Brevet FR2998976A1 — publié le 20140606

Procédé et système de détermination d'une erreur de l'estimation du temps de la traversée de la ionosphère La présente invention concerne le domaine des procédés d'estimation d'une erreur du temps de propagation d'un signal (connu aussi sous le nom de distance du trajet) entre un satellite et une station au sol ou un terminal satellitaire. Ce temps de propagation est calculé en suivant un axe allant du satellite à la station au sol ou au terminal satellitaire. Cet axe est aussi appelé ligne de vue ou axe à vue. Dans les systèmes de positionnement par satellites, communément appelés GNSS pour son acronyme anglo-saxon, Global Navigation Satellite System, un terminal satellitaire fixe ou mobile tel qu'un véhicule ou un aéronef, est localisé par trilatération (La trilatération est une méthode mathématique permettant de déterminer la position relative d'un point en utilisant la géométrie des triangles tout comme la triangulation. Mais contrairement à cette dernière, qui utilise les angles et les distances pour positionner un point, la trilatération utilise les distances entre un minimum de deux points de références) au moyen du calcul des distances le séparant de plusieurs satellites. La précision de l'évaluation de la distance entre le terminal satellitaire ou la station au sol et chacun des satellites est déterminante pour obtenir un positionnement précis. La principale source d'erreur sur l'évaluation de cette distance est le retard accumulé par le signal lorsqu'il traverse l'ionosphère, où l'ionisation partielle des gaz à haute altitude perturbe la propagation du signal et entraine un délai de transmission variable. Afin d'obtenir une mesure précise du positionnement, il est donc nécessaire de pouvoir disposer d'une estimation du temps du trajet entre les satellites et la station au sol ou le terminal satellitaire, ainsi qu'une estimation de l'erreur du temps de trajet. Pour cela, les systèmes GNSS connus peuvent être complétés par des systèmes dits d'augmentation, qui délivrent en temps réel des corrections en lien avec l'activité de l'ionosphère. On connait des systèmes d'augmentation basés sur des satellites, communément appelé SBAS, signifiant Satellite-Based Augmentation System en anglais. C'est le cas, par exemple, du système EGNOS (pour European Geostationary Navigation Overlay Service en anglais) utilisé en Europe, qui diffuse à partir de plusieurs satellites géostationnaires des données de correction à destination de stations au sol ou de terminaux satellitaires utilisant le système GPS (GPS signifiant Global Positioning System en anglais). Dans une approche connue, communément appelée modèle TRIN pour son acronyme anglo-saxon TRiangular INterpolation, l'ionosphère est assimilée à une couche mince autour du globe terrestre dans laquelle est accumulée la totalité de la charge électronique de l'ionosphère. Cette couche mince est modélisée par un modèle linéaire formé d'un polyèdre régulier, centré sur la terre et possédant mille-deux-cent-quatre-vingts faces triangulaires. Les systèmes d'augmentations utilisent des méthodes d'interpolations pour déterminer le délai de propagation d'un signal passant par un point de pénétration déterminé. Un point de pénétration est un point du polyèdre situé à l'intersection avec l'axe à vue passant par le satellite et le terminal satellitaire ou la station au sol. Le point de pénétration est communément appelé IPP, pour son acronyme anglo-saxon lonosphere Pierce Point. Les calculs d'interpolation sont réalisés à partir de la connaissance des retards des signaux passant par des noeuds du polyèdre proche du point de pénétration considéré. En plus de l'estimation de ce délai de propagation, une estimation de l'imprécision de ce délai est réalisée. L'estimation du contenu électronique total vertical connu aussi sous l'acronyme VTEC pour « Vertical Total Electron Content » en langue anglaise permet d'établir une cartographie des retards ionosphérique sous la forme d'une grille sphérique centrée sur la terre, située en altitude et liée à la rotation de la terre. Les noeuds de la grille sont dénommés IGP, pour l'acronyme anglo-saxon lonospheric Grid Point. Les systèmes connus sous le nom de SBAS diffusent aux utilisateurs les délais ionosphériques verticaux au dessus des points de la grille, appelée communément grille IONO, ainsi que des informations de fiabilité pour calculer le retard ionosphérique sur les lignes de vue de chaque satellite considéré, par interpolation linéaire sur cette grille. Une mise à jour régulière des valeurs de la grille IONO, typiquement toutes les 30 secondes, est diffusée par les systèmes connus sous le nom de SBAS à destination des utilisateurs du système de navigation. Cette grille IONO qui est accessible aux utilisateurs des systèmes de navigation, est calculée par interpolation linéaire à partir du modèle TRIN à un temps solaire fixe, l'exposition au soleil de chacun des noeuds du polyèdre étant constante. Cependant les procédés, connus dans l'état de la technique, de détermination de cette imprécision ne sont pas assez précis pour effectuer un contrôle efficace du système d'augmentation basé sur des satellites. 