Brevet FR2929015A1 — publié le 20090925

RESEAU ET PROCEDE DE CALCUL DE CORRECTIONS IONOSPHERIQUES Le domaine de l'invention concerne les systèmes de navigation par satellite et plus particulièrement un réseau et un procédé de calcul de corrections ionosphériques. On entend ici par � système de navigation par satellite � tout système dédié à la navigation large zone, comme par exemple les systèmes ~o existants GNSS (� Global Navigation Satellite System �) appelés GPS, GLONASS ou le futur système GALILEO, ainsi que tous leurs équivalents et dérivés. L'homme de métier connaît bien le principe de localisation des systèmes de navigation par satellite. Le signal radiofréquence émis par un satellite est codé et on utilise le temps mis par ce signal pour atteindre le 15 récepteur à localiser pour déterminer la distance entre ce satellite et ce récepteur, de préférence appelée pseudo-distance. La précision des systèmes de navigation par satellite est affectée par un certain nombre d'erreurs. Ces erreurs peuvent se décliner en deux catégories : les contributions globales et les contributions locales. On peut citer pour les 20 contributions globales, les erreurs liées au passage des ondes électromagnétiques dans l'ionosphère et les erreurs liées aux satellites (erreurs d'orbite et erreurs d'horloge). Pour les contributions locales, on peut citer les erreurs liées au passage des ondes électromagnétiques dans la troposphère, les erreurs de réflexion des signaux, les erreurs liées aux 25 interférences, les erreurs dû aux zones blanches et le bruit des récepteurs. Afin d'améliorer les systèmes satellitaires existants en terme de précision, d'intégrité, de continuité et de disponibilité, des systèmes ont été prévus, connus dans le domaine spatial sous l'appellation � système d'augmentation �. Le système satellitaire d'augmentation européen EGNOS 30 améliore la performance des deux systèmes satellitaires GPS et GLONASS. Il transmet des corrections de pseudo-distances afin de corriger les erreurs citées ci-dessus. L'invention se destine à corriger plus particulièrement les erreurs ionosphériques. Pour rappel, la densité de l'air qui constitue l'atmosphère décroît au fur et à mesure que l'on s'écarte de la surface terrestre. A l'altitude ionosphérique, les rayons cosmiques et solaires ne sont plus filtrés. Ces rayons (ultraviolets et X) sont plus agressifs et arrachent les électrons des atomes constituant l'air, c'est ce qu'on appelle la ionisation. L'indice de réfraction est alors altéré, et a alors pour conséquence la variation de la vitesse de propagation des signaux traversant la couche ionosphériques. Etant donné que le délai est calculé en supposant une vitesse de 1 o propagation des signaux de navigation à la vitesse de la lumière, le passage au travers de la couche ionosphérique entraîne une mesure de pseudodistance erronée dû à un retard dans la mesure des codes de navigation ou à une accélération dans les mesures de la phase. Afin d'obtenir une meilleure précision dans le calcul des positions, il est nécessaire d'estimer 15 l'erreur ionosphérique qui de plus peut varier tout au long d'une journée. La figure 1 décrit une architecture de système de navigation satellitaire, connue de l'homme du métier, comportant un système GNSS de positionnement et un système d'augmentation SBAS (� Satellite Based Augmentation System �). Les aéronefs 4 embarquent des récepteurs reliés 20 aux systèmes d'augmentation. EGNOS est un système de type SBAS comportant dans un segment sol 300 une infrastructure constituée d'une pluralité de stations sol � SBAS G � et dans un segment spatial 100 une pluralité de satellites géostationnaires � SBAS S �. Le segment sol comprend une pluralité de stations sol réparties sur une large zone 25 géographique, qui reçoivent les données des satellites GNSS et déterminent les pseudo-distances, et une station centrale 1 de contrôle et de traitement, qui à partir des pseudo-distances émises par les stations de réceptions � SBAS G �, détermine les corrections qui sont regroupées dans un signal 10. Les satellites géostationnaires � SBAS S � relaient ce signal 10 de la 30 station centrale 1 vers les récepteurs des aéronefs 4. La station de calcul 1 compile les données de corrections ionosphériques pour