WO2011047822A1 - Procede et dispositif de navigation longue duree - Google Patents

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WO2011047822A1
WO2011047822A1 PCT/EP2010/006360 EP2010006360W WO2011047822A1 WO 2011047822 A1 WO2011047822 A1 WO 2011047822A1 EP 2010006360 W EP2010006360 W EP 2010006360W WO 2011047822 A1 WO2011047822 A1 WO 2011047822A1
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inertial
around
reversals
sequence
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PCT/EP2010/006360
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Christian Lignon
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Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Sagem Defense Securite SA
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/166—Mechanical, construction or arrangement details of inertial navigation systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C21/183—Compensation of inertial measurements, e.g. for temperature effects

Definitions

  • the present invention relates to a method of long-term navigation of a vehicle by means of an inertial navigation center linked to the vehicle.
  • the vehicle may be a land vehicle, an aircraft, a ship, whose navigation requires knowledge of position, speed and attitude (heading, roll and pitch).
  • the invention also relates to a navigation device for implementing this method.
  • a modern inertial navigation unit generally comprises inertial sensors such as gyrometers and accelerometers arranged along axes of a measurement mark associated with a support platform of the inertial unit.
  • the gyrometers measure angular rotations of the measurement mark with respect to a geographical reference and provide the attitude of the vehicle in the geographical reference.
  • Accelerometers measure accelerations that are projected into the geographic repository and then integrated a first time to provide the speed, then a second time to provide the position.
  • the accuracy of an inertial navigation system depends directly on the errors of the inertial sensors (gyrometers and accelerometers), and more precisely on the projection of these errors in the local geographical reference and, in the case of a long-term inertial navigation, Position errors are predominantly dependent on the accuracy of the gyrometers.
  • the accuracy of the gyrometers is affected by the drift errors (offset at the origin of the measurement, a zero magnitude is not measured at zero), scale factors (the scale factor error is error on the multiplying coefficient of the measurement), and of axis calibration (orthogonality error between the measurement axes).
  • Document FR-A-2,824,393 discloses a method of navigation by means of an inertial core with linked components mounted on a mechanical device making it possible to place this core in different successive positions in order to average the errors of the projected gyrometers in the local geographical landmark.
  • the attitude information at the output of the inertial unit with linked components makes it possible to directly drive the mechanical device in order to successively place the core in different substantially fixed positions relative to the local geographical reference.
  • the long-term navigation method is implemented by means of an inertial core with which is associated a reference frame of axes X, Y, Z, mounted on a carrier to measure movements relative to a geographical reference of fixed directions along three axes Xg, Yg, Zg and comprises:
  • positioning actions consisting in applying a series of cycles of eight reversals of the inertial core which each maintain the Y axis in a direction parallel to the Yg axis, a succession of two reversals around the X axis being preceded and followed by a reversal around the Z axis, a succession of two turns around the Z axis being preceded and followed by a reversal around the X axis.
  • the positioning actions make it possible to compensate for measurement errors by inverting the sign along the Y axis at each reversal, by inverting the sign along the X axis at each turn around about 1 1 Z axis and by reversing the sign according to the Z axis at each turn around the X axis.
  • the measurement actions performed continuously then make it possible to mutually compensate the errors on each of the X, Y, Z axes of the bound coordinate system, so that to reduce the projections of errors on axes Xg, Yg, Zg by averaging their interventions on a cycle.
  • the method described in this document can only be used with sensors having a constant drift error over the entire measurement range.
  • This method can not therefore be used with vibrating gyroscopes which are conventionally used in inertial systems intended for navigation, as is the case for example for a gyroscopic compass adapted to provide a measurement of angle with respect to a direction geographic reference point (Cape Town).
  • Vibrating gyroscopes are axisymmetric with Coriolis effect (CVG for "Coriolis Vibratory Gyroscopes"), for example with a hemispherical resonator (HRG or HRG for "Hemispherical Resonance Gyroscopes”), and are more generally referred to as type I as in the document " Type I and Type II micromachined vibratory gyroscopes "by Andrei M. Shkel, pages 586-593, IEEE / ION (for" Institute of Electronics and Electronics Engineer / Institute of Navigation ”) PLANS 2006, San Diego, CA, USA.
  • These gyroscopes operate especially in open loop and allow to measure an absolute rotation angle on the basis of a measurement of an angle representing the vibration position of the gyroscope with respect to measuring electrodes.
  • the Sureties provided by these vibrating gyroscopes may be marred by errors which are essentially a function of the position of the vibration relative to the measuring electrodes. These errors are therefore variable as a function of the vibration position represented by the electric angle.
  • An object of the invention is to further improve the accuracy of a long-term navigation by means of an inertial unit.
  • a long-term navigation method is provided by means of an inertial core comprising at least three gyroscopes and at least three accelerometers, associated with an axis mark X, Y, Z and mounted on a vehicle moving relative to the Earth to measure movements with respect to an inertial reference of axes Xi, Yi, Zi, comprising the steps of:
  • the inertial core is in a final orientation identical to the initial orientation with respect to the inertial reference frame
  • a succession of two turns around the first axis is preceded and followed by a reversal around the second axis and a succession of two turns around the second axis is preceded and followed by a reversal around the first axis.
  • the sequence of reversals allows the cancellation of drifts gyroscopes. Since the sequence of reversals is carried out in the inertial frame and the final orientation is identical to the initial orientation in this inertial frame, the overall rotation at the end of the reversal cycle is zero and is not affected by the Earth rotation, which makes the navigation performance independent of scale factor errors.
