EP1934558A1 - Dispositif et procede de correction des effets du vieillissement d'un capteur de mesure - Google Patents

Dispositif et procede de correction des effets du vieillissement d'un capteur de mesure

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Publication number
EP1934558A1
EP1934558A1 EP06793955A EP06793955A EP1934558A1 EP 1934558 A1 EP1934558 A1 EP 1934558A1 EP 06793955 A EP06793955 A EP 06793955A EP 06793955 A EP06793955 A EP 06793955A EP 1934558 A1 EP1934558 A1 EP 1934558A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
receiver
processing unit
measurements
time base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06793955A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Guichard
Pierre-Olivier Lefort
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1934558A1 publication Critical patent/EP1934558A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/02—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation
    • G01D3/022—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation having an ideal characteristic, map or correction data stored in a digital memory

Definitions

  • the invention relates to a method for correcting the effects of measuring sensor aging. It also relates to a device delivering corrected measures of the effects of aging of the device.
  • the invention finds particular utility in the field of navigational aids and steering instruments, and in particular the instruments which are intended for air navigation in which the constraints of accuracy on position and speed are high and which are autonomous, that is to say they operate without any external resources to the aircraft with the exception of the gravitational field and the Earth's magnetic field.
  • inertial navigation systems in aircraft is very conventional today. These units use accelerometers to determine accelerations along axes defined with respect to the aircraft, gyrometers for determining angular rotation speeds with respect to axes that are also defined with respect to the aircraft, and possibly other sensors such as than a baro-altimeter. By integrating the gyro measurements, the orientation of the aircraft is determined at a given moment; by integrating the accelerometric measurements, which can be related to a terrestrial reference mark outside the aircraft thanks to the knowledge of the orientation of the aircraft, the speed components of the aircraft are determined in this terrestrial reference frame. By integrating speeds, geographical positions are determined.
  • the short-term errors of the sensors are corrected by means of a registration as for example in the patent FR2830320 where an inertial navigation unit is hybridized with at least one satellite positioning receiver.
  • the correction can also be carried out by means of a numerical model using a primary measurement often "real time" of a quantity, whose disruptive effect on the measurement is known, for example the internal temperature of the sensors.
  • Long-term errors can not be reduced by these methods because they are related to the stability of the sensor over time over a fairly long period of up to several decades.
  • the long-term errors are related to the stability of the bias (or offset) and the stability of the sensitivity (or scale factor) of the sensor.
  • One way to reduce long-term sensor error is to build the sensor from extremely stable components. Indeed, the stability of the component or material on which the measurement is based, for example a mechanical component, an electrical component or a gas, ensures the stability of the measurement over time. This method, very natural, can be extremely expensive because it requires the use of high-end components.
  • the present invention overcomes the disadvantages of the solution presented above. Its purpose is to correct the long-term errors of a measuring sensor only from the age of the sensor at the moment of measurement, that is to say from the time between the date of manufacture of the sensor and that of the sensor. measurement. This method requires to know the law of degradation of the measurement with the age of the sensor and to have permanently a clock delivering an absolute time. This last condition is very restrictive if the invention is to fit on existing aircraft.
  • the subject of the invention is a method for correcting the effects of aging of a measurement sensor on a carrier, the sensor delivering measurements whose accuracy deteriorates with the age of the sensor, a law describing the degradation of the accuracy of the measurements according to the age of the sensor being known, the wearer being equipped with a unit processor processing measurements of the sensor, and a satellite positioning system receiver having absolute time information for ephemeris reading to establish satellite positions and to provide a positional measurement receiver, characterized in that it comprises the following steps:
  • Another subject of the invention is a device delivering measurements, comprising a measurement sensor, the sensor supplying a processing unit with measurements whose accuracy deteriorates with the age of the sensor, the processing unit processing the measurements, a receiver of a satellite positioning system having absolute time information for ephemeris reading to establish satellite positions and providing a position measurement of the receiver and a means of storing a law describing the degradation of the accuracy of the sensor measurements as a function of the age of the sensor, characterized in that it comprises: - means for transmitting the absolute time information to the processing unit, to the powering up of the sensor, treatment unit;
  • FIG. 1 shows schematically the principle of an inertial unit hybridized with a satellite positioning receiver, constituting the state of the art
  • FIG. 2 diagrammatically represents the principle of an inertial unit hybridized with a satellite positioning receiver, comprising a device according to the invention
  • FIG. 3 represents a flowchart for a method of correcting the effects of aging of a device, according to the invention
  • the invention has a number of advantages detailed below:
  • the effects of the aging of a sensor are corrected by means of absolute time information from a receiver of a satellite positioning system whose operation is independent of that of the sensor. This independence is motivated in general by the interest of maintaining access to sensor measurements in the event of a receiver failure and conversely to maintain access to position measurements delivered by the receiver in the event of a failure. of the sensor. Moreover, the likelihood of the absolute time information is examined before it is taken into account for the development of the correction. The correction of the effects of the aging of the sensor therefore does not question the independent nature of the operation of the sensor and the receiver or their individual interchangeability. It does not degrade the safety of the onboard equipment either.
  • the accuracy of the absolute time information required for the correction of the effects of aging is small, it does not need to be less than one week. This allows the use of absolute time information from an absolute clock of the receiver operating continuously. This absolute time information has the advantage of being available almost instantly which makes it possible the development of the correction of the effects of aging of the sensor during a self-test sequence, for example when powering up a processing unit processing sensor measurements. In this case, the correction of the measurements does not require any modification of the software functioning during the movement of the carrier and does not degrade its speed of execution. Corrections are only taken into account once, when the power is turned on and does not affect subsequent real-time calculations.
  • the device comprises an inertial unit UMI which comprises at least one sensor, for example an accelerometer or a gyrometer and a processing unit and a receiver of a satellite positioning system.
