CA2929728A1 - Systeme magnetique hybride inertiel de determination de la position et l'orientation d'un corps mobile - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système de détermination sans contact de la position et de l'orientation d'un premier objet mobile (M) par rapport à un repère de référence (RP) porté par un second objet fixe ou mobile (P), dans un environnement électromagnétique perturbé comprenant une antenne d'émission (E) à noyaux ferromagnétique (E-1) de perméabilité magnétiques supérieure à 10, intégrant des capteurs (E-3) de mesure du champ magnétique Xu effectivement émis par les axes de (E-1). Un moyen (4-4) d'extraction du signal corrélé avec le bruit environnant XBR (Tk-KbTe) - issu des capteurs (Sb) fixées dans la plateforme (P), forme avec la mesure Xu de l'induction magnétique émise, un modèle complet des champs mesurés permettant l'extraction sans erreurs des 6 paramètres relatifs au modèle de champ sans perturbateurs.

Description

Système magnétique hybridé inertiel de détermination de la position et l'orientation d'un corps mobile Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est la mesure de la position et de l'orientation d'un corps mobile M, qui se déplace en translation et en rotation par rapport à un repère de référence lié à une structure fixe ou mobile P par rapport à un repère de référence fixe type repère galiléen. Notamment, l'invention concerne la détermination de la position et l'orientation (P/0) du casque d'un pilote dans le repère de référence de l'aéronef, P/0 à partir de laquelle la position angulaire d'une cible extérieure est déterminée dans ce même repère par la visée au travers d'un système comprenant le visuel de casque du pilote. De façon connue, le pilote superpose à la cible extérieure l'image d'une croix collimatée projetée sur sa visière transparente, et acquiert la mesure effectuée par le dispositif en appuyant sur un bouton poussoir.
Plus précisément, concernant les dispositifs de détermination de la P/0 appelés DDP pour Détection de Position (ou trackers en anglais) de technologie magnétique, le principal problème de la détermination de la position et l'orientation d'un corps mobile par rapport à un repère de référence lié à une structure fixe ou mobile devant être déterminé avec précision provient d'un environnement électromagnétique très perturbé par des champs magnétiques rayonnés (EMI pour Electromagnetic Interferences, ECI pour Eddy Currents Interférences ou champs dus aux courants de Foucault) et/ou des champs magnétiques induits par des corps ferromagnétiques (FMI pour FerroMagnetic Interferences), environnements comme les cockpits des aéronefs et plus particulièrement des hélicoptères, les salles d'opération chirurgicales, etc. Ainsi, la précision est très dégradée en présence de ces interférences. Le problème consiste

- 2 -donc à trouver les moyens d'améliorer les performances malgré
les perturbations.
Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique le brevet américain US7640106 décrivant un appareil pour déterminer la position d'un objet sélectionné par rapport à une image de référence mobile, l'appareil comprenant au moins une référence assemblage trame d'émission-réception solidaire du cadre de référence se déplaçant, au moins un objet ensemble émetteur-récepteur fixé solidement à l'objet sélectionné, une mesure inertielle l'unité fermement fixée à l'objet sélectionné, un système de navigation par inertie solidaire de l'image de référence mobile, et un processeur de suivi couplé avec l'assemblage objet de l'émetteur-récepteur, à l'unité de mesure inertielle et le système de navigation à inertie, l'ensemble objet de l'émetteur-récepteur communiquant avec le Assemblée cadre de référence de l'émetteur-récepteur utilisant des champs magnétiques, l'unité de mesure inertielle produire mesures inertielles IMU du mouvement de l'objet sélectionné par rapport à un cadre de référence inertielle fixe, le système de navigation inertielle production INS mesures inertielles du mouvement du cadre de référence mobile par rapport à la trame de référence inertielle fixe, le processeur de suivi recevoir des mesures électromagnétiques résultant de la communication magnétique entre l'ensemble émetteur-récepteur de trame de référence et l'ensemble objet de l'émetteur-récepteur, le processeur de suivi de la détermination de la position de l'objet sélectionné par rapport à l'image de référence mobile à
l'aide des mesures inertielles IMU et les mesures inertielles INS pour optimiser les mesures électromagnétiques.
On connaît aussi dans l'état de la technique le brevet FR2807831 décrivant un dispositif de mesure de la position et de l'orientation d'un objet mobile par rapport à une

3 structure fixe, dans un environnement magnétique perturbé, comprenant :
- un premier ensemble de bobines orthogonales d'émission de champs magnétiques, solidaire de la structure fixe, définissant un repère de référence;
- un second ensemble de bobines orthogonales de réception de champ (s) magnétique (s), solidaire de l'objet, et formant un capteur, chacune des bobines appartenant à une voie du capteur.
Un tel dispositif comprend des moyens :
- d'émission simultanée et continue de champs, sur les bobines du premier ensemble;
- de mesure, sur les voies du capteur, de la somme vectorielle des champs émis et de champs perturbateurs produits par l'environnement;
- d'évaluation des champs perturbateurs;
- d'estimation des champs émis dans un environnement non perturbé, par suppression des champs perturbateurs évalués dans la somme vectorielle;
- de calcul de la position et de l'orientation de l'objet dans le repère de référence.
Le brevet américain US5646525 décrit un autre exemple d'équipement pour déterminer la position et l'orientation d'un casque porté par un membre d'équipage d'un véhicule comprenant un générateur, associé au véhicule, ce qui produit un champ magnétique et électrique tournante de force fixe, à
l'orientation et à la fréquence dans au moins une partie du véhicule. L'appareil comprend également une pluralité de détecteurs dont chacun génère un signal proportionnel à au moins l'un des champs électriques ou magnétiques au moins un point associé avec le casque et calcul des circuits réagissant au signal pour déterminer les coordonnées de l'au moins un point par rapport à la génératrice et destiné à déterminer la position et l'orientation du casque.

- 4 -Le brevet américain US6400139 décrit également un exemple d'appareil de poursuite de position/orientation dans un volume limité. Ces procédés et cet appareil font appel à au moins un détecteur fixe, appelé "détecteur témoin", ayant une position et une orientation fixes près ou à l'intérieur du volume afin de représenter la distorsion électromagnétique. Les détecteurs-sonde sont placés sur un objet devant être poursuivi à l'intérieur du volume et la sortie de chaque détecteur témoin sert à calculer les paramètres d'une source électromagnétique efficace non réelle. Les paramètres de la source efficace servent d'entrées pour le calcul de la position et de l'orientation mesurées par chaque détecteur-sonde, comme si l'objet se trouvait dans le champ électromagnétique sans distorsion produit par la source ou les sources efficaces. Outre les suiveurs pour les visualisations de casque dans des avions, des chars d'assaut et des véhicules blindés, l'invention est utile pour tout système de poursuite électromagnétique susceptible d'être soumis à une distorsion ou à une interférence électromagnétique.
Inconvénients de l'art antérieur De façon générale, les solutions de l'art antérieur n'enseignent pas de solutions pour compenser les perturbations non corrélées avec les émetteurs (champs émis effectifs).
Le brevet US7640106 nécessite un premier capteur inertiel dans le casque et un second capteur inertiel et un estimateur (filtre de Kalman) pour déterminer une orientation d'un objet. Cette solution nécessite de prévoir un capteur sur la plateforme fixe. Elle vise à connaître l'orientation angulaire du casque dans le repère de la plateforme. Cette orientation angulaire est déterminée par l'intégration de la vitesse relative estimée. Cette vitesse relative est obtenue en faisant la différence entre :

- 5 -- la vitesse angulaire du corps mobile mesurée en sortie d'un capteur de vitesse angulaire IMU fixé dans le corps mobile dont on veut déterminer l'orientation, mesurée dans un repère inertiel fixe (repère galiléen) et - la vitesse angulaire de la plateforme inertielle mesurée par une centrale inertielle de type INS.
Cette solution nécessite donc un double système inertiel, doublant le bruit et les erreurs.
Par ailleurs, cette solution ne prend pas en compte les fortes perturbations électromagnétiques observées dans une cellule réelle, par exemple une cellule d'hélicoptère ou d'avion.
Par ailleurs cette solution nécessite de procéder à
une estimation de la vitesse angulaire.
La solution enseignée par le brevet US6400139 sur l'interpolation des données provenant de plusieurs capteurs en vue de créer un modèle des champs envoyés par des sources réelles, et modéliser des sources inconnues ou fictives pour compenser les perturbations des courants de Foucault. Cette solution implique l'implantation d'une pluralité de capteurs témoins fixes au voisinage du volume dans lequel se déplace le corps mobile, afin de construire un modèle du champ mesuré par ces capteurs témoins. Ce modèle est utilisé pour recalculer par interpolation le champ mesuré par le capteur positionné sur l'objet mobile. Il ne permet pas de compenser les champs perturbateurs de courants de Foucault.
Elle ne permet pas non plus de traiter les perturbations des perturbations rayonnées et non corrélées (EMI), mais seulement les perturbations de type ECI corrélées avec le champs radiatif émis.
Toutes les solutions de l'art antérieur nécessitent l'utilisation d'une plateforme inertielle additionnelle, pour déterminer un repère supplémentaire en sus du référentiel

- 6 -fournie par le système inertiel de l'aéronef ; ce qui complique la mise en uvre et les erreurs.
Solution apportée par l'invention L'objet de l'invention concerne un système tel qu'énoncé par la revendication 1, visant à remédier aux inconvénients de l'art antérieur et à établir une méthode et à
réaliser un procédé d'élimination des perturbations 10 électromagnétiques (ECI : courants de Foucault, FMI :
ferromagnétisme induit) en temps réel sans nécessiter le besoin très coûteux de cartographier le volume utile balayé par le capteur.
Un autre objet de l'invention est d'améliorer le rapport signal à bruit S/B du détecteur de la P/0 pour l'obtention des performances requises dans les environnements très perturbés par les EMI (par exemple dans les aéronefs et plus spécifiquement dans les hélicoptères : champs rayonnés créés par les génératrices de bord, les équipements embarqués).
Le rapport signal à bruit S/B peut s'exprimer comme le rapport entre l'écart type du signal Sc que recevrait le capteur en espace libre c'est-à-dire sans aucune perturbation électromagnétique et l'écart type du bruit B, le bruit étant la somme de tous les signaux ne provenant pas directement de l'émetteur (champ inducteur).
L'objectif de l'invention est d'atteindre une amélioration du rapport S/B de l'ordre de 1000 pour les cas les plus critiques (hélicoptères).
Un troisième objet de l'invention est de compenser la latence des informations de sortie par l'hybridation avec un système inertiel.
En se référant aux figures 2, 3 et 4 qui seront décrites ultérieurement dans le détail, on indique que les fonctions de l'invention :
- Déployer un émetteur optimisé E dans les sens suivants :

