WO2024008942A1 - Dispositif de navigation et de positionnement - Google Patents

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WO2024008942A1
WO2024008942A1 PCT/EP2023/068891 EP2023068891W WO2024008942A1 WO 2024008942 A1 WO2024008942 A1 WO 2024008942A1 EP 2023068891 W EP2023068891 W EP 2023068891W WO 2024008942 A1 WO2024008942 A1 WO 2024008942A1
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kalman
filter
sub
vehicle
gnss
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PCT/EP2023/068891
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Nicolas Jean-Marc Frédéric VERCIER
Vincent Chopard
Jacques Coatantiec
Grégoire Brisson
Emmanuel Nguyen
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Thales
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    • G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial

Definitions

  • TITLE Navigation and positioning device
  • the present invention relates to a navigation and positioning device, suitable for being on board a vehicle capable of moving between two geographical positions, the device comprising at least: an inertial measurement unit suitable for providing navigation measurements, a GNSS satellite positioning measurement receiver(s), a movement modeling unit(s) of said vehicle, a main closed-loop Kalman filter configured to calculate navigation data corrections by hybridization of data provided as input of said main Kalman filter, both by: said inertial measurement unit, said GNSS satellite positioning measurement receiver(s), and said movement modeling unit(s) of said vehicle.
  • the invention also relates to a vehicle comprising such a navigation and positioning device.
  • the present invention relates to the navigation of a vehicle (also called carrier) capable of moving between two geographical positions, such as a land vehicle corresponding in particular to a car, a truck, a military or civilian armored vehicle, an aircraft using, for example, an OANS airport navigation system (Onboard Airport Navigation System).
  • a vehicle also called carrier
  • OANS airport navigation system Onboard Airport Navigation System
  • GNSS Global Navigation Satellite
  • the vehicle generally carries a satellite navigation and positioning system receiver configured to determine, in particular by trilateration, a positioning (i.e. a geolocation position or even a geolocation solution) of the aircraft using estimates distances to visible satellites of the same or several satellite constellations of the satellite navigation and positioning system.
  • a positioning i.e. a geolocation position or even a geolocation solution
  • Examples of satellite navigation systems are the American GPS system, the European GALILEO system, the Russian GLONASS system, or the Chinese BEIDOU system, etc.
  • navigation and positioning systems are based on a hybridization of an inertial measurement unit and modeling of the movement of the vehicle using data provided by an odometer or tachometer.
  • Such navigation and positioning systems have a precision of the same order of magnitude as GNSS localization, in particular over times of the order of a few hours. On the other hand, such navigation and positioning systems require an initial position.
  • INS/VEH/GNSS Such hybridization is subsequently named INS/VEH/GNSS, with “INS” to represent the contribution to the hybridization of the inertial measurement unit (INS from English Inertial Navigation System), “VEH” for “vehicle » to represent the contribution to the hybridization of a vehicle movement modeling unit, said modeling unit being capable of determining the transverse and vertical alignment of the vehicle, as well as the longitudinal alignment of the vehicle via an odometer or a tachometer, and “GNSS” as aforementioned.
  • INS to represent the contribution to the hybridization of the inertial measurement unit (INS from English Inertial Navigation System)
  • VH for “vehicle » to represent the contribution to the hybridization of a vehicle movement modeling unit, said modeling unit being capable of determining the transverse and vertical alignment of the vehicle, as well as the longitudinal alignment of the vehicle via an odometer or a tachometer, and “GNSS” as aforementioned.
  • INS/VEH/GNSS hybridization implemented according to current techniques is not optimal to protect against:
  • - VEH errors provided by the vehicle movement modeling unit, particularly in the event of non-modeled vehicle behavior such as excessive skidding, or slipping, or even due to a defective odometer or tachometer , or in the presence of vehicle slippage, nor to provide positioning integrity when such GNSS and/or VEH errors occur.
  • the aim of the invention is then to propose a navigation and positioning device which at least makes it possible to maintain the integrity of the positioning independently of the vulnerability of the GNSS and/or VEH measurements.
  • the subject of the invention is a navigation and positioning device, suitable for being on board a vehicle capable of moving between two geographical positions, the device comprising at least:
  • a movement modeling unit(s) of said vehicle - a closed-loop main Kalman filter configured to calculate navigation data corrections by hybridization of data provided, as input to said main Kalman filter, both by:
  • Kalman sub-filter configured to calculate navigation data corrections by hybridization of data provided by the inertial measurement unit and by said displacement modeling unit(s) of said vehicle, each Kalman sub-filter being specific to :
  • the navigation and positioning device has a particular architecture making it possible to consolidate the different information in an INS/VEH/GNSS location, with loose or tight GNSS hybridization (when the GNSS satellite positioning measurement receiver provides the information extracted upstream by the GNSS receiver which are the pseudo-distances and the pseudospeeds (quantities directly resulting from the measurement of the propagation time and the Doppler effect of the signals emitted by the satellites in the direction of the receiver)), in order to maintain almost permanently, or even permanently, the integrity of the associated location.
  • the device also includes an integrity verification module configured to:
  • the device is configured to compare:
  • the device is also configured to determine said predetermined threshold as a function of a predetermined false alarm probability
  • the main Kalman filter, the first Kalman sub-filter and the second Kalman sub-filter are each reconfigured by replacing their own state and their own matrix of covariance respectively by the state and the covariance matrix of the third Kalman sub-filter;
  • the device is also configured to determine a radius of uncertainty, said radius of uncertainty being determined by determining a radius of uncertainty associated with each of the first and second Kalman sub-filters, using, for each of the first and second Kalman sub-filters:
  • the device further comprises a module for initializing the position of said vehicle configured to initialize the position of said vehicle using at least one of the elements belonging to the group comprising at least:
  • the invention also relates to a vehicle comprising such a navigation and positioning device.
  • the invention also relates to a navigation and positioning method implemented by said navigation and positioning device according to the present invention as described previously, and comprising the following steps implemented at each cycle of the main Kalman filter and each Kalman sub-filter:
  • said protection radius guaranteeing that the value of the distance between the hybrid position provided from said main Kalman filter and the true position of said vehicle is less than the value of said protection radius, said protection radius being determined by determining a protection radius associated with each of the first and second Kalman sub-filters, using, for each of the first and second Kalman sub-filters: - a coefficient associated with a predetermined false alarm probability,
  • radius of uncertainty being determined by determining a radius of uncertainty associated with each of the first and second Kalman sub-filters, using, for each of the first and second sub-filters of Kalman:
  • said control consists of comparing:
  • the method further comprises a step of initializing the position of said vehicle using at least one of the elements belonging to the group comprising at least:
  • the invention also relates to a computer program comprising software instructions which, when executed by a computer, implement such a satellite navigation and positioning method as defined above.
  • Figure 1 is a diagram illustrating a navigation and positioning device suitable for implementing INS/VEH/GNSS hybridization
  • the inertial measurement unit 12 consists of a set of inertial sensors such as gyrometers and accelerometers associated with processing electronics and is capable of providing increments 20 of angular rotation and speed of the vehicle in which the device 10 navigation and positioning is on board.
  • the GNSS satellite positioning measurement receiver 16 is capable of providing, according to arrow 24, information on the position and speed of the vehicle by triangulation from the signals emitted by moving satellites visible from the vehicle.
  • the information provided may be temporarily unavailable because the receiver must have a minimum of four satellites in direct view of the positioning system to be able to make a point. They are also of variable precision, depending on the geometry of the constellation at the base of the triangulation, and noisy because they are based on the reception of very low level signals coming from distant satellites having low transmission power. But they do not suffer from long-term drift, the positions of the satellites passing through their orbits being known precisely over the long term. Noise and errors can be related to satellite systems, the receiver or signal propagation between the satellite transmitter and the GNSS signal receiver. Additionally, satellite data may be erroneous due to satellite outages. These non-integrity data must then be identified so as not to distort the position from the GNSS receiver.
  • the unit 18 for modeling the movement(s) of said vehicle is configured to provide measurements of:
  • the hybridization implemented by the main Kalman filter K consists of mathematically combining the measurements 22, 24, 26 provided respectively by the inertial measurement unit 12, the GNSS satellite positioning measurement receiver 16, and the unit 18 for modeling the movement(s) of said vehicle to obtain position and speed information by taking advantage of the three elements 12 INS, 16 GNSS and 18 VEH.
  • the estimator part of the filter generates a posteriori estimates of the system state vector using the difference observed between the effective measurement vector and its a priori prediction to generate a corrective term, called innovation.
  • This innovation after multiplication by a gain vector of the Kalman filter, is applied to the a priori estimate of the state vector of the system and leads to obtaining the optimal a posteriori estimate.
  • the Kalman filtering implemented by the main Kalman filter K models in particular the evolution of the errors of the inertial measurement unit 12 and delivers the a posteriori estimate of these errors which is used to correct the positioning and speed point of the inertial measurement unit 12.
