Brevet FR2812143A1 — publié le 20020125

DISPOSITIF DE POSITIONNEMENT A DIVERSITE SPATIALE A L'AIDE DE SIGNAUX RADIO PROVENANT DE SATELLITES La présente invention concerne les techniques de positionnement fondées sur la réception de signaux synchronisés en provenance de plusieurs satellites d'une constellation. Elle s'applique notamment à la réception des signaux issus des satellites GPS (" Global Positioning System ") servant à la navigation d'engins mobiles (avions, hélicoptères, missiles, bombes guidées,...). Le positionnement GPS utilise les signaux émis par plusieurs satellites. La permanence du positionnement obtenu par ce système suppose que sur un mobile, I'antenne GPS soit toujours en visibilité d'au moins quatre satellites. Pour certains porteurs tels que les engins mobiles précités, ces conditions ne sont pas remplies du fait des contraintes d'implantation de l'antenne, qui peuvent conduire à des masquages statiques (même pour un porteur immobile), et/ou des évolutions ou changements d'attitude du porteur qui provoquent des masquages dynamiques, par exemple pour des engin spinnés. Pour garantir la permanence de la visibilité plusieurs solutions sont possibles: 1) Utiliser une antenne omnidirectionnelle. On utilise en général un réseau d'antennes judicieusement placées dont on fait la mise en phase. Cette solution a pour inconvénient de ne pas être applicable à tout type de porteur. De plus, elle demande une étude spécifique pour chaque porteur. 2) Utiliser une antenne motorisée toujours pointée vers le zénith. Cette solution demande plus de volume disponible au voisinage de l'antenne. Elle requiert aussi de hautes performances dans les déplacements de l'antenne, compatibles avec les mouvements possibles du porteur. De plus, elle n'est pas applicable aux porteurs qui n'assurent pas la visibilité du zénith au cours de leurs évolutions. Elle nécessite des informations inertielles pour le positionnement de l'antenne. 3) Utiliser une antenne à balayage électronique. Bien que technologiquement réalisable aux fréquences GPS, cette solution est complexe et, comme la solution précédente, elle nécessite des informations inertielles. -2 - 4) Utiliser plusieurs antennes commandées selon l'une des deux solutions précédentes pour obtenir une visibilité totale du zénith. Bien que donnant plus de facilité d'implantation, ces solutions ne vont pas dans le sens de la simplification. 5) Utiliser plusieurs antennes fixes dont l'association permet d'assurer la visibilité du zénith par combinaison des signaux. Cette solution a pour avantage de ne pas nécessiter de développement au niveau de l'antenne, qui peut être standard, et de s'adapter facilement au porteur sans requérir de mise en phase des signaux. Cette dernière solution, à diversité spatiale, est préférée car elle donne beaucoup de liberté dans l'implantation des antennes. Il faut toutefois s'assurer que la combinaison des signaux se fasse sans interférence. Pour traiter les signaux reçus par ces antennes multiples, on peut prévoir autant de récepteurs que d'antennes. Ceci a l'inconvénient de multiplier le nombre de récepteurs et d'obliger à rendre les traitements des récepteurs cohérents. On peut aussi effectuer une sélection d'antenne pour chaque satellite, sur la base d'informations inertielles (voir par exemple R.H. Cantwell et al., " GPS Continuous Track on a Spinning Vehicle with Multiple Patch Antennas >", Proc. of ION GPS'99, 14-17 septembre 1999, Nashville TN, pages 901-906). Une autre possibilité est de sommer après pré-amplification les signaux issus des différentes antennes. Mais cela peut conduire à une annulation de certains signaux dans des cas défavorables d'interférences destructives, de sorte qu'on risque de perdre la poursuite du positionnement. Un but de la présente invention est de proposer une solution simple et efficace pour déterminer des données de position à partir d'antennes multiples à diversité spatiale. L'invention propose ainsi un dispositif de positionnement, comprenant plusieurs antennes pour capter des signaux radio en provenance d'un ensemble de satellites, des moyens de combinaison pour former un signal composite à partir de signaux respectivement fournis par les antennes, et des moyens de traitement du signal composite pour déterminer des données de positionnement. Selon l'invention, les moyens de combinaison comprennent des moyens de transposition de fréquence recevant l'un au