FR3115593A1 - Procédé de vérification d’erreur de position et dispositif de navigation mettant en œuvre ce procédé - Google Patents

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Abstract

Procédé de détection d’une erreur de position au moyen d’une unité électronique de navigation (1) embarquée sur un véhicule (0) et reliée à un dispositif inertiel (10) fournissant des signaux exploités par l’unité électronique de navigation (1) pour déterminer un déplacement du véhicule (0) depuis une position actuelle insérée (Pi) dans l’unité électronique de navigation (1) et à un magnétomètre (20) agencé pour détecter une direction locale du champ magnétique terrestre. Le procédé comprend les étapes de déterminer par l’unité électronique de navigation (1) une différence entre la direction locale détectée et une direction locale théorique du champ magnétique terrestre en la position actuelle et, en fonction de cette différence, considérer ladite position comme valide ou erronée. Dispositif de navigation pour la mise en œuvre de ce procédé. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1

Description

Procédé de vérification d’erreur de position et dispositif de navigation mettant en œuvre ce procédé
La présente invention concerne le domaine de la navigation automatique à partir de données inertielles, satellitaires, ou autres.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Il est connu des véhicules équipés d’une centrale inertielle reliée à une unité électronique de navigation mettant en œuvre un programme agencé pour déterminer la position du véhicule, sa vitesse et son orientation. Le programme exécuté par une telle unité électronique de navigation exploite les signaux fournis par la centrale inertielle pour déterminer les mouvements du véhicule. Ainsi, connaissant une position de départ, l’unité électronique de navigation peut déterminer des positions successives du véhicule et la route suivie par le véhicule. La position de départ est généralement saisie (ou insérée) dans le programme exécuté par l’unité électronique de navigation par un opérateur humain lors d’une phase couramment appelée phase d’alignement. Le risque d’une erreur de position au moment de l’insertion de la position dans le programme existe (faute de frappe, erreur de lecture sur une carte …) et, dans un tel cas, toute la navigation est erronée.
Certains véhicules incorporent également un récepteur de signaux satellitaires de positionnement, provenant de satellites appartenant à une constellation de satellites d’un système GPS, GLONASS, GALILEO, ou BEIDU, dont l’exploitation permet de calculer une position du véhicule utilisable par l’unité électronique de navigation pour périodiquement recaler la navigation. Cependant, la phase d’alignement se déroule souvent alors que le récepteur de signaux satellitaires vient d’être démarré et est en phase d’accrochage (c’est la phase au cours de laquelle le récepteur recherche les satellites dont il va exploiter les signaux). En outre, le relief, la présence de bâtiments, ou un système externe de brouillage peuvent perturber la réception des signaux satellitaires, rendant le récepteur inopérant.
Il est aussi connu de comparer la position saisie et la dernière position connue du véhicule pour vérifier une coïncidence des deux, mais ce test n’est pas pertinent si le véhicule a été déplacé alors que l’unité électronique de navigation était hors tension (par exemple dans le cas d’un transport du véhicule).
Il est aussi connu de comparer la position saisie et la position grossièrement estimée à partir des capteurs inertiels de l’équipement, mais la précision de cette comparaison est faible et ne concerne que la latitude (la longitude n’est pas estimable).
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a notamment pour but de détecter une erreur de position au début d’une navigation.
A cet effet, on prévoit, selon l’invention un procédé de détection d’une erreur de position au moyen d’une unité électronique de navigation embarquée sur un véhicule et reliée d’une part à un dispositif inertiel fournissant des signaux exploités par l’unité électronique de navigation pour déterminer un déplacement du véhicule depuis une position actuelle insérée dans l’unité électronique de navigation et, d’autre part, à un magnétomètre agencé pour détecter une direction locale du champ magnétique terrestre. Le procédé comprend les étapes de :
  • déterminer par l’unité électronique de navigation une différence entre la direction locale détectée et une direction locale théorique du champ magnétique terrestre en la position actuelle,
  • en fonction de cette différence, considérer ladite position actuelle comme valide ou erronée.