  • the INS/VEH/GNSS 28 correction of the errors by means of their estimation made by the main Kalman filter K is then carried out at the input of the virtual platform 14 according to a so-called “closed loop” architecture as illustrated in the figure. 1 making it possible to keep navigation errors low and therefore to remain in the linear domain the main Kalman filter K.
  • the virtual platform 14 uses such an INS/VEH/GNSS 28 correction to develop the optimal estimate 30 of the INS/ position VEH/GNSS and vehicle speed.
  • the hybridization is said to be “tight” when the receiver 16 for positioning measurements by GNSS satellites provides the information extracted upstream by the GNSS receiver which is the pseudo-distances and the pseudo-velocities (quantities directly resulting from the measurement of the time of propagation and the Doppler effect of the signals emitted by the satellites towards the receiver).
  • the navigation and positioning device 10 by INS/VEH/GNSS hybridization is completed as illustrated in Figure 2 to obtain the device D according to the present invention, such a device D having a particular architecture described below.
  • Device D in fact comprises, according to the present invention, at least two distinct Kalman subfilters SFi and SF 2 .
  • the first Kalman SFi sub-filter is configured to calculate INS/GNSS corrections 32 of navigation data by hybridization of data provided by the inertial measurement unit 12 and by said receiver 16 of positioning measurements by GNSS satellite(s). .
  • the first Kalman sub-filter SFi is capable of applying the hybrid correction INS/VEH/GNSS 28 provided by the main Kalman filter K at the input to each cycle, during its own propagation phase, and to determine, in particular via the combination element 34, an INS/GNSS positioning 36 of said vehicle associated with said first Kalman SFi sub-filter considered by applying the INS/GNSS correction 32 calculated by said Kalman SFi sub-filter to the INS/VEH/GNSS hybrid positioning 30 obtained from said main Kalman filter K.
  • the device D comprises the second Kalman sub-filter SF 2 configured to calculate corrections 38 INS/VEH of navigation data by hybridization of data provided by the inertial measurement unit 12 and by said navigation modeling unit. displacement(s) 18 of said vehicle.
  • the second Kalman sub-filter SF 2 is capable of applying the hybrid correction INS/VEH/GNSS 28 provided by the main Kalman filter K at the input at each cycle, during its own propagation phase, and to determine, in particular via the combination element 40, an INS/VEH 42 positioning of said vehicle associated with said second Kalman sub-filter SF 2 considered by applying the INS/VEH 38 correction calculated by said second Kalman sub-filter SF 2 to the hybrid positioning 30 INS /VEH/GNSS obtained from said main Kalman filter K.
  • the device D further optionally comprises a third Kalman sub-filter SF 3 configured to calculate corrections 44 INS of navigation data from the data provided only by the inertial measurement unit.
  • the third Kalman sub-filter SF 3 is capable of applying the hybrid correction INS/VEH/GNSS 28 provided by the main Kalman filter K at the input to each cycle, during its own propagation phase, and to determine, in particular via the combination element 46, an INS positioning 48 of said vehicle associated with said third Kalman sub-filter SF 3 considered by applying the INS correction 44 calculated by said third Kalman sub-filter SF 3 to the hybrid positioning 30 INS/VEH/GNSS obtained from said main Kalman filter K.
  • each Kalman sub-filter SFi, SF 2 and SF 3 is specific to:
  • the present invention proposes to determine the hybrid positions 36, 42 respectively INS/VEH, INS/GNSS and optionally the inertial position INS from the hybrid position 30 INS/VEH/GNSS and the corrections resulting from the first and second sub-positions.
  • the navigation and positioning device D further comprises an integrity verification module 50 configured to:
  • this comparison and where appropriate alarm raising could be implemented by a device not shown distinct from said device D, or by a user at the cost of the associated mental processing time.
  • the navigation and positioning device D further comprises a processing unit formed for example of a memory and a processor associated with the memory, and the device D is at least partly produced in the form of software, or a software brick, executable by the processor, in particular the Kalman set comprising the main Kalman filter K and the Kalman sub-filters SFi, SF 2 (and optionally SF 3 ), the virtual platform 14 for calculation and location, the elements of combination 34, 40 and optionally integrity verification module 50.
  • the memory of the navigation and positioning device D is then able to store such software or software bricks, and the processor is then able to execute them.
  • the Kalman set comprising the main Kalman filter K and the Kalman sub-filters SFi, SF 2 (and optionally SF 3 ), the virtual calculation and location platform 14, the combination elements 34 , 40 and optionally integrity verification module 50 are each produced in the form of a programmable logic component, such as an FPGA (Field Programmable Gate Array), or even in the form of a dedicated integrated circuit, such as an ASIC (Application Specific integrated Circuit).
  • a programmable logic component such as an FPGA (Field Programmable Gate Array)
  • ASIC Application Specific integrated Circuit
  • the computer-readable medium is, for example, a medium capable of storing electronic instructions and of being coupled to a bus of a computer system.
  • the readable medium is an optical disk, a magneto-optical disk, a ROM memory, a RAM memory, any type of non-volatile memory (for example EPROM, EEPROM, FLASH, NVRAM), a magnetic card or an optical card.
  • a computer program comprising software instructions is then stored on the readable medium.
  • Figure 3 illustrates the closed loop principle applied to the main Kalman filter K, with the state X of the main Kalman filter K, and P its covariance matrix.
  • a module 64 for propagating the main Kalman filter K is configured to propagate the state using the navigation equations, and a registration module 66 makes it possible to estimate the state using the GNSS measurements provided by said receiver 16 for GNSS satellite positioning measurements and measurements from the unit 18 for modeling the movement(s) of said vehicle.
  • the closed-loop propagation and registration equations are for the registration implemented by module 66: and for the propagation implemented by module 64: with F the propagation matrix, Q the model noise matrix, R the covariance matrix of the measurement noise, H the observation matrix, K the Kalman gain and Z the observation vector obtained from the receiver 16 and of unit 18, x n+i/n I e state vector propagated after propagation between the two successive time instants n and n + 1.
  • the covariance matrix P n+1 / n and the state vector X n+1/n are stored in memory Mi, for a following iteration at time n + 1.
  • Z SF the observation vector which is a subset of Z of the main Kalman filter K.
  • Z SF contains only the observations linked to the sub-filter SF, GNSS obtained from the receiver 16 of positioning measurements by GNSS satellite(s) for the first sub-filter SFi INS/GNSS, VEH obtained from the vehicle movement modeling unit 18 for the second sub-filter SF 2 INS/VEH, and optionally no observation (ie Neither VEH nor GNSS) for the third optional SF 3 INS sub-filter.
  • position 36 of the INS/GNSS sub-solution associated with the first SFi sub-filter only contains information from the inertial measurement unit 12 (IMU) and the satellite positioning measurement receiver 16 ( s) GNSS. It is therefore not corrupted by an erroneous VEH measurement of the vehicle movement modeling unit 18.
  • position 48 of the sub-solution INS associated with the third optional sub-filter SF3 only contains information from the inertial measurement unit 12 (UMI). It is therefore not corrupted by an erroneous GNSS measurement provided by the receiver 16 for positioning measurements by GNSS satellite(s) nor by an erroneous VEH measurement from the VEH vehicle movement modeling unit 18.
  • UMI inertial measurement unit 12
  • the correction of each sub-filter Cor SF is applied to the main position 30 (ie associated with the main INS/VEH/GNSS solution) to obtain the position associated with the sub-filter SF considered among the Kalman sub-filters SF1, SF2 (and optionally SF3) according to the following equation: with Lat, latitude; Lon the longitude; Alt, the altitude.
  • SF being a sub-filter considered among the Kalman sub-filters SF1, SF 2 (and optionally SF 3 ) associated respectively with the INS/GNSS, INS/VEH, and INS hybridization solutions.
  • a GNSS measurement is erroneous, it will corrupt the main INS/VEH/GNSS solution but not the INS/VEH solution associated with the SF 2 sub-filter, nor the optional INS solution associated with the SF3 sub-filter.
  • an erroneous VEH measurement is provided by the VEH vehicle movement modeling unit 18, it will corrupt the main INS/VEH/GNSS solution but not the INS/GNSS solution associated with the SF1 sub-filter, nor the optional INS solution associated with the SF 3 sub-filter.
  • the integrity verification module 50 is then configured to detect an erroneous GNSS or VEH, by calculating the difference between the main INS/VEH/GNSS position and the position of each sub-solution associated respectively with each Kalman sub-filter. SF1, SF 2 (and optionally SF3). If the gap is too big, there is an error. If it is small, there is nothing wrong.
