Brevet FR2862137A1 — publié le 20050513

L'invention concerne un procédé de localisation d'un ou de plusieurs émetteurs. Il s'applique notamment à la localisation d'émetteurs au sol à partir d'un engin mobile sans avoir de connaissance a priori sur les signaux émis. Le domaine technique est notamment celui de la localisation 10 passive d'émetteurs. La figure 1 illustre une localisation aéroportée. L'émetteur est à la position (xo,yo,zo). Le porteur à l'instant tk est à la position (xk,yk, zk) et voit l'émetteur sous l'incidence (O(tk,xo,yo,zo), d(tk,xo,yo,zo)). Les angles B(t,xo,yo,zo) et d(t,xo,yo,zo) évoluent au cours du temps et dépendent de la position de l'émetteur ainsi que de la trajectoire du porteur. Les angles B(t,xo,yo,zo) et d(t,xo,yo,zo) sont repérés par rapport à un réseau de N antennes pouvant être fixé sous le porteur comme le montre la figure 2. II existe actuellement plusieurs techniques permettant de déterminer la position (xm, ym, zm) d'un émetteur. Ces techniques de localisation diffèrent notamment par les paramètres qui sont estimés en instantanée au niveau du réseau des capteurs. Elles peuvent être classées de la manière suivante: Utilisation de la goniométrie, Ces techniques sont connues et utilisées dans l'art antérieur. Dans la plupart des cas, elles sont basées sur une goniométrie 1 D en azimut. Les azimuts Bkm pVtk,xm,ym,zm) associés au mième émetteur sont mesurés pour différents instants tk. En utilisant la position (xk,yk,zk) du porteur à l'instant correspondant k, une position (xmk,ymk,zmk) de l'émetteur m est estimée par une intersection sol. La position (xk,yk,zk) du porteur est donnée par un GPS, son orientation est obtenue par un compas dans le cas d'un porteur terrestre et par une centrale de navigation dans le cas d'un aéronef. A partir de toutes les positions (Xmk,Ymk,zmk), la méthode effectue une extraction de données permettant de déterminer les M positions dominantes (xm,ym,zm) des émetteurs incidents. La localisation est obtenue par triangulation ou par intersection sol (goniométrie 2D). L'inconvénient des techniques de triangulation est qu'elles nécessitent un défilement important. D'autre part, les techniques de goniométrie doivent utiliser un réseau de capteurs non ambiguë pour fournir les incidences. Ceci a pour inconvénient de nécessiter une table de calibration et de limiter la taille du réseau de capteurs et par conséquent de fournir des incidences limitées en précision. Utilisation de la différence de phase entre 2 capteurs éloignés, La différence de phase Aço(tk,xo,yo,zo) entre capteurs dépend de la positions des 2 capteurs ainsi que de l'incidence (B(tk,xo,yo,zo), d(tk, xo,Yo,zo)) de l'émetteur. Cette phase qui dépend du temps est directement liée à la position (xo,yo,zo) de l'émetteur. En conséquence, en étudiant la fonction du temps dgp(t,xo,yo,zo) il est possible d'en déduire la position (xo,yo,zo) de l'émetteur. Dans cette famille d'application les 2 capteurs sont éloignés pour augmenter la précision de la mesure de la phase. Ceci a pour inconvénient de faire varier la différence de phase dçp(t,xo,yo,zo) en fonction du temps sur plus de 2n et la technique nécessite alors une étape permettant de dérouler la phase sur plus de 2n. D'autre part dans cette technique la phase est mesurée en effectuant directement une intercorrélation entre 2 capteurs ce qui ne permet pas de traiter le cas multi-émetteurs. Utilisation de la mesure de la fréquence porteuse de l'émetteur, Ces techniques exploitent le fait que la