moins des signaux fournis par les antennes de façcon à produire un décalage fréquentiel entre des -3 - signaux prétraités obtenus respectivement à partir des signaux fournis par les antennes, et des moyens de sommation des signaux prétraités. Les signaux captés par les différentes antennes sont sommés après préamplification et pré-traitement. Ce pré-traitement a pour but de modifier un des paramètres qui caractérisent les signaux reçus, en l'occurrence leur fréquence porteuse, de façon à les rendre indépendants vis-à-vis du traitement. Si N est le nombre d'antennes, on décale la fréquence de N-1 (ou N) des signaux, de telle sorte que les signaux prétraités issus de deux antennes choisies parmi les N antennes aient des fréquences porteuses décalées. Dans la suite de la présente description, on considérera le cas le plus simple o N = 2, sans que cela affecte la généralité de l'invention. Le décalage fréquentiel appliqué par les moyens de transposition interdit toute sommation destructive des signaux GPS, indépendamment des satellites d'o proviennent ces signaux et de leur direction de réception. Ce décalage fréquentiel est pris en compte par les moyens de traitement du signal composite. Il suffit de le considérer comme une modification (connue) du décalage Doppler inhérent au mouvement relatif entre le porteur et le satellite. Il est avantageux de faire porter le pré-traitement sur la fréquence des signaux reçus plutôt que sur leur phase ou sur le temps. Le paramètre phase est déjà utilisé par les satellites pour générer les signaux GPS en réalisant les opérations d'étalement de spectre et de modulation. En conséquence, il serait très complexe de le modifier à nouveau pour séparer les signaux. Le paramètre temps permettrait en théorie de séparer les signaux. Cependant, la mise en oeuvre de lignes à retard dans la gamme des hyperfréquences et pour des retards importants (il faut au moins 1 ts pour séparer sans interférences les signaux) n'est pas technologiquement envisageable aujourd'hui. De plus, ce paramètre est fondamental dans la détermination du point GPS, ce qui implique de connaître avec grande précision le retard introduit. Dans une réalisation préférée, les moyens de transposition de fréquence comprennent au moins un mélangeur à réjection d'image auquel est appliqué un des signaux fournis par les antennes. En variante, ces moyens de transposition de fréquence peuvent comprendre au moins un modulateur de phase linéaire auquel est appliqué un des signaux fournis par les antennes. Pour améliorer l'immunité du dispositif aux brouilleurs, les moyens de combinaison comprennent avantageusement, pour chaque antenne, des -4moyens pour inhiber le signal fourni par ladite antenne lorsque ledit signal dépasse un seuil énergétique alors qu'une commande de validation d'inhibition est activée. Ces commandes de validation d'inhibition sont typiquement obtenues à partir d'informations inertielles mesurées par des moyens embarqués avec le dispositif. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif de positionnement conforme à l'invention; - les figures 2 et 3 sont des schémas synoptiques d'autres formes de réalisation d'une voie de pré-traitement du dispositif. Le dispositif de positionnement représenté sur la figure 1 comporte deux antennes 5 montées sur le porteur du dispositif de façon à avoir des orientations différentes, par exemple diamétralement opposées. Dans un exemple d'application, le porteur est un avion et les antennes sont installées à l'extérieur de l'avion, I'une au-dessus du fuselage et l'autre au-dessous. Dans les évolutions les plus fréquentes de l'avion, I'antenne située au-dessus du fuselage pointe approximativement vers le zénith, et se trouve donc en visibilité de satellites de la constellation GPS, alors que l'autre antenne est dirigée vers le sol. Toutefois, lors des changements d'attitude du porteur, il est possible que l'antenne située sur le dessus perde la visibilité de certains satellites qui entrent dans le champ de vision de l'autre antenne. Les signaux issus des deux antennes sont donc combinés pour prendre en compte autant de satellites que possible, tout en évitant les interférences pouvant se produire entre les signaux radio captés par les antennes. Le signal capté par chaque antenne 5 est d'abord pré-amplifié par un amplificateur à bas bruit 6. L'un des signaux pré-amplifiés est adressé à un circuit de transposition de fréquence, qui