EP3994498A1 - Procédé de caractérisation d'environnement local pour un système de positionnement par satellite - Google Patents

Procédé de caractérisation d'environnement local pour un système de positionnement par satellite

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EP3994498A1
EP3994498A1 EP20735192.5A EP20735192A EP3994498A1 EP 3994498 A1 EP3994498 A1 EP 3994498A1 EP 20735192 A EP20735192 A EP 20735192A EP 3994498 A1 EP3994498 A1 EP 3994498A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
indicator
gnss
indicators
accuracy
measurements
Prior art date
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Pending
Application number
EP20735192.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Giuseppe Rotondo
Olivier CHEDECAL
Xavier LEBLAN
Michèle PONCELET
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Gnss Usage Innovation And Dev Of Excellence
Gnss Usage Innovation And Development Of Excellence
Original Assignee
Gnss Usage Innovation And Dev Of Excellence
Gnss Usage Innovation And Development Of Excellence
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Filing date
Publication date
Application filed by Gnss Usage Innovation And Dev Of Excellence, Gnss Usage Innovation And Development Of Excellence filed Critical Gnss Usage Innovation And Dev Of Excellence
Publication of EP3994498A1 publication Critical patent/EP3994498A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
    • G01S19/07—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing data for correcting measured positioning data, e.g. DGPS [differential GPS] or ionosphere corrections
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/22—Multipath-related issues
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/396—Determining accuracy or reliability of position or pseudorange measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/40—Correcting position, velocity or attitude

Definitions

  • the present invention falls within the field of geographical positioning by use (alone or hybrid) of satellite positioning signals for all land, sea, river, or low-altitude aerial applications.
  • satellite positioning is based on the reception by a terminal, arranged for example on the surface of the globe, of signals from at least four synchronized clocks arranged in transmitting objects whose positions are known.
  • the distance between a clock and the receiver determines a signal propagation time, proportional to said distance.
  • the four signal reception delays of the four clocks make it possible to calculate a solution determining the position, speed and time at the reception terminal.
  • the reference objects are moving satellites in medium orbit, and a satellite positioning system usually called GPS (for “Global Positioning System”), or GNSS (for “Global Navigation Satellite System”) comprises several dozen satellites, so that at any time an object placed on the ground or in the vicinity of the ground is in sight of at least four satellites, and often significantly more.
  • GPS Global Positioning System
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • the local environment is defined as the set of final propagation conditions capable of modifying or obscuring the signal received by the receiver. Among these propagation conditions, it is necessary to consider any terrestrial obstacle modifying the propagation path or the power of the received signal as well as various interference or jamming. The ionosphere and the troposphere are excluded from the local environment.
  • a first problem is to characterize the local environment and its impact on the P VT triplet (Position, Speed, Time) measured by the GNSS receiver. The precision of geolocation in particular is highly sensitive to these parameters. For years, researchers in the field have set themselves the objective of being able to anticipate the shape and importance of errors likely to impact the determination of positions.
  • a second problem is related to the current lack of digital data defining the obstacles to the propagation of GNSS signals, while these obstacles are an integral part of the operational conditions of any satellite positioning application.
  • the EN16803-1 standard defines six main categories of local environment.
  • the position errors therefore depend on the instrumental quality of the GNSS receivers and of the GNSS infrastructures, such as satellite constellations, on the one hand, and on harmful phenomena that alter the quality of the signals, on the other hand.
  • Precision is defined (JCGM 200: 2012) as "the closeness of agreement between indications or measured values obtained by repeated measurements of the same object or similar objects under specified conditions". We understand that the fidelity represents the random error between different successive measurements taken at the same place under the same conditions.
  • the GNSS signal propagation channels are liable to be interrupted (for example by tunnels, bridges, buildings, etc.), lengthened (for example by multipath signals on buildings ... ) and altered (for example by attenuation and diffraction of signals by foliage, interference ).
  • the lengthening of the GNSS signal propagation channels cause Accuracy errors made worse by the reduction in the number of visible satellites, often due to various obstructions in the environment.
  • the first method is the generation of signals by simulators. This allows the test conditions to be checked, but is not sufficiently representative of the actual operational conditions of the measurement due to the lack of sufficiently realistic and dynamic modeling of the local phenomena modifying the propagation of the signals (in terms of power and delays);
  • the second method consists of recording the real GNSS radiofrequency signals collected in the field, then playing them back in the laboratory in order to recreate the measurement conditions. In this case, the reproducibility and repeatability of the tests are well obtained, the representativeness of the operational conditions is ideal.
  • the object of the invention is notably to remedy these drawbacks.
  • the invention relates in a first aspect to a method of producing a georeferenced database X on a zone Z which characterizes the local GNSS environment by separately measuring the biases, that is to say the systematic errors. (or “Accuracy” errors) and random errors (or “Fidelity” errors).
  • These error profiles are the imprints of the local environment which can consist of obstacles obscuring, hindering and / or deviating the propagation of GNSS signals before being picked up by an antenna, such as infrastructures, terrain, vegetation, sources of parasitic radiofrequencies. Such obstacles are particularly shown in Figure 1.
  • the method of characterizing a local environment by a satellite positioning system comprises the following steps:
  • GNSS receiver 100 recording of data (position, speed, time, satellite measurements) supplied by a GNSS receiver, in particular a receiver of the type known to those skilled in the art under the name “professional GNSS receiver”, during at least one monitoring campaign. dynamic collection carried out in the local environment to be characterized.
  • the term “professional GNSS receiver” means a receiver capable of providing the basic measurements necessary for calculating the metrics defined below in this text, and more generally a receiver having the following characteristics:
  • the number of constellations processed is greater than or equal to 3 (such as GPS, Galileo, GLONASS, Beidou);
  • One of the advantages of the invention is to be able to separately estimate the errors of Trueness and Fidelity from the metrics obtained from the data supplied by the receiver. These metrics are intrinsically linked to propagation phenomena caused by the local environment and practically independent of receiver performance. In other words, the method described therefore makes it possible to break down the impact of the local GNSS environment into a component of accuracy and a component of fidelity.
  • the aim of the invention is to provide tangible data and tools for testing and controlling systems using GNSS by first carrying out a step of characterizing the local GNSS environment in a digital and unequivocal manner. by its impact in terms of accuracy and reliability on the geo-positioning solution.
  • step 300 of the method distinguishes the impact of the local GNSS environment on the measurements provided by the satellites from that on the visibility of the satellites, whether for estimating the Accuracy or for estimate Fidelity.
  • step 300 of the method comprises the following sub-steps:
  • step 310 in which the validity of the data recorded by the receiver is checked and the raw measurement data is extracted; a step 320 in which an indicator A (P) is calculated for each instant of the test on the basis of the signal to noise density ratio measurements C / N0 extracted in step 310;
  • step 330 in which, for each instant of the test, an indicator D (P) is calculated from the raw measurement residuals extracted in step 310;
  • step 340 in which an aggravation indicator B (P) is calculated for each instant of the test from a matrix resulting from a calculation of the precision dilution (DOP) on valid measurements.
  • P an aggravation indicator B
  • DOP precision dilution
  • a step 350 in which an indicator for the propagation of errors on the measurements in the triplet P VT C (P) is calculated for each instant of the test from the values of the sensitivity matrix S.
  • This matrix gives weight to each satellite characterizing their impact on positioning errors, hence the term “sensitivity”. In particular, it makes it possible to locate the most critical satellites for accuracy.
  • Step 300 of the method also comprises a step 360 in which an accuracy indicator J and a reliability indicator F are calculated from the four metrics introduced in steps 320, 330, 340 and 350.
  • the loyalty indicator (F) depends on the indicators A (P) and B (P). It is calculated as follows:
  • an indicator A (P) of measurement fidelity is calculated calculated as the time derivative of the average, over all the satellites whose signals are received by the professional GNSS receiver, of the received signal power to noise spectral density ratios, C / N0.
  • step 330 the indicator of D (P) of the measurements is calculated at each recording time as the L1 norm of the vector of the residuals of the measurements.
