Brevet FR2840075A3 — publié le 20031128

FR 2840075 A3 20031128 FR 0206256 A 20020523 de sortie de la premiere cellule (34) lorsque le circuit est en mode fonctionnel. La presente invention concerne une nouvelle generation de positionneurs tridimensionnels, fonctionnant a partir d'emetteurs naturels, associes a un principe de mesure different de celui retenu pour les generations anterieures. Si on ecarte les positionneurs mecaniques, genre sextant, on dispose a ce jour, de deux generations de positionneurs electroniques, dont la seconde n'est en fait qu'une extension de la premiere, ces positionneurs vent connus sous le nom de: G.P.S. (GLOBAL POSITIONING SYSTEME) et D.G.P.S. ou G.P.S. DIFFERENTIEL. Le G.P.S. est. comme on le salt, une invention americaine, dont ['exploitation se fait sous controle du D.O.D. Departement de la Defense americain, loquel se reserve le droit de modifier, a tous moments, les parametres de precision du systeme, pour des raisons evidentes de protection de son territoire ou de ses interets dans le monde. Ainsi, entre autres, les emissions G.P.S. ont ete momentanement suspendues ou faussees pendant la guerre du golfe, au risque de mettre en peril navires et avions, civils comme militaires, autres qu'americains. C'est la raison pour laquelle a ete cree le D.G.P.S., qui n'est d'ailleurs qu'une solution batarde, puisqu'elle consiste a analyser les variations dans la precision des informations G.P.S., en comparant les valeurs proposees de positions connues, fixes,terrestres, pour transmettre ensuite les corrections7 vers les stations de reception mobiles, avec, en residue!, les areas inherents a ce second transport d'informations. Le systeme G.P.S. re,coit ses informations a partir d'un reseau de satellites artificiels, equipes d'horloges atomiques de haute precision, qui emettent des tops radio vers la terre; les recepteurs re,coivent ces tops en temps decale, et la mesure de ltecart permet de calculer la distance; en-quite, par triangulation avec d'autres resultats, on obtient le positionnement de la station receptrice. Les americains ont ete les premiers a pouvoir disposer de lanceurs pour mettre sur orbites ces satellites artificiels, et les premiers a exploiter cette methode. L'Europe, grace a la France, possede aujourd'hui lanceurs et technologie de construction des satellites de radiocommunication, elle vient de decider la mise en ouvre du programme "GALILEO", qui vise a doter ses partenaires d'un positionneur par satellites de technologie voisine de celle du systeme G.P.S., dont la precision serait, parat-il, amelioree? Ainsi, ['Europe entend- t- elle se liberer de sa dependence des Etats-Unis, pour pouvoir mieux affirmer son autonomic. Cependant, ce projet coute tres cher, en raison du nombre important de satellites a mettre sur orbites. La compensation positive etant toutefois a examiner du cBte de l'emploi. Il faut aussi considerer ['aspect "pollution de l'espace", car ces objets viennent s'ajouter aux milkers deja en place. Cela peut faire sourire, mais la NASA planche serieusement sur un programme de depollution et doit deja tenir compte des risques de collision pour effectuer ses lancements. La maintenance des satellites est aussi un element a prendre en compte, depanner dans l'espace coute plus cher qutau sol. I1 faudra pourtant faire avec, une decision de cette importance ne se remet plus en question apres signature. La solution que je propose n'est done envisageable qu'a long terme; ce qui en soit n'est pas tres grave car: le developpement, la miniaturisation et l'industrialisation, necessiteront surement plusieurs annees; il faut dire que le projet, s'il s'avere viable, vaut la peine de sty interesser. L'idee consiste a abandonner l'utilisation des emissions radio des satellites artificiels pour la remplacer par ['exploitation des radio source s naturelles de l'univers I1 n'est evidemment pas question d'attendre la transmission d'un top horaire provenant d'une etoile, d'un trou noir, ou d'une galaxie; cela demanderait, au mieux, au moins 4,28 annees pour nous parvenir de l'etoile la plus proche ( Proxima du Centaure.) Il faut done changer de principe, et ne