Brevet FR2966252A1 — publié le 20120420

PROCEDE ET SYSTEME D'AUGMENTATION DE LA DISPONIBILITÉ D'UN SYSTEME DE GEOLOCALISATION PAR SATELLITE La présente invention a notamment pour objet un procédé et un 5 système d'augmentation de la disponibilité d'un système de géolocalisation par satellite. Elle concerne le domaine des systèmes de géolocalisation et de positionnement par satellite, connus également sous l'abréviation anglo-saxonne GNSS (« Global Navigation Satellite System »), par exemple les 10 systèmes GPS ou GALILEO, et plus précisément des méthodes d'augmentation et/ou d'assistance pour de tels systèmes. L'augmentation des systèmes GNSS désigne une méthode permettant d'améliorer la fiabilité de tels systèmes, en particulier leur 15 disponibilité, leur précision et leur intégrité. Une telle méthode est basée sur l'intégration, dans le calcul du positionnement, d'informations externes portant sur différents types d'erreurs qui peuvent impacter le signal GNSS. Ces erreurs portent, par exemple, sur une désynchronisation des horloges du satellite et du récepteur, sur les informations de position des satellites 20 fournies par leurs éphémérides ou encore sur le délai de propagation du signal à travers l'ionosphère (délai ionosphérique). Un exemple de système d'augmentation est le système européen EGNOS qui utilise une pluralité de stations au sol de positions connues, chacune écoutant en permanence les signaux GNSS émis par les satellites et réalisant des mesures sur ces 25 signaux. A partir des mesures effectuées, notamment sur le temps de réception des signaux, un message est transmis aux utilisateurs, via un satellite relai, pour les informer sur l'intégrité du signal de positionnement transmis par les satellites de géolocalisation. Un tel message peut également contenir une correction à appliquer au signal pour compenser l'erreur 30 mesurée. Cette correction est par exemple une correction temporelle à appliquer à l'instant mesuré de réception du signal GNSS. Ainsi, un tel système permet d'augmenter la disponibilité du système de positionnement par satellite puisqu'il génère des corrections adaptées permettant d'exploiter le signal GNSS même lorsqu'il est impacté par des erreurs. En pratique cependant, lorsque l'erreur mesurée par les stations sol dépasse le seuil de fonctionnement nominal de la constellation GNSS, le message transmis indique simplement à l'utilisateur que le satellite de positionnement correspondant est inopérant et qu'il convient d'effectuer son positionnement en utilisant les autres satellites de la constellation, voire un autre moyen de positionnement si la couverture satellitaire n'est plus o suffisante. L'augmentation d'un système GNSS peut également être effectuée par d'autres moyens de transmission que des moyens satellites. En particulier les informations de correction et/ou d'alerte peuvent être transmises par le biais d'un réseau de téléphonie cellulaire dans le cas où le 15 récepteur GNSS comporte également des moyens de réception adaptés à un tel réseau. Un exemple d'un tel système est le système d'assistance pour GPS connu sous l'acronyme A-GPS. Dans la suite de la description on utilisera le terme augmentation pour désigner tous les systèmes permettant d'améliorer la disponibilité et la 20 fiabilité d'un système de positionnement par satellites, que ces systèmes utilisent des moyens de transmission par satellite ou plus généralement des moyens de transmission par voie radio ou cellulaire. L'invention a notamment pour objectif de pallier aux limitations des 25 systèmes d'augmentation et d'assistance existants en permettant d'augmenter d'avantage la disponibilité des systèmes de positionnement par satellite. En particulier si le signal GNSS transmis par un satellite de géolocalisation et reçu par un récepteur est modifié de telle sorte qu'il n'est plus conforme aux spécifications, la présente invention a pour but d'éviter 30 l'indisponibilité dudit satellite et de maintenir son utilisation pour le calcul de positionnement du récepteur. A cet effet l'invention a pour objet un procédé d'augmentation de la disponibilité d'un système de géolocalisation par satellite composé d'au moins un satellite et d'au moins un récepteur de positionnement et défini par un domaine de fonctionnement nominal, mis en oeuvre par un système d'augmentation comportant au moins un système de