FR3038069B1 - Procede de detection d’un seisme et systeme mettant en oeuvre ce procede - Google Patents
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Abstract
Procédé de détection d'un séisme à partir de premières données générées par un premier récepteur GNSS (104) relié à une première antenne (105) disposée sur un bâtiment (101), lesdites premières données étant fonction d'un déplacement de ladite première antenne (105), ledit procédé comprenant en outre un traitement desdites premières données (208) pour identifier l'état de séisme.
Description
« Procédé de détection d'un séisme et système mettant en œuvre ce procédé »
Introduction L'invention se rapporte à un procédé de détection d'un séisme. L'invention se rapporte également à un système mettant en œuvre ce procédé.
Art antérieur L'invention appartient au domaine des sismographes mis en œuvre sur des bâtiments.
De la thèse F. Dunand, intitulée « Pertinence du bruit de fond sismique pour la caractérisation dynamique et l'aide au diagnostic sismique des structures de génie civil », Doctoral dissertation, Université Joseph-Fourier-Grenoble I, on connaît un procédé de détermination de séisme mettant en œuvre : - une captation d’un signal d’excitation par un premier capteur disposé au pied d'un immeuble, - une captation d’un signal de réponse par un deuxième capteur disposé au sommet de l'immeuble, - une détermination par la méthode des moindres carrés de la fonction de transfert d’un filtre ARMA expliquant le signal de réponse à partir du signal d’entrée.
Dans cette thèse, les premier et deuxième capteurs sont des capteurs vélocimétriques Lennartz 5 secondes 4 composantes (Le3D-5s). Le système d'acquisition est composé de sept stations Hathor. Chaque station est équipée d'un capteur GPS assurant la base de temps des enregistrements. L'acquisition est assurée à une fréquence de 100 Hz et le stockage s'effectue par fenêtres temporelles de deux minutes.
Les inconvénients du procédé de détermination de séisme selon l'art antérieur résident dans : - le volume du matériel à disposer sur le toit du bâtiment ; - une fréquence d'acquisition limitée à 100 Hz ; - un délai minimum d'obtention des mesures relativement important ; - la référence de temps du système actuel qui est unique, celle reçue par un signal de type GPS ; - une absence d'estimation de position de référence précise ; - la vulnérabilité aux bruits de mesures indésirables tels que des travaux dans le bâtiment, vents violents, déformations du bâtiment liées à sa structure et non à une secousse sismique.
Le procédé selon l'art antérieur repose uniquement sur trois capteurs vélocimétriques, ce qui n'assure que très peu de redondance à la détermination de mesures.
En outre, le stockage des données du procédé selon l'art antérieur ne peut être réalisé que sur des durées inférieures à 2 minutes.
Un but de l'invention est de proposer un procédé de détection de séisme présentant une sensibilité aux déplacements plus importante que la sensibilité du procédé selon l'art antérieur.
Un but de l’invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique.
Exposé de l'invention
On atteint au moins un but, selon un premier aspect de l'invention, avec un procédé de détection d'un séisme à partir de premières données générées par un premier récepteur GNSS relié à une première antenne disposée sur un bâtiment, lesdites premières données étant fonction d'un déplacement de ladite première antenne, ledit procédé comprenant en outre un traitement desdites premières données pour identifier l'état de séisme.
On entend par récepteur GNSS un récepteur appartenant à un système de positionnement par satellites. L'acronyme GNSS est utilisé pour l'anglais « Global Navigation Satellite System ».
Un récepteur GNSS présente un volume très inférieur à celui présenté par un capteur vélocimétrique selon l'art antérieur.
Selon l'invention, on utilise un récepteur GNSS présentant une fréquence de rafraîchissement des mesures de PVT de l'ordre de 10Hz. Il existe des récepteurs GNSS présentant une fréquence de rafraîchissement de ces mesures de l'ordre de 1 MHz. Typiquement, il est possible d'avoir, aujourd'hui, une position d'antenne estimée toutes les secondes en traitant le signal L1 C/A classique émanant de plusieurs satellites GPS. En multi-constellations et/ou multifréquences, la fréquence de rafraîchissement des mesures peut être accrue.
Un récepteur GNSS présente une latence, c'est-à-dire un délai minimum d'obtention des mesures, très inférieure à celle présentée par un capteur vélocimétrique selon l'art antérieur.
Selon l'invention, on utilise un récepteur GNSS présentant, à l'allumage, une latence d'obtention des premières mesures de l'ordre de 30 secondes. Il existe des récepteurs GNSS présentant une latence de restitution des mesures de l'ordre de 5 secondes.
La latence d'obtention des mesures de position dénommée TTFF (pour l'anglais « Time To First Fix ») intervient uniquement au démarrage/allumage du récepteur GNSS, et dépend du démarrage du récepteur : - lorsque le récepteur démarre « à froid », c'est à dire lorsque le récepteur n'a pas de connaissance a priori des almanachs et éphémérides des satellites, cette latence peut atteindre quelques dizaines de secondes, - lorsque le récepteur est encore « tiède », c'est à dire lorsque le récepteur a une connaissance des almanachs préalablement démodulés, la latence observée est de quelques secondes. Le démarrage « tiède » s'apparente à un redémarrage du récepteur qui a fonctionné une première fois et qui a pu enregistrer des données récentes d'almanach, typiquement moins de 5 minutes avant son redémarrage. Ce second cas se retrouve également lorsque l'antenne du récepteur a été masquée ponctuellement ou encore lorsqu'il y a eu une coupure d'alimentation pendant une brève durée.
