FR3058229A1

FR3058229A1 - Estimation, independante d'une mesure magnetique, de la vitesse et du cap d'un aeronef

Info

Publication number: FR3058229A1
Application number: FR1601555A
Authority: FR
Inventors: Jean Paul Petillon; Julien FLORENS
Original assignee: Airbus Helicopters SAS
Current assignee: Airbus Helicopters SAS
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: US20180120111A1; US10871374B2; FR3058229B1

Abstract

La présente invention concerne un dispositif (1) d'estimation d'une vitesse par rapport au sol et d'un cap d'un aéronef n'exploitant ni la rotation terrestre, ni le champ magnétique terrestre. Le dispositif (1) comporte notamment un premier estimateur (13) linéaire réalisant l'hybridation entre une mesure de vitesse par rapport au sol dudit aéronef fournie par un récepteur GNSS (11) et des mesures de l'accélération et des attitudes dudit aéronef issues d'un dispositif AHRS (12) sans gyrocompas et sans magnétomètre. Ce premier estimateur (13) est linéaire grâce au remplacement de l'unique état « estimation de l'erreur de cap ΔΨ » des réalisations de l'art antérieur par deux états, à savoir les estimations des sinus et cosinus de ladite erreur de cap.

Description

©) N° d’enregistrement national : 16 01555 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE

INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE

COURBEVOIE © IntCI⁸ : G 01 S 19/52 (2017.01), G 01 C 21/20

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1

©) Date de dépôt : 27.10.16. (© Priorité :	© Demandeur(s) : AIRBUS HELICOPTERS—RR.
©) Date de mise à la disposition du public de la demande : 04.05.18 Bulletin 18/18.	@ Inventeur(s) : PETILLON JEAN PAUL et FLORENS JULIEN.
©) Liste des documents cités dans le rapport de recherche préliminaire : Se reporter à la fin du présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux apparentés :	® Titulaire(s) : AIRBUS HELICOPTERS.
©) Demande(s) d’extension :	(© Mandataire(s) : GPI & ASSOCIES.

(04/ ESTIMATION, INDEPENDANTE D'UNE MESURE MAGNETIQUE, DE LA VITESSE ET DU CAP D'UN AERONEF.

FR 3 058 229 - A1 _ La présente invention concerne un dispositif (1) d'estimation d'une vitesse par rapport au sol et d'un cap d'un aéronef n'exploitant ni la rotation terrestre, ni le champ magnétique terrestre. Le dispositif (1) comporte notamment un premier estimateur (13) linéaire réalisant l'hybridation entre une mesure de vitesse par rapport au sol dudit aéronef fournie par un récepteur GNSS (11 ) et des mesures de l'accélération et des attitudes dudit aéronef issues d'un dispositif AHRS (12) sans gyrocompas et sans magnétomètre. Ce premier estimateur (13) est linéaire grâce au remplacement de l'unique état « estimation de l'erreur de cap ΔΨ » des réalisations de l'art antérieur par deux états, à savoir les estimations des sinus et cosinus de ladite erreur de cap.

Estimation, indépendante d’une mesure magnétique, de la vitesse et du cap d’un aéronef.

La présente invention est du domaine des systèmes d’aide au pilotage pour aéronef. La présente invention est en particulier du domaine des senseurs de pilotage pour aéronef délivrant des informations de vitesse par rapport au sol et de cap d’un aéronef dans un repère lié à l’aéronef pour une aide au pilotage de l’aéronef.

La présente invention concerne un dispositif d’estimation de la vitesse par rapport au sol et du cap d’un aéronef ainsi qu’un procédé d’estimation de cette vitesse et de ce cap de l’aéronef. Ce dispositif et ce procédé sont indépendants d’une mesure magnétique du cap.

Une estimation intègre de la vitesse par rapport au sol d’un aéronef est nécessaire pour certains modes d’un pilote automatique. Par souci de simplification, on utilisera dans la suite l’expression « vitesses sol » pour désigner une vitesse par rapport au sol d’un aéronef.

Un aéronef était historiquement équipé d’un radar à effet Doppler fournissant une mesure de la vitesse sol de l’aéronef. Aujourd’hui, le radar à effet Doppler tend à disparaître au profit d’un récepteur de navigation par satellites qui est plus précis, mais surtout moins volumineux et moins coûteux. Ce récepteur embarqué reçoit des signaux de plusieurs satellites appartenant à une ou plusieurs constellations de satellites et forme avec ces constellations de satellites un système de navigation par satellites désigné par l’acronyme GNSS signifiant en langue anglaise « Global Navigation Satellite System ». Plusieurs constellations sont actuellement opérationnelles, dont le système GPS des ÉtatsUnis d’Amérique.

Un récepteur GNSS embarqué dans un aéronef peut notamment fournir une mesure de la vitesse sol de l’aéronef dans un repère géographique ainsi que la position de l’aéronef. Un repère géographique, dit également repère terrestre ou repère de navigation, est par exemple formé à partir des directions des points cardinaux, typiquement les directions du Nord et de l’Est ainsi que par une direction verticale, généralement celle de la gravité terrestre.

Cependant, la fonction pilotage de l’aéronef a besoin d’une estimation de la vitesse sol dans un repère porteur, dit également repère fuselage, lié à l’aéronef. Ce repère fuselage est par exemple défini par des directions particulières de l’aéronef, telles que son axe de roulis, son axe de tangage et son axe de lacet. Il est donc nécessaire de disposer d’une mesure du cap de l’aéronef ainsi que de ses angles d’assiettes pour réaliser une projection ou un changement de repère entre le repère géographique et le repère fuselage.

On notera par ailleurs que pour un aéronef, et en particulier pour un aéronef à voilure tournante, le cap est différent de l’angle de route, dit aussi angle de la trajectoire. En effet, le cap est l’angle entre d’une part une projection orthogonale de la direction longitudinale de l’aéronef dans un plan horizontal défini perpendiculairement à la direction de la gravité terrestre, et d’autre part la direction du Nord géographique. L’angle de route est quant à lui l’angle entre une projection orthogonale de la direction de la route suivie par l’aéronef dans un tel plan horizontal et la direction du Nord géographique. Cette direction de la route peut aussi être définie comme la direction du vecteur vitesse sol de l’aéronef.

Toutefois, si pour un véhicule terrestre, on peut considérer que l'angle de route est généralement égal au cap, ce n’est pas le cas pour un aéronef qui peut voler avec une certaine dérive correspondant à la différence entre le cap et l’angle de route. De plus, un aéronef à voilure tournante présente la particularité de pouvoir se déplacer latéralement ainsi que vers l’arrière, l’écart entre l’angle de route et le cap étant alors respectivement de ±90 degrés et 180 degrés (±90° et 180°).

Des estimations d’un cap magnétique et des angles d’assiettes de l’aéronef sont aujourd’hui disponibles à bord d’un aéronef et fournies par exemple par un dispositif dit AHRS signifiant en langue anglaise « Attitude and Heading Reference System ». Un dispositif AHRS fournit également des mesures des accélérations de l’aéronef.

Ce dispositif AHRS utilise d’une part des mesures issues de gyromètres et d’accéléromètres pour estimer les assiettes de l’aéronef, et d’autre part des mesures magnétiques spécifiquement pour estimer le cap magnétique de l’aéronef. Cette dernière estimation de cap est parfois qualifiée de « gyromagnétique » car elle est alignée sur la mesure du magnétomètre sur le long terme, mais elle exploite l’intégrale de la mesure des gyromètres sur le court terme.