  • the processing unit processes measurements delivered by the sensor. The measurement accuracy changes with the age of the sensor.
  • a hybridized inertial unit comprises an UMI inertial unit, a satellite positioning receiver, which will subsequently be called a GPS receiver with reference to the most common positioning system known as the "Global Positioning System", and an electronic hybridization computer.
  • CALC_HYB CALC_HYB.
  • the UMI inertial unit is most often composed of:
  • accelerometers typically three
  • gyrometers typically three, each having a fixed axis with respect to the aircraft and providing values angular rotation speed around these axes
  • a processing unit which is a calculator which determines numerical data of velocity deviation ( ⁇ Vn, ⁇ Ve, ⁇ Vv), attitude deviation in roll and pitch heading ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ), geographical position ( Lat, Lon, Ait), geographical velocity (Vn, Ve, Vv), attitudes in roll and pitch heading ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ), etc. from the indications provided by the accelerometers and gyrometers; the computer also provides a time marking pulse defining the time at which these data are valid and constituting a time base of the receiver.
  • the data Numbers present errors, caused by the aging of the sensors, which are not corrected.
  • raw INERT data D_INERT All of these data, hereinafter referred to as raw INERT data D_INERT, are provided by the UMI inertial unit to the hybridisation calculator.
  • a barometric altimeter ALT-BARO
  • the calculator of the UMI unit uses the information of this or these additional sensors together with the information of the gyrometers and accelerometers.
  • the GPS receiver conventionally provides a geographical position in longitude, latitude and altitude, also called resolute position, also including an absolute date or time of position measurement. In principle, the receiver also provides travel speeds in relation to the earth. The whole of this position, this absolute time and this speed is called PVT point. A time marking pulse defining the validity time of the PVT point is also provided.
  • the GPS receiver uses for its operation a measurement of distances between the receiver and each satellite in view of the receiver. These distances are actually pseudo-distances PDi (i denoting a satellite number) obtained in the form of signal propagation times between the satellite of rank i and the receiver along the axis (satellite axis) joining the satellite and the receiver. It is the combination of the pseudo-distances on several satellite axes with the knowledge of the positions of the satellites at a given moment which makes it possible to calculate the resolved position PVT.
  • the position of the satellites is either loaded and stored in the receiver or sent periodically to the receiver in the form of ephemeris as well as an absolute time by the satellites themselves.
  • GPS GPS and they will be used for hybridization between the inertial unit and the GPS receiver.
  • the GPS receiver further establishes other data, including ephemeris representing the position of the satellites at any time, a signal-to-noise ratio (S / N) i for each satellite, and one or more values of protection radius Rp1 (in horizontal distance), Rp2 (in vertical distance) which represent a measurement accuracy.
  • the GPS receiver provides the hybridisation calculator CALC_HYB all these data, hereinafter called D_GPS (GPS data).
  • D_INERT raw inertial data and GPS data are processed in the hybridisation calculator to provide hybrid inertial data D_HYB which is a hybrid attitude, a hybrid speed and a hybrid position.
  • the hybridization calculator also provides one or more RPH protection radius values representing the accuracy of the data from the hybridization.
  • the computer can provide satellite identification data at fault and of course possibly alarm signals when the calculation of the protection radii demonstrates insufficient reliability of the information provided.
  • the GPS receiver also provides the hybridisation calculator an indication, for each satellite observed, of the phase ⁇ j of the carrier of the satellite signal of rank i at the instant of observation.
  • Hybridization is carried out by filtering algorithms of
  • Kalman to obtain both the qualities of stability and lack of short-term noise of the inertial unit and the very high accuracy but highly noisy short-term GPS receiver. Kalman filtering makes it possible to take into account the short-term intrinsic behavior errors of the UMI inertial unit, and to correct these errors.
  • the measurement error of the UMI inertial unit is determined during the filtering; it is added to the measurement provided by the UMI inertial unit to give a hybrid measurement in which errors due to the behavior of the UMI unit are minimized.
  • the realization of the filtering algorithm using the pseudo-distances from the GPS receiver and the phases of the carrier of the satellite signals, is such that the faulty satellites can be determined, excluded, and calculated.
  • Hybrid position protection both in the absence of a satellite fault and in the presence of a fault is therefore designed both to correct the short-term errors inherent to the sensors of the inertial unit and to take into account the defects of the space segment of the reception of the satellite signals.
  • Additional means may also be provided for detecting (but not necessarily correcting) hardware defects of the inertial unit (non-modeled defects, ie faults) and hardware defects of the GPS receiver. These means consist in practice to provide redundant channels, with another inertial unit, another GPS receiver and another hybridization calculator. This type of redundancy is not the subject of the present invention and will not be described, but the invention can be incorporated in redundant systems as in non-redundant systems.
  • the hybridization can be done in open loop, that is to say that the inertial unit is not slaved to the data resulting from the hybridization, it can also be done in closed loop, in this case the Inertial unit is corrected for sensor bias (short term) estimated by a hybridization calculator filter.
  • initial values in the inertial unit and in the hybridisation calculator are given the first time with reference to an absolute reference point: for example, starting from a plane on the ground, immobile, in a known attitude and at a known position, this attitude and this position are introduced as initial values in the filtered. Subsequently, during flight, the measurements provided by the inertial unit may be readjusted from time to time depending on the measurements provided by the GPS receiver.
  • FIG. 2 represents an exemplary device according to the invention, a hybridized inertial unit delivering a measurement of components of an acceleration vector.
  • a receiver failure does not cause a sensor failure and conversely, a sensor failure does not cause a receiver failure
  • the IMU inertial unit includes a law describing the degradation of the measurements of a sensor, for example a gyrometer, a date of manufacture of the sensor and means for recovering, when powering up the inertial unit, absolute time information from the GPS receiver.
