WO2023083604A1 - Procédé d'estimation de la vitesse d'un véhicule ferroviaire et centrale inertielle associée - Google Patents

Procédé d'estimation de la vitesse d'un véhicule ferroviaire et centrale inertielle associée Download PDF

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WO2023083604A1
WO2023083604A1 PCT/EP2022/079783 EP2022079783W WO2023083604A1 WO 2023083604 A1 WO2023083604 A1 WO 2023083604A1 EP 2022079783 W EP2022079783 W EP 2022079783W WO 2023083604 A1 WO2023083604 A1 WO 2023083604A1
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Damien VEILLARD
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Meggitt (Sensorex)
Barraud, Alain
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    • G01S19/50—Determining position whereby the position solution is constrained to lie upon a particular curve or surface, e.g. for locomotives on railway tracks

Definitions

  • the present invention relates to an inertial unit and a method for estimating the speed of a railway vehicle combining inertial measurements and signals from a satellite navigation system.
  • the invention relates to a method for estimating a speed of a railway vehicle during the movement of said railway vehicle along a railway track, said railway vehicle comprising an inertial unit configured to provide: - acceleration measurements along three orthogonal axes,
  • GNSS Global Navigation Satellite Systems
  • a step of defining a state vector comprising components associated with the speed of the vehicle, the attitude and orientation (roll, pitch and yaw) of the vehicle and the bias errors of the angular speed measurements and acceleration,
  • determining the reliability of GNSS signals includes taking into account the number of satellites providing signals and the position of said satellites.
  • the method comprises a step of correcting the alignment between a marker associated with the inertial unit and a marker associated with the rail vehicle.
  • the state vector also includes components associated with the misalignment between the frame associated with the inertial unit and the frame associated with the rail vehicle so that the misalignment is estimated recursively by the state estimator.
  • the method also comprises a step in which the error related to the misalignment between the marker associated with the inertial unit and the reference associated with the railway vehicle is saved in a memory of the inertial unit in order to be able to be used during a reinitialization of the estimator, in particular during a power-up following a power-down of the inertial unit.
  • the state vector comprises 15 components, 3 components associated with the speed of the rail vehicle, 3 components associated with the attitude of the rail vehicle, 3 components associated with the bias errors on the angular measurements, 3 components associated with bias errors on the acceleration measurements and 3 components associated with the misalignment between the frame associated with the inertial unit and the frame associated with the rail vehicle.
  • the state estimator is a Kalman filter.
  • the Kalman filter is an extended Kalman filter.
  • the error associated with the speed of the rail vehicle is determined from the covariances of state errors provided by the Kalman filter.
  • the method comprises a step of static initialization when starting the rail vehicle making it possible to initialize a mechanism for determining the direction of movement of the rail vehicle when it passes from a position static at a moving position.
  • the step of applying a state estimator comprises the application of a constraint linked to zero speed on the transverse axes at the level of the center of rotation of the vehicle railway.
  • the method comprises a validation step making it possible to exclude an aberrant or non-compliant estimated speed.
  • the duration during which the GNSS signals are considered to be unreliable is measured and stored for a predetermined time, this duration being used to determine the error associated with the speed measurement of the rail vehicle.
  • the frequency of realization of the estimate is higher than the frequency of reception of the GNSS signals.
  • the present invention also relates to an inertial unit for a railway vehicle comprising:
  • an accelerometer configured to perform acceleration measurements along three orthogonal axes
  • a gyrometer configured to perform angular measurements along three orthogonal axes
  • processing unit configured for:
  • the inertial unit also comprises, after the step of correcting the estimation of the state vector, a step of determining the speed error from the covariances of errors of the states of the state estimator and of the values of the reliability of the GNSS signal over a predetermined period preceding the determining step.
  • FIG.1 shows a top view of a railway vehicle comprising an inertial unit
  • FIG.2 shows a diagram of an inertial unit according to the present invention
  • FIG.3a shows a side view of a railway vehicle comprising an inertial unit and a GNSS antenna;
  • FIG.3b shows a front view of a railway vehicle comprising an inertial unit and a GNSS antenna
  • FIG.4 shows a schematic perspective view of a railway vehicle and the various markers used
  • FIG.5 represents a flowchart of the steps of a method for estimating the speed of a railway vehicle
  • FIG.6 represents a flowchart of the different sub-steps of the application of a state estimator of the process of figure 5;
  • first element or second element As well as first parameter and second parameter or even first criterion and second criterion, etc.
  • it is a simple indexing to differentiate and name elements or parameters or criteria that are close, but not identical.
  • This indexing does not imply a priority of one element, parameter or criterion over another and it is easy to interchange such denominations without departing from the scope of the present description.
  • this indexing imply an order in time, for example, to assess such and such a criterion.
  • FIG. 1 represents an example of a railway vehicle 100, for example a train comprising a locomotive and several wagons, two wagons in the example of FIG. 1 running on rails and comprising an inertial unit 1 according to the present invention.
  • the invention is not limited to this configuration of railway vehicle 100, in particular a different number of wagons can be used.
  • the railway vehicle 100 relates to the locomotive comprising the inertial unit 1 since the position of the wagons depends directly on the position of the locomotive.
  • An X, Y, Z trihedron linked to the railway vehicle 100 is also represented in FIG. 1.
  • the X axis corresponds to the axis of advancement of the railway vehicle 100
  • the Z axis corresponds to the vertical direction when the railway vehicle 100 is on horizontal rails
  • the Y axis completes the trihedron and can be associated with roll, yaw and pitch axes of rail vehicle 100.
  • Figure 2 shows a diagram of the inertial unit 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a trihedron X', Y', Z' linked to the inertial unit 1 is represented in figure 2.
  • the inertial unit 1 comprises an accelerometer 3 configured to carry out acceleration measurements along three orthogonal axes corresponding to the three axes X', Y' and Z' of the trihedron linked to the inertial unit 1.
  • the measurements are for example carried out by three accelerometers denoted 3x, 3y and 3z oriented respectively along the three axes X', Y' and Z'.
  • the inertial unit 1 also includes a gyrometer 5 configured to perform angular velocity measurements along three orthogonal axes corresponding to the three axes X', Y' and Z' of the trihedron linked to the inertial unit.
  • the measurements are for example carried out by three gyrometers denoted 5x, 5y and 5z oriented respectively along the three axes X', Y' and Z'.
  • the inertial unit 1 also includes a module 7 for receiving Geolocation and Navigation signals by a “GNSS” Satellite System associated with a satellite navigation system.
  • the GNSS module 7 can be positioned at least partly outside the inertial unit 1 and in particular the GNSS antenna 70 can be positioned in the upper part of the railway vehicle 100 to promote good reception of the GNSS signals as represented on the figures 3a and 3b.
  • the GNSS antenna 70 is then connected to the GNSS module of the inertial unit 1 via a wired or wireless connection.
  • the GNSS module 7 is thus configured to receive signals from satellites making it possible to determine the position and the speed of movement of the GNSS antenna 70.
  • the GNSS antenna 70 is for example configured to transmit and receive electromagnetic waves in a predetermined frequency range. Position and speed information are by example obtained by triangulation from the signals exchanged with four satellites.
  • the GNSS signals from the satellites are received at a first predetermined frequency, for example 5Hz.
  • the inertial unit 1 also includes a processing unit 9.
  • the processing unit 9 includes for example a microcontroller or a microprocessor associated with a ROM or RAM type memory.
  • the processing unit 9 is configured to analyze the GNSS signals received by the GNSS module 7 and to determine the reliability of said GNSS signals.
  • the GNSS signal includes for example the number of satellites for which a signal is received, the position of these satellites, also called DOP (Dilution Of Precision in English), or the presence of reflected signals also called DOP (Dilution Of Precision in English), or the presence of reflected signals also called DOP (Dilution Of Precision in English), or the presence of reflected signals also called DOP (Dilution Of Precision in English), or the presence of reflected signals also called
  • multipath signal in English which are analyzed by the processing unit 9.