Des dispositifs AHRS mettent une commande à disposition du pilote pour changer le mode de fonctionnement de leur estimateur de cap et supprimer temporairement l’alignement long terme sur la mesure magnétique. Ce mode de fonctionnement est qualifié de « directionnel » ou de « pur gyromètre ». Le cap est alors insensible aux éventuelles perturbations magnétiques pouvant le corrompre. Ce mode est typiquement utilisé à l’approche d’un bateau ou d’une plateforme pétrolière. Ce mode de fonctionnement ne peut toutefois pas être utilisé plus de quelques dizaines de minutes, faute de quoi Terreur de cap, due au biais des gyromètres et se manifestant comme une dérive, deviendrait prohibitive.

La difficulté avec ce type d’estimateur de cap est que le pilote est susceptible d’oublier de passer en mode directionnel avant de s’approcher d’une zone magnétiquement perturbée. On peut également rencontrer des situations où le pilote approche l’aéronef du sol sans être conscient que la zone est perturbée, par exemple par des infrastructures métalliques enterrées.

Il y a donc un besoin d’élaboration d’un cap plus robuste, sans toutefois faire appel à une centrale inertielle coûteuse et dont le temps d’alignement au démarrage peut être prohibitif pour certaines missions d’aéronefs.

Pour éliminer totalement les mesures magnétiques corruptibles de la chaîne des capteurs de pilotage, il est possible de calculer une autre estimation du cap, distincte de l’estimation gyromagnétique, et fonctionnant en mode directionnel en permanence. Une telle estimation de cap est alors effectivement indépendante de toute mesure magnétique. Par contre, une telle estimation de cap, en permanence en mode directionnel, est affectée d’une erreur non limitée, y compris au démarrage du système. Par exemple, si l’estimation de cap est initialisée au Nord alors que le nez de l’aéronef est orienté vers le Sud, cette erreur peut être aussi grande que 180° alors que les systèmes viennent juste d’être mis sous tension.

Le problème est donc d’exploiter un cap, en mode directionnel en permanence, et pouvant donc être affecté d’une erreur d’amplitude non bornée, mais lentement variable.

Pour résoudre ce problème, on connaît par exemple le document US 8860609 qui décrit le couplage d’un récepteur GNSS et d’un système de navigation inertielle ainsi que l’utilisation d’un filtre d’intégration. La vitesse ou la position d’un aéronef, fournies par le récepteur GNSS, est combinée aux mesures inertielles du système de navigation inertielle selon une modélisation non linéaire. Le filtre d’intégration utilise un filtre de Kalman étendu pour estimer d’une part une position combinée et une vitesse combinée estimées ainsi qu’au moins un biais de vitesse ou un biais de cap. Toutefois, l’utilisation de filtres de Kalman étendus ne constitue qu’une approximation du processus à estimer, et n’est donc pas applicable aux grandes valeurs d’erreur de cap.

Une autre solution consiste à remplacer la mesure magnétique du cap par une mesure gyroscopique pure. Dans ce but, le dispositif AHRS à magnétomètre est remplacé par une centrale inertielle, ou par un dispositif AHRS capable de s’aligner en mode gyrocompas, à savoir basé d’une part sur une détection de la direction de la rotation terrestre pendant la phase d’alignement, et d’autre part sur des gyromètres suffisamment précis pour être capable de fonctionner ensuite en mode gyroscopique pur. Un tel dispositif de mesure est bien plus coûteux qu’un dispositif AHRS à magnétomètre. De plus, le temps d’alignement en gyrocompas est bien plus long qu’un alignement via un magnétomètre, ce qui peut être préjudiciable lors de missions pour lesquelles le temps d’initialisation est crucial.

Ces solutions ne répondent donc pas au besoin de la fonction pilotage d’un aéronef de disposer d’une estimation précise de sa vitesse sol, indépendante de mesures magnétiques et ne nécessitant pas l’utilisation de centrales inertielles coûteuses et de mise en œuvre malaisée.

La présente invention a alors pour but de s’affranchir des limitations mentionnées ci-dessus et de proposer une hybridation d’un récepteur GNSS et d’un dispositif AHRS afin d’estimer une vitesse sol hybride et un cap de l’aéronef, indépendamment d’une mesure magnétique et - de ce fait - insensibles aux perturbations magnétiques de l’environnement de l’aéronef. La présente invention est capable de corriger, quelle que soit son amplitude, une erreur affectant une estimation gyroscopique très imprécise du cap de l’aéronef, et d’estimer ainsi des valeurs précises et intègres de la vitesse sol et du cap de l’aéronef.

Dans ce cadre, la présente invention propose un dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef ainsi qu’un procédé d’estimation de cette vitesse sol et de ce cap.

Selon l’invention, un dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef, l’aéronef comportant trois axes formant un repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) rigidement lié à une structure de l’aéronef, comporte :

- un récepteur GNSS recevant des signaux de plusieurs satellites et configuré pour fournir une mesure v_GNSS d’un vecteur vitesse sol v^N de l’aéronef dans un repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), ce repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) comprenant notamment un plan horizontal (X^N,Y^N) sensiblement perpendiculaire à la direction de la gravité terrestre,

- un dispositif AHRS fournissant une mesure γ^Β d’un vecteur accélération de l’aéronef dans le repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) ainsi que des estimations φ,θ d’angles d'assiettes et d’une estimation directionnelle i^dir du cap de l’aéronef, et

- un premier estimateur relié au récepteur GNSS et au dispositif AHRS.

Le dispositif selon l’invention est remarquable en ce que ledit premier estimateur est linéaire et configuré pour élaborer une estimation Δψ de l’erreur non bornée affectant l’estimation directionnelle du cap, déterminée par le dispositif AHRS, en combinant la mesure v_GNSS du vecteur vitesse sol avec les estimations φ,θ des angles d'assiettes, avec ladite estimation directionnelle i/idir du cap, et avec la mesure γ^Β du vecteur accélération, indépendamment de toute mesure magnétique.

Les données d’entrée dudit premier estimateur sont donc fournies d’une part par le dispositif AHRS et d’autre part par le récepteur GNSS respectivement dans le repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) et le repère géographique (X^N,Y^N,Z^N). En particulier, l’estimation directionnelle ip_DiR du cap n’est pas issue d’une mesure magnétique.

Cette estimation directionnelle ipDiR du cap est par exemple calculée et fournie directement par le dispositif AHRS. Cette estimation directionnelle ipDiR du cap peut également être calculée par un autre calculateur, présent dans l’aéronef, à partir notamment des mesures fournies par des gyromètres du dispositif AHRS, et en particulier des estimations φ,θ d’angles d'assiettes. Cette estimation directionnelle i/jdir du cap est ainsi déterminée par l’intégration de la vitesse angulaire estimée ψ de l’aéronef.

Le repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) est par exemple formé à partir des directions des points cardinaux, de préférence par les directions du Nord et de l’Est, ainsi que par une direction sensiblement verticale. Le plan sensiblement horizontal (X^N,Y^N) appartenant à ce repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) est ainsi sensiblement perpendiculaire à la direction de la gravité terrestre et a alors pour axes X^N,Y^N, respectivement la direction du Nord et la direction de l’Est.