  • the matrix of passage from the accelerometric measurement reference frame to the inertial reference frame is cyclic and can be modeled, and it is not necessary to integrate the rotation speeds, of STRAP-DOW type, to know the orientation of the measurement reference accelerometer. This makes it possible to eliminate the influence of the noise of the rotation measurements.
  • At least one of the gyroscopes is an axisymmetric vibrating gyro
  • At least one of the turning axes is chosen to be perpendicular to a sensitive axis of the axisymmetric vibrating gyro.
  • the invention allows a better accuracy of the rotation measurements provided by this type of gyroscope.
  • the series of reversals causes the electric angle of the vibratory gyroscope to sweep a range of values corresponding to a single reversal.
  • the drift of the vibrating gyroscope depends on the electric angle, maintaining the electric angle in a restricted range allows better control of the drift.
  • the turning axes are chosen to be perpendicular to the sensitive axis of the gyroscope.
  • the series of turns now fixes the electric angle of the gyroscope.
  • the electric angle is forced prior to the sequence of reversals.
  • the first axis is parallel to a terrestrial polar axis and the second axis is located in a terrestrial equatorial plane.
  • sequence is feasible according to two alternative configurations depending on a latitude at which the vehicle is located:
  • the second axis is the same for all the sequences
  • the second axis extends at an intersection of the equatorial plane and a meridian plane on which the vehicle is located, and is determined at the beginning of each sequence.
  • the sequence of reversals comprises at least one first series of eight reversals, namely a reversal around the first axis in a first direction (RI (+ ⁇ )), a reversal around the second axis in a first direction (R2 (+ 7i)), a reversal around the first axis in a second direction (R1 (-7t)), a reversal around the first axis in a first direction (R1 (+ 7I)), a reversal around the second axis in a second direction (R2 (-7i)), a reversal around the first axis in a second direction (Rl (-7t)), a reversal around the second axis in a first direction (R2 (+ 7r)), a reversal around the second axis in a second direction (R2 (- ⁇ )) ) and, preferably, the reversal sequence comprises a second series of eight reversals, identical
  • This mode of implementation is the one that provides the best performance.
  • the invention also relates to an inertial navigation device, comprising a control unit, an inertial core which comprises gyroscopes and accelerometers and which is mounted on a turning device comprising axes substantially perpendicular to one another. and associated with drive means connected to the control unit, the control unit being arranged to implement the method.
  • FIG. 1 is a perspective view of a device for implementing the invention
  • FIGS. 2 and 3 are schematic views of the device according to two configurations of reversals, FIG. 4, a and b, shows a series of reversals according to the first configuration of reversals,
  • a and b shows a series of reversals according to the second configuration of reversals.
  • a platform 1 is integral with a vehicle such as for example a ship.
  • the platform 1 supports a cardan joint 2 to orient three X, Y, Z axes of a marker linked to an inertial core 3, with respect to three axes Xi, Yi, Zi of a fixed inertial mark whose origin is indifferent, for example here the center of the earth.
  • the axes Xi and Yi are oriented in an equatorial plane, and the axis Zi is oriented vertically upwards.
  • a first degree of freedom in rotation is given by a material axis 4 integral with the vehicle.
  • a motor 5 makes it possible to rotate the axis 4 so as to cancel the effects of the variations of course of the carrier.
  • a second degree of freedom in rotation is given by a material axis 6 integral with the inertial core 3.
  • a motor 7 makes it possible to rotate the axis 6 so as to cancel the effects of rotation of the wearer about the axis 6.
  • the third degree of freedom in rotation is given by a third material axis 14 perpendicular to the material axis 6.
  • a motor 8 makes it possible to rotate the third axis 14 so as to cancel the rotations of the axis 14.
  • the three degrees of freedom above make it possible to counter the movements of waves and terrestrial rotation while performing the reversals provided by the method of the invention.
  • the inertial core 3 comprises three gyroscopes 9, 10, 11 and three accelerometers 19, 20, 21.
  • the gyroscopes 9, 10, 11 are axisymmetric vibrating gyroscopes comprising a resonator maintained in vibration and enabling both an angle measurement by detecting a position of the vibration around an axis of the resonator (electric angle).
  • the accelerometer 19 measures the accelerations of the inertial core 3 in the direction of the Y axis and the gyroscope 9 the rotations of the inertial core 3 around the Y axis.
  • the accelerometer 20 measures the accelerations of the inertial core 3 in the the direction of the X axis and the gyroscope 10 the rotations of the inertial core 3 around the axis X.
  • the accelerometer 21 measures the accelerations of the inertial core 3 in the direction of the Z axis and the gyroscope 11 the rotations of the inertial core 3 around the Z axis.
  • the gyroscopes 9, 10, 11 make it possible to measure rotation angles of the inertial core 3 relative to each of the three axes Xi, Yi, Zi. It is then possible to make predetermined reversals based on the rotation angles measured by the gyroscopes.
  • the accelerometers 19, 20, 21 make it possible to measure the acceleration of the inertial core 3 in each of the directions along the X, Y, Z axes. It is then possible to calculate acceleration of the vehicle along the axes Xi, Yi. , Zi of the inertial reference system, by deduction of the accelerations measured then by integration speed and by double integration the position of the vehicle in the inertial reference system Xi, Yi, Zi.
  • the navigation device comprises a control unit, not shown, programmed to implement the method of the invention.
  • the long-term navigation method according to the invention comprises the steps of:
  • the inertial core 3 is in a final orientation identical to the initial orientation
  • a succession of two turns around the first axis A1 is preceded and followed by a reversal around the second axis A2 and a succession of two turns around the second axis A2 is preceded and followed by a reversal around the first axis A1.
