Brevet FR3100066A1 — publié le 20210226

Description Titre de l'invention : Détection d'une opération de leurrage d'un récepteur de signaux satellitaires [0001] ARRIERE PLAN DE L'INVENTION [0002] La présente invention concerne le domaine de la navigation et plus précisément le positionnement et la navigation au moyen notamment de la réception de signaux satellitaires émis par des satellites appartenant à une constellation de satellites répartis autour de la Terre. Le positionnement par satellites (ou GNSS de l'anglais « Global Navigation Satellite System ») est mis en oeuvre principalement par les systèmes GPS, Galileo, GLONASS et BeiDou. L'invention concerne plus particulièrement la navigation inertielle aidée par la réception des signaux satellitaires. [0003] Le positionnement satellitaire consiste à recevoir des signaux émis par des satellites dont la position est connue et de déduire de la durée (ou temps de vol), entre l'émission et la réception de chacun des signaux, une mesure dite de pscudo-distance séparant le récepteur des signaux satellitaires (communément, et parfois improprement, appelés récepteurs ON) et chacun des satellites dont le signal a été reçu (chaque signal comportant un identifiant du satellite et l'horaire d'émission du signal). Ainsi, il suffit de disposer des signaux de quatre satellites pour disposer de la latitude, de la longitude et de l'altitude du récepteur ainsi que d'une erreur sur les durées mesurées, niais le positionnement est d'autant plus précis qu'est grand le nombre de satellites dont les signaux ont été pris en compte par le récepteur pour calculer sa position. [0004] 11 en résulte que ce système de positionnement, qui est relativement précis, s'est largement répandu et de nombreux véhicules sont désormais équipés d'un récepteur de signaux satellitaires. Du fait dc la baisse des coûts des récepteurs de signaux satellitaires, la plupart des gens disposent en outre de téléphones portables de type smartphone (ou ordiphone) eux-mêmes pourvus d'un récepteur de signaux satellitaires. [0005] En parallèle de cc développement des récepteurs de signaux satellitaires, sont apparus des dispositifs leurrants pour leurrer ces récepteurs de signaux satellitaires (on parle de « leurrage » ou de « spoofing » des récepteurs). Un tel dispositif comprend une unité électronique de traitement reliée à un émetteur de signaux radiofréquences pour émettre des signaux frauduleux ayant les caractéristiques des signaux satellitaires. Plus précisément, l'unité électronique de traitement est agencée pour élaborer, à partir d'une position initiale réelle d'un récepteur de signaux satellitaires, des signaux frauduleux qui, lorsqu'ils sont captés par le récepteur de signaux satellitaires, conduisent le récepteur de signaux satellitaires à calculer une position erronée. La position initiale réelle du récepteur de signaux satellitaires peut être détectée par 2 exemple au moyen d'un télémètre laser ou communiquée par le véhicule embarquant le récepteur de signaux satellitaires comme l'imposent certaines règles de navigation, notamment aérienne et maritime (signaux ADS-B ou AIS émis par les véhicules pour communiquer sa position à ses voisins). [0006] Pour que les signaux frauduleux soient pris en compte par le récepteur de signaux sa- tellitaires, il ne suffit pas d'émettre les signaux frauduleux avec une puissance supérieure aux signaux satellitaires originaux. Il faut également que les signaux frauduleux aient la même phase de code et un effet Doppler se trouvant dans la même gamme que celles des signaux satellitaires préalablement reçus par le récepteur de signaux satellitaires. Si le premier signal frauduleux reçu est cohérent avec la position calculée dernièrement par le récepteur de signaux satellitaires et avec les signaux satellitaires reçus antérieurement, et si les signaux frauduleux ultérieurement reçus sont cohérents entre eux, les signaux frauduleux seront utilisés par le récepteur de signaux satellitaires comme s'ils étaient de vrais signaux satellitaires et l'erreur sur la position réelle du récepteur de signaux satellitaires ne pourra pas être détectée. [0007] Il est connu des systèmes de navigation hybride qui fusionnent des données inertielles de positionnement provenant d'une centrale inertielle de navigation et des données satellitaires de positionnement provenant d'un récepteur de signaux satellitaires. Ces systèmes de navigation intègrent un ou plusieurs filtres de Kalman agencés pour que la navigation hybride soit recalée sur les données satellitaires de positionnement. Le filtre de Kalman est protégé par un test d'innovation pour détecter les mesures aberrantes et les rejeter. Cependant, si les signaux frauduleux ont suffisamment de cohérence, alors ils peuvent satisfaire ce test d'innovation et il est donc ainsi possible d'amener la navigation hybride à suivre la position leurrée. Ainsi, dans ces systèmes, les