Selon un mode de réalisation de l'invention, un récepteur GNSS présente des références de temps multi-constellations et/ou multifréquences. Chaque signal reçu par le récepteur GNSS porte une information de temps dans son message de navigation. Le récepteur GNSS a accès à une pluralité de référence de temps. Cela a pour avantages : - de disposer de plusieurs sources de temps qui peuvent être comparées afin de détecter une panne et/ou une anomalie. Dans les messages de navigation GPS, ce même temps est fourni sur plusieurs flux, c'est à dire à partir de plusieurs satellites et sur plusieurs fréquences et parfois sur plusieurs fréquences d'un même satellite. Par comparaison entre canaux, on peut identifier une anomalie sur l'un des canaux de traitement et exclure les mesures correspondantes. - en utilisant les références de temps de plusieurs constellations, on peut également améliorer la robustesse du système. Dans la constellation GALILEO, le temps est fourni dans les messages de navigation GALILEO et contient en outre un écart à une référence de temps GPS. En utilisant des satellites de constellations GPS et GALILEO, il est possible de détecter une anomalie et d'exclure les mesures correspondantes.
Un récepteur GNSS mis en œuvre par un procédé ou dans un système selon l'invention peut avantageusement permettre de recevoir une multiplicité de mesures. Cette multiplicité de mesures présente des mesures redondantes, du fait de la multiplicité de constellations, de satellites par constellation et de signaux par satellites. On assure ainsi une fiabilisation de la mesure.
Un récepteur GNSS mis en œuvre par un procédé ou dans un système selon l'invention peut avantageusement présenter un lecteur de carte SSD permettant le stockage d'une dizaine d'heures de données sur cette dernière.
Avantageusement, le procédé selon l'invention met en œuvre une deuxième antenne disposée sur le bâtiment à une altitude inférieure à celle de la première antenne, ladite deuxième antenne étant reliée à un deuxième récepteur GNSS, ledit procédé comprenant, pour au moins le premier récepteur GNSS : - une calibration du récepteur GNSS à partir de données générées par ledit récepteur GNSS pour déterminer une position de référence de pour la première antenne reliée audit récepteur GNSS.
Selon une particularité, le procédé selon l'invention comprend, pour le deuxième récepteur GNSS : - une calibration du récepteur GNSS à partir de données générées par ledit récepteur GNSS pour déterminer une position de référence pour la deuxième antenne reliée audit récepteur GNSS.
Avantageusement, le procédé comprend pour chaque récepteur GNSS : - une calibration du récepteur GNSS à partir de données générées par ledit récepteur GNSS pour déterminer une position de référence de l'antenne reliée audit récepteur GNSS.
Selon une particularité de l'invention, pour au moins le premier récepteur GNSS, la calibration comprend en outre une détermination d'une enveloppe de positions normales de la première antenne autour de la position de référence pour la première antenne reliée audit récepteur GNSS.
Avantageusement, pour chaque récepteur GNSS, la calibration comprend en outre une détermination d'une enveloppe de positions normales de la première antenne autour de la position de référence pour la première antenne reliée audit récepteur GNSS.
Dans un mode de réalisation particulier, la calibration comprend une première estimation de la position de l'antenne du bas, une première estimation de la position de l'antenne du haut, une comparaison de la position estimée de l'antenne du haut à la position estimée de l'antenne du bas et une détermination d'une enveloppe de positions normales autour de la position de référence de l'antenne du haut.
De préférence, la moyenne des positions successives de l'antenne du haut est calculée en continu, c'est à dire, par exemple, avec une périodicité de l'ordre de la seconde. La moyenne des positions successives est comparée à la position de référence de l'antenne du bas. Une nouvelle calibration est mise en œuvre lorsque la distance de ladite moyenne à la première estimation de la position de l'antenne haut est supérieure à une valeur prédéterminée. Typiquement, ladite valeur prédéterminée est de l'ordre de 50 centimètres.
De manière plus avantageuse, le procédé selon l'invention comprend, pour au moins le premier récepteur GNSS, une étape d'entraînement à partir de données générées par ledit récepteur GNSS pour affiner l'enveloppe de positions normales et déterminer une enveloppe de comportement normal. L'enveloppe de comportement normal est disposée autour de la position de référence déterminée pendant la calibration. L'enveloppe de comportement normale comprend la position de référence. Cette enveloppe traduit dans l'espace des bruits de mesure sous forme de petits mouvements.
Avantageusement, le procédé selon l'invention comprend pour chaque récepteur GNSS, une étape d'entraînement à partir de données générées par ledit récepteur GNSS pour affiner l'enveloppe de positions normales et déterminer une enveloppe de comportement normal. L'étape d'entraînement peut présenter une durée réglable par un utilisateur. Plus la durée d'entraînement est longue, plus l'enveloppe de comportement normale est affinée par rapport à l'enveloppe de positions normales. L'étape d'entraînement peut être mise en œuvre à chaque déplacement par rapport au bâtiment de l'antenne d'altitude supérieure. Ce peut être par exemple le cas lorsqu'un utilisateur a déplacé cette antenne ou encore lorsque des travaux ont eu lieu dans le bâtiment depuis la dernière mise en œuvre de l'étape d'entraînement.
