Brevet FR2955214A1 — publié le 20110715

Procédé de poursuite d'un satellite par une antenne montée sur un mobile en mouvement, dispositif et mobile correspondants La présente invention concerne un procédé de poursuite d'un satellite par une antenne montée sur un mobile en mouvement selon une trajectoire connue. Elle concerne également un dispositif et un mobile correspondants. L'invention s'applique en particulier à la réception d'un signal de communication de type Internet émis à partir d'un satellite géostationnaire, par une antenne directionnelle montée sur un mobile notamment un train, une automobile, un navire ou un avion. Lorsque le mobile est à l'arrêt, la réception de tels signaux par l'antenne s'effectue de la même manière que pour une antenne placée sur le toit d'une habitation. L'antenne est alors pointée vers le satellite géostationnaire selon une orientation fixe, lui permettant d'avoir un niveau de réception optimal du signal de communication. Cependant, lorsque le mobile se déplace, les mouvements du mobile entraînent une erreur de pointage de l'antenne qui résulte en une perte du signal de communication. Il est donc nécessaire de commander en permanence l'orientation de l'antenne pour qu'elle soit pointée correctement vers le satellite, afin de ne pas avoir de perte de communication. Classiquement, trois types de systèmes de poursuite de satellite par une antenne montée sur un mobile en mouvement sont connus. Le premier système est un système de commande en boucle ouverte, utilisant uniquement des capteurs déterminant en continu la position et l'attitude du mobile. Il est notamment utilisé pour les navires et les avions équipés avec un système de navigation de type NNSS (« Navy Navigation Satellite System » Système de Navigation par Satellite pour la Marine) et INS (« Inertial Navigation System » : Système de Navigation par Inertie). Le deuxième système connu est un système de commande à boucle fermée qui utilise un procédé de poursuite pas à pas « step track » ou un procédé dit « monopulse ». Le troisième système connu est un système hybride combinant un système à boucle ouverte avec un système à boucle fermée. Il est notamment utilisé pour les mobiles terrestres. Toutefois, ces systèmes de poursuite connus nécessitent l'utilisation de matériels spécifiques coûteux, les rendant ainsi inadaptés pour une utilisation à grande échelle dans des mobiles civils, notamment pour le transport de voyageurs. Le but de l'invention est d'offrir un procédé de poursuite d'un satellite géostationnaire par une antenne montée sur un mobile en mouvement qui soit peu coûteux. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de poursuite d'un satellite par une antenne montée sur un mobile en mouvement selon une trajectoire connue, ledit procédé comprenant une étape de commande de l'orientation de l'antenne, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape préalable d'établissement d'un modèle d'attitude du mobile le long de sa trajectoire ; et à chaque instant, tout au long du temps de trajet du mobile : - une étape de prédiction de l'attitude à un instant suivant du mobile à partir du modèle d'attitude ; et - une étape de correction de l'orientation de l'antenne à partir de l'attitude prédite du mobile à l'instant suivant. Selon d'autres aspects de l'invention, le procédé de poursuite d'un satellite comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'étape périodique de prédiction de l'attitude du mobile comprend : - une étape de prédiction des coordonnées géocentriques du mobile suivant ladite trajectoire connue; et - une étape d'estimation de l'attitude du mobile à un instant suivant à partir des coordonnées géocentriques prédites et du modèle d'attitude. - l'étape de prédiction des coordonnées géocentriques du mobile à un instant suivant (t+1) comprend : - une étape de mesure des coordonnées géocentriques du mobile à un instant courant (t); - une étape d'estimation de la vitesse instantanée du mobile ; et - une étape de calcul des coordonnées géocentriques du