FR2832005A1

FR2832005A1 - Procede de surveillance au sol des anomalies de type ewf d'un signal de satellite de localisation

Info

Publication number: FR2832005A1
Application number: FR0114396A
Authority: FR
Inventors: Jean Pierre Arethens
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-09
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: US20040246173A1; FR2832005B1; US7006035B2; CA2465764A1; WO2003040748A1; EP1463953A1

Abstract

Le procédé de l'invention, applicable en particulier à la fiabilisation des signaux de localisation de satellites GPS et SBAS, consiste à faire une analyse statistique instantanée (pendant environ 1 mn) du pic de corrélation du récepteur de signaux de satellites et à la comparer à une analyse statistique à long terme (plusieurs heures) en choisissant 5 points caractéristiques du pic (prompt, +- 0, 044 et i 0, 088). Si le résultat de la comparaison est supérieur à un seuil déterminé, on rejette les signaux correspondants.

Description

PROCEDE DE SURVEILLANCE AU SOL DES ANOMALIES DE TYPE
EWF D'UN SIGNAL DE SATELLITE DE LOCALISATION
La présente invention se rapporte à un procédé de surveillance au sol des anomalies de type EWF d'un signal de satellite de localisation.

Actuellement, les systèmes d'aide à l'atterrissage des avions sont du type ILS , mais, pour des raisons économiques, les Etats cherchent à les remplacer par des systèmes de guidage appelés GLS et utilisant les informations fournies par des réseaux de satellites, en particulier de type GPS. A bord des avions, la partie embarquée de ces systèmes de guidage en approche est de type MMR, combinant des systèmes ILS avec des systèmes GLS et MLS.

Les systèmes GLS seraient les plus économiques, d'autant plus que le positionnement GPS peut fournir aux avions les informations nécessaires à leur navigation. Les performances requises pour la navigation en vol de croisière permettent d'utiliser le système GPS de manière autonome en offrant une précision de l'ordre de 20 ou 30 mètres avec une intégrité suffisante pour les besoins. En phase d'approche où la précision requise est de l'ordre de 2 ou 3 mètres en verticale, le système est utilisé en combinaison avec un moyen au sol complémentaire qui apporte les informations nécessaires à l'amélioration de la précision et qui met en place les mécanismes qui permettent de garantir l'intégrité du positionnement.

De nombreuses études ont été effectuées pour déterminer les sources des erreurs de positionnement affectant les mesures GPS. La dégradation volontaire des mesures effectuées au niveau des satellites était jusqu'à son récent abandon la cause principale d'erreurs sur les mesures de distance entre le récepteur et les satellites. Il demeure néanmoins des causes d'erreurs de mesure propres à l'utilisation du système de propagation radioélectrique, c'est-à-dire les retards consécutifs à la traversée des ondes radioélectriques dans les couches atmosphériques, ainsi que les erreurs consécutives aux possibles réflexions connues sous le nom de trajets multiples. L'estimation de ces erreurs et leur diffusion par des stations au sol, qui intègrent deux ou plusieurs récepteurs de mesure et un moyen de radiodiffusion, permettent à l'utilisateur qui reçoit ces informations de corriger ses propres mesures et de réaliser ainsi un positionnement différentiel précis. Il existe cependant d'autres sortes d'erreurs que ne peuvent éliminer

ces systèmes différentiels, à savoir les erreurs consécutives au fonctionnement dégradé du réseau de satellites qui peuvent générer des erreurs de mesure dépendant des caractéristiques matérielles des récepteurs utilisateurs de ces signaux. Par exemple, lorsque le signal émis par un satellite est perturbé par des anomalies dites EWF3 , les perturbations altèrent les mécanismes de corrélation mis en oeuvre par les récepteurs et faussent les mesures de distance d'une façon qui dépend des caractéristiques analogiques de filtrage haute fréquence du récepteur et des intervalles séparant les voies de corrélation, et en conséquence faussent la détermination de la position. Ces phénomènes doivent être détectés pour garantir l'intégrité du positionnement différentiel utilisé pour le guidage en approche des avions. Pour y remédier, on emploie deux ou plusieurs stations au sol dans la même zone de réception, et par des mesures différentielles, on arrive à éliminer ou à atténuer suffisamment ces erreurs. Il existe cependant d'autres sortes d'erreurs que ne peuvent éliminer ces systèmes différentiels, à savoir les erreurs dues aux éphémérides fournissant les positions des satellites et les erreurs dues aux perturbations affectant les signaux émis par les satellites. Les erreurs dues aux éphémérides proviennent du fait que ceux-ci sont saisis manuellement par des opérateurs, et que des fautes de frappe ne sont pas exclues. Les erreurs de position des satellites peuvent alors être de plusieurs kilomètres. Pour les éliminer, il suffit de se référer à plusieurs valeurs consécutives et éliminer celle qui est manifestement insolite.

