FR2823857A1 - Procede de determination de la position d'une balise emettrice - Google Patents

Procede de determination de la position d'une balise emettrice Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination de la position d'une balise émettrice qui émet un signal vers certains des satellites d'une constellation de satellites qui à leur tour remettent des signaux réémis vers des stations terrestres de détection, caractérisé en ce que lesdites stations terrestres sont pourvues d'au moins une antenne dont les caractéristiques de directivité ne permettent pas une identification du satellite qui a réémis un dit signal réémis, et ce qu'il met en oeuvre :a) un calcul de position pour toutes les combinaisons associant des signaux et des satellites ayant pu correspondre à une réémission des signaux réémis,b) un calcul de position de balise pour au moins certaines de ces combinaisons de satellites, par la méthode des moindres carrés,c) la détermination de la combinaison de satellite qui présente le plus faible résidu de calcul par la méthode des moindres carrés, la position de la balise émettrice correspondant à cette combinaison de satellites étant alors considérée comme la position de la balise émettrice.

Description

<Desc/Clms Page number 1>
PROCEDE DE DETERMINATION DE LA POSITION D'UNE BALISE
EMETTRICE
La présente invention a pour objet un procédé de détermination de la position d'une balise émettrice qui émet un signal vers certains des satellites d'une constellation de satellites qui, à leur tour, réémettent des signaux réémis, vers des stations terrestres de détection.
Dans le cas où les stations terrestres de détection présentent des antennes de réception directionnelles montées sur les divers satellites situés dans sa zone de visibilité, chacun des signaux réémis reçus est associé automatiquement à un satellite.
Il est alors possible de calculer la position de la balise émettrice, notamment par la méthode des moindres carrés.
L'inconvénient d'un tel procédé est qu'if faut équiper chaque station au sol d'un nombre d'antennes égal au nombre de satellites dont les signaux sont susceptibles d'être détectés, chaque antenne devant en outre être pourvue d'un dispositif de commande apte à assurer le suivi du satellite auquel elle est affectée.
L'invention propose de simplifier l'installation au sol en limitant le nombre d'antennes.
L'invention prévoit de mettre en #uvre pour chaque station au sol au moins une, et de préférence une seule, antenne susceptible de recevoir des signaux de plusieurs satellites situés dans sa zone de visibilité.
Dans ces conditions, les signaux réémis reçus ne sont plus identifiés comme provenant d'un satellite particulier.
L'idée de base de l'invention est de réaliser cette identification par le calcul.
L'invention concerne ainsi un procédé de détermination de la position d'une balise émettrice qui émet un signal vers certains des satellites d'une constellation de satellites qui à leur tour réémettent des signaux réémis vers au moins une station terrestre de détection, caractérisé en ce qu'au moins une dite station terrestre est pourvue d'au moins une antenne dont les caractéristiques de directivité ne permettent pas une identification du satellite qui a réémis un dit signal réémis, et ce qu'il met en #uvre : a)un calcul de position pour toutes les combinaisons associant des signaux réémis reçus par ladite antenne et des satellites de la
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constellation dont les signaux réémis sont susceptibles d'être détectées par ladite antenne, b) un calcul de position de balise pour au moins certaines de ces combinaisons de satellites, par la méthode des moindres carrés, c) la détermination de la combinaison qui présente le plus faible résidu de calcul par la méthode des moindres carrés, la position de la balise émettrice correspondant à cette combinaison étant alors considérée comme la position de la balise émettrice.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins dans lesquels : - la figure 1 illustre un système selon l'invention, pour lequel est représentée une station de réception - la figure 2 est un diagramme fonctionnel du module de détection de la station de réception, - la figure 3 illustre un mode préféré d'un corrélateur de signaux réalisé par le module de détection précité.
L'invention est décrite ci-après à titre d'exemple dans le cadre de la constellation des satellites GALILEO dont chacun est équipé d'un transpondeur de recherche et de sauvetage (SAR). Il est prévu que GALILEO soit la contribution européenne à un système mondial de navigation par satellite (GNSS2). GALILEO présente 27 satellites (plus 3 satellites actifs de réserve) qui volent à une altitude de 23612 km et le système est prévu pour être opérationnel en 2008.
Les transpondeurs de satellites de la constellation retransmettent les signaux à 406 MHz envoyés par les balises d'émission COSPAS-SARSAT, et émettent à cet effet des signaux à 1544 MHz.
La détection des signaux à 1544 MHz émis par les transpondeurs embarqués sera assurée par le système de station terrestre COSPAS-SARSAT.
Dans le cadre de la présente invention, il est proposé de simplifier les stations aux sols afin d'en diminuer les coûts de mise en place, de fonctionnement et de maintenance, sans en obérer les performances, et sans modifier les autres éléments du système.
Comme le montre la figure 1, une balise émettrice, par exemple une balise de détresse BE émet des signaux S de type SAR à 406
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Figure img00030001