mobile à l'instant suivant (t+1) en fonction de la vitesse instantanée et de la position courante du mobile, - le modèle d'attitude établi comprend des modèles des roulis, tangage et lacet du mobile le long de sa trajectoire, - le modèle d'attitude établi comprend un modèle du lacet du mobile le long de sa trajectoire et l'étape de prédiction de l'attitude du mobile à un instant suivant comprend : - une étape de mesure de valeurs du roulis et du tangage du mobile à des instants précédents ; et - une étape d'extrapolation des valeurs du roulis et du tangage mesurées pour estimer les valeurs du roulis et du tangage à l'instant suivant, - le modèle d'attitude établi comprend un modèle du lacet du mobile le long de sa trajectoire, le roulis et le tangage du mobile étant supposés constants le long de sa trajectoire, et - le modèle d'attitude établi comprend un modèle du lacet du mobile le long de sa trajectoire, le roulis et le tangage du mobile étant mesurés en temps réel. L'invention concerne également un dispositif de poursuite d'un satellite par une antenne montée sur un mobile en mouvement selon une trajectoire connue, ledit dispositif comprenant des moyens de commande de l'orientation de l'antenne, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens d'établissement d'un modèle d'attitude du mobile le long de sa trajectoire ; - des moyens de prédiction, à chaque instant, de l'attitude à un instant suivant du mobile à partir du modèle d'attitude; et - des moyens de correction, à chaque instant, de l'orientation de l'antenne à partir de l'attitude prédite du mobile à l'instant suivant. Selon d'autres aspects de l'invention, le dispositif de poursuite d'un satellite comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - il comprend des moyens de mesure des coordonnées géocentriques du mobile, et - les moyens de mesure des coordonnées géocentriques du mobile comprennent un récepteur GPS, - les moyens de mesure des coordonnées géocentriques du mobile comprennent une carte géographique, - il comprend des moyens de mesure de l'attitude du mobile, et - les moyens de mesure de l'attitude du mobile comprennent une centrale inertielle. L'invention concerne enfin un mobile notamment un train, de préférence un train à grande vitesse (TGV), une automobile, un navire, un avion, caractérisé en ce qu'il comprend un tel dispositif de poursuite d'un satellite. Ainsi, l'invention permet de pallier les inconvénients des procédés de poursuite conventionnels en mettant en oeuvre un procédé fondé sur la prédiction périodique de l'attitude du mobile à l'aide d'un modèle préexistant sans nécessiter de matériel spécifique. On va maintenant décrire des exemples de réalisation de l'invention de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant la structure du dispositif de poursuite d'un satellite par une antenne selon l'invention ; - la figure 2 est un organigramme illustrant le fonctionnement du procédé de poursuite selon l'invention, et - les figures 3 à 5 sont des schémas illustrant l'étape de correction de l'orientation de l'antenne selon un mode de réalisation de l'invention. On a illustré sur la figure 1 un schéma synoptique d'un dispositif de poursuite d'un satellite 2 par une antenne directionnelle 4 montée sur un mobile 5 en mouvement (représenté sur les figures 3 et 4) selon une trajectoire connue déterminée. Le satellite 2 est un satellite géostationnaire émettant en permanence un signal radioélectrique 6, par exemple un signal internet. Une voie de retour est également prévue de sorte que l'antenne 4 émet vers le satellite un signal de retour radioélectrique 8. Les signaux 6 et 8 permettent ainsi la transmission de données entre un terminal d'un utilisateur voyageant à bord du mobile 5 et le satellite 2. Le mobile 5 sur lequel est montée l'antenne 4 est soit un train, notamment un train à grande vitesse (TGV), soit une automobile, notamment un car ou un bus de transport de voyageurs, un navire ou un avion. Ce mobile 5 se déplace suivant une trajectoire connue. L'antenne 4 est