FR3134457A1

FR3134457A1 - Navigation hybridée avec détection de leurrage par surveillance d'écarts

Info

Publication number: FR3134457A1
Application number: FR2203339A
Authority: FR
Inventors: Yves BECHERET
Original assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-10-13
Also published as: WO2023198710A1

Abstract

Procédé de navigation, comprenant le calcul en continu d’une localisation inertielle et, à des instants courants successifs, l’obtention d’une localisation satellitaire pour calculer une localisation hybridée par hybridation de la localisation inertielle et de la localisation satellitaire. Le procédé comprend : le calcul d’un écart instantané à un instant donné puis d’un écart entretenu depuis l’instant de calcul dudit écart instantané jusqu’à l’instant courant pour disposer, pour une période de temps donnée, d’une pluralité d’écarts entretenus depuis des instants de calcul différents jusqu’à un même instant courant ; le calcul pour chaque écart entretenu d’au moins un indicateur de détection ; la comparaison, à un seuil, dudit indicateur de détection pour détecter une défaillance de la localisation hybridée à l’instant courant. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1

Description

Navigation hybridée avec détection de leurrage par surveillance d’écarts

La présente invention concerne le domaine de la navigation et plus particulièrement la navigation hybride inertielle satellitaire.

ARRIERE PLAN DE L’INVENTION

Il est connu des systèmes de navigation inertielle comprenant une unité de mesure inertielle reliée par une liaison de données à une unité électronique de calcul de navigation.

L’unité de mesure inertielle comprend des accéléromètres et des capteurs angulaires disposés selon les axes d’un repère de mesure pour fournir des signaux primaires représentatifs de l'intégrale, sur un pas de temps, du vecteur de force spécifique par rapport à un repère inertiel de référence. Les signaux successifs sont ainsi représentatifs de l’intégrale du vecteur de force spécifique d’un instant t₀à un instant t₁, puis de l’instant t₁à un instant t₂, puis de l’instant t₂à un instant t₃, etc.) : les signaux sont donc généralement appelés incréments. La force spécifique (en anglais « specific force », « g-force » ou « mass-specific force ») est, elle, une représentation de la somme, d’une part, de l’accélération du porteur (par exemple un véhicule) de l’unité de mesure inertielle par rapport au repère inertiel et, d’autre part, de la pesanteur terrestre.

L’unité électronique de calcul de navigation comprend un processeur et une mémoire contenant un programme informatique de navigation qui est exécuté par le processeur et qui exploite les signaux fournis par l’unité de mesure inertielle pour déterminer des données inertielles de localisation du véhicule embarquant le système de navigation, ces données comprenant la position, la vitesse et l’attitude du véhicule qui sont calculées à partir des signaux provenant de l’unité de mesure inertielle.

On sait que les données inertielles de localisation sont entachées d’erreurs liées notamment aux capteurs inertiels, comme les erreurs de dérive, les biais, et les erreurs de facteurs d’échelle. Ces erreurs affectent donc la précision de la navigation.

Pour améliorer la précision de la navigation, il a été envisagé d’utiliser des capteurs inertiels plus coûteux et d’optimiser les traitements électroniques des signaux.

Il est également connu d’utiliser des données externes de localisation, issues par exemple d’un système de navigation par satellites (système dits GNSS, comme les systèmes GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU…), pour recaler périodiquement la navigation inertielle. On parle alors d’une navigation hybridée (ou hybride).

On rappelle que le positionnement ou la localisation satellitaire consiste à recevoir des signaux émis par des satellites dont la position est connue et de déduire de la durée (ou temps de vol), entre l’émission et la réception de chacun des signaux, une mesure dite de pseudo-distance séparant le récepteur des signaux satellitaires et chacun des satellites dont le signal a été reçu (chaque signal comportant un identifiant du satellite et l’horaire d’émission du signal). Ainsi, il suffit de disposer des signaux de quatre satellites pour disposer de la latitude, de la longitude et de l’altitude du récepteur, qui forment des données satellitaires de localisation, ainsi que d’une erreur sur les durées mesurées, mais la localisation est d’autant plus précise qu’est grand le nombre de satellites dont les signaux ont été pris en compte par le récepteur pour calculer sa position.

Un système de navigation hybride fusionne les données inertielles de localisation provenant de la centrale inertielle de navigation et les données satellitaires de localisation provenant du récepteur de signaux satellitaires. Ce système de navigation intègre un ou plusieurs filtres de Kalman agencés pour que la navigation hybride soit recalée sur les données satellitaires de localisation.