  • the GPS receiver has an absolute clock to pre-load ephemeris from the satellites and thus quickly provide position information of the receiver. It is preferentially this absolute time information, rather than that transmitted by the satellites to the GPS receiver, which is transmitted to the processing unit during power-up because it is immediately available.
  • the absolute time information is transmitted to the UMI inertial unit by means of a digital channel.
  • the UMI inertial unit uses the absolute time information to determine the age of the sensor.
  • the absolute time information may be a universal time also called Greenwich time or any other time datation having the property of defining an instant unambiguously and uniquely.
  • the calculator CALCJHYB of the hybridised inertial unit determines numerical data: geographical velocity (Vn C ⁇ rr , Ve C ⁇ rr , Vv C ⁇ rr ), attitudes in roll and pitch heading ( ⁇ corr, ⁇ corr, ⁇ corr) including corrections of aging effects of the sensors used to measure these data.
  • the receiver comprises an absolute clock and a supply of energy supplying the clock continuously and the clock can deliver the absolute time information permanently.
  • the positioning system receiver uses a time base reference from satellites to measure pseudo-distances.
  • a hybridised inertial unit comprises a device according to the invention and a time base for measuring with the device
  • the hybridised inertial unit may also comprise means for recovering the time base reference, which is transmitted to it by the receiver. by means of an analog electrical signal representing a duration between two transitions.
  • the accuracy of the reference time base is very high, of the order of pico-second over a period of one second.
  • the hybridised inertial unit uses the time base reference from the GPS receiver to re-calibrate its own time base, which is less stable in the long term than that of GPS, and thus correct the effects of the aging of its time base.
  • the transmission to the calculator CALCJHYB of the absolute time information and time base reference is performed each time the calculator CALCJHYB is powered up.
  • the calculator CALCJHYB determines corrections for measurements made by a sensor of the UMI inertial unit from the law of degradation of the measurements of the sensor.
  • the degradation law is determined from a collective or individual sensor characterization performed in the factory. For example, for an accelerometer, it can be established that the long-term drift of the sensor follows a time-dependent law and has either an exponential or a linear form or a combination of several mathematical functions.
  • the inertial unit includes means for verifying, for example, that the absolute time information transmitted to it is actually chronologically subsequent to an absolute time information transmitted to it during a previous power-up, or even better is chronologically posterior to the date of the previous power off.
  • the sensor measurement processing unit comprises means for verifying the relevance of the absolute time information upon receipt of the information.
  • the UMI inertial unit calibrates its own time base and determines temporal measurement corrections to be applied to all time or frequency measurements internal to the unit, either directly on the measurements or on the resulting size.
  • the method used for the calibration of the time base of the inertial unit is any known method, for example a count of one number of periods of the time base during a time interval between two pulses from a time base of a GPS receiver.
  • the processing unit includes a time base for processing the measurements
  • the receiver has a time base reference information to define a moment of validity of the position measurements characterized in that it comprises the steps following:
  • the time base reference information has a very high precision.
  • the sensor is an accelerometer.
  • the senor is a gyrometer.
  • the sensor is a baro-altimeter.
  • the device on board a carrier for example an aircraft, comprises a measurement sensor delivering to a processing unit a measurement which is tainted by errors caused by aging of the sensor, the processing unit processing the measurements, and a receiver a satellite positioning system.
  • the sensor and the receiver are two distinct instruments that can be arranged at different positions on the carrier and have independent operation: a receiver failure does not cause a sensor failure and conversely a sensor failure does not result in receiver failure.
  • the receiver comprises an absolute clock and a supply of energy supplying the clock continuously and the clock delivers an absolute time information continuously.
  • a sequence comprising a succession of steps executes to implement a correction of the effects of aging of the sensor.
  • a first step 100, of energizing the power supply of the processing unit and the sensor, is followed by a second step 101 of transmitting to the processing unit an absolute time information from the receiver. .
  • a third step 102 is to determine the age of the sensor from the absolute time and the date of manufacture of the sensor, by comparing the absolute time information and the date of manufacture of the sensor.
  • a fourth step 103 corrections are made to the measurement of the sensor as a function of the age of the sensor and a degradation law of the sensor.
  • the corrections are applied systematically by the processing unit to the measurements delivered by the sensor to correct the effects of its aging.
  • the processing unit comprises a time base for processing the measurements of the sensor
  • the receiver of the satellite positioning system has a time base reference information
  • the device comprises:
  • the receiver comprises an absolute clock and a supply of energy which continuously supplies the clock, and the clock delivers the time base reference information.

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Abstract

Dispositif et procédé de correction des effets du vieillissement d'un capteur de mesure L'invention concerne un procédé de correction d'effets du vieillissement de capteur de mesure, à la mise sous tension du capteur. Elle concerne également un dispositif délivrant des mesures corrigées des effets du vieillissement du dispositif. Selon l'invention le procédé de correction d'effets du vieillissement d'un capteur comporte, à la mise sous tension de l'unité de traitement les étapes suivantes : transmettre l'information d'un temps absolu d'un récepteur de positionnement par satellite vers une unité de traitement ; déterminer l'âge du capteur par comparaison d'une date de fabrication du capteur et de l'information de temps absolu ; déterminer des corrections à apporter à une mesure du capteur à partir de l'âge du capteur et de la loi de dégradation ; appliquer les corrections sur la mesure du capteur.

Description

Dispositif et procédé de correction des effets du vieillissement d'un capteur de mesure
L'invention concerne un procédé de correction d'effets du vieillissement de capteur de mesure. Elle concerne également un dispositif délivrant des mesures corrigées des effets du vieillissement du dispositif.
