WO2003040748A1 - Procede de surveillance au sol des anomalies de type ewf d'un signal de satellite de localisation - Google Patents

Procede de surveillance au sol des anomalies de type ewf d'un signal de satellite de localisation Download PDF

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Jean-Pierre Arethens
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Thales
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
    • G01S19/08—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing integrity information, e.g. health of satellites or quality of ephemeris data

Definitions

  • the present invention relates to a ground monitoring method of EWF type anomalies of a location satellite signal.
  • the system In the approach phase where the required accuracy is of the order of 2 or 3 meters vertically, the system is used in combination with additional ground equipment which provides the information necessary to improve accuracy and which places the mechanisms that guarantee the integrity of the positioning. Numerous studies have been carried out to determine the sources of positioning errors affecting GPS measurements. The deliberate degradation of measurements made at the satellites was until its recent abandonment the main cause of errors in the measurements of distance between the receiver and the satellites. There are nonetheless causes of measurement errors specific to the use of the radio propagation system, that is to say the delays consecutive to the crossing of radio waves in the atmospheric layers, as well as the errors consecutive to possible reflections. known as multipath.
  • the subject of the present invention is a method for monitoring on the ground the possible presence of anomalies in a signal received from a GPS satellite, in particular of the EWF type, a method which can be implemented with the minimum possible of material means at the receiving station, without risking not detecting significant anomalies of the received signal.
  • the method of the invention which is based on the measurement of the deformation of the correlation peak, consists in extracting samples from the correlation peak developed during the processing of the signal received from the satellite, in storing these samples on an instantaneous sliding window d '' a duration of at least about 1 minute, to memorize these pop-up windows over a period of at least several hours to extract a statistically determined average, to compare the content of each pop-up window to this average, and, if the result of the comparison is above a detection threshold, to declare that there is a significant disturbance affecting the received signal and to eliminate it.
  • the method of the invention applies to a receiver of signals transmitted by satellites of geographical location, receiver commonly called GBAS ("Ground Based Augmentation System").
  • This terrestrial receiver includes an SQM (“Signal Quality Monitor”) function responsible for continuously monitoring the quality of the signals received, and for reporting insufficient quality, in order to reject those deemed unsuitable for positioning measurements, and therefore to avoid distorting the measures.
  • SQM Signal Quality Monitor
  • the receiver of the ground station delivers, at a rate of twice per second, samples of the correlation peak relating to the received signal, with a view to carrying out amplitude measurements in the “in phase” correlator. According to the invention, these samples are five in number and are taken at precise instants, sufficiently characteristic to determine the exact position of the correlation peak with the minimum possible of samples.
  • a short-term and a long-term statistical analysis is carried out on the correlation peaks originating from the signals received from each of the satellites concerned, for each of the five aforementioned values, in order to obtain the individual statistical characteristics of these values. depending on the conditions of reception of these signals at the reception base on the ground.
  • MDE is an analytically determined detection threshold to obtain a desired false alarm probability rate (of 7.2.10 "8 for example for the ICAO standard). If the value of sqm thus calculated is greater than 1, we decrees the presence of an abnormal waveform (called "EWF" in English) and that, therefore, the signals received from the corresponding satellite must be rejected.
  • EWF abnormal waveform
  • shift register 1 which receives at one of its ends the stream 2 of PRN codes of the signal received from a satellite.
  • the flow of internal PRN codes developed in the receiver of the reception station on the ground has been shown by an arrow 3.
  • the six correlation channels resulting from the output of the convolvers 4 to 9 are respectively: lo, ⁇ 88 and Qn, 088 > '-0.044 and Qn, 044.
  • the "delta" and “point” mode channels are used to track the corresponding satellite, and the other four channels are used to perform I and Q measurements (in phase and in quadrature) at the four corresponding sampling points of the correlation peak.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

Le procédé de l'invention, applicable en particulier à la fiabilisation des signaux de localisation de satellites GPS et SBAS, consiste à faire une analyse statistique instantanée (pendant environ 1 mn) du pic de corrélation du récepteur de signaux de satellites et à la comparer à une analyse statistique à long terme (plusieurs heures) en choisissant 5 points caractéristiques du pic (prompt, +/- 0,044 et +/- 0,088). Si le résultat de la comparaison est supérieur à un seuil déterminé, on rejette les signaux correspondants.