- 7 -- Génération de courants alternatifs par E-2 selon un motif temporel particulier sur un support temporel fini et se répétant en séquence. Ce motif est de préférence une Séquence Binaire Pseudo Aléatoire (SBPA) généré par E-4 du processeur 4.
- Multiplication par trois à dix du signal émis par rapport aux émetteurs de l'état de l'art (volume, distance de référence comparables). La méthode consiste à optimiser les formes de bobinage des axes d'émission pour augmenter le nombre de spires pour un diamètre de fil donné et d'introduire un noyau de matériau très perméable de forme particulières permettant d'augmenter l'induction émise dans des rapports supérieurs à 10 : E-1.
- Diminution de la puissance totale, et notamment la puissance perdue par effet joule qui augmente la température et peut faire dériver les résultats (dilatations, déformations, etc.), ce qui revient à
diminuer le courant d'émission.
- Asservissement E-2 du système en champ magnétique grâce à des capteurs E-3 (nommés aussi "capteurs_E") inclus dans les bobines des axes d'émission.
- Asservissement de la magnétisation des noyaux magnétiques par la mesure de la symétrie des courants alternatifs injectés par E-1-2.
- De mesurer le champ total par un capteur à Ne axes C-1 dont la bande passante va de quelques dizaines à quelques milliers de Hertz dont la sortie Sc est à Ne composantes.
- D'acquérir par le processeur 4 les données Xu issue de E, Sc issues de C-1, Sp issues de C-2, Cli vitesse angulaire de l'objet M et A-11),0,cp les attitudes de la plateforme toutes deux issues de C-3, l'ensemble de mesures inertielles.
- De filtrer les différentes perturbations (bruits) de Sc (mesure du capteur_C issue de C-1), à savoir les perturbations rayonnées (EMI), les perturbations crées par les courants de

- 8 -Foucault (ECI pour Eddy Currents Interferences) circulant dans les conducteurs situés dans un volume proche et causés par les champs variables émis par l'émetteur, ainsi que les effets FerroMagnétiques (FMI pour FerroMagnetic Interferences) :
- Le signal Sc bruité est mesuré par l'ensemble de réception C-1, le bruit Sp est mesuré et estimé à partir du dispositif de mesure C-2. Il sera décrit ultérieurement que dans une réalisation particulière, selon les conditions de l'environnement, le bruit peut être estimé à partir du dispositif C-1 de préférence dans un temps pendant lequel aucun courant n'est envoyé dans les bobines E-1 par E-4.
- Ce filtrage, détaillé ultérieurement, dans une première réalisation, s'effectue dans le processeur 4-4 en construisant un modèle temporel des perturbations précédentes et à en estimer les paramètres par un filtre optimal ou sous-optimal en temps réel sur des temps courts T'off pendant lequel les courants injectés dans E-1 sont nuls. Les variables de ce modèle sont des grandeurs variant dans le temps, indépendantes ou faiblement corrélées du point de vue statistique qui permettent de représenter les variations des signaux utiles et des bruits. Dans une seconde réalisation, une réalisation Sb du bruit ambiant, est mesurée par un bloc de capteur C2, de laquelle est modélisé comme précédemment un modèle complet. Les paramètres de ce modèle servent à supprimer par soustraction toutes les composantes de Sb corrélées avec les champs émis par E-1. Ainsi, le bruit non corrélé
est extrait pour devenir une variable indépendante du modèle magnétique linéaire des signaux mesurés par le capteur C-1 fixé sur M.
- De déterminer, à partir de l'ensemble des paramètres identifiés, les paramètres du seul modèle des champs émis par les axes de l'émetteur (champ dit d'espace libre non perturbé) et en particulier la matrice permettant de

- 9 -calculer de façon connue la position et l'orientation de l'objet mobile.
- D'améliorer le comportement dynamique du détecteur, en particulier en minimisant la latence du détecteur, c'est-à-dire le temps entre l'instant réel d'apparition d'un évènement sur la grandeur à mesurer et sa détection par le système de détermination de P/O. Cette amélioration est réalisée par l'hybridation de la détection magnétique précédente avec un ensemble inertiel de mesure des vitesses angulaires de l'objet mobile et l'utilisation des attitudes de la centrale inertielle de la plateforme.
Dans l'invention qui sera décrite ultérieurement de façon plus précise, les courants injectés dans les bobinages qui créent les inductions, sont de préférence simultanés. Les inductions mesurées sont donc la somme des champs émis à
l'instant t et des champs présents dans l'environnement.
L'invention a donc pour objet de distinguer dans le champ mesuré
chaque composante émise par chaque axe d'émission. Cette reconnaissance du champ émis par une des composantes constitue un démultiplexage des inductions que l'on peut qualifier de fonctionnel par opposition aux inventions citées qui font soit un démultiplexage temporel (émission non simultanée mais séquencée dans le temps) ou démultiplexage fréquentiel (détection des fréquences dans le domaine spectral). Lorsque les champs sont démultiplexés, on considère que l'on a trois émissions indépendantes reçues sur trois axes capteur.
Pour ce qui concerne le système hybride, le principe de l'invention consiste à utiliser l'attitude fournie par le moyen de détection de position magnétique exprimée dans le repère inertiel fixe pour recaler ou initialiser le calcul de l'attitude des capteurs gyrométriques IMU obtenue par intégration dans le repère inertiel d'une équation dynamique de prédiction d'un quaternion. L'attitude du moyen de détection de position exprimée dans le repère inertiel utilise simplement l'attitude de la plateforme fournie par l'INS, sous forme de

- 10 -trois angles d'Euler ou de matrice DCM (matrice des cosinus directeurs de la plateforme) ou du quaternion calculé à partir des angles d'Euler ou de la matrice DCM. Le modèle dynamique de prédiction, calculé à cadence élevée, est recalé au temps t-Tõ
T, étant le temps de latence du moyen de détection de position magnétique, à chaque arrivée du quaternion fourni par le moyen de détection de position magnétique. Les informations nécessaires au calcul du quaternion (notamment les vitesses angulaires de l'IMU de l'objet mobile) ayant été mémorisées sur le temps Tõ le modèle de prédiction du quaternion est recalcule de t-T, jusqu'au temps courant t en utilisant les vitesses mémorisées. Au-delà de t jusqu'à la prochaine arrivée de l'information DDP magnétique, le calcul du quaternion est réalisé à la fréquence d'acquisition des mesures des vitesses angulaires. L'invention comporte aussi la correction en temps réel du capteur de vitesse angulaire triaxial par l'estimation des erreurs du capteur.
Description d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant des exemples non limitatifs de réalisation de l'invention se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 représente une vue schématique d'une solution de l'art antérieur - la figure 2 représente une vue schématique du référentiel objets et repères - la figure 3 et 3' représente une vue schématique de l'architecture de l'invention - la figure 4 représente une vue schématique de l'architecture détaillée de l'invention - la figure 5 représente une vue schématique de l'asservissement des inductions émises

- 11 -- la figure 6 représente une vue schématique d'un bloc émetteur de l'état de l'art - la figure 7 représente la vue schématique de la formation d'un axe El de l'émetteur selon l'invention - la figure 8 représente des exemples de réalisation d'axes d'émission - la figure 9 représente une vue schématique d'un metteur à noyau selon l'invention - la figure 10 représente une vue schématique de l'asservissement de champ - la figure 11 représente le diagramme temporel d'émission - la figure 12 représente une vue schématique hybridation magnétique-inertielle et extrapolateur inertiel Description générale de l'invention :
Selon la figure 2, le système de détermination sans contact de la position et de l'orientation (P/0) d'un premier objet M dont le repère Rm orthogonal associé est mobile par rapport à un repère de référence porté par un second objet P
(Plateforme), fixe ou mobile par rapport à un repère galiléen Ri d'orientation fixe par rapport aux étoiles situé au centre de la Terre. Ce dispositif est disposé dans un environnement électromagnétique perturbé. Un émetteur E composé de Ne bobines formant un repère R, quasi orthogonal est fixé rigidement à la plateforme P. La matrice de passage R,/, entre repère émetteur R, et repère plateforme R, est supposée constante et mesurée lors de la pose de la référence mécanique de l'émetteur dans la plateforme P. Lorsque le repère R, est mobile par rapport à Ri, comme c'est le cas lorsque la plateforme est un aéronef, le repère R, est défini dans le repère Ri par les angles d'Euler définissant l'attitude et calculés par la centrale inertielle ou un dispositif équivalent et transmis au processus de l'invention. Notons que le quaternion Qõ comme la matrice de

- 12 -passage R,/, entre R, et Ri représentent l'attitude de P par rapport à Ri. Sur l'objet mobile M sont fixés rigidement le capteur magnétique à Nc axes quasi orthogonaux C-1 dit capteur_C
et le capteur inertiel C-3-1 de vitesses angulaires trois axes orthogonaux. Ce dernier capteur est par exemple de type MEMS
(Micro-Electro-Mechanical Systems). Il mesure les vitesses angulaires dans son propre repère de référence Rgi dont l'orientation est supposée connue par une mesure en usine selon des procédures connues de l'homme de l'art. Le capteur C-1 est un capteur de mesure du champ d'induction magnétique de type fluxgate, fluxmètre, fluxmètre asservi, capteur à effet Hall, AMR, GMR, TMR...). Ses axes sont définis par la matrice de passage Rcimfixe et identifiée en usine de façon connue.
Dans le cas de certaines applications pour lesquelles les environnements sont magnétiquement très perturbés par les EMI, un mode particulier de réalisation consiste à ajouter un certain nombre de capteurs dits capteur_B représentés par le bloc C-2 de la figure 3. Ces capteurs sont fixés dans la plateforme. Ces capteurs sont des capteurs 1 à 3 axes de même type que le capteur magnétique C-1, et leur nombre est supérieur ou égal à 1. Leur orientation et leur position peuvent ne pas être connues avec précision, ce qui constitue un avantage. Ils sont placés à distance suffisamment grande de l'émetteur dans l'environnement de la plateforme afin de mesurer le moins possible le champ émis par l'émetteur E. L'objectif est de mesurer les EMI présents dans l'environnement du capteur C-1.
Idéalement, un seul axe est suffisant mais on peut être amené à
placer un ou plusieurs capteurs 1 à 3 axes proches d'équipements particuliers de la plateforme pour mesurer des perturbations gênantes liées à ce ou ces équipements.
ARCHITECTURE GENERALE
La figure 3' représente une vue schématique de l'architecture matérielle du système selon l'invention.

- 13 -Le corps mobile (M) est un casque de pilote d'hélicoptère, la cellule de l'hélicoptère formant la plateforme (P)=
Sur le casque (M) sont fixés un capteur électromagnétique (C-1) et un capteur inertiel IMU (C-3-1) ; ces deux capteurs sont liés mécaniquement de manière rigide avec le casque (M).
Sur la plateforme P sont fixés :
- un émetteur E
- une plateforme inertielle c-3-2 - un capteur électromagnétique de référence C2.
Un calculateur (4-4) reçoit les signaux de ces différents composants et réalise les traitements détaillés ci-dessous.
La figure 4 détaille les ensembles dénommés blocs et représentés sur les figures 2 et 3 :
Un premier ensemble E d'émission d'induction(s) magnétique(s), comportant un premier sous ensemble E-1 d'émission de Ne, Ne étant égal à au moins deux, bobines d'émission, dont les axes de symétrie, non parallèles entre eux, forment un repère R, fixé sur le second objet P.
Un premier ensemble de réception C-1, fixé sur le dit objet mobile M et comportant Nc>=2 bobines de réception non parallèles, formant un repère R1 sensibles au champ magnétique ambiant résultant de la somme vectorielle des champs émis par le dit premier ensemble d'émission E et des champs magnétiques perturbateurs générés par des courants électriques existants dans l'environnement et par des aimantations ferromagnétiques, ce second ensemble formant un capteur C-1 solidaire du premier objet mobile M et tel que le produit Nc*Ne >= 6, le premier objet mobile M possède un repère de référence Rm. L'orientation du repère Rcl par rapport au repère Rm est constante et notée par RC1/M la matrice des cosinus directeurs des axes de C-1 dans RM.