L'invention trouve une utilité particulière dans le domaine des instruments d'aide à la navigation et au pilotage, et en particulier les instruments qui sont destinés à la navigation aérienne dans laquelle les contraintes de précision sur la position et la vitesse sont élevées et qui sont autonomes c'est à dire qu'ils fonctionnent sans aucune ressource extérieure aux aéronefs à l'exception du champ gravitationnel et du champ magnétique terrestre.
L'utilisation de centrales de navigation inertielles dans les aéronefs est très classique aujourd'hui. Ces centrales utilisent des accéléromètres pour déterminer des accélérations selon des axes définis par rapport à l'aéronef, des gyromètres pour déterminer des vitesses de rotation angulaires par rapport à des axes également définis par rapport à l'aéronef, et éventuellement d'autres capteurs tels qu'un baro-altimètre. Par intégration des mesures gyrométriques, on détermine l'orientation de l'aéronef à un moment donné ; par intégration des mesures accélérométriques, qui peuvent être rapportées à un repère terrestre extérieur à l'aéronef grâce à la connaissance de l'orientation de l'aéronef, on détermine les composantes de vitesse de l'aéronef dans ce repère terrestre. Par intégration des vitesses, on détermine des positions géographiques.
Les capteurs de mesure sont cependant imparfaits et présentent des erreurs intrinsèques ou biais de mesure, qui peuvent d'ailleurs varier au cours de la navigation, on parle alors d'erreurs court terme, ou bien qui peuvent varier sur des grandes durées (année ou dizaine d'années), on parle alors d'erreurs long terme. Les biais sont d'autant plus gênants que les calculs de position faits à partir des résultats de mesure des capteurs impliquent des intégrations. L'intégration engendre une dérive de la valeur mesurée, dérive qui croît progressivement au cours du temps dès lors que la valeur intégrée est biaisée au départ. Une double intégration (intégrale d'accélération pour donner la vitesse puis intégrale de vitesse pour donner la position) accroît encore cette dérive dans des proportions considérables.
Les erreurs court terme des capteurs sont corrigées au moyen d'un recalage comme par exemple dans le brevet FR2830320 où une centrale de navigation inertielle est hybridée avec au moins un récepteur de positionnement par satellite. La correction peut également être réalisée grâce à un modèle numérique utilisant une mesure primaire souvent « temps réel » d'une grandeur, dont l'effet perturbateur sur la mesure est connu, par exemple la température interne des capteurs. Les erreurs long terme ne peuvent pas être réduite par ces méthodes car elles sont liées à la stabilité du capteur dans le temps sur une durée assez longue pouvant atteindre plusieurs dizaines d'années. Au premier ordre, les erreurs long terme sont liées à la stabilité du biais (ou offset) et à la stabilité de la sensibilité (ou facteur d'échelle) du capteur. Une méthode pour réduire les erreurs long terme de capteur de mesure consiste à bâtir le capteur de mesure à partir de composants extrêmement stables. En effet, la stabilité du composant ou du matériau sur lequel est basée la mesure, par exemple un composant mécanique, un composant électrique ou encore un gaz, garantit la stabilité de la mesure dans le temps. Cette méthode, très naturelle, peut se révéler extrêmement onéreuse car elle impose l'emploi de composants haut de gamme.
La présente invention pallie les inconvénients de la solution présentée ci-dessus. Elle a pour but de corriger les erreurs long terme d'un capteur de mesure uniquement à partir de l'âge du capteur au moment de la mesure c'est à dire à partir de la durée séparant la date de fabrication du capteur de celle de la mesure. Cette méthode requiert de connaître la loi de dégradation de la mesure avec l'âge du capteur et de disposer en permanence d'une horloge délivrant un temps absolu. Cette dernière condition est très contraignante si l'invention doit s'insérer sur des aéronefs déjà existants.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de correction des effets du vieillissement d'un capteur de mesure embarqué sur un porteur, le capteur délivrant des mesures dont la précision se dégrade avec l'âge du capteur, une loi décrivant la dégradation de la précision des mesures en fonction de l'âge du capteur étant connue, le porteur étant équipé d'une unité de traitement traitant les mesures du capteur, et d'un récepteur d'un système de positionnement par satellite disposant d'une information de temps absolu en vue d'une lecture d'éphéméride pour établir des positions de satellite et délivrer une mesure de position du récepteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- Transmettre l'information de temps absolu du récepteur de positionnement par satellite vers l'unité de traitement, à la mise sous tension de l'unité de traitement ;
- Déterminer l'âge du capteur par comparaison d'une date de fabrication du capteur et de l'information de temps absolu ;
- Déterminer des corrections à apporter à une mesure du capteur à partir de l'âge du capteur et de la loi de dégradation ;
- Appliquer les corrections sur la mesure du capteur.
L'invention a également pour objet un dispositif délivrant des mesures, comportant un capteur de mesure, le capteur fournissant à une unité de traitement des mesures dont la précision se dégrade avec l'âge du capteur, l'unité de traitement traitant les mesures, un récepteur d'un système de positionnement par satellite disposant d'une information de temps absolu en vue d'une lecture d'éphéméride pour établir des positions de satellites et délivrant une mesure de position du récepteur et un moyen de stocker une loi décrivant la dégradation de la précision des mesures du capteur en fonction de l'âge du capteur, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens pour transmettre l'information de temps absolu à l'unité de traitement, à la mise sous tension de l'unité de traitement ;
- des moyens pour déterminer, à la mise sous tension de l'unité de traitement, l'âge du capteur à partir de la date de fabrication du capteur et de l'information de temps absolu ; - des moyens pour déterminer , à la mise sous tension de l'unité de traitement, des corrections à apporter à une mesure du capteur à partir de l'âge du capteur et de la loi de dégradation ;
- des moyens pour appliquer les corrections aux mesures du capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement le principe d'une centrale inertielle hybridée avec un récepteur de positionnement par satellite, constituant l'état de la technique ;
- la figure 2 représente schématiquement le principe d'une centrale inertielle hybridée avec un récepteur de positionnement par satellite, comportant un dispositif selon l'invention ; - la figure 3 représente un organigramme pour procédé de correction des effets du vieillissement d'un dispositif, selon l'invention ;
Pour faciliter la lecture de la description, les mêmes repères désigneront les mêmes éléments dans les différentes figures.
