FR3106658A1 - Procédé et système de navigation - Google Patents
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Abstract
Dispositif de navigation comprenant un système de navigation inertielle (101) couplé avec un système de navigation par satellites (100), les informations fournies par le système de positionnement par satellites étant utilisées pour recaler le système de navigation inertielle, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens de mesure (100) de signaux provenant de stations de base d’un réseau cellulaire sans fils, le système de navigation par satellites et les moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont couplés entre eux par un couplage serré (100) pour former un navigateur par satellite et/ou par stations de base implémentant un estimateur à cartographie et localisation simultanées et en ce que le système de navigation par satellites et les moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont couplés au système de navigation inertielle par un couplage lâche (102) pour recaler le système de navigation inertielle. Fig. 2
Description
L’invention concerne un procédé et un système de navigation.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
L’utilisation de systèmes de navigation inertielle, appeléesystème INS(«Inertial Navigation System» en terminologie anglo-saxonne) est aujourd’hui classique, notamment dans le domaine de la navigation aérienne et maritime. Des systèmes INS sont ainsi couramment installés dans des véhicules, tels que des aéronefs ou des navires. Les systèmes INS utilisent différents capteurs tels que des accéléromètres ou des gyromètres. Ces capteurs fournissent des mesures (mesures de rotation, d’accélération, …) dont une intégration permet de déterminer une attitude, une vitesse et une position d’un véhicule en cours de déplacement.
Ces capteurs sont cependant imparfaits et présentent des erreurs intrinsèques ou des biais de mesure susceptibles de varier au cours d’un déplacement. Ces capteurs sont par ailleurs sujets à des bruits de mesure. Une conséquence de ces imperfections est que les systèmes INS s’avèrent précis sur une courte durée, mais sont sujets, à plus long terme, à des dérives importantes.
Pour pallier ces dérives, certains systèmes INS sont couplés avec un système de positionnement par satellites de type GNSS («Global Navigation Satellite System» en terminologie anglo-saxonne), appelésystème GNSSpar la suite, tel qu’un système GPS («Global Positioning System» en terminologie anglo-saxonne), GLONASS (système de navigation satellitaire russe), Galileo (futur système de navigation satellitaire européen) ou Beidou (futur système de navigation satellitaire chinois). On obtient alors un système dithybride GNSS/INStel que décrit par exemple dans le document EP2245479.
Dans un système hybride GNSS/INS, les informations fournies par le système GNSS sont généralement utilisées pour recaler le système INS. Classiquement, ce recalage est réalisé au moyen d’un filtre de Kalman qui optimise les performances de navigation en estimant les erreurs respectives du système GNSS et du système INS.
On distingue alors deux types de couplage: le couplagelâche(«lossely coupling» en terminologie anglo-saxonne) et le couplageserré («tightly coupling» en terminologie anglo-saxonne).
Dans le couplage lâche, en plus de recevoir des solutions de navigation (positions, vitesses) du système INS, le filtre de Kalman reçoit en entrée des solutions de navigation (positions, vitesses) fournies par le système GNSS.
Dans le couplage serré, le système GNSS fournit en entrée du filtre de Kalman des données brutes telles que des pseudo-distances ou des pseudo-vitesses à la place des solutions de navigation.
A l’heure actuelle, une majorité des systèmes de navigation hybrides GNSS/INS utilise un couplage lâche du fait de sa simplicité de mise en œuvre.
Cependant, pour pouvoir fournir une solution de navigation, un système GNSS doit capter des signaux d’au moins un nombre prédéterminé de satellites, ditessatellites GNSS, égal en général à quatre. Dans certains milieux, tels que les milieux urbains, la réception des signaux satellites est perturbée, ce qui peut empêcher, au moins temporairement, le système GNSS de capter le nombre prédéterminé de satellites GNSS nécessaires à la détermination d’une solution de navigation. Ces perturbations sont notamment liées à des masquages des satellites GNSS, des multi-trajets et des interférences. Lorsqu’il rencontre de telles perturbations, un système GNSS peut être incapable de fournir une solution de navigation en entrée du filtre de Kalman. Sans aide du système GNSS, un système hybride GNSS/INS devient alors un simple système INS.
Un avantage d’un système hybride GNSS/INS à couplage serré est que, même en cas de nombre de satellites GNSS accessibles par le système GNSS inférieur au nombre prédéterminé de satellites GNSS, le système hybride GNSS/INS peut profiter de l’apport des données brutes fournies par le système GNSS pour déterminer une solution de navigation améliorée par rapport à un système INS seul. Cependant la gestion des données GNSS brutes,e. g.le calcul de correction des horloges des satellites GNSS, des positions et des vitesses à partir de données d’éphéméride, rendent les systèmes hybrides GNSS/INS à couplage serré sensiblement plus complexes que les systèmes hybrides GNSS/INS à couplage lâche.
Il est souhaitable de pallier ces inconvénients de l’état de la technique. Il est notamment souhaitable de proposer une méthode et un système qui permettent de pallier les défauts d’un système de navigation hybride GNSS/INS à couplage lâche tout en conservant une complexité inférieure à un système de navigation hybride GNSS/INS à couplage serré.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un dispositif de navigation comprenant un système de navigation inertielle couplé avec un système de navigation par satellites, les informations fournies par le système de positionnement par satellites étant utilisées pour recaler le système de navigation inertielle, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens de mesure de signaux provenant de stations de base d’un réseau cellulaire sans fils, le système de navigation par satellites et les moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont couplés entre eux par un couplage serré pour former un navigateur par satellite et/ou par stations de base implémentant un estimateur à cartographie et localisation simultanées et en ce que le système de navigation par satellites et les moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont couplés au système de navigation inertielle par un couplage lâche pour recaler le système de navigation inertielle.