  • the position states X in question corresponding for example to the position states latitude, longitude, altitude, or any other possible state , including roll, pitch, heading, north speed, east speed, etc., which are very sensitive to errors
  • the test variable corresponding to the difference between the main Kalman K filter and the sub-filter considered among the Kalman sub-filters SFi, SF 2 (and optionally SF 3 ) is then expressed in the following form:
  • observation matrices of each sub-filter H SF and measurement noise R SF are sub-matrices of the observation matrices H and measurement noise R of the main Kalman filter K where the lines (respectively columns) linked to the GNSS measurements have been set to zero (the rest being identical between sub-filter and main filter), and that the propagation matrices F and model noise Q are identical between sub-filter and main filter, then it is demonstrable by recurrence by those skilled in the art that the expectation of ((X - expanding returns to an expectation of (XX SFT ⁇ equal to P the covariance matrix of the main Kalman filter K.
  • the device D via its integrity verification module 50, is configured to compare:
  • the device is also configured to determine said predetermined threshold as a function of a predetermined false alarm probability, considering for example, a distribution of the test variable, corresponding to the difference between the main Kalman filter K and the sub-filter considered, according to a Gaussian law centered at zero and with a standard deviation equal to one.
  • test variables Vi_at, Vi_ O n and VAU therefore follow a Gaussian distribution centered at zero (when there is no error) and with respective standard deviation yJP ⁇ Lat. Lat), yj P & (Lon, Loti) and yjP & (Alt,Alt) with P A the covariance matrix of the deviation X SF - X equal, as indicated previously, to the deviation of the covariances P SF and P, as expressed according to the following equations:
  • P fa a probability of false alarm denoted P fa
  • K fa the coefficient which makes it possible to have the desired predetermined false alarm probability p fa
  • K fa 1.96
  • K fa 1.96
  • K fa 1.96
  • the raising of the alarm is then conditioned on the presence of at least one deviation V, associated with one of the latitude, longitude, altitude components, greater than the corresponding predetermined threshold and associated respectively with each latitude, longitude, altitude components.
  • V at least one deviation associated with one of the latitude, longitude, altitude components
  • the integrity verification module 50 is carried out by the integrity verification module 50 respectively according to latitude, longitude and altitude and if: then an error is detected and the alarm is raised.
  • the device D is also configured to determine a protection radius with respect to a vulnerability of said data provided by said unit 18 for modeling movement(s) of said vehicle, and/or a vulnerability of said data provided by said GNSS satellite positioning measurement receiver 16, said protection radius guaranteeing that the value of the distance between the hybrid position provided from said main Kalman filter K and the true position of said vehicle is less than the value of said protection radius, said protection radius being determined by determining a protection radius associated with each of the first and second Kalman sub-filters SFi and SF 2 respectively, using, for each of the first and second sub-filters of Kalman:
  • the navigation and positioning device D implements the determination of a radius of protection with respect to a vulnerability of said GNSS satellite positioning measurements provided by said GNSS satellite positioning measurement receiver 16 or of the measurements provided by said movement modeling unit 18 of said vehicle.
  • the navigation and positioning device D introduces a probability of non-detection Pnd-
  • the navigation and positioning device D seeks to determine what is the protection performance of the surveillance, i.e. that is to say how far the erroneous input can bring the position error of the main Kalman filter K without detection.
  • the difference between the 30 INS/VEH/GNSS position and the true position can be limited in the following way, taking the example of latitude: in the same way as previously, the navigation and positioning device D according to the present invention then limits
  • the navigation and positioning device D to determine a protection radius with respect to a vulnerability of said data provided by said movement modeling unit(s) of said vehicle, and/or a vulnerability of said data provided by said measurement receiver.
  • positioning by GNSS satellite(s), the navigation and positioning device D according to the present invention terminal
  • the device in the absence of a deviation greater than said threshold previously predetermined by the integrity verification module 50, no alarm is raised, and the device is also configured to determine a radius of uncertainty, said uncertainty radius being determined by determining an uncertainty radius associated with each of the first and second Kalman sub-filters, using, for each of the first and second Kalman sub-filters:
  • the navigation and positioning device D limits the error with the uncertainty radius UL (from English Uncertainty Level) according to the following equation, for latitude:
  • the PL protection radii are calculated on the horizontal (HPL for horizontal protection level) and on the vertical (VPL for vertical protection level). For an aircraft, they are used in particular to know if we can start a landing procedure for example (and if necessary avoid the mountains around the aircraft during landing). If an error is detected, the aircraft then uses the horizontal HUL (HUL for Horizontal Uncertainty Level) and vertical VUL (VUL for Vertical Uncertainty Level) uncertainty rays to continue to limit the error.
  • HUL Horizontal Uncertainty Level
  • VUL Vertical Uncertainty Level
  • a two-dimensional (2D) space corresponding to the local horizontal plane is used so that: with PO in the following way, by device D according to the present invention: with PH F a 2x2 matrix corresponding to the projection of the matrix P SF on the horizontal position components, and maxvap() the operator which gives the largest eigenvalue of a 2x2 matrix:
  • K'pnd the coefficient such that the probability of having the value of a variable v, greater than K' pnd is equal to P nd , with a variable which follows a law of x 2 (law usually pronounced "chi square” or “chi-square”) of order 2.
  • the predetermined threshold used by the integrity verification module 50 to detect an erroneous and raising an alarm corresponds to the position deviation in the horizontal plane, in other words to the norm of the deviation in 2D, such as: PH the 2x2 matrix which is the projection of the matrix P & the covariance matrix of the deviation X SF - a variable v, greater than K' fa 2 is equal to P fa , with v a variable which follows a law of x 2 (law usually pronounced "chi-square” or "chi-square") of order 2, so that : the final protection radius (respectively of uncertainty) is the largest of the protection radii (respectively of uncertainty) associated with the SFi and SF2 sub-filters.
  • the third sub-filter SF 3 third Kalman sub-filter SF 3 configured to calculate corrections 44 INS of navigation data from data provided only by the inertial measurement unit does not correspond to a hypothesis fault but is only intended to be used for optional reconfiguration as described subsequently, the third sub-filter SF3 is therefore not taken into account for the aforementioned protection radius and uncertainty determinations where only the first and second sub-filters SF1 and SF 2 associated respectively with the INS solutions /GNSS and INS/VEH intervene.
  • the position 74 INS/VEH obtained via the sub-filter SF 2 in Figure 2 is healthy and represented in a circle 76 of radius 78 whose value is equal to K' pnd Jmaxvap (P » F ).
  • Position 80 of the main Kalman K filter associated with the INS/VEH/GNSS hybrid solution is corrupted, due to an incorrect GNSS. More precisely, the 2D projection 82 of the covariance matrix of the main Kalman filter K no longer represents the error of the INS/VEH/GNSS position.
  • position 74 INS/VEH is healthy. That is to say that the position error follows a Gaussian law centered at 0 and with a covariance matrix pSF
  • the main Kalman filter K, the first Kalman sub-filter SF1 and the second Kalman sub-filter SF 2 are also capable of reconfiguring themselves on the third sub-filter -Kalman SF 3 filter configured to calculate navigation data corrections from data provided only by the inertial measurement unit.
  • the third Kalman sub-filter SF 3 configured to calculate navigation data corrections from the data provided only by the inertial measurement unit is useful for the reconfiguration of other positioning solutions in the event of lifting of alarm associated with the detection of an error due to a loss of integrity of said data provided by said unit 18 for modeling movement(s) of said vehicle, and/or of said data provided by said satellite positioning measurement receiver 16 ( s) GNSS.
  • the main Kalman filter K, the first Kalman sub-filter SF1 and the second Kalman sub-filter SF 2 are each reconfigured by replacing (ie by overwriting) their own state and their own covariance matrix respectively by the the state and the covariance matrix of the third Kalman SF 3 sub-filter.
  • the precision of the inertial measurement unit is less than a predetermined precision threshold, the user of the vehicle is able to additionally carry out a manual readjustment of the position, because it is able to know where it is and if in fact we can no longer trust either GNSS or VEH
  • the reconfiguration is therefore done as follows: of Kalman SF 3 associated with the INS solution.
  • the integrity verification module 50 is capable of determining that the main Kalman filter K is corrupt but not of determining which of the sub-filters SFi and SF 2 is not. Indeed, even if only one of the SFi and SF 2 sub-filters has a test which exceeds the associated predetermined threshold, it is perhaps the other sub-filter which is corrupted.
  • the third Kalman SF 3 sub-filter associated with the INS solution cannot be corrupted by a VEH or GNSS failure. It is therefore healthy.
  • the unit 18 for modeling the displacement(s) of said vehicle does not provide information on the absolute position in latitude, longitude and altitude) but only displacement information, and the Kalman sub-filters SF 2 and SF 3 without an absolute position source, respectively associated with the INS/VEH and INS solutions, must therefore be initialized with a position using at least one of the elements belonging to the aforementioned group.