Cependant, en parallèle du développement des récepteurs de signaux satellitaires, sont apparus des dispositifs leurrants pour leurrer ces récepteurs de signaux satellitaires (on parle de « leurrage » ou de « spoofing » des récepteurs). Un tel dispositif comprend une unité électronique de traitement reliée à un émetteur de signaux radiofréquences pour émettre des signaux frauduleux ayant les caractéristiques des signaux satellitaires. Plus précisément, l’unité électronique de traitement est agencée pour élaborer, à partir d’une position initiale réelle d’un récepteur de signaux satellitaires, des signaux frauduleux qui, lorsqu’ils sont captés par le récepteur de signaux satellitaires, conduisent le récepteur de signaux satellitaires à calculer une position erronée. La position initiale réelle du récepteur de signaux satellitaires peut être détectée par exemple au moyen d’un télémètre laser ou communiquée par le véhicule embarquant le récepteur de signaux satellitaires via l’émission de signaux de localisation imposée par certaines règles de navigation, notamment aérienne et maritime (signaux ADS-B ou AIS émis par les véhicules pour communiquer sa position à leurs voisins). Pour que les signaux frauduleux soient pris en compte par le récepteur de signaux satellitaires, il ne suffit pas d’émettre les signaux frauduleux avec une puissance supérieure aux signaux satellitaires originaux. Il faut également que les signaux frauduleux aient la même phase de code et un effet Doppler se trouvant dans la même gamme que celles des signaux satellitaires préalablement reçus par le récepteur de signaux satellitaires. Si le premier signal frauduleux reçu est cohérent avec la position calculée dernièrement par le récepteur de signaux satellitaires et avec les signaux satellitaires reçus antérieurement, et si les signaux frauduleux ultérieurement reçus sont cohérents entre eux, les signaux frauduleux seront utilisés par le récepteur de signaux satellitaires comme s’ils étaient de vrais signaux satellitaires et l’erreur sur la position réelle du récepteur de signaux satellitaires ne pourra pas être détectée.

Le filtre de Kalman des systèmes de navigation hybride est protégé par un test d’innovation pour détecter les mesures aberrantes et les rejeter. Cependant, si les signaux frauduleux ont suffisamment de cohérence, alors ils peuvent satisfaire ce test d'innovation et il est donc ainsi possible d'amener à un recalage de la navigation hybride sur les positions de leurrage. Ainsi, les données satellitaires de positionnement qui permettent normalement de compenser les erreurs des données inertielles de positionnement sur le long terme sont affectées par les signaux frauduleux deviennent une source d’erreur de navigation.

OBJET DE L’INVENTION

L’invention a notamment pour but de détecter une opération de leurrage et, une fois l’opération de leurrage détectée, de fournir une navigation non leurrée.

A cet effet, on prévoit, selon l’invention, un procédé de navigation, comprenant le calcul en continu d’une localisation inertielle et, à des instants courants successifs, l’obtention d’une localisation satellitaire pour calculer une localisation hybridée par hybridation de la localisation inertielle et de la localisation satellitaire, caractérisé en ce que le procédé comprend :

le calcul d’au moins un écart instantané entre la localisation inertielle et la localisation hybridée à chaque instant courant ;
le calcul, à partir de chaque écart instantané, d’un écart entretenu depuis l’instant de calcul dudit écart instantané jusqu’à l’instant courant par une intégration d’un indicateur d’erreur statistique de la localisation en utilisant un modèle d’évolution d’erreur de localisation, et la mémorisation de l’écart entretenu pour disposer, pour une période de temps donnée, d’une pluralité d’écarts entretenus et d’indicateurs statistiques entretenus depuis des instants de calcul différents jusqu’à un même instant courant ;
le calcul pour chaque écart entretenu d’au moins un indicateur de détection comprenant un rapport entre :

une différence entre l’écart instantané et l’écart entretenu, et
une valeur basée sur l’indicateur d’erreur statistique entretenu et un indicateur d’erreur statistique de la localisation hybridée à l’instant courant ;

la comparaison, à un seuil, dudit indicateur de détection pour détecter une défaillance de la localisation hybridée à l’instant courant.

Ainsi, le leurrage est détecté en vérifiant que la différence entre, d’une part, l’écart instantané entre la navigation hybride opérationnelle et la navigation inertielle à l’instant courant et, d’autre part, chacun des écarts entretenus est cohérente avec les erreurs propres à la navigation inertielle. Comme on dispose de plusieurs écarts entretenus depuis des instants différents, on peut effectuer une analyse temporelle des écarts qui permet de détecter à la fois des opérations de leurrage rapide et des opérations de leurrage lent. On notera également que, avec l’invention, il n’est pas nécessaire de calculer une pluralité de navigations inertielles à partir d’instants différents, mais d’entretenir les écarts de ces navigations par rapport à la navigation hybride, ce qui nécessite des calculs plus simples nettement moins coûteux en ressources.

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 partielle d’un aéronef équipé d’un dispositif de navigation mettant en œuvre le procédé de l’invention ;

la est un logigramme illustrant le procédé de l’invention ;

la est un chronogramme illustrant l’état de la mémoire de ce dispositif de navigation à un instant donné.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

En référence aux figures, l’invention est ici décrite dans une application aéronautique, en relation à un dispositif de navigation embarqué dans un avion 1.

Le dispositif de navigation comprend une unité de mesure inertielle 10, une unité de réception de signaux satellitaires de positionnement 20 et une unité de mesure baro-altimétrique 30 toutes trois reliées à une unité électronique de calcul de navigation 40.