L’invention concerne aussi un procédé de navigation comprenant un système de navigation inertielle couplé avec un système de navigation par satellites, les informations fournies par le système de positionnement par satellites étant utilisées pour recaler le système de navigation inertielle, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- mesure de signaux provenant de stations de base d’un réseau cellulaire sans fils,
- couplage par un couplage serré du système de navigation par satellites et de moyens de mesure des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils pour former un navigateur par satellite et/ou par stations de base implémentant un estimateur à cartographie et localisation simultanées,
- couplage par un couplage lâche du système de navigation par satellites des moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils au système de navigation inertielle pour recaler le système de navigation inertielle.
Ainsi, la présente invention permet de disposer potentiellement du plus grand nombre d’informations disponibles (GNSS et/ou 5G) au sein d’une architecture d’hybridation basée sur un couplage lâche des informations de pseudo-distance recalant la navigation inertielle et en s’appuyant sur une structure de couplage serré GNSS / 5G qui permet d’optimiser au maximum la fusion des informations brutes provenant des deux sources satellites via GNSS et récepteurs 5G.
Selon un mode particulier de l’invention, le navigateur par satellite et/ou par stations de base fonctionne dans trois modes de fonctionnement, le premier mode, dit mode cartographie, étant un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils et des signaux des satellites sont disponibles, le deuxième mode, dit mode 5G, étant un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant seulement de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont disponibles et le troisième mode, dit standard, étant un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux des seuls signaux des satellites sont disponibles.
Ainsi, une qualité maximale d’une fonction de navigation en continu est obtenue lorsque seul le GNSS est disponible ou lorsque seul le réseau cellulaire est disponible ou lorsque le GNSS et le réseau cellulaire sont disponibles.
Selon un mode particulier de l’invention, le dispositif comporte en outre un module de génération de matrices qui forme une pluralité de matrices comprenant une matrice de transition, une matrice jacobienne, une matrice de covariance des bruits de mesure et une matrice de covariance des bruits de processus.
Ainsi,
Selon un mode particulier de l’invention, pour chaque mode de fonctionnement, le module de génération de matrices forme une matrice de transition, une matrice jacobienne, une matrice de covariance des bruits de mesure et une matrice de covariance des bruits de processus qui sont différentes des matrices formées pour les autres modes.
Selon un mode particulier de l’invention, le dispositif de navigation comporte un filtre de Kalman.
Selon un mode particulier de l’invention, le procédé comporte l’étape de détermination d’un mode de fonctionnement du navigateur par satellite et/ou par stations de base parmi trois modes de fonctionnement et le premier mode est un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils et des signaux des satellites sont disponibles, le deuxième mode est un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sontdisponibles et le troisième mode est un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux des signaux des satellites sont disponibles.
Selon un mode particulier de l’invention, le procédé comporte en outre une étape de génération de matrices qui forme une pluralité de matrices comprenant une matrice de transition, une matrice Jacobienne, une matrice de covariance des bruits de mesure et une matrice de covariance des bruits de processus.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION
L’invention est décrite par la suite dans un contexte maritime dans lequel un système de navigation mettant en œuvre un procédé selon l’invention est transporté par un véhicule ou portant de type navire. L’invention pourrait tout aussi bien s’appliquer dans des contextes différents tels qu’un contexte aérien ou routier, le véhicule transportant le système de navigation selon l’invention pouvant être un aéronef, un drone, une voiture ou un camion.
La Fig 1 illustre un contexte dans lequel est mise en œuvre l’invention. Dans la Fig. 1, un navire 1 évolue dans un environnement comprenant des satellites (ici trois satellites 3A, 3B et 3C sont représentés) d’une constellation de satellites GNSS et des stations de base d’un système de communication sans fil cellulaire de cinquième génération, ditesstations de base 5G(ici deux stations de base 5G sont représentées). Le navire 1 comprend un système de navigation 10 hybride à couplage lâche entre un système INS et un système hybride GNSS/5G à couplage serré, appelé simplementsystème de navigation hybride GNSS/ 5G + INSpar la suite.
Dans un mode de réalisation, les stations de base pourraient tout aussi bien être des stations de base d’un système de téléphonie de quatrième génération, ditesstations de base 4G, ou un ensemble constitué de stations de base 5G et de stations de base 4G.
La Fig. 2 illustre schématiquement le système de navigation hybride GNSS/5G + INS 10.
Le système de navigation hybride GNSS/5G + INS 10 de la Fig. 2 comprend un système à couplage serré GNSS/5G 100, un système INS 101 et un système à couplage lâche 102. Les différents couplages sont décrits par la suite.
Dans un mode de réalisation, le système à couplage lâche 102 reçoit des mesures corrigées du système INS 101 et des solutions de navigation du système à couplage serré GNSS/5G 100.
Dans un autre mode de réalisation, le système à couplage lâche 102 reçoit des mesures du système INS 101 et des solutions de navigation du système à couplage serré GNSS/5G 100 et génère à partir de ces informations des erreurs résiduelles qu’il prend comme mesure d’entrée.
La Fig. 3 illustre schématiquement le système à couplage serré GNSS/5G 100.
Le système à couplage serré GNSS/5G 100 comprend un capteur GNSS 1000, un capteur 5G 1001, un détecteur GNSS/5G 1002 et un navigateur GNSS/5G 1003.