- 14 -Les Nc composantes de SC forment la sortie de ce premier ensemble de réception C-1.
Un processeur de calcul 4 destiné au calcul de la position et l'orientation du premier objet mobile, couplé à des premiers moyens de conversion analogique-numérique (ou ADC) 4-1 destinés à réaliser l'acquisition, à des temps discrets tk =
k*Te, des signaux analogiques Sõ Xõ. et Sb selon la figure 4 qui seront mieux décrits ultérieurement, des seconds moyens de conversion digital/analogique E4 qui génèrent la commande de la séquence temporelle des courants.
Notations :
Dans une réalisation préférée, on prendra Ne =Nc=3.
Le champ total BTõ vecteur (pseudo vecteur) à trois composantes, existant au centre du capteur est la somme des inductions suivantes :
ÉTE = ieEu ieEm, ieEci ieFm, feT [1]
avec =17->lEu1 Ku2 Ku3 [2]
où Bulest l'induction exprimée dans le repère émetteur, et émise par l'axe émetteur j (j=1 à 3) au centre du capteur C-1.0n a supposé dans l'équation [2] que l'émission est simultanée sur les trois axes d'émission El, puisque BEõ est la somme des trois inductions.
Bm, est le vecteur de l'induction rayonnée dans l'environnement, par exemple généré par les courants circulant dans les équipements électriques, par les génératrices de bord, par le secteur 50-60Hz_. On peut le modéliser par la somme de champs Bsc périodiques non corrélés avec les BEuj et des champs BR
qui sont des signaux EMI dont les caractéristiques sont supposées aléatoires car elles ne peuvent se représenter par des signaux déterministes de caractéristiques connues ou estimées.

- 15 -f3>Rm(t,) = É> sc +ÉR
[3]
BECI est le vecteur induction au centre du capteur, crée par les courants de Foucault dans les conducteurs situés dans l'environnement du système de P/O, eux-mêmes produits par le champ magnétique émis par l'antenne d'émission à l'endroit où
se trouvent les conducteurs.
Bpõ, est le vecteur induction au centre du capteur, crée par la magnétisation de matériaux ferromagnétiques situés dans l'environnement du système de P/O.
BTest l'induction du champ magnétique terrestre.
Notons que, selon la figure 4, l'induction BEu est le signal utile très fortement corrélé avec les courants émis et plus précisément BEu est linéairement dépendant des mesures Xu des champs émis par les trois axes El et mesurés selon E-3, les inductions BEC, et Bpõ, sont aussi fortement corrélés avec le champ émis Xu.
L'un des buts de l'invention est d'éliminer par filtrage toutes les inductions pour ne conserver que le vecteur mesuré dont le modèle s'exprime par Bcu = r , Rc/e 1 t ( BEul 1- BEu2 1- BEu3 ) où BEul, BE/32, BE/J3 sont les vecteurs à trois composantes du champ émis et reçu au centre du capteur (exprimés dans le repère de l'émetteur) et Rc/E est la rotation du repère capteur par rapport au repère de l'émetteur. On réalise le démultiplexage des voies d'émission (reconnaissance de la partie des signaux qui provient de la voie d'émission j=1 à 3) c'est à dire de déterminer les composantes Bc1, Bc2, Bc3 du capteur C-1 provenant de l'émission des axes 1, 2 et 3 de l'émetteur E-1 afin de former la matrice 3x3 : [Bcu] = [Bc, 1 Bc2 1 Bc3]. La méthode de calcul de la rotation du capteur s'obtient de façon connue (US4287809 Egli) :
connaissant Bcu, on en déduit une estimation de BEu en utilisant un modèle d'induction en espace libre (sans perturbations):
RcE=Bc13-Eul =

- 16 -De la matrice [Rc/e], on tire de façon connue les angles d'Euler ou le quaternionel qui sont deux représentations de l'attitude de l'objet M.
Les performances de précision statiques et dynamiques sont évidemment croissantes avec le rapport S/B. L'augmentation du rapport S/B recherchée s'obtient de deux façons évidentes et complémentaires : augmenter la puissance (ou l'amplitude) du signal utile en particulier en basse fréquence et diminuer conjointement la puissance du bruit par filtrage.
ENSEMBLE E D'ÉMISSION
Un premier objet de l'invention est l'ensemble E qui comprend selon la figure 4 :
- un second sous ensemble d'émission constitué des Ne moyens d'injection E-2 de courants prédéterminés à travers lesdites j bobines E-1, j=1 à Ne de ce premier ensemble E
afin de générer un flux d'induction prédéterminé Fj(t) fonction du temps selon des caractéristiques propre à
chaque axe j de ces dites bobines ; une réalisation préférée consiste à inclure dans le volume intérieur desdites j bobines E-1 un matériau magnétique très perméable du type barreau de ferrite ou fils de pumétal ou d'alliage ferromagnétique comme le Vitrovac , Permalloy etc. Ce matériau magnétique comme cela sera décrit ultérieurement permet de multiplier l'induction magnétique sous certaines conditions de forme qui seront discutées.
- d'un troisième sous ensemble E-3 du dit premier ensemble d'émission E constituant des moyens de mesure de la force électromotrice due au flux d'induction Fj(t) relatif à
chaque axe de ces dites Ne bobines d'émission E-1, cet ensemble E-3 comprend un capteur magnétique pour chaque axe d'émission qui mesure le flux émis et une électronique d'adaptation des signaux E-3-2. Tout capteur d'induction magnétique (fluxgate, fluxmètre asservi, capteur à effet

- 17 -Hall, AMR, GMR, TMR) peut aussi convenir pour mesurer ces champs. Toutefois, une réalisation préférée consiste à
bobiner des spires de façon concentrique par rapport aux bobines E-1 pour former un capteur fluxmètre simple. Un amplificateur de tension E-3-2, comportant de préférence une intégration pure des signaux de façon à ce que les grandeurs Xuj soient homogènes à une induction magnétique, réalise l'interface d'une part avec le système d'acquisition ADC 4-1 du processeur 4, d'autre part avec le bloc E-2 qui constitue le dispositif d'asservissement de courant des bobines E-1. L'entrée ou consigne de l'asservissement E-2 est le signal à trois composantes Võ
fourni par le bloc E-4 qui est le générateur de la séquence des Ne courants prédéterminés cycliques de périodicité
Tobs. Ce bloc peut être autonome (mémoire munie d'un séquenceur et contenant les séquences des valeurs de consigne des courants) ou bien, dans une réalisation préférée indiquée figure 4, intégrée dans le processeur 4.
Les valeurs de la séquence sont de préférence des valeurs binaires aléatoires, la séquence est dite SBPA pour Séquence Binaire Pseudo Aléatoire, dont la réalisation et les propriétés sont connues de l'homme de l'art. Les valeurs binaires de la séquence comprises entre -Võ et + Võ
volts sont fournies à la récurrence de Te= Tobs/Nobs ou Nobs est le nombre caractéristique de valeurs de la séquence générée. Ce sont des signaux déterministes sur la durée Tobs de densité spectrale constante comme un bruit aléatoire dit blanc, sur le domaine des fréquences comprises entre 1/Tobs et 1/Te. Sur la figure 5, on a représenté pour l'un des axes j les fonctions de transfert des blocs E-1, E-2, E-3 de la figure 4 qui font partie de l'asservissement de l'induction magnétique émise. Les signaux Xuj constituant la mesure des inductions magnétiques émises par les axes E-1 sont soustraits aux signaux correspondants Võ pour former l'erreur E de l'asservissement, elle-même est traitée par un

- 18 -réseau correcteur E-2-1 qui compense de façon connue la fonction de transfert de l'amplificateur de courant et surtout la constante de temps T des bobinages avec noyau magnétiquement perméable E-1, la constante de temps T étant voisine du rapport entre l'inductance totale L et la résistance rb de la bobine. La fonction de transfert du bloc générateur de courant E-2-2 tient compte de ces caractéristiques du bobinage. Le champ magnétique Hi produit par le courant est proportionnel au nombre de spires par unité de longueur n avec un coefficient de proportionnalité Kb qui dépend de façon connue de la forme géométrique du bobinage. La magnétisation du noyau est fonction de la somme de Hi et des champs magnétiques perturbateurs présents dans l'environnement HEMI. L'induction magnétique BE produite en un point de l'espace extérieur aux bobinages par les courants et le noyau peut s'écrire BE=Iiieff=(11/+11Emr)0U geffiDennéabilité effective, représente le terme de proportionnalité entre le champ magnétique d'excitation H1 et l'induction magnétique en sortie, le champ magnétique H, est proportionnel à n*I, "n" étant le nombre de spires par unité de longueur et I est l'intensité
du courant circulant dans les spires de la bobine d'émission E-1. On sait que ce coefficient iteffest fonction de la perméabilité relative du matériau magnétique, de la forme géométrique des noyaux, ladite forme déterminant le champ démagnétisant au sein du matériau, du rapport entre le volume intérieur de la bobine et le volume du matériau, mais aussi des pertes par courants de Foucault. Nous indiquerons ultérieurement les moyens permettant d'obtenir des valeurs de geff>>100. Dans cet asservissement, le détecteur de la force électromotrice E-3-1 précédemment décrit a pour fonction de transfert K,*p (dérivation avec conversion variation d'induction ABE/Volt= K, en Tesla par

- 19 -Volt). Le bloc E-3-2 réalise une intégration pure de gain Kcir, pour obtenir une sortie homogène avec la consigne Vic.
L'objet essentiel de cet asservissement est d'annuler les champs magnétiques EMI présents dans l'environnement qui s'ajoutent au champ excitateur proportionnels à n*Ij, où Ijest le courant relatif au bobinage j, mais aussi de linéariser le coefficient liteffcar il est connu que la magnétisation des matériaux magnétiques présentent une courbe de magnétisation non linéaire avec saturation pour les fortes excitations.
A partir de la figure 5, on montre facilement que la sortie BE est la suivante :
G = F Vie neff õ
BE
1+ G = F F + ¨G = F_REMI
AVIC ,t rz _...õ, KA ,, 1+ ip .
avec F VL V KG rkb = n = iteff ABE R 1+ Tp ' neff est la perméabilité effective si de plus dans la bande utile: GF 1 [4]
B ,_,, Vie + il eff B Vie gr eff E ENII + - BENII
F no = G = F F G = F
avec }le eff perméabilité relative effective où BE, est l'induction produite au centre du noyau et it, effla perméabilité relative effective. Le rapport signal à bruit dans la configuration sans noyau et sans asservissement est Vic ¨F/BEMI= Avec noyau pour E-1 et asservissement E-2, on voit que V
//
le rapport signal à bruit est -eff ie Bn'II. Pour conserver le même F IG.F
rapport signal à bruit tout en en conservant le même ordre de grandeur pour BE en sortie, il faut donc queG=Fkitr eff . Cette relation définit le gain minimal de la chaine d'asservissement.
Le réseau correcteur du type proportionnel dérivéKG(1-Ftp)doit être ajusté selon les règles connues pour assurer la stabilité
de l'asservissement. Il est également possible de réaliser un PID selon les techniques enseignées en automatique. Un autre

