Brevet FR2906894A1 — publié le 20080411

La présente invention concerne un procédé de localisation d'un véhicule à partir de données satellitaires. Ce procédé peut notamment être mis en oeuvre dans le système de positionnement global connu sous l'acronyme GPS ("Global Positionning System"). ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Classiquement, la localisation d'un véhicule, tel qu'un aéronef, est réalisée à partir, d'une part, de don-nées fournies par une centrale de mesure embarquée (in-cluant par exemple une centrale inertielle et un baroaltimètre) et, d'autre part, de données satellitaires pro-venant d'une constellation de satellites en orbite autour de la Terre. Le traitement combiné de ces données permet l'obtention d'une position précise, appelée ci-après po-sition de référence, proche de la position réelle de l'aéronef. La précision de la position de référence est toutefois fortement sensible à une défaillance de la constellation de satellites, c'est-à-dire en cas d'une défaillance d'un satellite qui affecterait l'exactitude des données transmises et qui ne serait pas détectée ou en cas d'une défaillance simultanée ou de défaillances consécutives de deux satellites de la constellation (le risque de défaillance simultanée de trois satellites est tellement faible qu'il est en général négligé). Il est pour cette raison habituel de fournir au pilote de l'aéronef un volume, dit de protection et appelé ci-après volume global de protection, centré sur la position de référence et représentatif de la précision de la position de référence en tenant compte du risque de défaillance d'un ou deux satellites. Le volume global de protection est un cylindre d'axe vertical défini par son rayon et sa hauteur usuellement nommés HPL et VPL. La position réelle de l'aéronef, si elle ne coïncide pas exactement avec la position de référence, a une probabilité au plus égale à un seuil de sécurité acceptable (ou ris- 2906894 2 que d'intégrité) de se trouver hors du volume global de protection. Le calcul du volume de protection correspondant à chaque cas repose sur la distribution statistique de 5 l'erreur de position. Le calcul du volume global de protection suppose de définir le risque d'intégrité en tenant compte de la probabilité d'une absence de défaillance, de la survenue d'une défaillance et de la survenue de deux défaillances, et de déterminer le volume global 10 de protection de telle manière que le risque d'intégrité soit au moins égal à la probabilité pour que la position réelle soit dans le volume global de protection. La détermination de la distribution statistique et donc le calcul du volume de protection dans le cas 15 d'une absence de défaillance ne pose pas de problème. La fonction de répartition de l'erreur de position est connue et il est alors possible d'estimer l'écart-type correspondant. Cette estimation n'est valide que sous l'hypothèse que la position est calculée sans utiliser de 20 données erronées. Le cas d'une défaillance d'un satellite est plus délicat car on ne peut pas valablement déterminer la distribution statistique de l'erreur de position sur une position affectée par une défaillance d'un satellite mais 25 il est possible de s'affranchir de cette difficulté en calculant autant de positions secondaires qu'il y a de satellites et en excluant pour le calcul de chacune de ces positions les données fournies par un satellite de sorte qu'au moins une des positions secondaires n'est pas 30 affectée par la défaillance d'un satellite. La position secondaire et le volume secondaire de protection correspondant donnant le plus grand volume global de protection est alors retenu. Le cas d'une défaillance de deux satellites de- 35 mande une puissance de calcul importante et est générale- 2906894 3 ment négligé en considérant sa probabilité d'occurence trop faible pour justifier sa prise en compte. Le document US-A2004239560 décrit un tel procédé de calcul du volume global de protection. 