mesures des signaux émis par ledit système de géolocalisation, un centre de traitement recevant les mesures transmises par le système de mesures et produisant des messages de correction d'anomalies et/ou d'alerte sur l'indisponibilité dudit système de géolocalisation à destination desdits récepteurs, des moyens de diffusion terrestres ou satellitaires desdits messages de correction et/ou d'alerte vers lesdits récepteurs, ledit procédé d'augmentation étant caractérisé en ce que les messages de correction et/ou d'alerte contiennent au moins : o un modèle de comportement d'au moins un des satellites dudit 15 système de géolocalisation et/ou o un indicateur de l'écart entre ledit modèle et le comportement réel dudit satellite de géolocalisation, de façon à permettre au récepteur de continuer à utiliser ledit satellite de géolocalisation pour déterminer sa position, à l'aide du modèle de comportement, 20 et en dehors du domaine de fonctionnement nominal du système de géolocalisation. Dans un autre aspect de l'invention, lesdits récepteurs de positionnement sont adaptés à corriger les mesures de positionnement effectuées sur les 25 signaux reçus par lesdits satellites de géolocalisation, lesdites corrections étant déterminées à partir du modèle de comportement et/ou de l'indicateur. Dans un autre aspect de l'invention, l'indicateur correspond à une information de statut de la disponibilité du système de géolocalisation. Dans un autre aspect de l'invention, l'indicateur correspond à une 30 information de qualité et/ou de fiabilité dudit satellite de géolocalisation. Dans un autre aspect de l'invention, le modèle de comportement est constitué d'éphémérides desdits satellites de navigation. Dans un autre aspect de l'invention, le modèle de comportement intègre de nouveaux paramètres permettant d'augmenter le domaine de 5 fonctionnement dudit système, lesdits paramètres étant constitués au moins de: ^ un modèle de distorsion de la fonction de corrélation entre le signal transmis par ledit satellite de navigation et une réplique parfaite du code d'étalement dudit signal, ou 10 ^ un modèle de distorsion des bribes de code transmises par ledit satellite de navigation audit récepteur, ou ^ un modèle de distorsion de la phase du signal transmise par ledit satellite de navigation audit récepteur. Dans un autre aspect de l'invention, le modèle de comportement est 15 identique au modèle comportemental usuel du système de géolocalisation mais utilise des périodes de rafraichissement plus courtes. L'invention a également pour objet un système d'augmentation de la disponibilité d'un système de géolocalisation par satellite composé d'une pluralités de satellites et d'au moins un récepteur et défini par un domaine de 20 fonctionnement nominal, ledit système d'augmentation comportant au moins un système de mesures des signaux émis par ledit système de géolocalisation, un centre de traitement recevant les mesures transmises par le système de mesures et produisant des messages de correction d'anomalies et/ou d'alerte sur l'indisponibilité dudit système de 25 géolocalisation, des moyens de diffusion terrestres ou satellitaires desdits messages de correction et/ou d'alerte vers lesdits récepteurs, ledit système d'augmentation étant caractérisé en ce que les messages de correction et/ou d'alerte contiennent au moins : o un modèle de comportement d'au moins un des satellites dudit 30 système de géolocalisation, o un indicateur de l'écart entre ledit modèle et le comportement réel dudit satellite de géolocalisation, de façon à permettre au récepteur de continuer à utiliser ledit satellite de géolocalisation pour déterminer sa position, à l'aide du modèle de comportement, et en dehors du domaine de fonctionnement nominal du système de géolocalisation. L'invention a également pour objet un récepteur de positionnement par satellite comportant des moyens pour recevoir une pluralité de signaux de géolocalisation transmis par une pluralité de satellites d'un système de 1 o géolocalisation caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens adaptés à recevoir des messages de correction et/ou d'alerte générés par le système d'augmentation selon l'invention et des moyens adaptés à prendre en compte les indicateurs contenus dans lesdits messages pour déterminer quels satellites dudit système de géolocalisation sont disponibles et/ou pour 15 corriger son positionnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de l'unique figure 1, un schéma du système selon l'invention. 