FR2907556A1

FR2907556A1 - Procede d'assistance d'un recepteur gps pour ameliorer le calcul d'altitude

Info

Publication number: FR2907556A1
Application number: FR0654338A
Authority: FR
Inventors: Michel Monnerat
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-04-25
Also published as: EP1914560A1

Abstract

La présente invention concerne un procédé d'assistance à la navigation par satellites. Ce procédé vise à fournir une méthode permettant à un serveur de données d'assistance de diffuser à un équipement de télécommunication équipé d'un récepteur GPS un ensemble de paramètres permettant au récepteur de convertir l'altitude calculée dans un référentiel lié à l'ellipsoïde de référence du système (ex : WGS84 pour le GPS) en altitude liée au géoïde ou au niveau moyen des mers considéré à la position du récepteur.

Description

I1 PROCEDE D'ASSISTANCE D'UN RECEPTEUR GPS POUR AMELIORER LE CALCUL

D'ALTITUDE La présente invention concerne un procédé d'aide d'un récepteur de navigation par satellites visant à améliorer le processus de conversion de l'altitude calculée selon une référence liée au système satellitaire de navigation vers une référence géométrique locale. Dans un système de positionnement par satellite utilisant des récepteurs du type RNSS (Radio Navigation Satellite System) tels que des récepteurs GPS (Global Positioning System) ou Galileo, les signaux de données permettant de calculer le positionnement du récepteur proviennent de différents satellites (quatre au minimum pour déterminer quatre inconnues x, y, z et t)). II est connu que les coordonnées utilisateur (x,y,z) sont résolues dans un référentiel de type WGS84, qui possède un repère centré sur le centre de la terre ù au sens WGS84 ù et dont les axes sont liés à la terre(on rappelle que WGS84 provient de l'anglais "World Geodetic System 1984" qui est un système géodésique terrestre utilisé par le Global Positioning System". Basé sur un réseau de 5 stations de contrôle au sol, dont aucune en Europe, le système est défini par la Defense Mapping Agency : sa dernière réalisation date de 1996 et sa cohérence interne est de 0,1m. L'éllipsoïde associé est le WGS84 (= GRS80), et le méridien origine est Greenwich. La projection couramment associée au WGS84 est l'UTM de "Universal Transverse Mercator", cylindrique). Dans le cas du GPS, mais aussi de Galileo et Glonass, le signal émis par chacun des satellites est basé sur une technique de spectre étalé. Ainsi, le signal est un signal de données binaires modulé par un signal étalé spectralement selon un procédé d'accès multiple à répartition par code CDMA (Code Division Multiple Access). Autrement dit, chaque bit du signal de données est remplacé par une séquence d'étalement propre à chaque satellite. Les données sont transmises en mode série à 50 bits/s pour GPS (50bits/s soit 0.02 s/bit). Une séquence d'étalement tel qu'une séquence pseudo aléatoire de type Gold est transmise à un rythme beaucoup plus élevé : une séquence de Gold peut être considérée comme 2907556 2 une suite de bits, parcourue avec une période d'horloge bien définie ; l'expression appelée bribe de code ou plus fréquemment chip désigne un bit de la séquence et, par extension, la durée d'un tel bit. La séquence d'étaiement est ainsi transmise à un rythme de 1,023 Mchips/s pur GPS (un chip dure donc 5 environ 1 s) et comporte 1023 chips (soit une durée de 1 ms) : il y a donc 20 répétitions de séquences par bit de données. La modulation par le signal étalé spectralement entraîne qu'un démodulateur normal verra le signal de réception comme du bruit. De manière générale, la fonction de corrélation f(T) de deux signaux fi(t) et -00 10 f1(t) est donnée par la relation : f (7)û f f,.