  • the GNSS signals will be taken into account or not in the speed estimate made by the inertial unit 1.
  • a time counter or "timer” in English is triggered to measure the duration during which the GNSS signals are considered unreliable. This duration is stored in memory for a predetermined time. The times during which the GNSS signals were considered unreliable during the predetermined time preceding the estimation are then taken into account in the estimation of an error associated with the measurement of the speed of the rail vehicle which will be better described below. of the description.
  • the processing unit 9 is also configured to recover the acceleration and angular speed measurements taken by the accelerometer 3 and the gyrometer 5.
  • the processing unit 9 is configured to apply a state estimator to estimate a state vector comprising components associated with the speed of the rail vehicle 100, to the attitude of the railway vehicle 100 (that is to say to its orientation given by the angles of roll, pitch and yaw) and to the bias errors of the angular and acceleration measurements from the measurements retrieved.
  • the processing unit 9 is also configured to correct the estimation of the state vector from the GNSS signal if the supplied GNSS signal is considered as sufficiently reliable in order to extract the speed of the rail vehicle 100 and the error associated with said speed of the rail vehicle 100 from the corrected state vector.
  • Estimation of the state vector is for example carried out by a Kalman filter and in particular an extended Kalman filter.
  • This filtering makes it possible to merge the measurements coming from the accelerometer 3, from the gyrometer 5 and potentially from the GNSS module 7 if the reliability is sufficient. This filtering can also make it possible to determine an error associated with the estimated speed of the railway vehicle 100 from the covariances of errors of the states supplied by the Kalman filter.
  • the application of the state estimator is performed recursively at a second predetermined frequency which may be greater than the first predetermined frequency, for example greater than twice the first predetermined frequency, for example 50Hz (i.e. 10 times the first predetermined frequency).
  • the processing unit 9 is also configured to take into account the constraints linked to the movement of the railway vehicle 100 in the state estimator such as the constraint linked to zero speed on the transverse axes of the railway vehicle 100 at the level of its center of rotation denoted CR in FIGS. 3a and 3b which represent side and front views of a railway vehicle 100 comprising an inertial unit 1 and a remote GNSS module 7. Taking these constraints into account thus makes it possible to increase the observability of the system by increasing the number of measurements, without increasing the number of sensors, in other words the cost of the device.
  • the processing unit 9 also includes a self-test function in which the aberrant values obtained by the state estimator are rejected, such as for example a speed greater than the maximum speed of the rail vehicle 100 or a deviation excessive speed between two successive estimates (the maximum difference may be asymmetrical depending on the maximum acceleration and braking power) or too great a roll or pitch which would not correspond with the topologies of the railway tracks generally encountered.
  • a self-test function in which the aberrant values obtained by the state estimator are rejected, such as for example a speed greater than the maximum speed of the rail vehicle 100 or a deviation excessive speed between two successive estimates (the maximum difference may be asymmetrical depending on the maximum acceleration and braking power) or too great a roll or pitch which would not correspond with the topologies of the railway tracks generally encountered.
  • the processing unit 9 is also configured to detect and correct an alignment deviation between the X'Y'Z' frame associated with the inertial unit 1 and the XYZ frame associated with the rail vehicle 100 so as to provide a self- permanent alignment.
  • This self-alignment is obtained thanks to the estimation by the state estimator of the alignment difference between the X'Y'Z' reference linked to the inertial unit 1 and the XYZ reference linked to the rail vehicle 100 of recursively over time.
  • This self-alignment makes it possible to be able to position the inertial unit 1 at any location of the railway vehicle 100 and not necessarily at the center of rotation CR of the railway vehicle 100.
  • the processing unit 9 can be configured to save the estimated value of the alignment deviation, also called misalignment, between the X'Y'Z' mark associated with the inertial unit 1 and the mark XYZ associated with the railway vehicle 100 in an internal memory or a memory of the inertial unit 1.
  • This backup makes it possible to have a starting value in the event of reinitialization of the state estimator, in particular during a power-up following when inertial unit 1 is switched off.
  • an inertial unit 1 configured to merge three-axis acceleration measurements provided by accelerometers 3, three-axis rotational speed measurements provided by gyrometers 5 and GNSS data provided by a GNSS module 7 and to estimate the reliability of the GNSS data and the alignment deviation between the orientation of the sensors and the orientation of the rail vehicle 100 makes it possible to provide a reliable estimate of the speed of a rail vehicle 100 as well as the estimate of the error related to this speed.
  • the present invention also relates to a method for estimating a speed of a railway vehicle 100 during the movement of the railway vehicle 100 along a railway track.
  • the railway vehicle 100 is in particular equipped with an inertial unit 1 as described above.
  • the first step 101 concerns a preliminary initialization step carried out statically when the railway vehicle 100 is started. This step 101 has a limited duration, for example 15 seconds, and makes it possible to initialize the sensors in order to be able to determine later in particular the direction of movement of the railway vehicle 100 (forward or reverse).
  • the second step 102 relates to a second preliminary step of updating the various counters also called “timers” making it possible to follow the evolution of time.
  • the third step 103 concerns the application of the state estimator making it possible to determine the speed of the railway vehicle 100 and the uncertainty or error associated with this speed.
  • This third step 103 comprises many sub-steps which will be described in detail in the following description.
  • the fourth step 104 relates to the recovery of the value of the misalignment between the reference linked to the inertial unit 1 and the reference linked to the railway vehicle 100 estimated during step 103 and its recording in a memory, for example a memory flash-like.
  • This recorded value will be read when the inertial unit 1 is powered up in order to start from the last estimate made before the inertial unit 1 was powered down.
  • This recording makes it possible to obtain rapid convergence of the value of the misalignment which can take several hours to converge in the absence of an initial value and makes it possible to have an accurate speed estimate as soon as the inertial unit 1 is powered up.
  • the fifth step 105 concerns the provision of output data and in particular the speed of the rail vehicle 100 and the associated uncertainty estimated during step 103. Depending on the customer's needs, other data estimated during step 103 can also be retrieved and provided.
  • the supply corresponds for example to the sending of a data signal to the cockpit of the railway vehicle 100.
  • step 103 The details of step 103 will now be described in detail starting from the flowchart of Figure 6.
  • the first sub-step 1031 relates to the analysis of the GNSS signal received by the GNSS module 7 in order to determine whether the reliability of the GNSS signal is sufficient to be able to be taken into account in determining the speed of the railway vehicle 100.
  • This analysis takes into account the number of satellites whose signals are received, the position of the satellites, called DOP (Dilution Of Precision) in English, whose signal is received or the fact that the received signal has been reflected in particular on the reliefs located around rail vehicle 100, a phenomenon also called “multipath” in English. All of these parameters are taken into account to determine the reliability of the GNSS signal supplied. This determined reliability can be compared to a predetermined threshold.
  • the GNSS signal is not taken into account in the estimation of the speed of the railway vehicle 100 and only the measurements of the accelerometers and the gyrometers are then used. If the reliability determined is greater than the predetermined threshold, the GNSS signal is taken into account to be merged with the measurements of the accelerometers 3 and the gyrometers 5 in the estimation of the speed of the railway vehicle 100. The GNSS signals make it possible to estimate the speed of the rail vehicle 100 as well as an error at this speed.
  • the second sub-step 1032 relates to the analysis of the movement and vibrations of the railway vehicle 100 from the accelerometers 3 and the gyrometers 5 to determine whether the railway vehicle 100 is stationary or in motion as well as the direction movement of the railway vehicle 100 (forward or reverse). This makes it possible in particular to stop the estimation when the railway vehicle 100 is stationary and no GNSS signal is received, for example in the case of a stop in an underground station. Stopping the estimation in these cases avoids an instability of the state estimator which could lead to erroneous estimations.