15 L'invention vise à proposer une solution alternative pour l'estimation de l'imprécision du délai de propagation entre un satellite et un terminal satellitaire ou une station au sol. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination 20 d'une erreur de l'estimation du temps de traversée de la ionosphère par un signal suivant un axe à vue vertical, ledit axe à vue coupant la ionosphère en un point d'intérêt. Le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une première étape de détermination d'au moins deux points de coupure de la ionosphère par deux axes à vue entre un satellite et au moins deux stations 25 au sol ou une station au sol et au moins deux satellites. Il comprend aussi une deuxième étape de détermination d'au moins un angle formé par un segment allant du point d'intérêt à un desdits points de coupure et par un segment allant du point d'intérêt à un autre desdits points de coupure. Il comprend enfin une troisième étape de détermination de la dispersion 30 spatiale desdits points de coupure par rapport audit point d'intérêt à partir dudit angle, par différence avec un angle prédéterminé et prise de la moyenne dudit ou desdits différences. Le point par lequel l'axe à vue coupe la ionosphère est aussi 35 appelé un point d'intérêt IGP de la grille IONO diffusée. Les points de 10 coupure sont aussi appelés point de percement IPP pour son acronyme anglais lonospheric Pierce Point. Les points de coupures sont cités dans le voisinage du point d'intérêt. L'invention permet donc d'estimer l'imprécision du délai de propagation entre un satellite et un terminal satellitaire ou une station au sol par interpolation des erreurs diffusées par la grille IONO. Avantageusement ce procédé contribue à augmenter le monitoring des points IGP de la grille IONO et donc la disponibilité de service d'un système d'augmentation de type SBAS. Au niveau de l'utilisateur ce procédé l'autorise à prendre en compte un nombre maximal de lignes de vues dans le calcul de son point permettant de réduire ainsi ses erreurs de localisation ainsi que l'estimation de ces erreurs. Avantageusement le procédé comprend une quatrième étape de détermination d'une première distance entre le point d'intérêt et un des points de coupure et d'une deuxième distance entre le point d'intérêt et un autre des points de coupure. De plus la deuxième étape est adaptée pour la détermination de la dispersion spatiale à partir en outre des première et deuxième distances, par comparaison avec une distance prédéterminé et prise de la moyenne des comparaisons. Avantageusement le procédé comprend une cinquième étape de détermination d'une première inclinaison d'un premier axe à vue associé à un desdits points de coupure par rapport à un axe verticale et d'une deuxième inclinaison d'un deuxième axe à vue associé à un autre desdits points de coupure. De plus la deuxième étape est adaptée pour la détermination de la dispersion spatiale à partir en outre des première et deuxième inclinaisons. Avantageusement l'angle prédéterminé est obtenu comme étant un angle minimisant l'erreur de l'estimation du temps de traversée Avantageusement la distance prédéterminée est obtenue comme étant une distance minimisant l'erreur de l'estimation du temps de traversée L'invention a également pour objet un système comportant un satellite et au moins deux stations au sol mettant en oeuvre le procédé de détermination d'une erreur de l'estimation du temps de traversée. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée des modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs sur les figures suivantes. La figure 1, présente le procédé suivant un aspect de l'invention La figure 2, présente le procédé suivant un deuxième aspect de l'invention La figure 3 présente deux exemples de projection des points de pénétration sur un cercle contenant les points idéaux. La figure 4 présente à gauche, un exemple de projection de cinq points de pénétration et, à droite, un exemple de cinq points appartenant à un ensemble de points idéalement répartis. La figure 5 présente la distance do. La figure 6 présente la zone autour du point d'intérêt séparée en K anneaux contigus La figure 7 présente l'inclinaison des axes à vue Le procédé de l'invention permet de déterminer l'erreur du temps de propagation d'un signal passant par un axe à vue vertical et coupant la ionosphère en un point appelé point d'intérêt. Le procédé tel que présenté figure 1 comporte une première étape 101 de détermination d'au moins deux points