Lorsque le signal émis par un satellite est perturbé par des anomalies dites EWF ( Evil Waveform ), les perturbations déforment le pic de corrélation élaboré dans les récepteurs au sol, ce qui ne permet pas d'effectuer correctement la corrélation, et donc fausse la détermination de position. Pour y remédier, un groupe de travail a proposé un procédé de surveillance de la qualité d'un signal émis par un satellite dans un article numéroté WP-13 et intitulé Validation of Revised Signal Quality Monitoring Algorithms for Detecting C/A Code Evil Waveforms et présenté à Toulouse, France, lors des réunions GBAS Working Group Meeting qui s'étaient tenues du 20 au 24 Mars 2000 dans le cadre de la conférence Global Navigation Satellite Systems Panel (GNSSP) , ce groupe de travail étant le Working Group B . Le procédé proposé dans cet article consistait

essentiellement à échantillonner en temps réel en des endroits précis les fonctions de corrélation produites dans les récepteurs GPS au sol, à comparer ces valeurs échantillonnées à des valeurs de consigne, et à déclarer non valable le signal reçu si le résultat de la comparaison dépassait un certain seuil. Ce procédé utilise des hypothèses précises sur les caractéristiques du détecteur et les critères de détection basées sur l'observation instantanée de la forme du pic de corrélation qui contraint complètement la définition du récepteur et la définition des algorithmes de détection. Un autre procédé consisterait à échantillonner de manière systématique le pic de corrélation. Ce procédé est, en théorie, satisfaisant, mais, en pratique, pour le mettre en oeuvre, il faudrait utiliser des moyens matériels d'un coût exorbitant. En effet, par exemple, pour un système GPS à 18 satellites, il faudrait réaliser 720 canaux de corrélation, ce qui enlèverait tout intérêt économique au système GPS, qui est censé être un système moins onéreux que les systèmes existants.

La présente invention a pour objet un procédé de surveillance au sol de la présence éventuelle d'anomalies dans un signal reçu depuis un satellite GPS, en particulier de type EWF, procédé qui puisse être mis en oeuvre avec le minimum possible de moyens matériels à la station de réception, sans pour autant risquer de ne pas détecter des anomalies significatives du signal reçu.

Le procédé de l'invention, qui est basé sur la mesure de la déformation du pic de corrélation, consiste à extraire des échantillons du pic de corrélation élaboré lors du traitement du signal reçu du satellite, à mémoriser ces échantillons sur une fenêtre glissante instantanée d'une durée d'au moins 1 mn environ, à mémoriser ces fenêtres instantanées sur une durée d'au moins plusieurs heures pour en extraire une moyenne déterminée statistiquement, à comparer le contenu de chaque fenêtre instantanée à cette moyenne, et, si le résultat de la comparaison est supérieur à un seuil de détection, à déclarer qu'il y a une perturbation significative affectant le signal reçu et à éliminer ce dernier.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure unique est un

diagramme expliquant l'étape de pondération mise en oeuvre par le procédé de l'invention.

Le procédé de l'invention s'applique à un récepteur de signaux émis par des satellites de localisation géographique, récepteur communément appelé GBAS ( Ground Based Augmentation System ). Ce récepteur terrestre comporte une fonction SQM ( Signal Quality Monitor ) chargée de surveiller en permanence la qualité des signaux reçus, et de signaler une qualité insuffisante, afin de rejeter ceux jugés impropres aux mesures de positionnement, et donc pour éviter de fausser les mesures.

Le récepteur de la station au sol délivre, au rythme de deux fois par seconde, des échantillons du pic de corrélation relatif au signal reçu, en vue de réaliser des mesures d'amplitude dans le corrélateur en phase . Selon l'invention, ces échantillons sont au nombre de cinq et sont prélevés à des instants précis, suffisamment caractéristiques pour déterminer la position exacte du pic de corrélation avec le minimum possible d'échantillons. Ces instants sont repérés de façon classique en valeurs relatives par rapport à la période de la fréquence d'horloge des séquences PN dite chip . Ces valeurs sont prises symétriquement par rapport au pic du signal de corrélation, la valeur centrale étant celle de la crête du pic ( Prompt en anglais) à savoir (en valeurs de fraction de chip) : crête, 1 0, 044 et 1 0, 088.

Par ailleurs, on effectue une analyse statistique à court terme et une autre à long terme sur les pics de corrélation issus des signaux reçus de chacun des satellites concernés, pour chacune des cinq valeurs précitées, afin d'obtenir les caractéristiques statistiques individuelles de ces valeurs en fonction des conditions de réception de ces signaux à la base de réception au sol. On calcule ainsi, pour chaque type d'analyse (court terme et long terme) et pour chaque satellite concerné, cinq valeurs d'écarts types Cj, à

savoir : < J-0, 088, c-0, 044, excrête, co, 044 et GO, 088, et cinq valeurs moyennes Uj, à savoir : uo, 088 et u-0, 044, Ucrête. u0, 044 et uo, 088.

Les analyses à court terme se font dans une fenêtre glissante d'une durée d'au moins une minute environ, et les analyses à long terme se font dans une fenêtre glissante d'une durée d'au moins plusieurs heures, en cumulant toutes les analyses à court terme relatives à cette fenêtre longue.