calculer une grille 96 de corrections ionosphériques 91 à 94 comme illustrée par la figuré 2. Lorsque les signaux de navigation traversent la couche ionosphérique les stations sol � SBAS G � déterminent des points de percement correspondant à la ligne de vue satellite - stations sols. L'ensemble du territoire couvert par les stations sol est ainsi échantillonné de points de percement auxquels correspondent les mesures de délais ionosphériques. Lorsqu'un point est voisin de points de la grille de corrections ionosphériques, la valeur de délai ionosphérique 95 est déterminée en extrapolant les valeurs 91 à 94 des points de percement voisins. La couverture et la finesse de la grille 96 de corrections ionosphériques sont fonction proportionnelle de celles du réseau de stations sol et de satellites. Ces systèmes satellitaires classiques (GNSS et SBAS) présentent plusieurs problèmes. Un premier problème est la couverture de la zone. En effet, la couverture de la grille de corrections ionosphériques dépend de la répartition des stations sol qui ne peuvent être déployées que sur des zones terrestres faciles d'accès. Au-delà de ces limites, comme par exemple au dessus des zones maritimes ou montagneuses, le système de navigation présente une dégradation des performances. Un second problème est le nombre d'échantillons pour calculer la grille de corrections. Plus on a de données de mesure de délais et plus les corrections sont précises. Or, ce nombre de mesure est directement lié au nombre de satellites et au nombre de stations sol dont le coût est élevé (en raison également de la maintenance et les flux de communication des données en temps réel par exemple). Un troisième problème est la qualité des mesures. Les mesures réalisées par les stations sol sont affectées par des contributions d'erreurs locales comme les problèmes de réflexions, les interférences et la troposphère par exemple. On connaît dans l'art antérieur le brevet US 6,674,398B2 qui décrit une invention utilisant des récepteurs mobiles pour mesurer les délais ionosphériques. Ces mesures sont ensuite envoyées directement au segment spatial qui relaie ces données à un système de calcul au niveau du segment sol pour les compiler et calculer une grille de corrections ionosphériques. Cependant, cette invention nécessite de créer et de disposer d'un lien dédié utilisateur vers le segment spatial, et laisse la possibilité d'utiliser des utilisateurs non aéronautiques et donc non dignes de confiance pour un service aéronautique. Plus précisément, l'invention concerne un réseau permettant de calculer et de fournir des corrections ionosphériques aux utilisateurs d'un système de navigation par satellite dont la caractéristique essentielle est de comporter un segment aéronautique, comprenant un segment utilisateur aéronautique composé d'une pluralité d'aéronefs embarquant chacun un récepteur RF capable de mesurer des délais des signaux de navigation émis par les satellites et un moyen de communication aéronautique de données entre la pluralité d'aéronefs et le segment sol pour transmettre les dites mesures de délais vers le segment sol, et un segment sol comportant des moyens de réception de mesures de délais utilisées pour le calcul de la grille de corrections ionosphériques, les mesures de délais provenant de la pluralité d'aéronefs et de la pluralité de stations sol. L'invention est avantageuse dans le sens où elle réalise un réseau de corrections ionosphériques d'un système de navigation par satellite en utilisant l'architecture d'un système de communication satellitaire et des composantes déjà existantes de mesure et de communication issues du domaine de l'aéronautique. L'invention bénéficie de la fiabilité et des exigences de qualité de service des réseaux aéronautiques. En effet, les transmissions satellites ne présentent pas le même niveau d'intégrité que les transmissions conçues dans le domaine aéronautique. Les récepteurs utilisateurs aéronautiques sont eux aussi dignes de confiance. L'invention permet de disposer d'une architecture de communication de corrections ionosphériques présentant une fiabilité accrue par rapport aux solutions antérieures qui se cantonnent à une architecture de communication satellitaire. De plus il n'est pas nécessaire