là, à un modulateur-émetteur 22 dont la sortie est reliée à une antenne 24 d'émission, dirigée vers un récepteur GPS au sol. Le signal de sortie du filtre 20 est, dans le modulateur-émetteur 22, modulé par une fréquence porteuse à 77 GHz fournie par un générateur 26. L'organe 22 module en fréquence (modulation FM). En variante, on utilise une modulation d'amplitude ou une modulation de phase. Le synthétiseur 16 de fréquence fournit un signal de référence à une fréquence de 10 MHz représentatif (à un facteur multiplicatif près : 158 dans l'exemple) de la fréquence du signal local. Cette fréquence de base est appliquée, par une sortie 162 & l'entrée de l'amplificateur 18 par l'intermédiaire d'un additionneur 17 dont la seconde entrée reçoit la sortie 143 du mélangeur 14. La fréquence de référence à 10 MHz est ainsi transmise, avec le signal de la sortie 143 du mélangeur 14, par l'antenne 24 vers le récepteur GPS au sol. Elle est également soumise à la modulation de transmission par l'organe 22. La figure 2 est un diagramme montrant la caractéristique 28 du filtre 20. Sur ce diagramme, on a porté, en abscisses, la fréquence f en MHZ et, en ordonnées, le gain G. La bande passante du filtre 20 est comprise entre 0 et une fréquence légèrement supérieure à 10 MHz. Sur ce digramme, b représente la bande passante du signal sur la sortie 143 du mélangeur 14. Sa limite supérieure bs est légèrement inférieure à 10 MHz. De cette manière, le signal de référence 19 à 10 MHz est distinct des autres signaux. Sur la figure 2, on a également représenté le signal GPS 21 occupant la bande b. Le signal appliqué sur l'entrée du modulateurémetteur 22 est donc un signal à basse fréquence entre 0 et 10 MHz qui contient toutes les informations transmises par les satellites de la constellation GPS ainsi qu'un signal de référence fourni par le synthétiseur de signal local 16. Le générateur 26 fournit un signal de porteuse à 77 GHz avec une faible précision. I1 est important de noter que, contrairement au signal fourni sur l'entrée 142 du mélangeur 14, il n'est pas nécessaire que la fréquence de ce signal de porteuse ait une grande précision, car cette porteuse n'intervient pas pour les mesures ; elle sert uniquement à la transmission des signaux du mobile au sol et n'intervient pas dans la valeur ou les caractéristiques des signaux mesurés. La fréquence porteuse à 77 GHz ne permet une transmission que sur une relativement courte distance, ce qui constitue un avantage si on désire que les signaux transmis par l'antenne 24 ne perturbent pas l'environnement ou soient difficiles à détecter. I1 est à noter qu'avec une modulation de fréquence, par rapport à une modulation d'une autre nature, on obtient une transition plus franche entre une zone de fonctionnement et une zone où l'on ne souhaite pas qu'un signal soit détecté. L'écart drsi de la fréquence reçue au sol, par rapport à la fréquence nominale provenant du satellite Si, satisfait à la relation suivante V(mobile / desi + V(mobile / si) + V(mobile / sol) + (1) drsi = desi + + glocal hL1 h Dans cette relation desi est l'écart (normalement faible ou négligeable) entre la fréquence émise par le satellite Si et la fréquence nominale, V(mobile/Si) est la vitesse du mobile par rapport au satellite Si, V(mobile/sol) est la vitesse du mobile par rapport au sol, kL1 est la longueur d'onde du signal GPS à fréquence L1, x est la longueur d'onde de la modulation du signal en sortie du mélangeur 14 (c'est-à-dire la longueur de la porteuse à 5 MHz environ), et Elocal est l'écart de la fréquence locale (sur la sortie 161) par rapport à sa valeur nominale. On comprend aisément qu'un décalage, ou une imprécision, sur la fréquence fournie par le synthétiseur 16 entraîne une imprécision sur la mesure drsi et donc sur la mesure de vitesse. C'est pourquoi cette fréquence doit être choisie avec une grande précision ou doit être compensée. Par contre, la fréquence de la porteuse fournie par le générateur 26 n'intervient pas dans la précision des mesures. La valeur de la fréquence locale appliquée sur l'entrée 142 du mélangeur 14 introduit cependant une incertitude ou un décalage Elocal qui est fonction de la valeur de cette fréquence. La valeur de 1 580 MHz introduit une incertitude acceptable. Par ailleurs, le signal reçu au sol diffère de la fréquence