WO2015155439A1 - Procédé de mesure de temps de parcours d'une onde et de mesure de distance. - Google Patents

Procédé de mesure de temps de parcours d'une onde et de mesure de distance. Download PDF

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Definitions

  • the invention proposes a method for measuring the propagation time of a wave between two points using at least one device comprising at least one transmission assembly connected to a transmission point, at least one set receiving circuit connected to a reception point, at least one substitution-path circuitry for the wave, said at least one device being provided for transmitting and receiving a wave train, said transmitting and receiving assemblies introducing delays of propagation, said set forming a substitution path introducing a known propagation delay, the method comprising at least the following steps:
  • the transmission of the first stage wave train can be preceded by the following steps:
  • FIG. 2 schematically represents a device comprising:
  • Step 1
  • the wave travels through the gain controlled receive assembly 20 for a time TRI and is measured at time T1.
  • the switching assembly 30 connects the point Batt to the reception unit 20. Accordingly, the wave travels the attenuator 40.
  • a reference wave train is generated at time T02 and arrives at point A after having traversed transmission unit 10 for a time TE2,
  • the wave travels through attenuator 40 adjusted so that the level at point Batt is equal to that measured at the first step at point B, returning to the same level of useful reference signal.
  • the transit time is TA equal to the delay introduced by the attenuator 40.
  • the wave travels the reception assembly 20 for a time T 2 and the wave train is measured at time T2.
  • the wave train is generated from the MO memory by digital-to-analog conversions
  • the extraction of the time offsets (T2 - T02) and (Tl - TOI), which correspond to time offsets of wave trains, is performed digitally.
  • the invention proposes several methods depending on the nature of the wave train.
  • the reference wave train may be of absolutely any shape. This solves the problem of recognizing delays greater than half a period in the train of waves.
  • the foregoing descriptions are based on the assumption that the path A ⁇ B is constant or that the distance D between the device 100 and the reflector 90 does not vary.
  • the recorded waveband in Ml will be subject to a Doppler effect.
  • the end of the train of waves will be a little late or a little ahead of the case where there is no movement.
  • the travel time of the wave trains from the master to the slave is TPI, and the travel time of the wave trains from the slave to the master is TP2. In what follows, we will consider that these times are equal:
  • Second step transmission of a first step waveband TO2 by the slave device at time T1, from the buffer memory
  • this show is directed to two destinations: o travel of the wave in the attenuator 240 of the slave device, reception of this wave train to the slave device and storage in a buffer memory M2; this second stage wave train has an offset ⁇ 2 with respect to the wave train stored in the memory Ml, representative of the delays TEE, TRE and TAE internal to the slave device;
  • this received wave train has an offset ⁇ 3 with respect to the wave train stored in the memory Ml, representative of the delays TEE and TRM and the travel time TP;
  • ⁇ 3 - ⁇ 5 2 * TP + (TEE + TRE) -TAM
  • ⁇ 3 - ⁇ 5 + ( ⁇ 3 - ⁇ 4) 2 * TP + (TEE + TRE) -TAM - (TEE + TRE) - TAE
  • a setting time A of the transmission of the master device, of adjusting the gain receiving set of the slave device Before the first step, a setting time A of the transmission of the master device, of adjusting the gain receiving set of the slave device;
  • each measurement step lasts about 1 ms; each calibration step lasts about 8 ms; the calculation step lasts about 15 ms, depending on the complexity of the software and the power of the computer, and the transmission time of the calibration value TAE does not exceed 6 ms, so that the total duration of the measurement is about 50 ms.
  • TP is small, or to give an example of less than 30 km in the atmosphere, it is possible, for example, to use a thermostatically controlled quartz.
  • the two main requirements to be met are stability and phase noise.
  • the accuracy of the nominal frequency is not fundamental. It is always possible to accurately measure this nominal frequency and to store it in the device 100 so that the computer can read it and take it into account for the calculations.
  • Example of usable quartz for small TP OCXO SC Cut 81.630 MHz code 1LAX4 MMD components.
  • Each tag has a separate code and can behave indifferently as master device or slave device, so that each tag can:
  • the transmission of data is used in particular to transmit the commands of the system computer 390 to designate which beacon must be master and which other must be slave in order to perform a measurement.
  • the data transmission is then used to return to the system calculator the results of the measurements it has ordered.
  • the tag 310 because of its connection to the computer 390, plays the main role of transmitting data to the other tags and, when necessary, plays the role of master or slave to perform a measure with any other beacon.
  • the beacon space only one emits at a time, all the others are receivers; among them, only one recognizes the unique code assigned to it and then communicates or makes a measurement with the transmitting beacon.
  • such a system On the basis of an estimate such that space is occupied at 50% for data transmissions and at 50% for measurements, such a system is capable of performing 10 measurements per second.
  • each fixed beacon provides a distance D1, D2,
  • D3, D4 between itself and the beacon embedded in the mobile 300. If the mobile moves only on a known surface, for example the terrestrial surface, a minimum of two fixed beacons is sufficient to position the mobile by intersection of circles centered on fixed tags. If it moves in a three-dimensional space, the minimum of fixed beacons is three, correctly arranged, and the position is calculated by intersecting spheres centered on the fixed beacons. Of course, a number of beacons above these minima will provide better positioning accuracy.
  • a benefit of the system is that it is not necessary for the master and slave devices to direct their transmission towards each other, the distance measurement is by non-directive transmission, it is not necessary that one device "targets" the other.
  • the mobile can be positioned in a sphere of about 20 cm in diameter.
  • the method is applicable for example to help approach a helicopter on an oil rig, or to avoid train accidents on a single lane.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure du temps de propagation d'une onde entre deux dispositifs (101, 200) comportant au moins les étapes suivantes : - génération et mémorisation dans le dispositif d'un train d'ondes de référence (TOR), - émission d'un premier train d' ondes, - réception dans ledit dispositif dudit premier train d'ondes après au moins un premier parcours donnant lieu au temps de propagation (TPI, TP2) à mesurer, - émission d'au moins un deuxième train d'ondes, - réception dans ledit dispositif dudit au moins un deuxième train d'ondes après un deuxième parcours comportant au moins un retard introduit par ledit ensemble formant parcours de substitution, - calcul du temps de propagation entre lesdits deux dispositifs par combinaison des retards des premier et deuxième trains d'onde par rapport à l'onde de référence.

Description

PROCEDE DE MESURE DE TEMPS DE PARCOURS D'UNE ONDE ET DE MESURE DE DISTANCE.
L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de temps de parcours d'une onde, notamment d'une onde radioélectrique. Elle concerne également un procédé de mesures de distances et un procédé de localisation d'un mobile faisant intervenir plusieurs mesures de distances. On connaît plusieurs procédés de mesures de distances, soit entre un dispositif de mesure et un objet, par exemple le radar, dans lesquels le dispositif émet une onde qui est réfléchie sur l'objet et reçu par le dispositif, soit entre deux dispositifs, un maître et un esclave (ou transpondeur / répondeur), l'esclave ayant alors un rôle actif de réémission de l'onde. Les systèmes de radiolocalisation UHF suivants fonctionnent (ou fonctionnaient) par mesure de distances : Racal Micro Fix, Syledis de Sercel, Falcon VI de Motorola, Trident de Thomson CSF. La position était déterminée par intersection de trois lieux circulaires ou plus observés simultanément.
Dans tous les cas, la mesure primaire effectuée par le dispositif est celle du temps de trajet aller-retour de l'onde, qui est ensuite convertie en distance. Néanmoins, cette mesure du temps de propagation est entachée par plusieurs erreurs :
les conditions de propagation de l'onde dans le milieu ; c'est particulièrement vrai pour une onde acoustique dont la célérité dépend fortement de la densité du milieu, par exemple de l'air ou l'eau ; les ondes électromagnétiques ne sont pas insensibles aux conditions du milieu aérien traversé ; corriger la mesure de ce type d'erreur nécessite la connaissance du milieu sur le trajet de l'onde et notamment de ses inhomogénéités, ce qui est difficile ; dans le cas d'une mesure à relativement courte portée, on peut négliger ces inhomogénéités et considérer le milieu comme homogène ; les temps de séjour de l'onde à l'intérieur du dispositif lui-même (formation de l'onde, propagation...), par exemple dans l'émetteur et le récepteur, qui induisent des retards ; lorsque l'on cherche à améliorer la précision de la mesure, il n'est plus possible d'ignorer cette source d'erreur.