  • the third sub-step 1033 concerns the measurement of the duration(s) when the GNSS signal is not reliable.
  • the duration or durations during which the GNSS signal has been deemed unreliable during a predetermined time interval are stored in memory and used to calculate the uncertainty associated with the speed of the rail vehicle 100.
  • the predetermined time interval corresponds for example to a few minutes or tens of minutes. Indeed, when the GNSS signal is not taken into account, the speed estimation is carried out only from the inertial measurements, that is to say the measurements of the accelerometers 3 and the gyrometers 5, so that the The uncertainty associated with the estimation of the speed of the railway vehicle 100 increases over time until the GNSS signal is once again reliable.
  • the fourth sub-step 1034 concerns the detection of an anomaly during the calculation of the state estimator corresponding for example to a saturation or a malfunction of the processing unit 9. In the case of a detection of an anomaly, the estimator will be reinitialized at the next stop of the railway vehicle 100 detected in sub-step 1032.
  • the fifth sub-step 1035 relates to updating the state estimator from the latest measurements and possibly from the GNSS signal if its reliability is sufficient.
  • the inertial reference XiYiZi corresponds to an absolute reference whose origin is the center of the earth but which does not follow the rotation of the earth. Its axes point to stars far enough away to appear fixed relative to the center of the earth.
  • the Xi axis points to the Vernal Equinox
  • the Zi axis is parallel to the earth's spin axis
  • the Yi Axis is orthogonal to Xi and Zi to complete the XiYiZi triad.
  • the use of the inertial reference is necessary because the rotation of the earth (relative to the inertial reference) is measured by the gyrometers 5 and must therefore be taken into account for the estimation of the speed of the railway vehicle 100.
  • the measurements of the gyrometers 5 can be defined by:
  • Accelerometer measurements 3 can be defined by:
  • a correction model h is defined used in the Kalman filter making it possible to transform, i.e. to change mark and transpose, that is to say change the origin, the velocities estimated by the Kalman filter for the following instant and compare them with the velocities measured at this following instant.
  • the correction model h is a nonlinear model defined by:
  • the update of the state estimator includes a prediction phase in which the states of the system are predicted (speed of the railway vehicle 100 in particular) and the associated uncertainties from the inertial measurements, that is that is to say measurements of the accelerometers 3 and the gyrometers 5 then a correction phase in which the estimation of the states of the system is corrected thanks to a correction model based on the equations linked to the railway application and on the data from of the GNSS module 7.
  • the sixth sub-step 1036 relates to the evaluation of a confidence interval of the speed estimate made in the sub-step 1035.
  • the purpose of this evaluation is to ensure that the estimated speed associated with its confidence interval meets the performance and safety criteria imposed by railway standards, for example that the error between the actual speed and the estimate is within the confidence interval 99.99% of the time or that the confidence interval is less than a value imposed by the railway standard 99.9% of the time.
  • This confidence interval can be determined from the uncertainty estimated by the Kalman filter. Alternatively, this confidence interval can be determined empirically from a large number of measurements carried out in various configurations. A curve, for example a polynomial, can be obtained from a polynomial regression applied to the set of measures. Moreover, in both cases, weighting coefficients can be applied according to certain criteria such as the fact that the convergence of the misalignment is obtained at the time of the estimation or not.
  • the determination method uses the value estimated by the Kalman filter under certain conditions, for example when the signals from the GNSS module 7 are reliable and a value obtained empirically when the signals from the module GNSS 7 are unreliable. Weighting coefficients can also be applied in this embodiment.
  • the seventh sub-step 1037 concerns the validation of the estimates (states (including the speed), uncertainties, confidence interval of the speed). For this, various tests are carried out.
  • the estimated dynamics are for example compared with the theoretical dynamics of a railway vehicle 100.
  • the error estimates of the sensors can also be compared with the known uncertainties of these same sensors.
  • the eighth sub-step 1038 concerns the updating of the estimated misalignment between the X'Y'Z' frame linked to the inertial unit 1 and the XYZ frame linked to the rail vehicle 100 as well as the calculation of its uncertainty.
  • an inertial unit 1 supplying measurements of three-dimensional accelerations and angular velocities coupled to a GNSS module and the use of an estimator making it possible to merge the measurements from the inertial sensors and from the module GNSS 7 when the GNSS signal is fairly reliable make it possible to obtain an estimate of the speed of a railway vehicle 100 and of the error associated with this estimated speed.
  • the determination of a confidence interval linked to the speed estimate makes it possible to ensure that the measurement carried out respects the railway standards.
  • the determination of a misalignment between the reference linked to the inertial unit 1 and the reference linked to the railway vehicle 100 makes it possible to be able to position the inertial unit 1 in any location of the railway vehicle 100.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé d'estimation d'une vitesse d'un véhicule ferroviaire (100) comprenant une centrale inertielle (1) configurée pour recevoir des signaux GNSS associés à un système de navigation par satellite comprenant les étapes suivantes: - analyse (1031) des signaux GNSS reçus pour déterminer la fiabilité desdits signaux GNSS, - une étape de définition d'un vecteur de mesures comprenant les mesures réalisées par la centrale inertielle, - définition d'un vecteur d'état comprenant des composantes associées à la vitesse du véhicule, à l'attitude du véhicule et aux erreurs de biais des mesures de vitesses angulaires et d'accélération, - application (1035) d'un estimateur d'état pour estimer le vecteur d'état en utilisant le vecteur de mesures, - correction de l'estimation du vecteur d'état à partir des signaux GNSS en fonction de la fiabilité déterminée desdits signaux GNSS, - extraction de la vitesse du véhicule ferroviaire et de l'erreur associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire (100) à partir du vecteur d'état corrigé.

Description

Description
Titre de l’invention : Procédé d’estimation de la vitesse d’un véhicule ferroviaire et centrale inertielle associée
[1] La présente invention concerne une centrale inertielle et un procédé d’estimation de la vitesse d’un véhicule ferroviaire combinant des mesures inertielles et des signaux d’un système de navigation par satellite.
[2] Il est important pour les compagnies de gestion des véhicules ferroviaires de connaître le plus précisément possible et de manière fiable la position et la vitesse des trains. En effet, la connaissance de la localisation et de la vitesse précise des trains permet de pouvoir mieux organiser le trafic et ainsi améliorer la gestion des voies de chemins de fer.
[3] Différentes techniques sont utilisées dans l’état de la technique pour déterminer la vitesse des véhicule ferroviaire comme par exemple les tachymètres, les radars Doppler, les accéléromètres, les mesures GNSS « Global Navigation Satellite Systems » (signaux GPS « Global positonning System » notamment) ou les balises disposées régulièrement sur la voie ferrée. Cependant, ces différentes solutions présentent toutes des inconvénients (glissement des roues sur les rails pour les tachymètres, mauvaise fiabilité en présence de brouillard pour les radars Doppler, dérive au cours du temps pour les accéléromètres, absence de réception GNSS dans les tunnels et zones escarpées pour les dispositifs GNSS, difficulté de mise en place et possibilité de dégradations des balises) limitant la fiabilité des mesures. Or, la fiabilité des mesures apparaît comme un critère déterminant puisque la sécurité des passagers des trains dépend de cette détermination de la vitesse.
[4] Il apparaît donc nécessaire de fournir une solution permettant d’obtenir une estimation fiable de la vitesse d’un véhicule ferroviaire quelles que soient les conditions météorologiques et la topologie de la ligne de chemin de fer.