  • the device D when it implements the consolidation of an initial GNSS position or entered manually by means of a position memorized beforehand on the previous extinction of said device D, in particular in the event immobilization of the vehicle in which it is embarked (i.e. said extinction corresponds to a de-energization of said device D in particular in the event of stopping and de-energization of said vehicle), allows if there is a difference while the vehicle n has not moved, to inform the user, via the emission by said device D of a predetermined signal, of the inconsistency which will then be suitable for deciding whether the initial position is correct or not.
  • the present invention thus proposes a particular architecture of the navigation and positioning device making it possible to detect the vulnerabilities of the aforementioned GNSS and/or VEH measurements, in order to maintain almost permanently, or even permanently, the integrity of the associated location.
  • Such control is not only carried out on a single satellite at a time, which avoids limiting the application domain.
  • the navigation and positioning device D is, according to an optional aspect, capable of permanently offering a set of navigation solutions, part of which has not used GNSS and/or VEH measurements for a certain time, typically several hours. several days.
  • the navigation and positioning device D is also capable of providing a protection radius against a vulnerability of GNSS and/or VEH measurements and capable of triggering a reconfiguration of the main Kalman filter K on a solution of a healthy Kalman sub-filter if a vulnerability of GNSS and/or VEH measurements is detected.
  • a healthy fallback solution is always available in the event of detection of a problem with the GNSS and/or VEH signals.
  • the present invention makes it possible to maintain the integrity of the location, to warn when the GNSS and/or VEH signals are not reliable, to reconfigure on a solution not tainted by the vulnerability of the GNSS measurements and/or VEH, in other words, to reconfigure the main Kalman filter K on a “healthy” Kalman sub-filter, and to have available a panel of navigation solutions deduced from Kalman sub-filters having navigated without the GNSS measurement and/or without the VEH measurement for a variable time.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de navigation et de positionnement comprenant au moins : - une unité (12) de mesure inertielle, - un récepteur (16) de mesures GNSS, - une unité (18) de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, - un filtre de Kalman principal (K) calculant des corrections de données de navigation par hybridation de données, et en sortie dudit filtre de Kalman principal au moins deux sous-filtres de Kalman distincts comprenant : - un premier sous-filtre de Kalman (SF1) calculant des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies par l'unité de mesure inertielle et par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, - un deuxième sous-filtre de Kalman (SF2) calculant des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies par l'unité de mesure inertielle et par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule.

Description

TITRE : Dispositif de navigation et de positionnement
La présente invention concerne un dispositif de navigation et de positionnement, propre à être embarqué à bord d’un véhicule propre à se déplacer entre deux positions géographiques, le dispositif comprenant au moins : une unité de mesure inertielle propre à fournir des mesures de navigation, un récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, une unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, un filtre de Kalman principal en boucle fermée configuré pour calculer des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies, en entrée dudit filtre de Kalman principal, à la fois par : ladite unité de mesure inertielle, ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, et ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule.
L’invention concerne également un véhicule comprenant un tel dispositif de navigation et de positionnement.
La présente invention concerne la navigation d’un véhicule (également appelé porteur) propre à se déplacer entre deux positions géographiques, tel qu’un véhicule terrestre correspondant notamment à une voiture, un camion, un véhicule blindé militaire ou civil, un aéronef utilisant, par exemple, un système de navigation aéroportuaire OANS (de l’anglais « Onboard Airport Navigation System »).
La navigation de tels véhicules, notamment des véhicules terrestres roulants (voiture, camion, chars...) est généralement mise en œuvre à l’aide d’un système de navigation et de positionnement par satellites GNSS (de l’anglais Global Navigation Satellite System).
Pour ce faire, le véhicule embarque généralement un récepteur de système de navigation et de positionnement par satellites configuré pour déterminer, notamment par trilatération, un positionnement (i.e. une position de géolocalisation ou encore une solution de géolocalisation) de l’aéronef en utilisant des estimations de distances aux satellites visibles d’une même ou de plusieurs constellations de satellites du système de navigation et de positionnement par satellites. Des exemples de systèmes de navigation par satellites sont le système GPS américain, le système GALILEO européen, le système GLONASS russe, ou encore le système BEIDOU chinois, etc.
A titre d’alternative, d’autres systèmes de navigation et de positionnement sont basés sur une hybridation d’une unité de mesure inertielle et de la modélisation du déplacement du véhicule utilisant les données fournies par un odomètre ou par un tachymètre.
De tels systèmes de navigation et de positionnement présentent une précision du même ordre de grandeur que la localisation par GNSS, en particulier sur des temps de l’ordre de quelques heures. En revanche, de tels systèmes de navigation et de positionnement nécessitent une position initiale.
Par ailleurs, tel que décrit dans le brevet FR 3 089 305 B1 pour un aéronef au sol, il existe d’autres systèmes de navigation et de positionnement propres à combiner les deux types de systèmes de navigation et de positionnement précités, et basée sur une hybridation dite « lâche » (ou hybridation en axes géographiques) en utilisant notamment la position GNSS (e.g. GPS) pour recaler la centrale inertielle. Une telle hybridation est nommée par la suite INS/VEH/GNSS, avec « INS » pour représenter la contribution à l’hybridation de l’unité de mesure inertielle (INS de l’anglais Inertial Navigation System), « VEH » pour « véhicule » pour représenter la contribution à l’hybridation d’une unité de modélisation de déplacement du véhicule, ladite unité de modélisation étant propre à déterminer le recalage transverse et vertical du véhicule, ainsi que le recalage longitudinal du véhicule via un odomètre ou un tachymètre, et « GNSS » tel que précité.
Cependant, l’hybridation INS/VEH/GNSS mise en œuvre selon les techniques actuelles n’est pas optimale pour se prémunir :
- d’erreurs du GNSS en cas de panne satellite, de défaut logiciel ou matériel du GNSS, de multi-trajets, ou encore d’interférence intentionnelle ou non,
- d’erreurs VEH fournie par l’unité de modélisation de déplacement du véhicule notamment en cas de comportements du véhicule non modélisés tels que des dérapages excessifs, ou encore des glissades, ou encore du fait d’un odomètre ou d’un tachymètre défectueux, ou en présence de patinage du véhicule, ni pour fournir un positionnement intègre lorsque de telles erreurs GNSS et/ou VEH se produisent.
Le but de l’invention est alors de proposer un dispositif de navigation et de positionnement qui permette au moins de maintenir l’intégrité du positionnement indépendamment de la vulnérabilité des mesures GNSS et/ou VEH.
A cet effet l’invention a pour objet un dispositif de navigation et de positionnement, propre à être embarqué à bord d’un véhicule propre à se déplacer entre deux positions géographiques, le dispositif comprenant au moins :
- une unité de mesure inertielle propre à fournir des mesures de navigation,
- un récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS,
- une unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, - un filtre de Kalman principal en boucle fermée configuré pour calculer des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies, en entrée dudit filtre de Kalman principal, à la fois par :
- ladite unité de mesure inertielle,
- ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, et
- ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, le dispositif comprenant en outre en sortie dudit filtre de Kalman principal au moins deux sous-filtres de Kalman distincts comprenant :
- un premier sous-filtre de Kalman configuré pour calculer des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies par l’unité de mesure inertielle et par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS,
- un deuxième sous-filtre de Kalman configuré pour calculer des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies par l’unité de mesure inertielle et par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, chaque sous-filtre de Kalman étant propre à :
- appliquer la correction hybride fournie, en entrée à chaque cycle, par le filtre de Kalman principal lors de sa phase de propagation, et
- déterminer un positionnement dudit véhicule associé audit sous-filtre de Kalman considéré en appliquant la correction calculée par ledit sous-filtre de Kalman au positionnement hybride obtenu à partir dudit filtre de Kalman principal.
Ainsi le dispositif de navigation et de positionnement selon la présente invention présente une architecture particulière permettant de consolider les différentes informations dans une localisation INS/VEH/GNSS, avec hybridation GNSS lâche ou serrée (lorsque le récepteur de mesures de positionnement par satellites GNSS fournit les informations extraites en amont par le récepteur GNSS que sont les pseudo-distances et les pseudovitesses (grandeurs directement issues de la mesure du temps de propagation et de l'effet Doppler des signaux émis par les satellites en direction du récepteur)), afin de maintenir en quasi-permanence, voire permanence, l’intégrité de la localisation associée.