Or, ces retards ne sont généralement pas connus et varient dans le temps. Dans les systèmes évoqués plus haut, on contourne cette difficulté en réalisant des étalonnages sur le terrain à l'aide de dispositifs plus précis, par exemple une triangulation par théodolites. Cependant, cette étape d'étalonnage de terrain n'est pas aisée à mettre en œuvre. On peut aussi procéder par mesure différentielle, un dispositif de référence transmettant sur une fréquence différente les corrections à apporter aux mesures. Ce procédé induit des coûts supplémentaires (le dispositif de référence, plus grande complexité des dispositifs de mesure).
II subsiste donc un besoin pour un procédé de mesure de temps de parcours d'une onde qui permette de corriger des retards imputables au temps de séjour de cette onde dans les circuits d'un dispositif.
A cet effet, l'invention propose un procédé de mesure du temps de propagation d'une onde entre deux points mettant en œuvre au moins un dispositif comportant au moins un ensemble d'émission relié à un point d'émission, au moins un ensemble de réception relié à un point de réception, au moins un ensemble formant parcours de substitution pour l'onde, ledit au moins un dispositif étant prévu pour émettre et recevoir un train d'ondes, lesdits ensembles d'émission et de réception introduisant des retards de propagation, ledit ensemble formant parcours de substitution introduisant un retard de propagation connu, le procédé comportant au moins les étapes suivantes :
- génération et mémorisation dans le dispositif d'un train d'ondes de référence,
- émission d'un premier train d'ondes,
- réception dans ledit dispositif dudit premier train d'ondes après au moins un premier parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer,
- émission d'au moins un deuxième train d'ondes,
- réception dans ledit dispositif dudit au moins un deuxième train d'ondes après un deuxième parcours comportant au moins un retard introduit par ledit ensemble formant parcours de substitution,
- calcul du temps de propagation entre lesdits deux points par combinaison des retards des premier et deuxième trains d'onde par rapport à l'onde de référence.
Le procédé selon l'invention se distingue de l'état de l'art en ce qu'on effectue au moins deux mesures, l'une sur la distance à mesurer, par exemple dans l'atmosphère, l'autre au travers d'un ensemble formant parcours de substitution qui introduit un retard de temps de parcours qui est précisément connu. Il s'agit d'un montage électronique pouvant posséder une fonction telle qu'atténuateur, amplificateur... Lors d'une ou plusieurs étapes du procédé, cet ensemble se substitue au milieu (atmosphère, eau.. .) pour la propagation d'un ou plusieurs trains d'ondes. Cet ensemble sera appelé dans la suite du texte « ensemble de substitution ».
La mesure est donc en fait une mesure différentielle qui permet par calcul d'éliminer les retards de propagation imputables à l'émetteur et au récepteur du dispositif. Le procédé fait l'hypothèse que ces retards n'ont pas varié entre l'émission du premier train d'ondes et l'émission du second train d'ondes. Cette hypothèse est raisonnable lorsque ces deux émissions sont très proches dans le temps. Classiquement, les points entre lesquels la mesure est effectuée correspondent aux moyens de transformation de l'onde de sa forme guidée dans un conducteur en sa forme libre dans le milieu et réciproquement, par exemple à des points de connexion, des antennes ou des transducteurs ou autre.
Le procédé se présente dans deux modes de réalisation. Dans un premier mode de réalisation, le procédé peut comporter l'émission d'un premier et d'un second trains d'ondes successifs par un unique dispositif, et il comporte les étapes suivantes :
- Extraction d'un premier décalage temporel entre le premier train d'ondes reçu et l'onde de référence et d'un second décalage temporel entre le second train d'ondes reçu et l'onde de référence, lesdits premier et second décalages temporels comprenant des retards dus aux ensembles d'émission et de réception dudit dispositif.
- Combinaison desdits premier et second décalages temporels de façon à fournir une valeur du temps de propagation corrigé desdits retards.
Ce premier mode de réalisation fait intervenir un seul dispositif comportant un ensemble d'émission et un ensemble de réception. Le premier et le second trains d'ondes émis par l'ensemble d'émission sont reçus par l'ensemble de réception du même dispositif.
Le procédé fait intervenir les ressources suivantes :
- un moyen de calcul inclus ou relié au dispositif pour les extractions de décalages temporels et le calcul du temps de propagation,
- une base de temps précise, incluse ou reliée au dispositif.
Avantageusement, le premier parcours dudit premier train d'ondes peut comprendre :
- soit un aller - retour entre le dispositif et un réflecteur, le temps de propagation à mesurer étant celui entre le dispositif et le réflecteur,
- soit un conducteur.
La première utilisation du procédé correspond à celle d'un radar. Elle fait bien sûr l'hypothèse que le temps de parcours aller entre le point d'émission et le réflecteur d'une part, et le temps de parcours retour entre le réflecteur et le point de réception d'autre part peuvent être considérés comme égaux, ce qui implique notamment que ces deux points du dispositif soient proches et que les conditions de propagation dans le milieu ne changent pas entre le trajet aller et le traj et retour.
La seconde utilisation vise la mesure de la longueur de tout moyen apte à supporter la propagation d'une onde, qu'il s'agisse d'un câble électrique, d'un câble à fibre optique...
Avantageusement, l'émission du premier train d'ondes peut être précédée par les étapes suivantes :
- émission d'un premier train d'ondes de calibration,
- réception après le premier parcours,
- ajustement des ensembles d'émission et de réception, au cours duquel est identifié un niveau de réception en entrée de l'ensemble de réception.
Ce premier train d'ondes de calibration permet de stabiliser l'émission et de régler les gains des ensembles d'émission et de réception. Une fois ces gains réglés, ils ne seront plus modifiés jusqu'à la fin du processus de mesure, ce qui serait susceptible de modifier les retards qu'ils induisent. Il faut noter que lors de cette première étape de calibration, l'onde parcourt le « premier parcours » c'est-à-dire dans un milieu extérieur au dispositif.
Le niveau de réception en entrée de l'ensemble de réception est identifié de façon à le rendre connu, par exemple mesuré, afin que lors de l'émission du second train d'ondes, on reproduise ce niveau de réception en entrée de l'ensemble de réception.
Avantageusement, l'émission du second train d'ondes peut être précédée par les étapes suivantes :
- émission d'un second train d'ondes de calibration et réception après le second parcours,
- ajustement de l'ensemble de substitution. Ce second train d'ondes de calibration permet de stabiliser l'émission et de régler l'ensemble de substitution de façon à reproduire un niveau de réception en entrée de l'ensemble de réception égal à celui identifié à l'aide du premier train d'ondes de calibration. En effet, dans ce « second parcours », le second train d'ondes ne se propage pas dans le milieu à mesurer, atmosphère par exemple, mais au travers de l'ensemble de substitution à l'intérieur même du dispositif ; en conséquence, sans ajustement, l'ensemble de réception serait désadapté. Dans un second mode de réalisation, le procédé fait intervenir un dispositif maître et un dispositif esclave, le temps de propagation à mesurer étant celui qui existe entre un point d'émission du dispositif maître et un point de réception du dispositif esclave, et entre un point d'émission du dispositif esclave et un point de réception du dispositif maître, comportant :
- l'émission d'un premier et d'un deuxième trains d'ondes de référence par le dispositif maître, le deuxième train d'ondes de référence suivant un parcours comportant un retard introduit par l'ensemble de substitution du dispositif maître,
- l'émission d'un premier et d'un deuxième trains d'ondes d'étape par le dispositif esclave, le premier train d'ondes d'étape suivant un parcours comportant un retard introduit par l'ensemble de substitution du dispositif esclave.
Ce mode de réalisation fait intervenir deux dispositifs, dont l'un peut être considéré comme « maître » et l'autre « esclave », en ce sens que le procédé démarre par l'émission d'un premier train d'ondes de référence du dispositif maître, à la manière d'une interrogation, qui est suivi par l'émission d'un premier train d'ondes d'étape par le dispositif esclave, à la manière d'une réponse.
Ces deux types de dispositifs peuvent différer dans leurs composants internes, mais avantageusement ils peuvent être identiques. Dans ce cas, le dispositif maître est celui qui prend l'initiative de la mesure, étant par exemple à cet effet relié à un calculateur.
Le procédé se généralise bien sûr à un groupe comprenant un dispositif maître et plusieurs dispositifs esclaves. Dans ce cas, la première émission par le dispositif maître d'un train d'ondes de référence est précédée par l'émission d'un code en vue de sélectionner un dispositif esclave.
