FR2819356A1

FR2819356A1 - Procede et dispositif pour compenser des erreurs de mesure dues a une derive d'une horloge de reference

Info

Publication number: FR2819356A1
Application number: FR0100142A
Authority: FR
Inventors: Yannick Clavel; Alain Renard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2002-07-12
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: EP1223675A1; FR2819356B1

Abstract

Procédé et dispositif pour corriger les erreurs de mesure de paramètres temporels et/ ou fréquentiels dans un système comportant une base de temps local émettant une référence temporelle tr susceptible de varier sous l'effet d'un phénomène extérieur. Le procédé comporte au moins les étapes suivantes :a) déterminer la valeur de la dérive en fréquence DELTAFestimée à partir d'un paramètre représentatif de la variation d'inertie ou de l'inertie du système, b) combiner la dérive en fréquence à une mesure d'un paramètre temporel ti et/ ou fréquentiel F pour obtenir la valeur corrigée dudit paramètre temporel ti, et/ ou fréquentiel F.Application aux systèmes GPS ou GLONASS.

Description

L'invention concerne un procédé et un dispositif permettant de corriger les erreurs de mesure induites par une dérive d'une base de temps locale, la dérive résultant notamment de la dynamique opérationnelle.

Elle s'applique, par exemple, pour la correction d'erreurs introduites par la dérive d'un oscillateur local, tel qu'une horloge de référence embarquée sur un mobile.

Elle est appliquée notamment pour corriger les erreurs de mesure dans des récepteurs GPS embarqués dans des mobiles ou des dispositifs soumis à une accélération importante.

Elle intéresse aussi tous les récepteurs de positionnement utilisant une base de temps locale précise ou, de manière plus générale, tout système de navigation incluant un récepteur de positionnement.

Elle s'applique encore, dans tous les systèmes qui nécessitent la connaissance et l'entretien d'une base de temps locale précise et susceptible d'être affectée par la dynamique opérationnelle du dispositif auquel elle est associée.

L'un des systèmes de positionnement utilisé est le système GPS (Global Position System). Un tel système utilise une constellation de satellites qui tournent autour de la terre sur des orbites très précisément déterminées, c'est-à-dire que l'on peut connaître à tout instant la position

d'un satellit quelconque. Les satellites émettent des signaux radiofréquence contenant des données de navigation et des codes qui permettent d'identifier chaque satellit. Ces codes modulen en phase (modulation BPSK) une fréquence porteuse. Un récepteur GPS, au sol ou sur un véhicule terrestre, aérien ou maritime, peut recevoir les signaux de plusieurs satellites simultanément, calculer précisément sa distance à chacun des satellites et en déduire sa position précise en latitude, longitude et altitude, dans un repère terrestre. Il peut aussi déterminer la date et l'heure précise de la réception dans le repère temporel du système GPS. t peut enfin en déduire, par des mesures Doppler, son propre vecteur vitesse dans le repère terrestre, dans le cas par exemple d'un récepteur monté sur un véhicule mobile.

Les signaux radioélectriques GPS ont un spectre constitué d'une bande de 2 MHz centrée sur la fréquence Li = 1575 GHz, fréquence

porteuse, respectivement la fréquence Lz = 1273 GHz, connues du domaine du GPS.

Des modes de mise en oeuvre d'un tel système sont décrits par exemple dans les brevets FR 2.742. 612 et FR 2.739. 938 du demandeur.

Seules les données importantes nécessaires à la compréhension de l'objet de l'invention sont reprises ci-après.

La distance entre un satellit et le récepteur est déterminée par mesure de la durée de propagation, à la vitesse de la lumière, du signal radio entre un satellit et la terre. Elle est donc déterminée, en particulier, par une mesure de l'écart temporel entre l'instant d'émission par le satellit d'un bit caractéristique (bit epoch ) du code pseudo-aléatoire et l'instant de

réception, par le récepteur de ce bit caractéristique.

