Brevet FR2859793A1 — publié le 20050318

SYSTEME DE POSITIONNEMENT HYBRIDE L'invention concerne un système de positionnement hybride apte à déterminer la position et l'attitude d'un porteur. Le domaine de l'invention est celui des systèmes de positionnement hybrides comportant un récepteur de signaux de positionnement terrestre ou par satellites et des capteurs locaux; ces systèmes hybrides installés à bord d'un porteur, sont utilisés dans des applications maritimes (levés offshore , ...), aériennes ou terrestres (topographie, ...). io On considère plus particulièrement les systèmes hybrides permettant de déterminer la position et l'attitude du porteur au moyen d'un système de positionnement par satellites et d'un système inertiel. Il existe plusieurs systèmes d'hybridation respectivement illustrés figures la, lb et 1c. Le système d'hybridation lâche (figure 1 a) est basé sur l'utilisation d'une part d'un récepteur 1 de signaux radio-satellitaires qui fournit la position, la vitesse et le temps (PVT) S1 et d'autre part de différents capteurs pouvant constituer un système inertiel 2 qui fournit des informations de position et d'orientation S2. Les résultats S1 et S2 des calculs effectués par le récepteur et les capteurs sont eux-mêmes fournis à un dispositif d'hybridation lâche 3 qui calcule une solution de position et d'attitude S3 selon 6 dimensions (3 pour la position, 3 pour l'attitude). Dans la plupart des cas, les résultats S1 du récepteur 1 des signaux radio-satellitaires sont utilisés pour calibrer et aligner le système inertiel 2. Ce système hybride simple a l'inconvénient d'être sous optimal car il faut au moins quatre mesures radio-satellitaires pour obtenir une solution PVT. Le système d'hybridation serrée (figure 1 b) est basé sur l'utilisation d'une part d'un récepteur 1 de signaux radio-satellitaires qui fournit des mesures de pseudo-distances M1 (basées sur le code et la phase des signaux reçus) et d'autre part de différents capteurs, par exemple 3 accéléromètres et 3 gyromètres pouvant constituer un système inertiel 2 qui fournit des mesures d'accélération et de vitesses linéaires et/ou angulaires M2 respectivement délivrées par les accéléromètres et les gyromètres. Les mesures du récepteur et des capteurs sont fournies à un dispositif d'hybridation serrée 3' qui calcule une solution de position et d'attitude S3' selon 6 dimensions. Ce système n'a pas les inconvénients du précédent mais les mesures M1 et M2 fournies au dispositif hybride 3' sont indépendantes et non corrélées puisque provenant de fournisseurs de données séparés. Le système d'hybridation profonde (figure 1 c) est une amélioration du précédent. Il consiste à utiliser la solution S3', en particulier la vitesse et l'orientation, pour calculer et prédire la valeur des mesures de code et phase effectuées par le récepteur 1. Ces calculs sont notamment utilisés en cas de perte des signaux radio-satellitaires (par masquage par exemple), pour entretenir les boucles de poursuite de code et de phase du récepteur et ainsi réduire le temps de réacquisition. Ce système améliore la disponibilité de la solution mais n'améliore pas sa précision. On va décrire plus en détail le dispositif d'hybridation profonde 3' en relation avec la figure 2. Il comporte un élément 31 de navigation inertielle ( Inertial Navigation System ou INS en anglais) qui transforme en position et attitude S3', les mesures M2 d'accélération linéaire et de vitesses de rotation et les corrections estimées par un filtre 32 de Kalman étendu ( Extended Kalman Filter ou EKF en anglais) et réintroduites dans le système 31 de navigation inertielle. Le système 31 est le système primaire de positionnement; il offre une position et attitude S3' en 6 dimensions à cadence élevée (supérieure à 100 Hz). Il comporte également un élément 33 de calcul des distances entre les satellites du système de positionnement et le système hybride. Ces distances sont calculées à une cadence d'environ 2 Hz, à partir de la solution S3' et à partir des mesures M1 de pseudo-distances de code et de phase qui sont corrigées au mieux des diverses sources d'erreurs. Ces distances sont introduites dans le filtre 32 de Kalman étendu et contribuent ainsi à la correction du système 31 de navigation inertielle. 3o La solution S3' est aussi utilisée dans le récepteur 1 pour entretenir les boucles de poursuite de code et de phase du récepteur comme indiqué précédemment. Les récepteurs et les capteurs comportent une chaîne de 35 traitement du signal dans laquelle on trouve généralement des fonctions d'amplification, de filtrage et de mise en forme des signaux reçus qui sont souvent de faible niveau. Viennent ensuite les fonctions d'échantillonnage et de quantification (ou numérisation) de ces signaux pour qu'ils puissent être exploités par un calculateur en vue de déterminer une position par exemple. Dans le cas d'un système hybride, la numérisation de façon indépendante des signaux provenant du récepteur et de ceux provenant des capteurs introduit des erreurs pouvant se traduire par des biais ou des bruits suivant que ces erreurs sont aléatoires ou déterministes; ces erreurs dégradent la précision du calcul. 