Description

PROCEDE DE SURVEILLANCE AU SOL DES ANOMALIES DE TYPE EWF D'UN SIGNAL DE SATELLITE DE LOCALISATION
La présente invention se rapporte à un procédé de surveillance au sol des anomalies de type EWF d'un signal de satellite de localisation.
Actuellement, les systèmes d'aide à l'atterrissage des avions sont du type « ILS », mais, pour des raisons économiques, les Etats cherchent à les remplacer par des systèmes de guidage appelés GLS et utilisant les informations fournies par des réseaux de satellites, en particulier de type GPS. A bord des avions, la partie embarquée de ces systèmes de guidage en approche est de type MMR, combinant des systèmes ILS avec des systèmes GLS et M LS. Les systèmes GLS seraient les plus économiques, d'autant plus que le positionnement GPS peut fournir aux avions les informations nécessaires à leur navigation. Les performances requises pour la navigation en vol de croisière permettent d'utiliser le système GPS de manière autonome en offrant une précision de l'ordre de 20 ou 30 mètres avec une intégrité suffisante pour les besoins. En phase d'approche où la précision requise est de l'ordre de 2 ou 3 mètres en verticale, le système est utilisé en combinaison avec un moyen au sol complémentaire qui apporte les informations nécessaires à l'amélioration de la précision et qui met en place les mécanismes qui permettent de garantir l'intégrité du positionnement. De nombreuses études ont été effectuées pour déterminer les sources des erreurs de positionnement affectant les mesures GPS. La dégradation volontaire des mesures effectuées au niveau des satellites était jusqu'à son récent abandon la cause principale d'erreurs sur les mesures de distance entre le récepteur et les satellites. Il demeure néanmoins des causes d'erreurs de mesure propres à l'utilisation du système de propagation radioélectrique, c'est-à-dire les retards consécutifs à la traversée des ondes radioélectriques dans les couches atmosphériques, ainsi que les erreurs consécutives aux possibles réflexions connues sous le nom de trajets multiples. L'estimation de ces erreurs et leur diffusion par des stations au sol, qui intègrent deux ou plusieurs récepteurs de mesure et un moyen de radiodiffusion, permettent à l'utilisateur qui reçoit ces informations de corriger ses propres mesures et de réaliser ainsi un positionnement différentiel précis. II existe cependant d'autres sortes d'erreurs que ne peuvent éliminer ces systèmes différentiels, à savoir les erreurs consécutives au fonctionnement dégradé du réseau de satellites qui peuvent générer des erreurs de mesure dépendant des caractéristiques matérielles des récepteurs utilisateurs de ces signaux. Par exemple, lorsque le signal émis par un satellite est perturbé par des anomalies dites « EWF3 », les perturbations altèrent les mécanismes de corrélation mis en œuvre par les récepteurs et faussent les mesures de distance d'une façon qui dépend des caractéristiques analogiques de filtrage haute fréquence du récepteur et des intervalles séparant les voies de corrélation, et en conséquence faussent la détermination de la position. Ces phénomènes doivent être détectés pour garantir l'intégrité du positionnement différentiel utilisé pour le guidage en approche des avions. Pour y remédier, on emploie deux ou plusieurs stations au sol dans la même zone de réception, et par des mesures différentielles, on arrive à éliminer ou à atténuer suffisamment ces erreurs. Il existe cependant d'autres sortes d'erreurs que ne peuvent éliminer ces systèmes différentiels, à savoir les erreurs dues aux éphémérides fournissant les positions des satellites et les erreurs dues aux perturbations affectant les signaux émis par les satellites. Les erreurs dues aux éphémérides proviennent du fait que ceux-ci sont saisis manuellement par des opérateurs, et que des fautes de frappe ne sont pas exclues. Les erreurs de position des satellites peuvent alors être de plusieurs kilomètres. Pour les éliminer, il suffit de se référer à plusieurs valeurs consécutives et éliminer celle qui est manifestement insolite.