  • an aggravation indicator B (P) of the random errors detected on the satellite measurements is calculated for each instant, using the calculation of the precision dilution (DOP ) horizontal (HVOP), vertical (VTOP) or temporal (TDOP) from the satellite axes which provided a valid measurement.
  • DOP precision dilution
  • HVOP horizontal
  • VTOP vertical
  • TDOP temporal
  • the DOP is calculated at each instant as below, from the observation matrix H constructed with the azimuths and elevations of the satellites:
  • the sensitivity indicator C (P) is calculated as the smallest diagonal term of the matrix S, min ((3 ⁇ 4) ie [i; N sat ] ). This matrix which is calculated as described below from the matrix H introduced previously:
  • this embodiment has three major advantages: - It separates the fidelity impacts marked by the indicators A (P) and B (P) from the accuracy impacts marked by the indicators C (P) and D (P);
  • the method comprises a step 301 consisting in making accessible all the indicators A (P), B (P), C (P), D (P), of accuracy (J) and fidelity (F), without being exhaustive, in the form of a database; said indicators (J) and (F) being linked to geo-referenced coordinates and converted into a format readable by a navigation system.
  • the invention also relates to the devices, essentially software, which implement the steps of the method, as well as to the services and data from these devices.
  • the products derived from the method according to the present invention will essentially be translated into digital data libraries and / or software products making it possible to generate and use these libraries. Products, software, libraries, and methods that utilize these libraries are also contemplated by the present invention.
  • the first concerns Metrology, the second Navigation and the third Simulation.
  • the method can be used to characterize and classify categories of local environments and error models by categories.
  • the method can be used to anticipate propagation phenomena and to implement error reduction strategies, in particular by having recourse to hybridization techniques.
  • the system navigation will exploit the data of the local environment to be crossed previously characterized.
  • the method can be used to model systematic GNSS errors (multiple paths) and to cause random GNSS errors.
  • the method can be used to calculate over a given route sets of trajectories representative of a given GNSS receiver subjected to a disturbed local environment. This process is supposed to be integrated into a test bench managing the simulation of other modeled sensors. The combination of scenarios for each sensor covers all test cases for dependability and integrity analysis.
  • Figure 1 illustrates the elements of the local environment likely to interfere with GNSS reception of a vehicle
  • FIG. 2 illustrates the mechanisms of the impact of the local environment on the fidelity and accuracy of the satellite measurements then of the P VT triplet;
  • Figure 3 illustrates the main steps of the process and the use cases
  • Figure 4 is a decomposition of the step of calculating the accuracy and precision indicators (step 300);
  • Figure 5 is one of the possible graphical representations of the metrics used
  • FIG. 1 illustrates such a system, very schematically with several satellites 10 which transmit time data to a GNSS receiver 13, here installed in a truck.
  • the GNSS receiver 13 is of the type known to those skilled in the art under the name “professional GNSS receiver”.
  • environmental elements can interfere with the correct reception of data by the professional GNSS receiver 13 traveling on a road 14.
  • disruptive environmental elements there may be mentioned, in a nonlimiting manner, buildings 15, transmitting antennas 16, trees 17, etc.
  • the local environment causes many errors: modification of the signal path (reflection, diffraction, refraction), masking, attenuation, interference.
  • Masking, attenuation, and interference cause scattering of measurements and sometimes loss of measurements.
  • Masking causes a loss of observability of certain satellites from the receiver.
  • the geographic position error is broken down into two components:
  • Vehicle speed can have an effect that reduces the systematic effect of errors in favor of effects that appear to be random.
  • the characterization of the environment developed by the present invention makes it possible to differentiate the potential impact of a local environment on the Trueness and on the Fidelity of the P VT solution.
  • the GNSS measurement assumes that the propagation of the signal has taken place in a straight line on the transmitter-receiver axis of visibility (also known as the 'sight axis'). As a result, any refraction, reflection or diffraction (modification of the signal path) is an alteration of the signals. of interests, creating errors that will be qualified as systematic, because of principle. They then affect the accuracy of the measuring instrument.
  • the weakening of the signals whether by attenuation, or by the presence of ambient noise out of the ordinary affects the quality of the signal processing, which results in a greater dispersion then affecting the fidelity. of the instrument.
  • a use may appear, in design office and laboratory, in several stages of the development cycle of any complex geolocated application, giving in particular the dependence of GNSS performance on the operational conditions found in zone Z. Thanks to the collection From the data carried out in the first stages, certain questions specific to security analysis and the design of complex systems which will have to meet operational specifications can be answered.
  • each section of the road axis in a geographical area can be associated with indicators available in a database. These indicators characterize the risks of accuracy and reliability error on the P VT triplet specific to the local environment during dynamic geolocation. The accumulation of information on a local environment then gives the possibility of defining types of environment over a wide geographical area.
  • Geolocation applications integrating a GNSS receiver alone or merged with other sensors will then be able to integrate more artificial intelligence if they have a priori knowledge of the environment that is likely to be encountered. Feedback from these operational users could thus support the updating of this georeferenced database.
  • a set of records is made by a professional GNSS receiver 13, on the basis of a dynamic campaign (typically travel of a vehicle on a road route), from which data is taken. recorded data 101.
  • a dynamic campaign typically travel of a vehicle on a road route
  • the chosen route has no limitation in terms of time or distance traveled.
  • the same street can be crossed several times, in different time intervals.
  • the need in this step 100 of characterizing the local GNSS environment is that the recorded data 101 include raw information from the signal processing stage of the professional GNSS receiver, such as raw measurement data on the devices.
  • satellite axes :
  • an ASTERX-U type GNSS terminal from the company SEPTENTRIO meets the need and constitutes a preferential implementation, but does not constitute a unique solution.
  • the recording will use a digital format (ASCII for NMEA xxx and / or RINEX) and preferably binary for the proprietary format of the outputs of the device (example sbf format for SEPTENTRIO devices). Obviously, this can change over time.
  • the data is necessarily dated by a GNSS or UTC time.
  • a second step 200 the true trajectory 201 of said receiver 13 is determined during these recordings.
  • the preferred implementation uses a reference instrumentation consisting of an inertial unit (IMU) and a high quality GNSS receiver, for example being dual-frequency, dual-constellation.
  • the GNSS receiver is corrected and hybridized in post processing using the correction data from one or more reference station networks (PPK techniques (acronym for the English term “Post Processing Kinematic”) - using NRTK networks (acronym of the English term “Network Real Time Kinematic”) or PPP (abbreviation of the English term “Precise Point Positioning”).
  • PPK techniques as analog for the English term "Post Processing Kinematic”
  • NRTK networks analog of the English term “Network Real Time Kinematic”
  • PPP abbreviation of the English term “Precise Point Positioning”.
  • the inertial measurement unit makes it possible to maintain precise measurement in difficult environments, with the ability to only maintain a accuracy of a few centimeters over a period of about one minute.
  • a favorable implementation of the method 200 uses PPK techniques and a hybridization from the recorded data 101 supplied by the equipment used for step 100. It can be called upon to the use of specialized software supplied by the manufacturer of the GNSS receiver and / or an inertial unit.
  • the data jointly forming the true trajectory 201, that is to say here all the position data as a function of time, and of speed as a function of time. , these two parameters being referred to the phase center of the GNSS antenna of the professional GNSS receiver 13, and an estimate of the accuracy of these data as a function of time.
  • the GNSS antenna used by the device specific to the trajectory is also that of the professional GNSS receiver 13.
  • the method described here is based on the analysis of the metrics A (P), B (P), C (P) and D (P) and on the calculation of their potential impact on the fidelity and accuracy error on the solution P VT (position, speed, time) through the two indicators (F) and (J).
  • Step 300 of the method comprises the following sub-steps:
  • a step 310 in which a check is made of the validity of the data recorded by the professional GNSS receiver 13.
  • the step includes the extraction at each instant of the local clock bias estimated by the professional GNSS receiver 13 and of the measurements and data raw dated for each reception channel associated with the satellites received;
  • step 320 in which at least one indicator A (P) of the measurements from the signal to noise density ratio measurements C / N0 extracted by step 310 is calculated for each instant of the recorded test and relates it to the position P of the true trajectory recorded simultaneously;
  • step 330 in which at least one indicator D (P) of the measurements from the raw measurement residues extracted by step 310 is calculated for each instant of the recorded test and it is related to the position P of the trajectory true reading simultaneously;
  • a step 340 in which at least one indicator of aggravation B (P) of the random errors detected on the satellite measurements and consequently affecting the fidelity of an output P VT is calculated for each instant of the recorded test.