Avantageusement, le procédé peut comporter au moins les étapes suivantes :
- Etape 1 :
o Génération et mémorisation dans le dispositif maître d'un train d'ondes de référence,
o Emission par le dispositif maître d'un premier train d'ondes de référence,
o Réception dans le dispositif esclave dudit premier train d'ondes de référence après un premier parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer,
- Etape 2 :
o Emission d'un premier train d'ondes d'étape par le dispositif esclave,
o Réception au dispositif esclave dudit premier train d'ondes d'étape après un deuxième parcours comportant un premier ensemble de substitution prévu dans le dispositif esclave,
o Réception au dispositif maître dudit premier train d'ondes d'étape après un troisième parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer,
o Etape 3 :
o Emission d'un deuxième train d'ondes d'étape par le dispositif esclave,
o Réception au dispositif maître dudit deuxième train d'ondes d'étape après un quatrième parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer, - Etape 4 :
o Emission d'un deuxième train d'ondes de référence par le dispositif maître,
o Réception au dispositif maître dudit deuxième train d'ondes de référence après un cinquième parcours comportant un second ensemble de substitution du dispositif maître,
- Extraction :
o D'un troisième décalage temporel entre le premier train d'ondes d'étape reçu au dispositif maître et le train d'ondes de référence, o D'un quatrième décalage temporel entre le deuxième train d'ondes d'étape reçu au dispositif maître et le train d'ondes de référence, o D'un cinquième décalage temporel entre le deuxième train d'ondes d'étape et le d'ondes de référence,
- Combinaison desdits troisième, quatrième et cinquième décalages temporels de façon à fournir une valeur du temps de propagation corrigé des retards induits par les ensembles de réception et d'émission. Cette séquence d'émissions de trains d'ondes de référence par le dispositif maître et de trains d'ondes d'étape par le dispositif esclave est conçue pour que les temps de propagation soient porteurs d'informations concernant le temps de parcours entre les points d'émission et de réception des deux dispositifs et/ou des retards introduits par les ensembles de substitution. Une combinaison des différents décalages permet d'éliminer les retards induits par les ensembles d'émission et de réception des dispositifs maître et esclave.
Les différents trains d'ondes reçus au dispositif maître sont toujours, directement ou indirectement, rapportés au train d'ondes de référence stocké dans le dispositif maître de façon à en déduire leur décalage temporel.
Avantageusement, l'émission du premier train d'ondes de référence peut être précédée par les étapes suivantes :
- émission d'un train d'ondes de calibration par le dispositif maître, - émission d'un code de sélection et de synchronisation d'un dispositif esclave, - réception par les dispositifs esclaves après le premier parcours,
- ajustement des ensembles d'émission et de réception des dispositifs esclaves, au cours duquel est identifié un niveau de réception en entrée des ensembles de réception de chaque dispositif esclave.
Cette succession d'étapes a notamment pour but de sélectionner un dispositif esclave avec lequel le processus de mesure va commencer et de le synchroniser sur le dispositif maître.
Avantageusement, l'émission du premier train d'ondes d'étape peut être précédée par les étapes suivantes :
- émission d'un train d'ondes de calibration par le dispositif esclave sélectionné,
- réception par le dispositif maître après le premier parcours,
- ajustement de l'ensemble de substitution du dispositif esclave,
- ajustement de l'ensemble de réception du dispositif maître.
Avantageusement, l'émission du deuxième train d'ondes de référence peut être précédée par les étapes suivantes :
- émission d'un train d'ondes de calibration par le dispositif maître,
- ajustement de l'ensemble de substitution du dispositif maître.
Avantageusement, les ensembles de substitution peuvent comprendre chacun un atténuateur à gain commandé.
L'invention utilise de préférence un/des atténuateur(s) à gain commandé en tant qu'ensemble(s) de substitution. En effet, dans une variante préférée de l'invention, le procédé commence par l'émission d'un train d'ondes qui se propage dans le milieu, donc avec une forte atténuation, vers un ensemble de réception. Le gain de ce dernier est réglé pour recevoir et traiter ce train d'ondes.
Lors de la substitution, le train d'ondes émis se propage dans un montage électronique, l'ensemble de substitution, dont a priori le niveau de sortie est bien plus élevé que celui du train d'ondes s'étant propagé dans le milieu. Pour ne pas saturer l'ensemble de réception, il est préférable d'atténuer ce train d'ondes car, au niveau de précision requis, on ne peut modifier les gains ni de l'ensemble d'émission ni de l'ensemble de réception, ce qui aurait pour effet de modifier les retards qu'ils introduisent. Ceux-ci doivent rester constants dans les différentes étapes du procédé.
Dans cette variante préférée du procédé, l'ensemble de substitution est donc un atténuateur, il est à gain ajustable pour lui permettre de reproduire à l'entrée de l'ensemble de réception un niveau égal à celui du train d'ondes qui s'est propagé dans le milieu. Pour cet ensemble, le fait que son gain puisse varier n'est pas un obstacle car il peut être calibré en fonction du gain. De cette façon, le retard qu'il introduit est toujours précisément connu, quel que soit son gain. Par ailleurs, grâce à un montage électronique adapté ou tout autre procédé d'atténuation hyperfréquence ou optique par exemple, on peut faire en sorte que le/les retard(s) correspondant(s) soient stables dans le temps. Avantageusement, le procédé peut être précédé par les étapes suivantes :
- mesure des temps de retard de chaque ensemble de substitution à différents niveaux de gain,
- stockage desdits temps de retard.
Cette étape correspond au calibrage du/des ensemble(s) de substitution mentionné plus haut. Le retard introduit par l'ensemble de substitution n'est pas uniforme en fonction de son gain. En conséquence, son étalonnage nécessite de mesurer puis de stocker la valeur du retard pour différentes valeurs du gain. Ces valeurs d'étalonnage sont de préférence stockées dans un composant de l'ensemble de substitution lui-même.
Avantageusement, les dispositifs peuvent comprendre chacun un ensemble commutateur prévu pour faire en sorte qu'un train d'ondes émis par un ensemble d'émission parcoure, selon sa position, soit le premier parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer, soit l'ensemble de substitution. L'ensemble commutateur permet d'orienter un train d'ondes émis par l'ensemble d'émission soit vers un point d'émission, soit vers un ensemble de substitution.
Avantageusement, dans le cadre d'un procédé mettant en œuvre un dispositif maître et un dispositif esclave, le procédé peut comporter l'étape suivante :
- émission par le dispositif esclave et réception par le dispositif maître d'une information portant sur la valeur du/des temps de retard de l'ensemble de substitution du dispositif esclave.
En effet, dans un procédé mettant en œuvre au moins deux dispositifs, il est utile qu'un dispositif unique, le dispositif maître, regroupe toutes les informations concernant les retards introduits par les ensembles de substitution des autres dispositifs. La transmission de la valeur du temps de retard peut être directe (c'est la valeur elle-même qui est transmise) ou indirecte (c'est un index vers une table connue du dispositif maître).
Le procédé distingue alors deux types d'émissions :
des émissions du type mesure : le procédé comporte une série d'émissions - réceptions de trains d'ondes,
des émissions du type données : le procédé comporte au moins une étape d'émission par le dispositif esclave et de réception par le dispositif maître du/des temps de retard de l'ensemble de substitution du dispositif esclave.
Avantageusement, lorsque chaque dispositif comporte au moins un moyen de stockage numérique, le procédé peut comporter en outre au moins une étape consistant à :
- stocker au moins un train d'ondes dans ledit au moins un moyen de stockage numérique.
La représentation numérique des trains d'ondes dans les mémoires, pourvu que les « zéros » de ces mémoires soient synchronisés, permet d'extraire des temps de parcours à partir des décalages de ces trains d'ondes. En d'autres termes, le procédé ne passe pas par la mesure précise de temps de parcours, mais par la comparaison de deux trains d'ondes numérisés pour en déduire un décalage temporel. Il s'agit donc d'une mesure indirecte de temps de parcours.
L'invention porte également sur un dispositif de mesure de temps de propagation entre deux points, ledit dispositif comportant au moins un ensemble d'émission relié à un point d'émission, au moins un ensemble de réception relié à un point de réception, un ensemble de substitution qui introduit un retard connu dans la propagation d'ondes, ledit dispositif étant prévu pour émettre et recevoir au moins un train d'ondes, et comportant en outre :
- au moins un moyen de stockage numérique d'un train d'ondes,
- un ensemble de commutation prévu pour faire en sorte qu'un train d'ondes émis par l'ensemble d'émission parcoure, selon sa position, soit un premier parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer, soit l'ensemble de substitution.
Bien entendu, ce dispositif peut avantageusement comporter en outre :
- un moyen de calcul,
- une base de temps.