1 o Les systèmes hybrides performants c'est-à-dire permettant d'obtenir précision, disponibilité, intégrité et qualification du résultat, sont généralement volumineux, lourds, coûteux et gourmands en énergie. Pour les applications terrestres de positionnement et de topographie, où le matériel est porté par l'utilisateur, les sources d'énergie, le poids, la consommation et l'encombrement du matériel sont des facteurs pénalisants alors que l'on recherche par ailleurs toujours plus de performances et de facilité de mise en oeuvre du système. De plus, dans les applications de topographie le point de mesure ne coïncide généralement pas avec le point d'intérêt à déterminer. En effet, le point de mesure situé au niveau du système est déporté par rapport au point à déterminer qui est par exemple situé au niveau du sol. Il s'agit d'un déport vertical imposé par l'utilisation d'une canne topographique équipant le système hybride; celle-ci est munie d'un niveau à bulle ou d'un capteur de distance chargé de compenser l'éloignement du point à déterminer. Le calcul de la position déportée est alors obtenu à partir de la solution calculée par le système hybride à laquelle on applique une translation verticale. II n'est cependant pas toujours possible d'utiliser une canne topographique: c'est le cas lorsqu'il s'agit par exemple de réaliser des levés sur une surface verticale. Un but important de l'invention est donc de proposer un système hybride performant ne présentant pas ces inconvénients. Pour atteindre ce but, l'invention propose un système de positionnement hybride apte à déterminer la position et l'attitude d'un porteur, comportant un récepteur de signaux de positionnement, une unité de capteurs locaux, et des moyens d'échantillonnage des signaux reçus par le récepteur et des signaux détectés par les capteurs, principalement caractérisé en ce qu'il comporte un élément de synchronisation apte à synchroniser sur une même base de temps l'échantillonnage des signaux reçus par le récepteur avec l'échantillonnage des signaux détectés par les capteurs et à les dater avec cette base de temps. Ainsi, quelle que soit la provenance des signaux qui contribuent au calcul de position et d'attitude, ceux-ci sont synchronisés: il en résulte une utilisation optimale des signaux disponibles et une amélioration de la précision des calculs. II en résulte également un meilleur contrôle d'intégrité des mesures en croisant les mesures M1 sur les signaux reçus avec les mesures M2 sur les signaux détectés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 15 à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: les figures 1 a, 1 b, 1c déjà décrites représentent schématiquement un système d'hybridation lâche (la), serrée (1 b) et profonde (1c), la figure 2 déjà décrite représente schématiquement un dispositif d'hybridation profonde, la figure 3 représente schématiquement un exemple de système hybride selon l'invention, les figures 4a et 4b représentent schématiquement un premier et un deuxième mode de réalisation du système hybride selon l'invention. On va prendre comme exemple de système hybride, un système comportant un récepteur de signaux radio-satellitaires de positionnement différentiel (c'est-à-dire par rapport à une station de référence de position connue) de type GNSS ( Global Navigation Satellite System ) et un capteur inertiel. On va considérer le cas où ce système hybride est utilisé pour des applications de topographie. On a représenté figure 3 un système hybride 100 selon l'invention. Il comporte un récepteur 1, une unité 2 de capteurs, un dispositif 35 d'hybridisation 3' et un élément 4 de calcul de la position déportée. Les références concernant les mêmes éléments sont identiques d'une figure à l'autre. Le récepteur 1 comprend typiquement une antenne de réception des signaux de positionnement. Il peut s'agir d'une antenne 11 a de réception de signaux radio-satellitaires de positionnement différentiel ou une antenne 11 b de réception de signaux de positionnement issus d'un système terrestre. Ces signaux de positionnement comportent une porteuse modulée par un code et éventuellement par des données, que ce soit des signaux radiosatellitaires ou issus d'un système terrestre. Ces antennes sont reliées à un convertisseur de fréquence 12, relié à un convertisseur analogique-numérique 13, lui-même relié à un dispositif de traitement 14 des signaux issus des convertisseurs 12 et 13. Le dispositif 14 comporte notamment des boucles de poursuite de code et de phase de la porteuse. Ce dispositif 14 fournit des mesures M1 de pseudo-distances de code et de phase au dispositif 3' d'hybridation profonde; les résultats S3' issus de ce dispositif 3' sont utilisés dans un dispositif 15 pour contrôler et aider les boucles de poursuite du dispositif 14 de traitement des signaux, en particulier en cas de perte ou de recherche du signal radio venant d'une source terrestre ou satellitaire. Ces résultats