Les distances du récepteur à trois satellites différents permettent de déterminer la position du récepteur dans un repère terrestre fixe, dès lors que le récepteur connaît la position des satellites dans ce repère à l'instant de la mesure. Un quatrième satellit est généralement utilisé pour éliminer l'écart éventuel entre l'horloge du récepteur et l'horloge du système GPS, la position des satellites à chaque instant étant définie par référence à une horloge générale de système et les données de navigation émises permettent au récepteur de connaître cette référence temporelle.

Une détermination précise des paramètres de position, tels que la vitesse et le temps, nécessite donc l'utilisation d'une horloge locale stable sur la durée d'observation du signal nécessaire à son filtrage. Toutefois, des phénomènes extérieurs tels que la variation soudaine de la température, les chocs mécaniques ou encore la dynamique du système peuvent dégrader la précision de l'horloge du récepteur GPS.

L'art antérieur divulgue plusieurs méthodes pour corriger cette variation.

Compensation en température
Une première approche consiste à effectuer une compensation en température.

Pour cela, le quartz est, par exemple, régulé en température, méthode OCXO (abréviation anglo-saxonne Oven Controled compensated crystal oscillator), en le thermostatant. Cette méthode permet d'éliminer les

dérives en température et en fréquence. Elle présente toutefois certains inconvénients : * Consommer de l'électricité, * La nécessité d'un temps de chauffe pour atteindre la température requise, 'une intégration peu évidente, et * une fiabilité discutable.

Le quartz peut aussi être compensé en température, méthode connue sous l'abréviation TCXO (en anglo-saxon temperature compensated crystal oscillator). Elle met en oeuvre une correction analogique câblée lors de la fabrication, incluant par exemple une thermistance. Cette méthode présente toutefois comme inconvénient de présenter une dérive du quartz en fonction de la température évoluant en fonction du vieillissement et des contraintes, et d'utiliser un modèle de compensation peu précis.

La méthode connue sous l'abréviation DTCXO (Digital temperatur compensated crystal oscillator) est similaire au procédé TCXO, mais utilise une correction numérique. Bien que le modèle de compensation utilisé soit plus précis, elle présente toujours l'inconvénient de la dérive du quartz en fonction de la température, qui évolue avec le vieillissement et les contraintes.

Compensation en dynamique
Une deuxième approche consiste à réaliser une compensation dynamique, telle que celle décrite dans le brevet US 6,067, 503.

Le procédé décrit dans ce brevet met en oeuvre une mesure de la dérivée de la variation de fréquence due à la dynamique. Cette dérivée est calculée comme la différence de la fréquence VCO et de la fréquence quartz divisée par la constante de temps du VCO. Or, cette constante de temps évolue avec le VCO (vieillissement) et les mesures deviennent peu précises.

En outre, cette mesure repose sur des circuits analogiques (VCO) soumis à des défauts de gain, d'offset et de constante de temps. Une telle méthode présente l'avantage d'être de faible coût mais aussi de faibles performances.

L'objet de l'invention repose sur une nouvelle approche consistant à corriger les erreurs de mesure, plutôt que d'incorporer les dérives de l'horloge dues aux phénomènes extérieurs, à l'incertitude naturelle de l'horloge, ce qui conduit son modèle, donc la performance du système.

L'invention concerne un procédé pour corriger les erreurs de mesure de paramètres temporels et/ou fréquentiels dans un système comportant une base de temps local émettant une référence temporelle tr susceptible de varier sous l'effet d'un phénomène extérieur caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : * déterminer la valeur de la dérive en fréquence AFestimée à partir d'un paramètre représentatif de la variation d'inertie ou de l'inertie du système,

w combiner la dérive en fréquence à une mesure d'un paramètre temporel ti et/ou fréquentiel F pour obtenir la valeur corrigée Atcor, AF cor dudit paramètre temporel ti, et/ou fréquentiel F.