  • the reversal of the inertial core 3 is performed by rotation of the material axes 4, 5 and 6 so that a rotation about one of these axes and / or a combination of rotations around several of these axes can perform the reversal desired around the defined turning axis.
  • the rotation values for averaging the errors with a minimum of elementary positions are rotations of + ⁇ or - ⁇ around the different axes.
  • the steering of the turning device is described in more detail in document FR-A-2 824 393.
  • the axes Al and A2 are chosen in the inertial reference system.
  • FIGS. 4 and 5 show the reversals of the measurement mark X, Y, Z in the inertial reference frame around the axes A1 and A2.
  • sequence of reversals includes here:
  • a first series of eight reversals namely a reversal around the first axis Al in a first direction RI (+ ⁇ ), a reversal around the second axis A2 in a first direction R2 (+ 7t), a reversal around the first axis Al in a second direction Rli- ⁇ ), a reversal around the first axis Al in the first direction Rl (+ 7i), a reversal around the second axis A2 in a second direction R2 (-7i), a reversal around the first axis Al in the second direction Rl (-7i), a reversal around the second axis A2 in the first direction R2 (+ 7i), a reversal around the second axis A2 in the second direction R2 (-7i),
  • the axis Al coincides with the polar axis and therefore with the Z axis of the measurement mark and the axis A2 is in an equatorial plane and coincides with the X axis of the measurement mark.
  • Gyroscopes having as sensitive axis the X and Z axes therefore have their sensitive axis perpendicular to one of the turning axes, namely A1 and A2 respectively.
  • the reversals indicated above will bring the vibration of these gyroscopes on three electric angles, namely the electric angles ⁇ , al, a2 (for X) and ⁇ , ⁇ 2, ⁇ 3 (for Z), these angles being constant on a - linkage (see Figure 4).
  • the gyro having as a sensitive axis the Y axis therefore has its sensitive axis perpendicular to the two turning axes A1 and A2 so that the reversals will maintain the vibration on the same electric angle ⁇ .
  • the electrical angles in question here are chosen depending on the drift value of the gyroscopes at these angles, this value must be as stable as possible. Alternatively, the electric angles could be chosen so that the gyroscope has the smallest deviation at these angles.
  • the realization of the servocontrol of the gyroscopes requires knowing the angles of the axes 6 and 14.
  • the material axes 6 and 14 are equipped with coding wheels (not shown) which provide the angular position of said axes relative to their support .
  • this knowledge can result from a comparison of the measurements provided by the inertial core 3 with those of a second inertial unit that would be rigidly fixed to the vehicle.
  • each reversal in one direction is also carried out in the other direction so that the drifts taken into account during these two reversals cancel each other out.
  • the transition matrix Tmi between the measurement frame and the inertial frame of reference, is cyclic (the rotations made to return the inertial core being always the same) and can be calculated once for all or modeled.
  • the parameters of the model can also be updated periodically in real time from a Kalman filter based on external information from, for example, another inertial unit or a data source. a satellite positioning system.
  • the transition matrix Tmi can be decomposed into a product of a cyclic matrix Tm1 and a matrix T11 representing the integral of the residue of the gyroscopic derivatives appearing on a complete sequence (despite the effect of canceling the resulting errors of the sequence of reversals). This makes it possible to take into account the residual drifts after a series of reversals.
  • the axis Al coincides with the polar axis and therefore with the axis X of the measurement mark and the axis A2 is located at the intersection of the equatorial plane and a plane containing the meridian on which the vehicle is located.
  • the second axis A2 is therefore chosen at each sequence in this configuration, whereas in the first configuration (FIG. 3), the second axis A2 is identical for all the sequences.
  • the reversals indicated above will bring about the vibration of the gyroscopes having as their sensitive axis the X and Z axes on three electric angles, namely the electric angles ⁇ , ⁇ 1, ⁇ 2 (for X) and ⁇ , ⁇ 2, ⁇ 3 (for Z), these angles being constant over a sequence (see Figure 4).
  • the gyroscope having as sensitive axis the Y axis now has its sensitive axis perpendicular to a single Al turning axis so that the reversals will maintain the vibration on two electrical angles ⁇ and ⁇ 2.
  • the invention can be used with other types of gyroscopes than vibrating gyroscopes axisymmetric or more generally with Coriolis gyroscopes, but also with Sagnac gyroscopes such as laser gyroscopes and fiber optic gyroscopes.
  • the inertial core may include zero, one, two, or more than three axisymmetric vibrating gyroscopes.
  • the inertial core may further include more than three gyroscopes and more than three accelerometers.
  • the electric angle of the vibratory gyroscopes travels only a range delimited by two values.
  • the first axis of reversal can be in the XY, YZ or ZX planes.
  • a series of reversals covered by the invention can be developed by circular permutation of the reversals of the sequence described.
  • the predetermined threshold of latitude has been set at 45 ° in the embodiment described, the predetermined threshold may be different and for example equal to 30 °.
  • the inertial reference system may be oriented differently from that described above.
  • each reversal is separated by a predetermined duration from the previous reversal.