associée à des moyens de rotation 10 de l'antenne 4 suivant toutes les orientations. Ces moyens de rotation 10 de l'antenne 4 comprennent, de manière classique, des servomécanismes et des moteurs. Les moyens de rotation 10 sont commandés par des moyens de commande 12, de l'orientation de l'antenne. Les moyens de commande 12 de l'orientation de l'antenne comprennent des moyens de prédiction 14 de l'attitude du mobile 5 et des moyens de correction 16 de l'orientation de l'antenne 4 à partir de l'attitude prédite du mobile 5. Les moyens de prédiction 14 de l'attitude du mobile sont raccordés à des moyens de stockage 18 d'un modèle d'attitude du mobile 5 le long de sa trajectoire connue et à des moyens de positionnement 20 en temps réel du mobile 5. Les moyens de positionnement 20 en temps réel du mobile 5 comprennent, selon un mode de réalisation de l'invention, des moyens de mesure des coordonnées géocentriques du mobile 5 comprenant, à titre d'exemple, un récepteur GPS ou une carte géographique de grande précision. Le fonctionnement du procédé de poursuite de satellite selon l'invention est détaillé dans la suite de la description, en référence aux figures 2 à 5 pour le cas où l'antenne 4 est montée sur un train à grande vitesse (TGV). Le procédé comprend une étape préalable 30 d'établissement d'un modèle d'attitude du mobile 5 le long de sa trajectoire. L'attitude du mobile 5 est définie par les angles de roulis, tangage et lacet à chaque instant. L'angle de roulis (« roll » en anglais), désigné par la lettre cp est illustré à la figure 3. Il s'agit de l'angle dont tourne le mobile 5 autour de son axe longitudinal désigné par Xb. L'angle de tangage (« pitch » en anglais), désigné par la lettre 8 est illustré à la figure 4. Il s'agit de l'angle dont tourne le mobile 5 autour de son axe transversal désigné par yb. L'angle de lacet ou cap (« yaw» en anglais), désigné par la lettre ip, est illustré à la figure 5. Il s'agit de l'angle dont tourne le mobile 5 autour d'un axe vertical désigné par Zb. Selon un mode de réalisation de l'invention concernant notamment le cas du TGV, l'étape d'établissement 30 du modèle d'attitude est effectuée une fois à bord d'un TGV déterminé suivant une trajectoire connue. Cette étape 30 n'est donc pas réalisée sur tous les trains de la ligne TGV qui suit cette même trajectoire. Pour réaliser cette étape d'établissement 30 du modèle d'attitude, des mesures des angles cp, 8 et qi du TGV choisi sont effectuées, à l'aide d'une centrale inertielle, tout le long du trajet du TGV. Des mesures des coordonnées géocentriques X, Y, Z sont également effectuées à l'aide des moyens de positionnement en temps réel 20. Les résultats de ces mesures sont ensuite stockés au niveau des moyens de stockage 18 montés sur chaque train de la ligne TGV suivant cette même trajectoire. Ces résultats de mesure comprennent, à titre d'exemple, un tableau donnant les trois angles cp, 8 et qi le long de la trajectoire du TGV exprimée par les coordonnées géocentriques X, Y Z. En 34, les moyens de prédiction 14 disposent ainsi, à partir des résultats de mesure stockés dans les moyens de stockage 18 et de la position initiale du mobile 5 notée (Xo, Yo, Zo) en termes de coordonnées géocentriques, d'une prévision de la trajectoire totale (Xn, Yn, Zn) et l'attitude correspondante (9n, en, fin) pour n = 1, ..., N , N étant le temps du trajet du mobile 5, exprimé en secondes. Les résultats (Xn, Yn, Zn) et (cpn, en, 141n) pour n = 1, ..., N sont alors enregistrés dans les moyens de stockage 18. Lorsque le mobile 5 se met en mouvement, périodiquement, tout au long de son trajet, les moyens de prédiction 14 effectuent une prédiction de l'attitude du mobile 5 à partir des résultats (Xn, Yn, Zn) et (cpn, 8n, yJn) pour n = 1, ... N stockés dans les moyens de stockage 18. Pour cela, en 36, la prédiction de l'attitude du mobile 5 à un instant suivant t+1 comprend une étape de mesure des coordonnées géocentriques (X (t), Y (t), Z (t)) et (X(t-1), Y(t-1), Z(t-1)) à des instants courant (t) et précédent (t-1). A partir de ces coordonnées géocentriques aux instants courant et précédent, les moyens de prédiction 14 calculent la vitesse instantanée du mobile 5, ce qui permet de prévoir les coordonnées géocentriques (X(t+1), Y(t+1), Z(t+1)) à l'instant suivant du mobile 5 en fonction de la vitesse instantanée et de la position courante (X(t), Y(t), Z(t)) du mobile 5. Ensuite, les moyens de prédiction 14 estiment l'attitude du mobile à l'instant suivant (9(t+1), 4)(t+1), 8(t+1)) à partir des coordonnées géocentriques calculées (X(t+1), Y(t+1), Z(t+1)), et des résultats de mesure stockés dans les moyens de stockage 18 dans un temps inferieur d'une époque (c'est-à-dire une seconde). En 38 périodiquement à tout instant t+1, les moyens de correction 16 de l'orientation de l'antenne 4 corrigent les angles de roulis cp, de tangage 8 et de lacet qi respectivement en ordonnant aux moyens de commande 12 de l'orientation de l'antenne 4 de tourner autour de l'axe Xb en sens inverse de l'angle cp (t) estimé, de l'axe Yb en sens inverse de l'angle 8(t) estimé et autour de l'axe Zb en sens inverse de l'angle p(t) estimé, ainsi que cela apparaît sur les figures 3 à 5. Les figures 3 et 4 illustrent respectivement la correction du roulis cp et du tangage 8. Sur ces figures sont représentés le mobile 5, l'antenne 4 montée sur le mobile 5 ainsi que le satellite géostationnaire 2. Sont également représentés sur les figures 3 et 4 la ligne de visée 40 entre le centre de phase G de l'antenne 4 et le satellite 2 ainsi que l'angle d'élévation Elev sous lequel le satellite 2 est vu du centre de phase G de l'antenne 4. La ligne de visée 40 représente le vecteur de la direction vers le centre d'émission/réception du satellite géostationnaire 2 et sur laquelle pointe l'antenne directionnelle 4. La puissance du signal de réception est la maximale quand les deux vecteurs unitaires qui relient le centre d'émission/réception par le satellite 2 et le centre d'émission/réception par l'antenne 4 au sol, sont colinéaires et opposées. Pour que la réception du signal soit optimale l'orientation de la ligne de visée 40 par rapport au satellite 2 doit rester constante. Autrement dit, quand une variation dynamique vient à perturber cette orientation pour que la puissance du signal de réception reste maximale, il faut réorienter l'antenne 4 au sens inverse de la perturbation. La figure 5 représente une vue géométrique sur le plan horizontal de l'angle de lacet comme les relations existant entre côtés des triangles (A, B, C) et (A, B, D), la droite (BC) représentant la projection de la ligne de visée (40), la droite (AC) représentant la projection de la ligne de visée après correction du lacet Y, l'angle AZS représentant l'azimut du satellite 2. Le procédé de poursuite d'un satellite selon l'invention ayant été décrit pour le cas du TGV, des variantes sont décrites dans la suite de la description pour d'autres types de mobiles. Dans le cas d'une automobile, différents cas sont envisagés. L'exemple de réalisation préféré correspond à celui décrit pour le TGV. Selon cet exemple de réalisation, l'utilisateur de l'automobile (à titre d'exemple une compagnie de transport routier gérant des lignes d'autocars) effectue, à l'aide d'une centrale inertielle, les mesures d'attitude de l'étape 30 du procédé une fois sur un véhicule particulier de la ligne d'autocars empruntant toujours la même route. Dans ce cas, un modèle complet de l'attitude du véhicule est disponible et peut être stocké dans les moyens de stockage 18 de chaque véhicule empruntant la même route. La suite du précédé est la même que dans le cas du TGV décrit ci-dessus. Cependant, il peut être difficile d'établir un modèle complet de l'attitude du véhicule dans le cas de l'automobile. Les moyens de stockage 18 contiennent alors uniquement un modèle incomplet constitué des coordonnées géocentriques et du lacet qi du véhicule, ces éléments étant mesurés par les moyens de positionnement 20 comprenant, à titre d'exemple, un récepteur GPS. Dans ce cas, les angles de roulis