- 20 -aspect intéressant de l'invention est la linéarisation du champ émis par l'asservissement. Comme greff est une fonction hautement non linéaire, les harmoniques B. apparaissent en sortie de E-1 de la planche 5. Si on exprime la sortie en fonction des entrées Vic, B. et B., on obtient :
G=F Vk BE¨ Bharmo eff BENH
1+G=F F G=F G=F [5]
1 Bharmo eff BE v ic ' G -÷
G ENII
On observe que si G*F>>1, les amplitudes des harmoniques sont divisés par le gain de la chaine directe G.
Cela étant, comme cela sera souligné dans le paragraphe traitant de la modélisation et du filtrage, le fait de mesurer Xuj et de s'en servir de signal de référence de l'induction émise dans le modèle des signaux reçus, rend le dispositif de filtrage insensible aux harmoniques, ce qui est un avantage fondamental par rapport aux systèmes existants pour lesquels la mesure du courant en E1.1, E1.2 , E1.3 n'est plus l'image de l'induction émise suite à l'apparition d'harmoniques.
Comme cela a été dit précédemment, un des aspects de l'invention consiste à réaliser un noyau afin d'obtenir une perméabilité relative effectivegreffde quelques centaines d'unités. L'existence de noyaux de ferrite ou d'entrefers en alliage ferromagnétique existe dans nombre d'applications. Ces derniers utilisés par exemple dans les transformateurs, doivent être feuilletés pour diminuer les courants de Foucault qui s'opposent à la magnétisation et occasionnent des pertes. La ferrite, beaucoup moins conductrice que les alliages ferromagnétiques, permet l'utilisation de noyau à densité
uniforme de cette matière obtenue par frittage. Les noyaux sont en général sphériques ou cubiques (voire parallélépipédiques) selon la figure 6. La magnétisation de la matière perméable des noyaux soumis à une excitation de champ magnétique est un phénomène complexe car prend naissance un champ démagnétisant qui s'oppose au champ d'excitation. Ce champ démagnétisant est

- 21 -expliqué souvent par la création de charges magnétiques fictives sur la surface des volumes de matière ferromagnétique. On explique alors simplement que le champ démagnétisant est étroitement lié à la géométrie du volume du noyau et à
l'aimantation. Le champ démagnétisant ne peut se calculer que pour des exemples simples (sphère, ellipsoïdes, cylindres). Dans le cas général, on fait des approximations. Ainsi pour une sphère de matériau de perméabilité relative pr infinie, on montre (C.F. J.D.Jackson Classical Electrodynamics. Ed. Wiley) que la perméabilité relative effective graf est au maximum de trois.
Pour un cube, la valeur est de même ordre de grandeur. Avec des noyaux cubiques ou sphériques, on ne peut pas espérer des gains très importants. On sait que pour les barreaux cylindriques allongés de diamètre D et de longueur L, le champ démagnétisant HR au centre est - 0.5*(D/L)2*M, c'est-à-dire Hd = - ô*M où la magnétisation M est du type M=(pR-1)H, H étant le champ magnétique présent au sein du matériau après la magnétisation, avec la relation H=11,-H,õ H, étant le champ magnétique d'excitation extérieure et ô est le facteur démagnétisant . Près des bords, le champ démagnétisant est M/2.
A partir des relations précédentes, on en déduit une formule de l'induction, pour des ellipsoïdes dont la magnétisation est uniforme, B - 1 1,Io = 1 + (11R -1).8 Ho et si Plt 1, B= 1 B0 . [6]
1+11R.#5 B
En général, 11R-eb 1, donc B=) ô
Reprenant l'exemple du barreau allongé précédent, on a B=2.( 1- \
=B0=,=Bo. Cette relation n'est qu'approchée, la D/
valeur de gr est en général plus faible car la magnétisation n'est pas uniforme. Expérimentalement, l'exposant est compris entre un et deux. Mais on observe bien une augmentation de

- 22 -l'induction de l'ordre de gr dans le volume du matériau, mais aussi à l'extérieur.
L'invention consiste donc en un agencement de barreaux perméables de rapport L/D choisi pour que le gain en induction p,r_eff=a=põ soit supérieur à dix. Le coefficienta, inférieur à l'unité, tient compte de plusieurs facteurs, notamment :
= du volume de matériau aimanté parallèle à chaque axe des bobines. Chaque axe devant posséder le même volume, le volume de chacun est le tiers du volume total disponible.
= De la façon dont sont bobinées les spires produisant le champ d'excitation H,.
= Des courants de Foucault induits par H,.
Selon l'invention, pour optimiser le coefficient a, on utilise des barreaux très fins de matériau perméable, par exemple des fils de pmétal, permalloy ou Vitrovac préalablement électriquement isolés, rangés selon la figure 7-1 dans un tube de matériau résistant aux traitements thermiques (silice, céramique).
Ainsi, selon les au moins deux axes d'émission non parallèle, on regroupe les barreaux (figure 7-2) pour former un bloc de section carrée (figure 7-3) ou cylindrique (figure 7-4) comportant un grand nombre de barreaux. Ces blocs 7-3 et 7-4 sont agencés de façon à former trois volumes de matériaux de magnétisations orthogonales et ayant une symétrie par rapport au centre commun aux trois axes.
La Figure 8-a montre comment les blocs assemblés de la figure 7-3 ou 7-4 peuvent être utilisés : trois bobinages sont réalisés autour de trois blocs identiques qui sont ensuite assemblés mécaniquement pour former trois axes sensiblement perpendiculaires. Ces trois bobines ne sont pas concentriques, ce qui pose des difficultés non négligeables pour trouver la position du capteur trois axes fixé sur l'objet dont on cherche la Position et l'orientation. On préfèrera donc réaliser des

- 23 -blocs émetteurs concentriques selon les figures 8-b et 9. Sur les figures 8-b, on montre des configurations préférables de blocs de façon à ce qu'il existe un centre de symétrie des trois volumes aimantés et que chaque axe ait un moment magnétique de valeur voisine. La figure 4 présente deux vues en projection d'un dispositif préféré qui est une généralisation des blocs précédents : plusieurs blocs de type 2-3 sont entrelacés selon les trois directions de telle sorte qu'il y ait la meilleure symétrie par rapport à un point central. On obtient selon la figure 9 un bloc cubique sur lequel on dispose trois bobinages sensiblement orthogonaux par lesquels passeront les courants injectés par les circuits électroniques. De façon à ce que le vecteur induction magnétique se comporte dans l'espace selon les équations du dipôle, on reste dans l'invention en réalisant un bloc dont la surface extérieure se rapproche d'une sphère, en disposant des blocs 7-3 ou 7-4 de longueur plus courte lorsqu'on s'éloigne du centre.
Un dispositif consistant à réaliser trois bobines sphériques concentriques au lieu des bobines concentriques cubiques de la figure 9, et introduire le même enchevêtrement de blocs de type 7-3 ou 7-4 dans le volume de la bobine intérieure reste dans le domaine de l'invention.
Un autre aspect de l'invention concerne l'asservissement à zéro de l'aimantation quasi statique produite par des perturbations quasi statiques, comme par exemple le champ terrestre. Pour éviter la saturation des barreaux des blocs 7-3 ou 7-4 en présence d'une aimantation continue ou quasi-continue, on détecte la symétrie des courants circulant dans les bobines. La figure 10-a montre le principe de fonctionnement : lorsqu'un champ statique ou quasi statique Hext est présent dans l'environnement, sa projection HD selon l'axe d'émission E.1 décale le point de fonctionnement du champ d'excitation alternatif Hi produit par les bobines selon le schéma 10-b. Lorsque le décalage H], est nul, la différence entre les valeurs crête et 1o- est nulle. Si HD n'est pas nul, la

- 24 -différence entre les valeurs crête ID-F et IJ est non nulle. Cela est dû à la non linéarité de la courbe d'aimantation des matériaux ferromagnétiques qui modifie l'inductance de la bobine L en fonction de l'excitation H somme du champ extérieur Hekt et de l'excitation Hi créé par le courant des bobines sachant que L=pr(H)xL, avec L, inductance de la bobine sans noyau.
L'exploitation de la variation d'impédance qui déforme le courant est réalisée par la détection de la symétrie du courant circulant dans la bobine : Le courant à travers la résistance Rmi est mesuré au point E.1.j , j=1 à 3, par l'amplificateur adaptateur d'impédance E.5.2 dont la tension de sortie passe par un double détecteur crête E.5.1 qui détecte de façon connue la valeur crête positive ID' et la valeur crête négative IJ, puis la différence ID' - ID est filtrée par un filtre RC du premier ordre classique dont la fréquence de coupure est de quelques Hertz. La sortie Vciõ, de E.5.1 est ensuite ajoutée à V1ci avec le signe adapté selon le sens de bobinage de façon à annuler le décalage de champ HD. La symétrie du courant pourrait aussi être détectée par la création d'harmoniques pairs du courant sachant que l'excitation Hi, symétrique, ne possède que des harmoniques impairs.
A- LE PROCESSEUR EMBARQUÉ 4 :
Le processeur de calcul est couplé aux trois ensembles de mesure C-1, C-2 ,C-3 précédemment décrits afin en premier lieu de réaliser à des temps discrets tk=k*Te l'acquisition des signaux d'une part par conversion analogique/numérique du second ensemble de réception C-1 ainsi que du troisième sous ensemble E.3.1 du dit premier ensemble d'émission E, d'autre part par des liaisons digitales série du dit troisième ensemble d'acquisition des vitesses angulaires C.3.1 à la fréquence FEG ainsi que les angles d'attitude du dit second objet M par rapport au repère fixe absolu délivrés par C.3.2, en second lieu de générer et réaliser les conversions

- 25 -digitales/analogiques par le bloc E.4 destinées fournir les consignes de l'asservissement des courants prédéterminés dans le premier ensemble d'émission E, en troisième lieu, de réaliser les calculs d'une première position/orientation à partir d'un modèle complet des inductions mesurées dont les variables sont élaborées à partir des signaux acquis et dont certains paramètres identifiés par filtrage optimal représentent les termes proportionnels à un modèle de champ dipolaire ou multipolaire dont on extrait la position et l'orientation du bloc C-1. Le bloc 4.3, reçoit par exemple à partir d'une liaison digitale série classique qui communique avec le système inertiel de la plateforme, les informations datées par rapport à
l'horloge propre de 4 est constitué. Cela permet si besoin est de recaler temporellement les attitudes de la plateforme. Ce bloc reçoit aussi les informations digitales de type série du capteur inertiel MEMS C-3.1.
B- PROCÉDÉ D'EXTRACTION DE LA RÉFÉRENCE DE BRUIT:
Si on reprend l'équation [1], 14TE =14Eu fiEmi firmi ü-r [7]
le signal utile ÉEuest linéairement dépendant des signaux émis par le bloc émetteur E. Selon la figure 4, les champs émis par les axes El sont mesurés par le bloc E3 précédemment décrit dont la sortie est Xuj. Autrement dit, Xuj est l'image du champ magnétique émis par l'axe j quelle que soient la fonction d'amplification non linéaire apportée par les noyaux magnétiques. On peut noter que la somme des bruits ECI et FMI notés BPCU = ECI BEVIE (PCU pour perturbations corrélés avec U) sont des bruits corrélés avec Xu. Le champ terrestre est supposé
être filtré par un filtre classique connu ne faisant pas partie de l'invention. Concernant les bruits additifs EMI, pour une réalisation particulière de l'invention, ils sont mesurés par le bloc C-2 : comme indiqué dans la figure 3, le bloc C-2 est fixe