fréquence porteuse estimée est la somme de la fréquence porteuse de l'émetteur et du décalage doppler du à la vitesse de déplacement du porteur. Le décalage doppler a l'avantage de dépendre de la position (xo,yo,zo) de l'émetteur et d'être aussi une fonction du temps Af(t,xo,yo,zo). En conséquence en étudiant la fonction du temps Af(t,xo,yo,zo) il est possible d'en déduire la position (xo,yo, zo) de l'émetteur. La mesure de ce décalage doppler présente toutefois comme inconvénient de nécessiter des émetteurs ayant des formes d'ondes particulières. Cette mesure de fréquence peut se faire par des techniques cycliques supposant que le signal émis est non circulaire. Utilisation des temps de propagation, Ces techniques exploitent les différences de temps de propagation entre aériens (TDOA ou Time difference of arrivai) qui sont directement liées aux distances respectives de l'émetteur aux différents aériens et donc à la position (xo,yo,zo) de l'émetteur. En utilisant au moins trois aériens suffisamment espacés, il est possible de déduire la position (xo,yo,zo) de l'émetteur par localisation hyperbolique. L'inconvénient de ces techniques est qu'elles ne peuvent être mises en oeuvre en contexte mono porteur en raison des espacements considérables requis entre aériens. D'autre part dans ces techniques, la différence de temps est mesurée en effectuant directement une intercorrélation entre 2 capteurs, ce qui ne permet pas de traiter le cas multi-émetteurs. Le procédé selon l'invention repose notamment sur une nouvelle approche d'estimation directe des positions (xm, ym, zm) de chacun des émetteurs à partir d'une analyse paramétrique du signal multi-voies à divers instants tk sur une durée Dt. L'analyse paramétrique a notamment pour fonction supplémentaire de séparer les différents émetteurs à chaque instant tk. On associe ensuite les paramètres d'un même émetteur issus des différents instants tk pour finalement localiser chacun des émetteurs. L'invention concerne un procédé de localisation d'une ou de plusieurs sources, la ou lesdites sources étant en mouvement par rapport à un réseau de capteurs, le procédé comportant une étape de séparation des sources afin d'identifier les vecteurs directeurs associés à la réponse des capteurs à une source d'incidence donnée. II est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: É associer les vecteurs directeurs alm...aKm du mième émetteur obtenus respectivement aux instants É localiser le mième émetteur à partir des vecteurs aim...aKm associés. Le procédé selon l'invention présente notamment les avantages suivants: É il permet de localiser en plus de la position en (x, y, z) d'un émetteur son vecteur vitesse, É il s'applique lorsque l'on est en présence de un ou plusieurs émetteurs 10 incidents, É sa mise en oeuvre ne nécessite pas de connaissances particulières sur le signal émis, il permet d'utiliser un réseau de capteurs ambiguë c'est- à-dire plusieurs incidences sont associées à la même réponse du réseau qui ont l'avantage d'être grand et ainsi d'être plus robuste aux phénomènes de couplage entre aériens ou plus généralement aux erreurs de modélisation du réseau d'aériens, É il peut être mis en oeuvre sur des réseaux calibrés en (04). É il peut être mis en oeuvre sur des réseaux à antennes à diversités 20 d'amplitude comme les antennes colocalisées: réseau avec des dipôles de même centre de phase et ayant des orientations différentes. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit donnée à titre illustratif et nullement limitatif à la lecture des figures annexées qui représentent: É la figure 1 le schéma de principe de la localisation d'un émetteur de position au sol au moyen d'un aéronef, É la figure 2 la relation entre un réseau d'antennes et l'incidence d'un 30 émetteur, É la figure 3 un schéma général expliquant le fonctionnement du procédé selon l'invention, ^ les figures 4, 5 et 6 des exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Afin de mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, la description qui suit est donnée à titre illustratif et nullement limitatif pour localiser plusieurs émetteurs disposés au sol au moyen d'un réseau de capteurs équipant un aéronef en mouvement. Un tel système est par exemple décrit à la figure 1. L'aéronef est équipé d'un processeur adapté à mettre en oeuvre les étapes du procédé selon l'invention. Le procédé peut aussi être mis en oeuvre dans le cadre de véhicule en mouvement au sol. La figure 3 représente, dans un diagramme temps-amplitude du signal, le signal x(t) composé d'une combinaison des signaux des émetteurs à différents instants t1, t2, ...tK. Sur cette figure les différentes étapes mises en oeuvre à savoir la séparation des émetteurs SE et l'estimation paramétrique EP, l'association des paramètres de chaque émetteur, la localisation d'un émetteur sont résumées. En présence de M émetteurs, le procédé dispose, à l'instant t en sortie des N capteurs du réseau, du vecteur x(t) représentatif du mélange des signaux des M émetteurs. Autour de l'instant tk, le vecteur x(t+tk) de dimension Nxl, représentant le mélange des signaux des M émetteurs, s'exprime de la manière suivante: M X(t+tk) = E a(ekm, Akm) Sm(t+tk)+ b(t+tk)=Ak S(t+tk) + b(t+tk) pour ItI Le vecteur directeur de l'incidence correspondant au mième émetteur à l'instant tk akm= a(Okm, 0km)=a(tk,xm,ym,zm) du m1ème émetteur (2) est une fonction connue de tk et de la position de l'émetteur (xm,ym,zm). Le procédé selon l'invention comporte au moins les étapes suivantes: 1. estimer un ou plusieurs paramètres associés à la position de la source, par exemple les vecteurs directeurs, les incidences, la position, etc. et séparer les M émetteurs pour les différents instants tk, ce qui consiste à identifier les vecteurs directeurs d'incidence akm pour (1 Etape d'association En présence de M émetteurs et après séparation de sources, le procédé possède à l'instant tk les M signatures akm pour (1 H a bi(m) d(akm, bi(m)) = min [1- H x 1SiSm km akm i(m) bi(m) Dans cette association on considère une fonction [3m associée au mième émetteur: Rm(tk) = d(akm, aom) (5) Au fil de l'association on obtient pour chaque émetteur m et pour 1 Les étapes de cette association pour K instants tk sont par exemple les suivantes: Etape ASE 1: Initialisation du processus à k=2. Le nombre M d'émetteurs initial est par exemple déterminé par un test de détection du nombre de sources à l'instant to connu de l'Homme du métier, Etape ASE 2: Pour 1 A la fin de ces étapes, le procédé a déterminé les vecteurs atm aKm associés au m1ème émetteur. Localisation d'un émetteur Le procédé détermine la position du m1ème émetteur à partir des composantes des vecteurs atm jusqu'à akm. Ces vecteurs akm ont la particularité de dépendre de l'instant tk et surtout de la position (xm,ym,zm) de l'émetteur. En particulier pour un réseau composé de N=2 capteurs espacés d'une distance de d dans l'axe du porteur le vecteur vérifie akm: exp j2rt- d cos(e(tk,xm,Ym Zm)) cos(A(k,xm,Ym,Zm) _ 2 _ La valeur 1 de la première