Brevet FR2928602A1 — publié le 20090918

DISPOSITIF DE COMMUNICATION ENTRE UN ELEMENT MOBILE ET UN ELEMENT FIXE La présente invention est relative à un dispositif de communication 5 entre un élément mobile et un élément fixe. L'invention concerne plus particulièrement un sous-ensemble nécessaire aux applications de transport, notamment pour le CBTC (Communications Based Train Control). Le CBTC est un système de gestion ferroviaire : un ordinateur central est chargé de gérer tous les trains circulant lo sur les lignes à superviser. Le CBTC gère les trains en se basant sur la communication des informations entre l'ordinateur de bord embarqué sur chacun des trains et l'ordinateur central. Ceci garantit une régulation efficace du trafic. La régulation du trafic permet de faire arriver les trains de manière ts régulière aux stations et de contrôler la distance entre deux trains qui se suivent. Le but est naturellement d'optimiser le trafic et de minimiser le temps d'arrivée entre chaque train en station. Pour répondre à cet objectif tout en évitant tout risque de collision, il est indispensable de donner au système CBTC une information fiable de 20 localisation du train. Dans ce cadre d'applications de transport, et particulièrement du CBTC, il apparaît donc un besoin de balises permettant le recalage de l'odométrie embarquée et l'identification d'une balise au sol (RFID). L'information de distance parcourue par le train doit être fournie à un 25 calculateur embarqué qui sera chargé de traiter les différents tops de passage au-dessus des balises au sol. Ces balises permettent donc au calculateur embarqué d'enregistrer la position du train lors de leur survol. La position du train est utilisée pour réaliser des fonctions de 30 sécurité. Les informations temporelles de sécurité données par le lecteur embarqué doivent être en cohérence temporelles avec le survol réel de la balise. D'autres informations comme un message d'identification issu de la balise et transmis au lecteur embarqué permettent de compléter l'information de localisation. 35 La balise au sol doit être repérée de manière précise afin qu'elle puisse être programmée avec une information de localisation. Cette balise doit être entièrement passive, sans aucune énergie embarquée. L'objectif est de donner au calculateur de bord une information de repérage au sol la plus précise possible. L'information de recalage doit être donnée avec une précision de quelques centimètres, quelles que soient les conditions d'utilisation définies. Le fonctionnement du système de recalage doit être identique quel que soit le sens de passage du lecteur au-dessus de la balise : même performance en marche avant et marche arrière. Compte tenu de certaines conditions d'utilisation, notamment dans le ferroviaire, il apparaît difficile d'envisager des solutions basées sur des systèmes optiques ou de mettre à profit la directivité importante qu'offre la ~o technologie infrarouge. En effet, les boues ou les poussières masqueraient la transmission des informations entre la balise et le lecteur. Le choix d'une solution GPS (Global Positioning System) ne semble pas adapté à la solution de recalage. En effet, les précisions demandées de l'ordre de quelques centimètres ne sont pas compatibles avec les performances is actuellement offertes par une telle solution. De plus, l'utilisation en tunnel du système de recalage limite également l'attrait de la solution GPS. L'invention a pour but surtout de proposer un dispositif de communication, entre un élément mobile et un élément fixe permettant un positionnement précis de l'élément mobile par rapport à l'élément fixe tout en 20 répondant aux contraintes précédemment évoquées. Selon l'invention un dispositif de communication, entre un élément mobile et un élément fixe, comprenant : un lecteur à champ électromagnétique comprenant un émetteur avec une antenne émettrice et un récepteur avec une première antenne, mis 25 en place dans un boîtier, - et une balise comprenant un récepteur apte à recevoir un signal en provenance de l'émetteur du lecteur pour fournir de l'énergie à un émetteur apte à envoyer un signal reçu par le récepteur du lecteur, est