Brevet FR2754906A1 — publié le 19980424

Titre: APPLICATION DU SYSTEME GPS A UN SYSTEME DE NAVIGATION FERROVIAIRE UTILISANT DEUX SATELLITES ET UNE BASE DE DONNEES MEMORISEE Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne la localisation d'un objet grâce à l'utilisation combinée d'une base de données d'itinéraires et de mesures par satellite. Plus particulièrement, l'invention concerne la localisation d'un train grâce à l'utilisation d'une base de données de voies et de données provenant de deux satellites mondiaux de positionnement mondial. La possibilité de localiser des trains dans une large zone devient de plus en plus importante. Les limitations des ressources inhérentes à tout système de voies, comme le nombre et la disponibilité des voies de raccordement, des chargeurs, des déchargeurs, des aiguillages et du personnel accroissent considérablement l'importance d'une utilisation intelligente des ressources. Ces ressources sont utilisées au mieux par un transit efficace des trains de et vers ces ressources. Un transit efficace ne peut être réalisé que si les emplacements des différents trains dans le système sont connus avec précision. Le système de positionnement mondial (GPS) et d'autres systèmes de localisation par satellite sont disponibles et utilisés depuis plusieurs années (le terme GPS est utilisé ci-après pour désigner un système quelconque de localisation qui utilise des satellites et possède des capacités similaires à celles du système GPS). L'utilisation de systèmes GPS pour une grande diversité de véhicules, parmi lesquels des trains, est connue dans ce domaine. De même, les limitations inhérentes à l'utilisation des systèmes GPS sont connues. Une localisation précise par GPS nécessite un récepteur GPS pour recevoir les signaux provenant de quatre satellites GPS différents. Un train, ou un autre véhicule, peut aisément recevoir des signaux des quatre satellites requis s'il est situé dans une zone dégagée, là o il n'y a pas d'obstacle pour les signaux. Pour cette raison, les bateaux sur la mer ou les avions en vol sont bien placés pour utiliser parfaitement le GPS afin de déterminer avec précision leur emplacement. Un train situé dans une zone dégagée peut également recevoir des signaux des quatre satellites requis. Néanmoins, les trains ne sont pas toujours situés dans des endroits aussi pratiques. La nature même d'un trajet de train est telle que les trains se trouveront à un moment donné dans des endroits o ils ne pourront pas recevoir facilement les signaux des quatre satellites. Les trains se déplacent à proximité de grandes structures, naturelles ou artificielles, faisant obstacles aux signaux. Les trains se déplacent dans les canyons ou autres zones qui interfèrent avec la réception des signaux. Ainsi, les trains sont souvent dans la situation, unique par rapport aux autres formes de transit de masse et de marchandises, dans laquelle ils ne peuvent pas recevoir de signaux des quatre satellites requis et ne reçoivent souvent de signaux que de deux satellites. Evidemment, il existe d'autres procédés de localisation d'un véhicule. En particulier pour le transport par voie ferrée, il est possible pour un véhicule d'avoir accès à une basse de données d'informations sur les itinéraires des voies dont les emplacements sont fixes et connus. Une telle base de données peut être utilisée pour convertir la distance parcourue à partir d'un point connu le long d'un itinéraire connu en, un emplacement en deux ou trois dimensions. Un système de ce type convient parfaitement aux véhicules sur rails du fait qu'ils ne peuvent pas s'écarter de leur voies fixes et connues. Les avantages d'un tel système sont cependant limités par sa logistique. Afin de connaître la distance parcourue à partir d'un point fixe, des mesures doivent être effectuées à l'aide d'un compteur kilométrique. Ce type de mesure est généralement réalisé en comptant les tours de roue, ce qui comporte de nombreuses imprécisions: les roues glissent sur les rails pendant l'accélération et le freinage; le diamètre des roues change avec le temps et l'usure des roues sur lesquelles des plats apparaissent; toute méthode de calcul et de mesure de