Selon un mode de mise en oeuvre le paramètre temporel ti mesuré est le temps et le procédé comporte au moins les étapes suivantes : pour chaque valeur ti mesurée, déterminer la valeur de l'écart temporel
Ati en soustrayant la valeur de temps local tr à la valeur de temps mesurée ti, déterminer la valeur de dérive temporel dt en intégrant la valeur de la dérive en fréquence, AF estimée, . combiner les deux valeurs Ati et dt pour obtenir la valeur temporelle corrigée Atcor, AF cor.

Selon un autre mode de réalisation, le paramètre mesuré est par exemple la vitesse relative d'un mobile par rapport au système et la valeur de la vitesse relative F est corrigée en tenant compte de la dérive en fréquence AFestimée multipliée par la vitesse de la lumière.

Le procédé peut aussi comporter une étape où les valeurs de mesure temporelles et/ou fréquentielles corrigées sont transmises à un modèle de résolution PVT pour en déduire au moins la valeur de fréquence

résolue et la valeur de fréquence résolue AFest ! mée utilisée pour mettre à jour la base de données ou déterminer AFest, mée.

L'objet de l'invention concerne aussi un dispositif pour corriger les erreurs de mesure de paramètres temporels et/ou fréquentiels dans un

système comportant une base de temps local émettant une référence temporelle tr susceptible de varier sous l'effet d'un phénomène extérieur, tel que l'inertie ou la variation d'inertie du système, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : . un dispositif permettant de déterminer la valeur du paramètre temporel et/ou fréquentiel,

* un dispositif permettant de déterminer la variation du phénomène extérieure, * des moyens pour obtenir la valeur de la dérive en fréquence AF à partir de l'inertie ou de la variation de l'inertie du système, w des moyens pour combiner ladite valeur de dérive en fréquence AF au paramètre temporel ti et/ou fréquentiel F pour obtenir la valeur corrigée dudit paramètre temporel et/ou fréquentiel.

Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent être utilisés pour corriger des erreurs de mesure dans un système GPS ou GLONASS.

Le procédé et le dispositif selon l'invention offrent notamment les avantages suivants : 'offrir un traitement rapide des erreurs dynamiques et thermiques en utilisant un modèle direct de correction, * offrir une correction plus précise grâce à l'adaptation continue du modèle en utilisant les redondances des systèmes de mesure.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés où : * la figure 1 représente un schéma de principe d'un récepteur selon l'invention, 'la figure 2 est un schéma détaillé de la figure 1, et . la figure 3 une variante intégrant la correction en continu du modèle.

Afin de mieux comprendre le principe mis en oeuvre dans l'invention, la description, donnée à titre illustratif et nullement limitatif,

concerne un récepteur GPS soumis à une dynamique opérationnelle, telle qu'une accélération.

La figure 1 représente un synoptique fonctionnel du procédé de base selon l'invention, schématisant l'idée mise en oeuvre. Cette figure représente un récepteur 1 en liaison avec une antenne 2 adaptée à recevoir les signaux satellites par exemple des signaux dans la bande de fréquence L1 ou L2. Le récepteur comporte un premier bloc 3 adapté à transformer les signaux en échantillons intégrés avant de les transmettre au bloc de traitement 4 objet de l'invention, un oscillateur de référence 5, tel qu'un quartz et un bloc de résolution 6 PVT connu de l'Homme du métier.

Le système selon l'invention comporte aussi un module de capteurs 7, pouvant être intégré dans le récepteur 1. Ce module, lorsqu'il est indépendant du récepteur comporte, par exemple, une centrale d'inertie délivrant les valeurs d'accélération selon trois axes Ax, Ay et Az et un capteur adapté à mesurer la température.

Les signaux GPS reçus par l'antenne 2 ont un spectre par exemple constitué d'une bande de 20 MHz centrée sur la fréquence L1 = 1.575 GHz (fréquence porteuse), respectivement la fréquence L2 = 1.273 GHz. Ils sont transmis à un premier circuit 8, CRP1, pour être transposés à une fréquence intermédiaire Fi plus faible que la fréquence porteuse, par exemple à une fréquence intermédiaire égale à la fréquence de la porteuse diminuée de la fréquence du quartz multipliée par un coefficient, selon un procédé connu de l'Homme du métier. Ces signaux sont ensuite échantillonnés et intégrés dans un circuit 9, la fréquence d'échantillonnage étant la fréquence délivrée par le quartz 5. L'ensemble de ces traitements met en oeuvre par exemple des ASIC. Les échantillons obtenus en sortie d'ASIC, contiennent l'information temporelle captée par l'antenne à bas débit.