Le repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B), de l’aéronef est quant à lui lié rigidement à la structure de l’aéronef. Il est par exemple formé par des directions particulières de l’aéronef, par exemple ses directions longitudinale, transversale et normale, correspondant respectivement aux axes de roulis, de tangage et de lacet.

Les angles d'assiettes de l’aéronef sont, pour des valeurs relativement faibles de ces angles d'assiettes, les deux angles entre un plan horizontal, à savoir perpendiculaire à la direction de la gravité terrestre, et respectivement la direction longitudinale et la direction transversale de l’aéronef. L’estimation directionnelle i/jdir du cap est l’angle entre une projection orthogonale de la direction longitudinale de l’aéronef dans le plan horizontal et une direction quelconque, mais sensiblement fixe, c’est-à-dire qui est lentement variable au cours du temps, du plan horizontal (X^N,Y^N).

L’objectif du dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef selon l’invention est de déterminer, à partir des informations fournies par le dispositif AHRS, une estimation v^N du vecteur vitesse sol de l’aéronef, puis de comparer cette estimation avec la mesure vGNSS fournie par le récepteur GNSS de ce même vecteur vitesse sol, afin d’élaborer une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle ipDiR du cap, et ensuite d’en déduire des corrections, appliquées aux entrées des estimateurs de l’erreur de cap géographique et de la vitesse sol, pour que l’estimation v^N reste alignée sur le long terme sur la mesure vGNSS.

Pour que ladite comparaison soit possible, l’estimation v^N du vecteur vitesse sol doit être exprimée dans le même repère que la mesure vcwssdu vecteur vitesse sol réalisée par le récepteur GNSS. Dans ce but, la mesure γ^Β du vecteur accélération de l’aéronef réalisée par le dispositif AHRS doit tout d’abord être projetée dans un repère horizontal local (X^H,Y^H) en utilisant les estimations φ,θ des angles d'assiettes, issues également du dispositif AHRS, afin d’élaborer une estimation ÿHor de la composante horizontale du vecteur accélération.

Ensuite, cette estimation y_Hor de la composante horizontale de l’accélération doit être transférée vers l’estimation du plan horizontal (X^N,Y^N). Ce transfert entre le repère horizontal local (X^H,Y^H) et l’estimation du plan horizontal (X^N,Y^N) se décompose en deux étapes : un premier transfert par l’estimation directionnelle du cap, issue du dispositif AHRS, puis un second transfert par l’estimation courante de l’erreur Δψ. Le vecteur accélération ainsi obtenu est basé sur l’estimation de l’erreur Δψ. Il s’agit donc également d’une estimation plutôt que d’une mesure.

Ladite estimation du vecteur accélération dans le plan horizontal (X^N,Y^N) est alors intégrée pour obtenir une estimation v^Ndu vecteur vitesse sol, exprimée dans le plan horizontal (X^N,Y^N) également.

L’estimation v^N du vecteur vitesse sol ainsi obtenu est alors retranchée à la mesure v_GNSS du vecteur vitesse sol réalisée par le récepteur GNSS pour déterminer des écarts de vitesse, eux-mêmes utilisés pour élaborer des corrections appliquées aux entrées de trois intégrateurs estimateurs, de l’erreur de cap d’une part, et des deux composantes horizontales la vitesse sol de l’aéronef d’autre part.

Tel que décrit ci-dessus, ce système constitue un estimateur à trois états, ces trois états étant les estimations v^N des deux composantes horizontales du vecteur vitesse sol, et l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimée directionnelle ψΰΐϋ du cap. La principale difficulté de réalisation de cet estimateur réside dans le caractère fortement non linéaire de la propagation de l’erreur de cap.

La résolution d’une telle formulation non linéaire peut être obtenue par l’utilisation d’une méthode de linéarisation locale, telle qu’un filtre de Kalman étendu, désigné par l’acronyme « EKF » signifiant en langue anglaise « Extended Kalman Filter », ou bien l’utilisation d’une méthode d’approximation d’ordre plus élevé de la non-linéarité, telle que par exemple l’« UKF » et le « CKF » signifiant respectivement en langue anglaise « Unscented Kalman Filter » et « Cubature Kalman Filter ».

Toutefois, chacune de ces méthodes ne constitue qu’une approximation de la réalité du processus, avec divers degrés de précision. Mais aucune de ces méthodes n’est capable de modéliser avec suffisamment de précision une non-linéarité telle que celles présentées par les sinus et cosinus d’un angle non borné, par exemple susceptible d’évoluer sur une révolution complète.

Le dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef selon l’invention comporte un premier estimateur caractérisé par le fait qu’il est de type linéaire. Le dispositif selon l’invention évite ainsi une formulation non linéaire et, de ce fait, l’utilisation d’une méthode de linéarisation locale ou bien une méthode d’approximation de la non-linéarité. Ce premier estimateur linéaire est configuré pour élaborer une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap en combinant la mesure Vgnss du vecteur vitesse sol avec les estimations φ et Θ des angles d'assiettes, avec l’estimation directionnelle 0d//? du cap, et avec la mesure γ^Β du vecteur accélération.

Ledit premier estimateur est un estimateur linéaire comprenant au moins quatre états qui sont les valeurs estimées vfi et Vy des composantes horizontales du vecteur vitesse sol dans le plan horizontal du repère horizontal (X^N,Y^N), ainsi que les valeurs estimées Câip et ΞΔψ des valeurs du cosinus et du sinus de l’erreur affectant l’estimation directionnelle ipDiit du cap.

Ce premier estimateur constitue un filtre d’hybridation et comporte plusieurs blocs de calcul afin de permettre après plusieurs transformations de déterminer à partir des informations fournies par le dispositif AHRS des valeurs estimées vfl et Vy des composantes horizontales du vecteur vitesse sol v^N dans le repère horizontal (X^N,Y^N), de les comparer avec la mesure v_GNSS du vecteur vitesse sol réalisée par le récepteur GNSS et d’élaborer une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap issue du dispositif AHRS. Le dispositif selon l’invention peut ensuite calculer une valeur estimée φ du cap géographique et une estimation v^N de la composante horizontale du vecteur vitesse sol de l’aéronef.

Le premier estimateur comporte notamment :

- un premier opérateur de projection du repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) vers un repère horizontal local (X^H,Y^H), le repère horizontal local (X^H,Y^H) étant formé d’une part par une projection X^H de la direction X^B du repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) dans un plan horizontal et d’autre part par une direction Y^H perpendiculaire à la projection X^H et située également dans ce plan horizontal,

- un second opérateur de projection du repère horizontal local (X^H,Y^H) vers un repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N‘), |_e repère pseudo-géographique horizontal (X^N‘,Y^N*) étant défini à partir du repère horizontal local (X^H,Y^H) et de l’estimation directionnelle ψο/R du cap, les directions X^N* et Y^N* du repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N‘) formant respectivement un angle égal à l’estimation directionnelle ψο/R du cap avec les directions X^H et Y^H du repère horizontal local (X^H,Y^H),

- un opérateur de transformation linéaire dudit repère pseudogéographique horizontal (X^N*,Y^N) vers une estimation (X^N,Y^N) du repère géographique horizontal, l’angle entre ladite estimation du repère géographique horizontal et le repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*) étant l’estimation courante Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap, et

- une boucle de rétroaction dont les gains sont calculés par exemple selon les équations du filtre de Kalman.