la rotation des roues est au moins en partie inhérente à la mécanique et entraîne donc des problèmes mécaniques; toutes les mesures sont basées sur la remise correcte d'un compteur à un point zéro désigné, à partir duquel les mesures sont prises, ce qui peut être difficile à réaliser; et indépendamment de la possibilité de mesurer la distance parcourue, l'ensemble du système est soumis à la précision de la base de données initiale sur laquelle la localisation finale est basée. Il est souhaitable de combiner les meilleures caractéristiques des procédés de localisation par satellite et de celles basées sur la distance parcourue. Un tel système peut déterminer approximativement l'emplacement d'un véhicule sur rails en fonction d'une base de données de voies avec une certaine marge d'erreur. Cette estimation pourrait être utilisée comme base pour une mesure par satellite, qui tient compte, d'une part, de l'emplacement estimé du véhicule sur rails et, d'autre part de l'emplacement relatif des satellites géosynchrones à proximité. Un tel système doit avoir accès aux quatre satellites normalement requis. En conséquence, un objet de la présente invention est de fournir un nouveau procédé permettant de déterminer l'emplacement d'un véhicule dont le mouvement est limité à un itinéraire dont l'emplacement est fixe et connu, procédé qui résout les problèmes posés par la technique antérieure. Un autre objet de la présente invention est de fournir un nouveau procédé permettant de déterminer l'emplacement d'un véhicule le long d'un itinéraire fixe en utilisant une base de données des emplacements des itinéraires associée à des informations de localisation données par seulement deux satellites faisant partie d'un système de positionnement mondial. Un autre objet de la présente invention est de fournir un nouveau procédé permettant de déterminer l'emplacement d'un véhicule en estimant l'emplacement du véhicule sur un itinéraire, en déterminant les angles entre un vecteur tangent à l'itinéraire et chacun des deux satellites, en déterminant une erreur de gamme entre une gamme estimée entre l'emplacement estimé d'un véhicule et chaque satellite et une gamme mesurée entre le véhicule et chaque satellite, et en utilisant les angles déterminés et l'erreur de gamme déterminée pour déterminer une erreur de distance qui est combinée avec l'emplacement estimé du véhicule afin de le localiser. Ces objets et avantages de la présente invention, ainsi que de nombreux autres, apparaîtront clairement aux spécialistes de la technique, dont fait partie cette invention, à la lecture des revendications, des dessins joints et de la description détaillée suivante des modes de réalisation préférés. Brève description des dessins La figure 1 est une représentation de haut niveau des éléments d'un système de localisation dans lequel la présente invention peut être réalisée. La figure 2 représente la relation géométrique entre un véhicule équipé d'un appareil de réception par satellite et de deux satellites situés au-dessus. Description des modes de réalisation préférés Selon la présente invention, un véhicule, dont le mouvement est limité à un itinéraire dont l'emplacement est fixe et connu, peut être équipé d'une base de données d'itinéraires. Une telle base de données d'itinéraires peut fournir le moyen de convertir une distance parcourue entre un point fixe le long d'un itinéraire et un emplacement estimé en deux ou trois dimensions. Cette estimation peut aussi être utilisée pour estimer les pseudogammes des satellites à proximité. Cette estimation de gamme de satellite peut être utilisée pour déterminer avec précision l'emplacement du véhicule à l'aide de seulement deux satellites. La relation entre l'emplacement de chaque satellite et du véhicule peut être exprimée comme suit: Pi = [Xi-X )2 + (Yi-Ye)2 + (Zi-Z)2]l/2 + Bc, i = 1,...,n o: Xi, Yi, Zi représentent l'emplacement en trois dimensions de chaque satellite i; Xe, Ye, Ze représentent l'emplacement en trois dimensions du véhicule; B représente la polarisation de l'horloge du récepteur (et C est une constante connue ou pouvant être déterminée); Pi représente la pseudogamme entre le récepteur de satellite