De préférence, l'étape d'entraînement est mise en œuvre à chaque mouvement de la première antenne par rapport au bâtiment, lorsque le mouvement est induit par des évènements externes non pris en compte lors de la calibration ou lors d'un précédent entraînement. Cette étape peut être réalisée sur décision d'un expert ou par exemple lors d'un audit du bâtiment. Par exemple, lorsque des travaux générant des vibrations supplémentaires sont prévus dans le bâtiment, en particulier non loin de l'antenne, un entraînement est nécessaire. Lorsque lesdits travaux sont achevés, un nouvel entraînement peut être nécessaire dans la mesure où la vibration supplémentaire n'existe plus.
De préférence, l'étape d'entraînement est mise en œuvre à chaque fois qu'un bruit indésirable supplémentaire peut perturber la détection sismique.
Le procédé proposé peut avantageusement être capable de détecter un séisme, par exemple pendant des travaux ou tout autre évènement qui apporterait un bruit supplémentaire nécessitant une nouvelle détermination de l'enveloppe. Les travaux étant identifiés et prévus, un expert peut décider de relancer une étape d'entraînement pendant ces travaux afin de déterminer une nouvelle enveloppe de comportement normal. Le système de détection est alors à nouveau prêt pour détecter un séisme dans des conditions dégradées.
Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre une génération de données de position, de vitesse, d'accélération, de jerk et temporelles relatives à la première antenne.
Le traitement de données pour identifier l'état de séisme peut comprendre un filtrage des données de vitesse, d'accélération, de jerk par un filtre de Kalman discret pour déterminer un vecteur ayant comme composantes position, vitesse, accélération ; la matrice de transition et le vecteur de transition Γ de l'équation d'état du filtre de Kalman discret étant déterminés par :
où a est le coefficient d'atténuation de la fonction d'autocorrélation de l'accélération qui est supposée de forme exponentielle décroissante, et T est la période d'échantillonnage.
Les données de position, de vitesse, d'accélération, de jerk et temporelles peuvent provenir d'un module de positionnement précis de point (dit module PPP) du premier récepteur GNSS. Ainsi, les données présentent une haute sensibilité à un déplacement de la première antenne.
Alternativement ou en combinaison avec ce qui précède, le procédé peut comprendre une étape de mesures de phase et de Doppler relatives à la première antenne.
Le traitement de données pour identifier l'état de séisme peut comprendre un filtrage des mesures de phase et de Doppler par un filtre de Kalman discret pour déterminer un vecteur ayant comme composantes phase, Doppler ; la matrice de transition et le vecteur de transition Γ de l'équation d'état du filtre de Kalman discret étant déterminés par : où
ο
où β est le coefficient d'atténuation du modèle oscillateur amorti, ω est la pulsation fondamentale dudit modèle et T est la période d'échantillonnage.
Lorsque le procédé comprend une combinaison d'une génération de données de position, de vitesse, d'accélération, de jerk et temporelles d'une part et d'une étape de mesure de phase et de Doppler d'autre part, la fiabilité de la détection de séisme est accrue car elle repose sur plusieurs types de mesures.
On peut alors avantageusement utiliser deux filtres de Kalman conjoints pour déterminer les valeurs du vecteur de position, vitesse, accélération d'une part, et les valeurs du vecteur de phase, Doppler.
Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un système pour détecter un séisme comprenant : - une première antenne disposée sur un bâtiment ; - un premier récepteur GNSS relié à ladite première antenne, ce premier récepteur étant configuré pour générer de premières données, lesdites premières données étant fonction d'un déplacement de ladite première antenne ; - une unité de traitement configurée pour identifier l'état de séisme à partir desdites premières données.
Avantageusement, le système selon l'invention comprend une deuxième antenne disposée sur le bâtiment à une altitude inférieure à la première antenne, ladite deuxième antenne étant reliée à un deuxième récepteur GNSS, ledit système comprenant, pour au moins le premier récepteur GNSS : - une unité pour calibrer le récepteur GNSS à partir de données générées par ledit récepteur GNSS et pour déterminer une position de référence pour la première antenne reliée audit récepteur GNSS.
De préférence, pour au moins le premier récepteur GNSS, l'unité est en outre configurée pour : - déterminer une enveloppe de positions normales de la première antenne autour de la position de référence pour la première antenne reliée audit récepteur GNSS.
Selon un autre aspect de l'invention, le système selon l'invention peut être utilisé pour déterminer la dérive d'un bâtiment.
Selon un autre aspect de l'invention, le système selon l'invention peut être interfacé avec un système d'alerte pour des résidents du bâtiment, ledit système d'alerte étant directement relié au système selon l'invention selon l'invention ou interfacé avec le système selon l'invention par réseau local ou internet.
Selon encore un autre aspect de l'invention, le système selon l'invention peut fournir d'autres résultats non attendus comme : - des données d'entrées pour des besoins scientifiques ; - une détection de phénomènes de propagation des signaux GNSS comme, par exemple, les scintillations ionosphériques ponctuelles dont les mesures pourront être collectées ; - une collecte de mesures GNSS en permanence, permettant d'améliorer le niveau des services GNSS.