L’unité de mesure inertielle 10 comprend des capteurs inertiels, à savoir des capteurs inertiels linéaires (plus précisément des accéléromètres 11.1, 11.2, 11.3) disposés selon les axes x, y, z d’un repère de mesure m pour mesurer la « vitesse gravitationnelle » de ce repère (c’est-à-dire l’intégrale temporelle de la force spécifique présente au niveau du centre de ce repère) et des capteurs inertiels angulaires, ici des gyromètres 12.1, 12.2, 12.3 disposés selon les axes x, y, z de ce repère pour mesurer la rotation du repère de mesure m par rapport à un repère inertiel i non représenté. Les capteurs inertiels ne fournissent pas des valeurs absolues mais des incréments représentatifs d’une variation de la grandeur mesurée par rapport à la précédente mesure. Le repère inertiel est par exemple le repère de mesure m à la mise sous tension de l’unité de mesure inertielle 10 ou n’importe quel autre repère inertiel décalé angulairement par rapport à ce dernier. Les incréments de l’intégrale de la force spécifique (notés Incr.fs sur la ) sont représentatifs d’une variation des composantes de la vitesse gravitationnelle selon les trois axes du repère de mesure. Les incréments de rotation (notés Incr.ω sur la ) sont représentatifs de la variation de l'intégrale dans le temps de la vitesse de rotation angulaire du repère de mesure m par rapport au repère inertiel et sont fournis sous la forme de quaternions, d’angles d’Euler, de matrices de rotation, ou de vecteurs de Bortz. L’unité de mesure inertielle 10 fournit ainsi à l’unité électronique de traitement 40 des signaux de positionnement inertiel contenant des premières données représentatives d’une variation de vitesse gravitationnelle (mesure accélérométrique) et des deuxièmes données représentatives d’une variation d'angle (mesure gyrométrique). Une telle unité de mesure inertielle est connue en elle-même et ne sera pas plus détaillée ici.

L’unité de réception de signaux satellitaires de positionnement 20 comprend un circuit électronique et une antenne pour recevoir et décoder des signaux satellitaires de positionnement provenant de satellites appartenant à une constellation de satellites en orbite autour de la Terre telle que les constellations des systèmes de positionnement par satellites GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… Le circuit électronique est agencé pour calculer des pseudo-distances (PseudoD sur la ) séparant l’unité de réception de signaux satellitaires de positionnement 20 par rapport à chaque satellite dont un signal a été reçu à un instant t et pour fournir à l’unité électronique de traitement 40 une localisation satellitaire qui comprend ici un jeu de pseudo-distances à l’instant t. En variante, l’unité de réception de signaux satellitaires de positionnement 20 peut être agencée pour calculer une position satellitaire de l’aéronef 1 à partir des pseudo-distances et pour fournir cette position satellitaire comme localisation satellitaire. Une telle unité de réception de signaux satellitaires de positionnement est connue en elle-même et ne sera pas plus détaillée ici.

L’unité baro-altimétrique 30 est agencée pour fournir un signal AB (voir ) représentatif de l’altitude de l’aéronef 1 en fonction de la pression atmosphérique qui l’environne. Une telle unité baro-altimétrique est connue en elle-même et ne sera pas plus détaillée ici.

L’unité électronique de traitement 40 comprend un circuit électronique ayant des entrées reliées aux sorties de l’unité de mesure inertielle 10, de l’unité de réception des signaux satellitaires de positionnement 20 et de l’unité baro-altimétrique 30 par exemple par des conducteurs électriques. Le circuit électronique de traitement comprend ici au moins un processeur et une mémoire contenant un programme informatique qui est exécutable par le processeur et qui comprend des instructions agencées pour mettre en œuvre le procédé de l’invention.

Plus précisément, l’unité électronique de traitement 40 met en œuvre un algorithme de navigation inertielle pure (IP sur la ) agencé pour exploiter les signaux en provenance de l’unité de mesure inertielle 10 pour calculer une localisation inertielle Loc.i de l’aéronef 1, ladite localisation comprenant :

une position (latitude, longitude et altitude),
une vitesse (ou la vitesse verticale et deux composantes de rotation horizontale autour de la Terre),
une attitude (angles de roulis, tangage, lacet).

L’information baro-altimétrique AB est utilisée pour effectuer un bouclage de l’altitude de manière à avoir une altitude déterminée plus précisément et une vitesse verticale non divergente et affectée d’une erreur limitée, et tenir compte de la courbure apparente de l’ellipse terrestre qui dépend de l’altitude.

L’unité électronique de traitement 40 met également en œuvre un algorithme de navigation hybridée (Hyb sur la ) pour calculer, de manière connue en elle-même, une localisation hybride Loc.h à partir des pseudo-distances PseudoD et de la localisation inertielle Loc.i. L’hybridation consiste, grossièrement, à recaler la navigation inertielle pure sur une position satellitaire de l’aéronef déterminée à partir des pseudo-distances PseudoD. Les méthodes d’hybridation sont connues en elles-mêmes et mettent par exemple en œuvre des filtres de Kalman : elles ne seront pas détaillées ici.

Le procédé selon l’invention comprend ainsi, de manière classique, le calcul en continu d’une localisation inertielle et à un instant courant, l’obtention de données satellitaires de localisation pour calculer une localisation hybridée par hybridation de la localisation inertielle et de la localisation satellitaire. La localisation hybridée, normalement plus précise que la localisation inertielle pure, sert pour la navigation opérationnelle du véhicule en dehors de toute opération de leurrage. On comprend que l’instant courant a été précédé dans le temps par d’autres instants courants qui sont devenus des instants passés.