de disposer de liens dédiés vers le satellite car on réutilise des liens de communication de l'avion vers le segment sol qui sont déjà conçus pour tenir compte du nombre d'avions. Les mesures sont également réalisées au niveau du segment aéronautique, donc non affectées des contributions d'erreurs locales. Les corrections ainsi calculées par le système de calcul sont plus précises. L'invention se destine, comme illustrée par la figure 2, à fournir des données de corrections ionosphériques 91 à 95 plus précises et dont la couverture géographique 96 est plus étendue et possède un échantillonnage plus fin. Le nombre de mesures de délais ionosphériques est proportionnel à la densité du nombre d'aéronefs 2 en vol, par conséquent on dispose d'une grille de corrections ionosphériques 96 plus dense et ainsi plus précise. L'invention permet de détecter des petites perturbations ionosphériques car l'échantillonnage de la grille 96 de corrections ionosphériques est plus fin. Un réseau de calcul de corrections ionosphériques selon l'invention dispose d'un potentiel de mesures bien plus élevé que les besoins, ainsi il est possible de réduire le nombre de stations sol � SBAS G � et donc de réduire les coûts du système satellitaire d'augmentation de type SBAS. De plus, le réseau de calcul de corrections ionosphériques réalise les mesures à partir d'aéronefs et n'est donc plus limité en couverture par les zones maritimes ou les zones montagneuses. II n'y aura alors plus de dégradation de performance en bordure de ces zones. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 25 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente une architecture de système satellitaire selon l'art antérieur. La figure 2 représente une zone de grille de corrections 30 ionosphériques calculée par un système de calcul du segment sol. La figure 6 2 illustre la manière de calculer par extrapolation des corrections ionosphériques pour tout point de l'espace. La figure 3 représente un réseau selon l'invention permettant de calculer et de fournir aux utilisateurs des corrections ionosphériques dont 5 l'architecture comporte un segment spatial et un segment aéronautique. L'invention décrite ci-dessous, comme illustrée par la figure 3, se rapporte à un réseau de calcul et de transmission de corrections ionosphériques pour un système de navigation par satellite. II est clair qu'elle 10 s'applique à tout système de navigation par satellite GNSS, comme par exemple le système � GPS � ou le futur système de navigation � Galileo �, utilisant un système d'augmentation SBAS permettant de fournir des données de correction, comme par exemple le système � EGNOS � ou � WAAS �. Une caractéristique essentielle de l'invention est de comprendre 15 dans l'architecture du réseau de calcul de données ionosphériques un segment aéronautique 200 comprenant un segment utilisateur constitué d'aéronefs 2 mesurant des délais ionosphériques et communiquant ces mesures vers le segment sol 300 avec des moyens de transmission 5 conçus avec des exigences aéronautiques. Ces moyens de mesures 21 et 20 de transmission 5 offrent une fiabilité et une qualité de service accrue par rapport un réseau classique uniquement satellitaire et permettent d'obtenir un nombre de mesures de délais ionosphériques 91 à 94 plus élevé que dans un réseau classique. Le segment spatial 100 est constitué d'une pluralité de satellites 25 GNSS émettant des signaux de navigation 7 et 8 à des fréquences distinctes. Par exemple le système GNSS Galileo pourra émettre sur des fréquences L1 (1563-1587 Mhz), E5a (1164-1189 Mhz) et E5b (1189-1214 Mhz) pour les utilisateurs aéronautiques. Le segment spatial 100 est également constitué de satellite � SBAS S � émettant des signaux 6 3o transmettant des données de corrections de localisation vers des utilisateurs aéronautiques, comme les aéronefs 4 et 2, ou non aéronautiques comme par exemple les véhicules automobiles ou maritimes. Les moyens de mesures 21 embarqués dans les aéronefs sont des récepteurs radiofréquence (RF) capables de recevoir des signaux de navigation 7 et 8 de fréquences distinctes comme citées ci-dessus. Ces récepteurs RF 21 sont capables, par la méthode de calcul connue de l'homme du métier, de mesurer des délais des signaux de navigation