Des modes de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif de l'état de l'art pour mesurer le temps de parcours d'une onde entre deux points A et B,
La figure 2 représente un schéma de principe d'un dispositif pour mettre en œuvre le premier procédé selon l'invention, permettant de mesurer le temps de parcours d'une onde entre deux points A et B, La figure 3 représente une arche d'une onde stockée de façon numérique dans une mémoire, La figure 4 représente un schéma de principe d'un dispositif pour mettre en œuvre le premier procédé selon l'invention, permettant de mesurer le temps de parcours d'une onde entre un dispositif et un réflecteur, La figure 5 représente un schéma de principe d'un dispositif pour mettre en œuvre le second procédé selon l'invention, permettant de mesurer le temps de parcours d'une onde entre un dispositif maître et un dispositif esclave, La figure 6 représente la séquence d'émission et de réception de trains d'ondes dans le cas de la figure 5,
La figure 7 représente un schéma de principe d'un atténuateur ajustable utilisé dans un procédé selon l'invention,
La figure 8 représente un schéma de principe d'un système de localisation d'un mobile mettant en œuvre le second procédé selon l'invention. D'une manière générale, la mesure du temps de propagation TP d'une onde entre un point A et un point B se fait en faisant circuler cette onde entre ce point A et ce point B grâce à un dispositif schématiquement illustré en figure 1.
Une onde électromagnétique ou acoustique peut se propager le plus généralement dans l'air, dans un liquide, dans un solide non conducteur, en espace libre ou bien être guidée comme par exemple dans un câble électrique ou un guide d'onde. Une onde infra-rouge ou une onde optique sont des cas particuliers d'une onde électromagnétique. Une onde acoustique peut se propager dans l'air, dans un liquide ou dans un solide en espace libre ou guidée.
Comme illustré en figure 1, pour faire propager cette onde, il faut la générer jusqu'à un point de départ A en utilisant un ensemble d'émission 10 et assurer sa réception à un point d'arrivée B en utilisant un ensemble de réception 20 pour réaliser ensuite la mesure du temps TP mis par l'onde pour transiter de A à B.
II existe inévitablement un temps de propagation ou de retard TE entre le moment de la création de l'onde, considéré comme l'instant initial T0 de la mesure, et le moment d'arrivée au point A, dû à l'ensemble d'émission 10 de l'onde du dispositif.
Il existe inévitablement aussi à partir du point B un temps de propagation ou de retard TR, dû à l'ensemble de réception 20 du dispositif, pour que l'onde parvienne aux circuits de positionnement temporel de l'onde reçue. Cet instant mesuré est appelé Tl .
On a évidemment : Tl = T0 + TE + TP + TR.
On déduit TP par la formule : TP = (Tl - T0) - (TE + TR)
Cette méthode, qui consiste en une mesure directe de temps de parcours d'une onde, est universellement employée dans de nombreux systèmes comme les radars par exemple. L'exactitude de la mesure dépend de :
- la précision du repérage temporel de T0,
- la précision du repérage temporel de Tl ,
- la précision de la connaissance de TE,
- la précision de la connaissance de TR.
La précision de la connaissance du temps peut être très bonne avec la technologie des quartz ou d'autres horloges encore plus précises comme les horloges atomiques. Grâce à l'une de ces bases de temps 50 prévue dans ou reliées au dispositif, la précision du positionnement temporel de l'instant initial T0 de l'onde peut être très bonne.
La précision du positionnement temporel de l'instant de réception Tl de l'onde varie en fonction de nombreux paramètres comme :
- la forme de l'onde,
- le bruit sur le signal,
- la durée de la mesure,
- etc.
Dans la pratique cependant, c'est la précision de la connaissance des retards TE et TR qui est le facteur essentiel d'erreur dans la connaissance du temps de propagation TP.
Quelle que soit la méthode employée pour accéder à la connaissance des valeurs des retards TE et TR, ces valeurs ne sont pas stables dans le temps. Elles varient continuellement en fonction de nombreux paramètres comme la température, les tensions d'alimentation, le niveau du signal, le vieillissement des composants et les opérations de maintenance ou de réglages.
Néanmoins, on sait que si les retards TE et TR peuvent varier, ces variations sont très lentes comparées à la durée de la mesure réalisée et qu'entre deux mesures successives très proches dans le temps, ces variations sont extrêmement faibles et peuvent être négligées.
On sait par ailleurs qu'il existe des montages physiques, électroniques, acoustiques, optiques, hyperfréquences ou toute autre technologie selon le besoin, notamment des atténuateurs, dont l'amplitude du signal de sortie est ajustable, à partir d'un niveau maximum vers un niveau de sortie très petit ou nul, qui induisent des retards de propagation TA très précis et très stables.
La figure 7 fournit un exemple schématique d'un tel atténuateur 40 dans le domaine électronique basse fréquence. Il comporte une entrée 41 et une sortie 42 en limite d'une enceinte 49 de préférence thermostatée. Il comporte également :
- un moyen d'ajustement 43 à commande numérique, permettant de régler l'ajustement de 1 à 0,3, - un amplificateur opérationnel 46 à commande numérique, permettant de faire varier le gain par saut de valeurs 1, ½, ¼, 1/8... ceci faisant fonction de calibre 47.
L'onde qui pénètre dans ce montage 40 par l'entrée 41 traverse dans un premier temps un séparateur haute impédance 44, puis un multiplieur 45 dans lequel son amplitude est multipliée par le facteur issu du moyen d'ajustement 43. L'onde franchit ensuite l'amplificateur opérationnel 46 dans lequel son amplitude est multipliée par le calibre. On voit que par le jeu de l'ajustement fin de 1 à 0,3 et des calibres en inverses de puissances de 2, on parvient à un ajustement continu de l'amplitude de l'onde entre les valeurs 1 et 0,3 fois le calibre le plus bas.
Un tel montage ne contient que très peu de composants, il est physiquement très petit et facile à thermostater. Dans la pratique, le retard TA introduit par un tel atténuateur est fonction de l'atténuation, qui résulte du réglage du moyen d'ajustement 43 et du calibre 47 choisi. Le retard TA n'est donc pas une constante mais soit un tableau de valeurs, soit une fonction. Ce tableau de valeurs ou cette fonction sont déterminés lors d'un étalonnage de ce montage 40 et mémorisés dans un composant 48 de l'atténuateur. Cette mémoire peut être consultée par un calculateur à chaque mesure. En pratique, le retard TA peut ainsi être connu avec une erreur inférieure à 0,01 ns.
La figure 2 représente schématiquement un dispositif comportant :
- un ensemble d'émission 10 pouvant comprendre des conversions ou générations de signal utile, des amplificateurs, des changements de fréquence, des moyens de connexion, des antennes, des transducteurs, - un montage atténuateur 40 comme décrit précédemment,
- un ensemble de commutation 30 constitué par un commutateur, ou par une pluralité de commutateurs coordonnés entre eux,
- un ensemble de réception à gain commandé 20 pouvant comprendre des moyens de connexion, des antennes, des transducteurs, des amplificateurs éventuellement à gain commandés, des changements de fréquence, des conversions ou détections de signal afin de restituer le signal utile.
L'ensemble de commutation 30 permet d'envoyer vers l'ensemble de réception 20 soit une onde ayant parcouru le trajet A→ B, par exemple dans l'atmosphère, soit une onde ayant traversé l'atténuateur 40, ayant donc parcouru le trajet A→ Batt. Cet atténuateur possède un retard TA connu. L'ensemble de commutation 30 est de préférence situé en aval de l'atténuateur 40, à proximité du point de réception B et/ou en amont de l'atténuateur 40, à proximité du point d'émission A, notamment dans le cas d'une pluralité de commutateurs coordonnés entre eux.
Dans un premier procédé selon l'invention, la mesure s'effectue en deux temps :
Etape 1 :
Dans cette étape, l'ensemble de commutation 30 relie le point B à l'ensemble de réception à gain commandé 20.
Un train d'ondes de référence est généré au temps TOI et arrive au point A après avoir parcouru l'ensemble d'émission 10 pendant un temps TE1,
L'onde transite vers le point B pendant un temps TP.
L'onde parcourt l'ensemble de réception à gain commandé 20 pendant un temps TRI et est mesurée au temps Tl .
Le niveau de réception au point B est mesuré.
De cette première étape, on tire l'équation (1) :
(1) TP = (T1 - T01) - (TE1 + TR1)
Etape 2 :
Dans cette étape, l'ensemble de commutation 30 relie le point Batt à l'ensemble de réception 20. En conséquence, l'onde parcourt l'atténuateur 40.