Mais le procédé de l’invention a également pour objectifs de :

déterminer si est en cours une opération de leurrage de l’unité de réception des signaux satellitaires de positionnement 20 susceptible d’affecter la précision réelle de la localisation inertielle hybridée comparativement à la précision auto-estimée de ladite localisation inertielle hybridée,
le cas échéant, fournir une navigation de secours non affectée par le leurrage.

On s’intéresse ici au leurrage horizontal qui est le plus difficile à détecter (l’erreur verticale induite par un leurrage vertical peut plus facilement être détectée à partir de l’altitude barométrique AB). Les données de localisation qui nous intéressent sont donc les données de localisation horizontale, à savoir les données de position selon les deux axes horizontaux et les données de vitesse selon ces deux mêmes axes.

Le procédé comprend les étapes de :

calculer au moins un écart instantané ELH_inst entre la localisation horizontale inertielle pure à l’instant courant et la localisation horizontale hybridée à l’instant courant ;
calculer ensuite, à partir de l’écart instantané ELH_inst, un écart ELH_entr entretenu depuis l’instant de calcul dudit écart instantané jusqu’à l’instant courant par une intégration d’un indicateur d’erreur statistique de la localisation inertielle, et mémoriser dans une mémoire (notée MEM sur la ) l’écart entretenu ELH_entr pour disposer, pour une période de temps donnée, d’une pluralité d’écarts entretenus et d’indicateurs statistiques entretenus, jusqu’à l’instant courant, depuis des instants de calcul différents (plus précisément, depuis des instants courants d’initialisation de calcul devenus depuis des instants passés d’initialisation de calcul) ;
calculer, à partir de ces écarts et des indicateurs d’erreur statistique, un indicateur de détection Id qui sera comparé à un seuil S pour détecter une défaillance de la localisation hybridée ;
fournir, en cas de dépassement du seuil, une navigation de secours qui permette de réinitialiser la navigation hybridée de manière plus précise que la localisation inertielle pure.

On calcule donc des écarts entre la navigation inertielle pure entretenue depuis un temps t_ret la navigation inertielle pure initialisée par la navigation hybride dite inertie « en coasting » depuis t_r. Pour chacun de ces écarts, l’indicateur d’erreur statistique est ici la covariance d’erreur de la localisation horizontale hybridée courante et la covariance d’erreur de la localisation horizontale inertielle en coasting depuis t_r. Cette covariance est initialisée d’après la covariance de l’erreur de localisation hybridée à l’instant t_rd’initialisation puis est entretenue via un modèle d’erreur linéarisé sous forme de matrice d’évolution erreurs de localisation horizontale et éventuellement de paramètres d’erreur de l’UMI et de niveau de bruits aléatoires du modèle d’évolution.

On comprend qu’avec le procédé de l’invention, on dispose d’une pluralité d’écarts entre la navigation inertielle pure initiée et la navigation hybridée depuis des instants prédéterminés différents (et donc à partir de localisations satellitaires différentes).

On note :

t_i(i variant de 1 à N+1, t1 étant l’instant le plus ancien et t_N+1étant l’instant courant) la date, en base de temps de navigation, de l’instant d’échantillonnage des données de localisation horizontale utilisées pour le calcul et l’entretien des écarts ;
Δt le pas de temps, égal ou multiple entier de la cadence de recalage du filtre de navigation hybridée, ici égal à quatre secondes ;
ELH(t_i, t_N+1) l’écart entretenu, depuis t_ijusqu’à t_N+1, entre la localisation horizontale inertielle et la localisation horizontale hybridée ;
ELH(t_N+1, t_N+1) l’écart instantané entre la localisation horizontale inertielle et la localisation horizontale hybridée à t_N+1.

On comprend que la localisation horizontale hybridée à l’instant courant t_N+1a bénéficié de recalages successifs sur les localisations satellitaires tandis que la localisation horizontale inertielle initiée depuis l’instant t_in’en a pas bénéficié.

En l’absence de leurrage de la navigation hybridée, et en négligeant l’effet des erreurs de l’unité de mesure inertielle en entrée de la navigation inertielle pure, l’évolution de l’erreur de la navigation inertielle pure en l’absence de manœuvre est parfaitement déterministe à t_N+1connaissant :

à t_i, les valeurs exactes d’erreur de position horizontale, les valeurs exactes d’erreur de projection de la rotation terrestre (position plateforme analytique p par rapport au repère terrestre), les valeurs exactes de vitesse horizontale autour de la terre et les valeurs exactes d’attitude (position plateforme analytique p par rapport au repère de mesure m des capteurs inertiels de l’UMI) ;
les valeurs approximatives des latitudes et altitudes courantes entre t_iet t_N+1.

On cherche donc à vérifier que la différence entre l’écart instantané ELH(t_N+1, t_N+1) et l’écart entretenu ELH(t_i, t_N+1) à l'instant courant t_N+1est cohérent avec ce qui est attendu.