En effet, la collecte de mesures faite à partir d'un récepteur statique - ou pseudo-statique, c'est-à-dire soumis à des bruits nominaux - et utilisant un algorithme de type PPP permet de collecter des mesures de positionnement précis sur de longues périodes et de moyenner la position estimée de l'antenne du récepteur de manière très fine. L'enveloppe d'erreur fournie en condition nominale permet d'estimer la performance de l'algorithme PPP en termes de précisions horizontale et verticale. Cela permet de collecter des mesures de position qui autorisent l'étude de l'amélioration des algorithmes de positionnements à l'avenir. De plus, toutes les mesures intermédiaires telles que C/NO, Doppler, mesures de phase, de code, fournies par le récepteur GNSS disposé en haut du bâtiment permettent d'estimer la qualité de services de positionnement comme ceux, OS, CE, etc., de la constellation les services Galileo. En effet, toutes les configurations géométriques satellites-récepteur sont testées sur plusieurs jours de durée, depuis un point pseudo-statique que matérialise la position de l'antenne.
Selon encore un autre aspect de l'invention, le système selon l'invention est installé sur plusieurs bâtiments situés à différentes positions géographiques et le système selon l'invention est configuré pour déterminer la position de l'épicentre de séismes.
Description des figures D’autres particularités et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un récepteur GNSS mis en œuvre dans le système selon l'invention ; - la figure 3 est une représentation schématique sous la forme d'un diagramme d'un procédé selon l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique sous la forme d'un diagramme d'un procédé de décision de la présence d'un séisme à partir de l'estimée d'une mesure relevée par un récepteur GNSS mis en œuvre dans le système selon l'invention.
Description de l'invention
Ces modes de réalisation n'étant nullement limitatifs, on pourra notamment réaliser des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite, telles que décrites ou généralisées, isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique.
Un élément apparaissant sur plusieurs figures conserve la même référence sur lesdites figures.
Selon l'invention, la figure 1 illustre un système 100 comprenant : - un premier récepteur GNSS 104 relié à une première antenne 105 qui est disposée au niveau du toit d'un bâtiment 101 ; - un deuxième récepteur GNSS 102 relié à une deuxième antenne 103 qui est disposée au niveau du rez-de-chaussée du bâtiment 101.
La figure 2 est une représentation schématique du récepteur 104.
Le récepteur 104 est de type multi-constellation, c'est-à-dire qu'il est capable de recevoir et de traiter des données provenant de satellites ou de balises terrestres, appartenant à des constellations différentes. Les constellations les plus connues sont le GPS, constellation développée par les Etats-Unis, GLONASS développée par l'URSS, GALILEO développée par l'Union européenne, BEIDOU-2 développée par la Chine, QZSS développée par le Japon, IRNSS développée par l'inde.
Le récepteur 104 est aussi avantageusement de type multifréquences, c'est-à-dire qu'il peut traiter des signaux de plusieurs fréquences GNSS entre 1 et 2 GHz.
Le signal reçu par l'antenne 105 est traité dans un sous-système HF 1042 du récepteur 104. Le récepteur 104 présente un sous-système HF par ensemble de fréquences. Des satellites de plusieurs constellations différentes peuvent émettre sur les mêmes fréquences. La différentiation entre deux satellites peut se faire par CDMA (pour l'anglais « Code Division Multiple Access »), ou par FDMA (pour l'anglais « Frequency Division Multiple Access »). Le choix du nombre de sous-systèmes HF peut être limité en fonction du coût du système.
Le sous-système HF 1042 comprend un préamplificateur, un mixeur et un filtre (non représentés).
Les données traitées par le sous-système HF 1042 sont ensuite passées à un module de conversion analogique-numérique 1044 du récepteur 104. Dans le mode de réalisation représenté, il y a autant de convertisseurs analogiques numériques que de sous-systèmes HF.
Une fois converties par le module 1044 de conversion analogique-numérique, les données numériques alimentent un module de traitement de signal 1046 de navigation du récepteur 104.
Les modules de sous-système HF 1042, de conversion analogique-numérique 1044 et de traitement de signal de navigation 1046, sont synchronisés par un module 1048 du récepteur 104 qui comprend des oscillateurs de référence.
Le récepteur GNSS 104 est de type multicanal. Un canal est un traitement d'un signal reçu d'un satellite. Il peut y avoir plusieurs satellites et plusieurs signaux envoyés par chacun de ces satellites. Le module de traitement de signal de navigation 1046 comprend une chaîne de traitement par canal de réception du récepteur 104.
Chaque chaîne de réception comprend : - un module d'acquisition numérique du signal 10462 ; - une boucle de poursuite de fréquence 10464 ; - une boucle de poursuite de phase 10466 ; - une boucle de poursuite de code 10468 ; - un module de démodulation 104610.
Le module d'acquisition numérique du signal 10462 reçoit le flux numérique du module de conversion analogique-numérique 1044 relatif au canal de la chaîne de traitement.
La boucle de poursuite de fréquence 10464 (FLL, pour l'anglais « Frequency Lock Loops ») reçoit des données générées par le module d'acquisition numérique du signal 10462. Sa fonction est de suivre la fréquence d'un signal GNSS. La boucle de poursuite de fréquence 10464 fournit des corrections de fréquence dans une boucle continue et génère un signal d'erreur de fréquence.