Pour ce faire, ladite architecture particulière fournit une position principale INS/VEH/GNSS via le filtre de Kalman principal, et des positions supplémentaires INS/GNSS et INS/VEH qui ne contiennent respectivement que des informations INS et GNSS (sans VEH) et INS et VEH (sans GNSS). Ces positions supplémentaires INS/GNSS et INS/VEH sont issues des premier, deuxième, et troisième sous-filtres de Kalman aux écarts du filtre de Kalman principal (INS/VEH/GNSS). Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le dispositif de navigation et de positionnement comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le dispositif comprend également un module de vérification d’intégrité configuré pour :
- contrôler, à chaque cycle, l’intégrité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou l’intégrité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, en comparant, à un seuil prédéterminé, l’écart entre l’état de chaque sous-filtre de Kalman et l’état du filtre de Kalman principal,
- en cas d’écart supérieur audit seuil prédéterminé, lever une alarme propre à signaler une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS ;
- le dispositif est configuré pour comparer :
- à un seuil prédéterminé pour la latitude, l’écart entre l’état de position de latitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de latitude du filtre de Kalman principal,
- à un seuil prédéterminé pour la longitude, l’écart entre l’état de position de longitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de longitude du filtre de Kalman principal,
- à un seuil prédéterminé pour l’altitude l’écart entre l’état de position de l’altitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de l’altitude, du filtre de Kalman principal, et pour lever une alarme dès qu’au moins un écart associé à l’une des composantes latitude, longitude, altitude est supérieur au seuil prédéterminé correspondant et associé respectivement à chacune des composantes latitude, longitude, altitude ;
- le dispositif est également configuré pour déterminer ledit seuil prédéterminé en fonction d’une probabilité de fausse alarme prédéterminée ;
- le dispositif comprend en outre en sortie dudit filtre de Kalman un troisième sous-filtre de Kalman configuré pour calculer des corrections de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle, et en cas de levée d’alarme, le filtre de Kalman principal, le premier sous-filtre de Kalman et le deuxième sous-filtre de Kalman sont également propres à se reconfigurer sur le troisième sous-filtre de Kalman configuré pour calculer des corrections de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle ;
- le filtre de Kalman principal, le premier sous-filtre de Kalman et le deuxième sous-filtre de Kalman se reconfigurent chacun en remplaçant leur propre état et leur propre matrice de covariance respectivement par l’état et la matrice de covariance du troisième sous-filtre de Kalman ;
- le dispositif est également configuré pour déterminer un rayon de protection vis-à-vis d’une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou d’une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, ledit rayon de protection garantissant que la valeur de la distance entre la position hybride fournie à partir dudit filtre principal de Kalman et la position vraie dudit véhicule est inférieure à la valeur dudit rayon de protection, ledit rayon de protection étant déterminé en déterminant un rayon de protection associé à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman :
- un coefficient associé à une probabilité de fausse alarme prédéterminée,
- la matrice de covariance de l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman, ledit rayon de protection étant le plus grand des rayons de protection associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman.
- le dispositif est également configuré pour déterminer un rayon d’incertitude, ledit rayon d’incertitude étant déterminé en déterminant un rayon d’incertitude associé à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman :
- l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman, ledit rayon d’incertitude étant le plus grand des rayons d’incertitude associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman.
- le dispositif comprend en outre un module d’initialisation de la position dudit véhicule configuré pour initialiser la position dudit véhicule en utilisant au moins un des éléments appartenant au groupe comprenant au moins :
- une mesure de positionnement fournie par une source GNSS,
- une mesure de positionnement consolidée à partir de plusieurs sources GNSS distinctes,
- une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif,
- une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif, - une mesure de positionnement fournie par une source GNSS consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif,
- une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif.
L’invention a également pour objet un véhicule comprenant un tel dispositif de navigation et de positionnement.
L’invention a également pour objet un procédé de navigation et de positionnement mis en œuvre par ledit dispositif de navigation et de positionnement selon la présente invention tel que décrit précédemment, et comprenant les étapes suivantes mises en œuvre à chaque cycle du filtre de Kalman principal et de chaque sous-filtre de Kalman :
- localisation dudit véhicule en utilisant les corrections fournies respectivement par le filtre de Kalman principal et par chaque sous-filtre de Kalman,
- contrôle à chaque cycle, de l’intégrité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou l’intégrité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, en comparant, à un seuil prédéterminé, l’écart entre l’état de chaque sous-filtre de Kalman et l’état du filtre de Kalman principal:
- en cas d’écart supérieur audit seuil prédéterminé :
- levée d’une alarme propre à signaler une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS
- reconfiguration du premier sous-filtre de Kalman et du deuxième sous-filtre de Kalman sur un troisième sous-filtre de Kalman configuré pour calculer des corrections de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle ;
- en absence d’écart supérieur audit seuil prédéterminé :
- détermination d’un rayon de protection vis-à-vis d’une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou d’une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, ledit rayon de protection garantissant que la valeur de la distance entre la position hybride fournie à partir dudit filtre principal de Kalman et la position vraie dudit véhicule est inférieure à la valeur dudit rayon de protection, ledit rayon de protection étant déterminé en déterminant un rayon de protection associé à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman : - un coefficient associé à une probabilité de fausse alarme prédéterminée,
- la matrice de covariance de l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman, ledit rayon de protection étant le plus grand des rayons de protection associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman.
- détermination d’un rayon d’incertitude, ledit rayon d’incertitude étant déterminé en déterminant un rayon d’incertitude associé à chacun des premier et deuxième sous- filtres de Kalman, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman :
- l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée ;
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman ; ledit rayon d’incertitude étant le plus grand des rayons d’incertitude associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman.
Selon un aspect particulier dudit procédé, ledit contrôle consiste à comparer :
- à un seuil prédéterminé pour la latitude, l’écart entre l’état de position de latitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de latitude du filtre de Kalman principal,
- à un seuil prédéterminé pour la longitude, l’écart entre l’état de position de longitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de longitude du filtre de Kalman principal,
- à un seuil prédéterminé pour l’altitude l’écart entre l’état de position de l’altitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de l’altitude, du filtre de Kalman principal, et
- pour lever une alarme dès qu’au moins un écart associé à l’une des composantes latitude, longitude, altitude est supérieur au seuil prédéterminé correspondant et associé respectivement à chacune des composantes latitude, longitude, altitude.
Selon un autre aspect particulier dudit procédé, le procédé comprend en outre la détermination dudit seuil prédéterminé en fonction d’une probabilité de fausse alarme prédéterminée.
Selon un autre aspect particulier dudit procédé, le procédé comprend en outre une étape d’initialisation de la position dudit véhicule en utilisant au moins un des éléments appartenant au groupe comprenant au moins :
- une mesure de positionnement fournie par une source GNSS,
- une mesure de positionnement consolidée à partir de plusieurs sources GNSS distinctes, - une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif,
- une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif,
- une mesure de positionnement fournie par une source GNSS consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif,
- une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif.
L’invention a également pour objet un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un tel procédé de navigation et de positionnement par satellites tel que défini ci-dessus.
Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- [Fig 1] la figure 1 est un schéma illustrant un dispositif de navigation et de positionnement propre à mettre en œuvre une hybridation INS/VEH/GNSS ;
- [Fig 2] la figure 2 est un schéma illustrant l’architecture du dispositif de navigation et de positionnement selon la présente invention ;
- [Fig 3] la figure 3 illustre le principe de boucle fermée mis en œuvre par le filtre de Kalman principal ;
- [Fig 4] la figure 4 illustre au moyen d’une représentation du rayon de protection une situation où le filtre de Kalman principal est corrompu.
La figure 1 est une représentation globale d’un dispositif 10 de navigation et de positionnement selon la présente invention, propre à mettre en œuvre une hybridation INS/VEH/GNSS, et comprenant au moins une unité 12 de mesure inertielle propre à fournir des mesures de navigation, notamment à une plateforme virtuelle 14 de calcul et de localisation, un récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites GNSS, une unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et un filtre de Kalman K, dit principal par la suite.
L’unité de mesure inertielle 12 est constituée d’un ensemble de capteurs inertiels tels que des gyromètres et des accéléromètres associés à une électronique de traitement et est propre à fournir des incréments 20 de rotation angulaires et de vitesse du véhicule dans lequel le dispositif 10 de navigation et de positionnement est embarqué.
La plateforme virtuelle de calcul 14 intègre de tels incréments 20 de rotation angulaires et de vitesse pour fournir, en entrée filtre de Kalman principal K, des données 22 de navigation, telles que l’orientation du véhicule (i.e. son attitude), en termes de roulis, tangage, lacet, cap, etc, la vitesse du véhicule par exemple la vitesse Vnord selon la direction Nord, la vitesse Vest selon la direction Est, la vitesse Vbas au bas de la trajectoire etc., et la position du véhicule par exemple en latitude, longitude, altitude.