  • P aggravation B
  • a step 350 in which at least one sensitivity indicator C (P) to the accuracy errors of the measurements and consequently affecting the accuracy of the output P VT is calculated for each instant of the recorded test.
  • This matrix gives a weight to each satellite characterizing their impact on positioning errors, hence the term sensitivity. In particular, it makes it possible to locate the most critical satellites for accuracy.
  • a step 360 in which a correctness indicator J and a fidelity indicator F are calculated from the four metrics introduced in steps 320, 330, 340 and 350.
  • the loyalty indicator (F) is a function of the indicators A (P) and B (P). It is calculated as follows:
  • the accuracy indicator J (P) is a function of the indicators C (P) and D (P). It is calculated as follows:
  • the indicators (J) and (F) will be linked to the georeferenced coordinates (P) in order to create a database. If necessary, the database can be converted into different digital formats. All or part of the indicators, as described in steps 320, 330, 340 and 350 can form part of this database.
  • an indicator A (P) is calculated from the received signal power to noise spectral density ratios, called by those skilled in the art C / N0.
  • the use of its time derivative increases the sensitivity of the indicator, because the instability of the C / N0 ratio is particularly characteristic of a disturbed environment (urban environment, for example) and of the difficulty in tracking the GNSS signal in synchronization.
  • an average is preferably taken over all the satellites 10 whose signals are received by the professional GNSS receiver 13. Alternatively, this calculation can be carried out on the only subset of the satellites which have an elevation greater than one. configurable threshold.
  • step 330 it is chosen to calculate at each recording instant the indicator D (P) of the measurements such as the L1 norm of the vector of residuals of the measurements.
  • the term measurement residue is understood to mean the difference between the measurement carried out and supplied by the professional GNSS receiver 13 and the measurement which can be predicted from the known positions and speeds of the true trajectory 201, from the positions and recalculated speeds of the satellites from dating and ephemeris. It is also predicted from other knowledge of correction of systematic errors such as desynchronization errors of the clocks of the GNSS system satellites and the clock of the professional GNSS receiver 13, ionosphere and troposphere errors. The measurement residue then essentially represents the accuracy errors on the measurements.
  • an aggravation indicator B (P) is calculated for each instant, using the conventional calculation of the horizontal (HDOP), vertical (VDOP) precision dilution (DOP) at from the satellite axes that provided a valid measurement.
  • an observation matrix H is constructed at each instant of the recording from the azimuths and elevations of the visual axes (direct satellite transmitter-receiver axis).
  • azimuths and elevations of the visual axes we use the corresponding dating of the instant of calculation, and the satellite ephemeris data to calculate the instantaneous position of the satellite corresponding to the desired visual axis, then by taking the instantaneous position of the true trajectory corresponding to the instant of calculation, one calculates in the local geographical axes the spherical coordinates of the satellite (azimuth / local geographic north axis, local elevation / horizontal plane).
  • the indicator B (P) retains the appropriate indicator HDOP or VDOP.
  • the indicator C (P) is calculated as the smallest diagonal coefficient of the matrix S according to the formulation:
  • This matrix S characterizes the measurement errors which result in a bias on the position.
  • FIG. 5 An example of a representation making it possible to characterize a local GNSS environment is given in FIG. 5.
  • the path of the receiver during a path on the ground results in two curves.
  • the first curve is located in the top right quarter of the figure and gives for each instant of the route a point F (P) whose coordinates are A (P) and B (P), impacting the fidelity of the triplet P VT.
  • the second is located in the lower left quarter of the figure and gives a point for each moment of the course J (P) whose coordinates are D (P) and C (P), impacting the accuracy of the PVT triplet.
  • the method relates to dynamic geolocation, that is to say that the method is intended to be implemented when the professional GNSS receiver 13 is installed on board a vehicle in movement.
  • the issues related to static geolocation are different and are not affected by the process.
  • semantic layers that can be integrated into geographic information systems are produced. Like these, they can be displayed on basemaps to create cartographic representations of standard errors of accuracy and fidelity of a GNSS positioning.
  • the semantic layers are for example transformed into line thickness to visualize the fidelity and in color to visualize the accuracy error, the indicators being associated point to point with the geographical coordinates of the true trajectory established during the step 200 of the process.
  • the inventive method has the merit of creating a new layer which can be easily integrated into future GIS (geographic information systems), HD map type which can be installed in navigation systems, for example connected vehicles. Addressing requests on these databases according to the current position, we can retrieve useful information on the capabilities of GNSS to provide precise and fair (safe) position information, to be taken into account for intelligent management and control of the sensors. navigation.
  • GIS graphic information systems
  • HD map type which can be installed in navigation systems, for example connected vehicles.
  • the process can be adapted to define and segment with precision environmental categories
  • the method can be adapted to inform a hybridized GNSS receiver to act on its parameter setting and weight the influence of the sensors associated with its calculation of positions with a view to increasing the navigation performance of a vehicle.
  • the method can be adapted to synthesize more representative GNSS signals by slaving a constellation generator using data characterizing the local environment supposed to be reconstituted.
  • the method can be adapted to calculate trajectories representative of a navigation by simulating the measurements of a given receiver in a given environment, that is to say by operating in a totally synthetic and configurable environment. .
  • the application of the present method also covers the fields of GNSS metrology for the performance evaluation of GNSS terminals. More generally, the system engineering activities of the development cycles of geolocation systems and applications can benefit from the described process.

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Abstract

L'invention vise un procédé de caractérisation d'un environnement local par un système de positionnement par satellite, comprenant des étapes suivantes : 100: réalisation d'un ensemble d'enregistrement de données (position, vitesse, temps) fournies par un récepteur GNSS dit " Professionnel " lors d'au moins une campagne de collecte opérationnel dynamique opérant dans l'environnement local à caractériser; 200 : détermination de la trajectoire de référence (201) dudit récepteur (13) pendant ces enregistrements; 300 : extraction parmi les données fournies par le Récepteur GNSS Professionnel d'indicateurs bruts de justesse et de fidélité caractéristiques de l'impact de l'environnement local de réception GNSS.

Description

Description
Titre de l’invention : PROCÉDÉ DE CARACTERISATION D’ENVIRONNEMENT LOCAL POUR UN SYSTÈME DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITE
Domaine technique de l’Invention
[0001 ] La présente invention relève du domaine du positionnement géographique par utilisation (seule ou hybride) des signaux de positionnement par satellite pour toutes les applications terrestres, maritimes, fluviales, ou aériennes à basse altitude.
[0002] Elle concerne plus particulièrement un procédé de caractérisation locale de l’environnement GNSS, destiné notamment à la navigation de véhicules.
Technique antérieure
[0003] De façon très simplifiée, le positionnement par satellite est basé sur la réception par un terminal, disposé par exemple sur la surface du globe, de signaux d’au moins quatre horloges synchronisées disposées dans des objets émetteurs dont les positions sont connues. La distance entre une horloge et le récepteur détermine un temps de propagation du signal, proportionnel à ladite distance. Les quatre délais de réception des signaux des quatre horloges permettent de calculer une solution déterminant la position, la vitesse et le temps au niveau du terminal de réception.
[0004] Classiquement, les objets de référence sont des satellites défilants en orbite moyenne, et un système de positionnement par satellite dénommé usuellement GPS (pour « Global Positioning System »), ou GNSS (pour « Global Navigation Satellite System ») comprend plusieurs dizaines de satellites, de sorte qu’à tout instant un objet disposé au sol ou au voisinage du sol est en vue d’au moins quatre satellites, et souvent nettement plus.