La boucle de poursuite de phase 10466 (PLL, pour l'anglais « Phase Lock Loop ») reçoit des données générées par la boucle de poursuite de fréquence 10464. Sa fonction est de suivre la phase du signal GNSS entrant. La boucle de poursuite de phase 10466 fournit une correction de la phase dans une boucle continue et génère un signal d’erreur de phase.
La boucle de poursuite de code 10468 (DLL, pour l'anglais « Delay Lock Loop ») reçoit des données générées par la boucle de poursuite de phase 10466. Sa fonction est de suivre le retard de code du signal GNSS entrant. La boucle de poursuite de code 10468 fournit une correction du retard observé en cours.
Le module de démodulation 104610 reçoit des données générées par la boucle de poursuite de code 10468. L'objectif de la boucle de poursuite de code 10468 est de synchroniser un code primaire (dénommé code PRN pour Pseudo-Random Noise) du signal entrant (identifié lors du processus d'acquisition sur le canal correspondant pour un signal d'un satellite particulier) avec une réplique locale de ce code connu. Cette boucle de poursuite génère un code local de manière périodique et le synchronise avec le code PRN du signal entrant. Pour cela, cette boucle estime l'erreur de synchronisation entre la réplique locale et le code entrant en utilisant un discriminateur. Cette erreur est ensuite filtrée et utilisée pour contrôler un oscillateur numérique qui commande le registre à décalage qui génère la réplique locale du code.
Le module de traitement de signal de navigation 1046 génère ainsi, pour chaque canal, des données et mesures issues des boucles de poursuite de fréquence 10464, de poursuite de phase 10466 et de poursuite de code 10468. Ces données et mesures sont mises à disposition d'un module 1050 de gestion de satellites, canaux et de position.
Le module 1050 de gestion de satellites, canaux et de position peut générer des données à destination d'un module 1052, aussi parfois appelé module PVT (pour Position Vitesse Temps), de solution de navigation et recevoir du module 1052 de solution de navigation un statut par canal ainsi qu'une position. Le statut d'un canal indique l'étape de traitement numérique du signal en cours qui peut être un processus d'acquisition, de poursuite, de phase de démodulation, etc. Le statut indique en outre des paramètres de réglage de chaque module, par exemple le signal traité par canal, le temps d'intégration, des ordres de filtres, etc.
Le module 1052 de solution de navigation comprend un module 10522, connu sous le nom de PPP (pour l'anglais « Précisé Point Positioning »). Le module PPP est capable de fournir des positions avec une précision de l'ordre du centimètre.
La figure 3 représente un mode de réalisation d'un procédé 200 de détection d'un séisme mettant en œuvre un mode de réalisation d'un système 100 selon l'invention, tel qu'il vient d'être décrit, ou à l'un de ses perfectionnements.
Le procédé 200 comprend une étape d'installation 202 du premier récepteur GNSS 104 et de la première antenne 105 au niveau d'une partie haute du bâtiment 101 et une étape d'installation du deuxième récepteur GNSS 102 et de la deuxième antenne 103 au niveau d'une partie basse du bâtiment 101. Ainsi, les deux antennes 103 et 105 sont disposées à des altitudes différentes sur le bâtiment 101.
Les antennes 103 et 105 sont disposées de préférence l'une à l'aplomb de l'autre. La condition selon laquelle l'antenne du haut 105 est à l'aplomb de l'antenne du bas 103 peut par exemple être satisfaite par un petit poteau portant l'antenne du haut au-dessus de l'antenne du bas.
Après l'étape d'installation 202, le procédé 200 se poursuit par une étape de calibration 204. L'étape de calibration 204 comprend une étape de mesures 2042 de données générées par les récepteurs 102 et 104. On relève par exemple une série de mesures 15H, 16H, 17H et 18H issues de réceptions de l'antenne 105. Les données générées par les récepteurs 102 et 104 qui sont utilisées pour la calibration de chacune des antennes sont des données de positions. L'étape de mesures 2042 se poursuit par une étape 2044 qui détermine, pour l'antenne 105, une enveloppe EcH de positions normales de l'antenne 105.
Ainsi, chacun des récepteurs GNSS 102 et 104 est calibré à partir de données générées par ces récepteurs 102 et 104 pour déterminer une position de référence de chaque antenne.
La position de référence de chacune des antennes est déterminée à partir d'échantillons de positions successives qui sont alors moyennés.
La position de référence de l'antenne du haut 105 est comparée à la position de référence de l'antenne du bas 103. La position de référence relative REFPOS de l'antenne du haut 105 par rapport à la position de référence de l'antenne du bas 103, c'est-à-dire la position de référence de l'antenne du haut 105 dans le référentiel de l'antenne du bas, est mémorisée.
La détermination d'une enveloppe d'erreur de l'antenne du bas n'est pas nécessaire. Ainsi, la calibration pour l'antenne du bas consiste uniquement à déterminer sa position de référence.
Après que la position de référence de chacune des antennes a été déterminée, la détermination de l'enveloppe d'erreur autour de cette position de référence pour l'antenne du haut débute. Une première enveloppe d'erreur autour de cette position de référence est déterminée.