cp et de tangage 8 sont supposés nuls et à l'étape 34, cpn = 0 et 8n = 0 à tout instant n = 1, ..., N. Ce modèle incomplet est satisfaisant tant que la route est plane et permet ainsi une commande correcte de l'orientation de l'antenne 4, permettant une réception satisfaisante du signal émis par le satellite 2. Cependant, lorsque la route n'est plus plane, par exemple lors des virages, les angles cpn et en n'étant pas corrects, l'antenne 4 n'est plus pointée correctement vers le satellite 2. Il y a donc un risque de perte de communication. Une première solution pour résoudre ce problème est d'équiper le véhicule d'une antenne moins précise afin que les écarts angulaires de cpn et en ne perturbent pas la bonne réception du signal du satellite 2. Une deuxième solution consiste à équiper le véhicule d'une centrale inertielle, afin d'avoir les valeurs des angles de roulis et de tangage en temps réel, puis de corriger l'orientation de l'antenne en fonction de ces valeurs mesurées, dans les portions de route non planes. Ainsi, cette solution met en oeuvre le procédé prédictif de l'invention uniquement dans les portions de route planes. Dans le cas d'un navire, il n'est pas possible, dans la pratique, d'avoir un modèle complet de la trajectoire et de l'attitude, mais uniquement un modèle incomplet comprenant les coordonnées géocentriques (X, Y, Z) et le lacet ip. Cependant, généralement, tous les navires sont équipés d'une centrale inertielle permettant de mesurer en temps réel cp et le tangage 8. Les moyens de correction 16 de l'orientation de l'antenne utilisent alors ces données temps-réel pour pointer l'antenne correctement vers le satellite 2. Selon une variante, les moyens de prédiction 14 évaluent périodiquement, les valeurs du roulis cp et du tangage e à un instant suivant t+1 à partir des mesures de ces angles à des instants précédents et courant par extrapolation. De plus, il convient de noter que dans le cas du navire, l'angle de lacet reste constant pendant des durées très grandes allant de plusieurs heures à plusieurs jours. Ainsi, dans le cas du navire, le procédé prédictif de l'invention est utilisé uniquement pour la prédiction des coordonnées géocentriques et du lacet. Dans le cas d'un avion, les étapes du procédé de poursuite du satellite sont les mêmes que dans le cas du navire. Il est en effet impossible de disposer d'un modèle complet de la trajectoire et de l'attitude de l'avion. Cependant, comme les avions sont toujours équipés d'une centrale inertielle, les angles de roulis et de tangage sont mesurés en temps réel. Il convient néanmoins de noter que ces mesures ne sont généralement pas nécessaires une fois que l'avion a atteint sa vitesse de croisière. Dans ce cas, les angles de roulis et de tangage sont considérés inchangés et il est donc possible de prédire l'attitude de l'avion. Cependant, lorsque l'avion passe dans des trous d'air, il y a modification importante de ces angles et il est alors nécessaire de repasser en mode temps-réel. Ainsi, l'invention permet de disposer d'un procédé de poursuite d'un satellite par une antenne montée sur un mobile en mouvement permettant d'avoir rapidement un pointage correct de l'antenne, sans nécessiter de matériel spécifique et coûteux, et ce, grâce à un traitement prédictif différent des procédés classiques. Des variantes du procédé ont été présentées, mais d'autres modes de réalisation peuvent, bien entendu, être envisagés. REVENDICATIONS1.- Procédé de poursuite d'un satellite (2) par une antenne (4) montée sur un mobile (5) en mouvement selon une trajectoire connue, ledit procédé comprenant une étape de commande de l'orientation de l'antenne (4), caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape préalable d'établissement (30) d'un modèle d'attitude du mobile (5) le long de sa trajectoire ; et à chaque instant, tout au long du temps de trajet du mobile (5) : - une étape de prédiction (36) de l'attitude à un instant suivant du mobile (5) à partir du modèle d'attitude ; et - une étape de correction (38) de l'orientation de l'antenne (4) à partir de l'attitude prédite du mobile (5) à l'instant suivant. 