(t).fj(t û T).dt , où ti désigne un temps variable. Bien entendu, dans la pratique, l'intégration ne se fait pas de -co à +oo mais sur une période de temps finie, en divisant l'intégrale par la durée de ladite période. On parlera de fonction d'autocorrélation lorsque les fonctions fi(t) et f1(t) sont identiques et de fonction d'intercorrélation lorsque les fonctions fi(t) et f1(t) 15 sont distinctes. Chaque satellite k possède son propre signal pseudo-aléatoire ck(t). Chacun de ces signaux pseudo-aléatoires possède la propriété suivante : sa fonction d'autocorrélation est nulle sauf au voisinage du décalage temporel nul où elle prend une allure triangulaire ; autrement dit, l'intégrale fck(t).ck(t û T).dt est ,co 20 nulle lorsque T est non nul et est maximale lorsque T est nul. En outre, les signaux associés chacun à un satellite différent sont choisis de sorte que leur fonction d'intercorrélation soit nulle ; autrement dit, l'intégrale Jck(t).ck,(t ûT).dt est nulle quel que soit T lorsque k et k' sont différents. Les signaux étalés spectralement des satellites sont donc choisis de façon 25 à être orthogonaux. Lorsque le récepteur cherche à acquérir les données d'un satellite particulier, le récepteur corrèle le signal reçu avec une réplique de la séquence 2907556 3 pseudo-aléatoire du satellite recherché (la séquence du satellite lui est attribuée une fois pour toute et ne change pas durant toute la vie du satellite). Ainsi, le signal reçu S(t) est la somme de l'ensemble des signaux transmis n par chaque satellite : S(t) = ck (t).dk (t) , où n est le nombre de satellites, Ck(t) k=1 5 désigne le signal étalé spectralement du satellite k et dk(t) désigne les données du satellite k. Si on cherche à acquérir les données du satellite m, la réplique locale correspondra au signal cm(t). Ainsi, après corrélation et en supposant que les signaux d'étalement soient parfaitement orthogonaux, on élimine toutes les 10 données des satellites non recherchés (les fonctions d'intercorrélation sont nulles) pour retrouver uniquement les données du satellite m. La corrélation est possible car la durée d'une séquence d'étalement est vingt fois plus petite que la durée d'un bit de données. Une fois les signaux d'au moins trois satellites acquis, une boucle de 15 poursuite est enclenchée sur chacun des signaux. Cette boucle de poursuite maintient la synchronisation du récepteur sur chacun des signaux des satellites, ce qui a pour effet de rendre possible 1. la démodulation des données transmises par chaque satellite, 2. mesurer la différence de synchronisation vue du récepteur entre les 20 différents satellites poursuivis. Les données de chacun des satellites comporte en outre une information horaire de la date à laquelle le signal a été émis du satellite. Une fois en mode poursuite, le récepteur peut alors déterminer la date d'arrivée du signal. La différence entre la date d'arrivée et la date d'émission (démodulée dans le 25 message) permet au récepteur de déduire la distance le séparant dudit satellite à une inconnue près, celle de la différence d'horloge entre le récepteur lui-même et le satellite poursuivie. Par ce procédé, tel qu'illustré à la figure 1, un récepteur 5 mesure les temps de réception Trl , Tr2 , Tri , Tr4 des signaux des satellites 1, 2, 3, 4, ces signaux ayant été émis respectivement aux temps Te, , Tee , Te3 , Te4 . En 30 notant OH l'inconnue de différence d'horloge entre le récepteur 5 et l'ensemble 2907556 4 des satellites 1, 2, 3, 4, supposés, quant à eux, synchrones, il vient que les distances dl, d2, d3, d4 peuvent s'écrire : 'd, = c(Tr, ùTe, + AH) d2 = c(Tr2 ù Te2 + AH) d3 = c(Tr3 ù Te3 + AH) d4 = c(Tr4 ùTe4 +AH) où c représente la vitesse de la lumière.