MHz. Ces signaux sont reçus par des satellites Satji, SatJ2, ... Satis dont chacun est pourvu d'une antenne de réception ARi, ARz, ... AR5> d'un transpondeur, et d'une antenne d'émission AE1, AE2, .... AEs, pour réémettre en direction d'une ou plusieurs stations terrestres GST des signaux RS1, RS2,
RS3, RS4 et RS6 réémis à 1544 MHz. Ces signaux sont reçus par une antenne ANT dont est équipée ladite station GST. Comme indiqué ci-dessus, les signaux reçus proviennent des satellites précités, par exemple au nombre de 5, et il n'est pas possible de connaître pour chaque signal quel est le satellite qui en est le réémetteur.
Pour retrouver la position correcte de la balise émettrice BE, il faut associer correctement chaque signal réémis au satellite qui l'a généré.
Etant donné que les longueurs de trajet entre la balise BE et la station GST via les satellites est différente pour chaque satellite, les signaux arrivent à ia station terrestre GST à des instants différents.
Ceci produit des interférences entre les signaux. Après réception, le bloc de signal SB qui contient les signaux qui correspondent à un même bloc d'émis SE provenant d'une balise BE, est copié, puis décalé temporellement (et/ou fréquentiellement) jusqu'à obtention d'une autocorrélation (voir figure 3). Ceci conduit à des pics de corrélation qui indiquent de manière différentielle les différents moments d'arrivée TDOA. Une mesure fréquentielle des écarts Doppler des signaux peut être par exemple mise en #uvre à cet effet. Au moins quatre valeurs de différences d'instant d'arrivée TDOA sont nécessaires pour localiser une balise d'émission BE.
Du fait de la mise en #uvre d'une antenne unique de réception ANT, les signaux obtenus ne sont pas appairés aux satellites qui les ont réémis.
Pour résoudre ce problème, on calcule une position potentielle de la balise BE, par la méthode des moindres carrés, et ce pour chaque combinaison possible.
Si on désigne par n le nombre de satellites visibles par la station GST et par m le nombre de signaux reçus, le nombre de combinaisons possibles est égal à m !x n/m, soit dans le cas le plus fréquent (n = m), à n@ Combinaisons.
Pour n = m = 5 on aura 120 combinaisons possibles.
La combinaison correcte peut être déterminée en calculant dans chaque cas le résidu du calcul par la méthode des moindres carrés.
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Pour toutes les combinaisons ne correspondant pas à la situation réelle, la valeur de ce résidu sera très nettement plus élevée (de plusieurs ordres de grandeur par exemple) que dans le cas où les signaux sont correctement appairés aux satellites qui les ont réémis.
Il y aura donc pour un appariement correct entre les signaux et les satellites une chute de la valeur du résidu, qui permet de caractériser la bonne combinaison, à partir de laquelle les données de position permettent la localisation de la balise d'émission BE.
Du fait qu'il existe un écart très important entre la valeur du résidu pour la bonne combinaison et pour toutes les autres combinaisons, il n'est pas nécessaire de calculer effectivement toutes les combinaisons possibles. II suffit de calculer les positions correspondant à différentes combinaisons, et d'arrêter les calculs lorsqu'une chute significative de la valeur du résidu est obtenue.
Un autre moyen de simplifier les calculs est de rechercher une combinaison de satellites et de signaux correspondant au minimum de signaux nécessaires à l'obtention du résultat, et ensuite de raffiner le résultat avec le reste des signaux.
Pour une détection tridimensionnelle (x, y, z) il faut disposer de cinq signaux reçus, alors qu'il en suffit de quatre pour une détection bidirectionnelle (pour laquelle on suppose par exemple que la balise est disposée au sol, soit z = 0).
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention par la méthode des moindres carrés sera explicité ci-après :
Une architecture d'un module de réception selon l'invention est représentée à la figure 2. L'antenne ANT transmet les signaux reçus dans la bande 1544 - 1544,1 MHz à un récepteur REC qui présente par exemple 20 canaux de réception, ce qui lui permet de traiter une pluralité de blocs de signaux SB dont chacun provient d'une combinaison de satellites. Ce récepteur REC est pourvu de moyens logiciels pour générer par autocorrélation les signaux TDOAi. TDOA2, ... TDOAn mentionnés ci-dessus, ainsi que les messages SAR émis éventuellement par la balise BE.
Un processus PROC reçoit les signaux TDOA et les messages SAR et procède à la détermination de la localisation de la balise BE selon la procédure décrite ci-après, c'est-à-dire en testant tout d'abord les combinaisons possibles entre les signaux et les satellites par exemple à l'aide
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de processeurs de calcul en parallèle et en déterminant ensuite quelle est la combinaison réelle. Les signaux de localisation ainsi que les messages SAR sont transmis à une interface de communication CINT. On notera également une base de temps absolu et de fréquence TB qui pilote le processeur PROC et le récepteur REC.
La localisation peut s'effectuer de la manière suivante :
Le fichier d'éphémérides du système GAULEO contient les paramètres orbitaux des satellites de la constellation GALILEO. Ce fichier est fourni par le centre de contrôle du système GAULEO. Les satellites émettent également une version, moins précise, de ce fichier. Les coordonnées des satellites, de la station terrestre GST, par exemple selon le standard MEOLUT (stations terrestres ( LUT : local user terminal ) COSPAS/SARSAT qui reçoivent les signaux d'une constellation sur orbite terrestre moyenne MEO ), et la position de la balise d'émission BE peuvent être convertis à chaque instant en coordonnées ECEF (système de référence centré sur la
Terre et fixe par rapport à la Terre Earth centered, Earth fixed ) et on calcule alors les vecteurs de pseudodistance ( pseudorange vectors )du satellite à la station terrestre.
Les positions des satellites sont ensuite converties en vecteurs relatifs NED caractérisant leur position par rapport à la station GST (MEOLUT). On ne conserve les données que pour les satellites qui présentent un angle d'élévation supérieur à un angle minimal (par exemple 10 ) et qui sont considérés comme pouvant servir de transpondeur pour le signal SAR d'une balise d'émission BE.
Les différents temps mesurés TDOAi, ... TDOAn peuvent être transmis, comme des temps d'arrivée TOA. Ceci introduit un décalage de temps tbias qui est le même pour chaque signal d'un bloc SB qui est reçu par l'antenne ANT. Ce décalage de temps tblas est défini comme le temps auquel le bloc de signal SB a été transmis par la balise BR.
On a:
TOAm = TDOAm-1 + tbias ainsi : TOA1 = tbias
TOA2 = TDOA1 + tbias et ainsi de suite.
Le vecteur des temps d'arrivée est ensuite multiplié par la vitesse de la lumière, pour donner la distance mesurée au satellite
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Figure img00060001