Le détecteur GNSS/5G 1002 définit, en fonction des données de sortie qu’il reçoit, si le système à couplage serré GNSS/5G 100 peut utiliser uniquement des données GNSS, uniquement des données 5G ou des données 5G et des données GNSS. Le détecteur GNSS/5G 1002 définit ainsi le mode de fonctionnementcartographieou5Goustandard.
Le navigateur GNSS/5G 1003 est basé sur un filtre de KalmanSLAMqui, en fonction du mode de fonctionnement, configure le filtre de KalmanSLAM. Ainsi le navigateur GNSS/5G 1003 définit pour chacun des modes, les vecteurs d’état, d’observation, les matrices du filtre de Kalman et plus particulièrement leur dimension.
Un atout majeur du système à couplage serré GNSS/5G 100 est qu’il utilise un couplage serré entre le capteur GNSS 1000 et le capteur 5G 1001, permettant ainsi un déploiement dans un navigateur (i.e.le navigateur GNSS/5G 1003) commun au capteur GNSS 1000 et au capteur 5G 1001 d’un estimateur SLAM (cartographie et localisation simultanées, «Simultaneous Localization and Mapping» en terminologie anglo-saxonne). L’estimateur SLAM est capable d’estimer simultanément des états (i.e.positions, états d’horloge) des stations de base 5G, et des solutions de navigation (i.e.des positions, vitesses et état d’horloge) du système à couplage serré GNSS/5G 100. Ainsi, tant que le système à couplage serré GNSS/5G 100 capte au moins un nombre prédéterminé de satellites GNSS (en général ), il est capable d’estimer les états (positions et états d’horloge) des stations de base 5G. Le système à couplage serré GNSS/5G 100 ne nécessite donc pas de moyens additionnels externes pour déterminer les positions et états d’horloge des stations de base 5G. Une fois les états des stations de base 5G connus, lorsque le nombre de satellites captés par le système à couplage serré GNSS/5G 100 est inférieur à , le système à couplage serré GNSS/5G est capable de fournir une solution de navigation en compensant l’absence de signaux GNSS par des mesures provenant du capteur 5G 1001.
Les solutions de navigation déterminées par le système à couplage serré GNSS/5G 100 sont ensuite combinées avec des mesures du système INS 101 dans le système à couplage lâche 102 pour produire une solution de navigation améliorée et corriger des erreurs du système INS 101.
La Fig. 4 illustre schématiquement le capteur GNSS 1000. Le capteur GNSS 1000 reçoit des signaux radio fréquence (RF) 1000A de la part de satellites GNSS. Pour chaque signal RF reçu d’un satellite GNSS avec une qualité suffisante, le capteur GNSS 1000 génère des données de sortie 1000B, ditesdonnées de sortie GNSS, comprenant des pseudo-distances et des pseudo-vitesses, ditespseudo-distance s et pseudo - vitesse s GNSS, et un rapport porteuse sur bruit , ditrapport GNSS, correspondant audit signal RF et des estimations 1000C de la position dudit satellite GNSS.
La Fig. 5 illustre schématiquement le capteur 5G 1001. Le capteur 5G 1001 reçoit des signaux RF, ditssignaux 5G, 1001A de la part de stations de base 5G. Pour chaque signal RF reçu d’une station de base 5G avec une qualité suffisante, le capteur 5G 1001 génère des données de sortie, ditesdonnées de sortie 5G, comprenant des estimations 1001B de pseudo-distances et de pseudo-vitesses, ditespseudo-distance s et pseudo - vitesse s 5G, et d’un rapport porteuse sur bruit , ditsrapport 5G, correspondant audit signal RF.
La Fig. 6 illustre schématiquement le détecteur GNSS/5G 1002.
Le détecteur GNSS/5G 1002 reçoit les données de sortie GNSS et 5G comprenant:
- les estimations 1000B des pseudo-distances et des pseudo-vitesses GNSS et des rapports GNSS;
- les estimations 1000C des positions des satellites GNSS; et,
- les estimations 1001B des pseudo-distances et des pseudo-vitesses 5G et des rapports 5G.
Le détecteur GNSS/5G 1002 joue alors deux rôles. Son premier rôle est de synchroniser les données de sortie GNSS avec les données de sortie 5G lorsque les deux types de données sont disponibles. Par exemple, si plusieurs données de sortie 5G sont collectées entre deux collectes de données de sortie GNSS, les données de sortie 5G sont moyennées pour refléter des données de sortie 5G moyennes sur un intervalle de temps correspondant aux deux collectes de données de sortie GNSS.
Le deuxième rôle du détecteur GNSS/5G 1002 est de définir, en fonction des données de sortie qu’il reçoit, si le système à couplage serré GNSS/5G 100 peut utiliser uniquement des données GNSS, uniquement des données 5G ou des données 5G et des données GNSS. Le type des données utilisées permet de définir un mode de fonctionnement du système hybride GNSS/5G + INS 10 parmi une pluralité de modes de fonctionnement possibles. La pluralité de modes de fonctionnement comprend un mode ditcartographie(«mapping» en terminologie anglo-saxonne), un mode dit5 Get un mode ditstandard (GNSS).
Dans le mode cartographie, des pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports GNSS et 5G sont disponibles en nombre suffisant.
Dans le mode 5G, seuls les pseudo-distances, pseudo-vitesses et rapports 5G sont disponibles.
Dans le mode standard, seuls les pseudo-distances, pseudovitesses et rapports GNSS sont disponibles.