Par rapport à l'état de l'art, l'invention présente un certain nombre d'avantage détaillés ci-dessous :
- On corrige les effets du vieillissement d'un capteur grâce à une information de temps absolu provenant d'un récepteur d'un système de positionnement par satellite dont le fonctionnement est indépendant de celui du capteur. Cette indépendance est motivée en général par l'intérêt de conserver l'accès à des mesures du capteur dans le cas d'une défaillance du récepteur et inversement de conserver l'accès à des mesures de position délivrées par le récepteur dans le cas de défaillance du capteur. Par ailleurs, la vraisemblance de l'information de temps absolu est examinée avant sa prise en compte pour l'élaboration de la correction. La correction des effets du vieillissement du capteur ne remet donc en cause ni le caractère indépendant du fonctionnement du capteur et du récepteur ni leur interchangeabilité individuelle. Elle ne dégrade pas non plus la sûreté de fonctionnement des équipements embarqués. - La précision de l'information de temps absolu requise pour la correction des effets du vieillissement est peu importante, il n'est pas nécessaire qu'elle soit inférieure à une semaine. Cela autorise l'emploi d'une information de temps absolu provenant d'une horloge absolue du récepteur fonctionnant en permanence. Cette information de temps absolu présente l'avantage d'être disponible presque instantanément ce qui rend possible l'élaboration de la correction des effets du vieillissement du capteur au cours d'une séquence d'autotest, par exemple à la mise sous tension d'une unité de traitement traitant des mesures du capteur. La correction des mesures ne nécessite dans ce cas aucune modification du logiciel fonctionnant durant le déplacement du porteur et ne dégrade en rien sa vitesse d'exécution. La prise en compte des corrections ne s'effectue qu'une fois, à la mise sous tension et n'affecte pas les calculs temps réels ultérieurs.
Dans ce qui suit, on considère un dispositif délivrant des mesures par exemple une centrale inertielle hybridée. Le dispositif comporte une unité inertielle UMI qui comporte au moins un capteur, par exemple un accéléromètre ou un gyromètre et une unité de traitement et un récepteur d'un système de positionnement par satellite. L'unité de traitement traite des mesures délivrées par le capteur. La précision des mesures évolue avec l'âge du capteur.
Une centrale inertielle hybridée comporte une unité inertielle UMI, un récepteur de positionnement par satellites, qu'on appellera par la suite récepteur GPS en référence au système de positionnement le plus courant dit « Global Positionning System »., et un calculateur électronique d'hybridation CALC_HYB.
L'unité inertielle UMI est le plus souvent composée de :
- plusieurs accéléromètres, typiquement trois, d'orientations fixes par rapport à l'aéronef, fournissant des valeurs d'accélération selon ces axes, - plusieurs gyromètres, typiquement trois, ayant chacun un axe fixe par rapport à l'avion et fournissant des valeurs de vitesse de rotation angulaire autour de ces axes,
- une unité de traitement qui est un calculateur qui détermine des données numériques d'écart de vitesse (ΔVn, ΔVe, ΔVv), d'écart d'attitudes en cap roulis et tangage (Δφ, Δθ, Δψ), de position géographique (Lat, Lon, Ait), vitesse géographique (Vn, Ve, Vv), attitudes en cap roulis et tangage (φ, θ, ψ), etc. à partir des indications fournies par les accéléromètres et gyromètres ; le calculateur fournit aussi une impulsion de marquage temporel définissant l'instant auquel ces données sont valides et constituant une base de temps du récepteur. Les données numériques présentent des erreurs, engendrées par le vieillissement des capteurs, qui ne sont pas corrigées.
Toutes ces données, appelées ci-après données inertielles brutes D_INERT, sont fournies par l'unité inertielle UMI au calculateur d'hybridation.
Eventuellement, d'autres capteurs peuvent être associés à l'unité UMI, tels qu'un altimètre barométrique (ALT-BARO). Le calculateur de l'unité UMI utilise alors les informations de ce ou ces capteurs supplémentaires en même temps que les informations des gyromètres et accéléromètres. Le récepteur GPS fournit classiquement une position géographique en longitude, latitude et altitude, appelée aussi position résolue, incluant aussi une date ou temps absolu de mesure de position. Le récepteur fournit en principe aussi des vitesses de déplacement par rapport à la terre. L'ensemble de cette position, ce temps absolu et cette vitesse est appelée point PVT. Une impulsion de marquage temporel définissant l'instant de validité du point PVT est également fournie.
Le récepteur GPS utilise pour son fonctionnement une mesure de distances entre le récepteur et chaque satellite en vue du récepteur. Ces distances sont en réalité des pseudo-distances PDi (i désignant un numéro de satellite) obtenues sous forme de durées de propagation de signal entre le satellite de rang i et le récepteur le long de l'axe (axe satellite) joignant le satellite et le récepteur. C'est la combinaison des pseudo-distances sur plusieurs axes satellites avec la connaissance des positions des satellites à un moment donné qui permet de calculer la position résolue PVT. La position des satellite est soit chargée et stockée dans le récepteur soit envoyée périodiquement au récepteur sous forme d'éphémérides de même qu'un temps absolu par les satellites eux-mêmes.