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Abstract

Procédé de navigation longue durée au moyen d'un cœur inertiel, associé à un repère d'axes X, Y, Z et monté sur un véhicule en déplacement par rapport à la Terre pour en mesurer des mouvements par rapport à un référentiel inertiel d'axes Xi, Yi, Zi, comprenant les étapes de mesurer de façon permanente une orientation du repère d'axes X, Y, Z dans le référentiel inertiel, et d'appliquer un enchaînement prédéterminé de retournements du cœur inertiel, dans le référentiel inertiel, autour d'un premier axe et d'un deuxième axe sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre de telle manière que, à la fin de l'enchaînement, le cœur inertiel soit dans une orientation finale identique à l'orientation initiale par rapport au référentiel inertiel, et les retournements s'annulent au sein de l'enchaînement.

Description

Procédé et dispositif de navigation longue durée
La présente invention concerne un procédé de navigation longue durée d'un véhicule au moyen d'une cen- traie de navigation inertielle liée au véhicule. Le véhicule peut être un véhicule terrestre, un aéronef, un navire, dont la navigation nécessite la connaissance de la position, de la vitesse et de l'attitude (cap, roulis et tangage). L'invention concerne également un dispositif de navigation pour la mise en œuvre de ce procédé.
Une centrale de navigation inertielle moderne comprend généralement des capteurs inertiels tels que des gyromètres et des accéléromètres disposés selon des axes d'un repère de mesure associé à une plateforme de support de la centrale inertielle. Les gyromètres mesurent des rotations angulaires du repère de mesure par rapport à un référentiel géographique et fournissent l'attitude du véhicule dans le référentiel géographique. Les accéléromètres mesurent des accélérations qui sont projetées dans le référentiel géographique puis intégrées une première fois pour fournir la vitesse, puis une seconde fois pour fournir la position. La précision d'une centrale de navigation inertielle dépend directement des erreurs des capteurs inertiels (gyromètres et accéléromètres) , et plus précisément de la projection de ces erreurs dans le repère géographique local et, dans le cas d'une navigation inertielle de longue durée, les erreurs de position dépendent de manière prépondérante de la précision des gyromètres. La précision des gyromètres est affectées par les erreurs de dérive (décalage à l'origine de la mesure, une grandeur nulle n'est alors pas mesurée à zéro), de facteurs d'échelle (l'erreur de facteur d'échelle est l'erreur sur le coefficient multiplicateur de la mesure), et de calage d'axes (erreur d' orthogonalité entre les axes de mesure) . Il est connu du document FR-A-2 824 393 un procédé de navigation au moyen d'un cœur inertiel à composants liés monté sur un dispositif mécanique permettant de placer ce cœur dans différentes positions successives afin de moyenner les erreurs des gyromètres projetées dans le repère géographique local. Les informations d'attitude en sortie de la centrale inertielle à composants liés permettent de piloter directement le dispositif mécanique afin de placer successivement le cœur dans différentes positions sensiblement fixes par rapport au repère géographique local. Plus précisément, le procédé de navigation longue durée est mis en œuvre au moyen d'un cœur inertiel auquel est associé un repère lié d'axes X, Y, Z, monté sur un porteur pour en mesurer des mouvements par rapport à un repère géographique de directions fixes selon trois axes Xg, Yg, Zg et comprend:
- des actions de mesure consistant à mesurer en permanence au moyen du cœur inertiel, une orientation du repère lié dans le repère géographique;
- des actions de positionnement consistant à appliquer un enchaînement de cycles de huit retournements du cœur inertiel qui maintiennent chacun l'axe Y dans une direction parallèle à l'axe Yg, une succession de deux retournements autour de l'axe X étant précédée et suivie par un retournement autour de l'axe Z, une succession de deux retournements autour de 1 ' axe Z étant précédée et suivie par un retournement autour de l'axe X.
Les actions de positionnement permettent de compenser les erreurs de mesure en inversant le signe selon l'axe Y à chaque retournement, en inversant le signe selon 1 ' axe X à chaque retournement autour de 11 axe Z et en inversant le signe selon l'axe Z à chaque retournement autour de l'axe X. Les actions de mesure effectuées en permanence permettent alors de compenser mutuellement les erreurs sur chacun des axes X, Y, Z du repère lié, de fa- çon à réduire les projections d'erreurs sur les axes Xg, Yg, Zg par moyennage de leurs interventions sur un cycle.
Ce procédé permet des gains de précisions importants. En revanche, il est nécessaire de procéder à une intégration de type STRAP-DOW des mesures provenant des gyromètres. Or, ces mesures comprennent du bruit dont l'intégration entraîne des erreurs de navigation telles que des cheminements aléatoires. Ces erreurs ont une influence sur la dégradation de la performance de naviga- tion. En outre, les mesures fournies par les gyromètres incorporent une composante liée à la rotation terrestre et donc affectée par les erreurs de facteur d'échelle propres à chaque gyromètre .
Par ailleurs, le procédé décrit dans ce document n'est utilisable qu'avec des capteurs ayant une erreur de dérive constante sur toute la plage de mesure. Ce procédé ne peut donc être utilisé avec des gyroscopes vibrants qui sont classiquement utilisés dans des systèmes iner- tiels destinés à la navigation, comme cela est le cas par exemple pour un compas gyroscopique adapté pour fournir une mesure d'angle par rapport à une direction de référence qui est celle du Nord géographique (Cap) . Les gyroscopes vibrants sont axisymétriques à effet Coriolis (CVG pour « Coriolis Vibratory Gyroscopes ») , par exemple à résonateur hémisphérique (GRH ou HRG pour « Hemispheri- cal Résonance Gyroscopes ») , et sont plus généralement dits de type I comme dans le document « Type I and Type II micromachined vibratory gyroscopes » de Andrei M. Shkel, pages 586-593, IEEE/ION (pour « Institute of Elec- trical and Electronics Engineer/ Institute Of Navigation ») PLANS 2006, San Diego, CA, USA. Ces gyroscopes fonctionnent notamment en boucle ouverte et permettent de mesurer un angle de rotation absolu sur la base d'une mesure d'un angle représentant la position de vibration du gyroscope par rapport à des électrodes de mesure. Les me- sures fournies par ces gyroscopes vibrants peuvent être entachées d'erreurs qui sont essentiellement fonction de la position de la vibration par rapport aux électrodes de mesure. Ces erreurs sont donc variables en fonction de la position de vibration représentée par l'angle électrique.