On rappelle qu’un estimateur linéaire est basé sur un modèle linéaire du processus, qui peut par exemple se formuler comme suit en temps continu :

£x(t) = F(t).x(t) + w_c(t) et z(t) = H (t).x(t) +

Dans un dispositif conforme à l’invention, le vecteur d’état x(t) comprend notamment les valeurs estimées ΞΔψ et εΔψ des sinus et cosinus de l’erreur affectant l’estimation directionnelle ipow du cap, ainsi que les deux valeurs estimées v_x et Vy des composantes horizontales du vecteur vitesse sol dans le repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) tel que :

/O x(t) =

Dans un dispositif conforme à l’invention, le vecteur d’estimation de la mesure comprend au moins les deux valeurs estimées v_x,Vy des composantes horizontales du vecteur vitesse sol dans le repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), tel que :

z(t) =

Dans un dispositif conforme à l’invention, la matrice rapportant la dérivée du vecteur d’état x(t) au vecteur d’état x(t] comprend au moins la sous-matrice suivante où τ est une constante de temps égale par exemple à 600 secondes (600s) :

F(t) = i

T

Dans un dispositif conforme à l’invention, la matrice de mesure, également dite « d’observation », qui rapporte le vecteur d’estimation z(t) de la mesure au vecteur d’état x(t), comprend au moins la sous-matrice suivante :

/0010 ...\

H (t) = I 0 0 0 1 ... I.

Le modèle linéaire d’un processus intervenant dans la formulation d’un estimateur comprend en outre deux vecteurs de bruit, se rajoutant respectivement à la commande (w_c(t)) et à la mesure

Par ailleurs, le dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef selon l’invention peut comporter un calcul trigonométrique et un opérateur de différence. Ledit calcul trigonométrique permet de déterminer une estimation de l’angle d’erreur affectant l’estimation directionnelle x[)dir du cap à partir des valeurs estimées εΔψ et ΞΔψ des valeurs de ses cosinus et sinus. Ce calcul trigonométrique utilise par exemple la fonction trigonométrique à deux arguments « atan2 », qui est la fonction réciproque de la fonction trigonométrique tangente. Elle permet de retrouver l’angle dans son domaine complet [-π... π[ quand elle est appliquée aux deux valeurs estimées SA-ψ et CAip afin de déterminer une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle xpDiR du cap.

L’opérateur de différence permet ensuite de retrancher ladite estimation Δψ à l’estimation directionnel t/z_D/_R du cap afin de générer une valeur estimée ψ du cap géographique. Cette valeur estimée ψ du cap géographique est ainsi corrigée de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap fournie par le dispositif de type AHRS.

Ainsi, un dispositif conforme à l’invention permet, sans faire appel à des mesures magnétiques, de combiner des mesures inertielles fournies par un dispositif AHRS, exprimées en repère fuselage, avec des mesures de vitesse fournies par un récepteur GNSS, exprimées en repère géographique. En outre, l’estimation de cap fournie par un dispositif conforme à l’invention permet, également sans faire appel à des mesures magnétiques, d’exprimer le vecteur vitesse sol de façon robuste et intègre dans le repère horizontal local, ce qui est requis par les lois de pilotage.

Selon une variante de l’invention, le dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef peut comporter un second estimateur fonctionnant selon une approximation connue de l’homme du métier et dite « des petits angles ». Le premier estimateur fonctionne alors pendant une phase initiale de convergence et est ensuite remplacé, lorsqu’une convergence sur l’estimation Δψ de l’erreur est atteinte, par le second estimateur pour poursuivre l’estimation Δψ de l’erreur et, par suite, améliorer la précision des valeurs estimées de la vitesse sol de l’aéronef et du cap géographique. Pour cette variante, le dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef comporte un commutateur afin que l’estimation Δψ de l’erreur soit fournie par le premier estimateur ou bien le second estimateur.

Le second estimateur remplace alors le premier estimateur en fonction de conditions de fonctionnement du dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef selon l’invention et en particulier d’une ou plusieurs valeurs internes du premier estimateur.

Par exemple, le second estimateur remplace le premier estimateur à partir de l’instant où la covariance associée à l’estimation Δψ de l’erreur devient inférieure à un premier seuil prédéterminé.

Avantageusement, le second estimateur est ainsi utilisé à partir de l’instant où on dispose d’une estimation Δψ de l’erreur suffisamment précise. Le premier estimateur réalise dans un premier temps une première estimation Δψ de l’erreur en estimant ses sinus et cosinus, de manière à contourner la difficulté de la non-linéarité du modèle, puis le second estimateur peut raffiner et entretenir, dans une seconde phase, l’estimation Δψ de l’erreur.

Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le second estimateur remplace le premier estimateur à partir de l’instant où le module du vecteur formé par les valeurs estimées ΞΔψ, CA-ψ des sinus et cosinus de l’erreur angulaire devient proche de l’unité, à une marge près, tel que :

< marge.

Le dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef selon l’invention peut également combiner ces deux conditions. Dans ce mode de réalisation, le second estimateur remplace le premier estimateur par exemple à partir de l’instant où au moins l’une de ces deux conditions précédemment énoncées est remplie.

Ce premier seuil appliqué à la covariance associée à l’estimation Δψ de l’erreur angulaire est par exemple de l’ordre de (10°)², et l’écart du module du vecteur formé par les valeurs estimées ΞΔψ, CAip par rapport au module unité est de l’ordre de 10%, soit ; marge=0.7.

Il est à noter que le remplacement du premier estimateur par le second estimateur est généralement définitif lors d’un vol d’un aéronef équipé du dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap selon l’invention. De la sorte, le premier estimateur fonctionne pendant une phase initiale de convergence et le second estimateur est utilisé ensuite jusqu’à l’arrêt du dispositif, correspondant généralement à la fin du vol de l’aéronef.

Toutefois, si la covariance associée à l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation du cap fournie par le dispositif de type AHRS vient à augmenter fortement suite à une très longue phase de vol pendant laquelle aucun virage, ni changement de vitesse n’est effectué, on peut prévoir dans certains modes de réalisation de l’invention que le premier estimateur puisse de nouveau être utilisé en remplacement du second estimateur. En effet, le bon fonctionnement du second estimateur pourrait alors être compromis, l’hypothèse des « petits angles » pouvant être prise en défaut. C’est par exemple le cas lorsque la covariance associée à l’erreur Δψ redevient supérieure à (30°)².

Le second estimateur permet, grâce à l’approximation des petits angles, d’utiliser directement l’estimation Δψ comme un état, sans utiliser les fonctions trigonométriques sinus et cosinus. De la sorte, le second estimateur satisfait l’exigence de minimalité de la représentation d’état, et utilise ainsi une modélisation linéarisée par l’hypothèse « petits angles ». Ledit second estimateur peut en outre comporter davantage que trois états et permettre ainsi une modélisation plus fidèle que celle du premier estimateur des erreurs affectant le dispositif AHRS, et en particulier de l’estimation directionnelle i/jdir du cap. Cette reconfiguration permet avantageusement d’améliorer la précision des valeurs estimées de la vitesse sol et du cap géographique de l’aéronef du dispositif selon l’invention.