caractérisé en ce que le récepteur du lecteur comprend au moins une 30 deuxième antenne et des moyens de comparaison de signal aptes à comparer le signal reçu par la première antenne du récepteur avec le signal reçu par la deuxième antenne pour déterminer le moment ou le lecteur passe à la verticale de la balise. Les moyens de comparaison peuvent utiliser les phases des signaux 35 reçus par les première et deuxième antennes et/ou les amplitudes des signaux reçus par les première et deuxième antennes. Avantageusement chacune des première et deuxième antennes comporte deux enroulements. De préférence, pour chacune des première et deuxième antennes, l'un des enroulements est utilisé pour déterminer la phase du signal recueilli par l'antenne correspondante. De préférence, pour chacune des première et deuxième antennes, l'un des enroulements est utilisé pour recevoir un signal, une ou plusieurs opérations arithmétiques étant ensuite réalisée(s) sur l'un au moins des signaux obtenus. Le lecteur peut être embarqué dans l'élément mobile et la balise fixe. io L'émetteur du lecteur peut fonctionner à une fréquence autour de 100 kHz. La balise peut émettre un signal à une fréquence de quelques MHz ou quelques dizaines de MHz. De préférence les première et deuxième antennes sont identiques. 15 De préférence les première et deuxième antennes sont disposées symétriquement de part et d'autre de l'antenne émettrice. Chacune des première et deuxième antennes peuvent comporter deux enroulements. L'émetteur du lecteur peut émettre de manière continue. 20 Les antennes de la balise peuvent être disposées orthogonalement au sens de déplacement de l'élément mobile. La balise peut ne pas comporter de source d'énergie. L'invention concerne également un lecteur à champ électromagnétique apte à être utilisé dans un tel dispositif. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré avec référence aux dessins annexés mais qui n'a aucun caractère limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est une vue schématique en élévation latérale d'un dispositif selon l'invention comprenant un lecteur et une balise, 30 Fig. 2 est une vue schématique de dessus, à plus grande échelle, représentant les connexions des première et seconde antennes du récepteur du lecteur selon Fig. 1, Fig. 3 est une vue schématique de dispositifs de traitement des signaux présents dans le lecteur selon Fig. 1, 35 Fig. 4 est représentation schématique d'un signal a, Fig. 5 est représentation schématique d'un signal (a-b), Fig. 6 est représentation schématique d'un signal S1=a (a-b) avec une échelle différente de temps en abscisse, et Fig. 7 est représentation schématique d'un signal S2=b O+ (a-b), selon la même échelle de temps que sur Fig. 6. Dans toute la description qui suit d'un mode de réalisation d'un dispositif de communication selon l'invention, les termes relatifs tels que � supérieur �, � inférieur �, � avant �, � arrière �, � horizontal � et � vertical � sont à interpréter lorsque le lecteur est installé en dessous d'un véhicule en situation de fonctionnement, en particulier en dessous d'un train, le plan de fixation du lecteur étant horizontal et orienté vers le haut alors que les antennes ~o sont en partie basse. En se référant à Fig. 1, on peut voir un lecteur L destiné à être utilisé dans un dispositif D selon l'invention. Les différents composants du lecteur L sont mis en place dans un boîtier 1 et noyés dans un isolant non représenté à base d'une résine polymère. 15 Le boîtier 1 comprend des moyens de fixation non représentés permettant la fixation du boîtier 1 sous un train. Le lecteur L comporte un émetteur 2 avec antenne, utilisée pour émettre un champ électromagnétique à une fréquence basse avantageusement de 125 kHz mais de forte puissance, afin de fournir de l'énergie à une étiquette 20 ou balise B fixée sur la voie. La balise B au sol doit être repérée de manière précise afin qu'elle puisse être programmée avec une information de localisation. Cette balise B peut être entièrement passive, sans aucune énergie embarquée. Le lecteur L, embarqué sur le train, a plusieurs rôles. II doit permettre 25 de télé-alimenter la balise au sol afin qu'elle puisse fonctionner. Il doit permettre également de réaliser une localisation précise du train grâce aux éléments fournis par la balise B puis de transmettre cette information à un système calculateur embarqué et de venir interroger la balise sur son identification, et de transmettre cet identifiant au système calculateur embarqué. 