Brevet FR3128780A1 — publié le 20230505

Système de navigation inertielle (1) destiné à être embarqué sur un véhicule (S), comprenant au moins deux premiers cœurs inertiels (10.1, 10.2, 10.3) de type lié au véhicule et au moins deux deuxièmes cœurs inertiels (20.1, 20.2, 20.3) solidaires chacun d’une table (30.1, 30.2, 30.3) montée pour pivoter autour d’un axe de rotation (R1, R2, R3), les axes de rotation des deuxièmes cœurs inertiels étant décalés angulairement l’un par rapport à l’autre, le système comprenant une unité électronique de calcul de localisation (50) qui est reliée aux cœurs inertiels et à un moteur d’entraînement en rotation des tables pour les commander et qui met en œuvre au moins un algorithme de filtrage pour observer et corriger un écart entre des positions fournies par les cœurs, l’unité électronique étant programmée pour commander le moteur pour faire pivoter les tables et traiter des mesures en provenance simultanément des deuxièmes cœurs inertiels dans au moins deux positions angulaires distinctes de chaque table et des premiers cœurs. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 2 Système de navigation à cœurs inertiels pivotants La présente invention concerne le domaine de la navigation et plus particulièrement le domaine de la navigation des véhicules, notamment des sous-marins et plus particulièrement des sous-marins nucléaires lanceurs d’engins (SNLE en français, plus connus aux Etats-Unis et dans le vocabulaire de l’OTAN sous le sigle SSBN pour « Submersible Ship Ballistic missiles Nuclear powered»). Arrière-plan technologique Ces sous-marins ont pour mission de rester en mer plusieurs semaines, voire plusieurs mois, sans être repérés et d’être prêts, dans le cas où les intérêts vitaux de la Nation auraient été attaqués par un autre état, à lancer des missiles sur des cibles stratégiques dudit état. Comme les sous-marins sont détectables et vulnérables lorsqu’ils sont émergés, les sous-marins du type précité restent immergés idéalement toute la durée de leur mission. Cette immersion prolongée a notamment comme conséquence qu’elle empêche l’équipage du sous-marin de déterminer sa position à partir de la position d’astres ou d’amers. Il n’est pas non plus possible de recourir à un système de positionnement par satellites (GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDU) car le sous-marin n’est pas en mesure de recevoir des signaux satellitaires lorsqu’il est en immersion. Or, la connaissance précise de la position du sous-marin dans un repère terrestre (longitude et latitude) est une donnée indispensable à l’accomplissement de sa mission puisqu’elle conditionne également le calcul de la trajectoire des missiles vers leurs cibles. A cette fin, les sous-marins sont équipés d’un dispositif de navigation comprenant au moins une centrale inertielle agencée pour mesurer les mouvements du sous-marin. Ainsi, connaissant une position de départ du sous-marin et intégrant sa dynamique, le dispositif de navigation peut calculer la position du sous-marin à chaque instant de sa navigation. On connait les centrales inertielles de type « à cardans » et les centrales inertielles de type « liée » ou « strapped-down ». Dans le premier type, la centrale comprend un cœur inertiel qui comporte : trois capteurs inertiels linéaires, généralement des accéléromètres, alignés avec trois axes d’un repère de mesure pour mesurer la force spécifique appliquée au cœur ; et trois capteurs angulaires, comme des gyroscopes, pour mesurer des rotations du cœur par rapport au repère inertiel. Le cœur est monté sur le navire par l’intermédiaire d’un mécanisme à cardans comportant des moteurs couples pilotés en fonction des mesures des capteurs angulaires de manière à maintenir fixe l’orientation du repère de mesure par rapport au repère géographique local. Il est alors possible de déterminer, à partir des mesures des capteurs linéaires, le déplacement du sous-marin dans le repère terrestre et d’en déduire une position actuelle à partir d’une position connue dans ce repère (par exemple la position de départ du sous-marin). Ces centrales inertielles sont coûteuses ; elles sont en outre d’une grande