de coupure entre la ionosphère, modélisée par la surface d'un polyèdre entourant la Terre, et deux axes à vue différents. Ces axes à vue relient un satellite et une station au sol. Chacun des deux points de coupure ou de pénétration est respectivement associé à un satellite et à un terminal satellitaire ou à une station au sol. Chaque point de pénétration est situé à l'intersection entre un axe à vue du satellite et la surface du polyèdre. Le satellite et/ou la station au sol sont différent pour des axes à vue différents. Le procédé comporte ensuite une deuxième étape 102 de détermination d'au moins un angle formé par un segment allant du point d'intérêt à un des points de coupure et par un segment allant du point d'intérêt à un autre des points de coupure. Enfin le procédé comporte une troisième étape 103 de détermination de la dispersion spatiale desdits points de coupure à partir dudit angle. On sait que l'estimation du délai de propagation associé à un point de la surface du polyèdre connu sous le nom d'IGP est obtenue par interpolation linéaire des délais de propagation associés aux différents points de pénétration (IPP). De plus on définit des points idéalement répartis comme étant des points de la surface du polyèdre pour lesquels, cette interpolation linéaire minimise l'erreur d'estimation du délai de propagation associé à ce point. La position géométrique réalisant l'erreur minimale d'interpolation se définit selon trois types de paramètres. Le premier type de paramètre est l'angle entre les différents points de pénétration et les points idéaux. Le deuxième type de paramètre est la distance entre les différents points de pénétration et les points idéaux. Le troisième type de paramètre est l'élévation (l'élévation est définie comme l'angle entre l'axe à vue et la verticale) des lignes de vues des différents points de pénétration et la comparaison avec une élévation verticale. Le procédé tel que présenté figure 2 présente en outre une quatrième étape 201 de détermination d'une première distance entre le point d'intérêt et un des points de coupure et une deuxième distance entre le point d'intérêt et un autre des points de coupure. Le procédé le que présenté figure 2 présente aussi une cinquième étape 202 de détermination d'une première inclinaison d'un premier axe à vue associé à un desdits points de coupure et d'une deuxième inclinaison d'un deuxième axe à vue associé à un autre desdits points de coupure. Dans certains modes de réalisation il est possible de n'effectuer que la quatrième étape 201 ou que la cinquième étape 202. Enfin la troisième étape 103 est adaptée pour déterminer la dispersion spatiale à partir des distances et/ou des inclinaisons.35 Dans un premier mode de réalisation, le calcul de l'estimation de l'imprécision passe par le calcul de la déviation standard notée crp qui mesure la dispersion spatiale entre les points de pénétration et les points de la ionosphère idéalement répartis pour minimiser l'erreur d'estimation du temps de propagation. Les points idéalement répartis le sont sur un cercle unité dont le centre est le point d'intérêt et le rayon est déterminé. Ces points sont séparés d'un angle de Li; où n est le nombre de points. Les points de pénétration (IPP) sont eux projetés sur le cercle contenant les points idéalement répartis. La figure 3 présente deux exemples de cette projection. La figure 4 présente, à gauche, un exemple de projection de cinq points de pénétration et à droite un exemple de cinq points idéalement répartis. Dans le cas de la figure 4, les points projetés sont séparés d'un angle noté ai et les points idéaux sont séparés d'un angle .?1-r5 Dans le cas, la déviation standard notée op est obtenue comme étant la moyenne, de la différence au carré entre : -les angles ai exprimés en radiant des points projetés et -les angles 17-r- exprimés en radiant des points idéalement répartis. _2°P = {(271" ai)21 E[ ] représente l'espérance mathématique. Dans cette équation, c est un paramètre de configuration permettant de régler le poids de la mesure de dispersion angulaire dans l'estimation de l'erreur de calcul du délai de propagation. Ce paramètre est définit par réglage à partir de données réelles en fonction du volume de protection minimal que le système SBAS choisit de diffuser. Afin de simplifier le calcul de la moyenne, il est possible de ne pas prendre en compte la contribution du dernier angle an. En effet la valeur de cet angle est contenue dans les autres angles par la formule an = 2n- - - - - - - an_i. La formule de la déviation standard est alors : _2= p C 1 (27r i=1 n-1 2 La valeur de cette déviation standard est bornée par une valeur finie quelque soit le nombre de points de pénétration. De plus, elle vaut zéro lorsque les points de pénétration coïncident avec une configuration idéale. Au contraire, dans le cas où les points