Brevet FR2927704A1 — publié le 20090821

La présente invention a pour objet un système de positionnement terrestre permettant à un utilisateur de connaître sa position et son orientation dans un lieu opaque aux signaux émis par les systèmes connus de navigation par satellites. On sait que les systèmes de navigation par satellites permettent généralement à un utilisateur terrestre de déterminer sa position et, éventuellement, son altitude. Toutefois, lorsque l'utilisateur se trouve dans certains lieux, tels que souterrains, tunnels, bâtiments, forêts denses, etc ..., il peut se faire 1 o que les signaux émis par lesdits systèmes de navigation par satellites ne puissent atteindre ledit utilisateur, qui, de ce fait, ne peut connaître ni sa position, ni son orientation. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient. A cette fin, selon l'invention, le système pour le positionnement 15 terrestre d'un utilisateur dans un lieu dans lequel les signaux émis par les systèmes de navigation par satellites ne peuvent être reçus, est remarquable en ce qu'il comporte : au moins trois balises, disposées autour dudit lieu, à l'extérieur de celui-ci, et aptes à émettre des signaux radioélectriques comportant des in- 20 formations sur leurs positions terrestres respectives, la longueur d'onde de transmission de chaque balise étant au moins décamétrique ; et au moins un équipement associé audit utilisateur et comportant au moins : des moyens de réception aptes à recevoir lesdits signaux 25 radioélectriques émis par lesdites balises, 2 • des moyens de calcul aptes à calculer, à partir desdits signaux radioélectriques émis par lesdites balises, la position et l'orientation terrestres dudit équipement, et • des moyens d'indication aptes à faire connaître audit utilisateur la position et l'orientation terrestres dudit équipement ainsi calculées. La présente invention est basée sur l'observation que la cause de l'opacité desdits lieux aux signaux émis par les systèmes de navigation par satellites réside dans la faible longueur d'onde (de l'ordre de 20 cm) desdits signaux. Au contraire, selon l'invention, on met en oeuvre des Ion- 1 o gueurs d'onde importantes, au moins décamétriques et, de préférence, hectométriques et même kilométriques, aptes à transmettre les informations de positions des balises à l'intérieur desdits lieux opaques aux micro ondes des signaux des systèmes de navigation par satellites. A partir des informations reçues desdites balises, les moyens de 15 calcul sont aptes, par des méthodes de calcul connues, à déterminer la position et l'orientation dudit équipement (c'est-à-dire dudit utilisateur) par rapport auxdites balises et, par suite, la position et l'orientation terrestres dudit équipement. Les longueurs d'ondes d'émission desdites balises peuvent être 20 différentes les unes des autres, chaque longueur d'onde étant spécifique à une balise. Dans ce cas, lesdits moyens de réception peuvent identifier chaque balise par sa fréquence d'émission propre et lesdites balises peu-vent émettre simultanément. Au contraire, lesdites longueurs d'ondes d'émission desdites bali- 25 ses peuvent être identiques, lesdits signaux radioélectriques émis par les-dites balises comportant alors des codes d'identification spécifiques à chacune d'elles et identifiables par lesdits moyens de réception. Dans ce cas, lesdites balises doivent émettre alternativement. 