Un but de l'invention est d'améliorer encore la précision d'une navigation longue durée au moyen d'une centrale inertielle.
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de navigation longue durée au moyen d'un cœur inertiel comportant au moins trois gyroscopes et au moins trois accéléromètres , associé à un repère d'axes X, Y, Z et monté sur un véhicule en déplacement par rapport à la Terre pour en mesurer des mouvements par rapport à un ré- férentiel inertiel d'axes Xi, Yi, Zi, comprenant les étapes de :
- mesurer de façon permanente, au moyen des gyroscopes, une orientation du repère d'axes X, Y, Z dans le référentiel inertiel,
- appliquer, à partir d'une orientation initiale du cœur inertiel, un enchaînement prédéterminé de retournements du cœur inertiel, dans le référentiel inertiel, autour d'un premier axe et d'un deuxième axe sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre de telle manière que :
. à la fin de l'enchaînement, le cœur inertiel soit dans une orientation finale identique à l'orientation initiale par rapport au référentiel inertiel,
les retournements s'annulent au sein de l'enchaînement,
. une succession de deux retournements autour du premier axe soit précédée et suivie par un retournement autour du deuxième axe et une succession de deux retournements autour du deuxième axe soit précédée et suivie par un retournement autour du premier axe. L'enchaînement de retournements permet l'annulation des dérives des gyroscopes. Comme l'enchaînement de retournements est réalisé dans le repère inertiel et l'orientation finale est identique à l'orientation initiale dans ce repère inertiel, la rotation globale à l'issue du cycle de retournements est nulle et n'est pas affectée par la rotation terrestre, ce qui rend la performance de la navigation indépendante des erreurs de facteur d'échelle. La matrice de passage du repère de mesure accélérométrique au référentiel inertiel est cyclique et peut être modélisée, et il n'est pas nécessaire de faire une intégration des vitesses de rotation, de type STRAP-DOW , pour connaître l'orientation du repère de mesure accélérométrique. Ceci permet d'éliminer l'influence du bruit des mesures de rotation.
Selon un mode de réalisation particulier :
- au moins un des gyroscopes est un gyroscope vibrant axisymétrique,
- au moins un des axes de retournement est choisi pour être perpendiculaire à un axe sensible du gyroscope vibrant axisymétrique.
L'invention permet une meilleure précision des mesures de rotation fournies par ce type de gyroscope. L'enchaînement de retournements entraîne un balayage, par l'angle électrique du gyroscope vibrant, d'une plage de valeurs correspondant à un seul retournement. Comme la dérive du gyroscope vibrant dépend de l'angle électrique, le maintien de l'angle électrique dans une plage restreinte permet une meilleure maîtrise de la dérive.
Avantageusement, les axes de retournement sont choisis pour être perpendiculaires à l'axe sensible du gyroscope .
La précision obtenue est encore meilleure, l'enchaînement de retournements maintenant fixe l'angle électrique du gyroscope. De préférence, l'angle électrique est forcé préalablement à l'enchaînement de retournements.
Ceci permet de sélectionner un angle électrique pour lequel le gyroscope présente de meilleures perfor- mances par exemple en raison d'une dérive particulièrement stable et/ou faible à cet angle électrique.
De préférence, le premier axe est parallèle à un axe polaire terrestre et le deuxième axe est situé dans un plan équatorial terrestre.
II est généralement plus difficile d'obtenir des mesures gyrométriques sur l'axe polaire. Le choix d'un axe de retournement confondu avec l'axe polaire permet de privilégier le gyromètre effectuant une mesure selon cet axe .
Avantageusement, l'enchaînement est réalisable selon deux configurations alternatives en fonction d'une latitude à laquelle se trouve le véhicule :
- pour une latitude de valeur absolue supérieure à un seuil prédéterminé, le deuxième axe est le même pour tous les enchaînements,
- pour une latitude de valeur absolue inférieure au seuil prédéterminé, le deuxième axe s'étend à une intersection du plan équatorial et d'un plan méridien sur lequel se trouve le véhicule, et est déterminé au début de chaque enchaînement.
Ceci permet de réaliser les rotations du cœur inertiel avec un dispositif mécanique de retournement comportant seulement trois axes motorisés sans risquer que deux des axes motorisés ne viennent à se confondre. Un tel dispositif mécanique de retournement est moins onéreux et encombrant qu'un dispositif mécanique à quatre axes motorisés qui serait nécessaire en l'absence d'une double configuration.
Selon un mode de mise en œuvre préféré, l'enchaînement de retournements comprend au moins une première série de huit retournements, à savoir un retournement autour du premier axe selon un premier sens (RI (+π)), un retournement autour du deuxième axe selon un premier sens (R2(+7i)), un retournement autour du premier axe selon un deuxième sens (Rl(-7t)), un retournement autour du premier axe selon un premier sens (R1(+7Ï)), un retournement autour du deuxième axe selon un deuxième sens (R2(-7i)), un retournement autour du premier axe selon un deuxième sens (Rl(-7t)), un retournement autour du deuxième axe selon un premier sens (R2(+7r)), un retournement autour du deuxième axe selon un deuxième sens (R2(- π) ) et, de préférence, l'enchaînement de retournements comprend une deuxième série de huit retournements, identique à la première série sauf en ce que les sens de re- tournement sont inversés .