de pénétration sont dans la plus mauvaise configuration (ceci est le cas lorsque tous les points de pénétration coïncident en un même point), la déviation standard vaut En plus de la prise en compte de la dispersion angulaire il est possible de prendre en compte la dispersion en distance des points de pénétration par rapport au point d'intérêt. Il est possible, pour réaliser ceci, d'ajouter un facteur dans l'expression de la déviation standard. Pour ce faire, on considère les points de percements situés au-delà d'une distance do du point d'intérêt IGP. En deçà de cette distance les points IPP sont considérés comme suffisamment proches pour permettre une taxonomie pertinente. Typiquement la distance do, telle que représentée figure 5, correspond à la base d'un cône d'ouverture 3.5°, 5°, etc., permet de définir les points qui sont pris en compte dans le calcul de la dispersion spatiale. Le paramètre définissant la dispersion spatiale est alors : F(diX(ddi, do)) n 21 C (diX(ddi, do))2 i=1 Dans cette équation di est la distance sphérique entre le point de pénétration i et le point d'intérêt du polyèdre, c est un paramètre de configuration permettant de régler le poids de la mesure de dispersion spatiale dans l'estimation de l'erreur de calcul du délai de propagation, n est le nombre de point d'interception considérés et x(di, do) est un entier défini ainsi : fx(di, do) = 1 si d >d0 tx(di, do) = 0 si d do La déviation standard crp est alors définie de la manière suivante : 2n- 2 cri2, = /3 ER- - ai) i+ (1 - fii)S S = cE Dans cette équation, fi' est un paramètre de réglage (compris entre 0 et 1) permettant de choisir de privilégier l'un ou l'autre terme de l'équation. Dans un second mode de calcul de la dispersion en distance des points de pénétration par rapport au point d'intérêt, les points de pénétration sont classés en fonction de leur distance au point d'intérêt. La zone autour du point d'intérêt est séparée en K anneaux contigus tels que représentés figure 6. Dans chaque zone les distances entre le point d'intérêt et les points de pénétration sont corrélées. A chaque anneau k est associé un coefficient 10 de pondération noté wk, et un nombre de points de pénétration noté nk. Le nombre total de points de pénétration pris en compte est alors de = Les coefficients wk sont définis selon une loi numérique décroissante, maximale sur le disque contenant le point d'intérêt IGP et minimale à l'extérieur du dernier anneau. 15 Dans ce cas le paramètre définissant la dispersion spatiale est obtenu grâce à l'équation : S = e n, =lnavecW wk Le résultat de cette équation est homogène à une entropie. Cette équation 20 est obtenue à partie de la discrétisation de l'équation générale suivante : S = - w(x)p(x)1n(p(x)) dx avec W =f1 w(x)dx Dans cette équation, p(x) est la densité de probabilité d'avoir un point de pénétration dans l'anneau situé à une distance comprise entre x et x + dx du point d'intérêt. 25 Il est de plus possible de prendre en compte l'inclinaison de l'axe à vue associé à un point de pénétration. Dans ce cas un facteur d'oblicité F de l'axe à vue est défini par : (Re cos Et \) 2 F(El) = (1 R + h ) Dans cette équation El est l'élévation du trajet, Re est le rayon de la terre et h 30 la hauteur de la ionosphère. Ces différents éléments sont présentés sur la figure 7. Ce facteur d'oblicité permet de faire la correspondance entre le temps de trajet dans le cas d'un axe vertical et le temps de trajet dans le cas d'un axe incliné. Le principe est donc de considérer que les trajets avec un axe vertical sont les trajets pour lesquels le calcul de la durée est la meilleure. En effet le calcul de la durée de trajet fait l'hypothèse d'une couche ionosphérique fine, cette hypothèse provoque donc une erreur dans le cas où l'axe du trajet est incliné. La déviation standard est donc augmentée du facteur suivant ; f = (MO- 1)2 avec W = Ei=1VF(Eli)2 Dans cette équation c est un paramètre de configuration permettant de régler le poids de la mesure de dispersion d'oblicité dans l'estimation de l'erreur de calcul du délai de propagation et VF(Eli) représente la fonction laplacienne du facteur d'oblicité. Cette fonction laplacien représente la mesure de la différence entre la valeur du facteur d'oblicité F en tout point de pénétration et la valeur moyenne du facteur d'oblicité F dans le voisinage d'un point de pénétration. Ce terme permet donc de modéliser la variation du facteur d'oblicité à proximité d'un point du polyèdre défini pour son élévation. La déviation standard, notée cru, prenant en compte le critère d'oblicité est donc définie par ; \ 2 (1 - 132)C / 27r 2 o-p =nai) + + fi'2f nn-2 i=1 Les coefficients fi. sont choisis de manière à ce que E f3 i= 1. Dans un deuxième mode de réalisation, le calcul de l'estimation de l'imprécision passe par le calcul de la déviation standard notée o-p qui