traversant la couche ionosphérique à des altitudes élevées, évitant ainsi les contributions d'erreurs locales, comme citées précédemment, et par conséquent fournissant des mesures plus précises. Les moyens de transmission 5 utilisent des moyens, connus de l'homme du i o métier du domaine de l'aéronautique, de communication haute fréquence entre les aéronefs 2 et le segment sol 300. Le segment sol comporte des moyens, non représentés sur la figure 3, de centralisation et de sélection des sources de mesures de délais ionosphériques utilisés pour le calcul de la grille de corrections 15 ionosphériques, les mesures de délais provenant de la pluralité d'aéronefs 2 et de la pluralité de stations sol � SBAS G �. Les mesures provenant d'aéronefs 2 pouvant être potentiellement nombreuses, la station de calcul 1 dispose d'une fonction de sélection des sources les plus pertinentes pour le calcul de la grille de correction ionosphériques. Le système de calcul 1 20 compile des mesures de délais 91 à 94 provenant majoritairement d'une pluralité d'aéronefs 2. Le segment sol comporte également des moyens de transmission 3 de données 10 de la grille de corrections ionosphériques 96 vers le segment spatial 100. Avantageusement, le procédé permettant de calculer et de fournir 25 des données de corrections ionosphériques 91 à 95 aux utilisateurs d'un système de navigation par satellite réalise les étapes suivantes : - Mesure de délais 91 à 94 au niveau du segment utilisateur aéronautique et au niveau du segment sol SBAS G, - Emission des délais mesurés par la pluralité d'aéronefs, la 30 transmission des données étant réalisée par un réseau de communication aéronautique 5 vers le segment sol 300, - Calcul d'une grille de corrections ionosphériques 96 en compilant des données provenant majoritairement des mesures réalisées au niveau du segment utilisateur aéronautique 200, - Emission vers le segment spatial 100 des données 91 à 95 de 5 la grille de corrections ionosphériques 96. Avantageusement, les mesures de délais au niveau du segment utilisateur aéronautique sont réalisées en temps réel et en continu pendant la phase de vol des aéronefs 2. L'invention permet d'échantillonner la couche ionosphérique en temps réel en divers zones géographiques et à différents 10 moments d'une journée. Pour fournir aux utilisateurs des corrections ionosphériques pertinentes, l'ensemble des étapes du procédé est réalisée en temps réel et en continu. Avantageusement, le système de calcul 1 du segment sol 300 comporte des moyens de sélection des sources de mesures de délais de 15 façon qu'il utilise les sources de mesure les plus pertinentes pour le calcul de la grille de corrections ionosphériques 96. En effet, la flotte d'aéronefs 2 en vol peut fournir un nombre de mesures supérieur aux besoins. Avantageusement, lorsque le nombre de mesures de délai provenant du segment utilisateur aéronautique devient inférieur à un seuil 20 minimum, par exemple dans le cas peu probable d'un arrêt complet du réseau aéronautique, le système de calcul sélectionne des mesures de délais provenant des stations sol. Par mesure de sécurité, un nombre minimal de station sol � SBAS G � sont maintenues en service pour garantir un nombre minimum de mesures de délais. 25 Avantageusement, les aéronefs 2 du segment utilisateur 200 comportent également un moyen de réception d'une indication de fiabilité de fonctionnement du récepteur RF 21 et le système de calcul 1 du segment sol 300 comporte un moyen d'évaluation de fiabilité des récepteurs RF 21 mesurant des délais et un moyen de transmission d'une indication de fiabilité 30 desdits récepteurs RF 21 vers les aéronefs 2 du segment utilisateur 200. Dans le calcul de la grille de corrections ionosphériques 96, la station sol est capable de déterminer une valeur incohérente par rapport aux valeurs voisines. Par exemple, si on détecte une valeur élevée et isolée de délai ionosphérique dans une zone géographique présentant des valeurs plutôt faible, on peut en déduire que la mesure est fausse et que le récepteur RF 21 de l'aéronef en question présente probablement un disfonctionnement. Avantageusement, le système de calcul 1 émet alors, vers la pluralité d'aéronefs embarquant un récepteur RF capable de mesurer des