5 En notant Xu,Yu,Zu la position de l'utilisateur et Xsat_i,Ysat_i,Zsat_i la position du satellite i, i pouvant prendre, pour la figure 1 mais non limitativement, la valeur 1 à 4, et en supposant que ces positions sont exprimées dans un même référentiel, il vient : d, V ( l2 ^ I(Xu ùXsat_1) +(Yu )2 +(Zu ùZsat_I , I( d2 = V (Xu ùXsat_2)2 +(Yu ùYsat_2)z +(Zu ùZsat2 = I d3 J(Xu ùXsat3)z +(Yu ùYsat_3)2 +(Zu ùZsat3 2 d4 = V \Xu ùXsat_4Y + (Yu ùYsat_4)2 +\Zu ùZsat_4Y 10 Ceci conduit à poser le système d'équation suivant : c(TrI ùTe1 +AH)=.J(Xu ù X sat )2 +(Yu ùYsat +(Zu ù Z at I )2 s c(Tr2 ù Te2 +A AHV(Xu ùXsat_2/ +(Y ùYsat2)2 +(Zu ùZsa,2)2 c(Tr3 ù Te3 +AH)=.\/(Xu ùXsat3)+(Yu ùYsat_3)2 +(Zu ùZsa, 3 )2 c(Tr4 ù Te4 +AH)=iXu ùXsat4/ +(Yu ùYsat4)2 +(Zu ùZsa,4J la résolution de ce système d'équation suivant des méthodes parfaitement connues de l'homme de l'art (méthode par linéarisation ou méthode de minimisation non linéaire de type Newton) permet de déterminer la position de 15 l'utilisateur (Xu,Yu,Zu) dans le même référentiel que celui dans lequel la position des satellites est exprimée, ainsi que la différence d'horloge AH entre le récepteur et les satellites. La figure 2 représente à cet effet la position de l'utilisateur 8 dans le référentiel lié au système de navigation par satellites 6 lié à la terre 7. Dans 2907556 5 l'exemple du GPS, ce référentiel est le WGS84. Les coordonnées de l'utilisateur correspondent aux coordonnées sur les axes pris pour référence dans ce référentiel, en l'occurrence Xu [11], Yu [10], Zu [9]. II est par ailleurs commun d'exprimer ces coordonnées par rapport au globe terrestre en représentant la 5 position de l'utilisateur par rapport à la surface de la terre et via la latitude, longitude et altitude. La transformation des coordonnées (Xu, Yu, Zu) en (longitude, latitude, altitude) est bien connue de l'homme de l'art. Dans le cadre de l'utilisation du système GPS cette transformation est donnée dans le système d'équations qui suit. Pour ce faire la terre est approximée par une ellipsoïde de 10 demi grand-axe a et demi petitaxe b. en notant f l'aplatissement (b-a)/a et e l'excentricité, il vient : r 4Xi,2 +Y2 E 2=a2ùb2 F=54*b2*Za2 G = r2 +(1ùeearth2)*Zu2 ùeearth2 *E_2 4 *F * Y 2 eearth s = co ~l+±\/c02 +2c F P _ 3*G2 *(l+s+l/s)2 Q=j1+2*e4 *P ùP*e2 *r 1 2 1 P*(1ùeearth2)*Zu ù + a 2 _ 1 P*r2 1+Q 12 *(l+ù)ù Q*(1+Q) 2 z U = (r ù eearthz * r0)z + V = (r ù eearth2 *1-02 b2 *Zu z0 a*V co = G3 2 * 2 + (1 ù eearth ) zu 2907556 6 * zo, r) où 2, q5, h sont respectivement la longitude, la latitude, et l'altitude. L'altitude est fournie par rapport à l'ellipsoïde de référence WGS84 qui est une approximation globale de la surface de la terre. Localement, cette altitude ne 5 correspond pas à l'altitude ressentie par l'utilisateur que l'on définit plus habituellement par l'altitude au dessus du niveau moyen des mers. La figure 3 fournit l'exemple d'un utilisateur 12 dont l'altitude fournie par un GPS, i.e. l'altitude au dessus de l'ellipsoïde de référence 16, est la distance référencée 13. L'altitude au-dessus du géoïde local est la distance référencée 14. La différence entre les 10 deux distances ([13]-[14]) est appelée l'ondulation du géoïde 15. La présente invention vise un procédé d'assistance, pour un récepteur de radionavigation GPS ou RNSS, au calcul de son altitude par rapport à un géoïde local.