complexité mécanique et demandent une maintenance régulière pour garantir leurs performances dans le temps. Ces centrales sont à présent abandonnées au profit de celles du deuxième type. Dans le deuxième type, la centrale comprend un cœur inertiel (ou UMI pour unité de mesure inertielle) qui est fixé par des suspensions dans un boîtier directement fixé au sous-marin et qui comporte : trois capteurs inertiels linéaires, généralement des accéléromètres, alignés sur trois axes d’un repère de mesure pour mesurer la force spécifique appliquée au sous-marin ; et trois capteurs angulaires comme des gyromètres pour mesurer des rotations du repère de mesure par rapport au repère inertiel puis géographique. Un algorithme de localisation peut alors calculer à chaque instant une matrice de rotation pour passer du repère de mesure au repère géographique et de projeter dans le repère géographique les mesures des capteurs linéaires qui sont ensuite intégrées, après compensation de l’accélération gravitationnelle, pour déterminer le déplacement du sous-marin par rapport au repère géographique et d’en déduire sa position dans ce repère. La précision de ces centrales est évidemment fortement dépendante de la précision de chacun des capteurs qui la composent. Or, les mesures fournies par les capteurs sont affectées par des erreurs de différents types (biais des accéléromètres, biais ou dérive des gyromètres, erreur de facteur d’échelle, mésalignement d’axe des axes des accéléromètres et des gyromètres) qu’il est nécessaire de connaître pour les corriger. En outre, la plupart de ces erreurs varient au cours du temps de sorte qu’il n’est pas suffisant de les déterminer en usine pour les corriger une fois pour toute. Pour corriger ces erreurs, il est connu de réaliser une hybridation des mesures d’une première centrale inertielle avec des informations de localisation provenant d’une deuxième source. L’hybridation est réalisée en utilisant un algorithme tel qu’un filtre de Kalman qui observe un écart entre les mesures de la centrale inertielle et les données de localisation émanant de la deuxième source pour corriger les mesures. Ces informations de localisation peuvent être les coordonnées connues du quai le long duquel se trouve le sous-marin, la vitesse nulle du sous-marin à quai, une information de vitesse provenant d’un loch, ou bien encore une position provenant d’un système de positionnement par satellite. Il est connu des centrales inertielles d’un type mixte comportant un cœur inertiel de type « strapped-down » fixé sur une table portée par un mécanisme de rotation autorisant une rotation de la table autour d’un axe de rotation vertical. Cette architecture oblige à avoir un codeur d’angle très précis sur l’axe de rotation pour passer de l’attitude fournie par la centrale portée par la table à l’attitude du véhicule porteur sur lequel est fixée la table. Il est également connu des centrales inertielles d’un type mixte comportant un cœur inertiel de type « strapped-down » fixé sur une table portée par un mécanisme à cardans autorisant une rotation de la table autour de deux axes perpendiculaires l’un à l’autre. Le mécanisme à cardans comprend des moteurs qui sont pilotés pour amener la table dans différentes orientations de manière à moyenner temporellement la projection, dans le repère géographique, des erreurs de mesure. Une telle table est cependant complexe d’un point de vue mécanique et demande d’utiliser des collecteurs tournants pour assurer l’alimentation électrique du cœur inertiel. En outre, cette architecture à axes de rotation ne permet pas de connaitre directement l’attitude (cap, tangage, roulis) du porteur, à moins d’avoir des codeurs d’angles très précis sur les axes et des axes de rotation dont les orientations sont connues (orthogonalités), pour passer de l’attitude fournie par la centrale portée par la table à l’attitude du véhicule porteur sur lequel est fixée la table. Objet de l’invention Un but de l’invention est de fournir un moyen de navigation inertielle ayant une structure fiable fournissant des données de navigation relativement précises. Bref exposé de l’invention Le principe de l’invention repose