Le second estimateur peut par exemple adopter une structure d’estimateur à au moins sept états :

- l’estimation &ψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap, erreur dont on fait l’hypothèse qu’elle a une faible valeur,

- les estimations des deux erreurs affectant les estimations φ,θ des angles d'assiettes délivrées par le dispositif AHRS (on fait également l’hypothèse que ces erreurs sont de petits angles),

- les valeurs estimées vf et Vy des composantes horizontales du vecteur vitesse sol de l’aéronef, et

- l’estimation de la partie horizontale (deux composantes Ay/ et Ay) du vecteur biais affectant la mesure du vecteur accélération de l’aéronef issue du dispositif AHRS.

La présente invention a également pour objet un procédé d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef. Ce procédé comporte les étapes suivantes :

- une première étape de fourniture d’une mesure v_GNSS d’un vecteur vitesse sol de l’aéronef dans le repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), ce repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) comprenant notamment un plan horizontal (X^N,Y^N) sensiblement perpendiculaire à la direction de la gravité terrestre,

- une deuxième étape de fourniture d’une mesure y^s d’un vecteur accélération de l’aéronef dans un repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) lié rigidement à l’aéronef ainsi que des estimations φ,θ d’angles d'assiettes et d’une estimation directionnelle $dir du cap de l’aéronef, et

- un troisième étape d’élaboration d’une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle i/jdir du cap de l’aéronef, réalisée de façon linéaire et permettant d’estimer une erreur non bornée affectant l’estimation directionnelle ipDiR du cap en combinant la mesure v_GNSS du vecteur vitesse sol avec les estimations φ,θ des angles d'assiettes, l’estimation directionnelle i/jdir du cap, et la mesure γ^Β du vecteur accélération.

De plus, la troisième étape d’élaboration de l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle x/jdir du cap peut se décomposer en plusieurs sous-étapes :

- une première sous-étape de projection de la mesure γ^Β du vecteur accélération dans un repère horizontal local (X^H,Y^H) en utilisant les estimations φ et Θ des angles d'assiettes afin d’obtenir une estimation y^H de la composante horizontale du vecteur accélération, le repère horizontal local (X^H,Y^H) étant formé d’une part par une projection X^H de la direction X^B du repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) dans un plan horizontal et d’autre part par une direction Y^H perpendiculaire à la projection X^Het située dans ce plan horizontal,

- une deuxième sous-étape de projection de l’estimation y^H de la composante horizontale du vecteur accélération dans un repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*) afin d’obtenir une estimation y^w*, dite pseudo-géographique horizontal, de la composante horizontale du vecteur accélération, le repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N ) étant défini à partir du repère horizontal local (X^H,Y^H) et de l’estimation directionnelle x[)dir du cap, les directions X

N*

N* et Y ,N du repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N ) formant respectivement un angle égal à l’estimation directionnelle iJjdir du cap avec les directions X^Het Y^H du repère horizontal local (X^H,Y^H), une troisième sous-étape de transformation linéaire - définie par la matrice cîyO “ ^,estimation horizontal γ^Ν* de la composante horizontale du vecteur accélération dans le repère pseudo-géographique pour obtenir une estimation γ^Νde la composante horizontale du vecteur accélération en repère géographique, cette estimation γ^Ν de l’accélération en repère géographique se trouvant ainsi corrigée avec l’estimation de l’erreur affectant l’estimation directionnelle i/jdir du cap, via l’utilisation des valeurs estimées CAip et SAip de son cosinus et de son sinus,

- une quatrième sous-étape d’intégration de cette estimation γ^Ν du vecteur accélération en repère géographique afin d’obtenir une estimation v^N du vecteur vitesse sol dans le repère géographique horizontal (X^N,Y^N) prenant en compte une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle iPdir du cap,

- une cinquième sous-étape de comparaison de cette estimation v^N du vecteur vitesse sol dans le repère géographique horizontal (X^N,Y^N) avec la mesure v_GNSS de ce même vecteur vitesse sol pour obtenir deux composantes d’écart de vitesse, et

- une sixième sous-étape d’élaboration, par application d’un gain matriciel (matrice 4x2) aux deux composantes d’écart de vitesse, de quatre corrections agissant sur les entrées de quatre intégrateurs, portant respectivement les quatre états de l’estimateur de l’invention.

Dans la sixième sous-étape, le gain matriciel (matrice 4x2) est par exemple calculé selon les équations du filtre de Kalman.

Cette sixième sous-étape permet ainsi de fermer la boucle de l’estimateur linéaire selon l’invention et de faire en sorte que les quatre états du vecteur d’état x(t) soient des estimations optimales.

En outre, les troisième, quatrième et cinquième sous-étapes peuvent alternativement appliquer l’approximation dite « des petits angles » lorsque les conditions de fonctionnement le permettent. De la sorte, l’estimateur linéaire précédemment décrit, non basé sur l’approximation dite « des petits angles », est utilisé pendant une phase initiale de convergence, puis un autre estimateur, basé sur l’approximation dite « des petits angles », est ensuite utilisé, dès qu’une convergence sur l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap est atteinte.

Ces conditions de fonctionnement peuvent être caractérisées par exemple par la covariance associée à l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle iJjdir du cap et/ou le module du sous vecteur d’état formé par les valeurs estimées ΞΔψ, ΘΔψ des sinus et cosinus de l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap.

De plus, la troisième étape d’élaboration peut comporter une septième et dernière sous-étape de calcul de la valeur estimée ψ du cap géographique de l’aéronef.

L’invention et ses avantages apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent :

- la figure 1, un aéronef à voilure tournante,

- la figure 2, un dispositif d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef selon l’invention,

- la figure 3, une variante d’un tel dispositif,

- la figure 4, une représentation des différents repères utilisés par le dispositif, et

- la figure 5, un schéma synoptique d’un procédé d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef.

Les éléments présents dans plusieurs figures distinctes sont affectés d’une seule et même référence.

Sur la figure 1, un aéronef 20 à voilure tournante est représenté. Un repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) est lié rigidement à l’aéronef 20, attaché par exemple au centre de gravité moyen de l’aéronef 20. Ce repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) est défini par des directions particulières de l’aéronef 20 qui sont respectivement la direction longitudinale X^B contenue dans le plan de symétrie de l’aéronef 20, parallèle au plancher de la cabine passager de l’aéronef 20, et s’étendant de l’arrière vers l’avant de l’aéronef 20, la direction normale Z^B s’étendant du haut vers le bas perpendiculairement à la direction longitudinale X^B et la direction transversale Y^B s’étendant de la gauche vers la droite perpendiculairement aux directions longitudinale X^B et normale Z^B. La direction longitudinale X^B est l’axe de roulis de l’aéronef 20, la direction transversale Y^B est son axe de tangage et la direction normale Z^B est son axe de lacet.

Un repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) est également représenté sur la figure 1. Ce repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) est formé à partir des directions des points cardinaux, par exemple par les directions du Nord et de l’Est constituant respectivement les directions X^N,Y^N ainsi que par une direction Z^N sensiblement parallèle à la gravité terrestre. Les directions X^N,Y^N forment ainsi un plan sensiblement horizontal (X^N,Y^N).