15 A cet effet, l'invention, a pour objet un procédé d'assistance, pour un dispositif mobile combinant un récepteur de radionavigation GPS ou RNSS à un émetteur-récepteur de télécommunication cellulaire, au calcul de son altitude par rapport à un géoïde local, ledit dispositif mobile étant relié à un système d'assistance à la navigation comportant : 20 - au moins un satellite de navigation, - un réseau de télécommunication permettant d'échanger des données entre ledit dispositif mobile et un serveur de données d'assistance, - une station de base appartenant audit réseau de télécommunication et liant le dispositif mobile audit réseau, 25 - un serveur de données d'assistance apte à mettre en oeuvre une méthode de calcul de l'ondulation à une position donné, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : = arctan 2(Y,, , Z,,) 0= arctan 2(Zu +e'2 b2 h=U*(1û ) a.V 2907556 7 - une étape de requête, par le dispositif mobile, d'assistance de navigation transmise au serveur de données, ladite requête transitant via ladite station de base, - une étape de calcul par ledit serveur de données d'assistance de l'ondulation du 5 géoïde à la position de ladite station de base à partir de l'information de la position de la station de base, le calcul de l'ondulation pouvant éventuellement s'effectuer via l'application d'une décomposition en série du géoïde (i.e GTM96), - une étape de transmission, par ledit serveur de données d'assistance, du résultat du calcul de la dite ondulation au dispositif mobile.

10 Selon un mode de réalisation, le serveur de données d'assistance comprenant une base de données renfermant les valeurs d'ondulation aux positions formant une grille d'une partie du globe terrestre, la valeur de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base est calculée de la 15 valeur de l'ondulation par interpolation des valeurs des ondulations des géoïdes aux positions encadrant ladite station de base. Selon un mode de réalisation, préalablement au calcul de la valeur de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base, les valeurs des ondulations des géoïdes aux positions encadrant ladite station de base sont 20 transmises par le serveur de données d'assistance au dispositif mobile pour que le calcul de la valeur de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base soit réalisé par le dispositif mobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen 25 de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, illustre un récepteur de radionavigation par satellites au sein d'un système de radionavigation par satellites, - la figure 2, déjà décrite, représente la position d'un utilisateur dans le référentiel lié au système de navigation par satellites lié à la terre, 30 - la figure 3 illustre l'exemple d'un utilisateur dont l'altitude fournie par un GPS, qui est l'altitude au dessus de l'ellipsoïde de référence, fournit une 2907556 8 première distance alors que l'altitude au-dessus du géoïde local est une seconde distance, - la figure 4 représente un système d'assistance à un dispositif mobile selon un mode de réalisation de l'invention, 5 la figure 5 représente un mode de réalisation du procédé selon l'invention ou le serveur de données d'assistance calcule l'ondulation par une approximation déduite d'un maillage de l'ondulation. Les informations nécessaires au calcul de la position de l'utilisateur, en 10 particulier la position des satellites via des paramètres Keplériens d'orbite, sont véhiculées dans le message des satellites lui-même. Comme décrit précédemment dans le cas du GPS, ce message est véhiculé à la vitesse de 50bits pas seconde. Les paramètres Keplériens, appelés éphémérides, sont transmis toutes les 30 secondes. Un récepteur doit donc attendre au moins 30 15 secondes avant de calculer une première position. Pour améliorer ces performances, il est connu d'associer un dispositif de radiotéléphonie cellulaire, du type téléphone mobile GSM ("Global System for Mobile communications") par exemple, à un récepteur RNSS ("Radio Navigation Satellite System") tel qu'un récepteur du type GPS ("Global Positioning System"), GLONASS ou GALILEO 20 par lequel le dispositif mobile capte des émissions en provenance de satellites pour connaître sa position. Un dispositif, combinant un récepteur de positionnement satellitaire associé à un émetteurûrécepteur de radio téléphonie cellulaire, est illustré à la figure 4. Un satellite 24 transmet un signal de navigation comportant une information d'orbite dite modèle de navigation ou éphémérides.