sur la réalisation de mesures au moyen d’un cœur inertiel monté sur une table pivotante. Ceci permet de moyenner les dérives sauf dans la direction de l’axe de rotation de la table. On a illustré à la , un système de navigation à la surface de la Terre T avec un cœur inertiel monté pour pivoter autour d’un axe de rotation aligné sur la direction verticale locale Zlocal en considérant que le roulis et le tangage du véhicule porteur sont nuls (ce qui est le cas en moyenne). La dérive Dv des gyromètres orientée suivant l’axe de rotation aligné sur la direction verticale locale Zlocal se projette sur l’axe polaire en dérive Dp égale à Dv.sin(Lat) et la dérive Dn orientée suivant l’axe Nord local Nlocal se projette sur l’axe polaire local en Dn.cos(Lat). Le terme sin(Lat) tend vers 1 près du pôle de sorte que les dérives projetées sur l’axe polaire Ap tendent à augmenter lorsqu’on se rapproche du pôle. Or, pour une navigation de longue durée (supérieure à quelques jours), l’erreur prédominante est l’erreur de longitude qui correspond à l’intégrale, en fonction du temps, des dérives des trois gyromètres projetées suivant l’axe polaire Ap. En revanche, les dérives des gyromètres qui se projettent dans le plan équatorial (plan perpendiculaire à l’axe polaire Ap) créent en général des erreurs de position et cap à période de vingt-quatre heures qui ne sont pas divergentes. Selon l’invention, on prévoit un système de navigation inertielle destiné à être embarqué sur un véhicule, comprenant au moins deux premiers cœurs inertiels de type lié et deux deuxièmes cœurs inertiels solidaires chacun d’une table montée pour pivoter autour d’un axe de rotation, les axes de rotation des deuxièmes cœurs inertiels étant décalés angulairement l’un par rapport à l’autre. Le système comprend en outre au moins une unité électronique de calcul de localisation qui est reliée aux cœurs inertiels et à un moteur d’entraînement en rotation de la table pour les commander et qui met en œuvre au moins un algorithme de filtrage pour observer et corriger un écart entre des positions fournies par les cœurs. L’unité électronique est programmée pour commander le moteur pour faire pivoter les tables et traiter des mesures en provenance d’une part des deuxièmes cœurs inertiels dans au moins deux positions angulaires distinctes de chaque table et d’autre part des premiers cœurs. Sur la , on a représenté un système dont les deuxièmes cœurs ont des axes de rotation R1, R2, R3 agencés pour former un trièdre. Dans la position occupée, l’axe de rotation R1 est celui dont la projection sur l’axe polaire Ap est la plus défavorable et va grandement contribuer à la divergence de l’erreur de longitude tandis que l’axe de rotation R2 est celui dont la projection sur l’axe polaire Ap est la plus favorable et va le moins contribuer à la divergence de l’erreur de longitude. On comprend que, avec au moins deux axes de rotation formant un angle entre eux, il y aura toujours au moins l’un des axes de rotation dans une position relativement favorable pour le traitement des dérives, y compris au voisinage des pôles. Ainsi, la précision des cœurs inertiels peut être améliorée notamment lors des déplacements du véhicule. Optionnellement, le système comprend trois premiers cœurs inertiels et trois deuxièmes cœurs inertiels. De préférence alors, les axes de rotation des tables forment un trièdre et le trièdre a de préférence une trisectrice s’étendant selon une direction verticale du véhicule en l’absence de roulis et de tangage. De préférence, en relation avec la première caractéristique additionnelle particulière, les axes de rotation des tables s’étendent dans un plan horizontal du véhicule. Avantageusement, les axes de rotation des tables sont orthogonaux entre eux. Selon une caractéristique additionnelle, l’algorithme de filtrage comprend au moins deux filtres de Kalman alimentés en mesures chacun par au moins un des premiers cœurs et au moins un des deuxièmes cœurs. Avantageusement alors : - l’algorithme de filtrage comprend trois filtres de Kalman alimentés en mesures par deux des deuxièmes cœurs ; ou - l’unité électronique de navigation comprend au moins deux modules de