Les pseudo-distances PDi sont donc disponibles dans le récepteur
GPS et elles vont être utilisées pour l'hybridation entre l'unité inertielle et le récepteur GPS. On pourrait bien entendu utiliser l'information de position résolue pour faire l'hybridation en comparant la position résolue GPS avec la position calculée par intégration dans l'unité inertielle, mais, comme on le verra plus loin, l'utilisation de pseudo-distances permet de faire l'hybridation en prenant en compte des pannes ou défauts possibles présents sur le signal issu d'un satellite. Le récepteur GPS établit encore d'autres données, et notamment les éphémérides représentant la position des satellites à tout instant, un rapport signal/bruit (S/N)i pour chaque satellite, et une ou plusieurs valeurs de rayon de protection Rp1 (en distance horizontale), Rp2 (en distance verticale) qui représentent une précision de mesure.
Le récepteur GPS fournit au calculateur d'hybridation CALC_HYB toutes ces données, appelées ci-après D_GPS (données GPS).
Les données inertielles brutes D_INERT et les données GPS sont traitées dans le calculateur d'hybridation pour fournir des données inertielles hybrides D_HYB qui sont une attitude hybride, une vitesse hybride et une position hybride. Le calculateur d'hybridation fournit aussi une ou plusieurs valeurs de rayon de protection RPH représentant la précision des données issues de l'hybridation. Enfin, le calculateur peut fournir des données d'identification de satellite fautif et bien entendu éventuellement des signaux d'alarme lorsque le calcul des rayons de protection démontre une fiabilité insuffisante de l'information fournie.
Le récepteur GPS fournit également au calculateur d'hybridation une indication, pour chaque satellite observé, de la phase φj de la porteuse du signal satellite de rang i à l'instant d'observation. L'hybridation est réalisée par des algorithmes de filtrage de
Kalman pour obtenir à la fois les qualités de stabilité et d'absence de bruit à court terme de l'unité inertielle et la précision très élevée mais fortement bruitée à court terme du récepteur GPS. Le filtrage de Kalman permet de prendre en compte les erreurs de comportement intrinsèques court terme de l'unité inertielle UMI, et de corriger ces erreurs. L'erreur de mesure de l'unité inertielle UMI est déterminée au cours du filtrage ; elle est ajoutée à la mesure fournie par l'unité inertielle UMI pour donner une mesure hybride dans laquelle les erreurs dues au comportement de la l'unité UMI sont minimisées. De plus, la réalisation de l'algorithme de filtrage, utilisant les pseudo-distances issues du récepteur GPS et les phases de la porteuse des signaux satellites, est telle qu'on peut déterminer les satellites fautifs, les exclure, et calculer les rayons de protection de la position hybride à la fois en l'absence de défaut d'un satellite et en présence d'un défaut. Le calculateur d'hybridation est donc conçu à la fois pour corriger les erreurs court terme inhérentes au capteurs de l'unité inertielle et pour prendre en compte les défauts du segment spatial de la réception des signaux satellites. On peut également prévoir des moyens supplémentaires pour détecter (mais pas forcément corriger) des défauts matériels de l'unité inertielle (défauts non modélisés, c'est-à-dire des pannes) et des défauts matériels du récepteur GPS. Ces moyens consistent en pratique à prévoir des chaînes redondantes, avec une autre unité inertielle, un autre récepteur GPS et un autre calculateur d'hybridation. Ce type de redondance ne fait pas l'objet de la présente invention et ne sera pas décrit, mais l'invention peut être incorporée à des systèmes redondants comme à des systèmes non redondants.
L'hybridation peut être faite en boucle ouverte, c'est-à-dire que l'unité inertielle n'est pas asservie sur les données résultant de l'hybridation, elle peut être également faite en boucle fermée, dans ce cas l'unité inertielle est corrigée des biais capteur (court terme) estimés par un filtre du calculateur d'hybridation.
D'une manière générale, il est nécessaire d'introduire des valeurs initiales dans l'unité inertielle et dans le calculateur d'hybridation. Ces valeurs initiales sont données la première fois en référence à un repère absolu : par exemple au départ d'un avion au sol, immobile, dans une attitude connue et à une position connue, on introduit cette attitude et cette position comme valeurs initiales dans le filtre. Ultérieurement, en cours de vol, on pourra recaler de temps en temps les mesures fournies par l'unité inertielle en fonction des mesures fournies par le récepteur GPS.
La figure 2 représente un exemple de dispositif selon l'invention, une centrale inertielle hybridée délivrant une mesure de composantes d'un vecteur d'accélération.
Pour assurer un niveau élevé de sûreté de fonctionnement, qui est une exigence importante pour les systèmes et instruments de navigation embarqués sur des aéronefs, il peut être nécessaire que le récepteur GPS et l'unité inertielle aient un fonctionnement indépendant. Avantageusement, une défaillance du récepteur n'entraîne pas une défaillance du capteur et inversement une défaillance du capteur n'entraîne pas de défaillance du récepteur,
Par rapport à l'état de la technique présenté sur la figure 1 , l'unité inertielle UMI comporte une loi décrivant la dégradation des mesures d'un capteur, par exemple un gyromètre, une date de fabrication du capteur et des moyens pour récupérer, à la mise sous tension de l'unité inertielle, une information de temps absolu provenant du récepteur GPS. Le récepteur GPS dispose d'une horloge absolue pour pré-charger des éphémérides des satellites et ainsi fournir rapidement une information de position du récepteur. C'est préférentiellement cette information de temps absolu, plutôt que celle qui est transmise par les satellites au récepteur GPS, qui est transmise à l'unité de traitement lors de la mise sous tension car elle est disponible immédiatement. L'information de temps absolu est transmise à l'unité inertielle UMI au moyen d'un canal numérique. L'unité inertielle UMI utilise l'information de temps absolu pour déterminer l'âge du capteur. Les erreurs long terme évoluant relativement lentement dans le temps, la précision de l'information de temps absolu n'est pas critique, l'échelle de durée représentative est de l'ordre de la semaine. L'information de temps absolu peut être une heure universelle également appelée heure de Greenwich ou tout autre datation temporelle ayant la propriété de définir un instant sans ambiguïté et de manière unique. Dans ce cas, le calculateur CALCJHYB de la centrale inertielle hybridée détermine des données numériques : vitesse géographique (VnCθrr, VeCθrr, VvCθrr), attitudes en cap roulis et tangage (φcorr, θcorr, ψcorr) incluant des correction des effets du vieillissement des capteurs qui ont servi à mesurer ces données.