25 Cette information est répétée avec une périodicité de 30 secondes. Un serveur de données d'assistance 20, placé dans un réseau de téléphonie mobile 21, reçoit, via une antenne locale de contrôle 19, le message 18a du satellite 24. Ce message est traité de sorte à permettre au serveur 20 d'extraire le modèle de navigation et de le stocker jusqu'à la prochaine mise à jour faite par le satellite.

30 Cette mise à jour intervient classiquement toutes les deux heures. Le dispositif 23 reçoit un signal 18b du satellite 24 et le traite de manière à établir, de façon 2907556 9 connue, la distance le séparant du satellite 24. Au préalable, le dispositif 23 interroge le serveur d'assistance 20 qui lui réachemine de manière très rapide le modèle de navigation du satellite 24 via le réseau cellulaire 21 et la station de base 22. II est bien entendu que le satellite 24 est en vue commune du récepteur 5 23 et de l'antenne 19. Le système ainsi présenté présente différents avantages. Le mobile 23 a accès au modèle de navigation beaucoup plus rapidement du fait des débits d'information mis en jeu sur les réseaux de télécommunication cellulaires. D'autre part, le dispositif 23 ne lit pas sur le signal de navigation le modèle de navigation, ce qui rend plus robuste le processus de localisation.

10 Par ailleurs, il est connu que dans un tel dispositif dit GPS assisté ou RNSS assisté (en anglais "assisted-GPS" ou "assisted-RNSS"), un ensemble de données plus vaste que les seuls paramètres d'orbites peut être envoyé pour améliorer la performance du récepteur GPS ou RNSS : information de temps, différents paramètres de corrections d'erreurs de propagation, etc....

15 La présente invention vise à utiliser le système GPS pour assister le dispositif 23 à calculer son altitude par rapport à un géoïde local. Le procédé simple et efficace suppose que le dispositif mobile soit relié à un système d'assistance à la navigation comportant : - au moins un satellite de navigation, 20 - un réseau de télécommunication permettant d'échanger des données entre ledit dispositif mobile et un serveur de données d'assistance, - une station de base appartenant audit réseau de télécommunication et liant le dispositif mobile audit réseau, - un serveur de données d'assistance apte à mettre en oeuvre une méthode de 25 calcul de l'ondulation à une position donné, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de requête, par le dispositif mobile, d'assistance de navigation transmise au serveur de données, ladite requête transitant via ladite station de base, 30 - une étape de calcul par ledit serveur de données d'assistance de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base à partir de l'information de la position 2907556 10 de la station de base, le calcul de l'ondulation pouvant éventuellement s'effectuer via l'application d'une décomposition en série du géoïde (i.e GTM96), - une étape de transmission, par ledit serveur de données d'assistance, du résultat du calcul de la dite ondulation au dispositif mobile.