3 Par ailleurs, lesdites balises peuvent comporter des moyens d'entrée, tels que par exemple un clavier, pour qu'un opérateur puisse leur communiquer lesdites informations sur leurs positions. Ces informations peuvent être relevées par ledit opérateur à l'aide d'une carte géographique ou d'indications données par un système de navigation par satellites. En variante, pour connaître leur positionnement et pouvoir engendrer lesdits signaux radioélectriques comportant des informations de position, lesdites balises peuvent comporter des moyens de réception et de traitement des signaux émis par un système de navigation par satellites. De préférence, chaque balise comporte des moyens de réception et de traitement aptes à écouter les signaux électriques émis par les autres balises. Dans ce cas, il est avantageux que la mise en fonctionnement du système selon l'invention se fasse à partir d'une balise-maître, installée en premier, le déclenchement des autres balises ayant lieu en cascade au fur et à mesure de leur installation. Ainsi, l'utilisateur peut connaître sa position et son orientation avant la fin du déploiement de toutes les balises du système. Par ailleurs, lesdits moyens de réception dudit équipement associé à l'utilisateur comportent au moins trois antennes, du type boucle, dont les plans ne sont pas coplanaires. De préférence, ces plans sont deux à deux orthogonaux. L'utilisateur du système selon l'invention peut être de toute nature, par exemple il peut être un robot ou un être humain. Dans ce deuxième cas, il est avantageux que lesdites antennes soient disposées sur un casque, apte à être porté par la tête dudit utilisateur. De plus, avantageusement, la totalité dudit équipement est en-fermé dans un boîtier portable par ledit utilisateur. Un tel boîtier peut être étanche afin de permettre une utilisation dans l'eau ou en présence d'un milieu agressif. 4 Il est avantageux que lesdits moyens d'indication soient aptes à représenter la position et l'orientation dudit utilisateur, humain ou non, sur une carte, un plan dudit lieu ou toute autre référence géographique analogue. On remarquera que ie système selon l'invention présente l'avantage de ne nécessiter aucun équipement, autre que celui associé à l'utilisateur, à l'intérieur dudit lieu. Sa mise en oeuvre peut donc être particulièrement discrète. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue en plan schématique montrant une pluralité de balises disposées autour d'un lieu opaque aux signaux des systèmes de navigation par satellites. La figure 2 montre le schéma synoptique d'un exemple de balise mis en oeuvre par l'invention. Les figures 3 et 4 sont des vues, respectivement de côté et du dessus, d'un casque équipé d'antennes de réception du type boucle. La figure 5 montre le schéma synoptique d'un exemple d'équipe-ment associé audit utilisateur et adapté au casque des figures 3 et 4. Les figures 6 et 7 sont des vues, respectivement semblables aux figures 3 et 4, d'une variante de casque utilisable par la présente invention. Sur la figure 1, on a représenté un utilisateur 1 (par exemple un opérateur humain) se trouvant dans un lieu 2 (par exemple un bâtiment, une forêt, un ouvrage souterrain, etc ...) à l'intérieur duquel les signaux émis par un système de navigation par satellites ne peuvent être reçus. Autour dudit lieu 2, à l'extérieur de celui-ci, sont disposées une pluralité de balises 3, désignées respectivement par les références 3.1, 3.2, 3.3, ..., 3.n (n étant un nombre entier au moins égal à 3), aptes à émettre sur une porteuse de longueur d'onde au moins décamétrique, mais de préférence hectométrique ou kilométrique. Dans l'exemple de réalisation 3 de la figure 2, chaque balise 3.1, 5 3.2, ..., 3.n comporte : û un émetteur 4 apte à émettre sur une telle longueur d'onde et pourvu d'une antenne émettrice 5, du type boucle magnétique, d'axe x-x ; ù des moyens 6 permettant d'entrer dans ledit émetteur 4 des informations sur la position terrestre de la balise 3.1, 3.2, ..., 3.n correspondante. De tels moyens 6 peuvent comprendre un équipement 6A recevant des signaux de position 7 d'un système de navigation par satellites et/ou un clavier 6B (ou tout autre moyen analogue) apte à entrer manuellement des informations de position, par exemple relevées sur une carte ; 15 ù un récepteur 8 permettant à chaque balise 3.1, 3.2, ... d'écouter les émissions des autres balises, grâce à une antenne réceptrice 9, égale-ment du type boucle magnétique ; et un processeur 10, recevant les signaux reçus par le récepteur 8 et pilotant l'émetteur 4. 