[5] A cet effet, l’invention concerne un procédé d’estimation d’une vitesse d’un véhicule ferroviaire lors du déplacement dudit véhicule ferroviaire le long d’une voie ferrée, ledit véhicule ferroviaire comprenant une centrale inertielle configurée pour fournir : - des mesures d’accélération selon trois axes orthogonaux,
- des mesures de vitesses angulaires selon trois axes orthogonaux, et pour recevoir des signaux GNSS (« Global Navigation Satellite Systems ») associés à un système de navigation par satellite, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- une étape d’analyse des signaux GNSS reçus pour déterminer la fiabilité desdits signaux GNSS,
- une étape de définition d’un vecteur de mesures comprenant les mesures réalisées par la centrale inertielle,
- une étape de définition d’un vecteur d’état comprenant des composantes associées à la vitesse du véhicule, à l’attitude et orientation (roulis, tangage et lacet) du véhicule et aux erreurs de biais des mesures de vitesses angulaires et d’accélération,
- une étape d’application d’un estimateur d’état pour estimer le vecteur d’état en utilisant le vecteur de mesures,
- une étape de correction de l’estimation du vecteur d’état à partir des signaux GNSS en fonction de la fiabilité déterminée desdits signaux GNSS,
- une étape d’extraction de la vitesse du véhicule ferroviaire et de l’erreur associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire à partir du vecteur d’état corrigé.
[6] L’utilisation de la fusion des signaux inertiels et GNSS lorsque ces derniers sont considérés comme fiables permet de déterminer une vitesse du véhicule ainsi que l’erreur associée à cette vitesse.
[7] Selon un autre aspect de la présente invention, la détermination de la fiabilité des signaux GNSS comprend la prise en compte du nombre de satellites fournissant des signaux et la position desdits satellites.
[8] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend une étape de correction de l’alignement entre un repère associé à la centrale inertielle et un repère associé au véhicule ferroviaire.
[9] Selon un autre aspect de la présente invention, le vecteur d’état comprend également des composantes associées au mésalignement entre le repère associé à la centrale inertielle et le repère associé au véhicule ferroviaire de sorte que le mésalignement est estimé de manière récursive par l’estimateur d’état.
[10] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend également une étape dans laquelle l’erreur liée au mésalignement entre le repère associé à la centrale inertielle et le repère associée au véhicule ferroviaire est sauvegardée dans une mémoire de la centrale inertielle pour pouvoir être utilisée lors d’une réinitialisation de l’estimateur, notamment lors d’une mise sous tension suite à une mise hors tension de la centrale inertielle.
[11] Selon un autre aspect de la présente invention, le vecteur d’état comprend 15 composantes, 3 composantes associées à la vitesse du véhicule ferroviaire, 3 composantes associées à l’attitude du véhicule ferroviaire, 3 composantes associées aux erreurs de biais sur les mesures angulaires, 3 composantes associées aux erreurs de biais sur les mesures d’accélération et 3 composantes associées au mésalignement entre le repère associé à la centrale inertielle et le repère associé au véhicule ferroviaire.
[12] Selon un autre aspect de la présente invention, l’estimateur d’état est un filtre de Kalman.
[13] Selon un autre aspect de la présente invention, le filtre de Kalman est un filtre de Kalman étendu.
[14] Selon un autre aspect de la présente invention, l’erreur associée à la vitesse du véhicule ferroviaire est déterminée à partir des covariances d’erreurs d’états fournies par le filtre de Kalman.
[15] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend une étape d’initialisation statique lors du démarrage du véhicule ferroviaire permettant d’initialiser un mécanisme de détermination du sens de déplacement du véhicule ferroviaire lors de son passage d’une position statique à une position de déplacement.
[16] Selon un autre aspect de la présente invention, l’étape d’application d’un estimateur d’état comprend l’application d’une contrainte liée à une vitesse nulle sur les axes transversaux au niveau du centre de rotation du véhicule ferroviaire.
[17] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend une étape de validation permettant d’exclure une vitesse estimée aberrante ou non conforme.
[18] Selon un autre aspect de la présente invention, lorsque les signaux GNSS sont détectés comme étant non fiables, la durée pendant laquelle les signaux GNSS sont considérés comme non fiables est mesurée et mise en mémoire pendant un temps prédéterminé, cette durée étant utilisée pour déterminer l’erreur associée à la mesure de vitesse du véhicule ferroviaire. [19] Selon un autre aspect de la présente invention, la fréquence de réalisation de l’estimation est supérieure à la fréquence de réception des signaux GNSS.
[20] La présente invention concerne également une centrale inertielle pour véhicule ferroviaire comprenant:
- un accéléromètre configuré pour réaliser des mesures d’accélération selon trois axes orthogonaux,
- un gyromètre configuré pour réaliser des mesures angulaires selon trois axes orthogonaux,
- un module de réception de signaux GNSS associés à un système de navigation par satellite,
- une unité de traitement configurée pour :
- analyser les signaux GNSS reçus et pour déterminer la fiabilité desdits signaux GNSS,
- récupérer les mesures réalisées par l'accéléromètre et le gyromètre,
- appliquer un estimateur d’état pour estimer un vecteur d’état comprenant des composantes associées à la vitesse du véhicule ferroviaire, à l’attitude du véhicule ferroviaire et aux erreurs de biais des mesures angulaires et d’accélération à partir des mesures récupérées,
- corriger l’estimation du vecteur d’état à partir du signal GNSS en fonction de la fiabilité déterminée dudit signal GNSS,
- extraire la vitesse du véhicule ferroviaire et de l’erreur associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire à partir du vecteur d’état corrigé.
[21] Selon un autre aspect de la présente invention, la centrale inertielle comprend également, après l’étape de correction de l’estimation du vecteur d’état, une étape de détermination de l’erreur de vitesse à partir des covariances d’erreurs des états de l’estimateur d’état et des valeurs de la fiabilité du signal GNSS sur une période prédéterminée précédant l’étape de détermination.
[22] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
[23] [Fig.1] représente une vue de dessus d’un véhicule ferroviaire comprenant une centrale inertielle;
[24] [Fig.2] représente un schéma d’une centrale inertielle selon la présente invention; [25] [Fig.3a] représente une vue de côté d’un véhicule ferroviaire comprenant une centrale inertielle et une antenne GNSS;
[26] [Fig.3b] représente une vue de face d’un véhicule ferroviaire comprenant une centrale inertielle et une antenne GNSS;
[27] [Fig.4] représente une vue schématique en perspective d’un véhicule ferroviaire et des différents repères utilisés ;
[28] [Fig.5] représente un organigramme des étapes d’un procédé d’estimation d’une vitesse d’un véhicule ferroviaire;
[29] [Fig.6] représente un organigramme des différentes sous étapes de l’application d’un estimateur d’état du procédé de la figure 5 ;
[30] Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.
[31] Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
[32] Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère, etc. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches, mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément inter-changer de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tel critère.
[33] La présente invention concerne une centrale inertielle pour véhicule ferroviaire. Par véhicule ferroviaire, on entend ici tout véhicule se déplaçant sur un ou plusieurs rail(s) de guidage. La figure 1 représente un exemple d’un véhicule ferroviaire 100, par exemple un train comprenant une locomotive et plusieurs wagons, deux wagons dans l’exemple de la figure 1 circulant sur des rails et comprenant une centrale inertielle 1 selon la présente invention. Cependant, l’invention ne se limite à cette configuration de véhicule ferroviaire 100, notamment un nombre de wagons différent peut être utilisé. Cependant, dans le cadre de l’invention, le véhicule ferroviaire 100 concerne la locomotive comprenant la centrale inertielle 1 puisque la position des wagons dépend directement de la position de la locomotive. Un trièdre X, Y, Z lié au véhicule ferroviaire 100 est également représenté sur la figure 1. L’axe X correspond à l’axe d’avancement du véhicule ferroviaire 100, l’axe Z correspond à la direction verticale lorsque le véhicule ferroviaire 100 est sur des rails horizontaux et l’axe Y complète le trièdre et peuvent être associés à des axes de roulis, lacet et tangage du véhicule ferroviaire 100.