émise par l'antenne 24 en raison de l'effet Doppler provoqué par la vitesse de déplacement du mobile par rapport au sol. I1 est important de noter que l'effet Doppler sur la porteuse à 77 GHZ (du générateur 26) n'est pas gênant puisque la fréquence de cette porteuse n'intervient pas dans la mesure. On remarquera d'ailleurs que cet écart Doppler n'apparaît pas dans la relation (1). Le signal utile, qui module la porteuse à 77 GHz, est à une fréquence maximale de 10 MHz. Pour cette fréquence, l'effet Doppler dû à la vitesse du mobile par rapport au sol est négligeable. Cet effet correspond à la V(mobile / sol) valeur x sol) dans la relation (1). La distance du mobile à un satellite donné est déterminée par la formule suivante (2) trsi = tesi + d(si / mobile) + d(mobile / sol) c c Dans cette formule trsi est l'instant de réception au sol du signal, émis à l'instant tesi, par le satellite Si, ce signal étant d'abord capté par le mobile puis retransmis vers le récepteur au sol, c est la vitesse de la lumière, d(si/mobile) est la distance du satellite Si au mobile, et, d(mobile/sol) est la distance du mobile au sol. L'instant tesi est fourni par le signal émis par le satellite. Dans le récepteur GPS, de façon classique, on prévoit un calculateur qui détermine la position du mobile à partir d'un système d'équations (2), le nombre d'équations étant au moins égal à 4 (le nombre de signaux de satellites détectés). Pour les calculs de distance, on tiendra compte aussi du décalage, ou de l'imprécision, d'une horloge de réception au sol. Dans ce système d'équations (2), le temps de parcours des signaux du mobile au sol est le même pour toutes les équations. On peut, pour le calcul, considérer ce temps de la même manière que le décalage du signal d'horloge au sol par rapport à une référence de temps. Le mode de réalisation représenté sur la figure 3 se distingue de celui représenté sur la figure 1 par le fait qu'on prévoit un convertisseur analogique/numérique 30 entre le filtre 20 et le modulateur-émetteur 22. Dans ce cas, le modulateur-émetteur 22 est, bien entendu, de type numérique. Par ailleurs, le signal d'horloge du convertisseur 30 est fourni par une sortie 163 du synthétiseur 16. Dans la variante simplifiée représentée sur la figure 4, le dispositif embarqué ne comporte pas de moyen de transposition de fréquence. Le signal de l'antenne 10 est appliqué directement, à travers l'amplificateur 12, au modulateur-émetteur 22. Cette réalisation peut être fabriquée à faible prix. Elle présente l'avantage, comme les autres, de permettre une transmission sur une fréquence de modulation choisie en fonction des besoins. De façon générale, quel que soit le mode de réalisation, la fréquence de modulation pour la transmission des signaux sera de préférence au moins égale à 3 GHz et avantageusement supérieure à 10 GHz. La figure 5 représente l'installation au sol qui, pour l'essentiel, est un récepteur GPS classique. Toutefois, par rapport à un tel récepteur classique, il comporte, d'une part, un démodulateur 40 et, d'autre part, des moyens de traitement (non montrés en détail) pour compenser l'incertitude ou le décalage temporel provenant du signal de référence appliqué sur l'entrée 142 du mélangeur 14. Ce traitement est obtenu grâce au signal à 10 MHZ fourni sur la sortie 162 du synthétiseur 16 et transmis au sol. Dans l'exemple représenté, l'installation au sol comprend donc une antenne 42 de réception dont le signal est appliqué à un récepteur de télémétrie 44 qui assure des fonctions classiques de filtrage et d'amplification. La sortie du récepteur 44 est reliée, par l'intermédiaire du démodulateur 40, à un circuit 46 de calcul de la trajectoire du mobile. Par ailleurs, l'installation comprend un récepteur GPS de référence 48 comportant sa propre antenne 50. De façon en soi connue, le récepteur de référence 48 permet de comparer, à chaque instant, la distance mesurée entre ce récepteur au sol et le satellite à la distance, connue a priori, entre ce récepteur et le satellite. Cette comparaison est utilisée pour corriger les mesures fournies par le mobile. Ce type de correction, qui permet une grande précision de la localisation du mobile, est appelé un système GPS différentiel. Le récepteur 48 de référence comporte ainsi une sortie d'horloge 481 reliée à une entrée