Brevet FR2904498A1 — publié le 20080201

RÉCEPTEUR DE NAVIGATION SPATIAL À FONCTIONNEMENT ASSISTÉ PAR DES INFORMATIONS DE NAVIGATION L'invention concerne les récepteurs de nav=igatiion qui sont utilises dans des applications spatiales et qui sont alimentés en signaux radio de navigation par des systèmes de navigation par satellites de type RNSS (pour Radin Navigation Satellite System ) et/OU GNSS (pour s Global Navigation Satellite System ). Iii On entend ici par système de navigation par satellites tout système dedié à là navigation et comportant: i) une constellation de satellites (de navigation) placés en orbite autour d'un astre (par exemple la Terre) et chargés de diffuser à destination d récepteurs de navigation des signaux de navigation radiofréquence (RF) représentatifs de messages de 15 navigation destines à leur permettre de déterminer leur position (il pourra s'agir, par exemple, de l'un des systèmes existants (GPS, GLONASS) ou de l'un des futurs systèmes (GALILEU, COMPASS), au encore de l'un de leurs équivalents ou dérivés), ou ii) un ensemble d'émetteurs radio fixes au sol chargés d'émettre des signaux de type navigation vers le zénith afin qu'ils 20 puissent être captés par les équipements (ou récepteurs) de navigation embarqués dans des engins spatiaux (tels que des satellites) à positionner. Comme le sait l'homme de l'art, les récepteurs de navigation qui sont utilisés dans les applications spatiales sont issus de ceux qui sont utilisés dans les applications aéronautiques. De ce fait, ils présentent une architecture 2s reposant sur : un module de traitement radiofréquence (RF) chargé de transformer en signaux numériques des signaux radiofréquences de navigation transmis par un système de navigation par satellites, un module de traitement numérique chargé de produire des mesures o brutes à partir des signaux numériques de navigation (notamment des mesures de pseudo-distance, de Doppler intégré, de phase de porteuse et de rapport (-INo), et 2904498 2 un module de localisation (ou navigateur orbital ) chargé de déterminer, généralement au moyen d'un filtre de kaiman orbital, des points de localisation pour l'engin (ou véhicule) spatial dans lequel il est embarqué, définis par une position, une vitesse, Un temps réeepteUr (OU local) et la s dérive de l'horloge bord, partir des mesures brutes et des données de navigation démodulées par le Module de traitement numérique (initialement contenues dans les signaux numériques de navigation sous une forme modulée), ainsi que de modèles orbitaux de forces. La détermination des mesures brutes et des données de navigation démodulées par le module de traitement numérique se fait classiquement en deux phases. Une première phase dite d'acquisition consiste à effectuer une recherche temps/fréquence en estimant l'énergie des signaux reçus (numérisés) à l'intérieur d'une tranche temporelle Doppler pour Chaque position de code du signal COMA. Une deuxième phase dite de poursuite ts débute une fois racquisition effectuée, c'est-à-dire une fois que l'on est accroché aux signaux de navigation. Elle consiste à poursuivre, d'une part, les codes contenus dans les signaux reçus (numérisés) au moyen d'une boucle à verrouillage de retard (ou DLL (pour Delay Locked Loop )), et J'autre part, la porteuse des signaux reçus (numérisés) au moyen d'une 20 boucle de Cestas du troisième ordre modifiée (par exemple), afin de délivrer periodiquement les mesures brutes et les données de navigation démodulées, typiquement toutes les secondes. en vue de leur utilisation par le module de localisation. L'invention a pour but de proposer un récepteur de navigation spatial 25 dont la consommation d'énergie et/ou la masse estlsont réduit(s). Elle propose à cet effet un récepteur de navigation du type de celui présenté dans la partie d'introduction, mais dans lequel : -le module de traitement radiofréquence est également agencé de manière à transformer en signaux numériques auxiliaires des signaux radio 300auxiliaires reçus, qui sont représentatifs diniormations de navigation relatives au système, et - le module de traitement numérique ne fait qu'acquérir périodiquement, par' sous-échantillonnage du signai reçu les signaux numériques de navigation 3 2904498 (sans les poursuivre), puis traite les échantillons de signal acquis (et donc enregistrés), le traitement se faisant en Mode temps réel ou> différé, pull' déduire de ces échantillons, des signaux numériques auxiliaires et de points de focalisation les mesures brutes de navigation qui sont ensuite transmises (de façon sous-échantillonnée) au module de localisation (par exemple un filtre de Kalmar} afin qu'il produise les points de localisation correspondants. Le récepteur de navigation selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : il peut être agencé de manière à recevoir les signaux radio auxiliaires utiles au traitement des signaux de navigation sur un canal de communication radio dédié à la télémesure/télécommande (ou TM/TC ) . les informations de navigation, qui sont représentées par les signaux radio 15 auxiliaires, sont par exemple les éphémérides des satellites du système de navigation par satellites ; son modifie de traitement rlUMériqUe OeUt être chargé, lors de chaque période d'acquisition, 1) de transformer en un ensemble d'échantillons les signaux numériques de navigation qui sont délivrés par le module de 20 traitement radiofréquence pendant une durée choisie, puis il) de stocker cet ensemble d'échantillons, puis iii) de différencier les différents signaux numériques de navigation représentés par les éehaeiions de l'ensemble stocké et de déduire les mesures brutes de ces signaux numériques de navigation différenciée, des signaux numériques auxiliaires et des points de 25 localisation e la durée choisie peut par exemple être comprise entre environ 10 millisecondes et environ 40 millisecondes, et plus préférentiellement comprise entre 10 millisecondes et 20 millisecondes la période d'acquisitioe peut par exemple être supérieure ou égale à 20 30 secondes, et de préférence au moins égale à 30 secondes ; le module de localisation peut être chargé de déterminer périodiquement des points de localisation selon une période de durée inférieure à la période cracquisilien des signaux numériques de navigation 2904498 le période de détermination peut par exemple être égale à environ une seconde. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel 5 l'unique figure illustre de façon très schématique un exemple de réalisation d'un récepteur de navigation spatial selon l'invention. Le dessin annexé pourra non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à se définition, le cas échéent. L'invention a pour objet de permettre la réduction de la consommation Io d'énergie et/ou de la masse d'un récepteur de navigation spatial destiné à être embarqué sur un engin ou véhicule) spatial. Dans ce qui suit, on considère à titre d'exemple non limitatif que le récepteur (de navigation spatial) RN est embarqué sur un satellite d'observation, de télécommunication, en orbite géostationnaire ou défilante, la M'ait éventuellement en formation. Mais, 'Invention n'est pas limitée à ce type d'engin (ou véhicule) spatial. Elle concerne en effet tout type d'engin spatial se trouvant sur tout type de trajectoire (par exemple en orbite autour d'un corps, comme par exemple la Terre, ou sur une trajectoire interplanétaire), et notamment les sondes interplanétaires et les véhicules 20 spatiaux habités ou non (navette, fusée et analogues , Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que le récepteur RN est destiné à fournir des points de localisation pour 1 engin spatial dans lequel il est embarqué, à partir de messages de signalisation d'un système de navigation par satellites (GNSS et/ou RNSS), 25 comme par exemple le système GALILEO. Mais, l'invention n'est pas limitee à ce type de système de navigation par satellites. Elle concerne en effet tout système dédié à la navigation et comportant soit une constellation de satellites (de navigation) placés en orbite autour d'un astre par exemple la Terre) et chargés de diffuser à destination de récepteurs de navigation RN 3o des signaux de navigation radiofréquence (RF) représentatifs de messages de navigation destinés à leur permettre d'effectuer des points de localisation, soit un ensemble d'émetteurs radio fixes au sol chargés reénettre ries signeua de type navigation vers le zénith afin qu'ils puissent 4 2904498 être captés par les récepteurs de navigation RN et utilisés pour effectuer des points de localisation. Il pourra donc également s'agir, par exemple, de l'un des systèmes existants (GFS, GLONASS) ou de l'un des futurs systèmes (COMPAe ), ou encore de Fun de leurs équivalents ou dérivés. Comme cela est illustré fonctionnellement sur l'unique figure, un récepteur (de navigation spatial) RN selon l'invention comprend au moins une antenne AN, un module de traitement radiofréquence (RF) MT1, un module de traitement numérique MT2 et un module de localisation ML. La ou les antenne(s) AN est (sont) agencée(s) de manière à recevoir des signaux radiofréquences et notamment ceux qui représentent des messages (de navigation et d'intégrité) relatifs au système de navigation par satellites), ici GAL 1 LEO, Le modufe de traitement RF MTI est alimenté en signaux RF par la (ou les) antenne s) AN. Il est classiquement constitué d'au moins un ls convertisseur chargé de pré-amplifier avec un faible bruit les signaux RF reçus par une antenne AN, puis de filtrer ces signaux (analogiques) pré-amplifiés, puis de