mesure la dispersion spatiale entre les points de pénétration et les points idéalement répartis. Ces points sont situés à une distance déterminée du point d'intérêt. Dans ce cas la déviation standard est de la forme : 2 1 c ( 227r = w- 1 i En ti= w- ai) avec W = wi On a donc ajouté, pour chaque point i, un coefficient de pondération wi. Ces pondérations wi peuvent être dérivées d'une fonction à priori constituée de la corrélation spatiale ionosphérique, divisée par la déviation standard du délai vertical associé au point de pénétration. Cette pondération est de la forme : amiy wi = a-le ai- w- Dans cette équation di est la distance sphérique entre le point de pénétration i et le point d'intérêt, n est le nombre total de points de pénétration, a et do 5 sont des paramètres de configuration. Cette équation donne donc un poids fort à un point de pénétration loin du point d'intérêt. Une autre définition des pondérations est la suivante, cette définition donne un facteur de pondération moins important ; d 2 wi = acri do L'écart type cri représente le bruit de la mesure vue comme une distribution 10 de bruit blanc non corrélé. Dans le cas de ces points idéalement répartis, il est également possible de prendre en compte l'inclinaison de l'axe à vue associé à un point de pénétration. Pour ce faire, on peut incrémenter les facteurs de pondération wi afin de prendre en compte l'angle d'élévation de l'axe à vue. Les facteurs 15 de pondération sont donc modifiés de la manière suivante : aid- wi = crie d0 + bF(E1)VF(E1i)2 La valeur représentative de l'imprécision sur le délai de propagation associé à un point d'intérêt IGP est alors donnée par la formule suivante : GIVE = TGIVE + t(n)2(UIVE + k.o-72,) Dans cette équation, GIVE est l'erreur d'imprécision du délai ionosphérique 20 (Grid lonospheric Vertical Error pour son acronyme anglais), TGIVE est la variance calculée par interpolation à partir du modèle TRIN et du filtrage associé, t(n)2 est l'écart type d'une distribution de Student à n degré de liberté, n étant le nombre de point de percement IPP utilisés pour le calcul de UIVE représente la moyenne de l'erreur de calcul du délai ionosphérique 25 sur chaque point de percement IPP, k est un coefficient permettant de normaliser o-12,, REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'une erreur de l'estimation du temps de traversée de la ionosphère par un signal suivant un axe à vue vertical, ledit axe à vue coupant la ionosphère en un point d'intérêt, ledit procédé étant caractérisée en ce qu'il comprend : - une première étape de détermination (101) d'au moins deux points de coupure de la ionosphère par deux axes à vue entre un satellite et au moins 10 deux stations au sol ou une station au sol et au moins deux satellites - une deuxième étape de détermination (102) d'au moins un angle formé par un segment allant dudit point d'intérêt à un desdits points de coupure et par un segment allant dudit point d'intérêt à un autre desdits points de coupure - une troisième étape de détermination (103) de la dispersion spatiale desdits 15 points de coupure par rapport audit point d'intérêt à partir dudit angle, par différence avec un angle prédéterminé et prise de la moyenne dudit ou desdits différences. 2. Procédé de détermination selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'il 20 comprend en outre : - une quatrième étape de détermination (201) d'une première distance entre ledit point d'intérêt et un desdits points de coupure et d'une deuxième distance entre ledit point d'intérêt et un autre desdits points de coupure 25 et dans laquelle ladite deuxième étape est adaptée pour la détermination de ladite dispersion spatiale à partir en outre desdites première et deuxième distances, par comparaison avec une distance prédéterminé et prise de la moyenne de ladite ou desdits comparaisons 30 3. Procédé de détermination selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend en outre ; - une cinquième étape de détermination (202) d'une première inclinaison d'un premier axe à vue associé à un desdits points de coupure par rapport à un axe verticale et d'une deuxième inclinaison d'un deuxième axe à vue 35 associé à un autre desdits points de coupureet dans laquelle ladite deuxième étape est adaptée pour la détermination de ladite dispersion spatiale à partir en outre desdites première et deuxième inclinaisons 4. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel ledit angle prédéterminé est obtenu comme étant un angle minimisant l'erreur de l'estimation du temps de traversée 5. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel 10 ladite distance prédéterminée est obtenue comme étant une distance minimisant l'erreur de l'estimation du temps de traversée 6. Système comportant un satellite et au moins deux stations au sol mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 4. 15