L’aéronef 20 comporte un dispositif 1 d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap de l’aéronef 20 dont une vue détaillée est représentée sur la figure 2. Une variante de ce dispositif 1 est également représentée sur la figure 3. Ce dispositif 1 et sa variante peuvent mettre en œuvre un procédé d’estimation d’une vitesse sol et d’un cap d’un aéronef dont un schéma synoptique est représenté sur la figure 5. Ce procédé comporte trois étapes principales 101 à 103, la troisième étape 103 comportant sept sous-étapes 111 à 117.

Le dispositif 1 comporte un récepteur GNSS 11, un dispositif AHRS 12 et un premier estimateur 13 relié au récepteur GNSS 11 et au dispositif AHRS 12. Le récepteur GNSS 11 fournit au premier estimateur 13 une mesure v_GNSS d’un vecteur vitesse sol de l’aéronef 20 dans le repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) alors que le dispositif AHRS 12 fournit au premier estimateur 13 une mesure γ^Βd’un vecteur accélération de l’aéronef 20 dans le repère fuselage (Χ^θ,Υ^θ,Ζ^Β), ainsi que des estimations φ et Θ des angles d'assiettes, et une estimation directionnelle if)Dw du cap de l’aéronef 20. L’estimation directionnelle ipDiR du cap est notamment déterminée sans utiliser de mesure magnétique.

Le premier estimateur 13 comporte, comme représenté sur la figure 2, deux opérateurs de projection 15,16 et un estimateur linéaire 17.

Le premier opérateur de projection 15 permet de réaliser un transfert du repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) vers un repère horizontal local (X^H,Y^H) formé par une projection X^H de la direction X^B dans un plan horizontal, donc parallèle au plan (X^N,Y^N), voire confondu avec lui, et par une direction Y^H perpendiculaire à la projection X^Het située dans ce plan horizontal. Ce premier opérateur de projection 15 permet ainsi de projeter la mesure y^s du vecteur accélération dans ce repère horizontal local (X^H,Y^H) afin de déterminer une estimation γ^Η de la composante horizontale du vecteur d’accélération de l’aéronef 20.

Le second opérateur de projection 16 permet de réaliser un transfert du repère horizontal local (X^H,Y^H) vers un repère pseudogéographique horizontal (X^N*,Y^N*) défini à partir du repère horizontal local (X^H,Y^H) et de l’estimation directionnelle ψΰΐϋ du cap. Les directions X^N* et Y^N* sont situées dans un plan horizontal et forment respectivement un angle égal à l’estimation directionnelle iJjdir du cap avec les directions X^H et Y^H. Ce second opérateur de projection 16 permet ainsi de transférer l’estimation γ^Η de la composante horizontale du vecteur d’accélération dans ce repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*) afin de déterminer une estimation pseudo-géographique γ^Ν* du vecteur accélération de l’aéronef 20.

La figure 4 est une représentation de ces différents repères et des relations qui les lient entre eux.

L’estimateur linéaire 17 comporte des intégrateurs 21 et 22 destinés à estimer des valeurs CAÿ et ΞΔψ des sinus et cosinus de l’écart angulaire entre le repère pseudo-géographique et le repère géographique.

L’estimateur linéaire 17 comporte un opérateur de transformation linéaire 40 du repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N‘) vers une estimation du repère géographique horizontal (X^N,Y^N). Cet opérateur de transformation linéaire 40 est constitué des opérateurs de gain 31-34 ainsi que des opérateurs de différence 27 et de somme 28. L’opération matricielle effectuée par ces six opérateurs scalaires est la suivante :

(y»\_(Cup \Yy / [Sai/> C^)[y^)

L’homme de l’art reconnaîtra dans cet opérateur matriciel un opérateur de rotation dans le plan horizontal (X^N,Y^N), d’un angle Aip = tan-¹(Càip,Sàip), dès lors que l’on a C_&^² + S^² = 1.

Ledit opérateur de transformation linéaire 40 élabore, à partir de l’estimation y^N* du vecteur accélération dans le repère pseudogéographique, une estimation y^N du vecteur accélération dans le repère géographique prenant en compte l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionelle iJjdir du cap.

L’estimateur linéaire 17 comporte des intégrateurs 23,24 destinés à intégrer l’estimation y^N dudit vecteur d’accélération en repère géographique afin d’obtenir l’estimation v^N du vecteur vitesse sol en repère géographique prenant en compte l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle ψοΐϋ du cap. L’estimateur linéaire 17 comporte également des opérateurs de différence 29, 30 calculant l’écart entre d’une part chacune des composantes de ladite estimation v^N du vecteur vitesse sol en repère géographique prenant en compte l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle ψΰΐϋ du cap et d’autre part chacune des composantes (v^_GNSS,Vy_GNSS) de la mesure v_GNSS du vecteur vitesse sol v^N dans le repère géographique (X^N,Y^N,Z^N).

L’estimateur linéaire 17 comporte un opérateur de gain matriciel K de dimensions (4x2), repéré 35 sur la figure 2, qui propage les composantes d’un vecteur d’écart de vitesse sur chacune des entrées des intégrateurs 21, 22, 23 et 24, tel que :

avec

/' kex	k_Cy\
If H'SX	k_Sy
If H'XX	L· ⁿxy
\kyx	kyy /

CorCRate \ CorSRate | CorVxRate I CorVyRate/

( k_cx	k_Cy\
ksx	b l\,_Sy
kxx	b ^xy
\kyx	kyy /
K.

Les éléments de la matrice K sont par exemple les « gains de Kalman » calculés à partir de l’équation différentielle de Riccati.

Dans cet estimateur linéaire 17, le vecteur d’état x(t) comprend quatre états, qui sont les valeurs estimées v_x,Vy des composantes horizontales du vecteur vitesse sol de l’aéronef 20 dans le plan horizontal du repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) ainsi que les valeurs estimées ΘΔψ et ΞΔψ du cosinus et du sinus d’une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle i/jdir du cap.

Les quatre états de l’estimateur linéaire 17 convergent dès que l’aéronef 20 connaît une phase d’accélération. Notamment, les états ΘΔψ et ΞΔψ portés par les intégrateurs 21 et 22 constituent alors des estimations précises des sinus et cosinus de l’erreur angulaire Δψ affectant l’estimation directionnelle i/jdir du cap élaborée par le dispositif AHRS 12.

Le calcul de la matrice de gain K est par exemple basé sur les équations connues du filtre de Kalman, lui-même basé sur le modèle linéaire du processus précédemment décrit.

Enfin, le premier estimateur 13 comporte un bloc de calcul trigonométrique « ATAN2 » 18 et un opérateur de différence 36. Le bloc de calcul trigonométrique « ATAN2 » 18 permet de déterminer une estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du cap à partir des valeurs estimées CAtp et ΞΔψ du cosinus et du sinus de cette estimation Δψ en appliquant la fonction trigonométrique à deux arguments « atan2 » aux deux valeurs estimées SAi/> et L’opérateur de différence 36 permet ensuite de retrancher cette estimation Δψ à l’estimation directionnelle 0_D/_Rdu cap élaborée par le dispositif AHRS 12 afin de générer une valeur estimée ψ du cap géographique, corrigée des imprécisions de la mesure gyroscopique du cap et qui, de plus, n’est pas affectée par les éventuelles perturbations magnétiques de l’environnement de l’aéronef 20. Cette valeur estimée ψ du cap géographique de l’aéronef 20 constitue une sortie 53 du dispositif 1.