convertir la fréquence radio des signaux (analogiques) pré-amplifiés et filtrés en Une fréquence intermédiaire, puis de convertir en signaux numériques les signaux (analogiques) pré-amplifiés, filtrés et 20 présentant la fréquence intermédiaire. Selon l'invention, le réceuteur RN est le destinataire de deux types de messages relatifs eu système de navigation (par satellites), ci GINS ou RNSSi Le premier type comprend les messages de navigation qui sont 25 diffusés sous forme de signaux radio par les satellites du système de navigation eii/ou par des équipements de diffusion associés a ce dernier. On entend ici par message de navigation un message comportant des infarmalions de navigation relatives à la position orbitale et/ou la synchronisation (décalage d'horloge interne par rapport à l'horloge de référence du système) d'un satellite de navigation. Le second type comprend les messeges d'informations de navigation relatives au système de navigation qui sont diffusés sous forme de signaux radio dits auxiliaires par des équipements de diffusion, appartenant par 2904498 exemple à un système dit d'augmentation >> ou d'assistance associé au svstéme de navigation, et/ou par les satellites de ce dernier, On entend ici par a informations de navigation au moins les éphémérides des satellites du système de navigation. Les signaux radio auxiliaires sont utiles au traitement des signaux de navigation et sont par exemple transmis sur un canal de communication redio, connu de l'homme de l'art sous l'acronyme TM/TC, lequel est dédié aux télémesures effectuées par l'engin spatial et à la télécommande de ce dernier. Le module de traitement RF MTI est donc agencé de manière à transformer, d'une part, les signaux radio de navigation en signaux numériques de navigation, et d'autre part, les signaux radio auxiliaires (qui représentent les messages d'informations de navigation) en signaux numériques auxiliaires. Le module de traitement numérique MT2 est alimenté en signaux numériques de navigation et signaux numériques auxiliaires par le module de traitement RF MTI. 11 est tout &abord chargé d'acquérir périodiquement, par sous-échantillonnage du signal reçu, les signaux numériques de navigation. Cette acquisition consiste à effectuer une recherche temps/fréquence en 20 estimant l'énergie des signaux de navigation numérisés à l'intérieur d'une tranche temporelle Doppler pour chaque position de code du signal COMA. De préférence, le module de traitement numérique MT2 est activé périodiquement de manière à effectuer une acquisition très courte pendant chaque période dite d'acquisition. Cette dernière est par exemple supérieure 25 ou égale à 20 secondes, et de préférence au moins égale à 30 secondes. Par exemple on peut la prendre égale à 30 secondes ou 90 secondes, voire plus. . Par exemple, lors de chaque période d'acquisition le module de traitement numérique MT2 commence per transformer en un ensemble d'échantillons les signaux numériques da navigation qui sont délivrés par le 30 module de traitement RF MT1 pendant une durée choisie. Cette dernière est par exemple comprise entre environ 10 millisecondes et environ 40 millisecondes, mais elle peut être supérieure aux valeurs comprises dans cet intervalle (elle peut notamment dépasser 100 ms). 2904498 Le module de traitement numérique MT2 stocke dans une mémoire MY les échantillons de l'ensemble qui est associé à la période d'acquisition en cours, afin, préférentiellement, de les traiter ensuite et non à la volée (car il n'est pas fortement contraint temporellement du fait de la durée importante (période d'acquisition) qui existe entre deux traitements successifs d'ensembles d'échantillons successifs. Ce traitement consiste à différencier les différents signaux numériques de navigation qui sont représentés par les échantillons d'un ensemble, stockés dans la mémoire MY. Cette différenciation permet de réaliser les mesures (notamment de distance et doppler) sur les signaux de navigation qui sont représentés par les signaux numériques. Une fois que le module de traitement numérique MT2 a différencié les différents signaux numériques de navigation, qui sont représentés par un ensemble d'échantillons, il déduit de ces derniers, des signaux numériques as auxiliaires et du ou des points de localisation précédemment déterminés par le module de localisation ML (et sur lesquels on reviendra plus loin), des mesures brutes. La production des mesures brUteS Se fait par traitement des signaux échantillonnés stockés en mémoire. Le traitement des échantillons se fait en boucle ouverte, en mode acquisition sans mise en oeuvre de boucles 20 de poursuite ni de code ni de phase. On entend ici par mesures brutes tout type de mesure elaeeiquement utile à un module de localisation ML peur déterminer dos