5 Il a par ailleurs été recherché des moyens per-mettant de rendre le dernier cas négligeable. Il est ainsi connu de recourir à un algorithme de détection et d'isolation des défaillances minimisant le risque qu'une défaillance simultanée de deux satellites ne soit pas dé- 10 tectée et permettant alors de négliger ce cas dans le calcul du volume de protection. Cependant, un tel algorithme nécessite de disposer à bord de l'aéronef d'une puissance de calcul importante et allonge la durée de traitement des données. De plus, cette méthode nécessite 15 une méthodologie de validation appropriée lourde à mettre en place dans la mesure où la performance de l'algorithme de détection et d'isolation des défaillances est directerr.ent liée à la sécurité (ou l'intégrité) de l'avion, une panne non détectée mettant en jeu la sécurité de l'appareil. OBJET DE L'INVENTION Il serait donc intéressant de disposer d'un moyen permettant de calculer le volume de protection de manière fiable tout en limitant les ressources informatiques né- 25 cessaires à ce calcul et les efforts de validation requis. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de localisation d'un élément mobile par détermi- 30 nation d'une position de référence et d'au moins une limite globale de protection à partir d'un groupe de don- nées satellitaires issues chacune d'un satellite d'une constellation de satellites, le calcul de la limite glo- bale de protection comprenant l'étape de calculer des li- 35 mites de protection en fonction de probabilités d'absence 2906894 4 de défaillance de la constellation de satellites et de défaillance de la constellation de satellites, le procédé comprenant les étapes de : -sélectionner dans le groupe de données satelli- 5 t.aires un sous-groupe comprenant au moins cinq données satellitaires, - calculer une position principale à partir du groupe de données satellitaires, - calculer des positions secondaires à partir du 10 sous-groupe de données satellitaires en excluant une des données satellitaires pour le calcul de chaque position secondaire, - calculer des limites de protection correspondant aux positions principale et secondaires en distin- 15 quant selon que la défaillance de constellation affecte ou pas les données satellitaires considérées, - calculer la limite de protection globale à par-tir de la position de référence, de la position principale, des positions secondaires, des limites de protec- 20 t.ion correspondant aux positions principale et secondaires. La sélection d'un sous-groupe dans le groupe de données satellitaires permet une simplification et une optimisation des calculs en introduisant la possibilité 25 d'un choix des satellites pour former le sous-groupe. Selon une première caractéristique intéressante : -pour le cas d'une défaillance d'un satellite fournisseur du groupe de données satellitaires mais pas du sous-groupe de données satellitaires, la limite de 30 protection correspondante est calculée sur une des positions secondaires, - pour le cas d'une défaillance d'un satellite fournisseur du sous-groupe de données satellitaires, une limite de protection correspondante est calculée sur cha- 35 que position secondaire, 2906894 5 - pour le cas d'une défaillance de deux satellites fournisseurs du groupe de données satellitaires mais pas du sous-groupe de données satellitaires, la limite de protection est calculée sur une des positions secondai- 5 res, - pour le cas d'une défaillance d'un satellite fournisseur du groupe de données satellitaires mais pas du sous-groupe de données satellitaires et d'un satellite fournisseur du sous-groupe de données satellitaires, une 10 limite de protection correspondante est calculée sur chaque secondaire, - le cas d'une défaillance de deux satellites fournisseurs du sous-groupe de données satellitaires est rendu négligeable. 15 Le cas d'une défaillance de deux satellites est pris en compte et est rendu négligeable dans l'hypothèse d'une défaillance de deux satellites fournisseurs du sous-groupe. Selon une deuxième caractéristique intéressante, 20 le procédé comprend les étapes de calculer une position secondaire additionnelle à partir du sous-groupe de don-nées satellitaires, - pour une défaillance d'un satellite fournisseur du groupe de données satellitaires mais pas du sous- 25 groupe de données satellitaires, la limite de protection correspondante est calculée sur la position secondaire additionnelle, - pour une défaillance de deux satellites fournisseurs du groupe de données satellitaires mais pas du 30 sousgroupe de données satellitaires, la limite de protection est calculée sur la position secondaire additionnelle. Selon une deuxième caractéristique intéressante, des limites de protection horizontales et verticales sont 35 calculées, le procédé comprenant l'étape de sélectionner 2906894 6 deux sous-groupes différents pour le calcul des limites de protection horizontales et verticales. Il est de la sorte possible de choisir les don-rées satellitaires les plus adaptées au calcul de la li- 5 mite de protection verticale et de la limite de protection horizontale en fonction notamment de la hauteur des satellites et de leur écartement mutuel. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront à la :Lecture de la description qui 10 suit d'un mode de mise en oeuvre particulier, non limita- tif, de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : 15 -la figure 1 est une représentation schématique d'une constellation de satellites présents au-dessus de l'horizon d'un aéronef, - la figure 2 est une vue schématique montrant les positions et limites de protection calculés pour lo- 20 caliser l'aéronef. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures, le procédé de l'invention est ici décrit en relation avec un aéronef 1 embarquant un système de navigation utilisant des données is- 25 sues de N satellites 2 . i (avec i variant de 1 à N, soit 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10, 2.11, 2.12 sur la figure 1) en orbite autour de la Terre 100 et des données issues d'une centrale inertielle embarquée sur l'aéronef 1. 30 La centrale inertielle est connue en elle-même et délivre, à partir de capteurs fixés à l'aéronef 1, des données relatives notamment à l'assiette de l'aéronef 1, sa vitesse... Les satellites 2 à 11 font partie d'un ensemble 35 de satellites qui sont positionnés en orbite géostation- 2906894 raire autour de la Terre et qui appartiennent à un système de localisation par satellites de type GPS. Chaque satellite 2.i émet en permanence un signal comportant sa localisation et l'heure précise d'émission du signal. Les 5 N satellites 2.i émettent ainsi à intervalle régulier N signaux appelés par la suite données satellitaires. Le système de navigation comprend de façon connue en elle-même une unité de calcul reliée à la centrale inertielle et à un récepteur des signaux issus des 10 satellites. L'unité de calcul incorpore de façon connue en elle-même des processeurs et des mémoires lui permettant de calculer une pseudo-distance séparant l'aéronef 1 de chaque satellite 2.i dont le signal est détecté par le récepteur et de réaliser une fusion de ces 15 pseudo-distances et des données provenant de la centrale inertielle afin de déterminer entre autres une position de l'aéronef 1. La fusion est réalisée de manière connue en elle-même en utilisant des filtres de Kalman ou tout autre al- 20 gorithme permettant de réaliser la fusion de données. Le système de navigation fournit ainsi au moyen d'un filtre de référence une position précise XA ou position de référence à partir des données inertielles et des données satellitaires. La position précise XA est définie 25 par une composante horizontale (ici une latitude et une longitude) et une composante verticale (ici une altitude). Le système fournit également un volume global de protection défini par une limite globale de protection 30 horizontale HPL et une limite globale de protection verticale VPL calculées à partir des données satellitaires. Le volume global de protection, qui doit être le plus petit possible, est déterminé pour que, si la position réelle X de l'aéronef ne coïncide pas exactement 35 avec la position calculée, cette position réelle a une 2906894 8 probabilité au plus égale à un seuil de sécurité acceptable de se trouver hors du volume global de protection. On précisera dans la suite les opérations de calcul de la limite globale de protection horizontale. Les opérations 5 de calcul de la limite globale de protection verticale sont similaires. Les limites de protection sont calculées de façon connue en elle-même à partir de la distribution statistique de l'erreur sur la position calculée (distribution 10 gaussienne pour la composante verticale de la position et distribution x2 pour la composante horizontale de la position). A titre d'exemple, pour la limite de protection horizontale HPL, on note P(He ? HPL) HPL, 2 défaillances).P(2 défaillances) (1) A titre d'explication, P(He >- HPL, 0 défaillance) signifie "probabilité que He soit supérieur ou égal à HPL 30 en l'absence de défaillance' et P(1 défaillance) signifie "probabilité de survenue d'une défaillance". Le risque d'intégrité est lui aussi décomposé en fonction de ces différents cas : Pir = Ki .Pir + K2 . Pir + K3 .Pir 2906894 9 avec les coefficients Ki, K2 et K3 correspondant respectivement aux cas absence de défaillance, présence d'une défaillance, présence de deux défaillances. Or, il n'est pas possible de valablement détermi- 5 ner une limite de protection si la position concernée a été calculée à partir d'au moins une donnée satellitaire erronée. On se ramène alors à une position dont le calcul n'est affecté d'aucune erreur. Pour déterminer le volume global de protection, 10 le système calcule également au moyen d'un filtre principal une position principale dite intègre Xo à partir du groupe des N données satellitaires. Dans l'invention, il est également prévu que le système opère une sélection d'un sous-groupe de n données 15 satellitaires parmi le groupe des N données satellitaires pour calculer, au moyen d'un filtre secondaire, une première position secondaire Xco. Les n données satellitaires sont choisies en fonction de leur pertinence pour la détermination de la composante horizontale de la position 20 (les données provenant des satellites les plus écartés sont alors retenues) ou pour la détermination de la composante verticale de la position (les données provenant des satellites les plus hauts sont alors retenues). La pertinence des satellites est par exemple déterminée par 25 la méthode des cosinus directeurs, en calculant la DOP (pour "dilution of précision", dilution de précision) pour les n constellations de n-1 satellites possibles et en conservant les satellites extraits des constellations ayant la DOP la plus faible. 30 Il est ensuite prévu de calculer, au moyen de n-1 filtres secondaires, n-1 deuxièmes positions secondaires Xu (pour i variant de 1 à n) en excluant la donnée satellitaire issue du satellite 2.1 pour le calcul de chaque position secondaire. 2906894 10 Le calcul de limites de protection est ensuite réalisé sous l'hypothèse d'une absence de défaillance d'un satellite, dans le cas d'une défaillance d'un satellite et dans le cas d'une défaillance de deux satellites. 5 On prendra comme exemple, dans la suite de la description, le calcul de La limite horizontale de protection HPL. Dans le cas où il n'y a pas de défaillance d'un satellite, toutes les données satellitaires sont bonnes. 10 Le calcul de la limite de protection est effectué sur la position principale Xo calculée avec les N données satellitaires. La probabilité qu'aucune de ces données ne soit affectée par une défaillance est de (1-N)*10-5 par heure. Par conséquent, on a : 15 P(He > HPL, 0 défaillance).(1-N).10"5 > KlPir Soit P(He > HPL, 0 défaillance) = Ki. P' (2) (1û N).10-5 Dans le cas où il y a une défaillance d'un satellite du groupe de N satellites, il faut distinguer deux 20 possibilités selon que : - le satellite défaillant appartient au sous-groupe, la limite de protection est alors déterminée sur chaque position secondaire Xol (dont l'une est bonne puis-qu'elle a été calculée sans recourir aux données du sa- 25 teinte défaillant), - le satellite défaillant n'appartient pas au sous-groupe, la limite de protection est alors déterminée sur la position secondaire Xoo dont le calcul n'est pas affecté par la défaillance (alors que la position Xo est 30 vraisemblablement fausse). On a dans ce cas : K2P,r = P(He > HPL, 1 défaillance dans n).P(l défaillance dans n) + P(He > HPL, 1 défaillance hors de n).P(ldéfaillance hors de n) (3) 2906894 11 On décide de répartir le risque d'intégrité de façon équiprobable entre les deux possibilités. On obtient alors . 5 P(He > HPL, 1 défaillance dans n)= k2. P,.r 2.n.10-5 (4) P(He > HPL, 1 défaillance hors de n) = k2. P.r 2.(Nùn).10-5 (5) Dans le cas où il y a une défaillance de deux satellites, il faut distinguer trois possibilités selon que . 