- 26 -dans la plateforme P, comprenant une pluralité de capteurs implantés en des points tels que i) le champ émis par l'ensemble E-1 est quasi nul ou tout au moins beaucoup plus faible qu'au point, contenu dans le volume de débattement du capteur, où se situe C-1 de l'ensemble mobile M, ii) les champs perturbateurs statistiquement non corrélés avec les champs émis par E-1 et existants au centre du capteur C-1 sont très fortement corrélés avec ces champs mesurés par C-2. Ces notions sont précisées ultérieurement.
Par la suite, on considèrera que le bruit additif f3> ENII mesuré en Nb points de l'environnement, par définition non corrélé avec les champs émis estimés Xu a été noté
14Rm(tk) =fisc -FüR [8]
Le signal ü (tk) est représenté sur la figure 4 par les signaux analogiques Sb qui sortent du bloc C-2 et qui sont digitalisés comme les signaux Xuj et Sc, j=1 à Ne, i=1 à Nc.
Dans certains environnements, comme par exemple les avions, le bruit BEN, est moins élevé que dans les environnements hélicoptères et surtout le bruit BR est très faible. Dans ce type d'environnement, on peut être amené à extraire le bruit au lieu de le mesurer. La définition du bloc 4.4 autorise alors une méthode d'extraction du bruit Bi,(tk) de référence de deux façons différentes :
i. Premier procédé : soit une extraction directement à partir du signal Sc (obtenu par l'acquisition du signal fourni par le premier ensemble de mesure C-1). Dans ce cas, ce choix est fait par le processeur dans le bloc 4.4 en fonction de la nature du bruit magnétique. Ce choix découle d'une analyse initiale du bruit magnétique de l'environnement à
la mise sous tension ou à la demande de l'utilisateur. Par exemple, à la mise sous tension, en l'absence de signaux émis par l'antenne d'émission, si les valeurs de densité de puissance moyenne des signaux mesurés sont harmoniques et

- 27 -de stabilité de fréquence acceptable (variation de 10 à 20%
maximum de la fréquence moyenne) et inférieurs au niveau de densité de puissance moyenne des signaux dus à l'émission de l'antenne d'émission lorsqu'elle émet, ce choix est fait. Ce choix peut aussi être fait par l'utilisateur suite à l'accumulation de l'expérience qu'il a obtenu de l'environnement ou tout autre moyen. Ce choix impose que la puissance d'émission soit nulle pendant une période de durée T'off, cette période T'off étant entrelacée entre au moins une période d'émission de durée Tobs à puissance non nulle, avec Toff < Tobs/2 . deux exemples sont donnés par la figure 11. Sur la période Toõ, les signaux perturbateurs stationnaires (faiblement variables sur To,$) sont identifiés de la même façon que celle qui va être décrite pour l'extraction de ces mêmes signaux sur le signal Sb. Le modèle de ces signaux B, ou B,õ (la lettre , indique que ce vecteur est exprimé dans le repère émetteur) BSC tk ) = êrsec (1,, kõ) = COS(Wkstk ) +
(1,, ks, ) = Sill( kstk ) [9]
dont les fréquences w sont estimées (par des méthodes du type FFT ou de préférence par des méthodes du type Haute Résolution). Les coefficients sont identifiés sur l'horizon T0ff0 Comme autre exemple, on peut considérer deux périodes Tõ, selon la figure 11 encadrant la période d'émission TON pour réaliser un interpolation linéaire des paramètres êrsec(ic,ks)eksd. L'information de sortie est alors décalée de Ton, mais ce temps peut être très faible si on utilise une méthode HR (Haute Résolution) pour identifier l'équation [9].
On en déduit les variables indépendantes xc(tk)=cos( ks (tk)) et Xs(tk) = sin(coks (tk)) pendant la période Tõ. On peut regrouper ces variables sous le vocable de X, qui devient une matrice [Nobs,2] où Nobs est le nombre d'échantillons acquis

- 28 -pendant Ton : Nobs = Ton*Fe. Ces variables sont ajoutées aux variables Xui pour former un modèle linéaire relativement à ces variables indépendantes Xõ, X. Chaque composante ic du capteur C-1 peut s'écrire si BR est négligeable :
BE = iiEc(ie,tk) + ûRm(ie,tk) [10]
N.
Ne le avec Kc(ic,tk) = )=Xc(ic,i,kie [11]
j=1 ki =0 C

où Xc(j,kie ,tk) = Xui(tk - kicTe) [10] s'écrit :
N.
Nec BE= )+ êrSCe(1C,kõ) = COS (Wkse tk ) êschn(i, kse ) = Sill(Wksetk) [ 1 0 ¨
j=1 k õ =0 k =1 ie bis]
On note que xc(j,k,t,)sont les valeurs décalées dans le temps des champs émis par l'émetteur sur chaque axe j et pour chaque composante ic du capteur du bloc C-1. L'estimateur est en quelque sorte un filtre transversal qui se justifie par le fait que les perturbations ECI et FMI peuvent être considéré comme la sortie de filtres sensiblement du premier ordre dont l'entrée sont les signauxX,i(tk).
les indices Kic sont relatifs aux retards des variables indépendantes du modèle et vont de 0 à Niõ ce dernier indice Nic étant défini juste nécessaire afin de minimiser l'erreur résiduelle. Les termes décalés de Kic forment un filtre transversal. BR, s'écrit sous forme d'un développement de variables complexes :
Nõ
j3s RM (ic tk) (ic tk) = SC (ic, ksc) Xõ (10 [ 12 ]
kõ =1 Les équations [11] et [12] qui sont linéaires par rapport aux paramètres à estimer.
Si on réalisait un modèle pour xsc(to du même type que [11] c'est-à-dire une somme de développement du type [12] pour chaque variablexscok , on resterait dans le champ de

- 29 -1 ' invention. Il en serait de même si les paramètres complexes SC(ic ksc) n'étaient plus constants mais dépendaient du temps sous la forme d'un polynôme du temps êsc(ic,kse,to C. ie,kse)ti = On calcule io=0 pour ce modèle temporel les valeurs des termescen le développant dans [12]. Tout type de modèle temporel différent composé non plus de polynôme temporel mais de sommes de fonctions du temps de type exponentielles eat ou eibt(fonction périodique complexe <==> i2=-1) reste dans le domaine de l'invention.
On détermine les paramètres de ce modèle par une méthode classique des moindres carrés (MSE) ou une méthode récursive équivalente (LMS, RLS). L'estimation des paramètres relatifs aux variables Xuj peut être affinée en soustrayant le terme iisc(ie,tk)estimé au signalc(ic,tk). La nouvelle estimation permet d'estimer les termes corrélés avec une meilleure précision au bout d'une ou deux itérations. Le bruit de référence Km est dans ce cas le signalûscestimé dans l'itération précédente.
Deuxième procédé : La mesure en continu des signaux perturbateurs par Sb peut être indispensable en présence de très forts signaux harmoniques d'amplitudes et de fréquences non constants sur l'horizon Tobs mais aussi en présence de perturbations déterministes non stationnaires ou des perturbations aléatoires. Soit une estimation des signaux rayonnés par la mesure des signaux Sb. Comme cela a été écrit et illustré sur la figure 4, le signal noté Sb est composé de signaux provenant d'au moins un capteur magnétique de un à trois axes orthogonaux permettant de mesurer les champs magnétiques entre le continu et quelques KHz (capteur fluxgate, fluxmètre, AMR, GMR, TMR, etc.), les dits capteurs étant fixés sur le dit second objet en au moins Nb points, mesurent la somme vectorielle des inductions magnétiques présentes en ces dits Nb points de

- 30 -l'environnement, suffisamment éloignés du premier ensemble d'émission pour que cet ensemble constitue une référence de bruit Bõ(tk) en mesurant préférentiellement les inductions magnétiques indépendantes des inductions générées par le premier ensemble d'émission El, et cela réalisé sans interruption (T0ff=0).
Les mesures du bruit additif Bõ, sont repérées par les signaux de sortie Sb du bloc C-2 sur la planche 4. Dans une réalisation particulière, afin de faciliter la rédaction, on prendra Nb=1 et on considèrera que la mesure d'une seule composante suffit. La mesure de f3 (t,) selon une direction particulière sera noté B, pour être considérée comme un signal très fortement corrélé avec Bõ,.
Dans le cas idéal, la référence de bruit mesuré B, ne contient pas de signal corrélé à Xuj, j=1 à 3. Dans la pratique, il est très difficile de disposer de capteurs C-2 à des endroits tels qu'il n'existe aucune composante corrélée à Xõ y compris et surtout les signaux Bõ, et B,,.
On est donc amené à considérer le signal de mesure du bruit Sb constitué des mêmes composantes que le signal Sc. On se ramène alors au même problème qu'en i), c'est-à-dire qu'il faut identifier les différentes composantes du signal Sb que l'on écrit :
BC2 = BRU + BRM [13-a]
avec BRU = BU + BPCU [13-b]
où Buest linéairement dépendant de Xõj(tk) , BPCU est linéairement dépendant de X,j(t-k.Te) et n'un = Bsc + BR [14]
est le terme non corrélé avec X.
BR, n'est pas négligeable comme en i) et il s'agit d'extraire de [13-a] la partie BR,. Comme dans le cas i), il faut identifier tous les termes du modèle pour ne pas biaiser l'estimation des paramètres du modèle.
Toutefois, le signal aléatoire BR est en général plus faible