points de localisation. Par conséquent il s'agit notamment de mesures de pseudo-distance (représentatives de la distance séparant l'engin spatial du 25 satellite du système de navigation par satellites qui a émis le signal de navigation reçu), de mesures Doppler intégrées de mesures de la phase de la porteuse du signal de navigation (représenté par les données de navigation démodulées) et de mesures de rapport C/No (rapport de la puissance du signal reçu sur la puissance du bruit reçu). Le temps nécessaire au module de traitement numérique MT2 pour déterminer les mesures brutes, en traitant un ensemble d'échantillons stocké, est fonction de la puissance de calcul disponible au sein du (micro)processeur utilisé tipiquement cette opératien peut être realisée en traitement babil'' 2904498 (ise. en tache de fond moins prioritaire utilisant la puissance de calcul résiduelle du (rniero)processeur), Par conséquent, le module de traitement numérique MT2 n'a besoin d'être activé que pendant une toute petite fraction de chaque période d'acquisition en vue de procéder à l'enregistrement d'un s ensemble d'échantillons puis au traitement de ce dernier. II est important de noter que le module de traitement numérique MT2 peut faire l'objet de deux activations successives lors de chaque période d'acquisition, la première (très courte) pour l'enregistrement des échantillons de données (typiquement 20 ms â 100 ms), la seconde (plus longue) pour le traitement des échantillons (eventuellement en batch) et la production des mesures bmtes (typiquement plusieurs secondes et dans tous les cas strictement inférieure à la période d'acquisition). Le module de localisation ML (généralement appelé navigateur orbital ) est chargé de déterminer des points de localisation, pour l'engin 1s spatial dans lequel il est embarqué, à partir des mesures brutes sous-échantillonnées (les dernières et les précédentes) et des données de navigation démodulées délivrées par le module de traitement numérique MT2. On entend ici par point de localisation un point classiquement défini par une position (P), une vitesse (V), un temps récepteur ou local (T) et la dérive ed de rhorlage bord. Cette détermination des peinte de localisation se fait en mode d'extrapolation du filtre de Kalman, typiquement périodiquement à raison d'un peint toutes les secondes. Le module de localisation ML est par exemple du même type que celui qui équipe le récepteur de navigation TOPSTAR 3000 de la Société ALCATEL. Un tel module de localisation ML comprend par exemple un filtre de Kaiman orbital effectuant une propagation de vecteur d'état au moyen d'un modèle orbital de forces approprié et des mesures de navigation disponibles. Le vecteur d'état est composé de six paramètres orbitaux, de la valeur de la dérive de l'horloge locale et du biais d'horloge local. Dans une application au 30 voisinage de la Terre, le modèle de propagation du vecteur d'état est par exemple basé sur un modèle de champ gravitationnel terrestre 40 {40, les effets gravitationnels conjugués de la lune et du soleil et les effets de la pression 5Jiare 2904498 Comme indiqué ci-dessus, du fait d'un fonctionnement en mode d eetraction du filtre de Kaiman, le module de localisation ML délivre périodiquement un point de localisation. Cette période est de préférence beaucoup plus petite que la période d'acquisition présentée ci-avant. 5 Typiquement (mais non limitativement), elle est choisie égale à une seconde. Cette différence importante des durées des périodes résulte de la constatation suivante. En raison de la dynamique favorable dont bénéficie un engin spatial pendant sa mission spatiale, le module de localisation ML n'a besoin effectivement de mesures brutes relatives aux distances (pseudo- lo distances) que toutes les N secondes afin de déterminer et délivrer toutes les M secondes des points de localisation qui correspondent à la précision de trajectoire requise pour la mission considérée. On a donc M N ; les valeurs respectives de M et N dépendant de la précision de la mission (par exemple M 1 s, et N = 30 s ou 90 s ou encore 150 s). De ce fait, le module de us traitement numérique MT2 n'a plus besoin d'effectuer une phase de poursuite consécutivement a chaque phase d'acquisition et le traitement des données obtenues lors de chaque acquisition n'a plus besoin de se faire à la volée. Le module de traitement numérique MT2 et le module de localisation ML du récepteur de navigation spatial RN selon l'invention sont 20 préférentiellement réalisés sous la forme de modules logiciels (ou informatiques). Mais, ils pourraient égaiement être réalisés sous la forme de circuits électroniques ou d'une combinaison de circuits et de logiciels, On notera qu'en raison de l'architecture simplifiée du récepteur de navigation RN, qui ne necessite plus obligatoirement de moyens de traitement 25 de signal complexes, par exemple de type, ASIC, le module de traitement numérique MT2 et:leu le module de localisation ML peu(ven)t désormais faire partie de moyens de calcul (processeur) d'un équipement embarqué de lengin spatial, comme par exemple les moyens de calcul d'un capteur spatial ou du module de contrôle d'orbite et d'attitude (ou AOCS pour Attitude and 3o Orbit Control System ). Par conséquent. les modules constituant ie récepteur de navigation spatial ne sont pas forcément tous regroupés au sein d'un unique éauipement embarqué, comme c'est le cas dans l'exemple illustré sur l'uniue figure. 