Ainsi, en comparant la direction locale du champ magnétique terrestre mesurée et la direction théorique du champ magnétique terrestre en la position actuelle, il est possible de savoir si la position actuelle est probablement exacte lorsque les deux directions coïncident ou est probablement fausse lorsque les deux directions ne coïncident pas.
L’invention concerne également un dispositif de navigation pour la mise en œuvre de ce procédé et un véhicule, comme un aéronef, pourvu d’un tel dispositif.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
la est une vue schématique d’un véhicule embarquant un dispositif de navigation selon l’invention,
la est une représentation synoptique du procédé selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à la , l’invention est ici décrite en application à un véhicule 0, comme un avion, embarquant un dispositif de navigation selon l’invention.
Le dispositif de navigation, généralement désigné en 100, comprend une unité électronique de navigation 1 reliée à un dispositif inertiel 10, un magnétomètre 20 et un récepteur 30 de signaux satellitaires de positionnement.
Le dispositif inertiel comprend une centrale inertielle 10 (ou unité de mesure inertielle) qui comprend trois capteurs linéaires inertiels (accéléromètres) 11x, 11y, 11z disposés selon les trois axes x, y, z d’un repère de mesure pour détecter des accélérations selon ces trois axes et trois capteurs angulaires inertiels (gyromètres) 12x, 12y, 12z disposés pour mesurer des rotations de ce repère autour desdits axes. La centrale inertielle 10 est fixée au véhicule 0 de sorte que les capteurs 11x, 11y, 11z, 12x, 12y, 12z fournissent à l’unité électronique de navigation 1 des signaux représentatifs des mouvements du véhicule 0.
Le magnétomètre 20 est agencé pour mesurer la direction locale du champ magnétique terrestre par rapport au référentiel du porteur et fournit les composantes de cette direction à l’unité électronique de navigation 1.
Le récepteur 30 de signaux satellitaires de positionnement est agencé pour recevoir, à l’aide d’une antenne, des signaux satellitaires de positionnement provenant de satellites d’une constellation de satellites appartenant au système GPS, GALILEO, GLONASS ou BEIDU et pour calculer, à partir de ces signaux satellitaires de positionnement, une position du récepteur 30 et donc du véhicule dans lequel il est monté. Le récepteur 30 fournit les coordonnées de cette position à l’unité électronique de navigation 1.
La centrale inertielle 10, le magnétomètre 20 et le récepteur 30 sont connus en eux-mêmes et ne seront pas plus détaillés ici.
L’unité électronique de navigation 1 comprend une mémoire 2 contenant notamment un programme ayant des instructions agencées pour mettre en œuvre le procédé de l’invention et un processeur 3 pour exécuter ce programme. Le programme est agencé de manière connue en elle-même pour exploiter les données provenant de la centrale inertielle 10, du magnétomètre 20 et du récepteur 30 pour calculer une position du véhicule et déterminer la route suivie par le véhicule et met par exemple en œuvre un ou plusieurs filtres de Kalman. Selon un mode de fonctionnement classique, les données de position fournies par le récepteur 30, qui est précis sur le long terme, sont utilisées pour recaler les positions fournies par la centrale inertielle 10 qui, elle, dérive sur le long terme. D’autres modes de fonctionnement plus ou moins évolués sont bien entendu envisageables.
Ce programme commence par une étape d’alignement au cours de laquelle, le véhicule 0 étant immobile, une position initiale Pi (latitude, longitude et altitude) est insérée dans le programme. Cette position initiale Pi est ici saisie par un opérateur humain via une interface de communication (opération A sur la ). Cette position initiale Pi sert de base pour la navigation et permet l’alignement précis de la centrale inertielle 10 : on comprend dès lors l’importance de la position initiale.
Selon l’invention, le programme exécute une opération de vérification de cette position.