composante correspond au capteur de référence. D'après la figure 1, l'incidence (6(tk,xm,ym,zm), d(tk,xm,ym, zm) ) peut être directement calculée à partir de la position (xk,yk,zk) du porteur à l'instant tk et la position (xm,ym,zm) de l'émetteur. Etape de transformation du vecteur Selon une variante de réalisation, le procédé comporte une étape de transformation du vecteur akm en un vecteur bkm dont les composantes sont formées à partir des composantes du vecteur akm. En particulier, le procédé construit par exemple le vecteur bkm de dimension (N-1)x1 en choisissant un capteur de référence en n=i: akm = (6) = a(tk,xm,ym,zm) a(1)/ak,,,(i) (7) = b(tk,Xm,ym,Zm) OU akm(i) est la /ième bkm akm(i 1)/akm(l) ah (i+1) !akm(i) akm(N)/akm(i) composante de akm Les composantes de bkm correspondent dans ce cas aux rapports des composantes du vecteur akm et du vecteur akm(i). Ainsi dans l'exemple de l'équation (6) en fixant i=1 on obtient: ( (8) bkm = exp j2z cos(9(k,xmYm,zm)) cos(4k,xm,Ym,zm = akm(2)/ akm(1) Sachant que les vecteurs directeurs akm sont estimés avec une 5 certaine erreur ekm tel que akm= a(tk,xm,ym,zm)+ ekm, on peut en déduire qu'il en est de même pour le vecteur transformé bkm de (7) . Etape de maximisation d'un critère de corrélation Sachant que le vecteur akm est une fonction de la position (xm,ym,zm) de l'émetteur il en est de même pour le vecteur bkm. Le procédé o comporte une étape de maximisation d'un critère de corrélation vectorielle normalisé LK(x,y,z) dans l'espace (x,y,z) de position d'un émetteur où H bK H (x,Y,z) LK(x y Z)_ 4 v KHbKÀvK(x,Y,z)HvK(x,Y,z)) (9) Avec b lm = VK (xm,ym,Zm) + WK, VK (x,y,z) _ b(t, , x, y, z) b(tK,x,y,z) bK = W lm etwK= W Km Le vecteur bruit WK a pour matrice de covariance R=E[wK WKH]. En faisant l'hypothèse que la matrice R est connue, le critère peut être envisagé avec une technique de blanchiment. Dans ces conditions on obtient le critère LK'(x,y,z) suivant: IbxH R 1 VK(x,Y,z) 2 xxR lbx x(x,Y, z)HR 1Vx(x,Y,z)) (10) Avec R=E[wK WKH] É Il faut remarquer que les critères des équations (9) et (10) sont égaux lorsque R=a2l, c'est à dire lorsque les erreurs sont considérées de niveau égal sur tous les capteurs et indépendantes entre capteurs. Le critère LK(x,y,z) de l'équation (10) est donc valable pour un bruit de modèle WK de statistiques blanches. É Les critères LK(x,y,z) et LK'(x,y,z) sont compris entre 0 et 1 et vérifient LK(x,y,z)= LK'(x,y,z)=1 pour la position (xm,ym,zm) du m'ème émetteur. Cette normalisation permet de fixer un seuil de bonne localisation rl. Ainsi tous les maximums (xm,ym,zm) de LK(x,y,z) qui vérifient LK(xm,ym,zm)> rl sont considérés comme des bonnes localisations. Le seuil peut être fixé en fonction d'une connaissance approchée des statistiques de WK. É Les critères LK(x,y,z) et LK'(x,y,z) ont l'avantage de pouvoir mettre en oeuvre une technique de localisation en présence d'un réseau de capteurs calibrés dans l'espace (04). Sachant qu'à l'instant tk on connaît la relation analytique liant l'incidence (0(tk,x,y,z), A(tk,x,y,z) ) de l'émetteur à sa position (x,y,z), on peut alors déduire à partir de l'incidence (0(tk,x,y,z), A(tk, x,y,z)) le vecteur a(tk,xm,ym,zm)= a(0(tk,x,y,z), A(tk,x,y,z)) en réalisant une interpolation de la table de calibration (relative aux antennes calibrées). Remarquons cependant que ce procédé est insensible à un biais en phase (en raison du critère de corrélation vectorielle). É Ces critères permettent aussi de tenir compte de la phase et de l'amplitude des composantes