20 Le signal GNSS émis par un satellite géostationnaire en direction d'un récepteur de positionnement doit être conforme à un certain nombre de spécifications pour que ce récepteur identifie et utilise ce signal pour calculer sa position. Dans divers cas de figures, ce signal n'est plus conforme aux 25 spécifications du système de positionnement. Le récepteur est alors averti, par le biais d'un système d'assistance, de cette non-conformité et doit ensuite effectuer une nouvelle recherche sur un autre satellite opérationnel pour pouvoir déterminer son positionnement, voire avoir recours à un autre système de positionnement. Des exemples de tels cas de figures sont 30 maintenant décrits. Tout d'abord, le signal émis par un satellite de géolocalisation peut être déformé dans sa structure. Cela est notamment le cas lorsque l'émetteur à bord du satellite présente des imperfections. Ces déformations peuvent prendre la forme d'ondulations, connues sous le terme anglais « ripple » ou impacter l'indice de modulation du signal, c'est-à-dire l'amplitude de la variation d'un bit. Un signal GNSS déformé ou plus généralement souffrant d'anomalies qui le rendent non conformes aux spécifications du système est communément désigné par le terme anglo-saxon « evil waveform ». Un tel signal n'est pas exploitable en tant que tel mais peut le devenir si des corrections adaptées sont fournies au récepteur. Un autre cas d'indisponibilité du système de positionnement par satellite concerne le cas d'une manoeuvre d'orbite. Dans un tel cas, le satellite continue à émettre mais doit prévenir le récepteur qu'il est inutilisable par l'envoi d'un message contenant son statut (utilisable ou non). Pendant son fonctionnement nominal, le satellite géostationnaire transmet périodiquement au récepteur des éphémérides permettant de déterminer sa position pendant une durée de temps donnée, typiquement de l'ordre de deux heures. Pendant cette durée, la position du satellite peut être déterminée à partir des éphémérides et du modèle de variation de la position du satellite sur son orbite établi d'après ses paramètres orbitaux. Pendant une rnanceuvre, le satellite effectue des déplacements qui ne correspondent plus à ce modèle. Le récepteur ne peut donc plus déterminer la position exacte du satellite nécessaire au calcul de son positionnement. Pour pallier ce problème, il est nécessaire de fournir au récepteur des éphémérides valables pendant une durée plus courte, par exemple dix minutes, et de mettre à jour ces éphémérides à un rythme plus rapide que dans le cas nominal. Une autre anomalie impactant le système de positionnement par satellite concerne les sauts d'horloge à bord du satellite. Des phénomènes de saut d'horloge, périodiques, impactent l'horloge atomique ce qui peut provoquer des erreurs sur la datation du signal. Lorsqu'un saut d'horloge se produit, le satellite doit transmettre une alerte au récepteur l'informant de son indisponibilité pendant une période de temps donnée qui correspond au temps nécessaire à l'horloge pour qu'elle se stabilise. Pour déterminer son positionnement, le récepteur effectue notamment une estimation de la dérive temporelle entre l'horloge atomique à bord du satellite et son horloge interne. Cette estimation est extrapolée sur une période de temps donnée selon un modèle, le plus souvent une droite ou une parabole, à partir d'un point de mesure. Après un saut d'horloge, le modèle utilisé par le récepteur n'est plus valable car la dérive de l'horloge atomique est modifiée. Pour pouvoir continuer à exploiter le signal émis par le satellite après un saut d'horloge, il est nécessaire de fournir au récepteur un modèle correct de la variation de la dérive d'horloge. Par exemple, un tel modèle peut prendre la forme de deux segments de droite et d'une date de séparation de la validité de chacune de ces droites. Tout autre modèle permettant de déterminer, avec une précision donnée, la variation temporelle de la dérive d'horloge est compatible de l'invention. Afin d'augmenter la disponibilité d'un système de positionnement par satellite, la présente invention vise notamment à fournir des moyens au récepteur pour corriger les imperfections du signal ou les anomalies