Une comparaison entre les positions de l'antenne du haut et la position de référence de l'antenne du bas permet d'identifier notamment les dérives liées à la déformation du bâtiment engendrant un déplacement du centre de l'enveloppe d'erreur. Suivant les matériaux constituant le bâtiment, on peut observer par exemple des affaissements. Si ce déplacement est plus grand que le rayon d'enveloppe, cela peut affecter la qualité de détection des séismes.
Cette enveloppe d'erreur pourra être affinée lors d'une étape d'entraînement.
La moyenne des positions successives de l'antenne du haut 105 est déterminée sur une fenêtre glissante dont la taille, c'est-à-dire le nombre d'échantillons, est réglable par l'utilisateur, à partir des mesures de positions fournies par le récepteur 104. La position de l'antenne du haut 105 est comparée en permanence à la position de référence de l'antenne du bas 103 afin de déterminer son déplacement exact par rapport à l'antenne du bas, qui constitue une référence fixe.
Un déplacement de la position de référence de l'antenne du haut 105 peut-être détecté de deux manières : - soit le déplacement est volontaire, auquel cas, il est déclaré; - soit le déplacement est involontaire, et peut être détecté en comparant une moyenne de positions successives de l'antenne du haut 105 à la position de référence de l'antenne 103. Cette comparaison est faite en permanence et automatiquement.
La moyenne des positions successives de l'antenne du haut est calculée en permanence, et est comparée à la position de référence de l'antenne du bas. Si un décalage apparaît par rapport à la position de référence relative R.EFPOS, il est procédé à une nouvelle calibration.
La durée de cette étape de calibration est réglable par l'utilisateur et peut dépendre de contraintes spécifiques à l'environnement.
Après l'étape de calibration 204, le procédé 200 se poursuit par une étape d'entraînement 206. L'étape d'entraînement 206 comprend une étape de mesures 2062 de données générées par les récepteurs 102 et 104. On relève par exemple une mesure 20H issues de réceptions de l'antenne 105. L'étape de mesures 2062 se poursuit par une étape 2064 qui détermine, pour l'antenne 105, une enveloppe de comportement normal EnH de l'antenne 105. L'enveloppe de comportement normal EnH correspond à un affinage de l'enveloppe EcH de positions normales.
Ainsi, chacun des récepteurs GNSS 102 et 104 est entraîné à partir de données générées par chacun des récepteurs 102 et 104. L'étape d'entraînement 206 est mise en œuvre à chaque mouvement de l'antenne d'altitude supérieure 105 par rapport au bâtiment 101. Cette étape peut par exemple s'avérer nécessaire chaque fois qu'un évènement affectant l'estimation de la position d'antenne se produit, alors qu'il ne s'est pas produit pendant la phase de calibration. Des exemples non exhaustifs de tels évènements sont : - des vents violents autour de l'antenne 105 par un utilisateur ; - des travaux dans le bâtiment 101 générant des vibrations supplémentaires.
Lorsqu'il y a une réinstallation de l'antenne 105, il faut recommencer l'étape de calibration. Lorsque des travaux dans le bâtiment 101 nécessitent de déplacer l'antenne 105, il faut également recommencer l'étape de calibration.
La durée de l'étape d'entraînement est réglable par un utilisateur.
Une plus longue durée de l'étape d'entraînement permet d'améliorer la détection d'un séisme lors de l'étape de détection.
La mise en œuvre de deux récepteurs GNSS permet de corriger une position de référence de l'enveloppe de comportement normal de l'antenne située en haut du bâtiment. En effet, la position de l'antenne située en haut du bâtiment peut se déplacer par rapport à l'antenne située en bas et dériver au cours du temps.
On entend par « corriger », une actualisation de la position de référence de l'enveloppe de comportement normal au moyen d'un décalage horizontal et/ou vertical.
La calibration se fait à chaque fois qu'on déplace une antenne volontairement, par exemple pour nettoyage, travaux ou qu'un déplacement involontaire a été identifié, par exemple dérive lente du bâtiment, accident, etc. La mise en œuvre de deux récepteurs GNSS permet, par comparaison de la position de référence de l'antenne 103 (obtenue par moyennage des positions estimées par le récepteur 102 sur la dernière période de calibration), avec la position de référence de l'antenne 105 (obtenue par moyennage des différentes positions estimées par le récepteur 104), d'identifier des dérives de position de l'antenne 105 par rapport à l'antenne 103, liées aux matériaux du bâtiment 101, telles que par exemple, des dérives liées à des déformations du bâtiment au cours du temps.
Les données peuvent être des données de mesures de position, de vitesse, d'accélération, de jerk et de temps du récepteur GNSS 102 ou 104.
Les données peuvent être générées à partir de mesures de phase et de Doppler du récepteur GNSS 102 ou 104.
Postérieurement à l'étape de calibration 204 et à l'étape d'entraînement 206, une étape de surveillance 208 peut être mise en œuvre. L'étape de surveillance 208 met en œuvre une étape 2082 de filtrage de Kalman discret dont les équations d'état et d'observation sont respectivement fournies ci-dessous.
Dans une réalisation, on considère que les mesures de position, de vitesse, d'accélération, de jerk, ainsi que de phase et de Doppler du récepteur GNSS haut 104 sont disponibles.