[0005] Il est connu que le positionnement par satellite est fortement impacté par l’environnement local. On définit l’environnement local comme l’ensemble des conditions de propagation finales pouvant modifier ou occulter le signal reçu par le récepteur. Parmi ces conditions de propagation, il convient de considérer tout obstacle terrestre modifiant le trajet de propagation ou la puissance du signal reçu ainsi que les interférences ou brouillages divers. On exclut l’ionosphère et la troposphère de l’environnement local. [0006] Un premier problème est de caractériser l’environnement local et son impact sur le triplet P VT (Position, Vitesse, Temps) mesuré par le récepteur GNSS. La précision de la géolocalisation en particulier est fortement sensible à ces paramètres. Depuis des années, les chercheurs dans le domaine se sont donné comme objectif d’être en capacité d’anticiper l’allure et l’importance des erreurs susceptibles d’impacter la détermination des positions.
[0007] Un deuxième problème est lié à l’absence actuelle de données numériques définissant les obstacles de la propagation des signaux GNSS, alors que ces obstacles font partie intégrante des conditions opérationnelles de toute application de positionnement par satellite. Ainsi, Il existe un besoin de définir une méthode de caractérisation de ces obstacles et de leurs effets pour les définir et les quantifier de manière systématique et univoque.
[0008] Si un système de navigation fusionnant les capteurs dans la navigation autonome d’un véhicule savait prédire la traversée d’une zone favorable ou d’une zone néfaste à la qualité de la localisation du véhicule, il pourrait prendre des décisions avisées sur la pondération dans l’utilisation des capteurs. Les performances de précision et de sécurité de ce système de navigation s’en trouveraient largement améliorées.
[0009] La norme EN16803-1 définit six grandes catégories d’environnement local.
Cependant l’appréciation du type d’environnement se fait de manière plutôt subjective. La seule grandeur quantifiée est l’angle de masquage, par exemple inférieur à 10° en environnement « Rural plat » . Au-delà, la différence entre un environnement européen « péri-urbain » et un environnement européen « urbain » est subjective, il n’y a pas de valeur seuil.
[0010] Mais cette méthode classique se préoccupe peu de la variété des conditions de tests, en particulier dans des scénarios de tests en zone urbaine. Or, les conditions des tests conduisant à cette évaluation de performances P VT (Position, Vitesse Temps) sont peu répétables et peu reproductibles :
- à cause de la dépendance de certaines erreurs systématiques sur le récepteur GNSS liées au lieu et à l’instant de la mesure.
- à cause de l’environnement très local du test et des types obstacles rencontrés (arbres, immeubles, ponts, ...). [0011 ] Les erreurs de positions dépendent donc de la qualité instrumentale des récepteurs GNSS et des infrastructures GNSS, telles que les constellations de satellites, d’une part, et des phénomènes néfastes altérant la qualité des signaux, d’autre part.
[0012] L’impact de l’environnement local GNSS est, dans l’art antérieur, généralement défini en termes de « Précision » de la mesure fournie par le récepteur. Il peut être défini plus spécifiquement en termes de « Justesse » et de « Fidélité ».
- La « Justesse » est définie de façon normalisée (JCGM 200 :2012) comme étant « l’étroitesse de l'accord entre la moyenne d'un nombre infini de valeurs mesurées répétées et une valeur de référence ». On comprend que la justesse détermine l’erreur systématique entre la mesure et la position réelle.
- La « Fidélité » est définie (JCGM 200 :2012) comme étant « l’étroitesse de l'accord entre les indications ou les valeurs mesurées obtenues par des mesurages répétés du même objet ou d'objets similaires dans des conditions spécifiées ». On comprend que la fidélité représente l’erreur aléatoire entre différentes mesures successives prises au même endroit dans les mêmes conditions.
[0013] La Justesse et la Fidélité sont donc deux facteurs indépendants et complémentaires pour caractériser les erreurs de positionnement des récepteurs GNSS dans un environnement local.
[0014] Plus précisément, les canaux de propagation des signaux GNSS sont susceptibles d’être interrompus (par exemple par des tunnels, ponts, bâtiments...), allongés (par exemple par multi-trajets des signaux sur des bâtiments...) et altérés (par exemple par atténuation et diffraction des signaux par des feuillages, interférences...).
[0015] En particulier, l’allongement des canaux de propagation des signaux GNSS causent des erreurs de Justesse aggravées par la réduction du nombre de satellites visibles, souvent due aux différentes obstructions de l’environnement.
[0016] Par ailleurs, l’altération des canaux de propagation des signaux GNSS causent des erreurs de Fidélité aggravées par la réduction du nombre de satellites visibles, souvent due aux différentes obstructions de l’environnement.
[0017] Ainsi, les essais de terrain de la métrologie GNSS sont actuellement inadaptés et doivent recourir à des méthodes spécifiques.
[0018] Actuellement l’état de l’art propose deux méthodes :
- la première méthode est la génération de signaux par des simulateurs. Celle- ci permet un contrôle des conditions de tests, mais n’est pas assez représentative des conditions opérationnelles réelles de la mesure faute d’une modélisation suffisamment réaliste et dynamique des phénomènes locaux modifiant la propagation des signaux (en puissance et délais) ;
- La seconde méthode consiste à enregistrer les signaux GNSS radiofréquence réels collectés sur le terrain, puis à les rejouer en laboratoire afin de recréer des conditions de mesures. Dans ce cas, la reproductibilité et la répétabilité des essais sont bien obtenues, la représentativité des conditions opérationnelles est idéale.
[0019] Toutefois, pour être mesurées avec précision, les erreurs de Justesse et de Fidélité sur les positions nécessitent de nombreuses sessions de rejeux sur des récepteurs GNSS donnés.
[0020] L'invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients.
Présentation de l'Invention
[0021 ] L'invention vise sous un premier aspect un procédé de production d’une base de données géoréférencées X sur une zone Z qui caractérise l’environnement local GNSS en mesurant séparément les biais, c’est-à-dire les erreurs systématiques (ou erreurs de « Justesses ») et les erreurs aléatoires (ou erreurs de « Fidélité »). Ces profils d’erreurs sont l’empreintes de l’environnement local qui peut se composer d’obstacles occultant, gênant et/ou déviant la propagation des signaux GNSS avant d’être captés par une antenne, comme les infrastructures, le relief, la végétation, les sources de radiofréquences parasites. De tels obstacles sont notamment représentés sur la figure 1. [0022] Le procédé de caractérisation d’un environnement local par un système de positionnement par satellite comprend les étapes suivantes :
100 : enregistrement de données (position, vitesse, temps, mesures satellites) fournies par un récepteur GNSS, notamment un récepteur du type connu par l’homme du métier sous la dénomination « récepteur GNSS professionnel », lors d'au moins une campagne de collecte dynamique réalisée dans l’environnement local à caractériser. On entend par « récepteur GNSS professionnel » un récepteur capable de fournir les mesures de base nécessaires au calcul des métriques définies ci-après dans le présent texte, et plus généralement un récepteur présentant les caractéristiques suivantes :
- Le nombre de constellations traitées est supérieur ou égal à 3 (tel que GPS, Galileo, GLONASS, Beidou);
- Capable de fournir une mesure C/N0 (Rapport signal sur Bruit) pour chaque satellite en vue à tout moment ;
- Capable de fournir des mesures de pseudo distance pour chaque satellite en vue à tout moment ;
- Capable d’estimer sa solution P VT (Position, Vitesse, Temps) à tout moment, comprenant le biais de l’horloge interne du récepteur et de celui des satellites considérés ;
- Capable de fournir des mesures d’estimation des retard ionosphérique et troposphérique pour chaque satellite en vue à tout moment ;
200 : Détermination de la trajectoire vraie dudit récepteur GNSS professionnel pendant ces enregistrements. Cette trajectoire est connue, par l’homme du métier, comme la « trajectoire de référence » ;
300 : Calcul d’indicateurs de justesse (J) et de fidélité (F) caractérisant respectivement le risque d’erreurs systématiques et le risque d’erreurs aléatoires par rapport à la trajectoire vraie à chaque instant. Ces indicateurs reflètent l’impact de l’environnement local sur la qualité du signal GNSS reçu.
[0023] Un des avantages de l’invention est de pouvoir estimer distinctement les erreurs de Justesse et de Fidélité à partir des métriques issues des données fournies par le récepteur. Ces métriques sont intrinsèquement liées aux phénomènes de propagation causés par l’environnement local et pratiquement indépendant des performances du récepteur. [0024] Autrement dit, le procédé exposé permet donc de décomposer l’impact de l’environnement local GNSS en une composante de justesse et une composante de fidélité.