Pour obtenir l’écart ELH(t_i, t_N+1), on réalise une intégration, depuis l’instant prédéterminé t_ijusqu’à l’instant courant t_N+1, de la variance de localisation inertielle en utilisant un modèle d’évolution d’erreur de localisation horizontale inertielle. Le modèle d’évolution d’erreur de localisation horizontale inertielle est connu en lui-même. Il s’agit généralement d’une matrice F comprenant sept états d’erreur :

deux états d’erreur sur la position angulaire,
deux états d’erreur sur la vitesse angulaire du mouvement de déplacement autour de la Terre (ou deux états d’erreur de vitesse horizontale),
trois états d’erreur d’attitude.

Plus précisément ici, le modèle d’évolution d’erreur utilisé est l’exponentielle de F*Δt, à savoir une matrice linéarisée du modèle d’erreur de navigation inertielle horizontale à la position et à la vitesse moyenne sur le pas de temps Δt. La prise en compte de la position et de la durée moyenne sur Δt dans F permet d’améliorer la précision de l’algorithme de calcul des écarts.

Ce modèle peut être complété, de manière approximative, pour améliorer la précision du modèle d’évolution d’erreur lors des phases d’accélération, ralentissement, ou de virages, par la prise en compte de l’effet de l’erreur d’azimut de la manière suivante :

l’entrée d’accélération dans le repère stabilisé de la plateforme analytique p, constante est approximée par la variation de vitesse horizontale inertielle (sur Δt) sur l’erreur de vitesse ;
on utilise un facteur de correction de l’approximation ci-dessus (rapport de l’accélération constante sur Δt sur l’erreur de position horizontale) égal au produit de l’erreur d’azimut et du rapport de l’écart entre la variation de position horizontale (sur Δt) et l’erreur de position horizontale.

Plus simplement, on peut calculer une propagation des sept états et d’un bruit de désensibilisation (marche aléatoire de vitesse/attitude/position).

Des modèles utilisables pour la mise en œuvre de l’invention sont décrits dans le document « A Generic Inertial Navigation System Model for Computer Simulation Studies », D.A.B. Gogg et R.T. Janus, Technical Memorandum WRSL-TM-30/90, Department of Defence, Defence Science and Technology Organisation, septembre 1990.

On rappelle que les données de localisation qui nous intéressent sont ici les données de position selon les deux axes horizontaux et les données de vitesse selon ces deux mêmes axes : on calcule donc un écart ELH(t_i, t_N+1) de position pour chacun des deux axes et un écart ELH(t_i, t_N+1) de vitesse pour chacun des deux axes.

On calcule un indicateur de détection Id pour chaque écart ELH(t_i, t_N+1). Bien que pour des raisons de simplicité, on ne parle ici que d’un indicateur de détection, il y a un indicateur de détection pour la position et un indicateur de détection pour la vitesse qui sont calculés de la même manière.

L’indicateur de détection Id est un rapport. Le numérateur est égal au carré de la différence entre l’écart instantané ELH(t_N+1, t_N+1) et l’écart entretenu ELH(t_i, t_N+1). Le dénominateur est la somme de :

la variance de la localisation horizontale résultant de la propagation du modèle d’évolution d’erreur de localisation horizontale des covariances d’erreur de localisation horizontale hybridée et de localisation horizontale inertielle à t_i;
la variance d’erreur de localisation horizontale hybridée à t_N+1.

Chaque indicateur de détection Id est ensuite comparé à un seuil S fixé en fonction de la probabilité de fausse détection souhaitée. Le seuil est ici fixé à 3,5 ce qui autorise une probabilité de fausse détection ici inférieure à 10^-3.

Si l’indicateur de détection Id est inférieur au seuil, les écarts sont cohérents et il n’y a donc a priori pas de leurrage. La localisation horizontale hybride reste utilisée pour la navigation opérationnelle.

Dans le cas contraire, on considère qu’un leurrage est en cours et une alerte est émise.

Comme on dispose en mémoire de plusieurs écarts entretenus depuis des instants différents, il est possible de faire une analyse sur toute la période donnée, ce qui permet de détecter des leurrages rapides occasionnant une brusque dérive de la localisation horizontale hybride à partir simplement des écarts les plus récents et des leurrages lents occasionnant une dérive très progressive de la localisation horizontale hybride opérationnelle à partir des écarts les plus anciens.

On comprend donc que la détection des leurrages lents est d’autant plus efficace qu’on dispose de données anciennes. Cependant, il est nécessaire de limiter le nombre N de données en mémoire pour limiter la taille de celle-ci et le volume de calculs à réaliser.

Si on utilise une simple fenêtre temporelle glissante pour gérer le contenu de la mémoire (à chaque instant prédéterminé, la donnée la plus ancienne est effacée et la dernière donnée calculée est mémorisée), on comprend que la profondeur temporelle sera très limitée.

On utilise donc préférentiellement un algorithme de sélection des données mémorisées tel qu’au bout d’un certain temps, le groupe de données mémorisées contient, pour la période donnée, une première série d’écarts entretenus dernièrement mémorisés et des séries d’écarts entretenus séparées de la première série par des multiples du pas de temps.