navigation qui sont reliés chacun à au moins un des premiers cœurs et au moins un des deuxièmes cœurs et qui sont agencés chacun pour déterminer une première localisation du véhicule à partir des mesures fournies par les cœurs, chaque module de navigation étant associé à un des filtres ; l’unité électronique de navigation déterminant une deuxième localisation du véhicule à partir d’une moyenne des premières localisations pondérées en fonction d’une information de précision fournie par chaque filtre. Selon une caractéristique additionnelle alternative, l’algorithme de filtrage comprend un filtre alimenté en données par les trois premiers cœurs et les trois deuxièmes cœurs. Dans une version préférée de l’invention mettant en œuvre une phase d’initialisation et une phase de navigation, la précision des deuxièmes cœurs inertiels peut être améliorée lors de la phase d’initialisation alors que le véhicule est à l’arrêt et la précision des localisations des premiers cœurs inertiels est améliorée lors de la phase de navigation à partir des mesures des deuxièmes cœurs inertiels. La table est utilisée lors de la phase de navigation, pour améliorer la précision du système de navigation. Les rotations de la table se font alors par rapport au repère du véhicule porteur. De préférence, l’amplitude des rotations est de 180° de sorte que, à cap constant, les erreurs se moyennent dans le repère géographique. Cela a pour avantage de limiter l’amplitude angulaire des rotations de la table et permet d’utiliser un simple câble flexible (suffisamment souple pour ne pas interférer avec les mouvements de la table) au lieu d’un collecteur tournant pour raccorder l’unité électronique au deuxième cœur inertiel. Ceci permet de simplifier l’architecture du système de navigation, en augmenter la fiabilité et en diminuer le coût. L’unité électronique de navigation est programmée pour mettre en œuvre une phase d’initialisation durant laquelle le véhicule porteur est immobile et l’unité électronique commande les moteurs pour faire pivoter chaque table et traite des mesures en provenance des deuxièmes cœurs inertiels dans au moins deux positions angulaires distinctes de la table en vue d’en déduire des erreurs, et une phase de navigation durant laquelle l’unité électronique compare les mesures des premiers cœurs inertiels avec celles des deuxièmes cœurs inertiels durant cette phase pour corriger des erreurs des premiers cœurs inertiels. Avantageusement alors, l’unité électronique de commande est programmée pour, lors de la phase de navigation, commander les moteurs pour faire pivoter les tables et traiter des mesures des deuxièmes cœurs inertiels dans au moins deux positions angulaires distinctes des tables en vue d’en déduire des erreurs. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de mise en œuvre particuliers et non limitatifs de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : la est une vue schématique partielle en perspective d’un sous-marin équipé d’un système de navigation selon l’invention ; la est une vue schématique en perspective d’un tel système de navigation, selon un premier mode de réalisation ; la est une vue schématique d’une des centrales inertielles du système de navigation selon le premier mode de réalisation ; la est une vue schématique partielle, en perspective, d’un système de navigation selon un deuxième mode de réalisation ; la est un schéma montrant l’architecture d’une partie d’un système de navigation selon un troisième mode de réalisation ; la est une vue en perspective montrant le positionnement des axes de rotation par rapport à la verticale dans un système de navigation selon un quatrième mode de réalisation ; la est une vue en perspective montrant le positionnement des axes de rotation par rapport à la verticale dans un système de navigation selon un cinquième mode de réalisation ; la est un schéma permettant de visualiser les erreurs de navigation pour un système de navigation selon l’art antérieur ; la est une vue analogue à la pour le système de navigation selon l’invention. Système de navigation inertielle (1) destiné à être embarqué sur un véhicule (S), comprenant au moins deux premiers