20 Autour du lieu 2, les balises extérieures 3.1, 3.2, 3.3, ... sont dis-posées de façon que l'axe x-x de l'antenne 2 de chacune d'elles soit pointé vers ledit lieu 2. Ainsi, chaque balise peut, grâce à son émetteur 4 et à son antenne 5, adresser à l'utilisateur 1 se trouvant dans ledit lieu 2, un signal radioélectrique 11 constitué par une porteuse décamétrique, 25 hectométrique ou kilométrique modulée par les informations de sa propre position. Par ailleurs, par son antenne 9, chaque balise 3.1, 3.2, ... reçoit le signal radioélectrique émis par les autres balises : sur la figure 2, le signal ainsi reçu par une balise est symbolisé par la flèche 12. 6 Les porteuses des différentes balises 3.1, 3.2, ..., 3.n peuvent présenter des fréquences différentes, permettant de les identifier. Cependant, à des fins de simplification, toutes les balises utilisent de préférence la même fréquence de porteuse. Il est alors indispensable que l'émetteur 4 de chaque balise incorpore au signal radioélectrique 1 1 qu'il émet un code d'identification de la balise correspondante. Bien entendu, chaque émetteur 4 peut incorporer encore d'autres informations dans son signal radioélectrique 11. Dans le cas où les balises 3.1, 3.2, . transmettent toutes à la même fréquence, les processeurs 10 de chacune d'elles commandent l'émetteur 4 correspondant de façon que, à chaque instant, une seule desdites balises émette son signal radioélectrique 11. Par exemple, un mode de séquencement avantageux permettant un déploiement progressif des n balises 3.1, 3.2, 3.3 ... autour de la zone 2, tout en assurant un service à l'utilisateur 1 pendant ce déploiement, est le suivant (en considérant par exemple que n est égal à 7 et qu'un cycle de séquencement est divisé en n + 1 = 8 phases) : la première balise 3.1, installée autour de la zone 2 sert de maître pour initialiser la séquence : elle transmet son signal radioélectrique 1 1 pen- dant un huitième du temps, le répète pour occuper les 7 huitièmes du temps suivant et écoute pendant le dernier huitième du temps ; la deuxième balise 3.2 à être installée écoute la première balise 3.1 (signal radioélectrique 12), en déduit que son code est 2 et transmet son signal 1 1 pendant le silence de ladite première balise 3.1 : celle-ci ayant entendu la deuxième balise 3. 2 retarde sa reprise de transmission de 1 huitième de cycle et réduit également sa durée de transmission de 1 huitième de cycle ; la troisième balise 3.3 à être installée écoute la première balise 3.1, puis la deuxième balise 3.2, et en déduit que son code est 3 ; elle émet son 7.. DTD: signal radioélectrique 11, immédiatement après l'émission du signal 11 de la deuxième balise 3.2 ; la première balise 3.1, qui a écouté les balises 3.2 et 3.3 retarde sa reprise de transmission de 1 huitième de cycle et, de plus, réduit sa durée de transmission également de 1 huitième de cycle ; ù etc ... la séquence d'initialisation de chaque balise suivante 3.4 à 3.n se répétant jusqu'à l'installation de la dernière balise 3.n. Par ailleurs, comme représenté sur les figures 3, 4 et 5, l'utilisateur 1 est équipé de moyens de réception 20 aptes à recevoir les signaux 7o radioélectriques 11 émis par les balises 3.1 à 3.n, de moyens 21 de traitement desdits signaux reçus comportant des moyens de calcul 22 aptes à calculer, à partir desdits signaux, la position et l'orientation terrestres dudit équipement, et de moyens d'indication 23 aptes à faire connaître audit utilisateur la position et l'orientation terrestres dudit équipement. 