Ce mode de mise en œuvre est celui qui procure les meilleures performances.
L'invention a également pour objet, un dispositif de navigation inertielle, comprenant une unité de com- mande, un cœur inertiel qui comporte des gyroscopes et des accéléromètres et qui est monté sur un dispositif de retournement comportant des axes sensiblement perpendiculaires les uns aux autres et associés à des moyens de motorisations reliés à l'unité de commande, l'unité de com- mande étant agencée pour mettre en œuvre le procédé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention.
II sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de mise en œuvre de l'invention,
- les figures 2 et 3 sont des vues schématiques du dispositif selon deux configurations de retournements, - la figure 4, a et b, montre un enchaînement de retournements selon la première configuration de retournements ,
- la figure 5, a et b, montre un enchaînement de retournements selon la deuxième configuration de retournements .
En référence à la figure 1, une plate-forme 1 est solidaire d'un véhicule tel que par exemple un navire. La plate-forme 1 supporte un joint cardan 2 pour orienter trois axes X, Y, Z d'un repère lié à un cœur inertiel 3, par rapport à trois axes Xi, Yi, Zi d'un repère inertiel fixe dont l'origine est indifférente, par exemple ici le centre de la terre. Les axes Xi et Yi sont orientés dans un plan équatorial, et l'axe Zi est orienté selon la ver- ticale vers le haut. Un premier degré de liberté en rotation est donné par un axe matériel 4, solidaire du véhicule. Un moteur 5 permet de faire tourner l'axe 4 de façon à annuler les effets des variations de cap du porteur. Un deuxième degré de liberté en rotation est donné par un axe matériel 6, solidaire du cœur inertiel 3. Un moteur 7 permet de faire tourner l'axe 6 de façon à annuler les effets de rotation du porteur autour de l'axe 6. Un troisième degré de liberté en rotation est donné par un troisième axe matériel 14, perpendiculaire à l'axe ma- tériel 4 et à l'axe matériel 6. Un moteur 8 permet de faire tourner le troisième axe 14 de façon à annuler les rotations du véhicule autour de l'axe 14. Les trois degrés de liberté ci-dessus permettent de contrer les mouvements de houle et de rotation terrestre tout en effec- tuant les retournements prévus par le procédé de 1' invention.
Le cœur inertiel 3 comprend trois gyroscopes 9, 10, 11 et trois accéléromètres 19, 20, 21. Les gyroscopes 9, 10, 11 sont des gyroscopes vibrants axisymétriques comportant un résonateur maintenu en vibration et permet- tant une mesure d'angle par détection d'une position de la vibration autour d'un axe du résonateur (angle électrique) . L' accéléromètre 19 mesure les accélérations du cœur inertiel 3 dans la direction de l'axe Y et le gyros- cope 9 les rotations du cœur inertiel 3 autour de l'axe Y. L' accéléromètre 20 mesure les accélérations du cœur inertiel 3 dans la direction de l'axe X et le gyroscope 10 les rotations du cœur inertiel 3 autour de l'axe X. L' accéléromètre 21 mesure les accélérations du cœur iner- tiel 3 dans la direction de l'axe Z et le gyroscope 11 les rotations du cœur inertiel 3 autour de l'axe Z. Les gyroscopes 9, 10, 11 permettent de mesurer des angles de rotation du cœur inertiel 3 par rapport à chacun des trois axes Xi, Yi, Zi. Il est alors possible d'effectuer des retournements prédéterminés en s 'appuyant sur les angles de rotation mesurés par les gyroscopes. Les accélé- romètres 19, 20, 21 permettent de mesurer l'accélération du cœur inertiel 3 dans chacune des directions selon les axes X, Y, Z. Il est alors possible de calculer des accé- lérations du véhicule selon les axes Xi, Yi, Zi du référentiel inertiel, par déduction des accélérations mesurées puis par intégration la vitesse et par double intégration la position du véhicule dans le référentiel inertiel Xi, Yi, Zi.
Le dispositif de navigation comprend une unité de commande, non représentée, programmée pour mettre en œuvre le procédé de l'invention.
Le procédé de navigation longue durée conforme à l'invention comprend les étapes de :
- mesurer de façon permanente une orientation du repère X, Y, Z dans le référentiel inertiel Xi, Yi, Zi,
- appliquer, à partir d'une orientation initiale du cœur inertiel 3, un enchaînement de retournements du cœur inertiel, dans le référentiel inertiel Xi, Yi, Zi, autour d'un premier axe Al et d'un deuxième axe A2 sensi- blement perpendiculaires l'un à l'autre de telle manière que :
. à la fin de l'enchaînement, le cœur inertiel 3 soit dans une orientation finale identique à l'orientation initiale,
les retournements s'annulent au sein de 1 ' enchaînement ,
. une succession de deux retournements autour du premier axe Al soit précédée et suivie par un retourne- ment autour du deuxième axe A2 et une succession de deux retournements autour du deuxième axe A2 soit précédée et suivie par un retournement autour du premier axe Al .
Par « de façon permanente » , on entend que des mesures sont réalisées tout au long du procédé de naviga- tion et plus particulièrement pendant les retournements. Ces mesures peuvent être réalisées de façon continue ou de façon périodique, par exemple par échantillonnage ou à intervalles réguliers.