A cette fin, la mémoire 2 comprend un modèle de champ magnétique terrestre de couverture mondiale mettant en relation tout point du globe et des données locales théoriques du champ magnétique terrestre. Ce modèle permet de retrouver les données locales théoriques du champ magnétique terrestre en des positions représentées par leurs latitude, longitude et altitude. Ces données locales théoriques comprennent la déviation magnétique locale théorique DMLt, c’est-à-dire les composantes horizontales de la direction locale du champ magnétique terrestre, et l’inclinaison magnétique locale théorique IMLt, c’est-à-dire la composante verticale de la direction locale du champ magnétique terrestre. Le modèle est ici le modèle WMM (« World Magnetic Model ») élaboré par l’organisme « National Oceanographic and Atmospheric Administration » ou NOAA ; ou bien une extension de ce modèle nommée EMM (« Enhanced Magnetic Model »), mais d’autres modèles sont également utilisables.
L’opération de vérification débute par l’étape de déterminer une direction du Nord géographique DNG et l’étape de déterminer une direction du Nord magnétique DNM.
L’étape de déterminer la direction du Nord géographique DGN est réalisée par l’unité électronique de commande 1 à partir des signaux fournis par la centrale inertielle 10 (fonctionnant selon un mode gyrocompas) et de la position initiale Pi. On parle couramment d’alignement fin (« fine alignment ») pour désigner cette opération connue en elle-même.
L’étape de déterminer la direction du Nord magnétique DGM est réalisée par l’unité électronique de commande 1 à partir des signaux fournis par le magnétomètre 20.
L’unité électronique de commande 1 compare la direction du Nord géographique DGN et la direction du Nord magnétique DGM dans le plan horizontal pour obtenir la déviation magnétique localement mesurée DMLm et dans le plan vertical pour obtenir l’inclinaison magnétique localement mesurée IMLm (opération B1 sur la ). On notera que l’opération B1 est ici réalisée, une seule fois lors de l’alignement et de manière ponctuelle, après que la direction du Nord a été déterminée de manière suffisamment précise.
En parallèle, l’unité électronique de navigation 1 détermine, à l’aide du modèle WMM contenu dans la mémoire 2, les données locales théoriques du champ magnétique terrestre pour la position initiale Pi, à savoir la déviation magnétique locale théorique DMLt et l’inclinaison magnétique localement mesurée IMLt.
L’unité électronique de navigation 1 compare ensuite (opération B2 sur la ) :
  • d’une part la déviation magnétique localement mesurée DMLm à la déviation magnétique locale théorique DMLt, et,
  • d’autre part, l’inclinaison magnétique localement mesurée IMLm à l’inclinaison magnétique locale théorique IMLt.
Pour ce faire, l’unité électronique de navigation 1 calcule un écart horizontal en soustrayant la déviation magnétique localement mesurée DMLm à la déviation magnétique locale théorique DMLt et un écart vertical en soustrayant l’inclinaison magnétique localement mesurée IMLm à l’inclinaison magnétique locale théorique IMLt.
L’unité électronique de navigation 1 compare ensuite l’écart horizontal et l’écart vertical respectivement à un premier seuil prédéterminé et à un deuxième seuil prédéterminé. A titre d’exemple, on peut définir un premier seuil égal à 1% de la déviation magnétique locale théorique DMLt et un deuxième seuil égal à 1% de l’inclinaison magnétique locale théorique IMLt si l’on considère qu’est acceptable une différence de moins de 1% entre la direction locale mesurée et la direction locale théorique du champ magnétique terrestre en la position initiale Pi, compte-tenu de la précision des mesures fournies par le magnétomètre 20.
Si l’un de l’écart horizontal et l’écart vertical est supérieur au seuil concerné, la position initiale Pi est considérée comme erronée.
A l’inverse, si l’écart horizontal et l’écart vertical sont inférieurs ou égaux respectivement au premier seuil et au deuxième seuil, la position initiale Pi est considérée comme valide.