[34] La figure 2 représente un schéma de la centrale inertielle 1 selon un exemple de réalisation de la présente invention. Un trièdre X’, Y‘, Z’ lié à la centrale inertielle 1 est représenté sur la figure 2.
[35] La centrale inertielle 1 comprend un accéléromètre 3 configuré pour réaliser des mesures d’accélération selon trois axes orthogonaux correspondant aux trois axes X’, Y’ et Z’ du trièdre lié à la centrale inertielle 1. Les mesures sont par exemple réalisées par trois accéléromètres notés 3x, 3y et 3z orientés respectivement selon les trois axes X’, Y’ et Z’.
[36] La centrale inertielle 1 comprend également un gyromètre 5 configuré pour réaliser des mesures de vitesse angulaire selon trois axes orthogonaux correspondant aux trois axes X’, Y’ et Z’ du trièdre lié à la centrale inertielle. Les mesures sont par exemple réalisées par trois gyromètres notés 5x, 5y et 5z orientés respectivement selon les trois axes X’, Y’ et Z’.
[37] La centrale inertielle 1 comprend aussi un module 7 de réception de signaux Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites « GNSS » associés à un système de navigation par satellite. En pratique, le module GNSS 7 peut être positionné au moins en partie en dehors de la centrale inertielle 1 et notamment l’antenne GNSS 70 peut être positionnée en partie haute du véhicule ferroviaire 100 pour favoriser une bonne réception des signaux GNSS comme représenté sur les figures 3a et 3b. L’antenne GNSS 70 est alors connectée au module GNSS de la centrale inertielle 1 via une connexion filaire ou non filaire.
[38] Le module GNSS 7 est ainsi configuré pour recevoir des signaux issus de satellites permettant de déterminer la position et la vitesse de déplacement de l’antenne GNSS 70. L’antenne GNSS 70 est par exemple configurée pour transmettre et recevoir des ondes électromagnétiques dans une plage de fréquence prédéterminée. Les informations de position et de vitesse sont par exemple obtenues par triangulation à partir des signaux échangés avec quatre satellites. Les signaux GNSS issus des satellites sont reçus à une première fréquence prédéterminée, par exemple 5Hz.
[39] La centrale inertielle 1 comprend également une unité de traitement 9. L’unité de traitement 9 comprend par exemple un microcontrôleur ou un microprocesseur associé à une mémoire de type ROM ou RAM.
[40] L’unité de traitement 9 est configurée pour analyser les signaux GNSS reçus par le module GNSS 7 et pour déterminer la fiabilité desdits signaux GNSS. Le signal GNSS comprend par exemple le nombre de satellites pour lesquels un signal est reçu, la position de ces satellites, aussi appelée DOP (Dilution Of Precision en anglais), ou la présence de signaux réfléchis aussi appelé
« multipath signal » en anglais qui sont analysés par l’unité de traitement 9. En fonction des résultats de cette analyse et de la fiabilité estimée des signaux GNSS reçus, les signaux GNSS seront pris en compte ou non dans l’estimation de vitesse faite par la centrale inertielle 1. De plus, si les signaux GNSS sont considérés comme étant non fiables suite à l’analyse du signal GNSS reçu, un compteur de temps ou « timer » en anglais est déclenché pour mesurer la durée pendant laquelle les signaux GNSS sont considérés comme non fiables. Cette durée est mise en mémoire pendant un temps prédéterminé. Les temps pendant lesquelles les signaux GNSS ont été considérés comme non fiables durant le temps prédéterminé précédant l’estimation sont alors pris en compte dans l’estimation d’une erreur associée à la mesure de vitesse du véhicule ferroviaire qui sera mieux décrite dans la suite de la description.
[41] L’unité de traitement 9 est également configurée pour récupérer les mesures d’accélération et de vitesses angulaires réalisées par l’accéléromètre 3 et le gyromètre 5.
[42] A partir des mesures fournies par l’accéléromètre 3 et le gyromètre 5, l’unité de traitement 9 est configurée pour appliquer un estimateur d’état pour estimer un vecteur d’état comprenant des composantes associées à la vitesse du véhicule ferroviaire 100, à l’attitude du véhicule ferroviaire 100 (c’est-à-dire à son orientation donnée par les angles de roulis, tangage et lacet) et aux erreurs de biais des mesures angulaires et d’accélération à partir des mesures récupérées. L’unité de traitement 9 est également configurée pour corriger l’estimation du vecteur d’état à partir du signal GNSS si le signal GNSS fourni est considéré comme suffisamment fiable afin d’extraire la vitesse du véhicule ferroviaire 100 et de l’erreur associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire 100 à partir du vecteur d’état corrigé. L’estimation du vecteur d’état est par exemple réalisée par un filtre de Kalman et notamment un filtre de Kalman étendu. Ce filtrage permet de fusionner les mesures issues de l’accéléromètre 3, du gyromètre 5 et potentiellement du module GNSS 7 si la fiabilité est suffisante. Ce filtrage peut également permettre de déterminer une erreur associée à la vitesse estimée du véhicule ferroviaire 100 à partir des covariances d’erreurs des états fournies par le filtre de Kalman.
[43] L’application de l’estimateur d’état est réalisée de manière récursive à une deuxième fréquence prédéterminée qui peut être supérieure à la première fréquence prédéterminée, par exemple supérieure à deux fois la première fréquence prédéterminée, par exemple 50Hz (soit 10 fois la première fréquence prédéterminée).
[44] L’unité de traitement 9 est également configurée pour prendre en compte les contraintes liées au déplacement du véhicule ferroviaire 100 dans l’estimateur d’état comme la contrainte liée à une vitesse nulle sur les axes transversaux du véhicule ferroviaire 100 au niveau de son centre de rotation noté CR sur les figures 3a et 3b qui représentent des vues de côté et de face d’un véhicule ferroviaire 100 comprenant une centrale inertielle 1 et un module GNSS 7 déporté. La prise en compte de ces contraintes permet ainsi d’augmenter l’observabilité du système en augmentant le nombre de mesures, sans augmenter le nombre de capteurs autrement dit le coût du dispositif.
[45] L’unité de traitement 9 comprend également une fonction d’auto-test dans laquelle les valeurs aberrantes obtenues par l’estimateur d’état sont rejetées comme par exemple une vitesse supérieure à la vitesse maximale du véhicule ferroviaire 100 ou un écart de vitesse trop important entre deux estimations successives (l’écart maximal peut être dissymétrique en fonction de la puissance maximale d’accélération et de freinage) ou un roulis ou un tangage trop important qui ne correspondrait pas avec les topologies des voies ferrées généralement rencontrées.
[46] L’unité de traitement 9 est également configurée pour détecter et corriger un écart d’alignement entre le repère X’ Y’Z’ associé à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ associé au véhicule ferroviaire 100 de manière à fournir un auto- alignement permanent. Cet auto-alignement est obtenu grâce à l’estimation par l’estimateur d’état de l’écart d’alignement entre le repère X’Y’Z’ lié à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 de manière récursive au cours du temps. Cet auto-alignement permet de pouvoir positionner la centrale inertielle 1 à n’importe quel emplacement du véhicule ferroviaire 100 et pas nécessairement au centre de rotation CR du véhicule ferroviaire 100.
[47] De plus, l’unité de traitement 9 peut être configurée pour sauvegarder la valeur estimée de l’écart d’alignement, aussi appelé mésalignement, entre le repère X’Y’Z’ associé à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ associée au véhicule ferroviaire 100 dans une mémoire interne ou une mémoire de la centrale inertielle 1. Cette sauvegarde permet d’avoir une valeur de départ en cas de réinitialisation de l’estimateur d’état, notamment lors d’une mise sous tension suite à une mise hors tension de la centrale inertielle 1.