- 31 -que Bs, et Bcõ, et l'identification peut être réalisée sur des temps plus longs dans la mesure où les capteurs de C-2 sont immobiles. On peut aussi considérer que, puisque l'émetteur et le (les) capteur(s) du bloc C-2 sont fixes sur une même structure, l'identification des paramètres du modèle [14] peuvent être faits une fois pour toutes ou bien au début de l'utilisation du système pendant une phase d'initialisation de durée suffisante pour permettre une très bonne précision dans l'estimation des paramètres suite au filtrage des termes de [14] qui ne sont pas corrélés avec [14]. Cette identification est exactement la même que celle décrite dans [10], [11], [12]. Les paramètres de [14]
sont alors mémorisés pour le calcul de Ku. Le principe d'extraction de Bm consiste à écrire :
15= -URM BC2 BRU [16-a]
O ù iirtu sont les estimées des signaux corrélés avec Xuj.
Après l'identification du modèle du type :
Ne Nie Nsc BE = )1 /Åc(iej,kic)*Xc(iej,kic)-E /êrsce (ic,kõ) = COS(Oksc tk) + êiscm (ie , kse) = Sill(0)ksc tk) k. =0 k=1 1c.
On en extrait tous les termes des signaux corrélés avec Xuj pour former le signal ûrtu :
Ne Nb ijI2U(1c,tk) = BRC(ic,i ,kb).XC(ic,i,kb) [16-b]
j=1 kb =0 Kmde [16-a]est donc l'estimée du bruit non corrélé
avec les champs émis.
On constate donc que, lorsqu'il y a émission des signaux par E-1, dans les deux réalisations i) et ii) décrites précédemment, le même modèle devait être identifié sur les mesures Sc (venant du bloc C-1) ou Sb (venant du bloc C-2).
Le modèle du signal à identifier dans le cadre de cette seconde réalisation de l'invention pour laquelle une

- 32 -mesure du bruit EMI est réalisée et de laquelle on extrait le bruit seul BRM, est alors réalisé.
On développe le modèle de Bc qui est le champ mesuré
par le capteur C-1:
z lic = Rtc/E (i3>U/E + i3CU/E + BRIVI/E) [17]
Dans l'indice DIE' E indique que le vecteur est exprimé dans le repère de l'émetteur (cet indice est parfois omis par simplifications sachant que le contexte indique dans quel repère sont exprimés les champs), u indique que c'est la partie du champ linéairement dépendant des champs émis par l'émetteur X. L'indice Cu indique que ficuE fiEci film' représente le vecteur des perturbations corrélées avec le vecteur X. On pourrait modéliser ijuu/upar la convolution de üu/Epar la réponse impulsionnelle du filtre complexe existant entre les deux grandeurs. i-3 /Ea la même signification qu'en [13] et [15], il est le bruit présent dans l'environnement non corrélé avec les champs émis.
On néglige B, qui est supposé être filtré par un filtre digital classique connu de l'homme de l'art. On développe les trois modèles linéairement par rapport à des paramètres à
identifier par exemple par une méthode classique de minimisation de l'erreur quadratique. Lorsque les coefficients sont déterminés, on extrait les neuf termes (3 termes dus à chaque voie d'émission pour chaque composante du capteur triaxial C-1) relatif à xuuo composants de la matrice notée A qui sera mieux définie ultérieurement. L'intérêt fondamental de cette modélisation complète des signaux reçus par le capteur C-1 réside dans le fait que les 9 paramètres de A sont d'autant moins biaisés que les variables indépendantes du modèle représentent le plus exactement les phénomènes physiques.
On développe les trois modèles de [17] : Modèle Éu/E, Modèle ÉCU/Er Modèle KIVVE :
Modèle fi ¨15/E :

- 33 -Par la suite, on considère que le capteur C-1 a été
corrigé de ses erreurs selon les méthodes connues : les fonctions de correction de gain, de mésalignement, etc., sont appliquées. En supposant que la distance entre capteur C-1 et émetteur est au moins trois fois la plus grande dimension de l'émetteur, on écrit alors de façon connue que le modèle est de type dipolaire et s'écrit Bc (t) = [Rc I e(t)]t [P]t [1-1][P](M1 f1 (t)+ M2f2(t)+ M3 f3 (t)) [18]

H= _____________________________ [19]
DGEest la distance entre le centre Oc du capteur C-1 et le centre de l'émetteur Oe :
- A
0E0c = pc - = fi, [19-bis]
Dc/E est variable en fonction du temps, comme la rotationRce.
û : vecteur unitaire de 003cexprimé dans le repère de référence de l'émetteur RE qui est défini mécaniquement de façon connue par l'homme du métier relativement au repère de la plateforme R, selon la figure 2.
P est la matrice de passage entre le repère de l'émetteur et le repère avec = A ù> e t = A dit repère radial, où fimest le vecteur unitaire d'un axe d'émission. On montre aussi que par exemple :
1 -(Y2 z2) 1 [20]
Si = y alors ï>, __ xY , i,777 y et P = [21]
a2 a3 Dans [ 18 ] = m i(t)131 M2 = m 2f 2 (t)13 2 M1 = m 3f 3(t)133 [22]

- 34 -sont les moments dipolaires des bobines d'émission dont l'amplitude évoluent dans le temps sensiblement selon les fonctions fi(t) , f2(t) , f3(t) imposées par les courants circulant dans les bobines.
m1, m2, ni3 sont les termes multiplicatifs de amplitudes des moments magnétiques qui dépendent des unités choisies, des gains des amplificateurs de courants E-2, a13y, les coefficients (cosinus) directeurs des vecteurs unitaires colinéaires des moments magnétiques (axes de révolution) des bobines, fiffl, 1.2.(1), f3(t)représentent les variations des mesures normalisées proportionnelles aux inductions magnétiques émises dans le temps par chaque bobines d'émission. Les mesures de ces inductions émises sont réalisées par les capteurs E-3 solidaires de l'émetteur E de la figure 4 et sont proportionnelles à mi. La sortie VE3 des capteurs E-3 est soit digitalisée par le bloc CAN
du processeur pour les trois axes et intégrée numériquement ou bien selon un mode préféré selon la figure 4, elle est d'abord intégrée par un amplificateur analogique E-3-2 puis digitalisée par le bloc CAN 4-1 du processeur 4 et chacune des voies est normalisée par un coefficient déterminé en usine de façon connue par l'homme du métier, de telle sorte que les valeurs ainsi normalisées correspondent aux unités physiques et à leurs valeurs nominales. Les coefficients ai sont déterminés en usine par des procédures de calibration sur banc usine par des méthodes connues de l'homme du métier.
Les fonctions XE
=.Xtu, Xu2, Xtult ainsi digitalises, proportionnelles aux fonctionsf1ffl,f2(t),f3(t) sont donc les images des champs émis par les 3 bobines : en réécrivant [18], si -;/, est le vecteur 0E0c Bc (t)= [Rcie (t)]t B(54) [MiXci(t)+ M2Xu2(t)+ M3Xu3(t)] [23]
B(54) = [P][H] [P)]t Ou encore si on note A = [12,/e(t)]t B(54) [23-bis]

- 35 -ai az a Bc (t) = [A] [X ui (t) = mi = Pi + XU2 (t) = m2 = P2 + XU3 (t) = m3 = P3 3]
[24]

[(Allai + A12131 + A13Y1 )1flifi (t) + (A1 iaz + A12132 + A13Y 2 )m2f2 (t) +
(A1 ia3 + A12133 + A13Y 3 )m3f3 (t) Be (0 - (Amal +A221 + A23Y1 )mifi (t) + (Azia2 +A222 + Al3Y 2 )m2f2 (t) +
(A21a3 +A223 + A33Y 3 )m3f3 (t) 251 (Amal + A32t31+ A33Y1)In1f1(t) + (A31a2 + A32132 + A33? 2 )m2f2 (t) + (A31a3 +
A32133 + A33? 3 )m3f3 (t) On est en présence de trois équations à trois inconnues chacune, soit 9 termes à identifier. Mesurant les trois composantes de Bc, lorsqu'il n'y a pas de perturbations et B de [17], on identifie les neufs termes de xu IX X X 1 = =--ui, ¨U29 ¨U3,t par une méthode classique des moindres carrés (MSE) ou une méthode récursive équivalente (LMS, RLS).
On obtient alors la matrice W qui peut se mettre sous la forme de :
-All Al2 A13 - -a1 az a3 - -m1 0 0 -W = A21 A22 A23 131 P 2 133 () m2 () A31 A32 A33 . .Y1 Y 2 Y3 . . 0 0 I113.
soit [26]
w=[A]CEKE
Les deux matrices, C, et K, (gains et mésalignement) relatives au bloc d'émission E-1, sont identifiées en usine, on obtient alors facilement la matrice A recherchée.
[27]
Connaissant A, la position 5>4. du centre du capteur dans le repère émetteur et la rotation F47/E(ou cosinus directeurs des axes du capteur dans le repère émetteur) s'obtiennent selon les méthodes de l'état de l'art. Par l'identification de la matrice A composée des coefficients des fonctionsx iuu =.Xui, Xu2, Xult r on a ainsi réalisé le démultiplexage des voies d'émission par identification d'un modèle, et non pas par un démultiplexage temporel (émissions non simultanées), ni un démultiplexage fréquentiel (US6754609 Lescourret, US 6172499 ASHE, etc.) ou tout autre démultiplexage.
MODELE f3'CU / E :

- 36 -Comme cela a été déjà vu, KuEpeut être considéré
comme la sortie d'un filtre linéaire dont l'entrée sont les champs inducteurs émis par El, et la sortie est la mesure par le capteur C-1. Il est donc toujours possible de considérer que la sortie à l'instant tk est une combinaison linéaire des entrées aux instants tk-kl.Te. Si on note :
Xcu(tk - kfre)=LX[Ti(tk - kiTe), Xu2(tk ¨ kiTe), Xu3(tk ¨ kiTe)Jf on forme pour chaque composante ic (ic=là3) du capteur C-1, le modèle suivant :
Ne N(i) BCU/E(ic, tk) = î Ac (i j ) X CU (j tk - k(i)Te) Te) u [ 28]
j=1 =0 En général, dans les environnements des cockpits, il y a pratiquement pas de matériaux ferromagnétiques, les effets FMI sont donc faibles en particulier pour les fréquences élevées et de plus varient sensiblement en y/3 3 où DpiEest la distance / WED C/P
émetteur-perturbateur et DGp la distance perturbateur-capteur C-1. Lorsqu'il est possible de les ignorer, les perturbateurs ECI
sont les seuls perturbateurs dont on peut écrire le modèle comme une fonction des dérivées des champs émis :
Xcu(tk - klTe) ,=[X'ul(tk - klTe), Xu' 2(tk -14Te), X'u3(tk - kiTe)ft [29]
(Xui(tk) ¨ Xui (tk _Te)) Xur (tk) ______________________________________________ avec Te MODELE BRNI/E :
Le bruit de référence est extrait des signaux Sb est BRm = 13c2 - 13cu . Si on appelle la variable XBR(tk) = BRm(tk) , et pour tenir compte des fonctions de transfert entre capteurs, le modèle du bruit ambiant pour chaque composante ic du capteur C-1:
BEmi(ie,tk) , peut se mettre sous la forme d'une fonction des variables xBR(tk-kbTe) :
kb=Nbb(ie) j3s RM(1C,tk) = Cb(kb,ie)XBR (tk kbTe ) [30]
4=o

- 37 -Modèle complet :
Le modèle complet [17] s'écrit pour chaque composante de Ne N(i) kb =Nkb(ic ) Bc(ic,tk) = Xcu(i'tk k(1, ) Te) + Cb (kb, ) XBR(tk ¨
kbTe ) j=1 k(i)=O kb =0 [31]
Le nombre de coefficients et le nombre de variables sont au nombre de Ne*Maxiic(N(ic)).
Les neuf termes de Acu(iej,0) sont les termes du modèle en espace libre c'est-à-dire sans perturbateurs.
Une fois que tous les coefficients sont estimés par une méthode classique des moindres carrés (MSE) ou une méthode équivalente récursive (LMS, RLS, KALMAN,...) à chaque cycle d'émission Tobs, les termes Acu(iej,0) relatifs aux variables xumk) forment une matrice 3x3 identique à W de [26] et qui sont les coefficients du modèle en espace libre, puisque ils représentent uniquement les champs inducteurs. On en déduit comme indiqué
plus haut la première position et orientation aux instants tk issue du détecteur magnétique insensible aux perturbations.
L'insensibilité aux perturbations provient du fait que l'invention met en uvre un modèle complet des signaux utiles et des bruits mesurés et estimés, modèle pour lequel les coefficients ne sont pas biaisés du fait de la complétude du modèle.
L'information de P/0õ, selon la figure 12 du système de Détection De Position et orientation magnétique insensible nommé DDP MI c'est-à-dire la position du centre du capteur XciE(tn) et la rotation Ru/E(to)du capteur C-1 sont connues aux instantstn=n*Tobs, n étant un entier positif : en effet, l'identification des coefficients de l'équation [31] étant réalisée par le bloc de calcul 4-4 est effectuée sur Nobspoints acquis aux instantstkavec to-to4=Toos. La latence de l'information délivrée est deTobs/2.