S3' sont également fournis à l'élément 4 de calcul de la position déportée. L'unité 2 de capteurs comprend de manière classique un capteur inertiel 21 qui comporte par exemple 3 accéléromètres et 3 gyromètres. II comprend aussi, de préférence un capteur 22 pour calculer un déport de position tel qu'un distancemètre. L'unité 2 de capteurs peut aussi comporter comme capteur 22, un magnétomètre et/ou un altimètre. Ces capteurs 21 et/ou 22 sont reliés à un élément 23 de mise en forme des signaux détectés par ces capteurs, qui a notamment une fonction d'amplification et de filtrage, et qui est relié à un convertisseur analogique-numérique 24, lui-même relié à un dispositif de traitement 25 des signaux issus des convertisseurs 23 et 24. Ce dispositif 25 fournit des mesures inertielles M2 au dispositif 3' d'hybridation profonde; les résultats S3' issus de ce dispositif 3' sont utilisés dans une boucle de calibration et de contrôle comportant le dispositif d'hybridation 3', un dispositif 26 de calibration et de contrôle et le dispositif 25 de traitement des signaux. Le dispositif 25 fournit aussi des mesures M'2 de déport de position à l'élément 4 de calcul de la position du point déporté ; ces mesures M'2 proviennent des signaux détectés par les capteurs 22 et ont suivi la chaîne de traitement via les dispositifs 23, 24 et 25. Le calcul de déport de position est réalisé directement par l'élément 4 à partir de ces mesures M'2 et de la solution S3'. Ce calcul est illustré plus loin. Le système selon l'invention comprend en outre un dispositif 5 de synchronisation et de génération d'un temps de référence, relié d'une part au dispositif 14 à partir duquel il acquiert le temps de référence comme par exemple un temps de référence GNSS et d'autre part aux convertisseurs analogique-numériques 13 et 24, ainsi qu'au dispositif 25. Il fournit respectivement aux convertisseurs 13 et 24 une fréquence d'échantillonnage récepteur fer et une fréquence d'échantillonnage capteurs fec calculées par ce dispositif 5 en fonction de la précision désirée et de la dynamique à restituer, c'est-à-dire de l'accélération du porteur. Les signaux GNSS sont généralement échantillonnés à une fréquence fer de plusieurs mégahertz, compte tenu de la fréquence d'horloge du code contenu dans le signal GNSS; les capteurs locaux (capteurs inertiels et éventuellement capteurs de calcul de déport de position) nécessitent généralement une fréquence d'échantillonnage plus faible. On utilise donc pour ces capteurs une fréquence d'échantillonnage feC sous multiple de celle du signal GNSS et synchronisée avec celle-ci. Lors de leur échantillonnage, les signaux reçus et les signaux détectés sont en outre datés avec ce temps de référence GNSS. Ce temps de référence est par exemple calculé par le dispositif d'hybridation 3' (il s'agit de la composante T de la solution PVT). Ainsi, quelle que soit la provenance des signaux qui contribuent au calcul de position et d'attitude, ceux-ci sont synchronisés: il en résulte une utilisation optimale des signaux disponibles et une amélioration de la précision des calculs. II en résulte également un meilleur contrôle d'intégrité des mesures en croisant les mesures M1 sur les signaux reçus avec les mesures M2 sur les signaux détectés. Le dispositif 3' d'hybridation détermine la position, la vitesse, le temps (PVT) et l'attitude à partir des mesures de positionnement M1 fournies par le dispositif 14 de traitement des signaux reçus par l'antenne et à partir des mesures inertielles M2 fournies par le dispositif 25 de traitement des signaux détectés par les capteurs. Cette détermination est obtenue en utilisant par exemple le procédé décrit dans la demande de brevet n FR 02 02959. Il s'agit d'un procédé de positionnement différentiel par satellites GPS ( Global Positioning System en anglais) émettant sur deux fréquences L1 et L2, qui permet d'obtenir un positionnement avec une précision centimétrique. Ce procédé est basé sur l'utilisation de pseudodistances de code et de phase déterminées sur les deux fréquences L1 et L2. II comporte de manière classique une étape d'initialisation consistant à lever les ambiguïtés entières sur les mesures de phase et une étape cinématique permettant d'obtenir un positionnement centimétrique. L'efficacité de ce procédé réside dans son mode d'utilisation des mesures sur L1 et L2 pour éliminer la décorrélation spatiale du délai ionosphérique propre à tout système de positionnement différentiel par satellites. Cette décorrélation, si elle n'est pas compensée, limite à une dizaine de kilomètres la portée opérationnelle de ces systèmes. Le procédé utilise diverses combinaisons linéaires des fréquences L1 et L2, du type aLl+bL2 ainsi que les propriétés géométriques des constellations de satellites pour éliminer les ambiguïtés de phase ainsi que la décorrélation ionosphérique. Ceci lui confère une portée opérationnelle de l'ordre de plusieurs dizaines de kilomètres, voire une centaine. On va à présent illustrer le calcul direct d'une position déportée. On considère les positions