Les échantillons intégrés sont transmis à un dispositif d'asservissement 10 qui délivre d'une part les temps reçus et le signal Doppler et une commande NCO (Numerical controlled Oscillator) qui est renvoyée vers l'ASIC d'échantillonnage. Cet asservissement est réalisé par exemple par logiciel.

Les échantillons temporels reçus et le signal Doppler sont transmis au bloc de traitement 4 qui est par exemple réalisé à l'aide d'un

logiciel implanté dans le microprocesseur, selon des étapes précisées à la figure 2, par exemple.

Le récepteur comporte aussi un microprocesseur 11 programmé par exemple pour réaliser les fonctions d'asservissement, de correction, de résolution PVT et éventuellement pour élaborer le modèle utilisé pour la correction. Le microprocesseur permet aussi d'exécuter l'algorithme de recherche du signal Doppler selon des méthodes connues de l'Homme du métier, par exemple, en scannant toutes les positions de code GPS dans chaque fenêtre Doppler jusqu'à acquisition totale par la réception de position.

A l'issu de ce bloc de traitement 4, les mesures corrigées sont transmises au module de résolution PVT 5, permettant de déterminer la position, la vitesse d'un satellit ainsi que la température. Ce type de module est connu de l'Homme du métier et ne sera pas détaillé.

Selon une variante de réalisation décrite à la figure 3, l'erreur de fréquence résolue par le module PVT est utilisée pour mettre à jour le modèle utilisé.

Lorsque le modèle de correction se présente sous la forme de table ou d'une base de données préétablie, il est par exemple intégré dans une mémoire reprogrammable, non volatile (non représentée sur la figure pour des raisons de simplification). L'utilisation d'une telle mémoire permet notamment de récupérer le dernier modèle mis à jour par l'équipement avant la mise hors tension.

Le modèle de correction peut aussi être déterminé en cours de fonctionnement par logiciel intégré dans le microprocesseur.

La figure 2 détaille les étapes et les dispositifs mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention.

Les signaux issus du premier bloc de traitement 4 correspondent aux mesures de temps ti et à une mesure de signal Doppler F.

Ces signaux sont corrigés selon un modèle de correction déterminé par exemple de la manière décrite ci-après.

Les variations des caractéristiques du quartz en fonction de la température et des variations d'accélération sont connues. Par exemple, il

est possible, en soumettant le quartz à différentes températures, de

déterminer les coefficients a, b, c et d pour déterminer la dérive en fréquence du quartz qui s'exprime selon l'équation [1] : AFa = a +b (6-eo) +c (8-eo) 2+d (e-e0) 3 où 0 est une valeur de température donnée et 00 la température de référence.

De manière identique, en soumettant le quartz à différentes accélérations, on obtient la dérive en fréquence exprimée selon les trois axes x, y, z selon les expressions [2] suivantes : AFyx=axYx AFvy=ayYy AFz=azYz

Les coefficients a x, a y. a z étant des constantes choisies selon les caractéristiques du quartz.

Les valeurs de dérive en fréquence en fonction de la température et/ou de l'accélération permettant de construire un modèle qui se présente par exemple sous la forme d'une table donnant pour une température donnée et/ou une accélération donnée, la valeur de la dérive en fréquence AFo et AFyx, #Fγy, #Fγz, qui donne AFestimée.

A partir de ces valeurs de dérive en fréquence, il est possible de déterminer par exemple par intégration, la valeur de dérive temporelle dt dont les mesures temporelles doivent être corrigées.