délais, une indication de fiabilité de leur récepteur RF. L'invention permet de mettre en place un système coopératif entre le segment utilisateur aéronautique du système de navigation et l'organisme de contrôle du système de navigation par satellite. En contrepartie d'un accès aux mesures de délais réalisées à bord des aéronefs, l'organisme de contrôle peut fournir une indication de fiabilité du récepteur RF à bord de l'aéronef.15 REVENDICATIONS 1. Réseau permettant de calculer et de fournir des corrections ionosphériques aux utilisateurs d'un système de navigation par satellite et comportant : un segment spatial (100) constitué d'une pluralité de satellites (GNSS, SBAS S) émettant des signaux de navigation (7, 8) à des fréquences distinctes et des données de corrections de localisation 91-95) vers un segment utilisateur, un segment sol comportant un système de calcul (1) et des moyens de transmission (3) de données vers le segment spatial (100) de façon que le système de calcul (1) compile des mesures de délai ionosphérique provenant d'une pluralité de stations sol (SBAS G) pour calculer une grille (96) de corrections ionosphériques (91-95) et que les moyens de transmissions (3) émettent la grille de corrections ionosphériques (96) vers le segment spatial (100), caractérisé en ce que le réseau comporte également : un segment aéronautique (200) comprenant un segment utilisateur aéronautique composé d'une pluralité d'aéronefs (2) embarquant chacun un récepteur RF (21) capable de mesurer des délais des signaux de navigation émis par les satellites (GNSS) et un moyen de communication aéronautique (5) de données entre la pluralité d'aéronefs (2) et le segment sol (300) pour transmettre les dites mesures de délais vers le segment sol (300), des moyens, au niveau du segment sol, de réception de mesures de délais utilisées pour le calcul de la grille (96), les mesures de délais provenant de la pluralité d'aéronefs (2) et de la pluralité de stations sol (SBAS G). 2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de calcul (1) du segment sol (300) comporte des moyens de 11 sélection des sources de mesures de délais de façon qu'il utilise les sources de mesure les plus pertinentes pour le calcul de la grille de corrections ionosphériques (96). 3. Réseau selon la revendication 2, caractérisé en ce que les aéronefs (2) du segment utilisateur comportent également un moyen de réception d'une indication de fiabilité de fonctionnement dudit récepteur RF. 4. Réseau selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système de calcul du segment sol comporte un moyen d'évaluation de fiabilité des récepteurs RF (21) mesurant des délais et un moyen de transmission d'une indication de fiabilité desdits récepteurs RF vers les aéronefs (2) du segment utilisateur. 5. Procédé permettant de calculer et de fournir des données de corrections ionosphériques aux utilisateurs d'un système de navigation par satellite, caractérisé en ce qu'il utilise un réseau selon la revendication 4 pour réaliser les étapes suivantes : Mesure de délais au niveau du segment utilisateur aéronautique et au niveau du segment sol (300), - Emission des délais mesurés par la pluralité d'aéronefs (2), la transmission des données étant réalisée par un réseau de communication aéronautique (5) vers le segment sol (300), Calcul d'une grille de corrections ionosphériques (96) en compilant des données provenant majoritairement des mesures réalisées au niveau du segment utilisateur aéronautique, -Emission vers le segment spatial (100) des données (91-95) de la grille (96) de corrections ionosphériques. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les étapes sont réalisées en temps réel et en continu. 12 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour calculer la grille (96) de corrections ionosphériques, lorsque le nombre de mesures de délais provenant du segment utilisateur aéronautique devient inférieur à un seuil minimum, le système de calcul sélectionne des mesures de délais provenant des stations sol (SBAS G). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système de calcul (1) émet, vers la pluralité d'aéronefs embarquant un io récepteur RF (21) capable de mesurer des délais, une indication de fiabilité de leur récepteur RF (21).