du récepteur GNSS, du capteur inertiel et du capteur de distance équipant un système hybride selon l'invention. Le capteur de distance comporte un distancemètre tel qu'un laser et un capteur d'angle tel qu'un inclinomètre. Le récepteur GNSS calcule la position A de son antenne 11 a ou 11 b, le capteur inertiel 21 celle d'un point B et le capteur de distance calcule la distance d du point à mesurer D par rapport à un point C de son axe 22. Grâce au capteur de distance, le système hybride peut être éloigné du point à déterminer: les points A, B, C auxquels sont respectivement rattachées les mesures M1, M2 et M'2 sont liés physiquement. Ces mesures et la configuration géométrique connue permettent ainsi de calculer la position déportée. Selon le mode de réalisation, il n'est pas toujours nécessaire que le système hybride soit maintenu vertical. Selon un premier mode de réalisation représenté figure 4a, le capteur de distance est fixé à l'ensemble récepteur GNSS-capteur inertiel et le système hybride est maintenu vertical lors du calcul: M'2 ne comprend alors qu'une seule mesure, la mesure de distance. On a A distant de B d'une hauteur h1, et B distant de C d'une hauteur h2. Selon un deuxième mode de réalisation représenté figure 4b, le capteur de distance peut tourner selon un axe de rotation C' par rapport à l'ensemble récepteur GNSS-capteur inertiel; il est articulé par un bras de longueur constante et connue, à l'ensemble récepteur GNSS-capteur inertiel. M'2 comprend alors deux mesures, la mesure de distance et l'angle de rotation R. A est distant de B d'une hauteur h1, et B est distant de C' d'une hauteur h2. Il n'est pas nécessaire dans ce cas de recourir à une canne topographique. L'invention s'applique aussi au système de positionnement par satellites GPS ( Global Positioning System ), GLONASS, WAAS ( Wide Aera Augmentation System ), EGNOS ( European Global Navigation Overlay Service ), et/ou GALILEO. L'invention s'applique aussi à un système de positionnement terrestre utilisant des radio-balises et/ou des pseudolites. REVENDICATIONS 1. Système de positionnement hybride (100) apte à déterminer la position et l'attitude d'un porteur, comportant un récepteur (1) de signaux de positionnement, une unité (2) de capteurs locaux, et des moyens d'échantillonnage des signaux reçus (13) par le récepteur et des signaux détectés (24) par les capteurs, caractérisé en ce qu'il comporte un élément (5) de synchronisation apte à synchroniser sur une même base de temps l'échantillonnage des signaux reçus par le récepteur avec l'échantillonnage des signaux détectés par les capteurs et à les dater avec cette base de temps. 2. Système de positionnement hybride (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les signaux reçus par le récepteur sont échantillonnés selon une première fréquence d'échantillonnage fer et les signaux détectés par les capteurs sont échantillonnés selon une deuxième fréquence d'échantillonnage fec et en ce que fec est un sous-multiple de fer. 3. Système de positionnement hybride (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récepteur (1) de signaux de positionnement comporte des moyens pour fournir la base de temps à l'élément (5) de synchronisation. 4. Système de positionnement hybride (100) selon l'une des 25 revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité (2) de capteurs comporte des capteurs inertiels et/ou un magnétomètre et/ou un altimètre. 5. Système de positionnement hybride (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les capteurs inertiels sont 30 des accéléromètres et/ou des gyromètres. 6. Système de positionnement hybride (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité (2) de capteurs comporte au moins un capteur pour calculer un déport de position. 7. Système de positionnement hybride (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur pour calculer un déport de position comporte un distancemètre et éventuellement un inclinomètre. 8. Système de positionnement hybride (100) selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'unité de capteurs comporte des capteurs inertiels et en ce que le récepteur et les capteurs inertiels formant un ensemble, le capteur pour calculer un déport de position est fixé à l'ensemble ou est articulé à l'ensemble au moyen d'un bras. 9. Système de positionnement hybride (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux de 15 positionnement sont des signaux de positionnement différentiel par satellites. 10. Système de positionnement hybride 100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les signaux de positionnement différentiel par satellites proviennent du système GPS, et/ou GLONASS et/ou Galileo et/ou WAAS et/ou EGNOS. 11. Système de positionnement hybride (100) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les signaux de positionnement sont des signaux de positionnement terrestre. 12. Système de positionnement hybride (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les signaux de positionnement terrestre proviennent de radio-balises et/ou de pseudolites.