15 De préférence, les moyens 20 à 23 sont réalisés de façon à être aisément portés par ledit utilisateur 1. Par exemple, les moyens 21, 22 et 23 sont incorporés dans un boîtier portable B, tandis que, comme représenté par la figure 3, les moyens de réception 20 permettant une réception directionnelle des signaux radioélectriques 11 émis par les balises 3.1 20 à 3.n comportent trois antennes 24, 25 et 26 incorporées dans un casque 27 apte à être porté par la tête de l'utilisateur 1. Les antennes 24, 25 et 26 sont du type boucle et elles sont dis-posées de façon que leurs axes X, Y et Z respectifs forment un système d'axes orthogonaux tridimensionnel servant de référentiel géométrique 25 pour l'utilisateur 1, c'est-à-dire que les plans desdites antennes sont deux à deux orthogonaux. Les moyens de traitement 21 comportent, pour chaque antenne 24, 25, 26 (voir la figure 4), un filtre passe-bande 28, un amplificateur 29 et un échantillonneur 30, réalisant le filtrage, l'amplification et l'échantil- 8 tonnage simultanés des signaux reçus des trois antennes 24, 25 et 26. Les moyens de traitement 21 comportent de plus un convertisseur analogique-digital 31 recevant les signaux issus des trois échantillonneurs 30 et les adressant aux moyens- de calcul 22. Ces derniers pilotent les trois échantillonneurs 30 et, selon le besoin, ajustent le gain des trois amplificateurs 29. A partir des signaux reçus des antennes 24, 25, 26, par l'intermédiaire des filtres 28, des amplificateurs 29, des échantillonneurs 30 et du convertisseur 31, les moyens de calcul 22 calculent, pour chaque balise 3.1 à 3.n (par des méthodes mathématiques connues) : û l'amplitude totale du signal reçu de ladite balise par les trois antennes ; et - les trois cosinus directeurs du signal reçu de ladite balise. Des résultats de ces calculs, effectués pour chaque balise, les moyens de calcul 22 calculent les angles apparents entre lesdites balises, puis (par la méthode connue des arcs capables) la position et l'orientation de l'utilisateur 1 par rapport aux balises 3.1 à 3.4. Les positions terrestres de ces dernières étant connues (par les moyens 6), les moyens de calcul 22 en déduisent les position et orientation terrestres dudit utilisateur 1. Ces dernières sont transmises aux moyens d'indication 23, qui peuvent comprendre un système d'affichage de cette position et de cette orientation sur une carte ou un plan dudit lieu 2. On notera que les calculs précédents se font sur la valeur instantanée des signaux 11 et sont donc indépendants de l'instant d'échantil- tonnage de ceux-ci. Cette propriété présente l'avantage de permettre de faire la sommation des signaux digitaux de toutes les voies, somme qui peut être ensuite utilisée comme mesure du signal total reçu et utilisé pour la commande automatique de gain, afin que le convertisseur analogique-digital 31 travaille dans sa zone linéaire. Le même signal somme est aussi 9 traité pour en extraire le message porté par la modulation de chaque balise, ce message comportant la position de la balise, son code d'identification et, éventuellement, des données auxiliaires pour les utilisateurs. Sur les figures 6 et 7, on a représenté un casque 40, analogue au casque 27, pourvu de quatre antennes boucles 41 à 44 disposées en tétraèdre. Dans ce cas, les calculs précédents doivent prendre en compte les angles entre lesdites antennes pour en déduire les directions des balises dans le référentiel géométrique de l'utilisateur. Un tel mode de réalisation à quatre antennes présente l'avantage que, quelle que soit la direction des balises, on est sûr de disposer d'au moins trois signaux non nuls, ce qui permet une excellente résolution des équations, même en présence de bruit électrique. On remarquera que la présente invention n'est pas limitée à la détermination de la position et de l'orientation d'un seul utilisateur 1 : au contraire, ce qui a été expliqué ci-dessus peut être appliqué à une pluralité d'utilisateurs 1 se trouvant dans le lieu 2. On a mentionné ci-dessus que l'un des avantages de la présente invention résidait dans le fait qu'elle n'exige aucun équipement préinstallé à l'intérieur du lieu 2, de sorte que sa mise en oeuvre peut être particuliè- rement discrète. Cependant, éventuellement, certains utilisateurs peuvent être eux-mêmes équipés d'un émetteur travaillant également à fréquence basse pour transmettre leur position calculée à partir des balises externes, agissant ainsi comme balise