Lorsque la position initiale Pi est erronée, l’unité électronique de navigation 1 émet une alerte. La position initiale Pi est alors ignorée et l’unité électronique de navigation 1 demande la saisie d’une nouvelle position initiale à l’opérateur humain via l’interface de saisie. En parallèle, l’unité électronique de navigation 1 attend la fin de la phase d’accrochage du récepteur 30 pour que ce dernier lui fournisse une position qui sera alors utilisée comme position initiale en absence de saisie d’une nouvelle position initiale par l’opérateur humain. Dans le cas où un délai d’attente d’une position GNSS prédéterminée est dépassé, l’unité électronique de navigation 1 réémet une nouvelle alerte et demande la saisie d’une nouvelle position initiale à l’opérateur humain via l’interface de saisie.
Pour renforcer la décision, il est possible de procéder à une ou plusieurs vérifications additionnelles avant, après ou en parallèle de la vérification principale ci-dessus.
Selon une première vérification additionnelle, si le récepteur 30 peut fournir une position Ps à partir des signaux satellitaires reçus, l’unité électronique de navigation 1 calcule un écart positionnel entre les positions Pi et Ps (étape C1) et le compare à un troisième seuil (étape C2). Si l’écart positionnel est inférieur au seuil, la pertinence de la position initiale Pi est confirmée.
Selon une deuxième vérification additionnelle, l’unité électronique de navigation 1 exploite les signaux fournis par la centrale inertielle 10, sans tenir compte de la position initiale Pi, pour estimer une latitude Lest (on parle couramment d’alignement grossier ou « coarse alignment » pour désigner cette opération connue en elle-même) et sélectionne une latitude initiale Li correspondant à la position Pi (opération D1). L’unité électronique de navigation 1 calcule un écart entre la latitude insérée Li et la latitude estimée Lest et compare l’écart de latitude à un seuil (opération D2). Si l’écart de latitude est inférieur au seuil, la validité de la position initiale Pi est confirmée.
Selon une troisième vérification additionnelle, il est prévu de mémoriser la latitude de la position actuelle du véhicule avant chaque extinction du dispositif de navigation. Lors de l’alignement, l’unité électronique de navigation 1 va rechercher dans la mémoire 2 la dernière latitude mémorisée Lmem et sélectionne une latitude initiale correspondant à la position Pi (opération E1). L’unité électronique de navigation 1 calcule un écart entre la latitude insérée Li et la latitude mémorisée Lmem et compare l’écart de latitude à un seuil (opération E2). Si l’écart de latitude est inférieur au seuil, la validité de la position initiale Pi est confirmée.
En variante, on pourrait imaginer de démarrer la phase d’alignement par une ou plusieurs des vérifications additionnelles et de recourir à la vérification principale uniquement en cas d’échec.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.
En particulier, le dispositif de navigation selon l’invention peut avoir une structure différente de celle décrite ci-dessus. Par exemple, il peut ne pas comprendre de récepteur de signaux satellitaires de positionnement ou il peut comprendre un autre dispositif de positionnement comme un dispositif de positionnement stellaire.
L’unité électronique de navigation peut être réalisée différemment, par exemple sous la forme d’un circuit logique programmable (FPGA) ou d’un microcontrôleur.
L’invention peut être mise en œuvre en utilisant une seule composante de la direction locale du champ magnétique et par exemple uniquement la déviation magnétique ou l’inclinaison magnétique ou l’intensité du champ magnétique.