dans l'exemple représenté sur la figure 1, consiste en un modulateur de phase linéaire 7. Ce modulateur 7 consiste en un déphaseur dans la gamme 0-360 , qui applique au signal un déphasage variant linéairement dans le temps, avec une période correspondant à l'écart de fréquence choisi pour effectuer la transposition. Cet écart de fréquence peut être de l'ordre de quelques kilohertz. -5- Le déphaseur doit fonctionner dans la gamme de fréquence des signaux GPS, c'est-à-dire dans une gamme incluant les fréquences L1 = 1575,42 MHz et L2 = 1227,60 MHz. Un sommateur 8 effectue la somme des signaux pré-traités issus des deux voies, à savoir le signal de sortie des moyens de transposition 7 et le signal pré-amplifié sur l'autre voie. Un câble de descente 9 achemine le signal composite délivré par le sommateur 8 jusqu'au récepteur GPS 10 qui filtre, amplifie, transpose en fréquence intermédiaire et numérise ce signal composite. Le signal numérique est ensuite traité de façon connue en soi par un calculateur 11 qui détermine les données de positionnement du porteur par triangulation à partir d'au moins quatre satellites. De façon connue, les opérations de traitement effectuées par le calculateur 11 comportent une exploration en fréquence du signal composite numérisé dans les deux plages des fréquences intermédiaires délivrées par le récepteur 10. Cette exploration en fréquence a pour but de compenser les décalages Doppler qui affectent les fréquences porteuses émises par les satellites et par voie de conséquence les fréquences intermédiaires que le calculateur 11 doit traiter. L'écart de fréquence dû à la transposition dans le pré-traitement des signaux avant sommation, s'ajoutant aux décalages Doppler précités, est compensé par le calculateur 11. Cet écart est choisi pour être légèrement supérieur au pouvoir de discrimination fréquentielle du traitement effectué par le calculateur 11. On peut être amené à élargir l'exploration en fréquence Doppler au niveau du calculateur 11 pour être sûr de prendre en compte toutes les composantes utiles des signaux. La combinaison des signaux par transposition de fréquence peut conduire à augmenter le nombre de canaux de démodulation dans le calculateur 11. Un critère de visibilité permet alors de choisir les canaux " actifs ", c'est-à-dire ceux dont les informations (Doppler, pseudo- distance,...) sont exploitées par le calculateur GPS 11. On peut également organiser les différents canaux disponibles dans le traitement en distinguant: - des canaux " actifs ", qui traitent les signaux des satellites reçus par I'une ou l'autre des antennes et dont les informations (Doppler, pseudo- distance,...) sont exploitées par le calculateur GPS 11, et 6 - - des canaux " non actifs ", qui traitent les signaux des satellites reçus par l'une ou l'autre des antennes, mais dont les informations (Doppler, pseudo-distance,...) ne sont pas exploitées par le calculateur GPS 11. Un canal peut être non actif soit parce qu'il sert à la détection de nouveaux satellites, soit parce qu'il duplique de façon transitoire un canal actif relatif à un satellite visible par les deux antennes. Un même satellite est alors pris en compte dans deux canaux décalés en fréquence, I'un actif et l'autre non actif. En fonction des évolutions du porteur et de la position relative porteur/satellite, un canal non actif peut devenir actif et vice-versa. Ce changement d'état peut être effectué en tenant compte d'un critère de visibilité et/ou d'informations sur les mouvements du porteur. La figure 2 montre une variante de réalisation préférée des moyens de transposition de fréquence utilisés dans le pré-traitement des signaux fournis par les antennes. Ces moyens de transposition 15 consistent en un mélangeur à réjection d'image. Un coupleur hybride 16 reçoit le signal pré-amplifié issu de l'antenne 5 et divise sa puissance entre deux composantes de sortie qui présentent un déphasage mutuel de 90 . Ces deux composantes sont respectivement fournies à deux mélangeurs 17 qui les mélangent à deux ondes en quadrature dont la fréquence correspond à l'écart de fréquence à appliquer par les moyens de transposition. Cette fréquence est synthétisée par un oscillateur local 18 à partir duquel sont obtenues les deux ondes en quadrature fournies aux mélangeurs 17. Les signaux de sortie de ces mélangeurs 17 sont adressés à un sommateur 19 qui délivre le signal pré-traité à fréquence décalée. Compte