2.- Procédé de poursuite d'un satellite (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape périodique de prédiction (36) de l'attitude du mobile (5) comprend : - une étape de prédiction des coordonnées géocentriques du mobile (5) suivant ladite trajectoire connue; et - une étape d'estimation de l'attitude du mobile (5) à un instant suivant à partir des coordonnées géocentriques prédites et du modèle d'attitude. 3.- Procédé de poursuite d'un satellite (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de prédiction des coordonnées géocentriques du mobile (5) à un instant suivant (t+1) comprend : - une étape de mesure des coordonnées géocentriques du mobile (5) à un instant courant (t); - une étape d'estimation de la vitesse instantanée du mobile (5) ; et - une étape de calcul des coordonnées géocentriques du mobile (5) à l'instant suivant (t+1) en fonction de la vitesse instantanée et de la position courante du mobile (5). 4.- Procédé de poursuite d'un satellite (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le modèle d'attitude établi comprend des modèles des roulis, tangage et lacet du mobile (5) le long de sa trajectoire. 5.- Procédé de poursuite d'un satellite (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le modèle d'attitude établi comprendun modèle du lacet du mobile (5) le long de sa trajectoire et en ce que l'étape de prédiction de l'attitude du mobile à un instant suivant comprend : - une étape de mesure de valeurs du roulis et du tangage du mobile (5) à des instants précédents ; et - une étape d'extrapolation des valeurs du roulis et du tangage mesurées pour estimer les valeurs du roulis et du tangage à l'instant suivant. 6.- Procédé de poursuite d'un satellite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le modèle d'attitude établi comprend un modèle du lacet du mobile (5) le long de sa trajectoire, le roulis et le tangage du mobile (5) étant supposés constants le long de sa trajectoire. 7.- Procédé de poursuite d'un satellite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le modèle d'attitude établi comprend un modèle du lacet du mobile (5) le long de sa trajectoire, le roulis et le tangage du mobile (5) étant mesurés en temps réel. 8.- Dispositif de poursuite d'un satellite (2) par une antenne (4) montée sur un mobile (5) en mouvement selon une trajectoire connue, ledit dispositif comprenant des moyens de commande (12) de l'orientation de l'antenne (4), caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens d'établissement d'un modèle d'attitude du mobile (5) le long de sa trajectoire ; - des moyens de prédiction (14), à chaque instant, de l'attitude à un instant suivant du mobile (5) à partir du modèle d'attitude; et - des moyens de correction (16), à chaque instant, de l'orientation de l'antenne (4) à partir de l'attitude prédite du mobile (5) à l'instant suivant. 9.- Dispositif de poursuite d'un satellite (2) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure des coordonnées géocentriques du mobile (5). 10.- Dispositif de poursuite d'un satellite (2) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de mesure des coordonnées géocentriques du mobile (5) comprennent un récepteur GPS. 11.- Dispositif de poursuite d'un satellite (2) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de mesure des coordonnées géocentriques du mobile (5) comprennent une carte géographique. 12.- Dispositif de poursuite d'un satellite (2) selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de l'attitude du mobile (5). 13.- Dispositif de poursuite d'un satellite (2) selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de mesure de l'attitude du mobile (5) comprennent une centrale inertielle. 14.- Mobile (5) notamment un train, de préférence un train à grande vitesse (TGV), une automobile, un navire, un avion, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de poursuite d'un satellite (2) selon l'une quelconque des revendications 8à13.15