Le procédé permet donc de corriger, en tenant compte du modèle préétabli et connaissant les valeurs de la température et/ou des composantes de l'accélération délivrées par le module de capteur, les valeurs mesurées de la fréquence Doppler et des mesures temporelles.

Par exemple, a) Pour la mesure Doppler F, correspondant à la vitesse relative entre le récepteur et le satellite : Le microprocesseur tient compte de la valeur de l'accélération y mesurée par le module de capteurs pour déterminer dans le modèle de correction la valeur #Festimée à soustraire de la vitesse relative mesurée F, la valeur AFestimée est multipliée préalablement par la vitesse de la lumière c exprimée en m/s. De façon complémentaire, il peut aussi tenir compte de la valeur de

la température pour déterminer, dans le modèle de correction, la valeur AFestimée. b) Pour les mesures de temps ti, correspondant au temps reçu ti, * Le microprocesseur calcule dans un premier temps, la valeur de l'écart temporel Ati ou pseudo-distance, en soustrayant de la valeur de temps ti, la valeur de temps local tr, 'Puis connaissant, les valeurs des coefficients d'accélération yx, yy, yz données par le module de capteurs, il détermine la valeur de dérive temporelle At à partir du modèle précité, pour la soustraire de chaque valeur Ati.

* Selon un autre mode de mise en oeuvre, la valeur de la dérive temporelle est déterminée en prenant aussi en compte la valeur de la température.

Les différentes valeurs mesurées et corrigées, AFcor, Atcor sont transmises au module de résolution PVT qui en'déduit la valeur de position P, la valeur de vitesse V du satellit ainsi que la valeur de fréquence résolue AFrésolue correspondant à l'erreur de fréquence.

Sans sortir du cadre de l'invention, l'erreur de fréquence estimée
AFestimée peut aussi être obtenue non plus en utilisant un modèle tabulé, mais en utilisant un modèle déterminé en temps réel par le microprocesseur, qui reçoit les valeurs de la température et/ou de l'accélération, et qui est programmé pour déterminer les valeurs correspondantes des dérives en fréquence et en température. Ces valeurs sont ensuite utilisées comme il a été décrit pour le modèle se présentant sous la forme d'une table de données.

Selon une autre variante de mise en oeuvre, le procédé comporte aussi une étape où la valeur de la fréquence résolue issue AFrésolue du module PVT, est utilisée pour corriger le modèle.

Pour cela, le procédé consiste par exemple à envoyer la valeur de fréquence résolue AFrésolue à un filtre de Kalman, implémenté dans le module permettant de déterminer la dérive en fréquence et la dérive temporelle tel que décrit à la figure 4.

La valeur de fréquence résolue . Frésolue est sommée au vecteur d'état à une dimension issu de la matrice d'observation 30, le vecteur d'état résultant est ensuite soumis à une matrice de gain 31, adaptatif permettant une pondération optimale pour ce vecteur d'état. A l'issue de cette matrice 31, le vecteur d'état a pour coordonnées la valeur de dérive en fréquence estimée ainsi que les valeurs des composantes de l'accélération par exemple. La coordonnée AF de ce vecteur est utilisée pour corriger la valeur de Doppler mesurée selon un schéma similaire à celui décrit à la figure 2 et aussi à déterminer par intégration la valeur de la dérive temporelle dt de façon à corriger les pseudo-distances Ati.

Le vecteur d'état recalé Xr est transformé en vecteur d'état propagé Xp à l'aide de la matrice de propagation 32 tenant compte des valeurs de température et/ou d'accélérations mesurées par le module de capteurs. Il est associé à une matrice de covariance Pp permettant

d'estimer la confiance à accorder à ces mesures. Le vecteur d'état propagé est ensuite transformé par la matrice d'observation avant d'être soustrait à la mesure.

Par exemple :

Le vecteur X est un vecteur de coordonnées (AF, ax, ay, a z) où ax, Oy, az

sont définis comme suit :

AFx =axYx AFy =ayYy AFz =azyz

F ou 32 est une matrice de propagation, décrivant un modèle d'évolution des composantes du vecteur d'état X, H ou 30 est la matrice d'observation par exemple [1000] K ou 31 est la matrice de gain déterminée classiquement à partir des autres matrices.