Un train d'ondes de référence est généré au temps T02 et arrive au point A après avoir parcouru l'ensemble d'émission 10 pendant un temps TE2, L'onde parcourt l'atténuateur 40 ajusté pour que le niveau au point Batt soit égal à celui mesuré à la première étape au point B, en retrouvant le même niveau de signal utile de référence.
Le temps de transit est TA, égal au retard introduit par l'atténuateur 40. L'onde parcourt l'ensemble de réception 20 pendant un temps T 2 et le train d'ondes est mesuré au temps T2.
De cette seconde étape, on tire l'équation (2) :
TA = (T2 - T02) - (TE2 + TR2)
Pour les raisons énoncées plus haut, on peut considérer que :
TE1 = TE2 = TE, et TRI = TR2 = TR.
Par soustraction des deux équations (1) et (2), on trouve :
TP = TA + (Tl - TOI) - (T2 - T02).
En choisissant de synchroniser TOI et T02, Tl et T2 peuvent être directement comparés. La connaissance de chacun des instants TOI, T02, Tl et T2 peut être excellente grâce à une base de temps 50 bien choisie. TA peut être également connu avec une très bonne précision et très stable dans le temps. La connaissance de Tl et T2 reste dépendante de la qualité du signal et de la durée du train d'ondes reçu.
On a donc éliminé les principales sources d'erreur TE et TR.
Par rapport aux procédés classiques, l'exactitude de la mesure peut être améliorée d'un facteur 10.
Un avantage du procédé selon l'invention par rapport aux procédés classiques est que l'étalonnage du dispositif n'a pas besoin d'être réalisé sur le site d'exploitation. L'étalonnage individuel de la base de temps 50 d'une part et de l'atténuateur 40 d'autre part, réalisés en usine, suffit pour garantir l'exactitude de la mesure.
En pratique, le train d'ondes à l'origine de l'émission est échantillonné et stocké de façon numérique dans une mémoire MO, comme représenté en figure 3. Par exemple, l'adresse 8 de cette mémoire MO contient la valeur V8. Si par exemple l'échantillonnage est à 80 MHz et le train d'ondes à 500 kHz, une période sera décrite dans 160 adresses de la mémoire avec un pas de 12,5 ns. Le train d'ondes est donc entièrement décrit de façon numérique dans la mémoire, qui a un nombre d'adresses en fonction de l'échantillonnage et de la durée du train d'ondes, ceci constituant le train d'ondes de référence mémorisé dans la mémoire MO.
Ce train d'ondes de référence peut être de forme absolument quelconque, non modulé ou modulé de diverses façons comme par exemple en amplitude, en fréquence, en phase, simplement, ou partiellement, ou simultanément.
Le train d'ondes est généré à partir de la mémoire MO par conversions digitale - analogique
L'onde qui parcourt le trajet A → B peut être le train d'ondes de référence lui-même ou une porteuse adaptée au milieu entre A et B, modulée par ledit train d'ondes.
Réciproquement, les trains d'ondes, si nécessaire après démodulation de porteuse, reçus au cours des première et seconde étapes, sont convertis par conversion analogique - digitale et stockés de la même façon respectivement dans les mémoires Ml et M2 qui contiennent ainsi chacune un train d'ondes final.
L'extraction des décalages temporels (T2 - T02) et (Tl - TOI), qui correspondent à des décalages temporels de trains d'ondes, est effectuée de façon numérique. L'invention propose plusieurs méthodes en fonction de la nature du train d'ondes.
Par exemple, en prenant soin de bien synchroniser les adresses de la mémoire Ml et de la mémoire M2 par rapport à la mémoire MO pendant les étapes, on peut mettre en œuvre une comparaison entre la forme du train d'ondes de référence mémorisé dans la mémoire MO avec la forme des trains d'ondes finaux mémorisés respectivement dans les mémoires M2 et Ml, méthode par homothétie.
On peut également appliquer des algorithmes adaptés aux formes du train d'ondes de référence, et qui permettent de retrouver le nombre entier plus une fraction de pas d'échantillons, de décalage dans les adresses de Ml ou M2. Considérant ensuite la durée du pas d'échantillon, on en déduit le retard du train d'ondes final mémorisé dans la mémoire Ml ou M2 par rapport au train d'ondes de référence.
Cette extraction peut être effectuée avec une discrimination de l'ordre du 1/100 d'échantillon. La précision dépend toujours de la pureté (absence de bruit) et de la durée du train d'ondes émis et donc reçu. Par exemple, pour un échantillonnage à 80 MHz, une discrimination de 1/100 d'échantillon correspond à 0,125 ns, soit pour donner un exemple concret une distance d'environ 4 cm dans l'atmosphère.
Pour la bonne exécution de ce premier procédé, les deux étapes mentionnées plus haut sont chacune précédées d'une étape de calibration comme suit, qui permettent de séparer l'ajustement du signal utile de référence de l'enregistrement du train d'ondes :
- Avant la première étape, un temps A d'établissement de l'émission et d'ajustement du gain de l'ensemble de réception pour produire un niveau de signal utile de référence ; ainsi, dès le début de la première étape, on fixe le gain de l'ensemble de réception et le train d'ondes a un niveau de signal utile constant pendant tout le temps de sa transmission ; ceci est avantageux car le retard T de l'ensemble de réception varie avec le gain ;
- Entre la première et la seconde étape, un temps B d'établissement de l'émission, dont les caractéristiques ou paramètres n'ont pas changé par rapport à la première étape, et d'ajustement du gain du retardateur, sans changer le gain ou les caractéristiques de l'ensemble de réception, ceci afin de reproduire le même niveau de signal utile de référence ; ainsi dès le début de la seconde étape, le niveau de signal utile est constant pendant tout le temps de la transmission.
Si le temps de propagation TP est petit, par exemple inférieur à 0,1 ms, soit pour donner un exemple concret une distance d'environ 30 km dans l'atmosphère, chaque étape de mesure dure environ 1 ms ; chaque étape de calibration dure environ 8 ms ; l'étape de calcul dure environ 10 ms, en fonction de la complexité du logiciel et de la puissance du calculateur, si bien que la durée totale de la mesure est d'environ 28 ms.
Comme cela a été décrit ci-dessus, le train d'ondes de référence peut être de forme absolument quelconque. Ceci permet de résoudre le problème de la reconnaissance de retards supérieurs à une demi-période dans le train d'ondes.
Si le train d'ondes est par exemple seulement sinusoïdal, et que la période est 50 kHz, le retard maximum qu'il sera possible de reconnaître est de ½ période soit 10 μ8, soit une équivalence de 3 000 mètres dans l'air sans compter TE et TR.
Les trains d'ondes peuvent être non modulés ou modulés :
- en amplitude,
- et/ou en phase,
- et/ou en fréquence.
Par le jeu de formes variées ou de modulations variées, on peut extraire le sens de l'onde reçue et le nombre entier de périodes de retard. Ceci est possible avec par exemple le train d'ondes suivant sur la base de 500 kHz :
- commencer avec NI périodes à 500 kHz non modulées,
- dériver la fréquence vers 525 kHz par exemple,
- conserver N2 périodes à 525 kHz,
- dériver la fréquence vers 475 kHz par exemple,
- conserver N2 périodes à 475 kHz,
- ramener la fréquence à 500 kHz,
- finir le train d'ondes avec N3 périodes à 500 kHz non modulées en conservant la phase avec les NI premières périodes.
Par le jeu de formes variées ou de modulations variées, on peut choisir un train d'ondes optimisé en bande passante en vue d'une bonne précision potentielle d'extraction du retard. L'optimisation de la bande passante doit permettre la meilleure conservation possible de la forme du train d'ondes pendant les transmissions. Il est par ailleurs possible de faire des mesures avec une bande passante étroite en utilisant par exemple une modulation de porteuse en Bande Latérale Unique.
La figure 4 fournit un exemple d'application du premier procédé, dans lequel on mesure la distance D entre un dispositif 100 prévu pour exécuter le procédé et un réflecteur 90, à la manière d'un radar. Le dispositif 100 peut comporter un calculateur, non représenté, ou bien être relié à un tel calculateur.
Le procédé est bien sûr applicable à la mesure précise de la longueur de tout conducteur apte à transporter un train d'ondes.
Les mesures effectuées avec une maquette semblable au principe de la figure 4, de technologie tout à fait ordinaire, possédant une durée d'étape de 1 ms et une durée inter étapes de calibration de 8 ms, utilisant un train d'ondes partiellement modulé en fréquence autour de 500 MHz correspondant à l'exemple ci-dessus et une porteuse émise en Bande Latérale Unique produisant une onde à 2,5 MHz transmise par infrarouge montrent que les performances suivantes relatives à la distance D peuvent être obtenues :
- une erreur systématique ou biais de variation lente de l'ordre de plus ou moins 10 cm maximum, à laquelle se superpose :
- une erreur aléatoire de type gaussienne de l'ordre de plus ou moins 15 cm (en pied de courbe), avec 70% des mesures environ en dessous de plus ou moins 8 cm.