Le retournement du cœur inertiel 3, est effectué par rotation des axes matériels 4, 5 et 6 pour qu'une rotation autour d'un de ces axes et/ou une combinaison de rotations autour de plusieurs de ces axes permettent d'effectuer le retournement souhaité autour de l'axe de retournement défini. Les valeurs de rotation permettant de moyenner les erreurs avec un minimum de positions élémentaires sont des rotations de +π ou -π autour des différents axes. Le pilotage du dispositif de retournement est décrit de manière plus détaillée dans le document FR- A-2 824 393.
Les axes Al et A2 sont choisis dans le référentiel inertiel.
On a représenté sur les figures 4 et 5 les retournements du repère de mesure X, Y, Z dans le référentiel inertiel autour des axes Al et A2.
L'enchaînement de retournements (numérotés 1 à 16) comprend ici :
- une première série de huit retournements, à savoir un retournement autour du premier axe Al selon un premier sens RI (+π) , un retournement autour du deuxième axe A2 selon un premier sens R2(+7t), un retournement autour du premier axe Al selon un deuxième sens Rli-π), un retournement autour du premier axe Al selon le premier sens Rl(+7i), un retournement autour du deuxième axe A2 selon un deuxième sens R2(-7i), un retournement autour du premier axe Al selon le deuxième sens Rl(-7i), un retournement autour du deuxième axe A2 selon le premier sens R2(+7ï), un retournement autour du deuxième axe A2 selon le deuxième sens R2(-7i),
- une deuxième série de huit retournements, iden- tique à la première série sauf en ce que les sens de retournement sont inversés .
Comme visible sur la figure 3, dans le cas où le véhicule se trouve à une latitude supérieure à 45° environ, l'axe Al est confondu avec l'axe polaire et donc avec l'axe Z du repère de mesure et l'axe A2 est dans un plan équatorial et est confondu avec l'axe X du repère de mesure .
Les gyroscopes ayant comme axe sensible les axes X et Z ont donc leur axe sensible perpendiculaire à l'un des axes de retournement, à savoir Al et A2 respectivement. Les retournements indiqués ci-dessus vont amener la vibration de ces gyroscopes sur trois angles électriques, à savoir les angles électriques αθ , al , a2 (pour X) et γΐ, γ2 , γ3 (pour Z) , ces angles étant constants sur un en- chaînement (voir la figure 4).
Le gyroscope ayant comme axe sensible l'axe Y a donc son axe sensible perpendiculaire aux deux axes de retournement Al et A2 de sorte que les retournements vont maintenir la vibration sur le même angle électrique β.
Les angles électriques en question sont ici choi- sis en fonction de la valeur de dérive des gyroscopes à ces angles, cette valeur devant être la plus stable possible. En variante, on pourrait choisir les angles électriques pour que le gyroscope présente la plus faible dé- rive à ces angles.
La réalisation de l'asservissement des gyroscopes nécessite de connaître les angles des axes 6 et 14. A cet effet, les axes matériels 6 et 14 sont équipés de roues codeuses (non représentées) qui fournissent la position angulaires desdits axes par rapport à leur support. En variante, cette connaissance peut résulter d'une comparaison des mesures fournies par le cœur inertiel 3 avec celles d'une deuxième centrale inertielle qui serait fixée rigidement sur le véhicule.
L'utilisation des mêmes angles électriques permet d'annuler l'effet des dérives des gyroscopes à ces angles en effectuant les retournements, ceux-ci permettant de sommer selon chaque axe considéré une projection de la dérive et l'opposé de cette projection.
En outre, comme les dérives sont intégrées également pendant chaque opération de retournement, chaque retournement dans un sens est également réalisé dans l'autre sens pour que les dérives prises en compte lors de ces deux retournements s'annulent mutuellement.
La matrice de passage Tmi, entre le repère de mesure et le référentiel inertiel, est cyclique (les rotations effectuées pour retourner le coeur inertiel étant toujours les mêmes) et peut être calculée une fois pour toute ou modélisée.
Lorsque la matrice de passage Tmi a été modélisée, les paramètres du modèle peuvent également être mis à jour périodiquement en temps réel à partir d'un filtre de Kalman s 'appuyant sur des informations extérieures provenant par exemple d'une autre centrale inertielle ou d'un système de positionnement par satellite. La matrice de passage Tmi peut être décomposée en un produit d'une matrice cyclique Tmî et d'une matrice Tîi représentant l'intégrale du résidu des dérives gyros- copiques apparaissant sur un enchaînement complet (malgré l'effet d'annulation des erreurs résultant de l'enchaînement de retournements). Ceci permet de tenir compte des dérives résiduelles après un enchaînement de retournements .
En référence à la figure 3, dans la configuration adaptée à un véhicule situé à une latitude inférieure à 45° environ, l'axe Al est confondu avec l'axe polaire et donc avec l'axe X du repère de mesure et l'axe A2 est situé à l'intersection du plan équatorial et d'un plan contenant le méridien sur lequel se trouve le véhicule.
Le deuxième axe A2 est donc choisi à chaque enchaînement dans cette configuration alors que, dans la première configuration (figure 3) , le deuxième axe A2 est identique pour tous les enchaînements .
Comme représenté sur la figure 5, les retournements indiqués ci-dessus vont amener la vibration des gyroscopes ayant comme axe sensible les axes X et Z sur trois angles électriques, à savoir les angles électriques αθ, al, a2 (pour X) et γΐ, γ2, γ3 (pour Z) , ces angles étant constants sur un enchaînement (voir la figure 4) .