[0025] On note que l’art antérieur évoqué plus haut ne propose pas de grandeurs métrologiques pour déterminer l’impact de l’environnement local sur le géo positionnement selon la norme IS05725-1 , c’est-à-dire en séparant une composante de justesse et une composante de fidélité.
[0026] Dans l’état de l’art, les performances de Précision et de Justesse du triplet P VT sont confondues en une seule valeur, tant au niveau des performances annoncées par les fabricants, qu’au niveau des performances requises par certaines applications, en particulier celles qui touchent à la sécurité de la vie.
[0027] C’est regrettable pour l’intégration des systèmes de positionnement dans des applications plus complexes car le filtrage d’une dispersion de mesures ne fait pas appel aux mêmes mécanismes que la détection et l’isolement d’informations potentiellement fausses.
[0028] On comprend que l’invention a pour objectif de fournir des données tangibles et des outils de tests et de pilotage des systèmes utilisant le GNSS en réalisant au préalable une étape de caractérisation de l’environnement local GNSS de manière numérique et sans équivoque par son impact en termes de justesse et de fidélité sur la solution de géo positionnement.
[0029] Pour parvenir à des fins de maîtrise des évaluations de performances de précision (justesse et fidélité) du positionnement, on utilise ici des scénarios de tests opérationnels dont l’environnement local est caractérisé précisément, au moins dans son impact sur des capacités potentielles de réception des signaux satellites et de positionnement géographique.
[0030] Dans un mode de réalisation favorable, l’étape 300 du procédé distingue l’impact de l’environnement local GNSS sur les mesures fournies par les satellites de celui sur la visibilité des satellites, que ce soit pour estimer la Justesse ou pour estimer la Fidélité.
[0031 ] Dans un mode de réalisation favorable, l’étape 300 du procédé comprend les sous-étapes suivantes :
- une étape 310 dans laquelle on vérifie la validité des données enregistrées par le récepteur et extrait les données de mesures brutes ; - une étape 320 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur A(P) à partir des mesures de rapport signal sur densité de bruit C/N0 extraites dans l’étape 310 ;
- une étape 330 dans laquelle, on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur D(P) à partir des résidus de mesures brutes extraites dans l’étape 310 ;
- une étape 340 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur d’aggravation B(P) à partir d’une matrice issue d’un calcul de la dilution de précision (DOP) sur des mesures valides. La dilution de précision caractérise l’accroissement des erreurs sur le P VT dû à une mauvaise répartition des satellites, d’où le terme « d’aggravation ».
- une étape 350 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur de propagation des erreurs sur les mesures dans le triplet P VT C(P) à partir des valeurs de la matrice de sensibilité S. Cette matrice accorde un poids à chaque satellite caractérisant leur impact sur les erreurs de positionnement, d’où le terme de « sensibilité ». Elle permet notamment de repérer les satellites les plus critiques pour la précision.
[0032] L’étape 300 du procédé comprend également une étape 360 dans laquelle on calcule un indicateur de justesse J et un indicateur de fidélité F à partir des quatre métriques introduites dans les étapes 320, 330, 340 et 350.
[0033] L’indicateur de fidélité (F) est fonction des indicateurs A(P) et B(P). Il est calculé de la manière suivante :
[0034] [Table 1 ]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] Dans un mode de réalisation favorable, dans l’étape 320, on calcule un indicateur A(P) de fidélité de mesures calculé comme la dérivée temporelle de la moyenne, sur l’ensemble des satellites dont les signaux sont reçus par le récepteur GNSS professionnel, des rapports de puissance de signal reçu sur densité spectrale de bruit, C/N0.
[0040] Dans un mode de réalisation favorable, dans l’étape 330, l’indicateur de D(P) des mesures est calculé à chaque instant d’enregistrement comme la norme L1 du vecteur des résidus des mesures.
[0041 ] Dans un mode de réalisation favorable, dans l’étape 340, on calcule pour chaque instant un indicateur d’aggravation B(P) des erreurs aléatoires relevées sur les mesures satellite, en utilisant le calcul de la dilution de précision (DOP) horizontale (HVOP), verticale (VTOP) ou temporelle (TDOP) à partir des axes satellites qui ont fourni une mesure valide.
[0042] Le DOP est calculé à chaque instant comme ci-dessous, à partir de la matrice d’observation H construite avec les azimuts et élévations des satellites :
[0043] [Table 3]
[0044] Dans un mode de réalisation favorable, dans l’étape 350, l’indicateur de sensibilité C(P) est calculé comme le plus petit terme diagonal de la matrice S, min ((¾) ie[ i;Nsat]) . Cette matrice qui est calculée comme décrit ci-dessous à partir de la matrice H introduite précédemment :
[0045] [Table 4]
[0046] On note que ce mode de réalisation a trois avantages majeurs : - Il sépare les impacts de fidélité marqués par les indicateurs A(P) et B(P) des impacts de justesse marqués par les indicateurs C(P) et D(P) ;
- Il sépare les impacts sur les mesures provenant des satellites, représentés par les indicateurs A(P) et D(P), des impacts sur la quantité et la fiabilité de ces mesures (traduisant la visibilité et la répartition des satellites), représentés par les indicateurs B(P) et C(P) ;
- Ces indicateurs s’étalonnent globalement avec seulement quelques octets par mètre de trajectoire, ce qui pèse peu au regard d’une description plus sémantique d’un environnement local (immeuble de largeur X, hauteur Y, d’atténuation Z, avec des arrêtes diffractant a, b...).
[0047] Dans un mode de réalisation favorable, le procédé comporte une étape 301 consistant à rendre accessible l’ensemble des indicateurs A(P), B(P), C(P), D(P), de justesse (J) et de fidélité (F), sans être exhaustif, sous forme de base de données ; lesdits indicateurs (J) et (F) étant liés à des coordonnées géo référencées et converties dans un format lisible par un système de navigation.
[0048] L’invention est également relative aux dispositifs, essentiellement logiciels, qui implémentent les étapes du procédé, ainsi qu’aux services et données issues de ces dispositifs.
[0049] De façon générale, les produits dérivés du procédé selon la présente invention vont essentiellement se traduire en bibliothèques de données numériques et/ou en produits logiciels permettant de générer et d’exploiter ces bibliothèques. Les produits, logiciels, bibliothèques et procédés qui utilisent ces bibliothèques sont également visés par la présente invention.
[0050] Les cas d’implémentation de l’invention se déclinent en trois grandes familles.
La première intéresse la Métrologie, la seconde la Navigation et la troisième la Simulation.
[0051 ] En métrologie, le procédé est utilisable pour caractériser et de classifier des catégories d’environnements locaux et des modèles d’erreurs par catégories.
[0052] En navigation, le procédé est utilisable pour anticiper les phénomènes de propagation et mettre en place des stratégies de réduction des erreurs, notamment en ayant recours à des techniques d’hybridation. Le système de navigation exploitera les données de l’environnement local à traverser préalablement caractérisé.
[0053] En simulation, à l’aide de générateurs de constellation, le procédé est utilisable pour modéliser des erreurs GNSS systématiques (multi trajets) et pour provoquer des erreurs GNSS aléatoires.
[0054] En simulation, à l’aide de moyens informatiques, le procédé est utilisable pour calculer sur un parcours donné des jeux de trajectoires représentatives d’un récepteur GNSS donné soumis à un environnement local perturbé. Ce procédé est censé être intégré à un banc d’essais gérant la simulation d’autres capteurs modélisés. La combinaison des scénarios de chaque capteur couvre tous les cas d’essais pour l’analyse en sûreté de fonctionnement et en intégrité.
Brève description des figures
[0055] Les caractéristiques et avantages de l’invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l’invention au travers d’un exemple non limitatif d’application.