Les descriptions précédentes reposent sur l'hypothèse que le parcours A→ B est constant ou que la distance D entre le dispositif 100 et le réflecteur 90 ne varie pas. En particulier, avec l'exemple d'application de la figure 4, si le réflecteur change de position pendant la mesure, le train d'onde en retour enregistré dans Ml va être sujet à un effet doppler. La fin du train d'ondes se trouvera un peu en retard ou un peu en avance par rapport au cas où il n'y a pas mouvement. En fonction de la durée du train d'ondes et d'un décalage admissible en fin de train d'ondes, on peut déterminer à partir de quelle vitesse l'extraction du retard (Tl - TOI) ne peut plus être faite sans qu'une correction ne soit appliquée au préalable au contenu de la mémoire Ml pour que le train d'ondes reçu redevienne homothétique par rapport au train d'ondes de référence.
Le procédé repose sur l'auto élimination des valeurs TE et TR. Ces valeurs sont sensibles à l'amplitude du signal qui parcourt les circuits électroniques. Il existe donc, en passant d'un état où les circuits ne sont pas parcourus par un signal électrique à un état où ils le sont, un temps pendant lequel les collecteurs des transistors qui changent de niveau de dissipation thermique, vont au bout d'un certain temps atteindre un nouveau niveau d'équilibre thermique dans leur milieu. En conséquence, les capacités parasites changent et le temps de propagation aussi. Pour remédier à ce phénomène, en dehors du temps utile pour les mesures, on organise un maintien en chauffe des circuits d'émission, avec un signal équivalent à la mesure, sans procéder à des émissions et pour la même raison, on sollicite les circuits de réception avec un signal fictif.
La figure 5 fournit un exemple d'application d'un second procédé dérivé du premier procédé que l'on vient de décrire. Il fait intervenir deux dispositifs, un dispositif maître 101 et un dispositif esclave 200. Le dispositif maître 101 comporte un point d'émission AM et un point de réception BM ; le dispositif esclave 200 comporte un point d'émission AE et un point de réception BE.
Chaque dispositif comporte les composants précédemment décrits :
- un ensemble d'émission 110, 210,
- un ensemble de réception à gain commandé 120, 220,
- un ensemble de commutation 130, 230,
- un atténuateur ajustable 140, 240 comme décrit précédemment,
- une base de temps 150, 250.
Le dispositif maître 101 comporte un retard à l'émission TEM et un retard à la réception TRM, qui sont inconnus. De même, le dispositif esclave 200 comporte un retard à l'émission TEE et un retard à la réception TRE, qui sont inconnus. Néanmoins, de la même façon que précédemment, ces retards peuvent être considérés comme constants pendant le temps de la mesure. Les atténuateurs 140, 240 des dispositifs maître et esclave ont chacun un temps de retard connu, respectivement TAM et TAE.
Le dispositif maître comporte en outre quatre mémoires, une mémoire de référence MO prévue pour contenir le train d'ondes de référence TOR mémorisé et trois mémoires tampons M3, M4 et M5 destinées à stocker chacune un train d'ondes reçu. Le dispositif esclave comporte deux mémoires tampons Ml et M2 destinées à stocker chacune un train d'ondes reçu.
Le temps de trajet des trains d'ondes du maître vers l'esclave est TPI, et le temps de trajet des trains d'ondes de l'esclave vers le maître est TP2. Dans ce qui suit, on considérera que ces temps sont égaux :
TPI = TP2 = TP.
Ce second procédé comporte un enchaînement de quatre étapes, qui coïncident avec les quatre émissions illustrées en figure 6, la description des étapes étant limitée à l'essentiel, en particulier les commutations sont implicites :
- Première étape : génération d'un train d'ondes de référence TOR, qui est stocké dans une mémoire MO du dispositif maître ; émission d'un train d'onde de référence TOI par le dispositif maître 101 à partir de la mémoire MO, réception de ce train d'ondes au dispositif esclave 200 et stockage dans une mémoire tampon Ml du dispositif esclave ; pourvu que les mémoires MO et Ml aient été synchronisées avant le démarrage du procédé, le train d'ondes stocké dans la mémoire Ml présente un décalage temporel ΔΤ1 par rapport au train d'onde de référence TOR qui est représentatif du temps de parcours TP, du retard TEM introduit par le dispositif maître au moment de l'émission et du retard TRE introduit par le dispositif esclave au moment de la réception ;
- Deuxième étape : émission d'un premier train d'ondes d'étape TO2 par le dispositif esclave au temps Tl, à partir de la mémoire tampon
Ml ; cette émission est dirigée vers deux destinations : o parcours de l'onde dans l'atténuateur 240 du dispositif esclave, réception de ce train d'ondes au dispositif esclave et stockage dans une mémoire tampon M2 ; ce second train d'ondes d'étape présente un décalage ΔΤ2 par rapport au train d'ondes mémorisé dans la mémoire Ml, représentatif des retards TEE, TRE et TAE internes au dispositif esclave ;
o réception de l'onde au dispositif maître et stockage dans une mémoire tampon M3 ; ce train d'ondes reçu présente un décalage ΔΤ3 par rapport au train d'ondes mémorisé dans la mémoire Ml, représentatif des retards TEE et TRM et du temps de parcours TP ;
- Troisième étape : émission d'un second train d'ondes d'étape T03 par le dispositif esclave à partir de la mémoire tampon M2, réception de l'onde au dispositif maître et stockage dans une mémoire tampon M4 ; ce train d'ondes reçu présente un décalage ΔΤ4 par rapport au train d'ondes mémorisé dans la mémoire M2, représentatif des retards TEE et TRM et du temps de parcours TP ;
- Quatrième étape : émission d'un deuxième train d'ondes de référence TO4 par le dispositif maître 101 à partir de la mémoire MO, parcours de l'onde dans l'atténuateur 140 du dispositif maître, réception de ce train d'ondes au dispositif maître et stockage dans une mémoire tampon M5 ; ce train d'ondes reçu présente un décalage ΔΤ5 par rapport au train d'ondes de référence TOR, représentatif des décalages TEM, TRM et TAM internes au dispositif maître.
Le dispositif maître dispose, en consultant la mémoire 48 de l'atténuateur 140 de la valeur d'étalonnage TAM pour l'atténuation qui a été mise en œuvre dans le dispositif maître pendant la séquence.
Le dispositif maître 101, par requête auprès du dispositif esclave 200, réalisée après la quatrième étape, accède à la valeur d'étalonnage TAE pour l'atténuation qui a été mise en œuvre dans le dispositif esclave pendant la séquence par son atténuateur 240. La synchronisation des mémoires MO du dispositif maître et Ml du dispositif esclave n'étant pas parfaite, il subsiste un petit décalage δ entre ces mémoires dont il peut être tenu compte dans les équations.
On déduit de l'analyse de cet enchaînement les équations suivantes : (1) ΔΤ1 = TEM + TP + TRE + δ
(2) ΔΤ2 = ΔΤ1 + TEE + TAE + TRE
(3) ΔΤ3 = ΔΤ1 + TEE + TP + TRM - δ
(4) ΔΤ4 = ΔΤ2 + TEE + TP + TRM - δ
(5) ΔΤ5 = TEM + TAM + TRM
On calcule ΔΤ3 - ΔΤ5 :
ΔΤ3 - ΔΤ5 = ΔΤ1 + TEE + TP + TRM - δ - TEM - TAM - TRM
= TEM + TP + TRE + δ + TEE + TP + TRM - δ - TEM - TAM - TRM
ΔΤ3 - ΔΤ5 = 2*TP + (TEE + TRE) -TAM
On calcule ensuite ΔΤ3 - ΔΤ4 :
ΔΤ3 - ΔΤ4 = ΔΤ1 + TEE + TP + TRM - δ - ΔΤ2 - TEE - TP - TRM + δ = ΔΤ1 - ΔΤ2
= Δ1- ΔΤ1 - TEE - TAE - TRE
ΔΤ3 - ΔΤ4 - - (TEE + TRE) - TAE
On calcule ensuite ΔΤ3 - ΔΤ5 + (ΔΤ3 - ΔΤ4) :
ΔΤ3 - ΔΤ5 + (ΔΤ3 - ΔΤ4) = 2*TP + (TEE + TRE) -TAM - (TEE + TRE) - TAE
= 2*TP - (TAM + TAE).