placé dans le véhicule et le satellite i; et n représente le nombre de satellites utilisés dans la solution, qui doit être supérieur ou égal à quatre si Xe, Ye, Ze et B sont inconnus. Si Xf, Ye, Z'e et B sont les meilleures estimations de ces paramètres, alors: Xe = Xe + AXe Ye = Ye + AYe ze = ze + Aze B = B + AB Pi = Pi + Api En substituant ces paramètres dans l'équation ci- dessus et en linéarisant, on obtient: ôpi =A AXe + Ayt iAY + Az AZI - CAB = pi - i - cbi o (Xi -Xú) Axti - p A - (YiYe) Yt;- pi Ayi --=) Aze. - (Zi --Ze) Aezi - A j Az i et bi est l'erreur au niveau de l'horloge du satellite. Ces équations linéarisées peuvent être mises sous forme de matrice, ce qui donne: AA, - c AX 6pl F A,11 yAl A 1- 1 0 i i Ax,2 AY 2 Az - c AY P2 A.A A7 - c AZ 8p2 Axe3 Aye3 Aze3JAB L J ::: : AB! Il' s'agit d'équations linéarisées "normales" qui sont répétées pour obtenir une solution GPS. Etant donné que nous avons une base de données d'itinéraires qui est très précise, il est évident que l'emplacement du véhicule X , Y , Ze peut être mis en paramètres en termes de distance le long de l'itinéraire ("s"). Donc X = X (s), Yú = Ye(s) et Ze = Z D'o dx dy dz Ax =- As, AY = dy Az = As ds ds ds En substituant ces valeurs dans les équations linéarisées, on obtient: dx dx dx iF6pI r dx A dx dx - P IAm1 ds ds Ayti ds rd A2ds Ay'72 ds A[2ds ds d -s] s dx dx dx AB A3 + syt3± 7 6P3 AI3 ds * y 3 ds I + +A:- Les vecteurs suivants sont des vecteurs unitaires en direction du satellite et de l'itinéraire respectivement [A]T [dx dy dzT etdL ds dsi Le produit scalaire de ces deux vecteurs est dx dy dz Ai ds +yti ds + zi ds ce qui représente le cosinus de l'angle entre les deux vecteurs. L'équation simplifiée qui est utilisée pour déterminer l'emplacement du véhicule est alors [cos o - CI FâpJl COS 02 - C AS] ÈP2 LCOS O3 cj C=B La description précédente fait apparaître clairement que puisque le nombre d'inconnues a été réduit à deux (As et AB), le nombre de satellites requis pour la localisation, sachant que le véhicule est sur l'itinéraire, est deux. Pour vérifier la précision qui peut être obtenue par ce procédé, un calcul simple montre que la dilution de la précision en trois dimensions (PDOP) le long d'un itinéraire est donnée par: 2 n1 PDOPs =[ nYP s (Cos 00)2 - (y CosO,)2j o n représente le nombre de satellites utilisés dans la solution. Afin de réduire au minimum le PDOP, il est préférable que les satellites se trouvent devant ou derrière le train. En référence maintenant à la figure 1, la présente invention peut comprendre un système classique de navigation à l'estime, utilisant un filtre de Kalman pour fournir un emplacement estimé d'un véhicule sur un itinéraire fixe et connu (ce qui signifie que le mouvement du véhicule est limité à un itinéraire fixe et connu). Le système de navigation à l'estime peut être un système de navigation inertielle (INS) 10 ou un compteur kilométrique 12 raccordé à une roue 14 se déplaçant le long d'un itinéraire, ou un autre système fournissant une distance le long d'un itinéraire. Le compteur kilométrique 12 peut compter les rotations de la roue 14 du véhicule et convertir le nombre de rotations en une distance parcourue à partir du dernier point de remise à zéro du compteur kilométrique sur l'itinéraire. L'emplacement estimé le long de l'itinéraire par le système de navigation à l'estime peut être fourni par un ordinateur 16. Un système classique de mémorisation des données 18 peut contenir une base de données de coordonnées en deux ou trois dimensions pour les emplacements du véhicule le long de l'itinéraire, qui sont fournies par les informations provenant du système de navigation à l'estime (par exemple la distance au dernier point de remise à zéro). Le système de mémorisation des données 18 peut aussi contenir des informations concernant les emplacements des satellites GPS (bien que l'invention ne soit pas limitée au système GPS). Le système de mémorisation des données 18 peut être placé dans l'ordinateur 16 ou à distance de celui-ci et relié par radio ou par d'autres systèmes classiques de transmission des données. Un récepteur de satellite 20 peut recevoir les transmissions provenant d'une