[0056] La description s’appuie sur les figures annexées dans lesquelles :
[0057] [Fig. 1 ] La figure 1 illustre les éléments d’environnement local susceptibles de perturber la réception GNSS d’un véhicule ;
[0058] [Fig. 2] La figure 2 illustre les mécanismes de l'impact de l'environnement local sur la fidélité et la justesse des mesures satellites puis du triplet P VT ;
[0059] [Fig. 3] La figure 3 illustre les étapes principales du procédé et les cas d’utilisation ;
[0060] [Fig. 4] La figure 4 est une décomposition de l’étape de calcul des indicateurs justesse et fidélité (étape 300) ;
[0061 ] [Fig. 5] La figure 5 est une des représentations graphiques possibles des métriques utilisées ;
Description des modes de réalisation
[0062] L'invention trouve sa place au sein d’un système de positionnement par satellite de type connu en soi. La figure 1 illustre un tel système, de façon très schématique avec plusieurs satellites 10 qui émettent des données de temps vers un récepteur GNSS 13, ici installé dans un camion. Dans le présent texte, le récepteur GNSS 13 est du type connu par l’homme du métier sous la dénomination « récepteur GNSS professionnel ». Comme on le voit sur cette figure, des éléments d’environnement peuvent venir perturber la réception correcte des données par le récepteur GNSS professionnel 13 circulant sur une route 14. Parmi les éléments d’environnement perturbateurs, on peut citer, de façon non limitative, des immeubles 15, des antennes émettrices 16, des arbres 17, etc.
[0063] En faisant référence à la figure 2. l’environnement local provoque de nombreuses erreurs : modification du trajet du signal (réflexion, diffraction, réfraction), masquages, atténuations, interférences. Les masquages, atténuations, et interférences provoquent une dispersion des mesures et parfois une perte des mesures. Les masquages provoquent une perte d’observabilité de certains satellites depuis le récepteur.
[0064] On décompose l’erreur de position géographique en deux composantes :
- la première « aléatoire », qui est en lien avec la fidélité des mesures satellites et du triplet P VT (précision),
- et la seconde « systématique » qui est en lien avec la justesse des mesures satellites et du triplet P VT.
[0065] Les modifications du trajet du signal et masquages ont un effet systématique.
Les atténuations et interférences ont un effet aléatoire. La vitesse du véhicule peut avoir un effet qui réduit l’effet systématique d’erreurs au profit d’effets qui semblent aléatoires.
[0066] La caractérisation d’environnement développée par la présente invention permet de différentier l’impact potentiel d’un environnement local sur la Justesse et sur la Fidélité de la solution P VT.
[0067] Tout d’abord on décompose l’effet de l’environnement local en deux sous- effets :
- la perte de puissance d’au moins une partie des signaux GNSS ou l’augmentation du bruit ambiant,
- l’altération d’au moins une partie des signaux GNSS subsistants.
[0068] Il est important de rappeler ici que la mesure GNSS suppose que la propagation du signal s’est faite en ligne droite sur l’axe de visibilité émetteur- récepteur (dit aussi‘axe à vue’). En conséquence, toute réfraction, réflexion ou diffraction (modification du trajet du signal) est une altération des signaux d’intérêts, créant des erreurs qu’on qualifiera de systématiques, car de principe. Elles affectent alors la justesse de l’instrument de mesure.
[0069] Au contraire, l’affaiblissement des signaux, que ce soit par atténuation, ou par présence de bruit ambiant hors de l’ordinaire affecte la qualité du traitement de signal, ce qui se traduit par une dispersion plus importante affectant alors la fidélité de l’instrument.
[0070] On cherche à discriminer les quatre impacts de l’environnement local sur la précision et la justesse de la solution de positionnement, vitesse ou temps :
[0071 ] [Table 5]
[0072] Une utilisation peut apparaître, en bureau d’études et laboratoire, dans plusieurs étapes du cycle de développement de toute application géolocalisée complexe, donnant en particulier la dépendance des performances GNSS aux conditions opérationnelles trouvées sur la zone Z. Grâce à la collecte de données réalisées dans les premières étapes, on peut répondre à certaines questions propres à l’analyse de sécurité et à la conception des systèmes complexes qui devront répondre à des spécifications opérationnelles.
[0073] Cette utilisation peut être illustrée, sans être exhaustif, pour une des activités précédentes relative à l’évaluation de performance en métrologie légale, par l’utilisation de moyens de tests 41 (reieu ou simulations appliquant les données et scénario campagnes pour évaluer un récepteur à certifier. [0074] Une autre utilisation du procédé peut aussi être utile dans le domaine de la navigation, En effet, chaque tronçon d’axe routier d’une zone géographique peut être associé à des indicateurs disponibles dans une base de données. Ces indicateurs caractérisent les risques d’erreur de justesse et de fidélité sur le triplet P VT propres à l’environnement local lors d’une géolocalisation dynamique. L’accumulation d’informations sur un environnement local donne alors la possibilité de définir des types d’environnement sur une zone géographique étendue.
[0075] Ces opérations de caractérisation peuvent être implémentées automatiquement pourvu que les informations contenues dans la base de données BDD-SIG soient partagées avec les utilisateurs, au moins à l’endroit où elles peuvent leur être utiles. Les applications de la géolocalisation intégrant un récepteur GNSS seul ou fusionné à d’autres capteurs pourront alors intégrer davantage d’intelligence artificielle si elles ont la connaissance a priori de l’environnement qui est susceptible d’être rencontré. Un retour d’expérience de ces utilisateurs opérationnels pourrait ainsi supporter la mise à jour de cette base de données géoréférencées.
[0076] Dans une première étape 100, on réalise un ensemble d’enregistrements par un récepteur GNSS professionnel 13, sur la base d’une campagne dynamique (typiquement trajet d’un véhicule sur un parcours routier), d’où on tire des données enregistrées 101.
[0077] Le parcours choisi n’a aucune limitation en termes de durée ou de distance parcouru. Par exemple, une même rue peut être parcouru plusieurs fois, dans des intervalles de temps différents.
[0078] Le besoin dans cette étape 100 de caractérisation d’environnement local GNSS, est que les données enregistrés 101 comportent des informations brutes issues de l’étage du traitement de signal du récepteur GNSS professionnel, telles que des données de mesures brutes sur les axes satellites :
- pseudo distances mesurées sur le code et la porteuse,
- Doppler, optionnellement avec un indicateur de qualité,
- des données de rapport signal sur densité de bruit (C/N0), - des données relatives à la position des satellites en coordonnées ECEF (X,
Y, Z) ou locale (angles d’azimut et d’élévation).
[0079] A titre d’exemple, un terminal GNSS de type ASTERX-U de la société SEPTENTRIO (marques déposées) remplit le besoin et constitue une implémentation préférentielle, mais ne constitue pas une solution unique. L’enregistrement utilisera un format numérique (ASCII pour NMEA xxx et/ou RINEX) et préférentiellement binaire pour le format propriétaire des sorties de l’équipement (exemple format sbf pour les équipements SEPTENTRIO). Il est évident que ceci peut évoluer dans le temps. Les données sont nécessairement datées par un temps GNSS ou UTC.
[0080] Dans une seconde étape 200, on détermine la trajectoire vraie 201 dudit récepteur 13 pendant ces enregistrements.
[0081 ] L’implémentation préférentielle utilise une instrumentation de référence se composant d’une unité inertielle (IMU) et d’un récepteur GNSS de haute qualité, par exemple étant bi-fréquence, bi-constellation. Le récepteur GNSS est corrigé et hybridé en post traitement à l’aide des données de corrections issues d’un ou plusieurs réseaux de stations de référence (techniques PPK (sigle du terme anglais « Post Processing Kinematic ») - utilisant des réseaux NRTK (sigle du terme anglais « Network Real Time Kinematic ») ou PPP (sigle du terme anglais « Précisé Point Positioning »). Avantageusement, l’unité de mesures inertielles permet de maintenir un mesurage précis dans les environnements difficiles, avec une capacité à conserver seule une précision de quelques centimètres sur une durée d’environ une minute. Les récepteurs GNSS de l’instrumentation de référence et le récepteur GNSS professionnel 13 peuvent être constitués par un même récepteur GNSS s’il remplit l’ensemble des conditions de l’un et de l’autre.