- 38 -C- HYBRIDATION MAGNÉTIQUE ET INERTIEL
On présente ci-après un des objets de l'invention qui consiste à compenser la latence d'un système de détection de position/orientation. L'exemple décrit porte sur un système magnétique mais s'appliquerait à tout système de détection de l'orientation d'un corps mobile.
Lorsque le rapport signal à bruit en entrée du système de détection magnétique n'est pas suffisant, soit qu'il existe du bruit non pris en compte par le modèle soit que du bruit s'ajoute sur le capteur C-1, une méthode consiste à
augmenter le nombre de points pour moyenner davantage le bruit.
On augmente donc la latence, ce qui est relativement néfaste pour le pilotage des aéronefs. Un aspect de l'invention est d'associer à la détection magnétique un système inertiel dont on connait les propriétés excellentes à court terme, c'est-à-dire un très faible temps de réponse, mais ayant des dérives à long terme, notamment dues aux de biais et dérives de biais. Le moyen de détection de position Magnétique a une excellente stabilité à
long terme mais un temps de réponse lié au rapport signal à
bruit qui peut être insuffisant dans certaines conditions. Le principe de l'invention consiste à associer, on dit aussi hybrider, le système magnétique et le système inertiel, lorsque la plateforme dispose d'une centrale à inertie fournissant à
tout instant l'attitude de la plateforme dans un repère galiléen fixe. La figure 12-a indique l'état de l'art qui consiste à
utiliser les vitesses angulaires mesurés sur l'objet mobile et aussi sur la plateforme pour être traitées dans un filtre de KALMAN. La figure 12-b décrit le principe de l'invention qui consiste à mesurer les vitesses angulaires de l'objet mobile M, et de les intégrer numériquement de façon connue du temps ti (temps initial) au temps tf (temps final) pour obtenir la rotation du mobile entre ces deux instants dans le repère fixe.
L'acquisition des vitesses angulaires est faite par le bloc C-3-1 de la figure 3, composée d'un capteur MEMS délivrant les

- 39 -vitesses angulaires digitalisées à une cadence propre Te qui est un sous multiple de T
-oos: Tg=Tobs/kg , kg estun entier positif. ti est par exemple la fraction de temps qui suit l'instant d'arrivée de l'information du moyen de détection de position magnétiquetnsoà-G.tf est l'instant pour lequel l'information est désirée. Dans l'invention, il y a deux instants particulier tf.
Le premier est l'instant t le second est l'instantt.+Tobs. Cela sera mieux compris par la suite.
La rotation ainsi calculée à partir de l'attitude initiale des capteurs gyrométriques C-3-1 au temps ti est exprimée dans le repère fixe galiléen schématisé par le repère Ri de la figure 2.
L'information du moyen de détection de position MI
est disponible en sortie de 4-4 et constitue la première orientation nommée Rot(tn=n.Tobs).Cette rotation est RplE(tn)c'est-à-dire la rotation des axes du repère Rmlié à l'objet mobile M
selon la figure 2 exprimée dans le repère de l'émetteur.
Connaissant la matrice de passage de l'émetteur vers la plateforme RE/1, par une mesure lors de l'installation de l'émetteur dans la plateforme et la matrice de passage de Rm au repère du capteur C-1 : Rcl, l'homme de l'art sait calculer la rotation du repère Rmpar rapport à Rp soit gep. Pour traiter les informations inertielles et magnétiques, il est nécessaire de les exprimer dans un même repère, par exemple le repèreRi. On doit donc calculerREm=Rp/IRmE7pPour cela, il est nécessaire de connaître Rp,/ qui n'est autre que la matrice des cosinus directeurs de la plateforme qui est fournie par la centrale à
inertie C-3-2 de la plateforme, en général sous la forme des trois angles d'Euler Gisement y, Site 0 et roulis 4), à partir desquels, on calcule Rp,/ puis Rn.
On en déduit les cosinus directeurs des gyromètres dans le repère inertiel au temps ti= tn par la formule :

- 40 -ENI
Rei (tn) = RP/i(tn).RE1VIM/P(tn).R ghn [ 32]
OU Re est la matrice constante définissant la matrice des cosinus directeurs des gyromètres dans le repère mobile M. On déduit le quaternion Q(t11)deRg7(t11).
Le quaternion Q(tkg =tn+ kgTgobtenu par intégration ) numérique de l'équation du type (j=F(w)Q ou sous sa forme intégrée :
=tn +kg Tg F(iô(u)).Q(u) (j(tkg) =f du 33-a]
t. 2 Avec la condition initiale : tj(tn)= -tài(tn) [33-b]
Nous verrons que cette condition initiale est la valeur de l'état prédit par le modèle à tn à laquelle s'ajoute une fraction de l'erreur entre mesure estimée et mesure réelle.
0 -cît)(n) -cîuy(n) -C-oz(n)-tàx(u) 0 -E(70z tu) 41')y (11) F(6)(11)) =
(u) -W(u) O +6)x (u) Y [ 33-c]
6)z (11) +6)y (11) 41')x (11) Où ci) = - Sc-i) [33-d]
calculée à partir des valeurs Com fournies par les gyromètres et corrigées des erreurs des gyromètreseeià estimées par un estimateur optimal du type de Kalman (étendu : EKF ou "sans odeur" : UKF) ou sous-optimal ( "Moindres carrés récursifs" du type LMS, RLS,...) selon un modèle des erreurs du type ôcî) = b + AK = [ 3 4 ]
où tubest un biais aléatoire et K la matrice des erreurs de gain, de mésalignement et de couplage entre voies.
La propagation des erreurs gyrométriques est réalisée par un modèle dynamique des termes de &, lui-même intégré comme il est connu de le faire avec un filtre de KALMAN. En appelant dQ 1 ' erreur entre la valeur Qrw(tn)calculée par le moyen de

- 41 -détection de position magnétique au temps t. et Q(t)intégrée de tfl_là t11 , le vecteur d'état de propagation des erreurs est par exemple du type 3:=W d1:-Y bto, AW1 Q = ¨2 F(6)(t))Q(t) [35]
- ¨
dQ = -2F(cio) dQ + -2C(Q) tx [ 3 6 ]
= = 1 -= Vg ou Tg [37]
41( = VK OU 4K = --14K + VK [38]
Tk Y=dQ [39-a]
Y= dQ + v mesure [39-b]
-Qi -Q2 -Q3 -+Qo +Q2 Avec C(Q)= -Q1 [40]
+Q3 +Qo -Q1 _-Q2 +Qi +Qo v, Vg,Vk sont des bruits additif supposés gaussiens centrés fonction des caractéristiques des fluctuations des termes Gwet K.de [38-a et 38-b] et de l'erreur fournie par la système de détection magnétique.
Les équations [35] à [38] peuvent être intégrées numériquement de diverses manières ou être mise sous la forme d'équations matricielles récurrentes. A chaque instanttn, les paramètres de 800 sont recalés par des formules connues de l'homme de l'art fonction du filtre choisi, par exemple le filtre de KALMAN.
Dans cette hypothèse, la formule recalage à est du type :
x(t+n)=x(t,-,)+ K,(Y -) [41]
Si le filtre de KALMAN (du type standard ou étendu (EKF) ou unscented (UKF) est utilisé, K.est obtenu par des

- 42 -formules bien connues (prédiction et recalage de la matrice de covariance). Si K.= 1, on ne fait pas confiance au modèle de prédiction : le recalage consiste à initialiser l'intégration avec ize(t.) . Si R.=0, on ne fait pas confiance aux mesures qui ne sont pas prises en compte. Le réglage du gain ne fait pas partie de l'invention, notamment car il dépend beaucoup des conditions expérimentales (bruit, qualité des capteurs, etc.).
La compensation de la latence s'effectue de la façon suivante : Après le recalage du filtre selon [41] à l'instant-t, on intègre les équations [35] à [38] sur un temps tkg - Tobs / 2 jusqu'àtkg(le temps courant), en utilisant les vitesses angulaires brutes mémorisées sur cet intervalle de temps, et corrigées selon [33-d]. La valeur initiale de Q est la valeur recalée à t-,. On obtient une nouvelle valeur de (j(tkip. Ensuite, T
de tkgà tkg +¨ à chaque nouvelle acquisition de 6)., on calcule 2 ' 'O(tkg) selon les mêmes formules [35] à [38] jusqu'à la nouvelle valeur de recalage Q(t. 1)date de l'arrivée de la nouvelle orientation du système de détection de position (première orientation). On a ainsi réalisé la compensation.
On calcule la matrice des cosinus directeurs Rej(t) définissant l'attitude des gyromètres dans le repère fixe et calculée à partir du quaternion ij(t4)1q0 ql q2 ch]t de [33] par la formule suivante :
-cpî + ¨ qî ¨ qî 2(ceqî ¨ cii(2)qî) 2( cii + cpîqî) -Ro = 2( ciiî + cikîe cpî + qî ¨ ¨ ce 2(qîqî ¨ q(2)q) [42]
2(ciiciî ¨ cpîqî) 2(ciiciî + cpîq) cii(2) +qî ¨q ¨q La matrice définissant les cosinus directeurs du repère de l'objet mobile M par rapport au repère de référence (repère de le plateformeRp) est ensuite calculée par l'expression t Rittip(t)=Rtpit(tkKit(teem [43]

- 43 -La seconde orientation peut être définie par les angles d'Euler extraits de la matrice R.,p(ti(g) par des formules connues de l'homme du métier.
Ce procédé permet d'une part de fournir à cadence très élevée (de l'ordre de 10 fois plus élevée) l'estimation de la seconde orientation, ce qui minimise le retard entre la fourniture des informations calculées et leur utilisation par le système qui en fait l'acquisition à une périodicité quelconque et de façon non synchronisée avec tn, et d'autre part la compensation de la latence par le calcul de la trajectoire de (tkg-Tob5/2) à tkg grâce à la mémorisation et leur correction des vitesses gyrométriques de (tkg-Tob5/2) à tkg.
Les applications Les applications de l'invention sont essentiellement celles pour lesquelles une grande précision est nécessaire pour la position et l'orientation d'un corps par rapport à un autre corps pris pour référence en présence de fortes perturbations électromagnétiques. La position et l'orientation du casque de pilotes d'aéronefs civils et militaires sans utiliser de cartographies magnétiques est une première application. De nombreuses applications en chirurgie, dans les simulateurs, capture de mouvements et jeux vidéo, etc. sont possibles.