Le détecteur GNSS/5G 1002 fournit alors en sortie des mesures 1002A de pseudovitesses et de pseudo-distances GNSS et/ou 5G du système à couplage serré GNSS/5G 100, des estimations 1002B des rapports GNSS et/ou 5G correspondant aux mesures 1002A, des positions des satellites GNSS 1002C correspondant aux mesures 1002A et un identifiant 1002D indiquant les données à utiliser par le système à couplage serré GNSS/5G 100 (GNSS ou 5G ou GNSS et 5G).
La Fig. 7 illustre schématiquement le navigateur GNSS/5G 1003.
Le navigateur GNSS/5G 1003 met en œuvre l’algorithme qui sera décrit en référence à la Fig. 12.
Comme nous l’avons évoqué plus haut en relation avec la Fig.2, le navigateur GNSS/5G 1003 comprend un estimateur SLAM. Il est courant d’utiliser un filtre de Kalman étendu («Extended Kalman Filter (EKF)» en terminologie anglo-saxonne), appeléfiltre EKFpar la suite, pour résoudre un problème de SLAM. Le navigateur GNSS/5G 1003 comprend donc un module, ditmodule EKF-SLAM, 10030 résolvant le problème de SLAM de l’invention.
Le module EKF-SLAM 10030 comprend un module de génération de matrices 10031, un module de correction, ditmodule de correction EKF, 10032 et un module de prédiction, ditmodule de prédiction EKF, 10033.
Le module de génération de matrice 10031 est en charge de former, en se servant des positions des satellites, de la position et de la vitesse du système à couplage serré GNSS/5G 100 et des positions de stations de base 5G, une pluralité de matrices utilisée dans le procédé de navigation que nous décrivons par la suite. Cette pluralité de matrices comprend:
- une matrice de transition F;
- une matrice jacobienne H;
- une matrice de covariance des bruits de mesure R;
- une matrice de covariance des bruits de processus Q.
Le module de génération de matrice 10031 reçoit en entrée, les estimations 1002B des rapports GNSS et/ou 5G, les positions des satellites GNSS 1002C et des estimations corrigéesbde pseudovitesses et de pseudo-distances GNSS et/ou 5G du système à couplage serré GNSS/5G 100 fournies par le module de correction EKF 10032.
A partir de ces données reçues en entrée, le module de génération de matrice 10031 fournit la matrice jacobienne H en entrée du module de correction EKF 10032, et les matrices F, H, R et Q (référencecdans la Fig. 7) en entrée du module de prédiction EKF 10033.
Le module de correction EKF 10032 reçoit en entrée les estimations 1002A de pseudovitesses et de pseudo-distances GNSS et/ou 5G du système à couplage serré GNSS/5G 100, l’identifiant 1002D indiquant les données à utiliser par le système à couplage serré GNSS/5G 100, la matrice jacobienne H, et, en provenance du module de prédiction EKF 10033, une prédictionfd’un vecteur d’état d’erreur du système à couplage serré GNSS/5G 100 et une prédictiongd’une matrice de covariance d’erreur associée audit vecteur d’état.
A partir de ces données, le module de correction EKF 10032 fournit au module de prédiction EKF 10033, une estimée a posteriori (c’est-à-dire après correction)ddu vecteur d’état d’erreur du système à couplage serré GNSS/5G et une estimée a posterioriede la matrice de covariance d’erreur associée audit vecteur d’état. Par ailleurs, le module de correction EKF 10032 génère un identifiant 1003A indiquant un mode de fonctionnement du système à couplage serré GNSS/5G 100 et une solution de navigation, ditesolution de navigation GNSS/5G, 1003B.
Le module de prédiction EKF 10033 reçoit en entrée les matrices F, H, R et Q (référencec), l’estimée à posterioriddu vecteur d’état d’erreur du système à couplage serré GNSS/5G et l’estimée à posterioriede la matrice de covariance d’erreur associée audit vecteur d’état.
A partir de ces données, le module de prédiction EKF 10033 fournit au module de correction EKF 10032, la prédictionfd’un vecteur d’état d’erreur du système à couplage serré GNSS/5G 100 et la prédictiongd’une matrice de covariance d’erreur associée audit vecteur d’état.
La Fig. 8 illustre schématiquement le système de navigation INS 101.
Le système de navigation INS 101 met en œuvre l’algorithme qui sera décrit en référence à la Fig. 13.
Le système INS 101 comprend un capteur INS 1010 et un navigateur INS 1011. Le capteur INS 1010 comprend par exemple au moins un accéléromètre et au moins un gyromètre fournissant chacun des mesures au navigateur INS 1011.
Comme un navigateur INS classique, le navigateur INS 1011 reçoit les mesures du capteur INS 1010 et génère une solution de navigation, ditesolution de navigation INS, 101A. Cependant, le navigateur INS 1011 reçoit en plus, de la part du système à couplage lâche 102, des corrections 101D de position et de vitesse, des corrections 101C d’attitude et des corrections (biais, facteur d’échelle de l’accéléromètre et du gyromètre) 101B à appliquer aux mesures fournies par le capteur INS 1010.
La Fig. 9 illustre schématiquement le système à couplage lâche 102.
Le système à couplage lâche 102 reçoit l’identifiant 1003A indiquant le mode de fonctionnement du système à couplage serré GNSS/5G 100 et la solution de navigation hybride GNSS/5G 1003B fournie par ledit système à couplage serré GNSS/5G 100. Le système à couplage lâche reçoit de plus la solution de navigation INS 101A fournie par le système INS 101.