30 Le système de recalage doit permettre de prendre régulièrement une référence fixe au sol quand un lecteur embarqué passe au-dessus d'une balise fixe. Cette balise est repérée géographiquement de manière précise, ce qui permet le recalage du train par rapport à la balise. Une façon de réaliser un top de localisation est de détecter un 35 changement de phase au moment du passage du lecteur L au-dessus de la balise B. Le lecteur L comporte un récepteur ayant une première et une seconde antennes 3 et 4 permettant la réception des signaux émis par la balise B. La balise B au sol émet un signal que le lecteur L va recevoir, une combinaison particulière des antennes 3, 4 du récepteur sur le lecteur L va permettre de détecter un changement de phase lors de son passage au dessus de la balise B. Le choix du domaine de fréquences à utiliser est à déterminer en fonction des différents critères de conditions d'utilisation et en fonction des io réglementations internationales d'utilisation des fréquences. Le mode de réalisation décrit ici met en oeuvre la fréquence 6,78 MHz. Les deux antennes 3 et 4 sont espacées d'une distance d suivant la direction de déplacement du lecteur L. Le choix de d a une influence sur la 15 précision du dispositif. Les antennes 3 et 4 sont formées par des enroulements autour de barreaux de ferrite horizontaux, orthogonaux à la direction de déplacement du lecteur L. Chaque antenne comporte au moins deux enroulements séparés. Les enroulements 5 et 6 de l'antenne 3 sont disposés en opposition 20 de phase des enroulements 7 et 8 de l'antenne 4 comme on peut le voir Fig. 2. Le signal issu de l'enroulement 5 est appelé a et le signal issu de l'enroulement 7 est appelé b. Le signal a est illustré Fig. 4 et le signal b est similaire au signal a mais comporte un déphasage de Tr par rapport au signal a. Les branchements des enroulements 5, 6, 7, 8 sont illustrés Fig. 2. 25 L'enroulement 5 de l'antenne 3 comporte le même nombre de spires, mais est en opposition de phase par rapport à l'enroulement 7 de l'antenne 4. Les enroulements 5, 7 sont reliés entre eux à une de leurs extrémités, de telle sorte que l'on obtienne entre les deux autres extrémités des enroulements 5, 7 un signal égal à la différence a-b. 30 L'enroulement 6 de l'antenne 3 est en général identique (même nombre de spires, même sens d'enroulement) que l'enroulement 5 de sorte qu'aux bornes de l'enroulement 6, on obtient le signal a. Toutefois, comme il importe surtout d'obtenir le signe correct du signal aux bornes de l'enroulement 6, il suffit que cet enroulement soit de même phase que l'enroulement 5, alors 35 que son nombre de spires pourrait être différent. Des remarques analogues s'appliquent aux enroulements 8 et 7. Les signaux a, a-b et b sont introduits dans des dispositifs de traitement comprenant des filtres 10 et des amplificateurs 11, 12 afin d'obtenir des signaux de forme carrée, exploitables avec des circuits logiques. Avec les deux antennes 3, 4 espacées d'une distance d : - lorsque la balise B est située à gauche, proche de la première antenne 3, le premier signal a issu de la première antenne 3 sera grand devant le second signal b issu de la seconde antenne 4 et les signaux a et a-b seront en phase, comme illustrés sur Fig. 4 et 5, alors que les signaux b et a-b seront to en opposition de phase, c'est-à-dire qu'il existe un décalage de 180° entre eux, lorsque la balise B sera exactement au centre des antennes, le signal a-b sera nul, un changement de phase se produisant, lorsque la balise B sera situé à droite, proche de la seconde 15 antenne, un changement de phase se sera produit, a et a-b seront en opposition de phase et b et a-b seront en phase. Le signal a-b comporte donc deux portions notées respectivement (a-b)i ou (a-b)2 . En effet selon Fig. 1, lorsque le lecteur L est à gauche