Le récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites GNSS est propre à fournir selon la flèche 24 des informations de position et de vitesse du véhicule par triangulation à partir des signaux émis par des satellites défilants visibles du véhicule. Les informations fournies peuvent être momentanément indisponibles car le récepteur doit avoir en vue directe un minimum de quatre satellites du système de positionnement pour pouvoir faire un point. Elles sont en outre d'une précision variable, dépendant de la géométrie de la constellation à la base de la triangulation, et bruitées car reposant sur la réception de signaux de très faibles niveaux provenant de satellites éloignés ayant une faible puissance d'émission. Mais elles ne souffrent pas de dérive à long terme, les positions des satellites défilant sur leurs orbites étant connues avec précision sur le long terme. Les bruits et les erreurs peuvent être liés aux systèmes satellitaires, au récepteur ou à la propagation du signal entre l'émetteur satellitaire et le récepteur de signaux GNSS. En outre, les données satellites peuvent être erronées par suite de pannes affectant les satellites. Ces données non intègres doivent alors être repérées pour ne pas fausser la position issue du récepteur GNSS.
L’unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule est configurée pour fournir des mesures de :
- déplacement longitudinal du véhicule à partir de données fournies par un odomètre ou par un tachymètre,
- déplacement transverse, supposé nul pour un véhicule terrestre (i.e. se déplaçant au sol),
- déplacement vertical du véhicule, également supposé nul pour un véhicule terrestre.
L’hybridation mise en œuvre par le filtre de Kalman principal K consiste à combiner mathématiquement les mesures 22, 24, 26 fournies respectivement par l’unité de mesure inertielle 12, le récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites GNSS, et l’unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule pour obtenir des informations de position et de vitesse en tirant avantage des trois éléments 12 INS, 16 GNSS et 18 VEH.
Le filtrage de Kalman s'appuie sur les possibilités de modélisation de l'évolution de l'état d'un système physique considéré dans son environnement, au moyen d'une équation dite "d'évolution" (estimation a priori), et de modélisation de la relation de dépendance existant entre les états du système physique considéré et les mesures d'un capteur externe, au moyen d'une équation dite "d'observation" pour permettre un recalage des états du filtre (estimation a posteriori). Dans un filtre de Kalman, la mesure effective ou "vecteur de mesure" permet de réaliser une estimée a posteriori de l'état du système qui est optimale dans le sens où elle minimise la covariance de l'erreur faite sur cette estimation. La partie estimateur du filtre génère des estimées a posteriori du vecteur d'état du système en utilisant l'écart constaté entre le vecteur de mesure effectif et sa prédiction a priori pour engendrer un terme correctif, appelé innovation. Cette innovation, après une multiplication par un vecteur gain du filtre de Kalman, est appliquée à l'estimée a priori du vecteur d'état du système et conduit à l'obtention de l'estimée optimale a posteriori.
Le filtrage de Kalman mis en œuvre par le filtre de Kalman principal K modélise notamment l'évolution des erreurs de l’unité de mesure inertielle 12 et délivre l'estimée a posteriori de ces erreurs qui sert à corriger le point de positionnement et de vitesse de l’unité de mesure inertielle 12.
La correction INS/VEH/GNSS 28 des erreurs par le biais de leur estimation faite par le filtre de Kalman principal K est alors réalisée en entrée de la plateforme virtuelle 14 selon une architecture dite en « boucle fermée » telle qu’illustrée par la figure 1 permettant de garder des erreurs de navigation faibles et donc de rester dans le domaine linéaire le filtre de Kalman principal K. La plateforme virtuelle 14 utilise une telle correction INS/VEH/GNSS 28 pour élaborer l’estimée optimale 30 de la position INS/VEH/GNSS et de la vitesse du véhicule.
L’hybridation est dite « lâche » (ou hybridation en axes géographiques) lorsque le récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites GNSS fournit la position et la vitesse du véhicule résolues par le récepteur GNSS.
L’hybridation est dite « serrée » lorsque le récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites GNSS fournit les informations extraites en amont par le récepteur GNSS que sont les pseudo-distances et les pseudo-vitesses (grandeurs directement issues de la mesure du temps de propagation et de l'effet Doppler des signaux émis par les satellites en direction du récepteur).
Avec un tel dispositif 10 de navigation et de positionnement par hybridation INS/VEH/GNSS en boucle fermée où le point, résolu par le récepteur 16 GNSS et l’unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, est utilisé pour recaler les informations provenant de l’unité de mesure inertielle 12, il est nécessaire de surveiller les défauts affectant les informations fournies par les satellites car le récepteur 16 qui les reçoit propagera ces défauts à l’unité de mesure inertielle 12 en entraînant un mauvais recalage de cette dernière, il en est de même pour l’unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule dont les défauts sont également propres à être propagés à l’unité de mesure inertielle 12.
Pour ce faire, le dispositif 10 de navigation et de positionnement par hybridation INS/VEH/GNSS est complété tel qu’illustré par la figure 2 pour obtenir le dispositif D selon la présente invention, un tel dispositif D présentant une architecture particulière décrite ci- après.
Le dispositif D comprend en effet, selon la présente invention au moins deux sous- filtres de Kalman distincts SFi et SF2.
Le premier sous-filtre de Kalman SFi est configuré pour calculer des corrections INS/GNSS 32 de données de navigation par hybridation de données fournies par l’unité de mesure inertielle 12 et par ledit récepteur 16 de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS. Le premier sous-filtre de Kalman SFi est propre à appliquer la correction hybride INS/VEH/GNSS 28 fournie par le filtre de Kalman principal K en entrée à chaque cycle, lors de sa propre phase de propagation, et à déterminer, notamment via l’élément de combinaison 34, un positionnement INS/GNSS 36 dudit véhicule associé audit premier sous-filtre SFi de Kalman considéré en appliquant la correction INS/GNSS 32 calculée par ledit sous-filtre de Kalman SFi au positionnement hybride 30 INS/VEH/GNSS obtenu à partir dudit filtre de Kalman principal K.
De manière similaire, le dispositif D comprend le deuxième sous-filtre de Kalman SF2 configuré pour calculer des corrections 38 INS/VEH de données de navigation par hybridation de données fournies par l’unité de mesure inertielle 12 et par ladite unité de modélisation de déplacement(s) 18 dudit véhicule. Le deuxième sous-filtre de Kalman SF2 est propre à appliquer la correction hybride INS/VEH/GNSS 28 fournie par le filtre de Kalman principal K en entrée à chaque cycle, lors de sa propre phase de propagation, et à déterminer, notamment via l’élément de combinaison 40, un positionnement INS/VEH 42 dudit véhicule associé audit deuxième sous-filtre SF2 de Kalman considéré en appliquant la correction INS/VEH 38 calculée par ledit deuxième sous-filtre de Kalman SF2 au positionnement hybride 30 INS/VEH/GNSS obtenu à partir dudit filtre de Kalman principal K.
Tel que représenté sur la figure 2, le dispositif D comprend en outre optionnellement un troisième sous-filtre de Kalman SF3 configuré pour calculer des corrections 44 INS de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle. Le troisième sous-filtre de Kalman SF3 est propre à appliquer la correction hybride INS/VEH/GNSS 28 fournie par le filtre de Kalman principal K en entrée à chaque cycle, lors de sa propre phase de propagation, et à déterminer, notamment via l’élément de combinaison 46, un positionnement INS 48 dudit véhicule associé audit troisième sous-filtre SF3 de Kalman considéré en appliquant la correction INS 44 calculée par ledit troisième sous-filtre de Kalman SF3 au positionnement hybride 30 INS/VEH/GNSS obtenu à partir dudit filtre de Kalman principal K. Autrement dit, selon l’architecture de la figure 2, chaque sous-filtre de Kalman SFi, SF2 et SF3 est propre à :
- appliquer la correction hybride fournie, en entrée à chaque cycle, par le filtre de Kalman principal lors de sa phase de propagation, et
- déterminer un positionnement dudit véhicule associé audit sous-filtre de Kalman considéré en appliquant la correction calculée par ledit sous-filtre de Kalman au positionnement hybride 30 obtenu à partir dudit filtre de Kalman principal K.
Ainsi, la présente invention propose de déterminer les positions 36, 42 hybrides respectivement INS/VEH, INS/GNSS et optionnellement la position inertielle INS à partir de la position hybride 30 INS/VEH/GNSS et des corrections issues des premier et deuxième sous-filtres de Kalman SFi : INS/VEH, SF2 : INS/GNSS, et optionnellement du troisième sous-filtre INS.
Selon l’exemple de la figure 2, le dispositif D de navigation et de positionnement selon la présente invention comprend en outre un module 50 de vérification d’intégrité configuré pour :
- contrôler, à chaque cycle, l’intégrité desdites données fournies par ladite unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou l’intégrité desdites données fournies par ledit récepteur 16 de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, en comparant, à un seuil prédéterminé, l’écart entre l’état de chaque sous-filtre de Kalman SFi, SF2 (et optionnellement SF3) et l’état du filtre de Kalman principal,
- en cas d’écart supérieur audit seuil prédéterminé, lever une alarme propre à signaler une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur 16 de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS.