Plus précisément, l’algorithme vise à conserver dans le groupe :

une première série de n écarts entretenus, dernièrement mémorisés, séparés deux à deux par un pas de temps,
une deuxième série de n écarts entretenus, séparée de la première série par deux fois le pas de temps, les écarts entretenus de la deuxième série étant séparés deux à deux par deux pas de temps,
une troisième série de n écarts entretenus, séparée de la deuxième série par quatre fois le pas de temps, les écarts entretenus de la troisième série étant séparés deux à deux par quatre pas de temps,
une quatrième série de n écarts entretenus, séparée de la troisième série par huit fois le pas de temps, les écarts entretenus de la quatrième série étant séparés deux à deux par huit pas de temps,
une cinquième série de n écarts entretenus, séparée de la quatrième série par seize fois le pas de temps, les écarts entretenus de la cinquième série étant séparés deux à deux par seize pas de temps,
une sixième série de n écarts entretenus, séparée de la cinquième série par trente-deux fois le pas de temps, les écarts entretenus de la sixième série étant séparés deux à deux par trente-deux pas de temps.

Le nombre n est ici égal à quatre. On a représenté sur la les trois premières séries :

la première série S1 comprend les écarts entretenus depuis les instants -4, -8, -12, -16 (soit l’instant courant moins un pas de temps, l’instant courant moins deux pas de temps, l’instant courant moins trois pas de temps, l’instant courant moins quatre pas de temps) ;
l’écart entretenu depuis l’instant prédéterminé -20 a été supprimé ;
la deuxième série S2 comprend les écarts entretenus depuis les instants -24, -32, -40, -48 ;
les écarts entretenus depuis les instants -52, -56, -60, -64 ont été supprimés ;
la troisième série S3 comprend les données des instants prédéterminés -68, -84, -100, 116 ;
et ainsi de suite pour les autres séries…

On peut également présenter les choses ainsi, dans cet exemple avec le nombre n égal à 4 :

une valeur tj est sélectionnée toutes les quatre valeurs pour être propagée pour t_N+1-t_iau-delà de 4*Δt (soit 16s si Δt vaut 4s) ;
sur ces valeurs propagées pour t_N+1-t_iau-delà de 4*Δt, une valeur est sélectionnée toutes les quatre valeurs pour être propagée pour t_N+1-t_iau-delà de 16*Δt (soit 64s si Δt vaut 4s) ;
sur ces valeurs propagées pour t_N+1-t_iau-delà de 16*Δt, une valeur est sélectionnée toutes les quatre valeurs pour être propagée pour t_N+1-t_iau-delà de 64*Δt (soit 256s si Δt vaut 4s) ;
sur ces valeurs propagées pour t_N+1-t_iau-delà de 64*Δt, une valeur est sélectionnée toutes les quatre valeurs pour être propagée pour t_N+1-t_iau-delà de 256*Δt (soit 1024s si Δt vaut 4s) ;
etc.
et pour finir aucune valeur n’est propagée au-delà d’une valeur maximale de t_N+1-t_i.

Ce mode de gestion de la mémoire permet une profondeur temporelle bien plus importante qu’une fenêtre glissante pour un même nombre de données. Ainsi, avec une quarantaine d’écarts entretenus mémorisés, on a une profondeur temporelle d’environ une heure.

On notera que, dans le présent descriptif, on a négligé les temps de calcul des écarts.

En cas de leurrage, le fait de disposer des indicateurs de détection correspondant à des instants passés de début de calcul d’écart ELH différents permet aussi de déterminer un instant de début de leurrage (l’instant le plus ancien pour lequel l’indicateur Id est supérieur au seuil).

On peut donc calculer une nouvelle navigation opérationnelle en corrigeant la navigation inertielle pure à l’instant courant avec l’écart entretenu le plus récent antérieur à l’instant de début de leurrage et la proposer au pilote du véhicule.

On détaille ci-après une manière de réaliser les calculs utilisés pour la mise en œuvre de l’invention.

Pour entretenir les écarts, on procède à un échantillonnage sur des intervalles de temps (typiquement 30 secondes à 2 minutes) et à une propagation, sur ces intervalles de temps, des :

N’ jeux d’états d’erreur ELH(t_i, t_N) de la localisation inertielle pure horizontale (qui est supposée correcte),
N’ matrices de covariance d’erreur P(ELH(t_i, t_N)) associées.

A chaque pas de temps d’échantillonnage δt=t_N+1–t_N, sont réalisés :

le calcul, une fois, de la matrice Φ(loc.i(t_N), loc.i(t_N+1), δt), exponentielle sur l’intervalle de temps δt de la matrice moyenne de t_Nà t_N+1F(t) d’erreur de localisation horizontale inertielle (la voie verticale étant stabilisée au moyen de l’altitude barométrique) qui peut être estimée comme une constante sur l’intervalle de temps hors accélérations (soit la force spécifique à laquelle est soustraite la pesanteur apparente) ;
le calcul à t_N+1de la valeur du vecteur ELH(t_N+1, t_N+1) d’erreurs de la localisation horizontale inertielle pure (bouclée avec l’altitude barométrique) comparée à la localisation hybridée au même instant t_N+1;
L’échantillonnage au même instant de la covariance (englobante) P₁(t_N+1) des erreurs de localisation hybridée à cet instant ;
les N’-1 calculs d’évolution des états d’erreur X_jsur le pas de temps δt en utilisant la formule X_j(t_N+1)=ΦX_j(t_N)+ΦB*ΔV dans laquelle ΔV est la variation de vitesse horizontale moyenne sur δt dans le repère p de la plateforme d’analyse inertielle. Si les états définis dans ELH sont des erreurs de vitesse, B est la matrice 7x2 qui vaut 0 pour toutes ses composantes sauf pour les deux composantes correspondant aux deux lignes des états d’erreurs de vitesse dans p et à la colonne erreur d’azimut qui valent respectivement +1/δt et -1/δt ;
les N’-1 calculs d’évolutions des matrices de covariance d’erreur P(ELH(t_i, t_N)) associées aux différentes valeurs de t_idisponibles sur le pas de temps δt en utilisant la formule

