Brevet FR3060114A1 — publié le 20180615

PROCEDE D'AIDE A LA NAVIGATION, PRODUIT PROGRAMME D'ORDINATEUR ET CENTRALE DE NAVIGATION INERTIELLE ASSOCIES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé d'aide à la navigation pour centrale inertielle de navigation fixe par rapport à un solide. L'invention a également pour objet un produit programme d'ordinateur et une centrale inertielle de navigation. L'invention s'applique au domaine de la navigation inertielle par gyroscopes, notamment par gyroscopes atomiques à spin (ou ASG, de l'anglais « atomic spin gyroscopes »), tels que les gyroscopes à résonance magnétique nucléaire, encore appelés « gyroscopes RMN », et les co-magnétomètres. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'utilisation de gyroscopes ASG en tant que capteurs inertiels pour réaliser des mesures de rotation est connue. De tels gyroscopes ASG présentent généralement un faible bruit de dérive angulaire ARW (de l'anglais « Angulo/. Random Walk ») et une faible dérive. En outre, de tels gyroscopes sont susceptibles d'être miniaturisés (volume de l'ordre de la dizaine de centimètres cubes) et sont susceptibles d'être produits à bas coût. Les gyroscopes ASG représentent donc une alternative intéressante pour la conception de Centrales Inertielles de Navigation (CIN) qui soient fiables, de petite taille et peu coûteuses, notamment pour des applications de navigation autonome sans GPS (de l'anglais « Global Positioning System »). Néanmoins, de tels gyroscopes ASG ne donnent pas entière satisfaction. En effet, le temps de démarrage de tels gyroscopes ASG, c'est-à-dire la durée, à partir de leur mise sous tension, au terme de laquelle de tels gyroscopes sont 3060114 2 dans une phase de fonctionnement opérationnel, est susceptible d'être trop long pour certaines applications de navigation autonome sans GPS. Le temps de démarrage d'un gyroscope ASG présente deux principales limites : 5 la première est une limite d'ordre technique liée au chauffage et à la stabilisation des asservissements au démarrage ; la seconde, d'ordre physique, dépend d'un couple gaz alcalin/gaz noble présent dans le gyroscope ASG, et correspond au temps minimal nécessaire pour polariser le gaz noble par échange de spin 10 avec l'alcalin. Ainsi, le temps de démarrage d'un gyroscope ASG est susceptible d'atteindre une ou plusieurs minutes. Or, la mise en oeuvre d'une centrale inertielle de navigation nécessite de disposer de capteurs inertiels opérationnels et performants quelques secondes au 15 maximum après la mise sous tension de la centrale inertielle de navigation, et ce de manière à limiter la durée de la phase d'initialisation de la centrale inertielle de navigation, encore appelée « phase d'alignement », avant le passage à un mode dit « de navigation » durant lequel la centrale inertielle est opérationnelle et délivre aux utilisateurs les informations de position, vitesse et attitude. 20 La phase d'alignement se décompose, par exemple, en les étapes suivantes : - une mise en route de la centrale inertielle de navigation (quelques secondes à quelques dizaines de secondes) ; - une initialisation de la position et de la vitesse (quelques dixièmes de 25 seconde) ; et - une orientation du repère de navigation (quelques minutes). Les durées des différentes étapes sont données ci-dessus à titre indicatif dans le cas d'une phase d'alignement de type gyrocompas utilisée pour des applications de type transport aérien pour lesquelles la phase d'alignement présente donc une durée de quelques minutes. 3060114 3 On comprend que l'utilisation de gyroscopes de type ASG dans une centrale inertielle de navigation entraîne une augmentation de la durée de l'étape de mise en route, donc de la durée de la phase d'alignement de la centrale inertielle, du fait que le temps de démarrage des gyroscopes ASG est d'une ou plusieurs minutes. 