de la balise B alors (a-b)=(a-b)i tandis que lorsque le lecteur L est à droite de la 20 balise B (a-b)=(a-b)2. Après avoir été traités de la sorte, les signaux sont amenés en entrée de deux portes logiques 13 du type � ou exclusif � appelé également XOR et noté �. Les signaux SI et S2 issus de ces portes logiques 13 sont 25 illustrés Fig. 6 et 7 avec une plus petite échelle de temps en abscisse. Le signal S1=a O+ (a-b) est illustré Fig. 6 et le signal S2=b (a-b) est illustré Fig. 7. Pour illustrer la différence d'échelle de temps en abscisse entre Fig. 4 et 5 d'un côté et Fig. 6 et 7 de l'autre, on peut noter que la fréquence du signala étant de 6,78 MHz, sa période est de l'ordre de 0.15 ps tandis que 30 l'intervalle de temps zcom, visible Fig. 6 et 7 a une durée d'environ 10 ms lorsque le train roule à 200km/h Le fonctionnement est le suivant. La balise B au sol émet un signal que le lecteur L va recevoir. La combinaison particulière des antennes 3, 4 sur le lecteur L va permettre au 35 lecteur L de détecter un changement de phase lors de son passage au-dessus de la balise B. L'utilisation des signaux SI et S2 (Fig. 6 et 7) permet de mettre en valeur le changement de phase et d'obtenir un top de localisation au moment précis du passage du lecteur au-dessus de la balise. La zone zcom, définie par l'intervalle entre le front montant de S2 et le front descendant de S1, est la zone permettant une communication entre la balise B et le lecteur L. A l'extérieur de la zone zcom, les signaux a, b, S1, S2 sont nuls car la communication n'est plus possible entre la balise B et le lecteur L. Le front montant de S1 et le front descendant de S2 indiquent le changement de phase et donc le passage du lecteur au dessus de la balise B. Ces fronts io doivent donc être confondus. Cela permet une redondance et une meilleure sécurité. Les signaux S1 et S2 peuvent être traités par un dispositif numérique matériel et/ou logiciel dans le lecteur, ou par un calculateur à l'extérieur du lecteur L. Ces dispositifs disposent de deux informations pour déterminer le 15 passage du lecteur au dessus de la balise. De plus les signaux Si et S2 donnent une information sur le sens de déplacement du mobile. Pour d=16 cm et h= 25 cm on estime l'erreur sur la position du train à 1 cm indépendamment de la vitesse du train. Une autre façon, non illustrée dans les figures, de réaliser un top de 20 localisation serait de faire émettre la balise au sol avec une fréquence connue et détecter la puissance reçue à cette même fréquence avec le lecteur embarqué. Lors du passage du lecteur au-dessus de la balise, la puissance du signal reçu par l'antenne va varier avec la distance par rapport à la balise. En 25 effet, l'atténuation du signal émis par la balise est proportionnelle à 1/E3, E étant la distance entre l'antenne de l'émetteur de la balise et l'antenne du récepteur lecteur. La puissance en fonction de x, distance au sol entre les antennes de la balise et du lecteur, donne un maximum lorsque le lecteur est au-dessus de 30 la balise. En variante, la mise en oeuvre de la localisation au lieu d'être assurée par changement de phase, peut être assurée par maximum de champ reçu avec un détecteur de crête. Le moment de la détection du maximum correspond au passage du lecteur au-dessus de la balise. 35 La précision de détection du maximum de champ, donc la précision de la localisation de la balise par le lecteur, va dépendre de la vitesse du train et du temps de réaction que pourra avoir l'électronique de détection. 2928602 s Quand le lecteur sous le train passe au-dessus de la balise au sol, le signal présente un maximum. Pour déterminer le moment de ce maximum, il suffit donc de détecter le moment où le signal va commencer à diminuer. Cette fonction peut être implémentée de manière analogique ou 5 numérique. Pour des problèmes liés à la sécurité du système, la réalisation se fera de manière analogique. Cette fonction peut être réalisée avec un détecteur de crête et un comparateur. Le comparateur compare le signal crête mémorisé par le détecteur crête et le signal Ve directement issu de l'antenne. Dès que Ve commence à diminuer le comparateur donnera le