P(ELH(t_i,t_N+1))=P(ELH(t_i,t_N))*Φ*P(ELH(t_i,t_N))^t+C+Q*δt

dans laquelle C est un terme correctif correspondant à l’erreur d’azimut de la localisation inertielle en présence d’une accélération et Q correspond à la somme de l’évolution pseudo-aléatoire des erreurs et d’une marche aléatoire en angle et vitesse de l’unité de mesure inertielle (cette formule est connue en elle-même).La détermination de la matrice B est un peu différente si les états définis dans ELH sont des erreurs de vitesse de rotation autour de l’ellipsoïde terrestre dans p, il faut tenir compte de la matrice de courbure locale de l’ellipsoïde dans p (au plus précis sa valeur médiane entre t_Net t_N+1.

De manière générique, on peut calculer pour chaque pas de temps δt une matrice d’évolution Φ’ approximée précisément en fonction de la localisation (pas seulement horizontale) médiane et de la différence de localisation entre t_Net t_N+1.

On pose les formules de calcul d’évolution de t_Nà t_N+1:ELH(t_i,t_N+1)))=Φ’*ELH(t_i,t_N))et

P(ELH(t_i,t_N+1))=P(ELH(t_i,t_N))*Φ’*P(ELH(t_i,t_N))+Q*(t_N+1-t_N)

Le calcul d’évolution de la covariance d’écart de localisation horizontale peut être affiné en complétant les états d’erreur de localisation horizontale avec des états d’erreur de l’UMI (par exemple biais et mésalignements résiduels des axes sensibles des capteurs inertiels de l’UMI) et en complétant la matrice d’évolution (de dimension > 7x7) en conséquence.

En cas de très forts écarts potentiels d’altitude entre la navigation inertielle pure et la navigation hybride un autre terme d’erreur peut être également pris en compte pour le calcul de l’évolution de t_Nà t_N+1des covariances P(ELH(t_i, t_N)) en raison de l’écart de courbure en fonction de l’altitude. Un écart d’altitude de 320m engendre, pour une vitesse horizontale donnée, un écart d’évolution de position horizontale d’environ 0,0001 fois cette vitesse (2*320/R_T0,0001 avec le rayon moyen de la Terre R_T 6 400 000 m). Cela représente donc une évolution potentielle d’erreur de position de 3cm/s pour un appareil à 300m/s, ce qui est en général faible ou équivalent à l’effet des erreurs de vitesse de la navigation hybride et des erreurs modélisées de l’UMI.

L’utilisation des données de variation de localisation entre t_Net t_N+1(essentiellement de la vitesse horizontale) en supplément de la localisation médiane permet un calcul plus précis des variations d’erreur de localisation de t_Nà tN₊₁.

Les valeurs d’attitude à t_Net t_N+1peuvent être utilisées pour le calcul d’évolution des covariances de t_Nà t_N+1d’erreur des ELH(t_i, t_N) si des erreurs de l’unité de mesure inertielle (par exemple les biais accélérométriques ou gyrométriques ou les mésalignements d’axes des capteurs) sont modélisées en supplément des erreurs de localisation inertielle « ELH » pour obtenir une évaluation plus précise des domaines d’erreur déterminés par les matrices « P » de covariance en fonction du temps.

On comprend qu’à chaque « nouveau ti », dates d’échantillonnage de la localisation inertielle pure et de la localisation hybridée, on propage de t_Nà t_N+1tous les états d’écart de localisation ELH(t_i, t_N) entretenus jusqu’à t_Net déjà disponibles pour obtenir les valeurs ELH(t_i, t_N+1). On récupère également le nouveau jeu d’états d’écart de localisation ELH(t_N+1, t_N+1) c’est-à-dire les états d’écart entre la localisation inertielle pure et de la localisation hybridée à t_N+1,et on élimine éventuellement le ou les états ELH(t_i, t_N+1) en surplus.

Les valeurs des N’ indicateurs de détection sont obtenus par la formule :

Id(t_i)=(Loc.i(t_i)-H*ELH(t_i,t_N+1)-Loc.h(t_i))²/H*P(ELH(t_i,t_N+1))*H^tpour tous les t_iet ELH(t_i, t_N+1) disponibles. P(ELH(t_i, t_N+1)) est la matrice d’erreur ou covariance d’erreur de ELH(t_i, t_N+1). H correspond aux observations, à savoir une erreur de position horizontale et, dans le mode de réalisation préféré ici décrit, une erreur de vitesse horizontale. On note que t_N+1-t_iest le retard de détection de Id(t_i).