5 Cette ondulation est alors envoyée vers le dispositif mobile 23 qui, après calcul de son altitude dans un référentiel WGS84, en déduit par simple sous-traction de l'ondulation, son altitude par rapport au géoïde local (qui lui a été transmise par le serveur de données d'assistance). Dans un mode de réalisation, le serveur de données 20 calcule 10 l'ondulation par une approximation déduite d'un maillage de l'ondulation. Le serveur de données d'assistance possède une base de données renfermant la valeur de l'ondulation à la position de points formant une grille d'une partie du globe et la valeur de l'ondulation à la position de la station de base est déduite de la valeur de l'ondulation par interpolation. Ceci est représenté à la figure 5. la 15 position de la station de base 24 est XBTS . L'ondulation est supposée connue du serveur aux points g1, g2, g3, g4. La valeur de l'ondulation en ces points est notée : o1, o2, 03, 04. Le serveur en déduit alors la valeur de l'ondulation à la position de la station de base (OBTs) par la formule : d, =11(21 -2BTS)2 +(~i OBTS)2 d2 = 1I (112 - ÂBTS) 2 + (02 - `YBTS) 2 I / ,/ où Â, désigne la latitude des points de d 3 11 (23 - ÀBTS) 2 + (`V3 - Y~BTS) 2 d4 V (~4 BTS )2 + (~4 -`VBTS )2 20 grille i (i valant 1 à 4) et 0, désigne la longitude des points de grille i (i valant 1 à 4). BTS et OBTS désignant respectivement la latitude et la longitude de la station de base. ipl =1/d, p2 =-l/d2 p3 =1/d3 p4 =1/d4 l'ondulation à la position de la station de base est alors donnée par 2907556 4 E pi * oi j=1 4 1/Yi Selon une variante, le serveur envoie directement les valeurs des ondulations des points de grilles g1, g2, g3, g4 vers le dispositif 23 de sorte que le 5 dispositif 23 calcule lui même une interpolation de la valeur du géoïde à la position qu'il aura calculée. La valeur de ce mode de réalisation de l'invention réside alors dans le fait que le serveur n'envoie vers le dispositif 23 qu'un ensemble restreint de la grille de valeur du géoïde. L'ensemble des points de grille envoyée au dispositif 23 étant déterminé au moins par la position de la station de base 22, 10 mais aussi pouvant être déterminé par une métrique associée au lien de communication entre la station de base et le dispositif 23. Cette métrique peut en effet être déduite d'une valeur d'affaiblissement de signal sur le lien de communication donnant une indication de la distance entre la station de base et le mobile 23.

15 11 BTS 20

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'assistance, pour un dispositif mobile combinant un récepteur de radionavigation GPS ou RNSS à un émetteur-récepteur de télécommunication cellulaire, au calcul de son altitude par rapport à un géoïde local, ledit dispositif mobile étant relié à un système d'assistance à la navigation comportant : - au moins un satellite de navigation, - un réseau de télécommunication permettant d'échanger des données entre ledit dispositif mobile et un serveur de données d'assistance, - une station de base appartenant audit réseau de télécommunication et liant le dispositif mobile audit réseau, - un serveur de données d'assistance apte à mettre en oeuvre une méthode de calcul de l'ondulation à une position donné, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de requête, par le dispositif mobile, d'assistance de navigation transmise au serveur de données, ladite requête transitant via ladite station de base, - une étape de calcul par ledit serveur de données d'assistance de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base à partir de l'information de la position de la station de base, le calcul de l'ondulation pouvant éventuellement s'effectuer via l'application d'une décomposition en série du géoïde (i.e GTM96), - une étape de transmission, par ledit serveur de données d'assistance, du résultat du calcul de la dite ondulation au dispositif mobile.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le serveur de données d'assistance comprenant une base de données renfermant les valeurs d'ondulation aux positions formant une grille d'une partie du globe terrestre, la valeur de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base est calculée de la valeur de l'ondulation par interpolation des valeurs des ondulations des géoïdes aux positions encadrant ladite station de base.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, préalablement au calcul de la valeur de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base, les valeurs des ondulations des géoïdes aux positions 2907556 13 encadrant ladite station de base sont transmises par le serveur de données d'assistance au dispositif mobile pour que le calcul de la valeur de l'ondulation du géoïde à la position de ladite station de base soit réalisé par le dispositif mobile.