Soit : 2*TP = (ΔΤ3 - ΔΤ5) + (ΔΤ3 - ΔΤ4) + (TAM + TAE)
TP = ΔΤ3 - ½ (ΔΤ4 + ΔΤ5) + ½ (TAM + TAE)
On dispose ainsi d'une relation donnant le temps de propagation TP :
- de laquelle on a éliminé les retards inconnus TEM, TRM, TEE et TRE,
- et qui ne fait intervenir que des valeurs connues dans le dispositif maître, les décalages observés au dispositif maître, ΔΤ3, ΔΤ4 et ΔΤ5, ainsi que des valeurs d'étalonnage TAM et TAE des atténuateurs 140, 240, en assumant que la base de temps esclave 250 et la base de temps maître 150 sont à la même fréquence. Il est en effet préférable que le temps qui passe entre les étapes soit identique dans le dispositif maître et le dispositif esclave ; si ce n'est pas le cas, il est nécessaire d'apporter des corrections.
Cependant, comme on l'a vu plus haut, un calage très précis du démarrage des étapes dans le dispositif esclave, par rapport au dispositif maître, à la réception par le dispositif esclave d'un code qui le sélectionne, n'est pas nécessaire.
Toutefois, il est recommandé que ce calage soit compris dans 1/50 de la durée d'une étape.
Pour la bonne exécution de ce second procédé, certaines des étapes mentionnées plus haut sont chacune précédées d'une étape de calibration comme suit :
- Avant la première étape, un temps A d'établissement de l'émission du dispositif maître, d'ajustement l'ensemble de réception à gain commandé du dispositif esclave ;
- A la suite de ce temps A, quel que soit le nombre de dispositifs esclaves mis en œuvre par le second procédé, émission par le dispositif maître d'un code de sélection pour le dispositif esclave avec lequel la mesure doit être effectuée, ce code ayant pour fonction particulière de synchroniser le maître et l'esclave ;
- Entre la première et la deuxième étape, un temps B d'établissement de l'émission du dispositif esclave et simultanément :
o Ajustement de l'atténuateur du dispositif esclave,
o Ajustement de l'ensemble de réception à gain commandé du dispositif maître,
- Entre la troisième et la quatrième étape, un temps C d'ajustement de l'atténuateur du dispositif maître.
Si le temps de propagation TP est petit, par exemple inférieur à 0,1 ms, soit pour donner un exemple concret une distance d'environ 30 km dans l'atmosphère, chaque étape de mesure dure environ 1 ms ; chaque étape de calibration dure environ 8 ms ; l'étape de calcul dure environ 15 ms, en fonction de la complexité du logiciel et de la puissance du calculateur, et le temps de transmission de la valeur d'étalonnage TAE n'excède pas 6 ms, si bien que la durée totale de la mesure est d'environ 50 ms.
La séquence d'émissions et de réceptions décrite plus haut n'est qu'un exemple de séquence permettant d'aboutir à l'élimination des retards inconnus TEM, TRM, TEE et TRE du calcul de TP. L'exactitude de la mesure est conditionnée par la/les base(s) de temps 50,
150 utilisée(s).
Dans le dispositif 100 pour la mise en œuvre du premier procédé, une seule base de temps 50 est suffisante.
Dans la mesure où TP est petit, soit pour donner un exemple moins de 30 km dans l'atmosphère, on peut par exemple utiliser un quartz thermostaté. Les deux exigences principales à satisfaire portent sur la stabilité et le bruit de phase. L'exactitude de la fréquence nominale n'est pas fondamentale. Il est toujours possible de mesurer avec exactitude cette fréquence nominale et de la mémoriser dans le dispositif 100 pour que le calculateur puisse la lire et en tenir compte pour les calculs.
Par exemple :
- stabilité de fréquence à court terme : 0,1 ppm toutes causes confondues,
- stabilité de fréquence à long terme : vérifier la valeur avec une périodicité de quelques années et, si nécessaire, enregistrer la valeur dans une mémoire,
- bruit de phase : - 100 à -150 dBc/Hz de 100 Hz à 100 kHz,
- précision de la fréquence nominale de construction : ± 0,2 ppm. Si TP est très grand, soit pour donner un exemple plus de 30 km dans l'atmosphère, la durée de chaque étape doit être allongée et, en conséquence, la durée totale de la mesure. La fréquence des bases de temps devra alors être connue avec plus de précision.
Dans le montage pour la mise en œuvre du second procédé, on utilise deux bases de temps, l'une 150 dans le dispositif maître et l'autre 250 dans le dispositif esclave. Les exigences à satisfaire sont les mêmes que pour le cas d'une seule base de temps.
Il peut exister une différence de fréquence entre la base de temps du dispositif maître et celle du dispositif esclave. Cette différence aura pour effet de contracter ou dilater la fréquence de l'onde quand elle est enregistrée dans les mémoires M3 et M4 du dispositif maître après avoir transité dans le dispositif esclave.
Si ce défaut est sensible, on peut le corriger en prévoyant une étape dans laquelle le dispositif esclave communique au dispositif maître la valeur exacte de la fréquence du quartz de sa base de temps 250, mesurée et enregistrée dans une mémoire. Le calculateur peut alors la lire et en tenir compte dans les calculs.
Exemple de quartz utilisable pour TP petit : OCXO SC Cut 81,630 MHz code 1LAX4 MMD components.
Les informations générales mentionnées dans le cadre du premier procédé relatives à :
- l'amélioration de l'exactitude par rapport aux procédés classiques,
- l'étalonnage individuel des bases de temps 150, 250 d'une part et d'autre part des atténuateurs 140, 240, qui est réalisé en usine et qui suffit pour garantir l'exactitude de la mesure,
- au train d'ondes qui peut être quelconque dans la limite d'une bande passante définie,
- aux erreurs qui sont du même ordre de grandeur en considérant un dispositif maître et un dispositif esclave semblables au dispositif maquette pris en exemple plus haut,
- au cas de vitesse relative entre le dispositif maître et le dispositif esclave, - la chauffe préalable des circuits électroniques,
restent valables pour ce second procédé.
La figure 8 illustre un système et un procédé de localisation d'un objet 300, par exemple un mobile, dans repère Oxyz. Le système comporte quatre dispositifs 310, 320, 330, 340, appelés par la suite balises, fixes et dont les positions sont connues dans le repère, le mobile embarquant ici pour l'exemple un cinquième dispositif 350, ce mobile pouvant éventuellement embarquer plusieurs dispositifs.
D'une manière générale, il peut y avoir plusieurs mobiles équipés chacun d'une balise.
Les cinq balises utilisent la même fréquence en hertzien ou en infrarouge par exemple. Pour le fonctionnement du système, une balise au moins 310 est reliée à un calculateur système 390.
Chaque balise possède un code distinct et peut se comporter indifféremment comme dispositif maître ou dispositif esclave, de sorte que chaque balise peut :
- dialoguer avec toute autre balise ou un minimum nécessaire d'entre elles, en vue notamment de la transmission de données,
- effectuer une mesure de distance avec toute autre balise, ou un minimum nécessaire d'entre elles.
La transmission de données est notamment utilisée pour transmettre les ordres du calculateur système 390 afin de désigner quelle balise doit être maître et quelle autre doit être esclave en vue de réaliser une mesure. La transmission de données est utilisée ensuite pour faire revenir au calculateur système les résultats des mesures qu'il a ordonnées.
Dans un tel système, la balise 310, du fait de sa connexion au calculateur 390, joue le rôle principal de transmission de données vers les autres balises et, quand c'est nécessaire, joue le rôle de maître ou d'esclave pour réaliser une mesure avec une quelconque autre balise. Dans l'espace des balises, une seule émet à la fois, toutes les autres sont réceptrices ; parmi elles, une seule reconnaît le code unique qui lui est attribué et alors communique ou effectue une mesure avec la balise émettrice.
Le dispositif décrit plus haut, mettant en œuvre le second procédé, est capable de réaliser une mesure de temps donc de distance en occupant l'espace pendant un temps très court, de l'ordre de 50 ms.
Sur la base d'une estimation telle que l'espace est occupé à 50% pour les transmissions de données et à 50% pour les mesures, un tel système est capable de réaliser 10 mesures par seconde.