Lors d'un relevé 2084 d'une nouvelle mesure 30H provenant de l'antenne haute 105, cette mesure est filtrée par les filtres de Kalman pour obtenir une estimée 2086 de la mesure relevée. Les deux filtres de Kalman utilisés sont maintenant décrits.
Modèle de Kalman des mesures de position, vitesse, accélération et jerk.
Dans ce cas, on suppose que l'accélération est corrélée dans le temps. La fonction d'auto corrélation de l'accélération est alors de forme exponentielle décroissante :
2 où x représente la variance de l'accélération, a est le coefficient d'atténuation de la fonction d'autocorrélation de l'accélération. L'équation différentielle du troisième ordre ou modèle de Singer qui régit le paramètre de trajectoire x, est la suivante :
où e(t) est un bruit blanc dynamique de moyenne nulle et de variance
Cette équation différentielle peut se mettre sous la forme d'un système d'état continu :
En notant les matrices :
On peut encore écrire :
Ce système d'état continu se met sous la forme d'un système d'état discret dont les équations sont données par les expressions ci-dessous :
2 où vk est un bruit blanc de mesure nulle et de variance " .
La matrice de transition φ et le vecteur de transition Γ de l'équation d'état du filtre de Kalman discret sont déterminés par :
On pourrait facilement établir un modèle de Kalman prenant en outre en compte, toutes dérivées d'ordre supérieur à celui du jerk de la position pour affiner le modèle.
Modèle de Kalman des mesures phase et Doppler.
On suppose en outre que l'équation différentielle du deuxième ordre ou modèle oscillateur amorti qui régit le paramètre de grandeur physique x, lorsque x est la phase est la suivante :
• e(t) est un bruit blanc dynamique de moyenne nulle et de variance
• ωθ est la pulsation (dans le cas multicanal : il s'agit d'une matrice) ; • est le coefficient d'atténuation (dans le cas multicanal : il s'agit d'une matrice).
La pulsation fondamentale du système a pour expression :
Cette équation différentielle peut se mettre sous la forme d'un système d'état continu :
En notant les matrices :
on peut encore écrire sous forme matricielle :
2 où u et un bruit blanc de mesure de moyenne nulle et de variance0" .
Le vecteur d'observation H est donné pour un canal. Pour un cas multicanal, le modèle est matriciel et dépend du nombre de canaux traités. Ce système d'état continu se met sous la forme d'un système d'état discret dont les équations sont données par les expressions ci-dessous :
La matrice de transition φ et le vecteur de transition Γ de l'équation d'état du filtre de Kalman discret étant déterminés par :
où
où T est la période d'échantillonnage.
On peut établir un modèle de Kalman prenant en outre en compte toute dérivée d'ordre supérieur à celui du Doppler de la phase pour affiner le modèle. Le Doppler est considérée dans cette demande comme la dérivée temporelle de la phase.
Une fois l'estimée obtenue, une étape de classification 2088 de l'estimée obtenue de la mesure relevée est mise en œuvre. Cette étape de classification 2088 permet de conclure à la présence ou à l'absence d'un séisme.
Il est maintenant décrit, en référence à la figure 4, l'étape de classification de l'estimée de la mesure relevée.
Ainsi, l'estimée 2086 comprend des données de position, de vitesse, d'accélération, de jerk, ainsi que de phase et de Doppler. L'étape de classification 2088 débute par une étape Cl de comparaison des mesures de phases à un seuil prédéterminé.
Le critère de détection de l'étape Cl peut être basé sur la surveillance du vecteur innovation du filtre de Kalman estimant les mesures de phase et Doppler pour tous les canaux. Dans le mode de réalisation considéré, on prend en compte au moins deux canaux pour déterminer le dépassement ou non du seuil. La détection pourrait se faire sur un seul canal, mais elle ne serait pas aussi robuste que sur au moins deux, de préférence tous les, canaux dont les comportements sont corrélés.
Lorsqu'une mesure de la phase dépasse le seuil prédéterminé, on considère à une étape C2 qu'un seuil a été dépassé et on évalue lors d'une étape C4 si la mesure de position estimée est dans l'enveloppe de comportement normal haute EnB.
Que la mesure de position estimée soit en dehors de l'enveloppe, comme dans le cas C8, ou dans cette enveloppe, comme dans le cas C9, on détecte, respectivement en C16 et C18 un séisme.
Lorsqu'une mesure ne dépasse pas le seuil prédéterminé, on considère à une étape C3 qu'un seuil n'a pas été dépassé sur l'un des canaux et on évalue lors d'une étape C6 si la mesure de position estimée est dans l'enveloppe de comportement normal haute EnB.
Lorsque la mesure est dans l'enveloppe haute EnB, comme dans le cas C12, on considère qu'il n'y a pas de séisme au cas C24.
Lorsque la mesure n'est pas dans l'enveloppe haute EnB, comme dans le cas C14, ou dans cette enveloppe, comme dans le cas 14, on détecte, en C16 et C28 un séisme.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.