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 pas de temps utilisé pour la mémorisation est ici celui des recalages mais il peut être différent et par exemple correspondre à un multiple du pas de temps des recalages.

Le filtrage des données mémorisées est facultatif ou peut être différent : on peut par exemple utiliser une fenêtre temporelle glissante de type classique pour renouveler le groupe de données mémorisées (la donnée la plus ancienne est sortie du groupe à chaque fois qu’une nouvelle donnée est mémorisée).

Bien que la navigation hybridée soit calculée à partir des pseudo-distances, il est possible de calculer la navigation hybridée à partir d’une position satellitaire pure obtenue à partir des pseudo-distances.

En variante, on peut utiliser comme indicateur d’erreur statistique la variance de la localisation horizontale hybride. En effet, tant que des signaux satellitaires sont reçus, la variance de la localisation horizontale hybride est négligeable au regard de la variance de la localisation horizontale inertielle. En revanche, l’utilisation de la covariance améliore les performances du procédé de l’invention lorsque les jeux de données satellitaires sont indisponibles pendant au moins une durée de l’ordre de quelques minutes.

On peut réaliser l’invention en utilisant comme données de localisation horizontale uniquement les données de position selon les deux axes horizontaux. On note cependant que la prise en compte des données de vitesse selon ces deux mêmes axes permet d’améliorer la précision.

Les localisations peuvent être fournies en coordonnées polaires ou cartésiennes.

Claims

Procédé de navigation, comprenant le calcul en continu d’une localisation inertielle et, à des instants courants successifs, l’obtention d’une localisation satellitaire pour calculer une localisation hybridée par hybridation de la localisation inertielle et de la localisation satellitaire, caractérisé en ce que le procédé comprend :
le calcul d’au moins un écart instantané entre la localisation inertielle et la localisation hybridée à chaque instant courant ;

le calcul, à partir de chaque écart instantané, d’un écart entretenu depuis l’instant de calcul dudit écart instantané jusqu’à l’instant courant par une intégration d’un indicateur d’erreur statistique de la localisation en utilisant un modèle d’évolution d’erreur de localisation, et la mémorisation de l’écart entretenu pour disposer, pour une période de temps donnée, d’une pluralité d’écarts entretenus et d’indicateurs statistiques entretenus depuis des instants de calcul différents jusqu’à un même instant courant ;

le calcul pour chaque écart entretenu d’au moins un indicateur de détection comprenant un rapport entre :
une différence entre l’écart instantané et l’écart entretenu, et

une valeur basée sur l’indicateur d’erreur statistique entretenu et un indicateur d’erreur statistique de la localisation hybridée à l’instant courant ;
la comparaison, à un seuil, dudit indicateur de détection pour détecter une défaillance de la localisation hybridée à l’instant courant.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’indicateur d’erreur statistique comprend la variance de la localisation inertielle et dans lequel l’indicateur de détection est égal au carré de la différence entre l’écart instantané et l’écart entretenu sur la somme de la variance de la localisation inertielle entretenue et de la variance de la localisation hybride à l’instant courant.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant, en cas de dépassement du seuil, la fourniture d’une navigation de secours dans laquelle la localisation hybridée est remplacée par une localisation inertielle corrigée avec un écart entretenu depuis un instant antérieur à la défaillance détectée.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la localisation inertielle utilise des données de localisation horizontales comprenant des données de position.
Procédé selon la revendication 4, les données de localisation horizontales comprennent également des données de vitesse.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la localisation satellitaire utilise des données satellitaires de localisation comprenant des pseudo-distances.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les localisations sont calculées à altitude et vitesse verticale stabilisées.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mémorisation des écarts est effectuée selon un pas de temps prédéterminé.
Procédé selon la revendication 8, dans lequel les écarts sont filtrés au cours du temps pour conserver dans le groupe, pour la période donnée, une première série d’écarts entretenus dernièrement mémorisés et des séries d’écarts entretenus de la première série par des multiples du pas de temps.
Procédé selon la revendication 9, dans lequel les écarts mémorisés sont filtrés au cours du temps pour conserver dans le groupe, pour la période de temps donnée :
une première série de n écarts entretenus dernièrement mémorisés séparés deux à deux par un pas de temps,

une deuxième série de n écarts entretenus, séparée de la première série par deux fois le pas de temps, les écarts entretenus de la deuxième série étant séparés deux à deux par deux pas de temps,

une troisième série de n écarts entretenus, séparée de la première série par quatre fois le pas de temps, les écarts entretenus de la troisième série étant séparés deux à deux par quatre pas de temps,

une quatrième série de n écarts entretenus, séparée de la première série par huit fois le pas de temps, les écarts entretenus de la quatrième série étant séparés deux à deux par huit pas de temps,

une cinquième série de n écarts entretenus, séparée de la première série par seize fois le pas de temps, les écarts entretenus de la cinquième série étant séparés deux à deux par seize pas de temps,

une sixième série de n écarts entretenus, séparée de la première série par trente-deux fois le pas de temps, les écarts entretenus de la sixième série étant séparés deux à deux par trente-deux pas de temps.