impactant les mesures des informations de positionnement. Ces moyens prennent notamment la forme de modèles permettant d'estimer les paramètres nécessaires au calcul du positionnement du récepteur même lorsque le signal n'est plus conforme aux spécifications ou que le satellite de géolocalisation n'est pas en fonctionnement nominal. La figure 1 représente un schéma d'un système mettant en oeuvre le procédé d'assistance à la localisation d'un équipement. Un système de géolocalisation 1 comportant plusieurs satellites transmet vers le sol un signal de navigation qui est reçu d'une part par un récepteur 2 de positionnement et d'autre part par un système 3 de mesure. Un tel système de mesure est constitué de plusieurs stations terrestres chargées d'effectuer des mesures sur le signal de positionnement dans le but de détecter des erreurs ou anomalies engendrant une non-conformité aux spécifications. Les mesures effectuées sont transmises à un centre de traitement 4 qui détermine des corrections à appliquer aux informations de positionnement et/ou des alertes et les transmet au récepteur 2 par des moyens de transmission radio ou cellulaire 5 ou des moyens de transmission par satellite 6. Le récepteur reçoit ces corrections et les prend en compte pour déterminer son positionnement. Lorsque le signal transmis est défaillant ou que l'un des satellites de géolocalisation 1 est inopérant, notamment pour les raisons précitées, un message d'alerte est transmis au récepteur 2 pour lui indiquer que ce satellite 1 est indisponible. Dans un tel cas, il doit effectuer une nouvelle recherche d'un autre satellite de géolocalisation, voire si nécessaire recourir à un autre système de géolocalisation. Grâce au système et procédé selon l'invention, le récepteur 2 reçoit un message, envoyé par le centre de traitement 4, contenant des modèles de comportement des satellites, par exemple des éphémérides, ainsi qu'un indicateur donnant l'écart entre le modèle et le comportement réel du satellite. Le récepteur 2 peut alors déterminer quels satellites sont disponibles à partir des informations contenues dans le message transmis par le centre de traitement 4. Le récepteur 2 peut également corriger les mesures de positionnement qu'il a effectuées à partir des corrections reçues. On désigne par le terme système d'augmentation l'ensemble constitué des récepteurs de mesure 2, du centre de traitement 4 et des moyens de transmission 5,6. Les corrections déterminées par le centre de traitement 4 sont de plusieurs types. Dans le cas où une erreur impacte la position du satellite de géolocalisation 1, par exemple au cours d'une manoeuvre du satellite, les corrections adaptées sont déterminées à partir d'éphémérides à validité courte, ou d'éphémérides complétées par des paramètres orbitaux supplémentaires. Par exemple, le modèle d'éphémérides d'un satellite permet son positionnement avec une précision de un mètre. Si un satellite effectue une manoeuvre d'orbite, trois exemples de modélisation de son comportement au cours de cette manoeuvre sont envisageables. Le premier exemple de modélisation (A) consiste à conserver le modèle d'éphémérides classique avec la même période de validité de deux heures, dans ce cas, la précision du positionnement du satellite sera de l'ordre de quelques kilomètres. Le deuxième exemple de modélisation (B) consiste à conserver le modèle d'éphémérides classique avec une période de validité d'une 1 o minute pour que la précision du positionnement du satellite reste de un mètre. Enfin, le troisième exemple de modélisation (C) consiste à conserver le modèle d'éphémérides classique avec une période de validité de quinze minutes pour que la précision du positionnement du satellite soit en moyenne de l'ordre de dix mètres. La solution (B) est la solution optimale, mais elle 15 implique la diffusion de volumes de données d'assistance beaucoup plus importants. Dans les cas des solutions (A) et (C), dans la mesure où la performance du système de positionnement est dégradée par rapport à son fonctionnement nominal, un système d'augmentation classique devrait déclarer ce satellite inutilisable. Cependant, dans le cas (C), on voit que 20 l'erreur commise ne perturbe en moyenne que faiblement le positionnement, ce qui est acceptable par la plupart des applications, et que de plus cette erreur étant une erreur moyenne, il