signal de basculement to correspondant au top de localisation du passage au-dessus de la balise. De manière classique un détecteur de crête est constitué d'un redresseur, d'une capacité et d'un switch de remise à zéro. Afin de ne pas provoquer le déclenchement du comparateur de manière intempestive, il faut prévoir un lissage du signal en entrée et une is légère atténuation sur le signal à redresser. De cette façon, le temps de réaction de l'électronique est fonction du temps de lissage et de la précision des composants utilisés. La tension Ve issue de la détection réalisée après antenne est, selon la distance entre les antennes de la balise et du lecteur, comprise entre 20 quelques centaines de mV et quelques V. Avec un tel système, compte tenu de la précision des tensions et du temps de lissage, la détection du maximum se fera avec un retard correspondant à un décalage de l'ordre de 7 cm avec une vitesse de passage de 200 km/h. Cette valeur constitue la précision de localisation du système 25 dans le cas d'une localisation par détection du maximum de champ. Il faut noter que le décalage de localisation dû à la précision des tensions n'est pas fonction de la vitesse du train, alors que le décalage engendré par le temps de lissage est directement proportionnel à la vitesse du train. 30 La précision du top de localisation pourrait être améliorée car une partie de l'erreur est systématique, et peut faire l'objet d'un calibrage. Ceci amènerait à une précision de l'ordre de 2 à 3 cm. REVENDICATIONS 1. Dispositif (D) de communication, entre un élément mobile et un élément fixe, comprenant : un lecteur (L) à champ électromagnétique comprenant un émetteur avec une antenne émettrice et un récepteur avec une première antenne mis en place dans un boîtier (1), et une balise (B) comprenant un récepteur apte à recevoir un signal en provenance de l'émetteur du lecteur (L) pour fournir de l'énergie à un émetteur apte à envoyer un signal reçu par le récepteur du lecteur (L), caractérisé en ce que le récepteur du lecteur (L) comprend au moins une deuxième antenne et des moyens de comparaison de signal aptes à comparer le signal reçu par la première antenne (3) du récepteur avec le signal reçu par la deuxième antenne (4) pour déterminer le moment ou le lecteur (L) passe à la verticale de la balise (B). 2. Dispositif (D) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de comparaison utilisent les phases des signaux reçus par les première et deuxième antennes. 3. Dispositif (D) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chacune des première (3) et deuxième (4) antennes comporte deux enroulements (5, 6, 7, 8). 25 4. Dispositif (D) selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour chacune des première et deuxième antennes (3, 4), l'un des enroulements (6, 8) est utilisé pour déterminer la phase du signal recueilli par l'antenne correspondante. 30 5. Dispositif (D) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que pour chacune des première et deuxième antennes, l'un des enroulements est utilisé pour recevoir un signal, une ou plusieurs opérations arithmétiques étant ensuite réalisée(s) sur l'un au moins des signaux obtenus. 35 6. Dispositif (D) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de comparaison utilisent les amplitudes des signaux reçus par les première et deuxième antennes. 15 7. Dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le lecteur (L) est embarqué dans l'élément mobile et la balise (B) est fixe. 8. Dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et deuxième antennes sont identiques. 9. Dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications précédentes, to caractérisé en ce que les première et deuxième antennes sont disposées symétriquement de part et d'autre de l'antenne émettrice. 10. Dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur du lecteur (L) émet de manière continue. 11. Dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les antennes de la balise sont disposées orthogonalement au sens de déplacement de l'élément mobile. 20 12. Lecteur (L) à champ électromagnétique apte à être utilisé dans un dispositif (D) selon l'une des revendications 1 à 12.5