[0082] Une implémentation favorable du procédé 200, donnée ici à titre d’exemple non limitatif, utilise des techniques PPK et une hybridation à partir des données enregistrées 101 fournies par les équipements utilisés pour l’étape 100. Il peut être fait appel à l’utilisation de logiciels spécialisés fournis par le fabricant du récepteur GNSS et/ou d’une centrale inertielle. A l’issue de cette étape 200, on obtient, sous forme numérique, les données formant conjointement la trajectoire vraie 201 , c’est à dire ici l’ensemble des données de position en fonction du temps, et de vitesse en fonction du temps, ces deux paramètres étant rapportés au centre de phase de l’antenne GNSS du récepteur GNSS professionnel 13, et une estimation de la précision de ces données en fonction du temps.
[0083] On note que dans l’implémentation décrite ici, l’antenne GNSS utilisée par le dispositif propre à la trajectoire est également celle du récepteur GNSS professionnel 13.
[0084] Concernant l’étape 300, le procédé ici décrit repose sur l’analyse des métriques A(P), B(P), C(P) et D(P) et sur le calcul de leur l'impact potentiel sur l’erreur de fidélité et de justesse sur la solution P VT (position, vitesse, temps) au travers des deux indicateurs (F) et (J).
[0085] L’étape 300 du procédé comprend les sous-étapes suivantes :
- une étape 310 dans laquelle on effectue une vérification de la validité des données enregistrées du récepteur GNSS professionnel 13. L’étape inclut l’extraction à chaque instant du biais d’horloge local estimé par le récepteur GNSS professionnel 13 et des mesures et données brutes datées pour chaque canal de réception associés aux satellites reçus ;
- une étape 320 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai enregistré au moins un indicateur A(P) des mesures à partir des mesures de rapport signal sur densité de bruit C/N0 extraites par l’étape 310 et le rapporte à la position P de la trajectoire vraie relevée simultanément ;
- une étape 330 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai enregistré au moins un indicateur D(P) des mesures à partir des résidus de mesures brutes extraites par l’étape 310 et on le rapporte à la position P de la trajectoire vraie relevée simultanément ;
- une étape 340 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai enregistré au moins un indicateur d’aggravation B(P) des erreurs aléatoires relevées sur les mesures satellite et affectant en conséquence la fidélité d’une sortie P VT.
- une étape 350 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai enregistré au moins un indicateur de sensibilité C(P) aux erreurs de justesse des mesures et affectant en conséquence la justesse de la sortie P VT. Cette matrice accorde un poids à chaque satellite caractérisant leur impact sur les erreurs de positionnement, d’où le terme de sensibilité. Elle permet notamment de repérer les satellites les plus critiques pour la précision. - une étape 360 dans laquelle on calcule un indicateur de justesse J et un indicateur de fidélité F à partir des quatre métriques introduites dans les étapes 320, 330, 340 et 350.
[0086] L’indicateur de fidélité (F) est fonction des indicateurs A(P) et B(P). Il est calculé de la manière suivante :
[0087] [Table 6]
[0088]
[0089] L’indicateur de justesse J(P) est fonction des indicateurs C(P) et D(P). Il est calculé de la manière suivante :
[0090] [Table 7]
[0092] Dans une implémentation favorable les indicateurs (J) et (F) seront liés aux cordonnées géoréférencées (P) afin de créer une base de données. Au besoin la base de données pourra être convertie dans des formats numériques différents. Toute ou partie des indicateurs, comme décrits dans les étapes 320, 330, 340 et 350 peuvent faire partie de cette base de données.
[0093] Selon la présente implémentation de l’étape 320, on calcule un indicateur A(P) à partir des rapports de puissance de signal reçu sur densité spectrale de bruit, appelé par l’homme de l’art C/N0. L’utilisation de sa dérivée temporelle augmente la sensibilité de l’indicateur, car l’instabilité du rapport C/N0 est particulièrement caractéristique d’un milieu perturbé (milieu urbain par exemple) et de la difficulté à poursuivre en synchronisation le signal GNSS. Par ailleurs, il est fait préférentiellement une moyenne sur l’ensemble des satellites 10 dont les signaux sont reçus par le récepteur GNSS professionnel 13. Alternativement, ce calcul peut être effectué sur le seul sous-ensemble des satellites qui ont une élévation supérieure à un seuil configurable.
[0094] [Table 8]
[0095] Selon l’implémentation ici décrite pour l’étape 330, on choisit de calculer à chaque instant d’enregistrement l’indicateur D(P) des mesures comme la norme L1 du vecteur de résidus des mesures.
[0096] [Table 9]
Dans ce calcul, on entend par résidu de mesure la différence entre la mesure réalisée et fournie par le récepteur GNSS professionnel 13 et la mesure qui peut être prédite à partir des positions et vitesses connues de la trajectoire vraie 201 , des positions et vitesses recalculées des satellites à partir de la datation et des éphémérides. Elle est aussi prédite à partir de toute autre connaissance de correction des erreurs systématiques comme les erreurs de désynchronisation des horloges des satellites du système GNSS et de l’horloge du récepteur GNSS professionnel 13, les erreurs d’ionosphère et troposphère. Le résidu de mesure représente alors essentiellement les défauts de justesse sur les mesures.
[0097] Selon une implémentation de l’étape 340, on calcule pour chaque instant un indicateur d’aggravation B(P), en utilisant le calcul classique de la dilution de précision (DOP) horizontale (HDOP), verticale (VDOP) à partir des axes satellites qui ont fourni une mesure valide.
[0098] Pour cela, une matrice d’observation H est construite à chaque instant de l’enregistrement à partir des azimuts et élévations des axes à vue (axe direct émetteur satellite-récepteur). Pour calculer les azimuts et élévations des axes à vue, on utilise la datation correspondante de l’instant de calcul, et les données d’éphémérides satellites pour calculer la position instantanée du satellite correspondant à l’axe à vue désiré, puis en prenant la position instantanée de la trajectoire vraie correspondant à l’instant de calcul, on calcule dans les axes géographiques locaux les coordonnées sphériques du satellite (azimut /axe nord géographique local, élévation / plan horizontal local).
[0099] On peut alors construire la matrice H d’observation et déduire la dilution de précision DOP :
[00100] [Table 10]
[00101 ] Selon que l’utilisateur s’intéresse à la qualité de la position horizontale ou verticale, l’indicateur B(P) retient l’indicateur approprié HDOP ou VDOP.
[00102] Selon une implémentation de l’étape 350, on calcule l’indicateur C(P) comme le plus petit coefficient diagonal de la matrice S selon la formulation :
[00103] [Table 1 1 ]
[00104] Dans lequel H est la matrice d’observation introduite précédemment.
[00105] Cette matrice S caractérise les erreurs de mesures qui se traduisent par un biais sur la position.
[00106] Un exemple de représentation permettant de caractériser un environnement local GNSS est donné sur la figure 5. Comme on le voit sur cette figure, le parcours du récepteur lors d’un trajet au sol se traduit par deux courbes. La première courbe est située dans le quart haut droit de la figure et donne pour chaque instant du parcours un point F(P) dont les coordonnées sont A(P) et B(P), impactant la fidélité du triplet P VT. La seconde est située dans le quart bas gauche de la figure et donne pour chaque instant du parcours un point J(P) dont les coordonnées sont D(P) et C(P), impactant la justesse du triplet PVT.
[00107] Un point important à souligner est que le procédé concerne la géolocalisation en dynamique, c’est-à-dire que le procédé est destiné à être mis en oeuvre lorsque le récepteur GNSS professionnel 13 est installé à bord d’un véhicule en mouvement. Les problématiques liées à la géolocalisation en statique sont différentes et ne sont pas concernées par le procédé.
[00108] Selon l’implémentation du procédé, on produit grâce aux indicateurs de justesse J(P) et de fidélité F(P) mis en forme dans l’étape 360 des couches sémantiques pouvant être intégrés dans des systèmes d’information géographiques. Comme ceux-ci, ils peuvent être affichés sur des fonds de carte pour créer des représentations cartographiques des erreurs types de justesse et fidélité d’un positionnement GNSS. Selon cette implémentation, on transforme par exemple les couches sémantiques en épaisseur de trait pour visualiser la fidélité et en couleur pour visualiser l’erreur de justesse, les indicateurs étant associés point à point aux coordonnées géographiques de la trajectoire vraie établie lors de l’étape 200 du procédé.