A titre d’alternative à la mise en œuvre automatique (i.e. sans intervention humaine), via ledit module 50 de vérification d’intégrité, de ladite comparaison, cette comparaison, et le cas échéant levée d’alarme pourraient être mise en œuvre par un dispositif non représenté distinct dudit dispositif D, ou par un utilisateur au prix du temps de traitement mental associé.
Selon une variante non représentée, le dispositif D de navigation et de positionnement selon la présente invention illustré par la figure 2 comprend en outre une unité de traitement formée par exemple d’une mémoire et d’un processeur associé à la mémoire, et le dispositif D est au moins en partie réalisé sous forme d’un logiciel, ou d’une brique logicielle, exécutable par le processeur, notamment l’ensemble de Kalman comprenant le filtre de Kalman principal K et les sous-filtres de Kalman SFi, SF2 (et optionnellement SF3), la plateforme virtuelle 14 de calcul et de localisation, les éléments de combinaison 34, 40 et optionnellement module 50 de vérification d’intégrité. La mémoire du dispositif D de navigation et de positionnement est alors apte à stocker de tels logiciels ou briques logicielles, et le processeur est alors apte à les exécuter.
En variante non représentée, l’ensemble de Kalman comprenant le filtre de Kalman principal K et les sous-filtres de Kalman SFi, SF2 (et optionnellement SF3), la plateforme virtuelle 14 de calcul et de localisation, les éléments de combinaison 34, 40 et optionnellement module 50 de vérification d’intégrité sont réalisés chacun sous forme d’un composant logique programmable, tel qu’un FPGA (de l’anglais Field Programmable Gate Array), ou encore sous forme d’un circuit intégré dédié, tel qu’un ASIC (de l’anglais Application Specific integrated Circuit).
Lorsqu’une partie du dispositif D de navigation et de positionnement selon la présente invention est réalisée sous forme d’un ou plusieurs logiciels, c’est-à-dire sous forme d’un programme d’ordinateur, cette partie est en outre apte à être enregistrée sur un support, non représenté, lisible par ordinateur. Le support lisible par ordinateur est par exemple, un médium apte à mémoriser des instructions électroniques et à être couplé à un bus d’un système informatique. A titre d’exemple, le support lisible est un disque optique, un disque magnéto-optique, une mémoire ROM, une mémoire RAM, tout type de mémoire non-volatile (par exemple EPROM, EEPROM, FLASH, NVRAM), une carte magnétique ou encore une carte optique. Sur le support lisible est alors mémorisé un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles.
La figure 3 illustre le principe de la boucle fermée appliquée au filtre de Kalman principal K, avec l’état X du filtre de Kalman principal K, et P sa matrice de covariance. Un module 64 de propagation du filtre de Kalman principal K est configuré pour propager l’état à l’aide des équations de navigation, et un module 66 de recalage permet d’estimer l’état à l’aide des mesures GNSS fournies par ledit récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites GNSS et des mesures de l’unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule. Les équations de propagation et de recalage en boucle fermée sont pour le recalage mis en œuvre par le module 66 :
Figure imgf000015_0002
et pour la propagation mise en œuvre par le module 64 :
Figure imgf000015_0001
avec F la matrice de propagation, Q la matrice de bruit de modèle, R la matrice de covariance du bruit de mesure, H la matrice d’observation, K le gain de Kalman et Z le vecteur d’observation obtenu à partir du récepteur 16 et de l’unité 18, xn+i/n Ie vecteur d’état propagé après propagation entre les deux instants temporels successifs n et n + 1. La matrice de covariance Pn+1/n et le vecteur d’état Xn+1/n sont stockés dans la mémoire Mi, pour une itération suivante à l’instant n + 1.
Pour chaque sous-filtre, noté SF, de la figure 2 parmi les sous-filtres SFi, SF2etSF3, on utilise les équations classiques du filtrage de Kalman en appliquant Corn+i, la correction 28 INS/VEH/GNSS du filtre principal K au moment de la propagation.
Recalage :
Propagation :
Figure imgf000016_0001
Avec Corn la correction issue du filtre principal K, ZSF le vecteur d’observation qui est un sous ensemble de Z du filtre principal de Kalman K. ZSF contient seulement les observations liées au sous-filtre SF, GNSS obtenues à partir du récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites(s) GNSS pour le premier sous-filtre SFi INS/GNSS, VEH obtenues à partir de l’unité 18 de modélisation de déplacement du véhicule pour le deuxième sous-filtre SF2 INS/VEH, et optionnellement aucune observation (i.e. Ni VEH, ni GNSS) pour le troisième sous-filtre SF3 INS optionnel. De plus, HSF est la matrice d’observation qui contient les lignes de H du filtre principal de Kalman K liées au observations du sous-filtre SF considéré parmi les sous-filtres SFI, SF2 et optionnellement SF3 précités, KSF est le gain du sous filtre SF considéré parmi les sous-filtres SFi, SF2 et optionnellement SF3 précités, et PSF est la matrice de covariance du sous filtre SF considéré parmi les sous-filtres SFI, SF2 et optionnellement SF3 précités.
Sur la figure 2, la position 36 de la sous-solution INS/GNSS associée au premier sous-filtre SFi ne contient que des informations de l’unité de mesure inertielle 12 (UMI) et du récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites(s) GNSS. Elle n’est donc pas corrompue par une mesure erronée VEH de l’unité 18 de modélisation de déplacement du véhicule.
De manière similaire, la position 42 de la sous-solution INS/VEH associée au deuxième sous-filtre SF2 ne contient que des informations de l’unité de mesure inertielle 12 (UMI) et de l’unité 18 de modélisation de déplacement du véhicule VEH. Elle n’est donc pas corrompue par une mesure erronée GNSS fournie par le récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites(s) GNSS.
Optionnellement, la position 48 de la sous-solution INS associée au troisième sous- filtre optionnel SF3 ne contient que des informations de l’unité de mesure inertielle 12 (UMI). Elle n’est donc pas corrompue par une mesure erronée GNSS fournie par le récepteur 16 de mesures de positionnement par satellites(s) GNSS ni par une mesure erronée VEH de l’unité 18 de modélisation de déplacement du véhicule VEH.
Plus précisément, à chaque cycle du filtre de Kalman principal K, la correction de chaque sous filtre CorSF est appliquée à la position principale 30 (i.e. associée à la solution principale INS/VEH/GNSS) pour obtenir la position associée au sous-filtre SF considéré parmi les sous-filtres de Kalman SF1, SF2 (et optionnellement SF3) selon l’équation suivante :
Figure imgf000017_0001
avec Lat, la latitude ; Lon la longitude ; Alt, l altitude. SF étant un sous-filtre considéré parmi les sous-filtres de Kalman SF1, SF2 (et optionnellement SF3) associée respectivement aux solutions d’hybridations INS/GNSS, INS/VEH, et INS.
Si une mesure GNSS est erronée, elle va corrompre la solution principale INS/VEH/GNSS mais pas la solution INS/VEH associée au sous-filtre SF2, ni la solution optionnelle INS associée au sous-filtre SF3. De même, si une mesure erronée VEH est fournie par l’unité 18 de modélisation de déplacement du véhicule VEH, elle va corrompre la solution principale INS/VEH/GNSS mais pas la solution INS/GNSS associée au sous- filtre SF1, ni la solution optionnelle INS associée au sous-filtre SF3.
Le module de vérification d’intégrité 50 est alors configuré pour détecter un erroné GNSS ou VEH, en calculant l’écart entre la position principale INS/VEH/GNSS et la position de chaque sous-solution associée respectivement à chaque sous-filtres de Kalman SF1, SF2 (et optionnellement SF3). Si l’écart est trop grand, il y a un erroné. S’il est petit, il n’y a pas d’erroné.
Autrement dit, une telle différence entre les différentes solutions INS/VEH/GNSS, INS/GNSS, INS/VEH, et optionnellement INS, respectivement associées au filtre de Kalman principal K et aux sous-filtres de Kalman SFi, SF2 (et optionnellement SF3) est contrôlée par un écart V tel que : Cor^ = X„F 1/n - Xn+1/n =
Figure imgf000018_0001
calculé à chaque cycle de Kalman entre les états de position du sous-filtre X„+1/n et du filtre principal Xn+1/n.
Cet écart est plus ou moins important selon l’état étudié, et incohérent avec la covariance de l’écart des états, les états de position X en question correspondant par exemple aux états de position latitude, longitude, altitude, ou tout autre état possible, notamment le roulis, le tangage, le cap, la vitesse nord, la vitesse est, etc., qui sont très sensibles aux erronées, la variable de test correspondant à l’écart entre le filtre principal de Kalman K et le sous-filtre considéré parmi les sous-filtres de Kalman SFi, SF2 (et optionnellement SF3) est alors exprimée sous la forme suivante :
Figure imgf000018_0002
Plus précisément, le module de vérification d’intégrité 50 est configuré pour contrôler au court du temps pour chaque sous-filtre l’écart E = Vx = X„F 1/n - Xn+1/n en le comparant, via un seuil prédéterminé, à la covariance de l’écart des états.