d'horloge correspondante 461 du circuit 46. I1 comporte aussi une sortie 482 fournissant les données de référence sur une entrée correspondante d'un circuit 52 de calcul de position, de vitesse et de temps (PVT) qui, avec le circuit 46, permet de calculer la trajectoire. Le circuit 46 comporte en outre une entrée 462 recevant un signal d'aide (inertielle, par exemple) pour améliorer les performances d'accrochage et de poursuite des signaux GPS. REVENDICATION8 1. Dispositif de réception/émission à bord d'un mobile, ce dispositif recevant des signaux émis par un ensemble de satellites ou balises qui servent à déterminer la position du mobile grâce à la mesure de la distance entre ce dernier et des satellites ou balises dont les positions sont connues, chaque distance étant déterminée à partir du temps séparant l'instant d'émission d'un signal par un satellite, ou balise, de l'instant de réception du même signal par le mobile, le signal émis par chaque satellite ou balise comportant une fréquence porteuse dont la valeur constitue un paramètre utilisé pour la détermination des vitesses et qui est modulée par un code indiquant l'instant d'émission, ledit dispositif émettant les signaux reçus vers un récepteur à distance, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur (22) qui module les signaux reçus sur une porteuse dont la fréquence est indépendante de la détermination de position et de vitesse, la transmission du mobile au récepteur (42) s'effectuant à cette fréquence porteuse. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la fréquence de la porteuse modulant le signal transmis du mobile vers le récepteur est d'au moins 3 GHz et, de préférence, supérieure à 10 GHz. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la fréquence de la porteuse de modulation du signal transmis depuis le mobile vers le récepteur est de l'ordre de 77 GHz. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la modulation du signal transmis du mobile vers le récepteur est une modulation de fréquence, une modulation de phase ou une modulation d'amplitude. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (14) de transposition de fréquence disposé en amont du modulateur (22) pour abaisser la fréquence des signaux reçus des satellites ou balises. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bande passante des signaux obtenus en sortie du circuit (14) de transposition de fréquence est comprise entre 0 et 20 MHz environ. 7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la bande passante des signaux en sortie du circuit (14) de transposition de fréquence est comprise en 0 et 10 MHz environ. 8. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la bande passante des signaux en sortie du circuit (14) de transposition de fréquence est comprise entre 0 et 2 MHZ environ. 9. Dispositif selon une quelconque des revendications 5 à 8 caractérisé en ce que le circuit (14) de transposition de fréquence comporte un mélangeur recevant une fréquence locale, la fréquence du signal en sortie (143) de ce mélangeur étant la différence entre la fréquence du signal reçu d'un satellite ou d'une balise et la fréquence locale. 10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'un signal (19) représentant la fréquence locale est transmis en même temps que le signal de sortie du mélangeur (14). 11. Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que le signal (19) représentatif de la fréquence locale a une fréquence se trouvant en dehors de la bande passante (b) du signal en sortie du mélangeur, mais à proximité de cette dernière. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit signal représentatif est un sous-multiple de la fréquence locale. 13. Récepteur destiné à recevoir des signaux émis par un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes et propre à calculer la position du mobile grâce aux signaux reçus, caractérisé en ce qu'il comprend un démodulateur (40) pour la démodulation des signaux émis par ledit dispositif. 14. Récepteur selon la revendication 13 et destiné à recevoir les signaux fournis par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen pour compenser le décalage de fréquence introduit par le signal à fréquence locale, cette compensation faisant appel au signal représentatif du signal local qui est transmis par ledit dispositif.