données satellitaires de positionnement qui permettent de compenser les erreurs des données inertielles de positionnement sur le long terme de sorte que des signaux frauduleux entraîneraient une erreur de navigation malgré l'hybridation des données satellitaires de positionnement avec des données inertielles de positionnement. [0008] On comprend donc que la mise en oeuvre de tels dispositifs leurrants peut être préju- diciable à la sécurité d'un véhicule leurré et éventuellement à celle des véhicules évoluant dans la même zone que le véhicule leurré. [0009] OBJET DE L'INVENTION [0010] L'invention a notamment pour but de détecter une opération de leurrage. Résumé de l'invention [0011] A cet effet, on prévoit, selon l'invention un procédé de navigation au moyen d'un récepteur de signaux satellitaires embarqué dans un véhicule comprenant une unité électronique de navigation reliée au récepteur de signaux satellitaires et à une centrale 3 de positionnement non satellitaire pour calculer une navigation opérationnelle hybridée à partir de données non satellitaires de positionnement et de données satellitaires de positionnement. Le procédé comprend les étapes de : [0012] - calculer une première navigation de référence, hybridée à partir des données non sa- tellitaires de positionnement et des données satellitaires de positionnement, la première navigation de référence étant recalée sur les données satellitaires de positionnement ; [0013] - calculer une deuxième navigation de référence à partir des données non satellitaires de positionnement ; [0014] - comparer une sortie de la première navigation de référence et une sortie de la deuxième navigation de référence et en déduire une existence ou une absence d'opération de leurrage du récepteur de signaux satellitaires. [0015] Ainsi, le procédé selon l'invention permet de détecter une exposition d'un récepteur de signaux satellitaires à une opération de leurrage. Il est dès lors possible d'alerter l'utilisateur de l'existence de cette opération de leurrage, détecter la fin de l'exposition aux signaux frauduleux et rétablir relativement rapidement les performances nominales de la navigation. [0016] L'invention a également pour objet une unité électronique de navigation programmée pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus. [0017] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention. Brève description des dessins [0018] 11 sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : [0019] [fig.1] la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention lors d'une opération de leurrage. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 100201 En référence à la figure, l'invention est ici décrite en application à un aéronef 1 équipé d'un système de navigation généralement désigné en 10 comprenant un récepteur de signaux satellitaires 20 et une centrale de positionnement inertiel 30 qui sont reliés à une unité électronique de navigation 40. 100211 Le récepteur de signaux satellitaires 20 est agencé, de manière connue en lui-même, pour recevoir des signaux satellitaires de positionnement émis par des satellites d'une constellation de satellites S d'au moins un système de positionnement par satellites (GNSS) tel que GPS, Galileo, GLONASS et BeiDou et pour calculer, à partir de ces signaux satellitaires, des données satellitaires de positionnement telles qu'une pseudodistance, une mesure de phase, une latitude, une longitude, une altitude, et une erreur temporelle. 100221 La centrale inertielle 30 comprend une unité de mesure inertielle comportant des capteurs inertiels, ici classiquement trois accéléromètres disposés selon les axes d'un repère de mesure et trois gyromètres disposés pour mesurer des rotations de ce repère de mesure par rapport à un repère de référence. La centrale de mesure inertielle 30 comprend en outre, de manière connue en elle-même, une unité de traitement agencée pour déterminer des données inertielles de positionnement, telles que des données de position, d'attitude et de vitesses, à partir des signaux de mesure produits par les capteurs inertiels. [0023] L'unité électronique de navigation 40 comprend un ou des processeurs et une mémoire contenant au moins un programme contenant des instructions mettant en oeuvre le procédé de l'invention. En particulier, l'unité électronique de navigation 40 est programmée pour calculer des navigations en utilisant les données de positionnement. [0024] Lors de l'exécution de cc programme, l'unité électronique de navigation 40 calcule une navigation opérationnelle hybridée à partir des données inertielles de positionnement et des données satellitaires de positionnement. La navigation hybridée peut être basée sur un couplage lâche en position (et/ou vitesse) ou un couplage serré en pscudo-distance (et/ou delta range). Pour réaliser l'hybridation, le programme met en oeuvre un filtre de Kalman qui comprend une banque de filtres et qui