[48] Ainsi, l’utilisation d’une centrale inertielle 1 configurée pour fusionner des mesures triaxes d’accélération fournis par des accéléromètres 3, des mesures triaxes de vitesse de rotation fournis par des gyromètres 5 et des données GNSS fournies par un module GNSS 7 et pour estimer la fiabilité des données GNSS et l’écart d’alignement entre l’orientation des capteurs et l’orientation du véhicule ferroviaire 100 permet de fournir une estimation fiable de la vitesse d’un véhicule ferroviaire 100 ainsi que l’estimation de l’erreur liée à cette vitesse.
[49] La présente invention concerne également un procédé d’estimation d’une vitesse d’un véhicule ferroviaire 100 lors du déplacement du véhicule ferroviaire 100 le long d’une voie ferrée. Le véhicule ferroviaire 100 est notamment équipé d’une centrale inertielle 1 telle que décrite précédemment.
[50] Les différentes étapes du procédé vont être décrites à partir des étapes de l’organigramme de la figure 5. Certaines des étapes présentées peuvent être optionnelles et l’ordre des étapes peut être différent de l’ordre présenté.
[51] La première étape 101 concerne une étape préliminaire d’initialisation réalisée en statique au démarrage du véhicule ferroviaire 100. Cette étape 101 a une durée limitée, par exemple 15 secondes, et permet de faire une initialisation des capteurs afin de pourvoir déterminer ultérieurement en particulier le sens de déplacement du véhicule ferroviaire 100 (marche avant ou marche arrière). [52] La deuxième étape 102 concerne une deuxième étape préliminaire de mise à jour des différents compteurs aussi appelés « timers » permettant de suivre l’évolution du temps.
[53] La troisième étape 103 concerne l’application de l’estimateur d’état permettant de déterminer la vitesse du véhicule ferroviaire 100 et l’incertitude ou erreur associée à cette vitesse. Cette troisième étape 103 comprend de nombreuses sous-étapes qui vont être décrites en détail dans la suite de la description.
[54] La quatrième étape 104 concerne la récupération de la valeur du mésalignement entre le repère lié à la centrale inertielle 1 et le repère lié au véhicule ferroviaire 100 estimée lors de l’étape 103 et son enregistrement dans une mémoire, par exemple une mémoire de type flash. Cette valeur enregistrée sera lue lors de la mise sous tension de la centrale inertielle 1 afin de repartir de la dernière estimation effectuée avant la mise hors tension de la centrale inertielle 1. Cet enregistrement permet d’obtenir une convergence rapide de la valeur du mésalignement qui peut prendre plusieurs heures pour converger en l’absence de valeur initiale et permet d’avoir une estimation de vitesse précise dès la mise sous tension de la centrale inertielle 1.
[55] La cinquième étape 105 concerne la fourniture des données de sortie et en particulier la vitesse du véhicule ferroviaire 100 et l’incertitude associée estimées lors de l’étape 103. En fonction des besoins du client, d’autres données estimées lors de l’étape 103 peuvent également être extraites et fournies. La fourniture correspond par exemple à l’envoi d’un signal de données vers le poste de pilotage du véhicule ferroviaire 100.
[56] Les détails de l’étape 103 vont maintenant être décrits en détails à partir de l’organigramme de la figure 6.
[57] La première sous-étape 1031 concerne l’analyse du signal GNSS reçu par le module GNSS 7 afin de déterminer si la fiabilité du signal GNSS est suffisante pour pouvoir être prise en compte dans la détermination de la vitesse du véhicule ferroviaire 100. Cette analyse prend en compte le nombre de satellites dont les signaux sont reçus, la position des satellites, appelée DOP (Dilution Of Precision) en anglais, dont le signal est reçu ou le fait que le signal reçu a été réfléchi notamment sur les reliefs situés autour du véhicule ferroviaire 100, phénomène aussi appelé « multipath » en anglais. L’ensemble de ces paramètres est pris en compte pour déterminer une fiabilité du signal GNSS fourni. Cette fiabilité déterminée peut être comparée à un seuil prédéterminé. Si la fiabilité déterminée est inférieure au seuil prédéterminé, le signal GNSS n’est pas pris en compte dans l’estimation de la vitesse du véhicule ferroviaire 100 et seules les mesures des accéléromètres et des gyromètres sont alors utilisées. Si la fiabilité déterminée est supérieure au seuil prédéterminé, le signal GNSS est pris en compte pour être fusionné avec les mesures des accéléromètres 3 et des gyromètres 5 dans l’estimation de la vitesse du véhicule ferroviaire 100. Les signaux GNSS permettent d’estimer la vitesse du véhicule ferroviaire 100 ainsi qu’une erreur à cette vitesse.
[58] La deuxième sous-étape 1032 concerne l’analyse du mouvement et des vibrations du véhicule ferroviaire 100 à partir des accéléromètres 3 et des gyromètres 5 pour déterminer si le véhicule ferroviaire 100 est à l’arrêt ou en mouvement ainsi que le sens de déplacement du véhicule ferroviaire 100 (marche avant ou marche arrière). Cela permet notamment d’arrêter l’estimation lorsque le véhicule ferroviaire 100 est à l’arrêt et qu’aucun signal GNSS n’est reçu, par exemple dans le cas d’un arrêt dans une gare souterraine. L’arrêt de l’estimation dans ces cas permet d’éviter une instabilité de l’estimateur d’état qui pourrait conduire à des estimations erronées.
[59] La troisième sous-étape 1033 concerne la mesure de la ou des durée(s) lorsque le signal GNSS n’est pas fiable. La ou les durées pendant lesquelles le signal GNSS a été jugé non fiable pendant un intervalle de temps prédéterminé sont mises en mémoire et utilisées pour calculer l’incertitude associée à la vitesse du véhicule ferroviaire 100. L’intervalle de temps prédéterminé correspond par exemple à quelques minutes ou dizaines de minutes. En effet, lorsque le signal GNSS n’est pas pris en compte, l’estimation de vitesse est réalisée seulement à partir des mesures inertielles, c’est-à-dire des mesures des accéléromètres 3 et des gyromètres 5, de sorte que l’incertitude associée à l’estimation de la vitesse du véhicule ferroviaire 100 augmente au cours du temps jusqu’à ce que le signal GNSS soit à nouveau fiable. En cas d’alternance de signal GNSS jugé fiable et non fiable, il est nécessaire de connaître l’historique de la fiabilité du signal GNSS au cours des instants précédents voire des minutes précédentes afin de prendre en compte ces instabilités du signal GNSS dans le calcul de l’incertitude de la vitesse du véhicule ferroviaire 100. [60] La quatrième sous-étape 1034 concerne la détection d’une anomalie lors du calcul de l’estimateur d’état correspondant par exemple à une saturation ou un dysfonctionnement de l’unité de traitement 9. Dans le cas d’une détection d’une anomalie, l’estimateur sera réinitialisé au prochain arrêt du véhicule ferroviaire 100 détecté à la sous-étape 1032.
[61] La cinquième sous-étape 1035 concerne la mise à jour de l’estimateur d’état à partir des dernières mesures et éventuellement du signal GNSS si sa fiabilité est suffisante.
[62] Pour cela, un vecteur d’état E à 15 composantes est défini :
Figure imgf000014_0001
[64] avec la vitesse selon l’axe X, la vitesse selon l’axe Y, la vitesse selon
Figure imgf000014_0003
Figure imgf000014_0004
Figure imgf000014_0005
l’axe Z, Φ l’angle de roulis entre le repère lié au véhicule ferroviaire 100 et le repère de navigation, θ l’angle de tangage entre le repère lié au véhicule ferroviaire 100 et le repère de navigation, Ψ l’angle de lacet entre le repère lié au véhicule ferroviaire 100 et le repère de navigation, bgx le biais du gyromètre 5 lié à l’axe X’, bgy le biais du gyromètre 5 lié à l’axe Y’, bgz le biais du gyromètre 5 lié à l’axe Z’, a une pseudo-coordonnée de latitude de l’axe du mésalignement entre le repère X’ Y’Z’ lié à la centrale inertielle et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 (utilisation d’un formalisme pseudo quaternion), β une pseudo-coordonnée de longitude de l’axe du mésalignement entre le repère X’ Y’Z’ lié à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 (utilisation d’un formalisme pseudo quaternion) et 0 l’angle du mésalignement entre le repère X’ Y’Z’ lié à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100.