p =TOA x c = TDOA.-, X C'i' tblas x c
Le pseudo vecteur ( pseudorange )P est mesuré depuis la balise Beb via un satellite SATj vers la station de réception GSTr.
Ces valeurs mesurées P représentent les différences de chemin entre les différents trajets que les signaux SAR ont effectué plus une valeur constante définie plus haut. Cette valeur n'a pas d'importance particulière car elles se mélangent aux autres constantes lors de l'application de la méthode des moindres carrés : On a:
Figure img00060002

ou
Figure img00060003

c'est la pseudodistance ( pseudorange ) mesurée et ajustée, entre [a balise BG et le récepteur via le satellite est égale au temps de trajet mesuré et ajusté ttrbj' multiplié par la vitesse c de la lumière.
Figure img00060004
<tb>
<tb>
On
<tb> Prbj'=ctrb <SEP> (j)'
<tb>
Une balise de détresse BE émet un signal de détresse à l'instant tb. Un satellite SATj reçoit ce signal à l'instant i et son transpondeur le transmet à la terre après un temps de transfert dfj. Ce signal est reçu par la station au sol GSTr à l'instant #tr.
Le temps de transit du signal entre la balise Beb et le récepteur GST via le satellite SATI peut s'écrire :
Figure img00060005
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Si on prend en compte un décalage temporel STb qui peut exister entre la balise Beb et la station au sol GSTr la relation entre le temps réel t'et le temps mesuré t est :
Figure img00070001

respectivement pour fa balise Beb et pour la station GTSr.
Le temps mesuré et ajusté vaut alors :
Figure img00070002
L'équation qui définit le temps de trajet mesuré et compris entre la balise et le satellite est alors :
Figure img00070003
La position xj du satellite est celle qui correspond à la réception du signal pour le satellite. Cette position peut être retrouvée par itération
Figure img00070004
Par multiplication par la vitesse de la lumière, on convertit les temps de trajet en distances. On a alors:
Figure img00070005
Mais comme les pseudo distances mesurées et les pseudo distances corrigées ne diffèrent que par un écart constant, c'est-à-dire :
Figure img00070006