2904498 Par ailleurs, grâce à l'invention il est possible de regrouper plusieurs fonctions de navigation en partageant des ressources mémoire et processeur communes. Ainsi, on peut par exemple constituer un équipement assurant à la fois les fonctions de suiveur d'étoile (ou star tracé r ) et de 5 positionnement par satellites (ou GPS), ou bien à la fois les fonctions de capteur inertiel et de positionnement par satellites ou GPS), L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de récepteur de navigation spatial décrits ci-avant> seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci,-après, REVENDICATIONS 1. Récepteur de navigation spatial (RN), comprenant i) un module de traitement radiofréquence VITI) agence pour transformer en signaux s numériques de navigation des signaux radio de navigation transmis par un système de navigation par satellites, ii) un module de traitement numérique (MT2) agencé pour produire des mesures brutes à partir desdiis signaux numédques de navigation, et iii) un module de localisation (ML} agencé pour déterminer des points de loealisatio n à partir desdites mesures brutes, de Is données de navigation démodulées initialement contenues dans lesdits signaux numérique n de navigation sous une forme modulée, et de modèles orbitaux de forces, caractérisé en ce que ledit module de traitement radiofréquence (MT1) est également agencé pour transformer en signaux numériques dits auxiliaires des signaux radio auxiliaires représentatifs 15 d'informations de navigation relatives audit système, et en ce que ledit module de traitement numérique (MT2) est agencé pour acquérir périodiquement lesdits signaux numériques de navigation par sous-échantillonnage du signal radio reçu, puis pour traiter les échantillons de signal acquis résultant dudit sous-échantillonnage de manière à déduire lesdites mesures brutes de ces 20 échantillons, desdits signaux numériques auxiliaires et desdits points de localisation. 2. Récepteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est agencé pour recevoir lesdits signaux radio auxiliaires utiles au traitement des signaux de navigation sur un canal de communication radio dédié a la 2s télémesure/télécommande (TM/TC . 3. Récepteur selon rune des revendications 1 et 2, caractérisé en de que lesdites informations de navigation, représentées par les signaux radio auxiliaires, sont des éphémérides des satellites dudit système de navigation par satellites. 30 Récepteur selon liune des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit module de traitement numérique (MT2) est agencé, lors de chaque période i) pour transformer en un ensemble c'echantillons Ieedite i neux nuri-ier igues de navigation qui ,ont délivrés par ledit module de 2904498 traitement radiofréquence (MT1) pendant une durée choisie, puis ii) pour stocker ledit ensemble d'échantillons, puis iii) pour différencier les différents signaux numériques de navigation représentés par les échantillons de l'ensemble stocké et déduire lesdites mesures brutes de ces signaux numériques de navigation diff érenciés, desdits signaux numériques auxiliaires et desdits points de localisation, 5. Récepteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite durée choisie est comprise entre environ 10 millisecondes et environ 40 millisecondes. o 6. Récepteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite durée choisie, est comprise entre 10 rnillisecondes et 20 millisecondes, 7. Récepteur selon rune des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite période d'acquisition est supérieure ou égale à 20 secondes. 8. Récepteur selon la revendication 7, caractérisé en ce C-1e ladite 15 période d'acquisition est au moins égale à 30 secondes. 9. Récepteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit module de localisation (ML) est agencé pour déterminer périodiquement des points de localisation, selon une période de durée inférieure à la période d'acquisition desdits signaux numériques de navigation. 20 10. Récepteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite période de détermination est égale à environ une seconde.