On définit ensuite une variable Api telle que # i = i(ct) - i(#t) avec i(ct) étant la valeur de (J pour l'échantillon de rang i considéré du pic pour

l'analyse à court terme, et pi (Rt) la valeur du même échantillon pour l'analyse à long terme. On peut alors calculer un critère pondéré sqm de la qualité de

réception à chaque période d'analyse, ce critère étant donné par la relation suivante :

o, Q88 fQQ44 fAprompt ftM4 f0j388 Ci-0, 088 j -0, 044 J prompt Cr+0, 044 j +0, 088 j =-----------------MDE-----------------

Dans cette relation, MDE est un seuil de détection déterminé analytiquement pour obtenir un taux de probabilité de fausses alarmes désiré (de 7,2. 10-8 par exemple pour le standard OACI). Si la valeur de sqm ainsi calculée est supérieure à 1, on décrète la présence d'une forme d'onde anormale (dite EWF en anglais) et que, par conséquent, les signaux reçus du satellite correspondant doivent être rejetés.

On remarquera que le terme (sqm) 2 suit une loi statistique de chi2 à quatre degrés de liberté.

Si l'on se réfère aux normes de LOACH, l'équivalent du coefficient Kffd, de valeur 5,26 selon cette norme pour une distribution avec une

8 probabilité de fausse alarme de 7, 2. 10-8, est dans le cas de l'invention de 5,36 pour une distribution statistique suivant la loi de chi2. Ainsi, du fait que le critère sqm est pondéré, la valeur de MDE doit être de 5,36 pour obtenir le même taux de probabilité de fausse alarme.

On a schématiquement représenté en figure unique du dessin un registre à décalage 1 qui reçoit à une de ses extrémités le flux 2 de codes PRN du signal reçu depuis un satellite. On a figuré par une flèche 3 le flux de codes PRN internes élaborés dans le récepteur de la station de réception au sol.

Ces codes internes ont les valeurs que devraient avoir les échantillons du pic de corrélation aux instants d'échantillonnage précités (point central, 0, 044, 0, 088) si les signaux reçus n'étaient pas parasités par les EWF. Les codes internes correspondant aux instants-0, 088,-0, 044, crête, + 0,044 et + 0,088 sont envoyés chacun à une entrée d'un convolueur, respectivement 4 à 8, dont l'autre entrée reçoit respectivement les valeurs

suivantes : contenu du registre pour l'instant-0, 088, contenu pour l'instant - 0, 044, différence des contenus des registres relatifs aux instants + 0,044 et - 0, 044 (obtenue par un soustracteur 10), et contenus pour les instants + 0,044 et + 0,088. En outre, le contenu du registre pour l'instant où doit apparaître la crête est envoyé à un convolueur 9.

Les six canaux de corrélation résultants à la sortie des convolueurs 4 à 9 sont respectivement : Lo, 088 et Q-0, 088, Lo, 044 et 0-0, 044,

IA et AQ (mode delta ) 10, 044 et 00, 044, 10, 088 et Qo, 088, Icrête, Qcrête (mode ponctuel ). Les canaux de mode delta et ponctuel servent à poursuivre le satellite correspondant, et les quatre autres canaux servent à effectuer les mesures 1 et Q (en phase et en quadrature) aux quatre points d'échantillonnage correspondants du pic de corrélation.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de surveillance au sol des anomalies de type EWF d'un signal de satellite de localisation, caractérisé par le fait qu'il consiste à extraire des échantillons du pic de corrélation élaboré lors du traitement du signal reçu de ce satellite, à mémoriser ces échantillons sur une fenêtre glissante instantanée d'une durée d'au moins 1 minute environ, à mémoriser ces fenêtres instantanées sur une durée d'au moins plusieurs heures pour en extraire une moyenne déterminée statistiquement, à comparer le contenu de chaque fenêtre instantanée à cette moyenne, et, si le résultat de la comparaison est supérieur à un seuil de détection, à déclarer qu'il y a une perturbation significative affectant le signal reçu et à éliminer ce dernier.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les échantillons sont au nombre de cinq pour chaque pic de corrélation analysé, et qu'ils sont prélevés des instants correspondant à l'apparition de la crête du pic, à 0, 044 chip et 0, 088 chip par rapport à la crête.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le

critère pondéré (sqm) servant à déterminer la qualité du signal reçu est donné par la relation :

o, o88 ) Q4 'prompt +04 A+g cr -0, 088 cr -0, 044 cr prompt cr +0, 044 cr +0, 088 MDE

relation dans laquelle Ajjj = Uj (ct)-Uj (t) avec Uj (ct) étant la valeur de p pour l'échantillon de rang i considéré du pic pour l'analyse à court terme, et pi (sot) la valeur du même échantillon pour l'analyse à long terme, ci étant l'écart type pour chacun de ces échantillons et MDE étant un seuil de détection déterminé pour obtenir un taux de probabilité de fausses alarmes désiré, la valeur de sqm ainsi calculée devant être supérieure à 1 pour que l'on déclare la présence d'une perturbation significative.