[00109] Outre la visualisation efficace des effets de l’environnement, le procédé inventif a pour mérite de créer une nouvelle couche qui peut être facilement intégrée dans les futurs SIG (systèmes d’information géographique), type carte HD qui peut être installé dans les systèmes de navigation, par exemple des véhicules connectés. Adressant des requêtes sur ces bases de données selon la position courante, on peut récupérer des informations utiles sur les capacités du GNSS à fournir une information de position précise et juste (sûre), à prendre en compte pour une gestion et un contrôle intelligent des capteurs de navigation.
[00110] Applications industrielles
[0011 1 ] Selon une première approche, non limitative du procédé, il convient de la décomposer en quatre catégories d’implémentation :
• Dans une première catégorie, le procédé peut être adapté à définir et à segmenter avec précision des catégories d’environnement ;
• Dans une seconde catégorie cas, le procédé peut être adapté à renseigner un récepteur GNSS hybridé pour agir sur son paramétrage et pondérer l’influence des capteurs associés à son calcul de positions en vue d’augmenter les performances de navigation d’un véhicule.
• Dans une troisième catégorie, le procédé peut être adapté à synthétiser des signaux GNSS plus représentatifs en asservissant un générateur de constellation à l’aide des données caractérisant l’environnement local censé être reconstitué.
• Dans une quatrième catégorie, le procédé peut être adapté à calculer des trajectoires représentatives d’une navigation en simulant les mesures d’un récepteur donné dans un environnement donné, c’est-à-dire en opérant dans un environnement totalement synthétique et paramétrable.
[001 12] On peut citer, parmi les domaines concernés par l’utilisation opérationnelle du présent procédé les transports terrestres, les « Services Basés sur la Localisation » (connus par l’homme du métier sous le sigle anglophone « LBS »), l’agriculture, les véhicules autonomes, la topographie, la construction et le guidage d’engins.
[001 13] Tous peuvent bénéficier d’une meilleure connaissance à priori de l’environnement local GNSS rencontré et tendre vers une détermination plus précise, plus sûre et plus disponible et continue de la géolocalisation et de la détermination du vecteur vitesse. Ce domaine pourrait même être étendu à l’aérien ou au maritime.
[001 14] L’application du présent procédé couvre également les domaines de la métrologie GNSS pour l’évaluation de performance des terminaux GNSS. Plus généralement, les activités d’ingénierie système des cycles de développement des systèmes et applications de géolocalisation peuvent tirer bénéfice du procédé décrit.
[001 15] En conséquence les activités de spécification, conception, intégration et tests réclament le développement d’outils spécifiques, pour la simulation et les chaînes de tests, ainsi que les outils d’analyses statistiques. Le procédé autorise le développement de nouveaux outils de spécifications, simulations et tests, pour ce qui concerne l’utilisation du GNSS.
[001 16] En résumé, le procédé selon l’invention permet les résultats suivants :
• Relever l’impact de l’environnement local sur les mesures de récepteurs GNSS avec des données tangibles de façon rapide et automatique. • Exploiter ces données tangibles caractérisant l’environnement local pour anticiper les erreurs des récepteurs GNSS et en atténuer les effets.
• Introduire dans les systèmes de simulation des constellations GNSS les composantes non déterministes représentatives de l’environnement local en développant des modèles reprenant des données tangibles observées lors de campagnes de collecte.
• Calculer des jeux de trajectoires représentatives pour la simulation et le test en développant des modèles basés sur ces données tangibles. En effet, l’estimation des erreurs données par la caractérisation d’environnement local associée à un modèle de comportement du récepteur permet de générer rapidement des trajectoires de simulations réalistes et à faible coût.
[00117] Les principaux avantages de l’invention sont les suivants :
• Produire avec un simple récepteur GNSS, dont la position est connue, des données numériques tangibles caractérisant à la volée l’environnement local avec peu d’octets.
• Fournir des méthodes fiables de métrologie permettant de relier la dépendance des performances des systèmes géo-positionnement GNSS aux conditions de mesures des signaux GNSS dans l’environnement local ;
• Interpréter facilement les données de caractérisation de l’environnement local et anticiper les erreurs dépendantes de l’environnement local traversé, pour une navigation plus précise, plus sûre et plus disponible ;
» Améliorer de manière significative la simulation des signaux GNSS synthétisés par un générateur de constellations, à moindre coût, en introduisant des modèles d’erreurs de position plus représentatifs des conditions réels de réception liées aux phénomènes de propagation causés par l’environnement local.
• Modéliser facilement et calculer rapidement avec un simple micro ordinateur des jeux de trajectoires représentatives d’environnements locaux reconstitués pour simuler rapidement et en grande quantité des mesures de position issues d’un modèle de récepteur GNSS donné, fonctionnant seul ou avec une hybridation.

Claims

Revendications
Revendication 1. Procédé de caractérisation d’un environnement local par un système de positionnement par satellite, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes suivantes :
- 100 : enregistrement de données brutes utiles ainsi que sa solution P VT (position, vitesse, temps) fournies par un récepteur GNSS dit « récepteur GNSS professionnel » (13) lors d'au moins une campagne de collecte
dynamique réalisée dans l’environnement local à caractériser ;
- 200 : détermination d’une trajectoire vraie (201 ) dudit récepteur GNSS professionnel (13) pendant ces enregistrements ;
- 300 : calcul d’indicateurs de justesse (J) et de fidélité (F) caractérisant l’impact de l’environnement local sur la qualité du signal GNSS reçu le long d’un parcours donné indexé par la trajectoire vraie (201 ), ces indicateurs caractérisant en outre respectivement un risque d’erreur systématique et un risque d’erreur aléatoire.
Revendication 2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l’étape 300 du procédé comprend les sous-étapes suivantes :
- une étape 310 dans laquelle on vérifie la validité des données enregistrées par le récepteur GNSS
professionnel (13) et extrait les données de mesures brutes ;
- une étape 320 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur A(P) à partir des mesures de rapport signal sur densité de bruit C/N0 extraites dans l’étape 310 ;
- une étape 330 dans laquelle, on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur D(P) à partir des résidus de mesures brutes extraites dans l’étape 310 ; - une étape 340 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur d’aggravation B(P) à partir d’une matrice issue d’un calcul de la dilution de précision (DOP) ;
- une étape 350 dans laquelle on calcule pour chaque instant de l’essai un indicateur de propagation des erreurs sur les mesures dans le triplet P VT C(P) à partir des valeurs de la matrice de sensibilité S.
Revendication 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’indicateur
(F) géoréférencé représentant la fidélité se décompose en au moins deux indicateurs :
- un indicateur de fidélité A(P) des mesures satellites calculé à partir des mesures de rapport signal sur densité de bruit (C/N0) extraites par l’étape 310 rapporté à la position de la trajectoire vraie relevée simultanément ;
- un indicateur d’aggravation B(P) des erreurs aléatoires relevées sur les mesures satellite et affectant en conséquence la fidélité de la sortie P VT.
Revendication 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’indicateur
(J) géoréférencé représentant la justesse se décompose en au moins deux indicateurs :
- un indicateur D(P) des mesures satellite calculé à partir des résidus de mesures brutes extraites par l’étape 310 et rapporté à la position de la trajectoire vraie relevée simultanément
- un indicateur de sensibilité C(P) aux erreurs de justesse des mesures et affectant en conséquence la justesse de la sortie P VT.
Revendication 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, comportant une étape 301 consistant à rendre accessible les indicateurs de justesse (J) et de fidélité (F) sous forme de base de données, lesdits indicateurs (J) et (F) étant liés à des coordonnées géo référencées et converties dans un format lisible par un système de navigation.
Revendication 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, comportant une étape 301 consistant à rendre accessible l’ensemble des indicateurs A(P), B(P), C(P), D(P), justesse (J) et fidélité (F), sous forme de base de données, lesdits indicateurs étant liés à des coordonnées géo référencées et converties dans un format lisible par un système de navigation.
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