plus miser sur un top horaire, mais sur le fait que les emissions des radiosources vent continues, que leurs longueurs d'ondes vent connues, de meme que leurs caracteristiques, leurs ascensions droites, et verses, leurs declinaisons, leurs puissances d'emission; et que, de ce fait, elles vent localisables et identifiables de jour comme de nun'. Toutes les caracteristiques des radiosources connues peuvent etre obtenues aupres des observatoires equipes de radiotelescopes. En France, Nan,cay (Sologne), peut les repertorier de 90 Nord jusquta environ 45 Sud, Arecibo (Porto-Rico), et les observatoires Hawaiiens, par leurs latitudes tropicales ou Sud, peuvent donner le reste. Toutes les radiosources utiles peuvent done etre repertoriees dans un fichier, avec leurs coordonnees precises et leurs caracteristiques, pour leur permettre d'assurer une couverture mondiale Bien entendu, seules les plus puissantes nous interessent, mais il y en a beaucoup plus qu'il n'y aura jamais de satellites artificiels dans l'espace, puisque, par definition, tout astre en activite emet des ondes radio naturelles plus ou moins puissantes. Ceci etant dit, il ne reste plus qu'a developper la technologie d'exploitation et definir les instruments de mesure qui permettront de s'en servir de positionneurs; ctest ce que je vais detailler maintenant. Faire un point de radiosources equivaut un peu a faire un point d'etoile, a la difference pres qu'il ntest pas necessaire de la voir, mais seulement de ['entendre, et de savoir la localiser. L'avantage est evident, le point peut etre fait de jour comme de nun', par ciel degage ou couvert, il ntest plus necessaire d'attendre des conditions favorables. La procedure est a peu pres la meme, il faut deja determiner quel champ de radiosources se trouve audible au lieu presume ou on se trouve; comme ferait un navigateur en regardant le ciel, pour savoir dans queues constellations il va pouvoir choi sir les etoile s qu' il va utiliser pour faire ses releves. A ce sujet, il faut definir la notion de: "Champ des radiosources audibles", ainsi que les formules mathematiques qui vont permettre de le determiner; Le Champ de Radiosources Audible est delimite par la plan tangent perpendiculaire au zenith du point estime (Figure 1); sa couverture en Angles Horaires Locaux peut se definir par la formule: C R A AHL=[AHso + (Constante * H.Tu)- G]+90 a - 90 et ses limites d'etendue en latitude par: CRA LAT= Latitude point estime +90 a-90 Toutefois, pour eviter les interferences dues aux couches denses de ['atmosphere, il convient de reduire le champ des radiosources audibles, et de ntexploiter que le champ des radiosources gable Le Champ des Radiosources Fiable est delimite (provisoirement! ?) par une lucarne de +60 a -60 , situee de part et d'autre du zenith du point estime, (Figure 3) sur l'axe AHL et (figure 2) sur l'axe des latitudes sa couverture en Angles IIoraires Locaux peut se definir par la formule ci-apres: C R F AHL=[AHso + (Constante * H.Tu)- (G)] + 60 a - 60 et, ses limites d'etendue en latitude par: CRF LAT= Latitude point estime +6) a- 60 Exemple: le 3 mai 2002, a l9hOOmnOOs le champ des radiosources gable Paris sera compris entre: C R F AHL=[ 220 7200+ (15 0411*19hOmnOs)-(-2 0333)] +60 a-60 = env. 88 a 208 et, CRF LAT= 48 8666 + (60 a-60 )= env.90 N a 11 S Nota: dans ce cas de figure, au nord, le champ des radiosources gable s'etend sur l'antimeridien jusqu'au parallele 71 ; pour palier ce probleme, j'ai cree, au niveau de mes logiciels, un champ des radio source s circumpolaires Nord, et un champ de s radiosources circumpolaires Sud. Le champ des radio sources gable etant defini, un balayage electronique rapide du repertoire des radiosources recensees va permettre de selectionner celles qui vent les mieux placees pour servir d'etalons. Ainsi, la radiosource M82, NGC 3034, qui emet dans la raie spectrale de l'hydrogene de 21 cm de longueur d'onde, dont ['ascension droite est de 148 9500, et la declinaison de 69 6833N est une parfaite candidate pour faire partie des trots, ou quatre, 3 0 radio sources necessaires pour determiner un point preci s. I1 est temps de definir ['instrument de