est protégé par un test d'innovation visant à vérifier la cohérence des données satellitaires de positionnement entre elles. Le test d'innovation est connu en lui-même et permet de détecter et rejeter les mesures aberrantes. [0025] La navigation opérationnelle est utilisée pour le pilotage du véhicule afin de faire suivre au véhicule une route prédéterminée. [0026] Le procédé de l'invention vise à détecter une opération de leurrage lors de laquelle un dispositif leurrant D, ici au sol, connaissant la position réelle de l'aéronef 1, émet des signaux satellitaires frauduleux destinés à être reçu par le récepteur de signaux satellitaires 20 et pris en compte dans le calcul de la navigation hybridée à la place des signaux satellitaires authentiques pour amener l'aéronef 1 sur une trajectoire réelle différente de celle indiquée par le système de navigation. La structure et le fonctionnement du dispositif leurrant D sont connus en eux-mêmes et ne seront pas plus décrits ici. [0027] Afin de détecter une telle opération de leurrage, l'unité électronique de navigation 40 est en outre agencée pour exécuter des processus de détection de leurrage, processus qui sont ici avantageusement combinés. [0028] Selon un premier processus de détection, l'unité électronique de navigation 40 calcule deux autres navigations, et plus précisément une navigation hybridée et une navigation non hybridée, à savoir : [0029] une première navigation de référence, hybridée à partir des données inertielles de positionnement et des données satellitaires de positionnement, la première navigation de référence étant recalée sur les données satellitaires de positionnement ; une deuxième navigation de référence uniquement à partir des données inertielles de positionnement. [0030] La première navigation de référence n'est pas une navigation opérationnelle : elle ne sert qu'à détecter le leurrage. Pour forcer la première navigation de référence à être sensible (ou sujette) au leurrage, le test d'innovation est désactivé. [0031] La deuxième navigation de référence peut résulter de la mise en oeuvre d'un filtre de Kalman non recalé. La mise en oeuvre d'un filtre de Kalman non recalé par la deuxième navigation permet en outre d'élaborer un indicateur de qualité cohérent. [0032] L'unité électronique de navigation 40 compare ensuite une sortie de la première na- vigation de référence et une sortie de la deuxième navigation de référence et en déduit une existence ou une absence d'opération de leurrage du récepteur de signaux satellitaires. [0033] Dans la première navigation de référence, le filtre de Kalman est paramétré pour recaler la navigation sur les données satellitaires de sorte que, en cas de lcurrage, le filtre de Kalman va produire une modélisation anormale des erreurs des capteurs inertiels. Ainsi, on force la première navigation de référence à suivre les données satellitaires quand bien même elles seraient erronées. Disposer de la première navigation de référence et de la deuxième navigation de référence permet de comparer la dynamique de la navigation inertielle avec la dynamique de la navigation hybridée qui est forcée de suivre les données satellitaires. [0034] L'unité électronique de navigation 40 est agencée pour déterminer un écart entre la vitesse issue de la première navigation de référence et la vitesse issue de la deuxième navigation de référence et pour comparer cet écart à un seuil prédéterminé. Le seuil prédéterminé est égal à un multiple d'un écart-type calculé à partir d'une loi de distribution des écarts de vitesse, le multiple étant de préférence 4. [0035] Selon un deuxième processus de détection de leurrage, l'unité électronique de na- vigation 40 est agencée pour estimer à partir de la première navigation de référence au moins une estimation d'erreur d'au moins un capteur inertiel de la centrale de positionnement non satellitaire et comparer l'estimation à un seuil prédéterminé. L'unité électronique de navigation 40 est ici agencée pour estimer pour la première navigation de référence au moins une dérive gyrométrique et de comparer la dérive gyrométrique estimée à un seuil prédéterminé. En l'espèce, trois dérives gyrométriques sont ici estimées : [0036] - deux dérives horizontales ; une dérive de cap. 6 [0037] Pour chacune de ces trois dérives, le seuil prédéterminé est égal à un multiple d'un écart-type calculé à partir d'une loi de distribution de la dérive, le multiple étant de préférence égal à 4. [0038] On notera que l'utilisation d'un seuil non pas forfaitaire mais basé sur les écart-types calculés par les filtres d'hybridation permet d'améliorer la sensibilité de la détection de leurrage en prenant en compte la qualité courante des navigations calculées, et par la même en prenant en compte les caractéristiques naturelles d'une navigation non recalée (période de Schulcr, oscillation 24h). [0039] Selon un troisième processus de détection, la navigation