Lorsque le signal émis par un satellite est perturbé par des anomalies dites « EWF » (« Evil Waveform »), les perturbations déforment le pic de corrélation élaboré dans les récepteurs au sol, ce qui ne permet pas d'effectuer correctement la corrélation, et donc fausse la détermination de position. Pour y remédier, un groupe de travail a proposé un procédé de surveillance de la qualité d'un signal émis par un satellite dans un article numéroté WP-13 et intitulé « Validation of Revised Signal Quality Monitoring Algorithms for Detecting C/A Code Evil Waveforms » et présenté à Toulouse, France, lors des réunions « GBAS Working Group Meeting » qui s'étaient tenues du 20 au 24 Mars 2000 dans le cadre de la conférence « Global Navigation Satellite Systems Panel (GNSSP) », ce groupe de travail étant le « Working Group B ». Le procédé proposé dans ce.t article consistait essentiellement à échantillonner en temps réel en des endroits précis les fonctions de corrélation produites dans les récepteurs GPS au sol, à comparer ces valeurs échantillonnées à des valeurs de consigne, et à déclarer non valable le signal reçu si le résultat de la comparaison dépassait un certain seuil. Ce procédé utilise des hypothèses précises sur les caractéristiques du détecteur et les critères de détection basées sur l'observation instantanée de la forme du pic de corrélation qui contraint complètement la définition du récepteur et la définition des algorithmes de détection. Un autre procédé consisterait à échantillonner de manière systématique le pic de corrélation. Ce procédé est, en théorie, satisfaisant, mais, en pratique, pour le mettre en œuvre, il faudrait utiliser des moyens matériels d'un coût exorbitant. En effet, par exemple, pour un système GPS à 18 satellites, il faudrait réaliser 720 canaux de corrélation, ce qui enlèverait tout intérêt économique au système GPS, qui est censé être un système moins onéreux que les systèmes existants.
La présente invention a pour objet un procédé de surveillance au sol de la présence éventuelle d'anomalies dans un signal reçu depuis un satellite GPS, en particulier de type EWF, procédé qui puisse être mis en œuvre avec le minimum possible de moyens matériels à la station de réception, sans pour autant risquer de ne pas détecter des anomalies significatives du signal reçu.
Le procédé de l'invention, qui est basé sur la mesure de la déformation du pic de corrélation, consiste à extraire des échantillons du pic de corrélation élaboré lors du traitement du signal reçu du satellite, à mémoriser ces échantillons sur une fenêtre glissante instantanée d'une durée d'au moins 1 mn environ, à mémoriser ces fenêtres instantanées sur une durée d'au moins plusieurs heures pour en extraire une moyenne déterminée statistiquement, à comparer le contenu de chaque fenêtre instantanée à cette moyenne, et, si le résultat de la comparaison est supérieur à un seuil de détection, à déclarer qu'il y a une perturbation significative affectant le signal reçu et à éliminer ce dernier.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure unique est un diagramme expliquant l'étape de pondération mise en œuvre par le procédé de l'invention.
Le procédé de l'invention s'applique à un récepteur de signaux émis par des satellites de localisation géographique, récepteur communément appelé GBAS (« Ground Based Augmentation System »). Ce récepteur terrestre comporte une fonction SQM (« Signal Quality Monitor ») chargée de surveiller en permanence la qualité des signaux reçus, et de signaler une qualité insuffisante, afin de rejeter ceux jugés impropres aux mesures de positionnement, et donc pour éviter de fausser les mesures. Le récepteur de la station au sol délivre, au rythme de deux fois par seconde, des échantillons du pic de corrélation relatif au signal reçu, en vue de réaliser des mesures d'amplitude dans le corrélateur « en phase ». Selon l'invention, ces échantillons sont au nombre de cinq et sont prélevés à des instants précis, suffisamment caractéristiques pour déterminer la position exacte du pic de corrélation avec le minimum possible d'échantillons. Ces instants sont repérés de façon classique en valeurs relatives par rapport à la période de la fréquence d'horloge des séquences PN dite « chip ». Ces valeurs sont prises symétriquement par rapport au pic du signal de corrélation, la valeur centrale étant celle de la crête du pic (« Prompt » en anglais) à savoir (en valeurs de fraction de chip) : crête, ± 0,044 et ± 0,088.
Par ailleurs, on effectue une analyse statistique à court terme et une autre à long terme sur les pics de corrélation issus des signaux reçus de chacun des satellites concernés, pour chacune des cinq valeurs précitées, afin d'obtenir les caractéristiques statistiques individuelles de ces valeurs en fonction des conditions de réception de ces signaux à la base de réception au sol. On calcule ainsi, pour chaque type d'analyse (court terme et long terme) et pour chaque satellite concerné, cinq valeurs d'écarts types σj, à savoir : σ-o,o88, σ-o,θ44, σcrête, σo,θ44 et σo,θ88, et cinq valeurs moyennes μj, à savoir : μn,088 et μ-o,θ44, Pcrête, μo,044 et μo,θ88- Les analyses à court terme se font dans une fenêtre glissante d'une durée d'au moins une minute environ, et les analyses à long terme se font dans une fenêtre glissante d'une durée d'au moins plusieurs heures, en cumulant toutes les analyses à court terme relatives à cette fenêtre longue. On définit ensuite une variable Δμj telle que Δμi = μι(ct) - \(û) avec μj(ct) étant la valeur de μ pour l'échantillon de rang i considéré du pic pour l'analyse à court terme, et μ\(£.) la valeur du même échantillon pour l'analyse à long terme. On peut alors calculer un critère pondéré sqm de la qualité de réception à chaque période d'analyse, ce critère étant donné par la relation suivante :