mesure qui va servir a relever la hauteur angulaire d'emission des radiosources selectionnees, ainsi que leurs azimuts. En fait, il doit stapparenter au sextant electronique, qui a pour particularite de savoir conserver en memoire le plan horizontal quelque soit l'endroit ou il se trouve; quant a son ouverture angulaire, elle ne doit plus etre ciblee sur ['image d'un objet celeste, mais sur la puissance maximum de reception, (ou sur ltextinction totale, comme c'est le cas pour une radio-gonio); L'instrument de mesure sera done: a conservation d'horizontalite par table gyroscopique, tournante, avec ouverture angulaire verticale, pilote numeriquement sur les 2 axes, puis par son reglage fin asservi a antenne et enregistreur de puissance; permettant: le positionnement numerique a l'azimut et a la hauteur angulaire calcules du point estime, puis le positionnement fin et la lecture de la hauteur ecoutee de la radiosource, en fonction de la puissance de reception, par action sur des servomoteurs (voir figure 4). Dans le principe ca fonctionne, avec un bon logiciel et un calculateur rapide; il ne reste plus qu'a definir la chane de calcul, et les objectifs, qui vent de determiner la "Droite de hauteur" de chaque radiosource necessaire, pour en deduire le point reel, objet du projet. La methode est semblable a celle inventee par l'Amiral de St Hilaire, pour la determination des droites de hauteur d'etoiles, a partir d'un releve sextant; je ne la detaillerai done pas, et ne donnerai ici qutun exemple d'application adapte aux radiosources: Revenons a M82, le 3 mai 2002, a 19 heure 00, que nous voulons capter aux environs de Paris. On peut en calculer "['Angle lIoraire lieu radiosource", equivalent a: AHlr = AHso+ (cons".* Hr) + AV radiosource - (G) =[ 220 7200+ (15 0411*19hOmnOs)+ 211 0500-(-2 0333)] = 359 59501 Puis calculer l'azimut Z du point estime: Tg Z = Sin AHlr/(Cos Le* Tg D) (Sin Le * Cos AHag) Sin359 59501/(Cos48 8666*Tg69 6833) (Sin48 8666*Cos359 59501) Tg Z = 359 60516 = 360 ou 0 (pour l'azimut arrondir au degre) A partir de la, la recherche de station peut deja commencer par un positionnement sur l'azimut 0 , tandis que ltordinateur continue son travail en calculant maintenant la hauteur angulaire d'emission de la radiosource pour le point estime, soit: Sin Hc = (Sin LE * Sin D)+( Cos Le * Cos D * Cos AHag) Sin Hc = (Sin48 8666* Sin69 6833) + (Cos48 8666*Cos69 6833*Cos359 59501)= Sin Hc =69 11' Par deplacement vertical, l'antenne vient alors se positionner numeriquement sur cette hauteur calculee, puis elle affine sa position, soit par reception a puissance maxi, soit par extinction totale ( comme c'est le cas avec une ferrite de radio-gonio); on obtient ainsi la hauteur de reception de la radiosource (Hr) pour le point reel du releve. A cette hauteur il convient d'appliquer les valeurs correctives d'altitude et d'interferences pour avoir la hauteur vraie de la radiosource (Hvr). Ainsi, si la Hr est de 69 31', les corrections de -9', la hauteur vraie de reception sera de: Hvr = 69 22' On peut maintenant calculer ['intercept, qui est l'ecart de hauteur entre la hauteur vraie de reception et la hauteur calculee soit ici: 1 5 69 22'-69 1'= 0 1 1' La droite de hauteur sur laquelle se situe le point reel sera placee 11' (=11 milles) en avant du point estime (car Hvr Hc), vers la radiosource, sur l'azimut calcule. Il faut calculer les droites de hauteur de trots radiosources minimum pour pouvoir determiner un point precis (chapeau centre). Rien de nouveau la dedans par rapport a un point d'etoile, les calculs et traces, DAO ou manuels, vent identiques. Pour le routage orthodromique, les formules et le principe vent les memes que pour le GPS, Ils ne vent pas l'apanage des americains, mais connus et utilises depuis des lustres en navigation. Rappel des formules: Angle de route (V) Sin V= (Sin g* Cos La) / Sin M Distance: Cos M = (Sin L * Sin La) +(Cos L * COS La * Cos g) Pendant le routage, la reactualisation est permanente, au rythme de production du logiciel de calculi le point reel instantane devenant point estime du calcul suivant; il est ainsi possible de suivre une orthodromie quasi parfaite. La