cœurs inertiels (10.1, 10.2, 10.3) de type lié au véhicule et au moins deux deuxièmes cœurs inertiels (20.1, 20.2, 20.3) solidaires chacun d’une table (30.1, 30.2, 30.3) montée pour pivoter autour d’un axe de rotation (R1, R2, R3), les axes de rotation des deuxièmes cœurs inertiels étant décalés angulairement l’un par rapport à l’autre, le système comprenant une unité électronique de calcul de localisation (50) qui est reliée aux cœurs inertiels et à un moteur d’entraînement en rotation des tables pour les commander et qui met en œuvre au moins un algorithme de filtrage pour observer et corriger un écart entre des positions fournies par les cœurs, l’unité électronique étant programmée pour commander le moteur pour faire pivoter les tables et traiter des mesures en provenance simultanément des deuxièmes cœurs inertiels dans au moins deux positions angulaires distinctes de chaque table et des premiers cœurs. Système de navigation selon la revendication 1, comprenant trois premiers cœurs inertiels (10.1, 10.2, 10.3) et trois deuxièmes cœurs inertiels (20.1, 20.2, 20.3). Système de navigation selon la revendication 2, dans lequel les axes de rotation (R1, R2, R3) des tables (30.1, 30.2, 30.3) forment un trièdre. Système de navigation selon la revendication 3, dans lequel le trièdre a une trisectrice s’étendant selon une direction verticale du véhicule en l’absence de roulis et de tangage. Système de navigation selon la revendication 2, dans lequel les axes de rotation (R1, R2, R3) des tables s’étendent dans un plan horizontal du véhicule. Système de navigation selon la revendication 3 ou la revendication 5, dans lequel les axes de rotation (R1, R2, R3) des tables (30.1, 30.2, 30.3) sont orthogonaux entre eux. Système de navigation selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel l’algorithme de filtrage comprend au moins deux filtres de Kalman alimentés en mesures chacun par au moins un des premiers cœurs (10.1, 10.2, 10.3) et au moins un des deuxièmes cœurs (20.1, 20.2, 20.3). Système de navigation selon la revendication 7, dans lequel l’algorithme de filtrage comprend trois filtres de Kalman alimentés en mesures par deux des deuxièmes cœurs (20.1, 20.2, 20.3). Système de navigation selon la revendication 7, dans lequel l’unité électronique de navigation comprend au moins deux modules de navigation qui sont reliés chacun à au moins un des premiers cœurs et au moins un des deuxièmes cœurs et qui sont agencés chacun pour déterminer une première localisation du véhicule à partir des mesures fournies par les cœurs, chaque module de navigation étant associé à un des filtres ; l’unité électronique de navigation déterminant une deuxième localisation du véhicule à partir d’une moyenne des premières localisations pondérées en fonction d’une information de précision fournie par chaque filtre. Système de navigation selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel l’algorithme de filtrage comprend un filtre alimenté en données par les trois premiers cœurs (10.1, 10.2, 10.3) et les trois deuxièmes cœurs (20.1, 20.2, 20.3). Système de navigation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité électronique de navigation (50) est programmée pour mettre en œuvre une phase d’initialisation durant laquelle le véhicule porteur est immobile et l’unité électronique commande les moteurs pour faire pivoter chaque table (30.1, 30.2, 30.3) et traite des mesures en provenance des deuxièmes cœurs inertiels (20.1, 20.2, 20.3) dans au moins deux positions angulaires distinctes de la table en vue d’en déduire des erreurs, et une phase de navigation durant laquelle l’unité électronique compare les mesures des premiers cœurs inertiels (10.1, 10.2, 10.3) avec celles des deuxièmes cœurs inertiels durant cette phase pour corriger des erreurs des premiers cœurs inertiels. Système selon la revendication 10, dans lequel l’unité électronique de commande (50) est programmée pour, lors de la phase de navigation, commander les moteurs pour faire pivoter les tables (30.1, 30.2, 30.3) et traiter des mesures des deuxièmes cœurs inertiels dans au moins deux positions angulaires distinctes des tables en vue d’en déduire des erreurs.