Claims

Revendications :
1 ¨ Système de détermination sans contact de la position et de l'orientation d'un premier objet mobile (M) par rapport à un repère de référence (R P) porté par un second objet fixe ou mobile (P), dans un environnement électromagnétique perturbé, du type comprenant :
- au moins un capteur électromagnétique C-1 et au moins un capteur inertiel C-3-1, liées audit objet mobile (M) - au moins un émetteur E1 comportant au moins une antenne d'émission, au moins une centrale inertielle C3-2 comprenant des capteurs inertiels liées à la plateforme - un calculateur pour déterminer l'orientation et la position dudit objet mobile en fonction des signaux fournis par lesdits capteurs et capteurs inertiels, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un capteur électromagnétique de référence C2 lié à ladite plateforme, et en ce que ledit émetteur E1 comprend en outre un capteur électromagnétique E-3 intégré, l'antenne de l'émetteur comportant des noyaux ferromagnétique de perméabilité
magnétiques relative effective supérieure à 10, intégrant des capteurs (E-3) de mesure du champ magnétique Xu effectivement émis par les axes dudit sous-ensemble d'émission (E-1) qui fournissent les variables de mesure du champ effectif émis par l'émetteur E1.
2 - Système de détermination sans contact selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend :
- Un premier ensemble d'émission (E) d'induction(s) magnétique(s), comportant une antenne d'émission et un premier sous-ensemble (E-1) d'émission de Ne bobines d'émission, Ne étant égal à au moins deux, dont les axes de symétrie, lesdits sous-ensemble (E-1) étant non parallèles entre eux, sont fixés sur le second objet (P) pour former un repère de référence (R E), - Un premier ensemble de réception (C-1) fixé sur le dit objet mobile comportant Nc>=2 bobines de réception non parallèles, sensibles au champ magnétique ambiant résultant de la somme vectorielle des champs émis par le dit premier ensemble d'émission et des champs magnétiques perturbateurs générés par des courants électriques existants dans l'environnement et par des aimantations ferromagnétiques, ce second ensemble formant un capteur(C-1) solidaire du premier objet mobile M tel que le produit Nc*Ne >= 6, et formant un repère de mesure (Rc1), - Un processeur de calcul (4) destiné au calcul de la position et l'orientation du premier objet mobile (M), couplé à
des premiers moyens de conversion analogique/numérique (4-1) destinés à réaliser l'acquisition des signaux analogiques à des temps discrets t k = k.T e, des seconds moyens de conversion digital/analogique (E-4) destinés à générer les courants prédéterminés injectés dans le premier ensemble d'émission (E1), - ladite antenne dudit premier sous-ensemble d'émission (E-1) comportant des noyaux ferromagnétique de perméabilité
magnétiques relative effective supérieure à 10, intégrant des capteurs (E-3) de mesure du champ magnétique Xu effectivement émis par les axes dudit sous-ensemble d'émission (E-1) qui fournissent les variables x u (j, t k -k(i c)ropour j=1 à Ne et i c=1 à
Nc, - Un moyen (4-4) d'extraction du signal corrélé avec le bruit environnant X BR(t k-k b T e) issu des capteurs (Sb) liés rigidement à la plateforme (P), afin de former avec la mesure d'induction magnétique Xu un modèle complet des champs mesurés permettant l'extraction des six paramètres relatifs au modèle de champ sans perturbateurs, tout en réalisant un démultiplexage des voies émises simultanément, qui permet le calcul de la dite première position et l'orientation de (R M).
- Un moyen d'hybridation comportant :

.circle. i) au moins un gyromètre triaxial lié rigidement à
l'objet mobile, notamment un casque, et formant un sous ensemble inertiel de mesure gyrométriques IMU (C-3-1), et .circle. ii) un moyen d'acquisition des informations d'attitude d'une centrale de navigation INS (C-3-2) liée à la plateforme .circle. iii) un système de détection de posture DDP magnétique (E) (C-1) (C-2) (4-4) lié au corps mobile et permettant d'annuler la latence du moyen de détection de position et de fournir les informations d'orientation par le calcul de l'intégration d'un système différentiel régissant la dynamique de l'attitude de l'objet (M) et celle des erreurs capteur (C-3-1).
3 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les courants pilotés par le processeur de calcul 4 étant émis simultanément sur les trois axes de façon continue ou discontinue selon un motif temporel cyclique de durée T obs- T off=N obs.Te -T off, le processeur de calcul 4 estime en continu et en temps réel à une fréquence de récurrence de sortie F out proportionnelle à égale ou supérieure aux fréquences de rafraîchissement des images vidéo, les paramètres d'un modèle analytique de la somme vectorielle de toutes les inductions magnétiques présentes dans l'environnement, les variables dudit modèle sont déduites :
~ des mesures faites par ledit troisième sous ensemble d'émission E3 fournissant les j signaux xu j(t k) proportionnels aux induction émises, ~ du calcul des variables du type x cu (j, t k - k(i c) Te) dont la combinaison linéaire est le modèle des perturbations corrélées avec le flux d'émission ~ De l'estimation du signal somme des perturbations rayonnées de l'environnementI ~ RM(t k), non corrélées avec les champs émis par les bobines de l'émetteur E1, et issu soit des mesures du second bloc de réception C-2 soit extraites des mesures du signal du premier bloc de mesure C-1 pendant le temps T off d'extinction de l'émission.
4 - Système selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que :
- les paramètres A(i c, j) dudit modèle analytique déterminés relatifs aux termes X U j (t k) et à l'axe de mesure i c du dit premier ensemble de réception (C-1) fournissent les termes du modèle dipolaire ou multipolaire des champs magnétiques inducteurs à partir desquels dits termes le calculateur 4 détermine une première valeur de la position et l'orientation du capteur fixé sur le premier objet mobile (M) à chaque cycle d'émission T obs, orientation définie par les trois angles d'Euler Gisement G, Site S, Roulis R
- Système selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les Ne courants prédéterminés injectés à
travers les dites Ne bobines du second sous ensemble d'émission (E-1) génèrent des flux d'induction prédéterminés F j(t) caractéristiques de chaque axe de ces dites bobines et cycliques de période T obs dont la valeur est voisine des périodes de rafraîchissement des écrans de visualisation, sont tels que les valeurs de flux d'induction mesurés par le troisième sous-ensemble d'émission (E-3) de façon continue ou discontinue puis numérisés forment des séries temporelles qui ne soient pas linéairement dépendantes, c'est-à-dire qui forment une matrice de corrélation inversible.
6 - Système selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les variables définissant la partie du modèle linéairement dépendant des Ne flux Fj(t) mesurés, j=1 à
Ne, émis par les Ne premiers sous-ensembles d'émission et reçus par l'axe i c du premier ensemble de réception, est constitué
d'une part d'une combinaison linéaire du type avec x cu(t k ¨k1T e)=[X U1(t k - k1T e), X U2(t k - k1T e), X U3(t k - k1T e)]t dans laquelle les termes A c(i c , j, k i) pour lesquels k ic =0 tendent vers les valeurs proportionnelles au champ inducteur qui serait mesuré en Espace Libre en l'absence de toutes perturbations magnétiques, les autres coefficients représentant les valeurs proportionnelles aux inductions des effets perturbateurs linéairement dépendants des flux d'induction émis comme les effets Foucault et les effets ferromagnétiques.
7 - Système selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le modèle des signaux alternatifs de l'environnement de chaque composante ic du premier ensemble de réception soit constitué d'une somme de signaux de type sinusoïdal dont les fréquences .omega. k se sont estimées pendant les périodes de non émission T off à partir des signaux dudit premier ensemble de réception (C-1), pour former les variables Xsc d'un modèle regroupant la somme du modèle ~ EC(i c,t k)et du modèle B ESC(i c,t k):
8 - Système selon les revendications 1, 2, 3, 6 caractérisé en ce que le signal mesuré par le second ensemble de réception B RM(i c,t k) est filtré pour obtenir le signal de référence de bruit ~ Ebr(i c,t k)par les opérations suivantes :
~ RM = B C2 - ~ CU
avec 9 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les Nc bobines du premier sous-ensemble d'émission sont bobinées sur un noyau ferromagnétique [E-1] cubique ou sphérique constitué de cylindres (ou parallélépipèdes) dont le rapport longueur sur diamètre (ou sur coté) est supérieur à 10 et la perméabilité magnétique est typiquement supérieure à 2000, les dits cylindres (ou parallélépipèdes) sont imbriqués de façon sensiblement identiques selon les trois directions définies par les axes de symétrie des bobinages et de telle sorte que le barycentre de la matière ferromagnétique de chaque axe soit le plus proche possible du centre commun des trois bobines.
- Système selon la revendication 1 et 9 caractérisé en ce que les courants injectés par le second sous-ensemble d'émission résultent d'un asservissement à grand gain de boucle de la chaine directe (E-2) dont la consigne est un signal cyclique généré par (E-4) dans le processeur, le dit signal cyclique est de densité spectrale constante (Séquence Binaire Pseudo Aléatoire) ou dépendant de la fréquence, et le signal de retour soustrait à la consigne est proportionnel à
l'induction issu du troisième sous-ensemble d'émission (E-3-2).
11 - Système selon les revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la seconde orientation est calculée de la façon suivante :
Aux temps t k=k .cndot. T obs , le quaternion Q (t k) définissant l'attitude des gyromètres dans le repère inertiel (R i) est calculé à partir des termes des matrices des cosinus directeurs Le quaternion Q(t k g=t k + k g.T g)obtenu par intégration numérique de l'équation du , avec Q(t k) est tiré du recalage du vecteur d' état X du type x(t ~)=X(t ~) + K n(Y- ~) lors de la réception de l ' orientation R ~(t k) donnant la mesure où
Avec , calculée à partir des valeurs ~ m fournies par les gyromètres et corrigées des erreurs des gyromètres ~
estimées par un estimateur optimal du type de Kalman ou sous-optimal ("Moindres carrés récursifs" du type LMS, RLS,...) selon un modèle de propagation des erreurs du type où ~b est un biais aléatoire et K la matrice d'erreur de gain , de mésalignement et de couplage entre voies.
La matrice des cosinus directeurs R g/i (t kg) définissant l'attitude dans le repère fixe est calculée à partir de la formule Où Q(t kg) = [q0 q1 q2 q3]t.
La seconde orientation fournie à t kg est définie par la matrice des cosinus directeurs R m/p(t kd) définissant l'attitude du repère mobile par rapport au repère de référence est ensuite calculée par l'expression R m/p(t kg) = R ~/i(t kg) ~ g/i(t kg)R ~/m.

La seconde orientation est éventuellement fournie par les angles d'Euler extraits de la matrice R m/p(t kg).