precision depend: du nombre de decimales utilisees dans les calculs et de la precision mecanique de ['instrument de mesure. La distance des radiosources ne perturbe pas les resultats, car les ondes ne vent pas devices dans le vice interstellaire, sauf occultation par la rune, par une planete, par une comete, ou un satellite artificial. Il suffit done d' en tenir c ompte pour le choix de s radi o sourc es retenues L'utilisation des radiosources pour la navigation presente done de nombreux avantages: - pas de lanceur de satellites, - pas de satellites de radionavigation, - pas de maintenance dans l'espace, - pas de pollution satellitaire nouvelle, - pas de dependence vis a vis des USA ou de ['Europe, - pas de piratage au niveau des signaux emis. - developpement d'une nouvelle technologie de prestige Les obstacles a solutionner etant, pour leurs parts: - la miniaturisation - les cout des stations de reception plus eleves. (ces deux parametres limitant, dans un premier temps, l/exploitation a des applications: militaires, scientifiques, ou de haute technologie, (telle que la navigation dans l'univers lointain, ou la separation entre satellites artificiels peut staverer insuffisante pour obtenir un positionnement correct.) Equipement, (figure 4) Nomenclature: 1- Table a niveau gyroscopique 2- 3- 4- 5- Gyroscopes 6- Electricite et electronique de relayage embarques 7- Plateau tournant 360 8- Servomoteur de rotation horizontale (dit d'azimut) 9- Etriers 10- Antenne parabolique, (ou autre!) 11- Servomoteur de rotation verticale (dit de hauteur d'emission) 12Prise de pilotage dans plan horizontal 13- Prise de pilotage dans plan vertical 14- ordinateur, calculateur, logiciels, cartographic electronique 15- Accus energie embarquee 16- Equilibreur d'antenne 17- amplificateur cathodique de puissance pour reglage fin 18- ligne de foi pour integration au vaisseau (mobile) l9- Compas electronique, a memoire de Nord vrai, et prise en compte des variations de champ magnetique suivant lieux parcourus, selon courbes des cartes, pour calcul differential d'azimut REVENDICATIONS 1) Nouvelle generation de positionneurs tridimensionnels, caracterisee par le fait qu'elle fonctionne a partir d'emetteurs naturels, associes a un principe de mesure different de celui retenu pour les generations anterieurs. 2) Nouvelle technologie caracterisee par ['exploitation des radio sources naturelle s de l'univers a des fins de po siti onnement 3) Nouveaux criteres de mesure caracterises par l'utilisation des emissions continues des radiosources, de leurs longueurs d'ondes, de leurs specificites, ascensions verses, declinaisons, puissances d'emission etc., pour permettre leur localisation et leur identification, de jour comme de nun', par temps couvert comme par temps clair. 4) Notion de "champ de radiosources audible" caracterisee par les formules associees et la figure N 1 ) Notion de "champ des radiosources gable" caracterisee par les formules associees et les figures N 2 et N 3 6) Definition de ['instrument de mesure (figure4) caracterise par: sa memoire d'horizontalite, conservee par table gyroscopique, tournante, avec ouverture angulaire verticale, pilote numeriquement sur les 2 axes, puis par son reglage fin asservi a antenne, via enregistreurs de puissance; permettant: le positionnement numerique a l'azimut et a la hauteur angulaire calcules du point estime, puis le positionnement fin et la lecture de la hauteur de reception de la radiosource, en fonction de la puissance de reception, par action sur des servomoteurs. 7) Adaptation de la methode de l'Amiral De St Hilaire au calcul des droites de hauteur de radiosources, caracterisee par ['integration des notions de: hauteur de reception (Hr) en remplacement de hauteur observee (Ho); hauteur vraie reception (Hvr) en remplacement de hauteur vraie (Hv); Angle horaire lieu radiosource (ahlr) en remplacement de Angle Horaire astre longitude (AHag) 8) Creation d'un nouveau systeme de positionnement caracterise par la suppression des lanceurs et satellites artificiels 9) Suppression de la dependence vis a vis de ltetranger caracterisee par la creation d'un produit typiquement francais