complémentaire et permettant de ce fait aux autres utilisateurs 1 d'inclure cette information dans le calcul de leur pro- pre positionnement. De plus, ces balises complémentaires peuvent être écoutées de l'extérieur pour connaître la position des porteurs de balise complémentaire. REVENDICATIONS 1. Système pour le positionnement terrestre d'un utilisateur (1) dans un lieu (2) dans lequel les signaux (7) émis par les systèmes de navigation par satellites ne peuvent être reçus, caractérisé en ce qu'il comporte : au moins trois balises (3), disposées autour dudit lieu (2), à l'extérieur de celui-ci, et aptes à émettre des signaux radioélectriques (Il) comportant des informations sur leurs positions terrestres respectives, la longueur d'onde de transmission de chaque balise (3) étant au moins 1 o décamétrique ; et au moins un équipement (20 à 30) associé audit utilisateur (1) et comportant au moins : • des moyens de réception (20, 24 à 30) aptes à recevoir lesdits signaux radioélectriques (11) émis par lesdites balises (3), 15 ^ des moyens de calcul (22) aptes à calculer, à partir desdits signaux radioélectriques émis par lesdites balises, la position et l'orientation terrestres dudit équipement (20 à 30), et • des moyens d'indication (23) aptes à faire connaître audit utilisateur (1) la position et l'orientation terrestres dudit équipement ainsi cal- 20 culées. 2. Système de positionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde de chaque balise (3) est au moins hectométrique. 3. Système de positionnement selon la revendication 2, 25 caractérisé en ce que la longueur d'onde de chaque balise (3) est kilométrique. 4. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 3, 11 caractérisé en ce que les longueurs d'onde desdites balises (3) sont différentes les unes des autres, chaque longueur d'onde étant spécifique à une balise (3). 5. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les longueurs d'ondes desdites balises (3) sont identiques et en ce que lesdits signaux radioélectriques (Il) émis par lesdites balises (3) comportent des codes d'identification spécifiques à chacune d'elles. 6. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites balises (3) comportent des moyens d'entrée (6B) pour leur communiquer les informations sur leurs positions respectives. 7. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites balises (3) comportent des moyens de réception et de traitement (6A) des signaux (7) émis par un système de navigation par satellites. 8. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque balise (3) comporte des moyens de réception et de traitement (8, 9) aptes à écouter lesdits signaux radioélectriques (11) émis par les autres balises (3). 9. Système de positionnement selon la revendication 8, caractérisé en ce que le déclenchement de l'émission desdites balises se produit en cascade à partir d'une balise-maître installée en premier. 10. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 9, 12 caractérisé en ce que lesdits moyens de réception dudit équipement (20 à 30) associé à l'utilisateur (1) comportent au moins trois antennes (24, 25, 26), du. type boucle, dont les plans ne sont pas coplanaires. 1 1 . Système de positionnement selon la revendication 10, caractérisé en ce que les plans desdites antennes (24, 25, 26) sont deux à deux orthogonaux. 12. Système de positionnement selon l'une des revendications 10 ou Il, destiné à un utilisateur humain, caractérisé en ce que lesdites antennes sont disposées sur un casque (27) 1 o apte à être porté par la tête dudit utilisateur. 13. Système de positionnement selon la revendication 12, caractérisé en ce que la totalité dudit équipement est enfermée dans un boîtier (B) portable par ledit utilisateur. 14. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 15 13, caractérisé en ce que lesdits moyens d'indication (23) représentent la position et l'orientation dudit utilisateur sur une carte, un plan dudit lieu (2) ou autre référence géographique analogue.