opérationnelle hybride (qui met en oeuvre un test d'innovation) est surveillée afin de s'assurer que le test d'innovation ne remonte pas un taux de rejet supérieur à un seuil prédéterminé représentatif d'une anormalité. [0040] Lorsque l'un des processus de détection révèle une opération de leurrage, il renvoie une alerte. On notera que les processus de détection sont exécutés simultanément par un même programme informatique de sorte que tous les processus de détection soient actifs simultanément et indépendamment. [0041] Le procédé de l'invention, dans ce mode de réalisation particulier, combine les résultats des processus de détection pour évaluer la crédibilité de la menace. [0042] Ainsi, l'unité électronique de navigation 40 peut être programmée pour émettre une alerte de menace crédible dès que l'un des processus de détection a identifié un écart. L'alerte peut avoir différents niveaux selon que : [0043] le deuxième processus de détection a émis une alerte pour au moins l'un des capteurs inertiels surveillés ; le deuxième processus de détection a émis une alerte simultanément pour plusieurs des capteurs inertiels surveillés ; le deuxième processus de détection a émis une alerte simultanément pour tous les capteurs inertiels surveillés ; la navigation opérationnelle hybride (qui met en oeuvre un test (l'innovation) remonte un taux de rejet anormal. [0044] L'unité électronique de navigation 40 est agencée pour établir une note de la menace qui s'incrémente de 1 à chaque fois qu'un des critères ci-dessus est satisfait. La note peut donc être comprise entre 1 et 5. et ; [0045] On pourrait considérer que : [0046] une note égale à 1 ou 2 indique une menace peu crédible une note égale à 3 ou 4 indique une menace potentielle ; une note égale 5 indique la présence crédible d'une menace. [0047] On notera qu'il est important de conserver une navigation opérationnelle distincte des deux navigations de référence car le récepteur de signaux satellitaires peut être sujet à 7 une opération de leurrage pendant plusieurs dizaines de minutes : il ne serait donc pas possible de s'en remettre uniquement aux données inertielles de positionnement pour assurer la navigation. [0048] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. [0049] En particulier, le système de navigation du véhicule peut être différent de celui décrit. [0050] Le véhicule peut être équipé de plusieurs centrales inertielles fournissant chacune une navigation inertielle. On pourra prévoir d'utiliser chacune de ces navigations inertielles comme navigation de référence pour la détection de 'curage : il y aura donc autant de processus de détection distincts qui seront combinés pour assurer une détection consolidée. En variante, seulement une partie des navigations inertielles peut être utilisée comme navigation de référence. En variante encore, il est possible d'utiliser une moyenne de tout ou partie de ces navigations inertielles pour former une navigation de référence pour la détection de leurrage. [0051] La centrale de navigation non satellitaire peut être une centrale inertielle mais également un autre type de centrale comme une centrale de navigation optique fonctionnement à partir de la position des astres ou d'amers. [0052] Pour une application à un récepteur satellitaire agencé pour recevoir des signaux sa- tellitaires des satellites de plusieurs systèmes de positionnement par satellites (GNSS), on prévoira avantageusement de réaliser une détection de leurrage pour chacun de ces systèmes. [0053] Le seuil prédéterminé de vitesse peut être différent de celui mentionné plus haut et par exemple égal à: [0054] un multiple d'un écart-type calculé à partir d'une loi de distribution des écarts de vitesse, le multiple étant de préférence 3 ; une valeur prédéterminée d'écart de vitesse, de préférence 3 mètres par seconde environ. [0055] L'unité électronique de navigation peut être agencée pour estimer pour la première navigation de référence au moins un biais accélérométrique et comparer le biais accélérométrique estimé à un seuil prédéterminé. [0056] Le procédé peut comprendre les étapes de : [0057] déterminer un écart entre la vitesse issue de la première navigation de référence et la vitesse issue de la deuxième navigation de référence, et comparer cet écart à un seuil prédéterminé ; estimer à partir de la première navigation de référence au moins un biais accélérométrique et le comparer à un seuil prédéterminé ; estimer à partir de la première navigation de référence au moins une dérive 8 gyrométrique et la comparer à un seuil prédéterminé ; [0058] et l'étape d'émettre une alerte en cas de dépassement d'un des seuils prédéterminés. Il est possible, mais pas obligatoire, d'attribuer une note minimale au premier dépassement de seuil et de la relever à chaque fois qu'un autre seuil est dépassé, la probabilité de leurrage étant proportionnelle au nombre de dépassements. [0059] Le procédé peut