[65] On définit également un vecteur d’observation O à cinq composantes :
Figure imgf000014_0002
[67] avec la mesure de vitesse fournie par le module GNSS 7 selon l’axe Xn du
Figure imgf000014_0006
repère de navigation (dont l’origine correspond à l’emplacement de l’antenne 70 du module GNSS 7), la mesure de vitesse fournie par le module GNSS 7
Figure imgf000014_0007
selon l’axe Yn du repère de navigation (dont l’origine correspond à l’emplacement de l’antenne 70 du module GNSS 7), la mesure de vitesse
Figure imgf000014_0008
fournie par le module GNSS 7 selon l’axe Zn du repère de navigation (dont l’origine correspond à l’emplacement de l’antenne 70 du module GNSS), la mesure de vitesse selon l’axe Y du repère lié au véhicule ferroviaire 100 et la
Figure imgf000015_0011
mesure de vitesse selon l’axe Z du repère lié au véhicule ferroviaire 100 (dont l’origine est au centre de rotation CR du véhicule ferroviaire 100).
[68] La prédiction à l’instant k+1 est définie par
[69] 0(k + 1) = f (0(kc))
[70] avec f ie modèle non linéaire de prédiction défini par :
[71]
Figure imgf000015_0001
[72]
Figure imgf000015_0002
le vecteur de variation de vitesses du véhicule ferroviaire 100 exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, dt le temps d’échantillonage,
Figure imgf000015_0003
la matrice de rotation entre le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et le repère de navigation XnYnZn et
Figure imgf000015_0004
la prédiction de la matrice de rotation entre le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et la repère de navigation XnYnZn en fonction de et défini par :
Figure imgf000015_0005
[73]
Figure imgf000015_0006
[74] avec I3 la matrice identité de dimension 3*3, S[x] la forme antisymétrique du vecteur x et le vecteur de vitesses angulaires du repère de navigation
Figure imgf000015_0007
XnYnZn par rapport au repère X’ Y’Z’ lié à la centrale inertielle 1 exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, soit les vitesses angulaires liées au mouvement du véhicule ferroviaire 100.
[75] On définit alors la relation suivante :
[76]
Figure imgf000015_0008
[77] avec
Figure imgf000015_0009
le vecteur de vitesses angulaires du repère inertiel XiYiZi (décrit ci- dessous) par rapport X’ Y’Z’ lié à la centrale inertielle 100, le vecteur de vitesses angulaires du repère inertiel XiYiZi par rapport au repère terrestre XtYtZt (décrit ci-dessous), exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, soit la vitesse de rotation de la terre et le vecteur de vitesses
Figure imgf000015_0010
angulaires du repère terrestre par rapport au repère de navigation XnYnZn, exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, soit la vitesse de rotation liée à la courbure de la terre. [78] Le repère inertiel XiYiZi correspond à un repère absolu dont l’origine est le centre de la terre mais qui ne suit pas la rotation de la terre. Ses axes pointent vers des étoiles suffisamment lointaines pour sembler fixes par rapport au centre de la terre. L’axe Xi pointe vers le Vernal Equinox, l’axe Zi est parallèle à l’axe de rotation de la terre et l’ Axe Yi est orthogonal à Xi et Zi pour compléter le trièdre XiYiZi. L’utilisation du repère inertiel est nécessaire du fait que la rotation de la terre (par rapport au repère inertiel) est mesurée par les gyromètres 5 et doit donc être prise en compte pour l’estimation de la vitesse du véhicule ferroviaire 100.
[79] Le repère terrestre XtYtZt a pour origine le centre de la terre, l’axe Zt est parallèle à l’axe de rotation de la terre, l’axe Xt pointe vers le méridien de Greenwich (longitude=0) et l’axe Yt est orthogonal à Xt et Zt pour compléter le trièdre XtYtZt.
[80] Les mesures des gyromètres 5 peuvent être définies par :
[81]
Figure imgf000016_0001
[82] avec
Figure imgf000016_0004
la matrice de rotation entre le repère X’Y’Z’ lié à la centrale inertielle et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et Measgyro le vecteur de mesure des gyromètres 5 dans le repère X’Y’Z’ lié à la centrale inertielle 1.
[83] On définit alors par la relation suivante :
[84]
Figure imgf000016_0002
[85] avec le vecteur de la force spécifique mesurée par les accéléromètres 3 exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire, fc le vecteur de la force de Coriolis exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et fg le vecteur de la force gravitationnelle exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100.
[86] Les mesures des accéléromètres 3 peuvent être définies par :
[87]
Figure imgf000016_0003
[88] avec Measacc le vecteur de mesures des accéléromètres 3 dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100.
[89] Afin d’établir une relation entre les paramètres d’état estimés et les mesures d’observation réalisées par le module GNSS 7 et les vitesses liées au centre de rotation CR du véhicule ferroviaire 100, on définit un modèle de correction h utilisé dans le filtre Kalman permettant de transformer, c’est-à-dire changer de repère et transposer, c’est-à-dire changer d’origine, les vitesses estimées par le filtre de Kalman pour l’instant suivant et les comparer avec les vitesses mesurées à cet instant suivant.
[90] Y(k) = h(X(k))
[91] Le modèle correction h est un modèle non linéaire défini par :
[92]
Figure imgf000017_0001
[93] avec R™ la matrice de rotation entre le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire
100 et le repère de navigation XnYnZn, S [x] la forme antisymétrique du vecteur x et le vecteur de vitesses angulaires du repère de navigation XnYnZn par rapport au repère X’ Y’Z’ lié à la centrale inertielle 1 exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, soit les vitesses angulaires liées au mouvement du véhicule ferroviaire 100.
[94] Ainsi, la mise à jour de l’estimateur d’état comprend une phase de prédiction dans laquelle on prédit les états du système (vitesse du véhicule ferroviaire 100 notamment) et les incertitudes associées à partir des mesures inertielles, c’est-à- dire des mesures des accéléromètres 3 et des gyromètres 5 puis une phase de correction dans laquelle on corrige l’estimation des états du système grâce à un modèle de correction basé sur les équations liées à l’application ferroviaire et sur les données issues du module GNSS 7.
[95] La sixième sous-étape 1036 concerne l’évaluation d’un intervalle de confiance de l’estimation de vitesse réalisé à la sous-étape 1035.
[96] Le but de cette évaluation est d’assurer que la vitesse estimée associée à son intervalle de confiance remplit bien des critères de performances et de sécurité imposés par les normes ferroviaires, par exemple que l’erreur entre la vitesse réelle et la vitesse estimée est comprise dans l’intervalle de confiance 99,99 % du temps ou que l’intervalle de confiance est inférieur à une valeur imposée par la norme ferroviaire dans 99.9 % du temps.
[97] Cet intervalle de confiance peut être déterminé à partir de l’incertitude estimée par le filtre de Kalman. Alternativement, cet intervalle de confiance peut être déterminé empiriquement à partir d’un nombre important de mesures réalisées dans divers configurations. Une courbe, par exemple un polynôme, peut être obtenu à partir d’une régression polynomiale appliquée sur l’ensemble des mesures. De plus, dans les deux cas, des coefficients de pondération peuvent être appliqués en fonction de certains critères comme le fait que la convergence du mésalignement est obtenue au moment de l’estimation ou pas.