Dans le second procédé, chaque balise fixe fournit une distance Dl, D2,
D3, D4 entre elle-même et la balise embarquée dans le mobile 300. Si le mobile se déplace uniquement sur une surface connue, par exemple la surface terrestre, un minimum de deux balises fixes suffit à positionner le mobile par intersection de cercles centrés sur les balises fixes. S'il se déplace dans un espace à trois dimensions, le minimum de balises fixes est de trois, correctement disposées, et la position est calculée par intersection de sphères centrées sur les balises fixes. Bien sûr, un nombre de balises supérieur à ces minima fournira une meilleure précision de positionnement.
Un avantage du système est qu'il n'est pas nécessaire que les dispositifs maître et esclave dirigent leur émission l'un vers l'autre, la mesure de distance s'effectue par émission non directive, il n'est pas nécessaire qu'un dispositif « vise » l'autre.
Compte tenu des précisions de mesure mentionnées plus haut et de leur cadence, et dans la limite de la portée intrinsèque au procédé, le mobile peut être positionné dans une sphère de 20 cm de diamètre environ.
Le procédé est applicable par exemple à l'aide à l'approche d'un hélicoptère sur une plateforme pétrolière, ou pour éviter les accidents de trains circulant sur une voie unique.

Claims

Revendications
1. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde entre deux points (A, B ; AM, BE ; BM, AE) mettant en œuvre au moins un dispositif (100, 101, 200) comportant au moins un ensemble d'émission
(10, 110, 210) relié à un point d'émission (A, AM, AE), au moins un ensemble de réception (20, 120, 220) relié à un point de réception (BE, BM), au moins un ensemble formant parcours de substitution pour l'onde (40, 140, 240), ledit au moins un dispositif étant prévu pour émettre et recevoir un train d'ondes, lesdits ensembles d'émission et de réception introduisant des retards (TE, TR, TME, TMR, TEE, TRE) de propagation, ledit ensemble formant parcours de substitution introduisant un retard de propagation connu (TA, TAM, TAE), ledit procédé comportant au moins les étapes suivantes :
- génération et mémorisation dans le dispositif d'un train d'ondes de référence (TOR),
- émission d'un premier train d'ondes,
- réception dans ledit dispositif dudit premier train d'ondes après au moins un premier parcours donnant lieu au temps de propagation (TP) à mesurer,
- émission d'au moins un deuxième train d'ondes,
- réception dans ledit dispositif dudit au moins un deuxième train d'ondes après un deuxième parcours comportant au moins un retard introduit par ledit ensemble formant parcours de substitution,
- calcul du temps de propagation entre lesdits deux points par combinaison des retards des premier et deuxième trains d'onde par rapport à l'onde de référence.
Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde entre deux points (A, B) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'émission d'un premier et d'un second trains d'ondes successifs par un unique dispositif (100), et en ce qu'il comporte les étapes suivantes : extraction d'un premier décalage temporel entre le premier train d'ondes reçu et le train d'ondes de référence (TOR) et d'un second décalage temporel entre le second train d'ondes reçu et le train d'ondes de référence, lesdits premier et second décalages temporels comprenant des retards (TE, TR) dus aux ensembles d'émission et de réception (10, 20) dudit dispositif,
combinaison desdits premier et second décalages temporels de façon à fournir une valeur du temps de propagation corrigé desdits retards.
Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que ledit premier parcours du premier train d'ondes comprend :
soit un aller - retour entre le dispositif (100) et un réflecteur (90), le temps de propagation à mesurer étant celui entre le dispositif et ledit réflecteur,
soit un conducteur.
Procédé de mesure de temps de propagation d'une onde entre deux points (AM, BE ; BM, AE) selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'il fait intervenir un dispositif maître (101) et un dispositif esclave (200), le temps de propagation à mesurer (TP) étant celui qui existe entre un point d'émission (AM) du dispositif maître et un point de réception (BE) du dispositif esclave, et entre un point d'émission du dispositif esclave (AE) et un point de réception du dispositif maître (BM),
et en ce qu'il comporte :
l'émission d'un premier (TOI) et d'un deuxième (TO4) trains d'ondes de référence par le dispositif maître, le deuxième train d'ondes de référence suivant un parcours comportant un retard (TAM) introduit par l'ensemble de substitution (140) du dispositif maître,
- l'émission d'un premier (T02) et d'un deuxième (T03) trains d'ondes d'étape par le dispositif esclave, le premier train d'ondes d'étape suivant un parcours comportant un retard (TAE) introduit par l'ensemble de substitution (240) du dispositif esclave.
5. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon la revendication 4,
caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
- Etape 1 :
o Génération et mémorisation dans le dispositif maître (101) d'un train d'ondes de référence (TOR),
o Emission par le dispositif maître d'un premier train d'ondes de référence (TOI),
o Réception dans le dispositif esclave dudit premier train d'ondes de référence après un premier parcours donnant lieu au temps de propagation (TP) à mesurer,
- Etape 2 :
o Emission d'un premier train d'ondes d'étape (TO2) par le dispositif esclave,
o Réception au dispositif esclave dudit premier train d'ondes d'étape après un deuxième parcours comportant un premier ensemble de substitution (240) prévu dans le dispositif esclave,
o Réception au dispositif maître dudit premier train d'ondes d'étape (TO2) après un troisième parcours donnant lieu au temps de propagation (TP) à mesurer,
o Etape 3 :
o Emission d'un deuxième train d'ondes d'étape (TO3) par le dispositif esclave, o Réception au dispositif maître dudit deuxième train d'ondes d'étape après un quatrième parcours donnant lieu au temps de propagation (TP) à mesurer,
- Etape 4 :
o Emission d'un deuxième train d'ondes de référence (TO4) par le dispositif maître,
o Réception au dispositif maître dudit train d'ondes de référence après un cinquième parcours comportant un second ensemble de substitution (140) du dispositif maître,
- Extraction :
o D'un troisième décalage temporel entre le premier train d'ondes d'étape (T02) reçu au dispositif maître et le d'ondes de référence (TOR),
o D'un quatrième décalage temporel entre le deuxième train d'ondes d'étape (T03) reçu au dispositif maître et le train d'ondes de référence (TOR),
o D'un cinquième décalage temporel entre le deuxième train d'ondes de référence (TO4) et le train d'ondes de référence (TOR),
- Combinaison desdits troisième, quatrième et cinquième décalages temporels de façon à fournir une valeur du temps de propagation (TP) corrigé des retards (TEM, TRM, REE, TRE) desdits ensembles de réception et d'émission.
6. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que les ensembles de substitution (40, 140, 240) comprennent chacun un atténuateur à gain commandé.
7. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dispositifs (100, 101, 200) comprennent chacun un ensemble commutateur (30, 130, 230) prévu pour faire en sorte qu'un train d'ondes émis par un ensemble d'émission (10, 110, 210) parcoure, selon sa position, soit le premier parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer (TP), soit l'ensemble de substitution (40, 140, 240).
8. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il est précédé par les étapes suivantes :
- mesure des temps de retard (TA, TAM, TAE) de chaque ensemble de substitution (40, 140, 240) à différents niveaux de gain,
- stockage desdits temps de retard.
9. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon la revendication 4,
caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante :
- émission par le dispositif esclave (200) et réception par le dispositif maître (101) d'une information portant sur la valeur du/des temps de retard (TAE) de l'ensemble de substitution (240) du dispositif esclave (200).
10. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que les trains d'ondes sont non modulés ou modulés :
- en amplitude,
- et/ou en phase,
- et/ou en fréquence.
11. Procédé de mesure du temps de propagation d'une onde selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque dispositif (100, 101, 200) comporte au moins un moyen de stockage numérique (MO, Ml, M2, M3, M4, M5),
caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape consistant à :
- stocker au moins un train d'ondes (TOR, TOI, TO2, TO3, TO4) dans ledit au moins un moyen de stockage numérique.
12. Dispositif (100, 101, 200) de mesure de temps de propagation (TP) entre deux points (A, B ; AM, BM ; AE , BE) ledit dispositif comportant au moins un ensemble d'émission (10, 110, 210) relié à un point d'émission (A, AM, AE), au moins un ensemble de réception (20,
120, 220) relié à un point de réception (B, BM, BE), un ensemble de substitution (40, 140, 240) qui introduit un retard connu (TA, TAM, TAE) dans la propagation d'ondes, ledit dispositif étant prévu pour émettre et recevoir au moins un train d'ondes, et comportant en outre : - au moins un moyen de stockage numérique (MO, Ml, M2, M3, M4, M5) d'un train d'ondes,
- un ensemble de commutation (30, 130, 230) prévu pour faire en sorte qu'un train d'ondes émis par l'ensemble d'émission parcoure, selon sa position, soit un premier parcours donnant lieu au temps de propagation à mesurer, soit l'ensemble de substitution.
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