A partir de ces données, le système à couplage lâche 102 fournit les corrections 101B, 101C et 101D au système INS 101 et génère une solution de navigation, ditesolution de navigation hybride GNSS/5G + INS102A. La solution de navigation hybride GNSS/5G + INS est la solution de navigation fournie par le système de navigation hybride GNSS/5G + INS 10.
La Fig. 10 illustre schématiquement un détail du système à couplage lâche 102.
Le système à couplage lâche 102 comprend un module de synchronisation 1020 et un navigateur, appelénavigateur GNSS/5G + INS, 1021. Le module de synchronisation 1020 est en charge de fournir au navigateur GNSS/5G + INS 1021 des solutions de navigation 102B qu’il obtient à partir des solutions de navigation 101A et 1003B venant respectivement du système INS 101 et du navigateur GNSS/5G 1003. Cependant, le système INS 101 et le système à couplage serré GNSS/5G 100 ne génèrent généralement pas des solutions de navigation avec une même fréquence. Le module de synchronisation 1020 se charge alors de synchroniser les solutions de navigation INS avec les solutions de navigation GNSS/5G. Par exemple, lorsque les solutions de navigation INS sont fournies avec une plus haute fréquence que les solutions de navigation GNSS/5G, le module de synchronisation 1020 calcule des solutions GNSS/5G intermédiaires entre deux solutions GNSS/5G fournies par le système à couplage serré GNSS/5G 100, chaque solution GNSS/5G intermédiaire étant alignée temporellement sur une solution INS fournie par le système INS 101. A partir de ces solutions de navigation INS et GNSS/5G synchronisées, le navigateur GNSS/5G + INS 1021 génère les corrections 101B, 101C et 101D et les solutions de navigation hybrides GNSS/5G + INS 102A.
La Fig. 11 illustre schématiquement un exemple d’une architecture matérielle d’un module de traitement 11.
Les modules compris dans le système de navigation hybride GNSS/5G + INS 10, parmi lesquels le détecteur GNSS/5G 1002, le module de génération de matrices 10031, le module de correction EKF 10032, le module de prédiction EKF 10033, le module de synchronisation 1020, le navigateur GNSS/5G + INS 1021, comprennent chacun un module de traitement 11.
Selon l’exemple d’architecture matérielle représenté à la Fig.11, le module de traitement 11 comprend alors, reliés par un bus de communication 110: un processeur ou CPU («Central Processing Unit» en anglais) 111; une mémoire vive RAM («Random Access Memory» en anglais) 112; une mémoire morte ROM («Read Only Memory» en anglais) 113; une unité de stockage telle qu’un disque dur ou un lecteur de support de stockage, tel qu’un lecteur de cartes SD («Secure Digital» en anglais) 114; au moins une interface de communication 115 permettant au module de traitement 11 de communiquer avec d’autres modules du système de navigation hybride GNSS/5G + INS 10.
Le processeur 111 est capable d’exécuter des instructions chargées dans la RAM 112 à partir de la ROM 113, d’une mémoire externe (non représentée), d’un support de stockage (tel qu’une carte SD), ou d’un réseau de communication. Lorsque le système de navigation hybride GNSS/5G + INS 10 est mis sous tension, le processeur 111 est capable de lire de la RAM 112 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d’ordinateur causant l’exécution complète ou partielle, par le processeur 111, des procédés exécutés par les modules système de navigation hybride GNSS/5G + INS 10 comprenant ledit module de traitement 11.
Ces procédés peuvent être implémentés sous forme logicielle par exécution d’un ensemble d’instructions par une machine programmable, par exemple un DSP («Digital Signal Processor» en anglais) ou un microcontrôleur, ou être implémentés sous forme matérielle par une machine ou un composant dédié, par exemple un FPGA («Field-Programmable Gate Array» en anglais) ou un ASIC («Application-Specific Integrated Circuit» en anglais).
Par exemple, lorsque la présente invention est implémentée dans un navire en phase d’approche portuaire ou en phase d’accostage, les mesures déterminent le mode opératoire du récepteur hybride GNSS/5G + INS 10. Par exemple, lorsque les mesures GNSS sont partiellement masquées et/ou souffrent partiellement de multi trajets, le mode standard est sélectionné.
Lorsque les mesures GNSS sont totalement ou très fortement masquées et/ou souffrent totalement très fortement de multi trajets, le mode 5G est sélectionné.
Lorsque les mesures 5G sont totalement très fortement masquées et/ou souffrent totalement très fortement de multi trajets, le mode INS/GNSS est sélectionné.
En mode cartographie, les pseudo-distances GNSS et 5G sont disponibles. Le vecteur d’état de l’estimateur EKF-SLAM est fait de la position, de la vitesse, du biais et de la dérive de l’horloge du récepteur du récepteur hybride, ainsi que des positions, des biais et des dérives d’horloge des stations 5G.
Entre les corrections, l’estimateur EKF-SLAM produit la prédiction d’état et la covariance d’erreur de prédiction à l’aide des modèles de transition ainsi que des modèles d’horloge du récepteur. Lorsque des mesures de pseudo distance et de pseudo vitesses sont disponibles, l’estimateur EKF-SLAM produit une mise à jour de l’estimée d’état et une mise à jourP k de la covariance d’erreur d’estimation associée.
En mode 5G seules les pseudo-distances 5G sont disponibles. Le vecteur d’état de l’estimateur est fait de la position et de la vitesse du récepteur ainsi que de la différence entre les biais et dérives d’horloge du récepteur d’une part et de chaque station 5G d’autre part.