tenu des performances courantes des diviseurs de puissance (16) et des mélangeurs à large bande (17), les résidus en sortie du mélangeur à réjection d'image 15 (à la fréquence d'origine du signal pré-amplifié et à la fréquence image) sont au moins 20 dB sous le signal utile. Le résidu à la fréquence image n'est pas gênant car il est décalé en fréquence. Compte tenu de l'écart de puissance d'au moins 20 dB, le résidu à la fréquence d'origine n'interfère que faiblement avec le signal de l'autre voie après sommation. Bien entendu, il serait possible de décaler la fréquence sur chacune des deux voies, avec des écarts de transposition différents, la différence entre ces écarts correspondant au décalage fréquentiel recherché. On peut 7 - notamment placer sur une voie un mélangeur à réjection d'image qui conserve la fréquence supérieure à la fréquence d'origine (tel le mélangeur 15 représenté sur la figure 2), et sur l'autre voie un mélangeur à réjection d'image qui conserve la fréquence inférieure à la fréquence d'origine (similaire au mélangeur 15 précité en remplaçant le sommateur 19 par un soustracteur). Une antenne qui ne se trouve pas en visibilité des satellites, et qui ne sert donc pas à la détection du point GPS, peut recevoir des signaux en provenance de brouilleurs. Pour diminuer l'influence d'un brouilleur capté par cette antenne, on peut équiper la voie correspondante d'un système simple de détection de brouilleur et d'inhibition, tel que celui représenté sur la figure 3. Un tel système peut être installé dans chacune des voies, en plus des moyens de transposition de fréquence éventuellement présents. Un commutateur 20 transmet le signal pré-amplifié vers le sommateur 8 de façon sélective en fonction d'une commande qui, dans le schéma de la figure 3, est produite par une porte ET 21. Cette porte ET 21 reçoit d'une part une commande de validation d'inhibition obtenue à partir d'informations d'attitude issues de la centrale inertielle 22, et d'autre part un signal binaire d'indication de dépassement de seuil énergétique. Ce signal binaire est généré par un comparateur à seuil 23. Une entrée de ce comparateur 23 reçoit une tension représentative de l'énergie du signal pré-amplifié, obtenue par un amplificateur 24 et un redresseur 25. L'autre entrée du comparateur 23 reçoit une tension de seuil réglable S. La commande de validation d'inhibition issue de la centrale inertielle 22 est désactivée lorsque l'antenne 5 de la voie considérée est plus proche du zénith que du nadir, et activée dans le cas contraire. Etant donné que les signaux de brouilleurs sont puissants et proviennent plus fréquemment du bas que du haut, le circuit d'inhibition sélective de la figure 3 permet d'éliminer de façon simple l'effet de tels brouilleurs. -8- REVENDICATIONS 1. Dispositif de positionnement, comprenant plusieurs antennes (5) pour capter des signaux radio en provenance d'un ensemble de satellites, des moyens de combinaison (7, 8 15) pour former un signal composite à partir de signaux respectivement fournis par les antennes, et des moyens (10, 11) de traitement du signal composite pour déterminer des données de positionnement, caractérisé en ce que les moyens de combinaison comprennent des moyens de transposition de fréquence (7; 15) recevant l'un au moins des signaux fournis par les antennes de façon à produire un décalage fréquentiel entre des signaux prétraités obtenus respectivement à partir des signaux fournis par les antennes, et des moyens (8) de sommation des signaux prétraités. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de transposition de fréquence comprennent au moins un mélangeur à réjection d'image (15) auquel est appliqué un des signaux fournis par les antennes (5). 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de transposition de fréquence comprennent au moins un modulateur de phase linéaire (7) auquel est appliqué un des signaux fournis par les antennes (5). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de combinaison comprennent, pour chaque antenne (5), des moyens (20-25) pour inhiber le signal fourni par ladite antenne lorsque ledit signal dépasse un seuil énergétique alors qu'une commande de validation d'inhibition est activée. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les commandes de validation d'inhibition sont obtenues à partir d'informations d'attitude issues de moyens de mesure inertiels (22) embarqués avec le dispositif.