arrive qu'elle soit bien moindre. Le système d'augmentation selon l'invention permet d'appliquer la solution (C) afin d'augmenter la disponibilité du système GNSS. 25 D'autres types d'erreurs impactant le signal de radionavigation sont modélisables et corrigeables grâce au système d'augmentation selon l'invention. Dans le cas où l'erreur impacte directement le signal transmis (cas des « evil waveform » précédemment mentionnées), des modèles permettant de corriger le biais et l'ondulation de la phase du signal ou des 30 modèles de distorsion de la fonction de corrélation entre le signal transmis et une réplique parfaite du code d'étalement du signal sont fournis. Lorsque l'erreur mesurée par le système de mesure 3 concerne le décalage temporel entre l'émission du signal par le satellite 1 et sa réception par le récepteur 2, un modèle similaire au modèle du retard de propagation due à la traversée de l'ionosphère peut être fourni pour corriger l'instant de réception du signal. Le système selon l'invention permet également d'exploiter des modèles de distorsion des bribes de code transmises par le satellite de navigation au récepteur ou des modèles de distorsion de la phase du signal transmis par le satellite de navigation au récepteur. De façon générale, le système selon l'invention utilise des modèles du comportement du système de géolocalisation. Les modèles peuvent être de plusieurs types. Ils peuvent être similaires au modèle comportemental usuel du système de navigation par satellite mais être associés à des paramètres permettant de couvrir un domaine de fonctionnement plus large ou avec des périodes de rafraîchissement plus courtes, par exemple des paramètres orbitaux. Les modèles comportementaux peuvent également être enrichis de nouveaux paramètres. En plus des corrections adaptées, le centre de contrôle 4 peut fournir une note de qualité et de fiabilité du ou des modèles de corrections fournies. En indiquant dans le message transmis par le système d'augmentation une note de qualité de modélisation plutôt qu'un statut sur la disponibilité des satellites, cela permet à l'utilisateur de déterminer s'il peut ou non utiliser le satellite, en fonction de la criticité de son application et des solutions alternatives dont il dispose (autre satellite disponible, autre moyen de positionnement, ...). La présente invention présente l'avantage principal d'augmenter significativement la disponibilité d'un système de géolocalisation par satellite. Les systèmes d'augmentation connus permettent de limiter le domaine d'utilisation d'un système de géolocalisation à son domaine nominal. Plus précisément, ils permettent de limiter l'exploitation de signaux de radionavigation GNSS par un récepteur aux cas nominaux, c'est-à-dire conformes aux spécifications du système. Ainsi, un système d'augmentation permet d'empêcher l'utilisation de signaux de radionavigation non conformes, car entachés d'erreurs dont les causes sont diverses, ce qui conduirait à produire des informations de géolocalisation incorrectes. Dans certains cas, les systèmes d'augmentation restreignent même le domaine nominal à un sous domaine car des fausses alarmes, c'est-à-dire des cas où le système d'augmentation estime que le signal de radionavigation n'est pas conforme aux spécifications alors qu'en réalité il l'est, peuvent intervenir. Le domaine nominal est également restreint car des périodes de sauvegarde existent avant et après chaque événement source d'indisponibilité d'un satellite, par exemple avant et après chaque manoeuvre du satellite. Pendant ces périodes de sauvegarde, un système d'augmentation connu détecte une indisponibilité du système GNSS alors qu'en réalité il ne l'est pas. En résumé, les systèmes d'augmentation connus ont pour objectif premier de garantir que le système de positionnement GNSS fonctionne dans son domaine nominal, c'est-à-dire conformément à ses spécifications. On parle alors de système de positionnement augmenté pour désigner l'ensemble composé du système de positionnement par satellite et du système d'augmentation. Au contraire des systèmes d'augmentation connus, le procédé et le système selon l'invention permettent de maintenir le système de positionnement par satellite augmenté disponible tant que le système d'augmentation lui-même est disponible et tant que les écarts du système de positionnement à son