comprendre les étapes de : [0060] estimer à partir de la première navigation de référence des erreurs de capteurs de la centrale de positionnement non satellitaire ; comparer l'estimation d'erreur de chaque capteur à un seuil prédéterminé ; émettre une alerte en fonction du nombre de dépassements de seuil, la probabilité de leurrage étant proportionnelle au nombre de dépassements. [0061] Bien que la combinaison des processus de détection soit extrêmement efficace, l'invention s'applique à l'utilisation d'un seul de ces processus de navigation, ou de deux ou plus en association. [0062] Le programme peut mettre en oeuvre un ou plusieurs filtres de Kaltnan. [0063] Le système de notation peut être différent de celui décrit. Dans le cas où N processus de détection sont mis en oeuvre, on peut prévoir que la note varie de 1 à N avec : [0064] une note inférieure à N/3 pour indiquer une menace peu crédible une note comprise entre N/3 et 2.N/3 pour indiquer une menace potentielle ; une note supérieure à 2.N/3 pour indiquer la présence crédible d'une menace. [0065] D'autres choix de notation sont possibles afin de limiter les risques de fausse alarme ou de non détection. 9 REVENDICATIONS[Revendication I] Procédé de navigation au moyen d'un récepteur de signaux satellitaires embarqué dans un véhicule comprenant une unité électronique de navigation reliée au récepteur de signaux satellitaires et à une centrale de positionnement non satellitaire pour calculer une navigation opérationnelle hybridée à partir de données non satellitaires de positionnement et de données satellitaires de positionnement, le procédé comprenant les étapes de : - calculer une première navigation de référence, hybridée à partir des données non satellitaires de positionnement et des données satellitaires de positionnement, la première navigation de référence étant recalée sur les données satellitaires de positionnement ; - calculer une deuxième navigation de référence à partir des données non satellitaires de positionnement ; - comparer une sortie de la première navigation de référence et une sortie de la deuxième navigation de référence et en déduire une existence ou une absence d'opération de leurrage du récepteur de signaux satellitaires. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape de déterminer un écart entre la vitesse issue de la première navigation de référence et la vitesse issue de la deuxième navigation de référence et de comparer cet écart à un seuil prédéterminé. [Revendication 3] Procédé selon la revendication 2, dans lequel le seuil prédéterminé est égal à un multiple d'un écart-type calculé à partir d'une loi de distribution des écarts de vitesse, le multiple étant de préférence 3. [Revendication 4] Procédé selon la revendication 2, dans lequel le seuil prédéterminé est égal à un multiple d'un écart-type calculée à partir d'une loi de distribution des écarts de vitesse, le multiple étant de préférence 4. [Revendication 5] Procédé selon la revendication 2, dans lequel le seuil prédéterminé est égal à une valeur prédéterminée d'écart de vitesse, de préférence 3 mètres par seconde environ. [Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes d'estimer à partir de la première navigation de référence au moins une estimation d'erreur d'au moins un capteur inertiel de la centrale de positionnement. non satellitaire et comparer l'estimation à un seuil prédéterminé. [Revendication 7] Procédé selon la revendication 6, comprenant les étapes d'estimer pour 10 la première navigation de référence au moins un biais accélérométrique et de comparer le biais accélérométrique estimé à un seuil prédéterminé. [Revendication 8] Procédé selon la revendication 6, comprenant les étapes d'estimer pour la première navigation de référence au moins une dérive gyrométrique et de comparer la dérive gyrométrique estimée à un seuil prédéterminé. [Revendication 9] Procédé selon la revendication 8, dans lequel la dérive gyrométrique estimée est une dérive horizontale. [Revendication 10] Procédé selon la revendication 8, dans lequel la dérive gyrométrique estimée est une dérive de cap. [Revendication 11] Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le seuil prédéterminé est égal à un multiple d'un écart-type calculé à partir d'une loi de distribution de l'erreur, le multiple étant de préférence égal à 4. [Revendication 12] Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes de : - estimer à partir de la première navigation de référence des erreurs de capteurs de la centrale de positionnement non satellitaire ; - comparer l'estimation d'erreur de chaque capteur à un seuil prédéterminé ; - émettre une alerte en fonction du nombre de dépassements de seuil, la probabilité de 'curage étant proportionnelle au nombre de dépassements. [Revendication 13] Système de navigation comprenant une unité électronique de navigation programmée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.