[98] Selon un mode de réalisation particulier, la méthode de détermination utilise la valeur estimée par le filtre de Kalman dans certaines conditions, par exemple lorsque les signaux issus du module GNSS 7 sont fiables et une valeur obtenue empiriquement lorsque les signaux issus du module GNSS 7 ne sont pas fiables. Des coefficients de pondération peuvent également être appliqués dans ce mode de réalisation.
[99] La septième sous-étape 1037 concerne la validation des estimations (états (dont la vitesse), incertitudes, intervalle de confiance de la vitesse). Pour cela différents tests sont réalisés. La dynamique estimée est par exemple comparée à la dynamique théorique d’un véhicule ferroviaire 100. Les estimations d’erreurs des capteurs (accéléromètres 3 et gyromètres 5) peuvent également être comparées aux incertitudes connues de ces mêmes capteurs.
[100] La huitième sous-étape 1038 concerne la mise à jour du mésalignement estimé entre le repère X’ Y’Z’ lié à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 ainsi que le calcul de son incertitude.
[101] Ainsi, l’utilisation d’une centrale inertielle 1 fournissant des mesures d’accélérations et de vitesses angulaires tridimensionnelles couplées à un module GNSS et l’utilisation d’un estimateur permettant de fusionner les mesures issues des capteurs inertiels et du module GNSS 7 lorsque le signal GNSS est assez fiable permettent d’obtenir une estimation de la vitesse d’un véhicule ferroviaire 100 et de l’erreur associée à cette vitesse estimée. De plus, la détermination d’un intervalle de confiance lié à l’estimation de vitesse permet d’assurer que la mesure effectuée respecte les normes ferroviaires. Enfin, la détermination d’un mésalignement entre le repère lié à la centrale inertielle 1 et le repère lié au véhicule ferroviaire 100 permet de pouvoir positionner la centrale inertielle 1 dans n’importe quel emplacement du véhicule ferroviaire 100.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé d’estimation d’une vitesse d’un véhicule ferroviaire
(100) lors du déplacement dudit véhicule ferroviaire (100) le long d’une voie ferrée, ledit véhicule ferroviaire (100) comprenant une centrale inertielle (1) configurée pour fournir :
- des mesures d’accélération selon trois axes orthogonaux,
- des mesures de vitesses angulaires selon trois axes orthogonaux, et pour recevoir des signaux GNSS associés à un système de navigation par satellite, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- une étape (1031) d’analyse des signaux GNSS reçus pour déterminer la fiabilité desdits signaux GNSS,
- une étape de définition d’un vecteur de mesures comprenant les mesures réalisées par la centrale inertielle,
- une étape de définition d’un vecteur d’état comprenant des composantes associées à la vitesse du véhicule, à l’attitude du véhicule et aux erreurs de biais des mesures de vitesses angulaires et d’accélération,
- une étape (1035) d’application d’un estimateur d’état pour estimer le vecteur d’état en utilisant le vecteur de mesures,
- une étape de correction de l’estimation du vecteur d’état à partir des signaux GNSS en fonction de la fiabilité déterminée desdits signaux GNSS,
- une étape d’extraction de la vitesse du véhicule ferroviaire et de l’erreur associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire à partir du vecteur d’état corrigé.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication précédente dans lequel la détermination de la fiabilité des signaux GNSS comprend la prise en compte du nombre de satellites fournissant des signaux et de la position desdits satellites.
[Revendication 3] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le procédé comprend une étape (1038) de correction de l’alignement entre un repère (X’ Y’Z’) associé à la centrale inertielle (1) et un repère (XYZ) associé au véhicule ferroviaire (100).
[Revendication 4] Procédé d’estimation selon la revendication précédente dans lequel le vecteur d’état comprend également des composantes associées au mésalignement entre le repère (X’ Y’Z’) associé à la centrale inertielle et le repère (XYZ) associé au véhicule ferroviaire (100) de sorte que le mésalignement est estimé de manière récursive par l’estimateur d’état.
[Revendication 5] Procédé selon la revendication 3 ou 4 comprenant également une étape (1038) dans laquelle l’erreur liée au mésalignement entre le repère (X’ Y’Z’) associé à la centrale inertielle (1) et le repère (XYZ) associée au véhicule ferroviaire (100) est sauvegardée dans une mémoire de la centrale inertielle (1) pour pouvoir être utilisée lors d’une réinitialisation de l’estimateur.
[Revendication 6] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le vecteur d’état comprend 15 composantes, 3 composantes associées à la vitesse du véhicule ferroviaire, 3 composantes associés à l’attitude du véhicule ferroviaire, 3 composantes associées aux erreurs de biais sur les mesures angulaires. 3 composantes associées aux erreurs de biais sur les mesures d’accélération et 3 composantes associé au mésalignement entre le repère associé à la centrale inertielle et le repère associé au véhicule ferroviaire.
[Revendication 7] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’estimateur d’état est un filtre de Kalman.
[Revendication 8] Procédé d’estimation selon la revendication précédente dans lequel le filtre de Kalman est un filtre de Kalman étendu.
[Revendication 9] Procédé d’estimation selon l’une des revendications 7 et 8 dans lequel l’erreur associée à la vitesse du véhicule ferroviaire (100) est déterminée à partir des covariances fournies par le filtre de Kalman.
[Revendication 10] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le procédé comprend une étape (101) d’initialisation statique lors du démarrage du véhicule ferroviaire (100) permettant d’initialiser un mécanisme de détermination du sens de déplacement du véhicule ferroviaire (100) lors de son passage d’une position statique à une position de déplacement.
[Revendication 11] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape (103) d’application d’un estimateur d’état comprend l’application d’une contrainte liée à une vitesse nulle sur les axes transversaux au niveau du centre de rotation du véhicule ferroviaire (100).
[Revendication 12] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le procédé comprend une étape (1037) de validation permettant d’exclure une vitesse estimée aberrante ou non conforme.
[Revendication 13] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel lorsque les signaux GNSS sont détectés comme étant non fiables, la durée pendant laquelle les signaux GNSS sont considérés comme non fiables est mesurée et mise en mémoire pendant un temps prédéterminé, cette durée étant utilisée pour déterminer l’erreur associée à la mesure de vitesse du véhicule ferroviaire (100).
[Revendication 14] Procédé d’estimation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la fréquence de réalisation de l’estimation est supérieure à la fréquence de réception des signaux GNSS.
[Revendication 15] Centrale inertielle (1) pour véhicule ferroviaire (100) comprenant:
- un accéléromètre (3) configuré pour réaliser des mesures d’accélération selon trois axes orthogonaux,
- un gyromètre (5) configuré pour réaliser des mesures angulaires selon trois axes orthogonaux,
- un module de réception de signaux GNSS (7) associés à un système de navigation par satellite,
- une unité de traitement (9) configurée pour :
- analyser les signaux GNSS reçus et pour déterminer la fiabilité desdits signaux GNSS,
- récupérer les mesures réalisées par l’accéléromètre (3) et le gyromètre (5),
- appliquer un estimateur d’état pour estimer un vecteur d’état comprenant des composantes associées à la vitesse du véhicule ferroviaire (100), à l’attitude du véhicule ferroviaire (100) et aux erreurs de biais des mesures angulaires et d’accélération à partir des mesures récupérées,
- corriger l’estimation du vecteur d’état à partir du signal GNSS en fonction de la fiabilité déterminée dudit signal GNSS,
- extraire la vitesse du véhicule ferroviaire (100) et de l’erreur associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire (100) à partir du vecteur d’état corrigé.
[Revendication 16] Centrale inertielle (1) selon la revendication précédente comprenant également, après l’étape de correction de l’estimation du vecteur d’état, une étape de détermination de l’erreur de vitesse à partir des covariances des erreurs des états de l’estimateur d’état et des valeurs de la fiabilité du signal GNSS sur une période prédéterminée précédant l’étape de détermination.
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