Figure imgf000007_0001
Dans cette relation, MDE est un seuil de détection déterminé analytiquement pour obtenir un taux de probabilité de fausses alarmes désiré (de 7,2.10"8 par exemple pour le standard OACI). Si la valeur de sqm ainsi calculée est supérieure à 1 , on décrète la présence d'une forme d'onde anormale (dite « EWF » en anglais) et que, par conséquent, les signaux reçus du satellite correspondant doivent être rejetés.
On remarquera que le terme (sqm)2 suit une loi statistique de chi2 à quatre degrés de liberté.
Si l'on se réfère aux normes de l'OACI, l'équivalent du coefficient Kffd, de valeur 5,26 selon cette norme pour une distribution avec une probabilité de fausse alarme de 7,2.10" , est dans le cas de l'invention de 5,36 pour une distribution statistique suivant la loi de chi2. Ainsi, du fait que le critère sqm est pondéré, la valeur de MDE doit être de 5,36 pour obtenir le même taux de probabilité de fausse alarme.
On a schématiquement représenté en figure unique du dessin un registre à décalage 1 qui reçoit à une de ses extrémités le flux 2 de codes PRN du signal reçu depuis un satellite. On a figuré par une flèche 3 le flux de codes PRN internes élaborés dans le récepteur de la station de réception au sol.
Ces codes internes ont les valeurs que devraient avoir les échantillons du pic de corrélation aux instants d'échantillonnage précités (point central, ± 0,044, ± 0,088) si les signaux reçus n'étaient pas parasités par les EWF. Les codes internes correspondant aux instants - 0,088, - 0,044, crête, + 0,044 et + 0,088 sont envoyés chacun à une entrée d'un convolueur, respectivement 4 à 8, dont l'autre entrée reçoit respectivement les valeurs suivantes : contenu du registre pour l'instant - 0,088, contenu pour l'instant
- 0,044, différence des contenus des registres relatifs aux instants + 0,044 et
- 0,044 (obtenue par un soustracteur 10), et contenus pour les instants + 0,044 et + 0,088. En outre, le contenu du registre pour l'instant où doit apparaître la crête est envoyé à un convolueur 9.
Les six canaux de corrélation résultants à la sortie des convolueurs 4 à 9 sont respectivement : l-o,θ88 et Q-n,088> '-0,044 et Q-n,044.
IΔ et ΔQ (mode « delta ») lo,044 et Qo,θ44> O,088 et Qo,θ88> 'crête, Qcrête
(mode « ponctuel »). Les canaux de mode « delta » et « ponctuel » servent à poursuivre le satellite correspondant, et les quatre autres canaux servent à effectuer les mesures I et Q (en phase et en quadrature) aux quatre points d'échantillonnage correspondants du pic de corrélation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de surveillance au sol des anomalies de type EWF d'un signal de satellite de localisation, caractérisé par le fait qu'il consiste à extraire des échantillons du pic de corrélation élaboré lors du traitement du signal reçu de ce satellite, à mémoriser ces échantillons sur une fenêtre glissante instantanée d'une durée d'au moins 1 minute environ, à mémoriser ces fenêtres instantanées sur une durée d'au moins plusieurs heures pour en extraire une moyenne déterminée statistiquement, à comparer le contenu de chaque fenêtre instantanée à cette moyenne, et, si le résultat de la comparaison est supérieur à un seuil de détection, à déclarer qu'il y a une perturbation significative affectant le signal reçu et à éliminer ce dernier.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que les échantillons sont au nombre de cinq pour chaque pic de corrélation analysé, et qu'ils sont prélevés des instants correspondant à l'apparition de la crête du pic, à ± 0,044 chip et ± 0,088 chip par rapport à la crête.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le critère pondéré (sqm) servant à déterminer la qualité du signal reçu est donné par la relation :
Figure imgf000009_0001
relation dans laquelle Δμj = μ i (et) - i\(êï) avec μ j (et) étant la valeur de μ pour l'échantillon de rang i considéré du pic pour l'analyse à court terme, et i\(ê.) la valeur du même échantillon pour l'analyse à long terme, a\ étant l'écart type pour chacun de ces échantillons et MDE étant un seuil de détection déterminé pour obtenir un taux de probabilité de fausses alarmes désiré, la valeur de sqm ainsi calculée devant être supérieure à 1 pour que l'on déclare la présence d'une perturbation significative.
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