En outre, il est possible d’utiliser un autre modèle de champ magnétique terrestre comme les modèles IGRF (« International Geomagnetic Reference Field »), BGS (« British Geological Survey ») Magnetic Field, MEME (« Model of the Earth’s Magnetic Environment »)…
Les données locales théoriques du champ magnétique terrestre peuvent être recherchées dans une base de données mettant en relation des zones géographiques et des données locales théoriques du champ magnétique terrestre. La base de données peut être hébergée dans l’unité électronique de navigation ou être accessible par celle-ci via un réseau informatique comme le réseau Internet. Les zones géographiques peuvent être non pas des points mais des régions, des villes, des aéroports… On comprend que la précision des données locales dépend de l’étendue de la zone géographique à laquelle elles sont rattachées dans la base de données et que plus l’étendue géographique est petite et plus les données locales seront précises. Le seuil est avantageusement défini en fonction de l’étendue des zones géographiques auxquelles sont rattachées les données locales théoriques du champ magnétique terrestre. Plus les zones géographiques sont étendues et plus le seuil est élevé.
Il est possible d’effectuer une ou plusieurs opérations mathématiques sur la différence entre la direction locale détectée et une direction locale théorique du champ magnétique terrestre en la position actuelle avant de la comparer à un seuil.
Il est possible de comparer les directions locales du champ magnétique terrestre sans recourir à des seuils.
L’invention est applicable à tout type de véhicule terrestre, naval, aérien.

Claims (11)

  1. Procédé de détection d’une erreur de position au moyen d’une unité électronique de navigation (1) embarquée sur un véhicule (0) et reliée d’une part à un dispositif inertiel (10) fournissant des signaux exploités par l’unité électronique de navigation (1) pour déterminer un déplacement du véhicule (0) depuis une position actuelle (Pi) insérée dans l’unité électronique de navigation (1) et, d’autre part, à un magnétomètre (20) agencé pour détecter une direction locale du champ magnétique terrestre, le procédé comprenant les étapes de :
    - déterminer par l’unité électronique de navigation (1) une différence entre la direction locale détectée et une direction locale théorique du champ magnétique terrestre en la position actuelle,
    - en fonction de cette différence, considérer ladite position actuelle comme valide ou erronée.
  2. Procédé selon la revendication 1, comprenant l’étape de déterminer une déviation locale mesurée du champ magnétique terrestre (DMLm) et la comparer à une déviation locale théorique du champ magnétique terrestre (DMLt) en la position actuelle.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la déviation locale mesurée du champ magnétique terrestre (DMLm) est déterminée en comparant une direction du Nord magnétique (DNM) fournie par le magnétomètre (20) et une direction du Nord géographique (DNG) fournie par l’unité électronique de navigation (1).
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l’unité électronique de navigation (1) détermine la direction du Nord géographique (DNG) à partir des signaux fournis par le dispositif inertiel (10) et de la position actuelle (Pi).
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendication 1 à 4, comprenant l’étape de déterminer une inclinaison locale du champ magnétique terrestre (IMLm) et la comparer à une inclinaison théorique du champ magnétique terrestre (IMLt) en la position actuelle (Pi).
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la différence entre la direction locale détectée et une direction locale théorique du champ magnétique terrestre en la position actuelle (Pi) est comparée à un seuil prédéterminé.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, mis en œuvre lors d’une phase d’alignement du dispositif inertiel (10).
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la position actuelle (Pi) a été insérée dans l’unité électronique de navigation (1) par un opérateur humain.
  9. Dispositif de navigation destiné à être embarqué sur un véhicule (0), comprenant une unité électronique de navigation (1), un dispositif inertiel (10) qui est relié à l’unité électronique de navigation (1) pour lui fournir des signaux représentatifs de mouvement, et un magnétomètre (20) qui est relié à l’unité électronique de navigation (1) et qui est agencé pour détecter une direction locale du champ magnétique terrestre, l’unité électronique de navigation (1) étant agencée pour exploiter les signaux représentatifs de mouvement pour déterminer un déplacement du véhicule (0) depuis une position mémorisée (Pi) dans l’unité électronique de navigation (1) et pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel l’unité électronique de navigation (1) comporte une mémoire (2) contenant un programme ayant des instructions agencées pour mettre en œuvre ledit procédé et un processeur (3) pour exécuter ledit programme.
  11. Véhicule, notamment aéronef, embarquant un dispositif selon l’une quelconque des revendications 9 et 10.
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