Le mode 5G considéré ici est un mode restreint dans le sens ou les positions des stations de bases 5G ainsi que le biais et la dérive d’horloge du récepteur estimés dans le mode cartographe sont utilisés. Dès que des mesures GNSS redeviennent disponibles, le biais et la dérive d’horloge ainsi que les positions des stations 5G sont réintroduits dans le vecteur d’état et l’on repasse en mode cartographie permettant ainsi d’affiner les positions des stations de base 5G.
Entre les corrections, l’estimateur EKF-SLAM produit une prédiction d’état et la covariance d’erreur de prédiction à l’aide des modèles de transition ainsi que des modèles d’horloge des stations de base 5G.
En mode GNSS, appelé mode standard, seules les pseudo-distances GNSS sont disponibles. Les mesures 5G sont indisponibles suite à des perturbations liées soit à l’environnement soit à l’absence du réseau 5G.
Le vecteur d’état de l’estimateur EKF-SLAM est fait de la position, de la vitesse, du biais et de la dérive de l’horloge du récepteur. Entre les corrections, l’estimateur EKF-SLAM produit une prédiction d’état et la covariance d’erreur de prédiction à l’aide des modèles de transition ainsi que des modèles d’horloge du récepteur. Lorsque des mesures de pseudo-distances et de pseudo-vitesses GNSS et/ou 5G sont disponibles, l'estimateur EKF-SLAM produit une mise à jour de l'estimée d’état et une mise à jourP k de la covariance d'erreur d'estimation associée.
En dehors des modes, chaque signal 5G émane d’une station de base spatialement stationnaire et que sont vecteur d’état est constitué de ses coordonnées tridimensionnelles de position =
et de ses états d’horloge oùcest la célérité, le biais d’horloge de la station de base 5G et la dérive d’horloge de la station de base 5G.
La dynamique du signal 5G est décrite par le modèle suivant:
où , ,w s est la bruit du processus modélisé comme bruit blanc à moyenne nulle et covariance , , et T est l’intervalle constant d’échantillonnage.
Les termes et sont les spectres de bruits de processus du biais et de la dérive d’horloge de la station 5G respectivement.
Les termes et peuvent être associés aux coefficients de loi de puissance, , qui ont été démontrés au cours d'expériences de laboratoire comme caractérisant la densité spectrale de puissance des valeurs fractionnaires d’écart de fréquence d'un oscillateur par rapport à la fréquence nominale selon . Une approximation courante utilise seulement les paramètres et , de telle façon que et .
Un vecteur d’état du système à couplage serré GNSS/5G 100 est constitué de coordonnées tridimensionnelles de position = dudit système 100, d’une vitesse tridimensionnelle dudit système 100 et des états de l’horloge du récepteur :
Les états du récepteur évoluent dans le temps de la manière suivante:
où ,Test l’intervalle constant d’échantillonnage des mesures,w r est le vecteur de bruit de processus modélisé comme un bruit blanc à moyenne nulle et covariance . dénote la concaténation diagonale de blocs de matrices.
L’observation de pseudo-distance faite par le récepteur GNSS/5G sur la nièmestation de base 5G à l’instantkest liée aux états du récepteur et de la station de base 5G :
où est la position du récepteur, est la position du nièmegNodeB 5G, est modélisé comme un bruit blanc Gaussien à moyenne nulle et variance .
L’observation de pseudo-vitesse (delta-distance) faite par le récepteur GNSS/5G par rapport à la nièmestation de base 5G à l’instant est liée aux états du récepteur et de la station de base 5G par:
où est le vecteur LOS de la station de base 5G au récepteur, est la vitesse prédite du récepteur, est la vitesse nulle de l’émetteur 5G comme il est stationnaire dans ce cadre, est la célérité, la dérive d’horloge du récepteur et la dérive d’horloge de la station 5G, est la longueur d’onde de la fréquence porteuse nominale de la station de base 5G, est un bruit blanc Gaussien à moyenne nulle et variance .
L’observation de pseudo-distance faite par le récepteur GNSS/5G sur le mième satellite GNSS après correction des délais ionosphérique et troposphérique est donnée par:
où , et sont les délais ionosphérique et troposphérique respectivement, est la pseudo-distance non corrigée, et est modélisé comme un bruit blanc Gaussien à moyenne nulle et variance .
L’observation de pseudovitesse (delta-distance) faite par le récepteur GNSS/5G par rapport au mième satellite GNSS à l’instantkest liée aux états du récepteur par:
où est le vecteur LOS du satellite au récepteur, est la vitesse prédite du récepteur, est la vitesse du satellite, est la célérité, la dérive d’horloge du récepteur et la dérive d’horloge du satellite, est la longueur d’onde de la fréquence porteuse nominale du satellite, est un bruit blanc Gaussien à moyenne nulle et variance .
L’algorithme de navigation utilise un filtre de Kalman étendu comme estimateur avec un ajout de complexité lié au fait que les états des stations de base sont simultanément estimés avec les états du récepteur GNSS/5G.
Dans le mode cartographie, le filtre de Kalman étendu (EKF) produit une estimée dex k , et une estimée de covariance d’erreur où , , , , et est le dernier instant auquel des mesures étaient prélevées.