De plus, le dispositif 1 comporte deux autres sorties 51, 52 constituées des valeurs estimées vf ,v$ des composantes horizontales du vecteur vitesse sol qui prennent en compte l’estimation Δψ de l’erreur.

Par ailleurs, selon la variante représentée sur la figure 3, le dispositif 1 comporte un second estimateur 14 fonctionnant selon une approximation dite « des petits angles » ainsi qu’un commutateur 5. Ce commutateur 5 est agencé entre le premier estimateur 13 et le second estimateur 14. De la sorte, les sorties 51, 52, 53 du dispositif 1 sont constituées par les sorties du commutateur 5. Ce commutateur 5 permet ensuite de basculer entre le premier estimateur 13 et le second estimateur 14. Le premier et le second estimateur 13,14 ainsi que le commutateur 5 peuvent faire partie intégrante d’un calculateur présent dans l’aéronef 20.

Le premier estimateur 13 fonctionne pendant une phase initiale de convergence et est ensuite remplacé par le second estimateur 14, lorsqu’une convergence sur l’estimation Δψ de l’erreur affectant l’estimation directionnelle du Δψ cap est atteinte. Ce second estimateur 14 n’a alors plus qu’à traiter un résiduel d’erreur angulaire de faible amplitude, et peut ainsi se baser sur l’approximation dite « des petits angles » dans sa propre structure d’estimation de l’erreur angulaire résiduelle. La diminution du nombre d’états (un seul estimateur, estimant directement Δψ, plutôt que deux, estimant les sinus et cosinus de l’angle d’erreur) améliore la précision de l’estimation Δψ et, par suite, celle des valeurs estimés v_x ,Vy et ψ de la vitesse sol de l’aéronef 20 et du cap géographique.

Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en œuvre. Bien que plusieurs modes de réalisation aient été décrits, on comprend bien qu’il n’est pas concevable d’identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (1) d’estimation d’une vitesse par rapport au sol et d’un cap d’un aéronef (20), ledit aéronef (20) comportant trois axes formant un repère fuselage (Χ^Β,Υ^θ,Ζ^θ) rigidement lié à une structure dudit aéronef (20), ledit dispositif (1) comportant :

- un récepteur GNSS (11) recevant des signaux de plusieurs satellites et configuré pour fournir une mesure v_GNSS d’un vecteur vitesse par rapport au sol dudit aéronef (20) dans un repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), ledit repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) comprenant un plan horizontal (X^N,Y^N),

- un dispositif AHRS (12) fournissant une mesure γ^Β d’un vecteur accélération dudit aéronef (20) dans ledit repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) ainsi que des estimations φ,θ des angles d'assiettes, et une estimation directionnelle ip_DiR du cap dudit aéronef (20), et

- un premier estimateur (13) relié audit récepteur GNSS (11) et audit dispositif AHRS (12), caractérisé en ce que ledit premier estimateur (13) est linéaire et configuré pour élaborer une estimation Δψ de l’erreur non bornée affectant ladite estimation directionnelle ipDiR dudit cap déterminée par ledit dispositif AHRS (12) en combinant ladite mesure v_GNSSdudit vecteur vitesse par rapport au sol avec lesdites estimations φ,θ desdits angles d'assiettes, de ladite estimation directionnelle ipDiR dudit cap et de ladite mesure γ^Β dudit vecteur accélération, indépendamment de toute mesure magnétique.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier estimateur (13) est un estimateur linéaire comprenant au moins quatre états que sont des valeurs estimées v* ,vÿ des composantes horizontales dudit vecteur vitesse par rapport au sol dudit aéronef (20) dans ledit repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), ainsi que des valeurs estimées CJ0 et ΞΔψ du cosinus et du sinus de ladite estimation Δψ de ladite erreur affectant ladite estimation directionnelle iJjdir dudit cap.
3. Dispositif (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier estimateur (13) comporte un bloc de calcul trigonométrique (18) et un opérateur de différence (36), ledit bloc de calcul trigonométrique (18) permettant de déterminer ladite estimation Δψ de ladite erreur à partir desdites valeurs estimées βΔψ et 5Δψ du cosinus et du sinus et ledit opérateur de différence (36) permettant de retrancher ladite estimation Δψ de ladite erreur à ladite estimation directionnelle dudit cap déterminée par ledit dispositif AHRS (12) afin de générer une valeur estimée ψ du cap géographique dudit aéronef (20) qui n’est pas affectée par les éventuelles perturbations magnétiques de l’environnement dudit aéronef (20).
4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que ledit dispositif (1) comporte deux sorties (51,52) constituées desdites valeurs estimées v_x,Vy desdites composantes horizontales dudit vecteur vitesse par rapport au sol qui prennent en compte ladite estimation Δψ de ladite erreur.
5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit premier estimateur (13) applique les équations du filtre de Kalman basé sur un modèle linéaire du processus, en temps continu, tel que :

^x(t) = F(t).x(t) + w_c(t), et z(t) = H(t).x(t) + w_m(t), avec un vecteur d’état comprenant au moins lesdits quatre états, à savoir lesdites valeurs estimées €Δψ et Sùtp du cosinus et du sinus de ladite estimation Δψ de ladite erreur et lesdites valeurs estimées vfvj desdites composantes horizontales dudit vecteur vitesse par rapport au sol dudit aéronef (20) dans ledit repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), w_c[t), un vecteur de bruit de commande, un vecteur de bruit de mesure, z(t) = I Vy I, ^un vecteur d’estimation de la mesure comprenant au moins lesdites deux valeurs estimées desdites composantes horizontales dudit vecteur vitesse par rapport au sol dudit aéronef (20) dans ledit repère géographique

(X^N,Y^N F(t) = ,Z^N), z-i 0 Yn* \Ye* 0 1 τ ~Ye* Yn* 0 0 0 0 0 ..ή 0 ... 0 ... :) , une sous-matrice d’une matrice rapportant la dérivée dudit vecteur d’état x(t) audit vecteur d’état x(t), et

/0 0 H(t) = 10 0 une sous-matrice d’une matrice de mesure rapportant ledit vecteur d’estimation z(t) de la mesure audit vecteur d’état x(t).
6. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit dispositif (1) comporte un second estimateur (14) fonctionnant selon l’approximation « des petits angles », ledit premier estimateur (13) fonctionnant pendant une phase initiale de convergence et étant ensuite remplacé par ledit second estimateur (14) pour poursuivre l’élaboration de ladite estimation Δψ de ladite erreur affectant ladite estimation directionnelle i/jdir dudit cap et, par suite, affiner des valeurs estimées v%,vÿ et φ des composantes horizontales d’un vecteur de ladite vitesse par rapport au sol et du cap géographique dudit aéronef (20).
7. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit second estimateur (14) remplace ledit premier estimateur (13) à partir de l’instant où la covariance associée à ladite estimation Δψ de ladite erreur devient inférieure à un premier seuil prédéterminé.
8. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit second estimateur (14) remplace ledit premier estimateur (13) à partir de l’instant où le module du vecteur formé par lesdites valeurs estimées ΞΔψ, ΘΔψ des sinus et cosinus de ladite estimation Δψ de ladite erreur devient proche de l’unité, à une marge près, tel que :

|l - V(SA^)² + (CAi/;)²| < marge.
9. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit second estimateur (14) remplace ledit premier estimateur (13) à partir de l’instant où la covariance associée à ladite estimation Δψ de ladite erreur devient inférieure à un premier seuil prédéterminé ou bien à partir de l’instant où le module du vecteur formé par lesdites valeurs estimées ΞΔψ, CAip des sinus et cosinus de ladite erreur de cap Δψ devient proche de l’unité, à une marge près, tel que :

|l — ^/(SAi/z)² + (CAi/>)²| < marge.
10. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit premier estimateur (13) comporte :