10 - les satellites défaillants appartiennent au sous-groupe, toutes les positions calculées sont alors fausses, - l'un des satellites défaillants appartient au sous-groupe et l'autre n'appartient pas à celui-ci, la 15 limite de protection est alors déterminée sur chaque position secondaire Xm (dont l'une a été calculée sans recourir aux données des satellites défaillants), - les satellites défaillants n'appartiennent pas au sous-groupe, la limite de protection est alors déter- 20 minée sur la position secondaire Xoo dont le calcul n'est pas affecté par la défaillance (alors que la position primaire Xo est vraisemblablement fausse). La probabilité que deux pannes affectent les don-nées satellitaires sur une mission de T heures est de 25 T.N2.10-10. On a dans ce cas K3Pir= P(He HPL, 2 défaillances dans n). P(2 défaillances dans n) + P(He > HPL, 1 défaillance dans n et 1 hors de n). P(1 défaillance dans n) 3 0 . P (1 défaillance hors de n) + P(He > HPL, 2 défaillances hors de n). P(2 défaillances hors de n) (6) 2906894 12 La partie de l'équation (6) concernée par la première possibilité est : P(He ? HPL pour 2 défaillances dans n). P(2 défaillances dans n) (7) 5 avec P (2 défaillances dans n) = T. n2.10-10 Comme on ne peut calculer de limite de protection dans ce cas, toutes les positions étant fausses, on décide de donner la valeur de 1 à la probabilité que l'er- 10 reur de position soit supérieure à la limite de protection pour une défaillance de deux satellites fournisseurs du sous groupe. Ce cas n'est donc pas négligé mais au contraire pris en compte en lui affectant la probabilité la plus défavorable. 15 L'équation (6) devient alors : K3P;r _ T.n2.10-10 = P(He ? HPL, 1 défaillance dans n et 1 défaillance hors de n) . P(1 défaillance dans n) . P (1 défaillance hors de n) + P(He ? HPL, 2 défaillances hors de n). P(2 défaillances hors de n) (8) On décide de répartir le risque d'intégrité restant soit K3PIR - T.n2.10-10 de façon équiprobable entre la deuxième et la troisième possibilité. On a donc pour la deuxième possibilité K3P,.r ùT.n2.10-' 2 P (He? HPL, 1 défaillance dans n et 1 défaillance hors de n). P(ldéfaillance dans n) . P(ldéfaillance hors de n) (9) avec le produit de P(1 défaillance dans n) et P(1 défaillance hors de n) égal à T.10-10.n. (N-n) , soit : 20 25 30 2906894 13 K3.P.r ûT.n2 P(He > HPL, 1 défaillance dans n et 1 défaillance hors de n) = 2.T.10-10.n.(N û n) (10) Pour la troisième possibilité, on a : 5 K3.Pr û T.n2.10-10 2 P(He HPL, 2 défaillances hors de n). P(2 défaillance hors de n) (11) avec P(2 défaillances hors de n) = T.10-10.(N-n)2 soit : K P ûT.n2.10-10 10 P(He > HPL, 2 défaillances hors de n) = 3. (12) 2.T.10-' .(N û n)2 La limite de protection horizontale calculée sur la composante horizontale de la position Po est appelée HPLo. La limite de protection horizontale HPLo est dé- 15 terminée de telle manière que : P(He > HPLo) = K1 Pir (13) La limite de protection horizontale calculée sur 20 :a composante horizontale de la position Poo est appelée HPLoo. Les formules (5) et (12) donnent toutes deux une valeur différente du risque d'intégrité sur la position Poo. Pour protéger cette position, il suffit de calculer une seule limite de protection horizontale HPLoo carres- 25 pondant au plus petit risque d'intégrité calculé par les formules (5) et (12). En pratique les coefficients K1 et KK2 sont calculés pour obtenir des valeurs optimales (c'est-à-dire les plus proches possible) dans les formu- 2906894 14 les (5), (12) mais également (4) et (10). D'autres critères de réglage peuvent naturellement être envisagés. La limite de protection horizontale HPLoo est dé-terminée à partir des formules (5) et (12), de telle ma- 5 r..ière que K P. ù T.n2.10-`0 P(He HPLoo) = min( K2. P, 3 +r ) (14) 2.(N ù n).10-5 2.T.10 -' .(N ù n)2 La limite de protection horizontale HPLoo ainsi 10 calculée sur Poo est ensuite ramenée à la position Po en calculant HPLoo = HPLoo + distance (Po, Poo) (15) 15 La limite de protection horizontale calculée sur la composante horizontale de chaque position Pop est appelée HPLoo. Les limites de protection horizontales HPLoo sont déterminées à partir des formules (4) et (10), de telle 20 manière que : P(He > HPLo;) = min( K2. s 2K3.T .Pr10,o.nT.n2.1.(N 0 - - n]0) 2.n.10 ) (16) Les limites de protection horizontales HPLoo ainsi calculées sur Poo sont ensuite ramenées à la position Po en calculant HPLo; = HPLo; + distance (Po, Po;) (17) La limite globale de protection horizontale HPL est alors calculée en recherchant la limite de protection 30 maximale calculée précédemment, soit : 25 2906894 15 HPL = MAX {HPL , HPL00, HPLo;} pour variant de 1 à N (18) Le mode de calcul est identique pour la limite de protection VPL. A titre d'exemple numérique, on prend : Pir = 9.10-8/ heure, - K1 . Pir = 4,12.10-8/ heure, - K2 . Pir = 1,9999.10-8/ heure, - K3. Pir = 2,88065.10-8/ heure, - N = 10, - n = 6, (les satellites retenus pour le calcul de HPL sont par exemple 2.2, 2.3, 2.5, 2.6, 2.7 et 2.8 ; les satellites retenus pour le calcul de VPL sont par exemple 