Dans l’implémentation de l’estimateur EKF, les erreurs de position, de vitesse, de biais et de dérive d’horloge du récepteur, les erreurs de position, de biais et de dérive d’horloge des stations de base 5G sont estimées. Les états sont subséquemment mis à jour à l’instantken ajoutant les erreurs estimées à l’instantkaux états estimés à l’instantk-1, c’est-à-dire
Le vecteur d’état de l’estimateur EKF à l’instantk,xétant le vrai vecteur de paramètres à estimer et étant l’estimée du vecteur de paramètre est donné par
Où les états de position, de vitesse et d’horloge sont définis sous forme d’erreur additive classique. Pour simplifier la notation, considérons que le vecteur d’état d’erreur estimé est noté pour l’estimation à postériori ou pour l’estimation à priori au lieu de .L’estimée à postériori du vecteur d’état d’erreur de l’estimateur EKF à l’instantkest alors noté comme suit:
Dans le mode 5G, les mesuresz sv ne sont pas disponibles. Les estimées des états d’horloge du récepteur et les états de positions des stations de base 5G ne sont plus calculées mais les biais relatifs d’horloges 5G par rapport à l’horloge du récepteur , avecn=1 àNsont estimés.
A l’instantt 0 les états et sont enlevés de l’estimateur et les estimées des états d’horloge relatifs sont initialisés de la manière suivante:
La différence entre les vecteurs d’états d’horloge du récepteur et de la station de base évoluent selon l’équation oùw hor =w hor,r –w hor,s est un bruit blanc à moyenne nulle et covariance .
L’erreur d’estimation du nouveau vecteurd’état x’et la matrice de covariance d’erreur correspondante sont initialisés de la manière suivante: et
P’ k =DP k D T oùDest la matrice qui transforme vers
On dénote le nouveau vecteur d’état d’erreur de sorte que . Si le vecteur est de dimensionU*1 et le vecteur est de dimensionV*1 alors la matrice D est de dimensionV*U.Dest calculée à chaque changement de mode selon le nombre de stations de base 5G disponibles.
Entre deux instants de correction, l’estimateur utilise les modèles de dynamique décrits précédemment pour propager les estimées des états ou , fournir la prédiction de la matrice de covariance d’erreur correspondante et utilise le modèle d’observation.
En mode cartographie, la prédiction d’état est faite:
Notons que , où , , .
De même, la matrice de prédiction de covariance d’erreur est ainsi donnée par :
En mode 5G, la prédiction d’état suivante est faite:
Avec
De même, la matrice de prédiction de covariance d’erreur a la même forme que dans l’équation sauf que est remplacé par et par , où:
L’estimateur EK-SLAM corrige les erreurs d’état en utilisant les équations de correction EKF suivantes:
Où est la mesure estimée à partir du modèle d’observation. peut etre aussi estimée en utilisant la jacobienne et la prédiction d’état à priori : .
La dimension de la matrice de covariance du bruit de mesureR k dépend du nombre M de satellites GNSS traités et/ou du nombre de stations de base 5G dont les signaux sont reçus.L=N+Mest le nombre total d’émetteurs disponibles.R k est une matrice de dimension 2Lx2Ldéfinie par:
Où:
En mode cartographie, avec , la matrice jacobienne correspondante est obtenue par :
où , , , , , et . La correction produit l’estimée a posteriori et l’estimée a posteriori de la matrice de covariance d’erreur correspondante . Les vrais états (positions, vitesses, horloges) sont mis à jour à l’instantken ajoutant l’estimée d’erreurs a posteriori aux estimées de vrais états à l’instant (i.e. ).
En mode 5G, seules les pseudo-distances 5G sont disponibles, avec , et la Jacobienne est donnée par:
où et . La correction produit l’estimée a posteriori et l’estimée a posteriori de la matrice de covariance d’erreur correspondante . Les vrais états (positions, vitesses, horloges) sont mis à jour à l’instantken ajoutant l’estimée d’erreurs a posteriori aux estimées de vrais états à l’instant (i.e. ).
En mode 5G, soit N le nombre de stations de base 5G reçues :
X représente 3 + 3 + 2*N états et Z représente N observations d’écart de position et N observations d’écart de vitesse.
Avec
Q=
La matrice Hk est de la forme:
En mode GNSS, mode standard, si M est le nombre de satellites dont les signaux sont reçus, X représente 3+3+2 états qui sont indépendants du nombre d’états et Z représente M observations d’écart de position et M observations d’écart de vitesse.
La matrice Hk est de la forme:
En mode cartographie, X représente 3+3+2 + (3+2)* N états et X n’est pas la concaténation des états 5G et GNSS séparés. Z représente M observations d’écart de position puis M observations d’écart de vitesse + N observations d’écart de position et N d’écart de vitesse.
La matrice Hk est de la forme:
Où , ,
La Fig. 12 illustre schématiquement un procédé exécuté par le module traitement pour sélectionner le mode de fonctionnement d’un navigateur.
L’étape E120 correspond à un mode de fonctionnement dans lequel seuls des signaux GNSS sont mesurés, le mode de fonctionnement du navigateur est le mode GNSS standard. Ce mode correspond par exemple au cas où le porteur est en pleine mer.
A l’étape E121, le module de traitement vérifie si des signaux émis par des stations de base 5G sont mesurés.
Dans l’affirmative, le module de traitement passe à l’étape E122. Dans la négative, le module de traitement retourne à l’étape E120.
L’étape E122 correspond à un mode de fonctionnement dans lequel des signaux GNSS et 5G sont mesurés, le mode de fonctionnement du navigateur est le mode cartographie. Ce mode correspond par exemple au cas où le porteur est en approche d’un port.
A l’étape E123, le module de traitement vérifie si les signaux GNSS ne sont pas exploitables.
Dans l’affirmative, le module de traitement passe à l’étape E124. Dans la négative, le module de traitement retourne à l’étape E122.