l'équation devient alors : @
Figure img00070007
Le délai du transpondeur est mesuré pour chaque satellite avec son lancement. Dans la suite on a pris sa valeur égale à zéro, ces délais
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ou autres variations peuvent être pris en compte comme une seule valeur fixe connue Xbias-
On a donc : @
Figure img00080001
Cette équation caractérise la distance entre la balise Beb et le satellite SATj par rapport aux pseudo distances ( pseudoranges ) mesurées, la distance entre le récepteur GST et le satellite SATj, et les écarts ou délais dus au système.
Cette équation présente trois inconnues qui sont les positions (x, y, z), et un écart non connu. Pour résoudre, l'équation ou la finéarise :
Figure img00080002

EP,*..--eâr,tx +x6r avec
Figure img00080003
Pour simplifier les calculs, on écrit l'équation d'observation sous la forme suivante :
Figure img00080004

avec
Figure img00080005
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E est la valeur espérée de y, le vecteur des différences de longueur de trajet stochastique mesuré avec
Figure img00090001
A est dénommée la matrice de direction, et x le vecteur de distance. 1 est l'indice d'un signal détecté provenant de la balise Beb et m est le nombre total de signaux. Il faut au minimum m = 4 signaux détectés. Un satellite supplémentaire est nécessaire pour lever l'indétermination sur la relation entre les signaux et les satellites et déterminer correctement la combinaison signaux-satellites. Il faut donc m # 5 pour un positionnement correct à trois dimensions x, y, z.
Dans la plupart des cas, on pourra cependant supposer que la balise BE est au sol et Il n'y a donc pas besoin de déterminer la coordonnée z.
Dans ce cas, il peut n'y avoir que m = 4 signaux réémis par les satellites.
Une fois linéarisée, l'équation d'observation peut être résolue par la méthode des moindres carrés (comme dans le cas d'un système GPS).
On a:
Figure img00090002

la dispersion D (en matière de variance Qy de y étant, Qy=D{y}=#02I Ceci donnera une solution pour la localisation de la balise et pour l'écart à déterminer la solution est ensuite testée en calculant le résidu de la méthode des moindres carrés, à savoir :
Figure img00090003

Ces résidus sont petits si l'erreur de triangulation est faible.
On peut réaliser le test suivant :
Figure img00090004

Pour un positionnement à deux dimensions.
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Pour un positionnement à 3 dimensions, le dénominateur devient (m-4).
Le nombre #2 est représentatif de la précision de la position calculée. Si toutes les pseudodistances convergent en un point, alors #2 = 0.
Ce n'est pas en général le cas en raison de petites erreurs systématiques dues à l'ionosphère. Dans ce cas #2 est de l'ordre de quelques centaines de m2. Si la combinaison calculée n'est pas la bonne, l'erreur systématique est très élevée, de l'ordre de 105 m2 étant donné que les distances sont calculées à partir de satellites qui sont associées à des signaux qu'ils n'ont pas réémis.
De ce fait, il suffit de fixer expérimentalement un seuil par exemple à partir de balises disposées de différents points mais dont on connaît à l'avance la position et de calculer ensuite dans des cas réels (pour lesquels on ne connaît pas la position de la balise BE) des combinaisons signal- satellite jusqu'à ce que la valeur du résidu soit Inférieure à ce seuil.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination de la position d'une balise émettrice qui émet un signal vers certains des satellites d'une constellation de satellites qui à leur tour ré émettent des signaux ré émis vers au moins une station terrestre de détection, caractérisé en ce qu'au moins une station terrestre (GST) est pourvue d'au moins une antenne dont les caractéristiques de directivité ne permettent pas une identification du satellite qui a réémis un dit signal réémis, et ce qu'il met en oeuvre : a)un calcul de position pour toutes les combinaisons associant des signaux réémis reçus par ladite antenne (ANT), et des satellites de la constellation dont les signaux réémis sont susceptibles d'être détectés par ladite antenne (ANT), b) un calcul de position de balise pour au moins certaines de ces combinaisons de satellites, par la méthode des moindres carrés, c) la détermination de la combinaison qui présente le plus faible résidu de calcul par la méthode des moindres carrés, la position de la balise émettrice correspondant à cette combinaison étant alors considérée comme la position de la balise émettrice.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit calcul de position est réalisé pour des combinaisons associant des signaux des satellites jusqu'à ce que ledit résidu calcul ait une valeur inférieure à un seuil.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de position est réalisé pour toutes les dites combinaisons associant des signaux et des satellites et.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente une étape préliminaire de discrimination des signaux réémis reçus, par autocorrélation.
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