Le gyroscope ayant comme axe sensible l'axe Y a maintenant son axe sensible perpendiculaire à un seul axe de retournement Al de sorte que les retournements vont maintenir la vibration sur deux angles électriques βΐ et β2.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications .
En particulier, l'invention est utilisable avec d'autres types de gyroscopes que les gyroscopes vibrants axisymétriques ou plus généralement avec les gyroscopes à effet Coriolis, mais également avec des gyroscopes à effet Sagnac comme les gyroscopes laser et les gyroscopes à fibre optique.
Le cœur inertiel peut comprendre zéro, un, deux ou plus de trois gyroscopes vibrants axisymétriques .
Le cœur inertiel peut en outre comprendre plus de trois gyroscopes et plus de trois accéléromètres .
Lorsque l'enchaînement ne présente que huit re- tournements, l'angle électrique des gyroscopes vibrants ne parcourt qu'une plage délimitée par deux valeurs.
Le premier axe de retournement peut se trouver dans les plans XY, YZ ou ZX.
Un enchaînement de retournements couvert par l'invention peut être élaboré par permutation circulaire des retournements de l'enchaînement décrit.
Bien que le seuil prédéterminé de latitude ait été fixé à 45° dans le mode de mise en œuvre décrit, le seuil prédéterminé peut être différent et par exemple égal à 30° .
Le référentiel inertiel peut être orienté différemment de celui décrit ci-dessus.
En variante, chaque retournement est séparé d'une durée prédéterminée du retournement précédent .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de navigation longue durée au moyen d'un cœur inertiel comportant au moins trois gyroscopes et au moins trois accéléromètres , associé à un repère d'axes X, Y, Z et monté sur un véhicule en déplacement par rapport à la Terre pour en mesurer des mouvements par rapport à un référentiel inertiel d'axes Xi, Yi, Zi, comprenant les étapes de :
- mesurer de façon permanente, au moyen des gy- roscopes, une orientation du repère d'axes X, Y, Z dans le référentiel inertiel,
- appliquer, à partir d'une orientation initiale du cœur inertiel, un enchaînement prédéterminé de retournements du cœur inertiel, dans le référentiel inertiel, autour d'un premier axe et d'un deuxième axe sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre de telle manière que :
. à la fin de l'enchaînement, le cœur inertiel soit dans une orientation finale identique à l'orientation initiale par rapport au référentiel iner- tiel,
les retournements s'annulent au sein de 1 ' enchaînement ,
. une succession de deux retournements autour du premier axe soit précédée et suivie par un retournement autour du deuxième axe et une succession de deux retournements autour du deuxième axe soit précédée et suivie par un retournement autour du premier axe .
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
- au moins un des gyroscopes est un gyroscope vibrant axisymétrique,
- au moins un des axes de retournement est choisi pour être perpendiculaire à un axe sensible du gyroscope vibrant axisymétrique.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les axes de retournement sont choisis pour être perpendiculaires à l'axe sensible du gyroscope.
4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'angle électrique est forcé préalablement à l'enchaînement de retournements.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier axe est parallèle à un axe polaire terrestre et le deuxième axe est situé dans un plan équatorial terrestre .
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'enchaînement est réalisable selon deux configurations alternatives en fonction d'une latitude à laquelle se trouve le véhicule :
- pour une latitude de valeur absolue supérieure à un seuil prédéterminé, le deuxième axe est le même pour tous les enchaînements,
- pour une latitude de valeur absolue inférieure au seuil prédéterminé, le deuxième axe s'étend à une intersection du plan équatorial et d'un plan méridien sur lequel se trouve le véhicule, et est déterminé au début de chaque enchaînement .
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'enchaînement de retournements comprend au moins une première série de huit retournements, à savoir un retour- nement autour du premier axe selon un premier sens (RI (+π) ) , un retournement autour du deuxième axe selon un premier sens (R2 (+π) ) , un retournement autour du premier axe selon un deuxième sens (Rl(-7c)), un retournement autour du premier axe selon un premier sens (Rl(+7i)), un retournement autour du deuxième axe selon un deuxième sens (R2(-7i)), un retournement autour du premier axe selon un deuxième sens (RK-π)), un retournement autour du deuxième axe selon un premier sens (R2(+7i)), un retournement autour du deuxième axe selon un deuxième sens (R2(- π)).
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'enchaînement de retournements comprend une deuxième série de huit retournements, identique à la première série sauf en ce que les sens de retournement sont inversés .
9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque retournement est séparé d'une durée prédéterminée du retournement précédent .
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape d'intégration des accélérations dans le référentiel inertiel à partir d'une matrice de passage du repère de mesure au référentiel inertiel, la matrice de passage étant cyclique et représentant l'enchaînement de retournements.
11. Procédé selon la revendication 10, dans le- quel la matrice de passage est modélisée avec des paramètres mis à jour périodiquement à partir d'informations extérieures .
12. Dispositif de navigation inertielle, comprenant une unité de commande, un cœur inertiel qui comporte des gyroscopes et des accéléromètres et qui est monté sur un dispositif de retournement comportant des axes sensiblement perpendiculaires les uns aux autres et associés à des moyens de motorisations reliés à l'unité de commande, l'unité de commande étant agencée pour mettre en œuvre le procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes .
13. Dispositif selon la revendication 12, comportant trois axes motorisés et l'unité de commande étant agencée pour mettre en œuvre le procédé conforme à la re- vendication 6.
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