Claims

REVENDICATIONS 1-Procédé pour corriger les erreurs de mesure de paramètres temporels et/ou fréquentiels dans un système comportant une base de temps local émettant une référence temporelle tr susceptible de varier sous l'effet d'un phénomène extérieur caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : * déterminer la valeur de la dérive en fréquence AFest ! mée à partir d'un paramètre représentatif de la variation d'inertie ou de l'inertie du système, * combiner la dérive en fréquence à une mesure d'un paramètre temporel ti et/ou fréquentiel F pour obtenir la valeur corrigée Atcor, AFcor dudit paramètre temporel ti, et/ou fréquentiel F.
2-Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le paramètre temporel ti mesuré est le temps et en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : pour chaque valeur ti mesurée, déterminer la valeur de l'écart temporel Ati en soustrayant la valeur de temps local tr à la valeur de temps mesurée ti, * déterminer la valeur de dérive temporel dt en intégrant la valeur de la dérive en fréquence, AFestimee, . combiner les deux valeurs Ati et dt pour obtenir la valeur temporelle corrigée Atcor, AFcor.
3-Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le paramètre mesuré est la vitesse relative d'un mobile par rapport au système et en ce que la valeur de la vitesse relative F est corrigée en tenant compte de la dérive en fréquence AFestlmée multipliée par la vitesse de la lumière.
4-Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la valeur de dérive en fréquence est déterminée à partir d'une base de données

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préétablie tenant compte des valeurs de température et/ou des valeurs d'accélération et du comportement de la base de temps local en fonction desdites valeurs.
5-Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la valeur de dérive en fréquence AFest, mée est obtenue en déterminant en temps réel ladite valeur en tenant compte d'un modèle de comportement de l'horloge de base et des valeurs de température et/ou d'accélérations mesurées en temps réel.

fréquence résolue et en ce que la valeur de fréquence résolue AFestimee est utilisée pour mettre à jour la base de données ou déterminer AFestimée.
6-Procédé selon l'une des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que les valeurs de mesure temporelles eUou fréquentielles corrigées sont transmises à un modèle de résolution PVT pour en déduire au moins la valeur de
7-Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il utilise un filtre de Kalman pour déterminer en temps réel la valeur de dérive en fréquence.
8-Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 7 pour corriger les mesures de temps dans des systèmes GPS ou GLONASS soumis à une accélération.
9-Dispositif pour corriger les erreurs de mesure de paramètres temporels ettou fréquentiels dans un système comportant une base de temps local émettant une référence temporelle tr susceptible de varier sous l'effet d'un phénomène extérieur, tel que l'inertie ou la variation d'inertie du système, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : e un dispositif permettant de déterminer la valeur du paramètre temporel et/ou fréquentiel,

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* un dispositif permettant de déterminer la variation du phénomène extérieure, * des moyens pour obtenir la valeur de la dérive en fréquence AF à partir de l'inertie ou de la variation de l'inertie du système, 'des moyens pour combiner ladite valeur de dérive en fréquence AF au paramètre temporel ti et/ou fréquentiel F pour obtenir la valeur corrigée dudit paramètre temporel eVou fréquentiel.
10-Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de mesure de l'accélération.
11-Dispositif selon l'une des revendications 9 à 10 caractérisé en ce qu'il comporte une base de données préétablies en tenant compte du comportement de la base de temps local en fonction de la variation de température eVou de l'accélération.
12-Dispositif selon l'une des revendications 9 à 10 caractérisé en ce qu'il comporte un processeur adapté pour déterminer le modèle de correction en temps réel.
13-Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12 caractérisé en ce qu'il comporte un module permettant de déterminer la valeur de fréquence résolue et un dispositif, tel qu'un filtre de Kalman, pour corriger, à partir de la valeur de fréquence résolue, la valeur de fréquence estimée.
14-Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 9 à 13 pour corriger des erreurs de mesure dans un système GPS ou GLONASS.