L’étape E124 correspond à un mode de fonctionnement 5G. Ce mode correspond par exemple au cas où le porteur est à quai.
A l’étape E125, le module de traitement vérifie si les signaux 5G ne sont pas exploitables.
Dans l’affirmative, le module de traitement retourne à l’étape E120. Dans la négative, le module de traitement retourne à l’étape E124.
La Fig. 13 illustre schématiquement un procédé exécuté par un navigateur du système à couplage lâche entre un système INS et un système à couplage serré GNSS/5G.
A l’étape E130, l’estimée initiale du vecteur d’état et l’estimée initiale de la covariance d’erreur sont obtenus.
A l’étape suivante E131, le mode de fonctionnement du navigateur est obtenu ainsi que les mesuresZ k ,Z’ k ouZ’’ k .
A l’étape E132, les matrices jacobiennes et les matrices de covariance de bruits de processus sont obtenues.
Si le mode de fonctionnement est le mode cartographie, les matricesF k ,H k ,R k etQ k sont obtenues.
Si le mode de fonctionnement est le mode 5G, les matricesF ’ k ,H ’ k ,R ’ k etQ’ k sont obtenues.
Si le mode de fonctionnement est le mode GNSS standard, les matricesF ’’ k ,H ’’ k ,R ’’ k etQ’’ k sont obtenues.
Aux étapes E133 à E135, une correction est effectuée en utilisant les matrices obtenues.
Plus précisément, un calcul du gain de Kalman est effectué à l’étape E133, un calcul de la correction de l’estimée à priori de la nouvelle mesure est effectuée à l’étape E134 et un calcul la matrice de covariance d’erreur de l’estimée est calculée.
Ainsi, lorsque le mode est le mode cartographie, les matrices suivantes sont calculées:
Lorsque le mode est le mode 5G, les matrices suivantes sont calculées:
Lorsque le mode est le mode GNSS standard, les matrices suivantes sont calculées:
A l’issue de la correction, la prédiction est effectuée aux étapes E136 à E138. A l’étape E136, un calcul de la prédiction du vecteur d’état est effectué. A l’étape E137, la prédiction du vecteur de mesure est effectuée et à l’étape E138, la prédiction de la matrice de covariance d’erreur est calculée.
Ainsi, lorsque le mode est le mode cartographie, les prédictions suivantes sont calculées:
Lorsque le mode est le mode 5G, les prédictions suivantes sont calculées:
Lorsque le mode est le mode GNSS standard, les prédictions suivantes sont calculées:
Claims (8)
- Dispositif de navigation comprenant un système de navigation inertielle (101) couplé avec un système de navigation par satellites (100), les informations fournies par le système de positionnement par satellites étant utilisées pour recaler le système de navigation inertielle, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens de mesure (100) de signaux provenant de stations de base d’un réseau cellulaire sans fils, le système de navigation par satellites et les moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont couplés entre eux par un couplage serré (100) pour former un navigateur par satellite et/ou par stations de base implémentant un estimateur à cartographie et localisation simultanées et en ce que le système de navigation par satellites et les moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont couplés au système de navigation inertielle par un couplage lâche (102) pour recaler le système de navigation inertielle.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le navigateur par satellite et/ou par stations de base fonctionne dans trois modes de fonctionnement, le premier mode étant un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudovitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils et des signaux des satellites sont disponibles, le deuxième mode étant un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudovitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sontdisponibles et le troisième mode étant un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudovitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux des signaux des satellites sont disponibles.
- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre un module de génération de matrices qui forme une pluralité de matrices comprenant une matrice de transition, une matrice jacobienne, une matrice de covariance des bruits de mesure et une matrice de covariance des bruits de processus.
- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour chaque mode de fonctionnement, le module de génération de matrices forme une matrice de transition, une matrice jacobienne, une matrice de covariance des bruits de mesure et une matrice de covariance des bruits de processus qui sont différentes des matrices formées pour les autres modes.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de navigation comporte un filtre de Kalman.
- Procédé de navigation comprenant un système de navigation inertielle couplé avec un système de navigation par satellites, les informations fournies par le système de positionnement par satellites étant utilisées pour recaler le système de navigation inertielle, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- mesure de signaux provenant de stations de base d’un réseau cellulaire sans fils,
- couplage par un couplage serré du système de navigation par satellites avec des moyens de mesure des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils pour former un navigateur par satellite et/ou par stations de base implémentant un estimateur à cartographie et localisation simultanées,
- couplage par un couplage lâche du système de navigation par satellites et des moyens de mesure de signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils au système de navigation inertielle pour recaler le système de navigation inertielle.
- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé comporte l’étape de détermination d’un mode de fonctionnement du navigateur par satellite et/ou par stations de base parmi trois modes de fonctionnement et en ce que le premier mode est un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudovitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils et des signaux des satellites sont disponibles, le deuxième mode est un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudovitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux provenant de stations de base du réseau cellulaire sans fils sont disponibles et le troisième mode est un mode dans lequel des pseudo-distances, pseudovitesses et rapports porteuse sur bruit des signaux des signaux des satellites sont disponibles.
- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le procédé comporte en outre une étape de génération de matrices qui forme une pluralité de matrices comprenant une matrice de transition, une matrice jacobienne, une matrice de covariance des bruits de mesure et une matrice de covariance des bruits de processus.
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| CN115235513B (zh) * | 2022-09-15 | 2023-01-17 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 一种基于伪距和伪距率的惯导校正方法 |
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