fonctionnement nominal sont modélisables. Un avantage important du procédé et du système d'augmentation selon l'invention est de garantir que le système de positionnement par satellite est exploitable dans le domaine de fonctionnement modélisé par le système d'augmentation selon l'invention, ce domaine de fonctionnement modélisé par le système d'augmentation étant supérieur au domaine de fonctionnement nominal du système GNSS. La disponibilité du système de positionnement augmenté selon l'invention peut être délivrée de deux manières : soit par l'utilisation d'un message de statut de la disponibilité des satellites de la constellation GNSS soit de manière plus avantageuse par l'utilisation d'une note de qualité et/ou de fiabilité associée à chacun de ces satellites. REVENDICATIONS1 Système d'augmentation de la disponibilité d'un système de géolocalisation (1) par satellite composé d'au moins un satellite et d'au moins un récepteur (2) de positionnement et défini par un domaine de fonctionnement nominal, ledit système d'augmentation comportant au moins un système de mesures (3) des signaux émis par ledit système de géolocalisation, un centre de traitement (4) recevant les mesures transmises par le système de mesures (3) et produisant des messages de correction d'anomalies et/ou d'alerte sur l'indisponibilité dudit système de géolocalisation à destination desdits récepteurs (2), des moyens de diffusion terrestres (5) ou satellitaires (6) desdits messages de correction et/ou d'alerte vers lesdits récepteurs (2), ledit système d'augmentation étant caractérisé en ce que les messages de correction et/ou d'alerte contiennent au moins : o un modèle de comportement d'au moins un des satellites dudit système de géolocalisation (1) et/ou o un indicateur de l'écart entre ledit modèle et le comportement réel dudit satellite de géolocalisation, de façon à permettre au récepteur (2) de continuer à utiliser ledit satellite de géolocalisation pour déterminer sa position, à l'aide du modèle de comportement, et en dehors du domaine de fonctionnement nominal du système de géolocalisation (1). 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits récepteurs (2) de positionnement sont adaptés à corriger les mesures de positionnement effectuées sur les signaux reçus par lesdits satellites de géolocalisation, lesdites corrections étant déterminées à partir du modèle de comportement &ou de l'indicateur. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'indicateur correspond à une information de statut de la disponibilité du système de géolocalisation (1). 4. Système selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'indicateur correspond à une information de qualité et/ou de fiabilité dudit satellite de géolocalisation. 5. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 10 que le modèle de comportement est constitué d'éphémérides desdits satellites de navigation. 6. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le modèle de comportement intègre de nouveaux paramètres 15 permettant d'augmenter le domaine de fonctionnement dudit système (1), lesdits paramètres étant constitués au moins de: ^ un modèle de distorsion de la fonction de corrélation entre le signal transmis par ledit satellite de navigation et une réplique parfaite du code d'étalement dudit signal, ou 20 ^ un modèle de distorsion des bribes de code transmises par ledit satellite de navigation audit récepteur (2), ou ^ un modèle de distorsion de la phase du signal transmise par ledit satellite de navigation audit récepteur (2). 25 7. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le modèle de comportement est identique au modèle comportemental usuel du système de géolocalisation (1) mais utilise des périodes de rafraichissement plus courtes. 30 8. Récepteur (2) de positionnement par satellite comportant des moyens pour recevoir une pluralité de signaux de géolocalisation transmis par une pluralité de satellites d'un système de géolocalisation (1) caractérisé ence qu'il comporte en outre des moyens adaptés à recevoir des messages de correction et/ou d'alerte générés par le système d'augmentation selon l'une des revendications 1 à 7 et des moyens adaptés à prendre en compte les indicateurs contenus dans lesdits messages pour déterminer quels satellites dudit système de géolocalisation (1) sont disponibles et/ou pour corriger son positionnement.