5 Cette augmentation de la durée de la phase d'initialisation de la centrale inertielle de navigation n'est pas souhaitable. En effet, il est généralement souhaitable que cette durée d'initialisation soit la plus courte possible, notamment pour une application de navigation sans GPS. Un but de l'invention est donc de proposer une centrale inertielle de 10 navigation utilisant un gyroscope ASG qui soit fiable, de petite taille et peu coûteuse tout en permettant une mise en route rapide. EXPOSÉ DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'aide à la navigation du type précité, la centrale inertielle comportant au moins un capteur inertiel présentant un 15 axe sensible, chaque capteur inertiel comprenant un gyroscope ASG et un gyroscope MEMS solidaires l'un de l'autre, le gyroscope ASG étant propre à délivrer un signal ASG représentatif d'une rotation autour de l'axe sensible correspondant, le gyroscope MEMS étant propre à délivrer un signal MEMS représentatif d'une rotation autour de l'axe sensible correspondant, le procédé comportant les étapes : 20 - calcul, entre une première date et une troisième date ultérieure, d'une trajectoire et, pour chaque capteur inertiel, d'une trajectoire biaisée correspondante, à partir des signaux MEMS, en supposant, pour la trajectoire biaisée, que le capteur inertiel présente un biais unitaire prédéterminé ; - calcul, à partir de la troisième date, de la trajectoire et de chaque 25 trajectoire biaisée à partir des signaux ASG, en supposant, pour la trajectoire biaisée, que le capteur inertiel présente un biais unitaire prédéterminé ; - estimation d'un vecteur de biais introduit par les gyroscopes MEMS, à partir des signaux MEMS et des signaux ASG ; 3060114 4 - recalage, à une quatrième date ultérieure à la troisième date, de la trajectoire en fonction de chaque trajectoire biaisée, des biais unitaires et du vecteur de biais estimé, pour obtenir une trajectoire nominale qui n'est pas entachée par le biais des gyroscopes MEMS. 5 En effet, les gyroscopes MEMS présentent un temps de démarrage court, ce qui rend la centrale inertielle rapidement opérationnelle. La fusion entre les signaux collectés en provenance des gyroscopes MEMS et des gyroscopes ASG contribue à compenser les erreurs liées aux biais introduits par les gyroscopes MEMS. La trajectoire nominale ainsi obtenue n'est plus entachée par le biais 10 des gyroscopes MEMS. En outre, contrairement à d'autres types d'instruments, les gyroscopes MEMS et ASG sont aptes à fournir une mesure en continu, ce qui rend possible leur utilisation dans une telle centrale inertielle. Le procédé d'aide à la navigation objet de l'invention est donc fiable et 15 autorise une mise en route rapide. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, la centrale inertielle de navigation comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - pour chaque gyromètre MEMS, la composante correspondante du 20 vecteur de biais est égale à la moyenne, entre une deuxième date et la quatrième date, de la différence entre une vitesse angulaire issue du signal MEMS correspondant et une vitesse angulaire issue du signal ASG correspondant, la deuxième date étant comprise entre la première date et la troisième date ; - la trajectoire nominale s'obtient en retranchant un décalage à la 25 trajectoire, le décalage étant un terme de correction vectoriel calculé selon : afii 63(n=bw REVENDICATIONS1. Procédé d'aide à la navigation pour centrale inertielle (2) de navigation fixe par rapport à un solide (7), la centrale inertielle (2) comportant au moins un capteur inertiel (4) présentant un axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z), chaque capteur inertiel (4) comprenant un gyroscope ASG (8) et un gyroscope MEMS (10) solidaires l'un de l'autre, le gyroscope ASG (8) étant propre à délivrer un signal ASG représentatif d'une rotation autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) correspondant, le gyroscope MEMS (10) étant propre à délivrer un signal MEMS représentatif d'une rotation autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) correspondant, le procédé comportant les étapes : - calcul, entre une première date (t=0) et une troisième date (tcom) ultérieure, d'une trajectoire (Xn(t)) et, pour chaque capteur inertiel (4), d'une trajectoire biaisée (XnDi(t)) correspondante, à partir des signaux MEMS, en supposant, pour la trajectoire biaisée (XnDi(t)), que le capteur inertiel (4) présente un biais unitaire (DOx, DOy, DOz) prédéterminé ; - calcul, à partir de la troisième date (tcom), de la trajectoire (Xn(t)) et de chaque trajectoire biaisée (XnDi(t)) à partir des signaux ASG, en supposant, pour la trajectoire biaisée (XnDi(t)), que le capteur inertiel (4) présente un biais unitaire (DOx, DOy, DOz) prédéterminé ; - estimation d'un vecteur de biais (Bo) introduit par les gyroscopes MEMS (10), à partir des signaux MEMS et des signaux ASG ; - recalage, à une quatrième date (trec) ultérieure à la troisième date (tcom), de la trajectoire (Xn(t)) en fonction de chaque trajectoire biaisée (XnDi(t)), des biais unitaires (DOx, DOy, DOz) et du vecteur de biais (Bo) estimé, pour obtenir une trajectoire nominale (Xn(t)) qui n'est pas entachée par le biais des gyroscopes MEMS (10). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque gyromètre (trec), MEMS (10), la composante correspondante (box, boy, boa) du vecteur de biais (Bo) est égale à la moyenne, entre une deuxième date (td) et la quatrième date It 1 de la différence entre une vitesse angulaire issue du signal MEMS correspondant et une vitesse angulaire 3060114 22 issue du signal ASG correspondant, la deuxième date (td) étant comprise entre la première date (t=0) et la troisième date (tcom). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la trajectoire 5 nominale (Xn(t)) s'obtient en retranchant un décalage (5Xn) à la trajectoire (Xn(t)), le décalage étant un terme de correction vectoriel calculé selon : afii 63(n=bw 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une étape de recouvrement, l'étape de recouvrement comportant : - entre une deuxième date (td) et la troisième date (tcom), la deuxième date (td) étant comprise entre la première date (t=0) et la troisième date (tcom), une 20 première phase pour calculer la trajectoire (Xn(t)) et chaque trajectoire biaisée (XnDi(t)) à partir du signal MEMS ; - à la troisième date (tcom), une commutation pour calculer la trajectoire (Xn(t)) et chaque trajectoire biaisée (XnDi(t)) à partir d'un incrément d'angle (dOcom) correspondant, l'incrément d'angle (decom) étant obtenu, pour chaque axe sensible (X-X, 25 Y-Y, Z-Z), par la relation : decom = OASG(tcom) OMEMS(tcom-Te) - 40 où &Icon-, est l'incrément d'angle ; 3060114 23 eAsG(tcorn) est une grandeur égale au cumul d'incréments (deAsG) d'angle de rotation autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) entre la deuxième date (td) et la troisième date (tcom), calculés à partir du signal ASG à la commutation ; emEms(tcom-Te) est une grandeur égale au cumul d'incréments (deMEMS) 5 d'angle de rotation autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) entre la deuxième date (td) et une durée Te avant la troisième date (tcom), calculés à partir du signal MEMS ; chaque incrément (deMEMS, deAsG) étant égal à l'intégrale, entre deux instants successifs, de la vitesse angulaire (w) de rotation autour d'un axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) issue du signal MEMS ou ASG correspondant, 10 40 est un terme de correction angulaire prédéterminé ; et Te est une durée prédéterminé ; - entre la troisième date (tcom) et la quatrième date (trec), une deuxième phase pour calculer la trajectoire (Xn(t)) et chaque trajectoire biaisée (XnDi(t)) à partir du signal ASG. 15 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la correction angulaire (40) est égale à la moyenne, entre la deuxième date (td) et la troisième date (tcom), des valeurs prises au cours du temps par la quantité (0AsG - emEms), où OASG est une grandeur égale, à un instant donné, au cumul depuis la 20 deuxième date (td) jusqu'audit instant donné, des incréments (deAsG) d'angle de rotation autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) obtenus à partir du signal ASG, pour le capteur inertiel 4 considéré, et OMEMS est une grandeur égale, à un instant donné, au cumul, depuis la deuxième date (td) jusqu'audit instant donné, des incréments (deMEMS) d'angle de rotation 25 autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z), obtenus à partir du signal MEMS. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant, à partir de la quatrième date It,ec 1' le calcul de la trajectoire nominale (Xn(t)) , uniquement à partir des signaux ASG. 30 3060114 24 7. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en oeuvre le procédé d'aide à la navigation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 5 8. Centrale inertielle (2) de navigation fixe par rapport à un solide (7), la centrale inertielle (2) comportant au moins un capteur inertiel (4) présentant un axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z), chaque capteur inertiel (4) comprenant un gyroscope ASG (8) et un gyroscope MEMS (10) solidaires l'un de l'autre, le gyroscope ASG (8) étant propre à délivrer un signal ASG représentatif d'une rotation autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) 10 correspondant, le gyroscope MEMS (10) étant propre à délivrer un signal MEMS représentatif d'une rotation autour de l'axe sensible (X-X, Y-Y, Z-Z) correspondant, la centrale inertielle (2) comprenant, en outre, un calculateur (6) configuré pour mettre en oeuvre le procédé d'aide à la navigation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.