de a(04). La méthode peut donc être envisagée avec des 5 réseaux à antennes colocalisées à diversité de diagramme. Il faut remarquer que dans un contexte aéroporté la connaissance de l'altitude h de l'avion permet de réduire le calcul du critère dans l'espace de recherche (x,y) en posant z=h. Dans l'exemple des équations (6) et (8) le vecteur VK (x,y,z) s'écrit de la manière suivante: exp(j27 cos(* , x, y, z)) cos(A(, , x, y, z)) l exp(j 22 cos(8(K, x, y, z)) cos(A(tK, x, y, z)1 J Dans ce procédé il est possible d'envisager d'initialiser l'algorithme à K=Ko puis ensuite de calculer de façon récursive le critère LK(x,y,z). Dans ces conditions LK(x,y,z) se calcule récursivement de la façon suivante: LK+1(X,Y,z)= 1%1-1 (x, y, z)12 P K+1 YK+1(x, y, z) où K+1(X,y,Z)= aK(x,@,Z) + bK+1 ni" b(tKi.1,x,y,z) 11K+1(x,y,Z)= YK(X,y,Z) + b(tK+1,x,y,Z)H b(tK+1,x,y,z) I3K+1=PK + bK+l mH bK+1 m Les coefficients aK+1(X,y,Z)= aK(x,y,z) yK+1(x,y,Z)= 'YK(X,y,Z), RK+1=3K sont des spectres intermédiaires permettant de calculer LK+1(x,y,z). Lorsque les vecteurs b(tK+1,x,y,z) et bkm sont de normes VK (X,y,Z) = (12) constantes égale à p la relation de récurrence de l'équation (12) devient: LK+1(x,y,z)= aK+i (x, y, Z) fit (K+1)2 où aK+1(x,y,Z)= aK(x,Y,z) + bK+1 mH b(tK+1,x,y,Z) Le procédé est décrit jusqu'ici en supposant que les émetteurs ont des positions fixes. Il peut facilement s'étendre au cas de cibles mobiles de vecteur vitesse (vxm,vym,vzm) pour lesquelles on dispose d'un modèle d'évolution. Dans ces conditions l'incidence du mleme émetteur se paramètrise de la manière suivante: ekm-tf tk, xm Vxm tk,ym- Vym tk, Zm Vzm tk) et Akm=4( tk, xm-Vxm tk,ym Vym tk, Zm uzm tk) où (xm, ym,zm) est la position de l'émetteur à l'instant to et (vxm,vym,vzm) les composantes de la vitesse de l'émetteur à l'instant to. Dans ces conditions le vecteur bkm de l'équation (7) est paramétré par (xm,ym,zm) et (vxm,vym,vzm) de o la manière suivante: bkm = b(tk,xm,ym,zm,vxm,vym, vzm,)+ Wkm De manière naturelle les critères de localisation LK et LK' des équations (9) et (10) ne sont plus paramétrés seulement par (x,y,z) mais aussi par (vx,vy,vz). Le procédé consiste donc à maximiser le critère LK(x,y,z, vx,vy,vz) en fonctions des 6 paramètres (x,y,z, vx,vy, vz). Le procédé peut s'appliquer à un très grand nombre de mesures. Dans ce cas, le procédé comporte une étape de réduction de la complexité numérique de calcul (qui est fonction du nombre de mesures) en diminuant K. Le procédé prévoit d'effectuer sur les mesures élémentaires les traitements suivants: décimation des instants tk, en éliminant les instants voisins pour lesquels l'évolution de la courbe (3m(tk) n'est pas significative, filtrage (lissage des mesures qui sont les vecteurs directeurs) et sous (13) (14) (15) échantillonnage, les mesures sont ensuite fusionnées sur une durée définie (extraction par association de vecteur directeur pour produire une mesure de synthèse). Récapitulation des étapes du procédé Le procédé de localisation de plusieurs émetteurs utilisant K instants tk peut se résumer par les étapes suivantes: Etape n 1: Identification des vecteurs akm pour (1 7o Etape n 2: Association des vecteurs atm jusqu'à aKm obtenus aux instants respectifs ti... tK associé au mième émetteur pour 1 Etape n 3: Initialisation du processus à m=1 Etape n 4: Transformation des K vecteurs akm en des vecteurs bKm comme 15 le suggère l'équation (7). Etape n 5: Calcul et maximisation du critère LK(x,y,z) de l'équation (9) pour obtenir la position (xm,ym,zm) du m1ème émetteur. Etape n 6: Incrémentation m--m+1 et si m Etape n 8: Pour 1 Etape n 11: Si l'on décide de continuer pour être plus précis et moins 5 ambiguë le procédé retourne à l'étape n 7. Exemple de mise en oeuvre du procédé Les simulations ont été réalisées avec un réseau de N=2 capteurs alignés dans l'axe du porteur avec d12,=3. Comme d/1=3 une méthode effectuant une goniométrie aux instants tk serait complètement ambiguë et ne permettrait pas de faire par la suite des triangulations pour effectuer la localisation de l'émetteur. Sur les figures 5, 6 et 7 correspondant aux critères de localisation pour K=3, 7 et 16 est tracé le pseudo-spectre LK(x,y) a maximiser permettant de déterminer la position de l'émetteur dans l'espace (x,y). Sachant que si l'émetteur se situe en (xo,yo) alors LK(xo,yo)=1, on en déduit que les courbes iso-niveaux LK(x,y)=0.99 caractérisent la largeur du lobe principale. Remarquant que la précision de localisation dépend de la largeur de ce lobe, on en déduit d'après les figures 5, 6 et 7 que plus K est important et meilleur sera la précision de localisation. Références [1l RO.SCHMIDT. A signal subspace approach to multiple emitter location and spectral estimation, November 1981 [2] J.F. CARDOSO, A. SOULOUMIAC, Blind beamforming for non- gaussian signais, lEE Proceedings-F, Vol.140, N 6, pp. 362-370, Dec. 1993. [3] P. COMON, Independent Component Analysis, a new concept?,Signal Processing, Elsevier, avril 1994, vol 36, n 3, pp 287-314. REVENDICATIONS 1 - Procédé de localisation d'une ou de plusieurs sources, la ou lesdites sources étant en mouvement par rapport à un réseau de capteurs, le procédé comportant une étape de séparation des sources afin d'identifier les vecteurs directeurs associés à la réponse des capteurs à une source d'incidence donnée, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: É associer les vecteurs directeurs atm.ÉÉaKm obtenus pour le mième émetteur et respectivement pour les instants É localiser le mième émetteur à partir des vecteurs aim...aKm associés. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape d'association comporte au moins les étapes suivantes: Etape ASE 1: initialiser le processus à k=2, Etape ASE 2: pour 1 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de localisation comporte au moins les étapes suivantes: maximiser un critère de corrélation vectorielle normalisé Lk(x, y, z) dans l'espace (x, y, z) de position d'un émetteur avec bKHvK(x,y,z) 2 (bKHbKÂvK(x,y,z)HVK(x,y,z)) = VK (xm,Ym,Zm) + K, VK(X,Y,Z b Km b(tl, x, y, z) b(tK,x,y,z) wlm etwK= w où wk est le vecteur bruit pour toutes les positions (x, y, z) d'un émetteur. 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le vecteur bK comporte un vecteur représentatif du bruit dont les composantes sont fonctions des composantes des vecteurs atm... akm. - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte une étape où l'on détermine la matrice de covariance R=E[wK wKH] du vecteur bruit et en ce que l'on maximise le critère bKH R 1 vK(x,y,Z) 2 (bKHR-1bK)vK(x,y,z)HR-1vK(x,y,z)) LK'(x,y,Z)= 6 Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'évaluation du critère LK(x,y,z) et/ou du critère LK'(x,y,z) est récursive. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de comparaison des maximums avec une valeur seuil. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les émetteurs à localiser sont mobiles et en ce que le vecteur considéré est paramétré par la position de l'émetteur à localiser et le vecteur vitesse.