pluralité de satellites 22 et fournir des informations à l'ordinateur 16 à partir de ces transmissions. L'ordinateur 16 peut être utilisé pour déterminer avec précision l'emplacement actuel du véhicule. A la demande de l'opérateur ou automatiquement (périodiquement ou à des moments prédéfinis), l'ordinateur 16 peut lire l'emplacement estimé indiqué par le système de navigation à l'estime et obtenir les coordonnées de cet emplacement dans la base de données 18. En utilisant les coordonnées de l'emplacement estimé le long de l'itinéraire, l'ordinateur 16 peut demander au récepteur de satellite 20 des informations sur l'emplacement, basées sur les signaux reçus de seulement deux satellites 22. En utilisant la relation dérivée ci-dessus, l'ordinateur 16 peut déduire une estimation très précise de l'emplacement actuel du véhicule et l'afficher sur l'ordinateur 16 et/ou la transmettre à un dispositif central qui contrôle et/ou commande l'emplacement du véhicule le long de l'itinéraire. Selon le mode de réalisation préféré et en référence à la figure 2, lorsque l'emplacement d'une locomotive 30 (Xl, Yî, Zl) sur une voie 32 a été estimé à l'aide d'un système de navigation à l'estime, le vecteur unitaire tangent à la voie 32 à l'emplacement estimé peut être calculé, ainsi que le vecteur unitaire de chaque satellite. Les angles Oi entre le vecteur unitaire tangent à la voie et chaque vecteur unitaire de satellite peuvent ensuite être déterminés. Ensuite, la pseudogamme estimée (Pi) pour chaque satellite peut être déterminée en fonction de l'emplacement estimé de la locomotive et la pseudogamme mesurée (pi) pour chaque satellite à partir du récepteur de satellite peut être déterminée. L'erreur de la pseudogamme (6pi) peut être calculée en soustrayant la pseudogamme estimée de la pseudogamme mesurée. Ainsi, lorsque Oi et âpi sont connus pour deux satellites, As et AB peuvent être calculés en il utilisant l'équation simplifiée ci-dessus qui est répétée ci-dessous pour uniquement deux satellites. LCos 1 - Ci rAs 1 r5Pi Cos 02- j L=[ 6p2J Les résultats peuvent être acceptés si la norme de [AsAB]T est inférieure à un seuil prédéterminé ou sont rejetés et le processus est répété si la norme dépasse le seuil. De préférence, l'un des deux satellites est devant la locomotive et l'autre se trouve derrière. Les deux satellites ne doivent pas se situer dans un plan qui contient la locomotive et qui est orthogonal à la voie. Dans un autre mode de réalisation, le système peut être utilisé pour contrôler l'emplacement de l'extrémité d'un train en installant le système à l'arrière d'un train en plus ou à la place de la locomotive. Maintenant que les modes de réalisation préférés de la présente invention ont été décrits, on comprendra que ceux-ci ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que l'étendue de l'invention ne doit être définie que par les revendications jointes et une large gamme d'équivalences, de nombreuses variations et modifications sembleront évidentes aux spécialistes de la technique après une lecture attentive de ces revendications. REVENDICATIONS: 1. Procédé permettant de localiser un véhicule dont le mouvement est limité à un itinéraire dont l'emplacement est fixe et connu, comprenant les étapes de: (a) estimation de l'emplacement du véhicule le long d'un itinéraire; (b) réception de signaux provenant de deux satellites de positionnement mondial; (c) détermination d'un angle entre le vecteur tangent à l'itinéraire à l'emplacement estimé et chacun des deux satellites; (d) pour chacun des deux satellites, détermination d'une erreur de gamme entre une gamme estimée entre l'emplacement estimé du véhicule et le satellite et une gamme mesurée entre le véhicule et le satellite; (e) utilisation des angles déterminés et des erreurs de gamme déterminées pour uniquement deux satellites, détermination d'une erreur de distance à l'emplacement estimé du véhicule le long de l'itinéraire; et (f) combinaison de l'erreur de distance et de l'emplacement estimé pour fournir un emplacement déterminé du véhicule le long de l'itinéraire. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le procédé comprend en outre l'étape de sélection d'un des satellites devant le véhicule et de l'autre satellite derrière. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'estimation de l'emplacement du véhicule le long de l'itinéraire comprend l'étape d'utilisation d'un système de navigation à l'estime pour estimer un emplacement le long de l'itinéraire. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de détermination d'une erreur de distance à l'emplacement estimé du véhicule le long de l'itinéraire comprend l'étape de résolution de l'équation suivante dans laquelle l'erreur de distance est As, les angles déterminés sont Oi, les erreurs de gammes déterminées sont âpi, c est une constante et AB est une inconnue: [cos Oi-cj rAs I =iP11 Cos 02 - C [AB] LâP2 5. Procédé selon la revendication 4, comprenant en outre les étapes de détermination de la norme de [As AB]T et d'acceptation de l'erreur de distance déterminée si la norme déterminée est inférieure à un seuil. 6. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre les étapes de calcul d'un vecteur unitaire d'itinéraire qui est tangent à l'itinéraire à l'emplacement estimé, et de calcul des vecteurs unitaires des satellites entre l'emplacement estimé et chacun des deux satellites, dans lequel les angles déterminés sont entre le vecteur unitaire d'itinéraire et les vecteurs unitaires des satellites. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le véhicule est une locomotive équipée d'un récepteur GPS et l'itinéraire est une voie pour la locomotive. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre l'étape de fourniture de la position déterminée à un opérateur du train situé à distance de la locomotive, qui contrôle l'emplacement de la locomotive. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le véhicule se trouve à une extrémité du train, le véhicule ayant un récepteur GPS, et l'itinéraire est une voie pour le train. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre l'étape de fourniture de la position déterminée à un opérateur du train situé à distance du train, qui contrôle l'emplacement de la fin du train. 11. Procédé permettant de localiser un véhicule qui se déplace le long d'un itinéraire dont l'emplacement est connu et qui est équipé d'un récepteur de satellite de positionnement, le procédé comprenant les étapes de: (a) estimation d'un emplacement du véhicule en utilisant les informations sur l'itinéraire connu et le mouvement du véhicule; et (b) amélioration de la précision de l'emplacement estimé en appliquant une correction à l'emplacement estimé dérivée des données reçues sur le récepteur de satellite de positionnement provenant de seulement deux satellites de positionnement. 12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l'étape de: détermination d'un angle entre un vecteur tangent à l'itinéraire à l'emplacement estimé et chacun des deux satellites en calculant un vecteur unitaire d'itinéraire qui est tangent à l'itinéraire à l'emplacement estimé et en calculant des vecteurs unitaires des satellites entre l'emplacement estimé et chacun des deux satellites, o les angles déterminés se trouvant entre le vecteur unitaire d'itinéraire et les vecteurs unitaires des satellites. 13. Procédé selon la revendication 12, comprenant en outre l'étape de: pour chacun des deux satellites, détermination d'une erreur de gamme entre une gamme estimée entre l'emplacement estimé du véhicule et le satellite et une gamme mesurée entre le véhicule et le satellite; 14. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre l'étape de: détermination d'une erreur de distance à l'emplacement estimé du véhicule le long de l'itinéraire en résolvant l'équation suivante, dans laquelle l'erreur de distance est As, les angles déterminés sont Oi, les erreurs de gammes déterminées sont âpi, c est une constante et AB est une inconnue: ECos 01 - CI rlAs _5P COS 02 - cLAB =6P2i 15. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le véhicule se trouve dans un train et l'itinéraire est une voie pour le train. 16. Procédé selon la revendication 15, comprenant en outre l'étape de fourniture de la position déterminée à un opérateur du train situé à distance du train, qui contrôle l'emplacement du train.