Avantageusement, le récepteur comporte une horloge absolue et une réserve d'énergie alimentant l'horloge en permanence et l'horloge peut délivrer l'information de temps absolu en permanence.
Selon l'art antérieur, le récepteur du système de positionnement utilise une référence de base de temps provenant des satellites pour mesurer les pseudo-distances. Lorsque une centrale inertielle hybridée comporte un dispositif selon l'invention et une base de temps pour réaliser une mesure avec le dispositif, la centrale inertielle hybridée peut également comporter des moyens pour récupérer la référence de base de temps, qui lui est transmise par le récepteur au moyen d'un signal électrique analogique représentant une durée entre deux transitions. La précision de la référence de base de temps est très élevée, de l'ordre de la pico-seconde sur une durée d'une seconde. La centrale inertielle hybridée emploie la référence de base de temps issue du récepteur GPS pour re-calibrer sa propre base de temps, moins stable sur le long terme que celle du GPS, et corriger ainsi les effets du vieillissement de sa base de temps.
La transmission au calculateur CALCJHYB de l'information de temps absolu et de référence de base de temps s'effectue à chaque mise sous tension du calculateur CALCJHYB. L'âge du capteur étant établi, le calculateur CALCJHYB détermine des corrections pour des mesures réalisées par un capteur de l'unité inertielle UMI à partir de la loi de dégradation des mesures du capteur. La loi de dégradation est déterminée à partir d'une caractérisation collective ou individuelle du capteur réalisée en usine. Par exemple, pour un accéléromètre, il peut être établi que la dérive à long terme du capteur suit une loi qui dépend du temps et possède soit une forme exponentielle, soit une forme linéaire ou encore une forme de combinaison de plusieurs fonctions mathématiques.
Par ailleurs, l'unité inertielle comporte des moyens pour vérifier par exemple que l'information de temps absolu qui lui est transmise est effectivement chronologiquement postérieure à une information de temps absolu qui lui a été transmise lors d'une mise sous tension antérieure, ou mieux encore est chronologiquement postérieure à la date de la mise hors- tension précédente. Avantageusement, l'unité de traitement des mesures du capteur comporte des moyens pour vérifier la pertinence de l'information de temps absolu à la réception de l'information.
A partir de la référence de base de temps, l'unité inertielle UMI calibre sa propre base de temps et détermine des correctifs de mesure temporelle à appliquer sur toutes les mesures de temps ou de fréquence internes à l'unité soit directement sur les mesures soit sur la grandeur résultante.
La méthode utilisée pour le calibrage de la base de temps de la centrale inertielle est toute méthode connue, par exemple un comptage d'un nombre de périodes de la base de temps pendant un intervalle de temps entre deux impulsions issues d'une base de temps d'un récepteur GPS.
Avantageusement, lorsque l'unité de traitement comporte une base de temps pour traiter les mesures, le récepteur dispose d'une information de référence de base de temps pour définir un instant de validité des mesures de position caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- Transmettre l'information de référence base de temps provenant du récepteur vers l'unité de traitement, à la mise sous tension de l'unité de traitement ;
- Calibrer la base de temps de l'unité de traitement à partir de l'information de référence base de temps.
Avantageusement, l'information de référence de base de temps a une très haute précision. Avantageusement, le capteur est un accéléromètre.
Avantageusement, le capteur est un gyromètre. Avantageusement, le capteur est un baro-altimètre.
On va maintenant décrire un organigramme de mise sous tension d'un dispositif, par exemple une unité inertielle UMI, délivrant des mesures corrigées des effets de son vieillissement permettant de mettre en œuvre le procédé selon l'invention. Cet organigramme est représenté sur la figure 3.
Le dispositif embarqué sur un porteur, par exemple un aéronef, comporte un capteur de mesure délivrant à une unité de traitement une mesure qui est entachée d'erreurs engendrées par le vieillissement du capteur, l'unité de traitement traitant les mesures, et un récepteur d'un système de positionnement par satellite. Le capteur et le récepteur sont deux instruments distincts qui peuvent être disposés à des positions différentes sur le porteur et qui ont un fonctionnement indépendant : une défaillance du récepteur n'entraîne pas une défaillance du capteur et inversement une défaillance du capteur n'entraîne pas de défaillance du récepteur.
Avantageusement, le récepteur comporte une horloge absolue et une réserve d'énergie alimentant l'horloge en permanence et l'horloge délivre une information de temps absolu en permanence. Dans le laps de temps qui sépare la mise sous tension du dispositif et le moment où le capteur réalise une mesure, une séquence comportant une succession d'étapes s'exécute pour mettre en oeuvre une correction des effets du vieillissement du capteur. Une première étape 100, de mise sous tension de l'alimentation électrique de l'unité de traitement et du capteur, est suivie d'une deuxième étape 101 de transmission à l'unité de traitement d'une information de temps absolu provenant du récepteur.
Une troisième étape 102 consiste à déterminer l'âge du capteur à partir du temps absolu et de la date de fabrication du capteur, par comparaison de l'information de temps absolu et de la date de fabrication du capteur.