- un premier opérateur de projection (15) dudit repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) vers un repère horizontal local (X^H,Y^H), ledit repère horizontal local (X^H,Y^H) étant formé d’une part par une projection X^H dans un plan horizontal de ladite direction X^B dudit repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) et d’autre part par une direction Y^H perpendiculaire à ladite projection X^H et située dans ledit plan horizontal,

- un second opérateur de projection (16) dudit repère horizontal local (X^H,Y^H) vers un repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*), ledit repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N‘) étant défini à partir dudit repère horizontal local (X^H,Y^H) et de ladite estimation directionnelle dudit cap, lesdites directions X^N* et Y^N* dudit repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*) formant respectivement un angle égal à ladite estimation directionnelle 0o/s dudit cap avec lesdites directions X^H et Y^Hdudit repère horizontal local (X^H,Y^H), et

- un opérateur de transformation linéaire (40) dudit repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*) vers une estimation dudit plan horizontal (X^N,Y^N), l’angle entre ladite estimation dudit plan horizontal (X^N,Y^N) et ledit repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*) étant ladite estimation Δψ de ladite erreur affectant ladite estimation directionnelle i/idir dudit cap, et

- une boucle de rétroaction dont les gains sont calculés selon les équations du filtre de Kalman.
11. Procédé d’estimation d’une vitesse par rapport au sol et d’un cap d’un aéronef (20), caractérisé en ce qu’il comporte :

- une première étape de fourniture (101) d’une mesure v_GNSSd’un vecteur vitesse par rapport au sol dudit aéronef (20) dans un repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), grâce à la réception de signaux de plusieurs satellites, ledit repère géographique (X^N,Y^N,Z^N) comprenant un plan horizontal (X^N,Y^N),

- une deuxième étape de fourniture (102) d’une mesure γ^Βd’un vecteur accélération dudit aéronef (20) dans un repère fuselage (Χ^θ,Υ^θ,Ζ^Β) lié rigidement audit aéronef (20) ainsi que des estimations φ,θ d’angles d'assiettes et d’une estimation directionnelle i/jdir du cap dudit aéronef (20), et

- un troisième étape d’élaboration (103) d’une estimation Δψ de l’erreur non bornée affectant ladite estimation directionnelle ipoiR dudit cap réalisée de façon linéaire en combinant ladite mesure v_GNSs dudit vecteur vitesse par rapport au sol avec lesdites estimations φ,θ desdits angles d'assiettes, avec ladite estimation directionnelle i/jdir dudit cap, et avec ladite mesure γ^Β dudit vecteur accélération.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite troisième étape d’élaboration (103) comporte les sous-étapes suivantes :

- une première sous-étape de projection (111) de ladite mesure y^B dudit vecteur accélération dans un repère horizontal local (X^H,Y^H) en utilisant lesdites estimations φ,θ desdits angles d'assiettes afin d’obtenir une estimation y^Hd’une composante horizontale dudit vecteur accélération, ledit repère horizontal local (X^H,Y^H) étant formé d’une part par une projection X^H de ladite direction X^B dudit repère fuselage (X^B,Y^B,Z^B) dans un plan horizontal et d’autre part par une direction Y^H perpendiculaire à ladite projection X^H et située dans ledit plan horizontal,

- une deuxième sous-étape de projection (112) de ladite estimation y^H de ladite composante horizontale dudit vecteur accélération dans un repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N‘) afin d’obtenir une estimation pseudo-géographique y^N* d’une composante horizontale dudit vecteur accélération, ledit repère pseudo-géographique horizontal (X^N*,Y^N*) étant défini à partir dudit repère horizontal local (X^H,Y^H) et de ladite estimation directionnelle i/jdir dudit cap, les directions X^N γΝ* dudit repère pseudo-géographique horizontal (Χ^Ν*,γ^Ν*) formant respectivement un angle égal à ladite estimation directionnelle x/jdir dudit cap avec les directions X^H et Y^H dudit repère horizontal local (X^H,Y^H),

- une troisième sous-étape de transformation linéaire (113) de ladite estimation pseudo-géographique y^N* de ladite composante horizontale dans ledit repère pseudogéographique dudit vecteur accélération en une estimation y^N d’une composante horizontale dans un repère géographique dudit vecteur accélération, ladite estimation y^Nétant corrigée avec ladite estimation Δψ de ladite erreur affectant ladite estimation directionnelle i/jdir dudit cap, via avec lesdites valeurs estimées ΘΔψ et ΞΔψ,

- une quatrième sous-étape d’intégration (114) de ladite estimation γ^Ν de ladite composante horizontale dudit vecteur accélération en repère pseudo-géographique afin d’obtenir une estimation v^N dudit vecteur vitesse par rapport au sol dans ledit repère géographique horizontal (X^N,Y^N) prenant en compte ladite estimation Δψ de ladite erreur affectant l’estimation directionnelle du cap,

- une cinquième sous-étape de comparaison (115) de ladite estimation v^N dudit vecteur vitesse par rapport au sol dans ledit repère géographique horizontal (X^N,Y^N)et de ladite mesure v_GNSs dudit vecteur vitesse par rapport au sol, et une sixième sous-étape d’élaboration (116) de corrections agissant sur ladite estimation Δψ de ladite erreur et sur ladite estimation v^N dudit vecteur vitesse par rapport au sol.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite troisième étape d’élaboration (103) comporte une septième sous-étape de calcul (117) de ladite valeur estimée ψ du cap géographique.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 13, caractérisé en ce que ladite sixième sous-étape d’élaboration (116) appliquent un filtre de Kalman comportant au moins quatre états qui sont lesdites valeurs estimées vjfvÿ des composantes horizontales dudit vecteur vitesse par rapport au sol dans ledit repère géographique (X^N,Y^N,Z^N), ainsi que lesdites valeurs estimées εΔψ et ΞΔψ du cosinus et du sinus de ladite estimation Δψ de ladite erreur affectant ladite estimation directionnelle ψβίκ dudit cap.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que lesdites troisième, quatrième et cinquième sous-étapes appliquent pendant certaines phases une

5 approximation dite « des petits angles ».
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que lesdites troisième, quatrième et cinquième sous-étapes appliquent une approximation dite « des petits

10 angles » à partir de l’instant où la covariance associée à ladite estimation Δψ de ladite erreur devient inférieure à un premier seuil prédéterminé ou bien le module du vecteur formé par lesdites valeurs estimées ΞΔψ, CAip des sinus et cosinus de ladite estimation Δψ de ladite erreur devient proche de l’unité, à une

15 marge près, tel que :

1-V(SAi/>)² + (CAt/>)²| < marge.

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