2.4, 2.5, 2.7, 2.8, 2 9 et 2.12), - T = 8 L'équation (12) donne P(He >- HPLo) = 4,12.10-8. L'équation (14) donne P(He >- HPLoo) = 2,499.10-4. L'équation (16) donne P(He >- HPL0,) = 1,666.10-4. Bien entendu, l'invention n'est pas limité au 20 mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le cadre de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, bien que les limites de protection aient été ramenées sur la position principale Po, il 25 et possible de ramener les limites de protection à la position précise XA en tenant compte de la distance (Po, )(A) . Dans le cas où le système incorpore des données autres que satellitaires, la position précise ou de référence est la position principale. 30 Il va de soi que l'invention est également utilisable avec d'autres systèmes de localisation par satellites comme le système GALILEO lorsque celui-ci sera fonctionnel. Il est également envisageable de ne pas calculer 35 la position secondaire Poo ni les limites de protection 5 10 15 REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation d'un élément mobile par détermination d'une position de référence et d'au moins une limite globale de protection à partir d'un groupe de données satellitaires issues chacune d'un satellite d'une constellation de satellites, le calcul de la limite globale de protection comprenant l'étape de calculer des limites de protection en fonction de proba- bilités d'absence de défaillance de la constellation de satellites et de défaillance de la constellation de satellites, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de : - sélectionner dans le groupe de données satelli- t.aires un sous-groupe comprenant au moins cinq données satellitaires, - calculer une position principale à partir du groupe de données satellitaires, - calculer des positions secondaires à partir du sous-groupe de données satellitaires en excluant une des données satellitaires pour le calcul de chaque deuxième position secondaire, - calculer des limites de protection correspondant aux positions principale et secondaires en distin- quant selon que la défaillance de constellation affecte ou pas les données satellitaires considérées, - calculer la limite de protection globale à par-tir de la position de référence, de la position principale, des positions secondaires, des limites de protec- Lion correspondant aux positions principale et secondaires. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel: - pour une défaillance d'un satellite fournisseur du groupe de données satellitaires mais pas du sous- groupe de données satellitaires, la limite de protection 2906894 18 correspondante est calculée sur une des positions secondaires, - pour une défaillance d'un satellite fournisseur du sous-groupe de données satellitaires, une limite de 5 'protection correspondante est calculée sur chaque deuxième position secondaire, - pour une défaillance de deux satellites fournisseurs du groupe de données satellitaires mais pas du sous-groupe de données satellitaires, la limite de pro- 10 tection est calculée sur une des positions secondaires, - pour une défaillance d'un satellite fournisseur du groupe de données satellitaires mais pas du sous-groupe de données satellitaires et d'un satellite fournisseur du sous-groupe de données satellitaires, une li- 15 mite de protection correspondante est calculée sur chaque deuxième position secondaire, - une défaillance de deux satellites fournisseurs du sous-groupe de données satellitaires est rendue négligeable. 20 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant les étapes de calculer une position secondaire additionnelle à partir du sous--groupe de données satellitaires, - pour une défaillance d'un satellite fournisseur 25 du groupe de données satellitaires mais pas du sous-groupe de données satellitaires, la limite de protection correspondante est calculée sur la position secondaire additionnelle, - pour une défaillance de deux satellites four- 30 nisseurs du groupe de données satellitaires mais pas du sous-groupe de données satellitaires, la limite de protection est calculée sur la position secondaire additionnelle. 4. Procédé selon la. revendication 1, dans lequel 35 des limites de protection horizontales et verticales sont 2906894 19 calculées, le procédé comprenant l'étapes de sélectionner deux sous-groupes différents pour le calcul des limites de protection horizontales et verticales.