Lors d'une quatrième étape 103, on détermine des corrections à apporter à la mesure du capteur en fonction de l'âge du capteur et d'une loi de dégradation du capteur. A ce stade, lors d'une étape 104, les corrections sont appliquées systématiquement par l'unité de traitement aux mesures délivrées par le capteur pour corriger les effets de son vieillissement.
Lorsque le dispositif comporte une base de temps interne pour traiter les mesures des capteurs, il peut également être intéressant de corriger les effets du vieillissement de la base de temps. Deux étapes supplémentaires sont nécessaires en préalable aux mesures : une étape 1 11 pour récupérer une information de référence de base de temps précise et une étape 1 12 pour calibrer la base de temps de l'unité inertielle à partir de la référence de base de temps précise. Avantageusement, l'unité de traitement comporte une base de temps pour traiter les mesures du capteur, et le récepteur du système de positionnement par satellite dispose d'une information de référence base de temps, le dispositif comporte :
- des moyens pour transmettre l'information de référence base de temps à l'unité de traitement, à la mise sous tension de l'unité de traitement ;
- des moyens pour calibrer la base de temps de l'unité de traitement à partir de la référence base de temps.
Avantageusement, le récepteur comporte une horloge absolue et une réserve d'énergie qui alimente l'horloge en permanence, et l'horloge délivre l'information de référence base de temps.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de correction des effets du vieillissement d'un capteur de mesure embarqué sur un porteur, le capteur délivrant des mesures dont la précision se dégrade avec l'âge du capteur, une loi décrivant la dégradation de la précision des mesures en fonction de l'âge du capteur étant connue, le porteur étant équipé d'une unité de traitement traitant les mesures du capteur, et d'un récepteur d'un système de positionnement par satellite disposant d'une information de temps absolu en vue d'une lecture d'éphéméride pour établir des positions de satellite et délivrer une mesure de position du récepteur, caractérisé en ce qu'il comporte, à la mise sous tension de l'unité de traitement les étapes suivantes :
- Transmettre l'information de temps absolu du récepteur de positionnement par satellite vers l'unité de traitement ;
- Déterminer l'âge du capteur par comparaison d'une date de fabrication du capteur et de l'information de temps absolu ; - Déterminer des corrections à apporter à une mesure du capteur à partir de l'âge du capteur et de la loi de dégradation ;
- Appliquer les corrections sur la mesure du capteur.
2. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'une défaillance du récepteur n'entraîne pas une défaillance du capteur et inversement en ce qu'une défaillance du capteur n'entraîne pas de défaillance du récepteur,
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le récepteur comporte une horloge absolue et une réserve d'énergie alimentant l'horloge en permanence et en ce que l'horloge délivre l'information de temps absolu en permanence.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, l'unité de traitement comportant une base de temps pour traiter les mesures, le récepteur disposant d'une information de référence de base de temps pour définir un instant de validité des mesures de position caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - Transmettre l'information de référence base de temps provenant du récepteur vers l'unité de traitement, à la mise sous tension de l'unité de traitement ;
- Calibrer la base de temps de l'unité de traitement à partir de l'information de référence base de temps.
5. Procédé de correction selon la revendication 4, caractérisé en ce l'information de référence base de temps a une très haute précision.
6. Procédé de correction selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le récepteur comporte une horloge absolue et une réserve d'énergie alimentant l'horloge en permanence et en ce que l'horloge délivre l'information de référence base de temps.
7. Procédé de correction selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pertinence de l'information de temps absolu à la réception de l'information est vérifiée à la réception de l'information.
8. Dispositif délivrant des mesures, comportant un capteur de mesure, le capteur fournissant à une unité de traitement des mesures dont la précision se dégrade avec l'âge du capteur, l'unité de traitement traitant les mesures, un récepteur d'un système de positionnement par satellite disposant d'une information de temps absolu en vue d'une lecture d'éphéméride pour établir des positions de satellites et délivrant une mesure de position du récepteur et un moyen de stocker une loi décrivant la dégradation de la précision des mesures du capteur en fonction de l'âge du capteur, caractérisé en ce qu'il comporte :
- des moyens pour transmettre l'information de temps absolu à l'unité de traitement, à la mise sous tension de l'unité de traitement ;
- des moyens pour déterminer, à la mise sous tension de l'unité de traitement, l'âge du capteur à partir de la date de fabrication du capteur et de l'information de temps absolu ; - des moyens pour déterminer , à la mise sous tension de l'unité de traitement, des corrections à apporter à une mesure du capteur à partir de l'âge du capteur et de la loi de dégradation ;
- des moyens pour appliquer les corrections aux mesures du capteur.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une défaillance du récepteur n'entraîne pas une défaillance du capteur et inversement en ce qu'une défaillance du capteur n'entraîne pas de défaillance du récepteur,
10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le récepteur comporte une horloge absolue et une réserve d'énergie alimentant l'horloge en permanence et en ce que l'horloge délivre l'information de temps absolu en permanence.
11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, l'unité de traitement comportant une base de temps pour traiter les mesures du capteur, le récepteur du système de positionnement par satellite disposant d'une information de référence base de temps caractérisé en ce qu'il comporte :
- des moyens pour transmettre l'information de référence base de temps à l'unité de traitement, à la mise sous tension de l'unité de traitement ;
- des moyens pour calibrer la base de temps de l'unité de traitement à partir de la référence base de temps.
12. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11 , caractérisé en ce que l'information de référence base de temps est délivrée par une horloge du récepteur.
13. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le capteur est un baro-altimètre.
14. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le capteur est un accéléromètre.
15. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le capteur est un gyromètre.
16. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 15, caractérisé en ce > que l'unité de traitement comporte des moyens pour vérifier la pertinence de l'information de temps absolu à la réception de l'information.
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