Nomenclature 100 système 101 bâtiment 102 récepteur GNSS bas 103 antenne basse 104 récepteur GNSS haut 105 antenne haute
1042 sous-système HF 1044 module de conversion analogique-numérique 1046 module de traitement de signal de navigation 10462 module d'acquisition numérique du signal 10464 boucle de poursuite de fréquence 10466 boucle de poursuite de phase 10468 boucle de poursuite de code 104610 module de démodulation 1048 module d'oscillateurs de référence 1050 module de gestion de satellites, canaux et de position
1052 module de solution de navigation, module PVT
10522 module PPP 200 procédé 202 étape d'installation 204 étape de calibration 2042 sous-étape de mesure 15H, 16H, 17H, 18H mesures de calibration pour l'antenne haute 105 EcB, EcH enveloppe de positions normales haute et basse 206 étape d'entraînement 2062 sous-étape de mesure 20H mesure d'entraînement pour l'antenne haute 105
EnB, EnH enveloppe de comportement normal haute et basse 208 étape de surveillance 30H mesure de veille 2082 étape de filtrage de Kalman 2084 relevé de mesure 2086 estimée de la mesure 2088 classification de la mesure
Cl comparaison de phase et Doppler à des seuils
Claims (13)
- Revendications1. Procédé de détection d'un séisme à partir de premières données générées par un premier récepteur GNSS (104) relié à une première antenne (105) disposée sur un bâtiment (101), lesdites premières données étant fonction d'un déplacement de ladite première antenne (105), ledit procédé comprenant en outre un traitement desdites premières données (208) pour identifier l'état de séisme et une étape de mesures de phase et de Doppler relatives à la première antenne, le traitement de données pour identifier l'état de séisme comprenant un filtrage des mesures de phase et de Doppler par un filtre de Kalman discret pour déterminer un vecteur ayant comme composante phase, Doppler ; la matrice de transition φ et le vecteur de transition Γ de l'équation d'état du filtre de Kalman discret étant déterminés par :oùoù P est le coefficient d'atténuation du modèle oscillateur amorti, ω est la pulsation fondamentale dudit modèle et T est la période d'échantillonnage.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il met en œuvre une deuxième antenne (103) disposée sur le bâtiment (101) à une altitude inférieure à la première antenne (105), ladite deuxième antenne (103) étant reliée à un deuxième récepteur GNSS (102), ledit procédé comprenant, pour au moins le premier récepteur GNSS (104) :- une calibration (204) du récepteur GNSS à partir de données générées par ledit récepteur GNSS pour déterminer une position de référence pour la première antenne (105) reliée audit récepteur GNSS.
- 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour au moins le premier récepteur GNSS (104), la calibration (204) comprend en outre : - une détermination d'une enveloppe (Ecl, Ec2) de positions normales de la première antenne (105) autour de la position de référence pour la première antenne reliée audit récepteur GNSS.
- 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend pour le deuxième récepteur GNSS (102) : - une calibration du récepteur GNSS à partir de données générées par ledit récepteur GNSS pour déterminer une position de référence pour la deuxième antenne (102) reliée audit récepteur GNSS.
- 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend pour au moins le premier récepteur GNSS : une étape d'entraînement à partir de données générées par le récepteur GNSS pour affiner l'enveloppe de positions normales (EcB, EcH) et déterminer une enveloppe de comportement normal (EnB, EnH).
- 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape d'entraînement (206) présente une durée réglable.
- 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'étape d'entraînement (206) est mise en œuvre à chaque déplacement par rapport au bâtiment (101) de l'antenne d'altitude supérieure (105).
- 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une génération de données de position, de vitesse, d'accélération, de jerk et temporelles relatives à la première antenne.
- 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le traitement de données pour identifier l'état de séisme comprend un filtrage des données de vitesse, d'accélération, de jerk par un filtre de Kalman discret pour déterminer un vecteur ayant comme composantes position, vitesse, accélération ; la matrice de transition φ et le vecteur de transition Γ de l'équation d'état du filtre de Kalman discret étant déterminés par :où a est le coefficient d'atténuation de la fonction d'autocorrélation de l'accélération qui est supposée de forme exponentielle décroissante, et T est la période d'échantillonnage.
- 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les données de position, de vitesse, d'accélération, de jerk et temporelles proviennent d'un module de positionnement précis de point (1052) du premier récepteur GNSS (104).
- 11.Système pour détecter un séisme, comprenant : - une première antenne (105) disposée sur un bâtiment (101) ; - un premier récepteur GNSS (104) relié à ladite première antenne et configuré pour générer de premières données, lesdites premières données étant fonction d'un déplacement de ladite première antenne (105) ; - une unité de traitement configurée pour identifier l'état de séisme à partir desdites premières données et la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 12.Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième antenne (103) disposée sur le bâtiment (101) à une altitude inférieure à la première antenne (105), ladite deuxième antenne (103)étant reliée à un deuxième récepteur GNSS (102), ledit système comprenant, pour au moins le premier récepteur GNSS (104) : - une unité pour calibrer le récepteur GNSS à partir de données générées par ledit récepteur GNSS et pour déterminer une position de référence pour la première antenne (105) reliée audit récepteur GNSS.
- 13.Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que, pour au moins le premier récepteur GNSS (104), l'unité est en outre configurée pour : - déterminer une enveloppe (Ecl, Ec2) de positions normales de la première antenne (105) autour de la position de référence pour la première antenne reliée audit récepteur GNSS.
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