En effet, en considérant que les matrices d’observation de chaque sous-filtre HSF et de bruit de mesure RSF sont des sous matrices des matrices d’observation H et de bruit de mesure R du filtre de Kalman principal K où les lignes (respectivement colonnes) liées au mesures GNSS ont été mises à zéro (le reste étant identique entre sous-filtre et filtre principal), et que les matrices de propagation F et de bruit de modèle Q sont identiques entre sous-filtre et filtre principal, alors il est démontrable par récurrence par l’homme du métier que l’espérance de((X - XSF)(X - XSF)T>) est égale à la différence de matrice de covariance PSF - P, ce qui en développant revient à une espérance de (X.XSFT^ égale à P la matrice de covariance du filtre K de Kalman principal.
Selon un aspect complémentaire optionnel, le module de vérification d’intégrité 50 détermine lui-même, ledit seuil utilisé pour comparer l’écart E = Vx = X„F 1/n - Xn+1/n à la covariance de l’écart des états.
Selon un exemple de cet aspect complémentaire optionnel, le dispositif D, via son module de vérification d’intégrité 50, est configuré pour comparer :
- à un seuil prédéterminé pour la latitude, l’écart VLat entre l’état X$F 1/n(Laf) de position de latitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état Xn+1/n(Lat) de position de latitude du filtre de Kalman principal, - à un seuil prédéterminé pour la longitude, l’écart VLon entre l’état X^F 1/n(Lon) de position de longitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état Xn+1/n(Lori) de position de longitude du filtre de Kalman principal,
- à un seuil prédéterminé pour l’altitude, l’écart VAtt entre l’état X„Ji/n(AZt) de position de l’altitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état Xn+1/n(Æt) de position de l’altitude du filtre de Kalman principal, et pour lever une alarme dès qu’au moins un écart associé à l’une des composante latitude, longitude, altitude est supérieur au seuil prédéterminé correspondant et associé respectivement à chacune des composantes latitude, longitude, altitude.
En complément facultatif, le dispositif est également configuré pour déterminer ledit seuil prédéterminé en fonction d’une probabilité de fausse alarme prédéterminée, en considérant par exemple, une distribution de la variable de test, correspondant à l’écart entre le filtre principal de Kalman K et le sous-filtre considéré, selon une loi gaussienne centré en zéro et d’écart-type égal à un. Le seuil de détection est par exemple choisi pour cet exemple de sorte que 1% du temps on détecte un erroné qui n’est pas présent (Pfa = 0,01)
Ainsi, selon l’exemple précédent, les variables de test Vi_at, Vi_On et VAU suivent donc une distribution gaussienne centrée en zéro (lorsqu’il n’y a pas d’erronée) et d’écart type respectif yJP^Lat. Lat) , yj P&(Lon, Loti) et yjP&(Alt,Alt) avec PA la matrice de covariance de l’écart XSF - X égale, tel qu’indiqué précédemment, à l’écart des covariances PSF et P, tel qu’exprimé selon les équations suivantes :
P& = E [(%n+1/n — Xn+1/n). (Xn+1/n — Xn+1/n) ] = E [xn+1/nXn+1/n ] — E[Xn+1/nXn+1/n ]
— rn+l/n — r Pn+l/n
Selon une probabilité de fausse alarme notée Pfa on cherche à établir une valeur de seuil réelle telle que :
Figure imgf000019_0001
avec Kf a le coefficient qui permet d’avoir la probabilité de fausse alarme pfa prédéterminée souhaitée, par exemple en considérant une loi gaussienne centré en zéro et d’écart-type égal à un, pour une probabilité de fausse alarme pta=0,01 alors Kfa = 1,96, tandis que pour pta=104 alors Kfa = 3,9. Le seuil prédéterminé pour la latitude est alors
Figure imgf000020_0001
de même le seuil prédéterminé pour la longitude est alors , et enfin le seuil prédéterminé
Figure imgf000020_0002
pour l’altitude est alors .
Figure imgf000020_0003
Selon ce mode de réalisation particulier optionnel, la levée d’alarme est alors conditionnée à la présence d’au moins un écart V, associé à l’une des composante latitude, longitude, altitude, supérieur au seuil prédéterminé correspondant et associé respectivement à chacune des composantes latitude, longitude, altitude. Autrement dit, trois tests de comparaison sont effectués par le module de vérification d’intégrité 50 respectivement selon la latitude, la longitude et l’altitude et si :
Figure imgf000020_0004
alors un erroné est détecté et l’alarme est levée.
Figure imgf000020_0005
Ici, la levée d’alarme étant effectuée au moyen de trois tests de comparaison distincts, respectivement selon la latitude, la longitude et l’altitude, ces tests n’étant pas complètement indépendants du fait de la corrélation entre ces états de positions (latitude, longitude et altitude) selon un aspect optionnel la probabilité de fausse alarme par test pfa- test est égale à la probabilité de fausse alarme globale pfa divisée par trois (i.e. pfa-test= Pfa/3).Selon un aspect complémentaire et facultatif, le dispositif D est également configuré pour déterminer un rayon de protection vis-à-vis d’une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou d’une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur 16 de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, ledit rayon de protection garantissant que la valeur de la distance entre la position hybride fournie à partir dudit filtre principal de Kalman K et la position vraie dudit véhicule est inférieure à la valeur dudit rayon de protection, ledit rayon de protection étant déterminé en déterminant un rayon de protection associé à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman SFi et SF2 respectivement, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman :
- un coefficient associé à une probabilité de fausse alarme prédéterminée,
- la matrice de covariance de l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman, ledit rayon de protection étant le plus grand des rayons de protection associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman. Autrement dit, en absence d’écart supérieur audit seuil prédéterminé précédemment par le module de vérification d’intégrité 50, aucune alarme n’est levée, et le dispositif D de navigation et de positionnement met alors en œuvre la détermination d’un rayon de protection vis-à-vis d’une vulnérabilité desdites mesures de positionnement par satellites GNSS fournies par ledit récepteur 16 de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS ou des mesures fournies par ladite unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule.
Pour déterminer un tel rayon de protection, qui est entièrement prédictif, à partir des covariances du filtre de Kalman principal K et des sous-filtres de Kalman SFi, et SF2, le dispositif D de navigation et de positionnement introduit une probabilité de non détection Pnd-
Autrement dit, selon cet aspect complémentaire optionnel, comme visé selon des mécanismes d’intégrité dans l’aéronautique, le dispositif D de navigation et de positionnement selon la présente invention, cherche à déterminer quelle est la performance de protection de la surveillance, c’est-à-dire jusqu’où l’erroné en entrée peut amener l’erreur de position du filtre principal K de Kalman sans détection.
L’écart entre la position 30 INS/VEH/GNSS et la position vraie est propre à être bornée de la manière suivante en prenant l’exemple de la latitude :
Figure imgf000021_0001
de la même façon que précédemment, le dispositif D de navigation et de positionnement selon la présente invention borne alors |LatSF - LatVraie\ avec la probabilité de non détection Pnd selon l’équation suivante :
Figure imgf000021_0002
avec Kpnd Ie coefficient permettant d’assurer que la probabilité d’avoir une valeur de variable v supérieure à la valeur Kpnd soit égale à Pnd, avec vune variable qui suit une loi gaussienne centrée d’écart-type 1 . Kpnd permettant ainsi de borner les erreurs rares et normales du sous-filtre qui emmènent la position en dehors du rayon de protection avec la probabilité Pnd-
Autrement dit, pour déterminer un rayon de protection vis-à-vis d’une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou d’une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, le dispositif D de navigation et de positionnement selon la présente invention, borne |xSF(Lat) - X (Lat) | lorsqu’il n’y a pas de détection, et obtient le rayon de protection PL (de l’anglais Protection Level) selon l’équation suivante, pour la latitude :
Figure imgf000022_0001
le rayon de protection PL est prédictible (i.e. sans mesure) car ne dépendant pas du « réalisé » mais seulement de la statistique, et permet donc de faire de la prévision de mission du véhicule.
Selon un autre aspect complémentaire et facultatif, en absence d’écart supérieur audit seuil prédéterminé précédemment par le module de vérification d’intégrité 50, aucune alarme n’est levée, et le dispositif est également configuré pour déterminer un rayon d’incertitude, ledit rayon d’incertitude étant déterminé en déterminant un rayon d’incertitude associé à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman :
- l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman, ledit rayon d’incertitude étant le plus grand des rayons d’incertitude associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman.
De manière, similaire à ce qui a été indiqué précédemment en relation avec la détermination du rayon de protection, selon cet aspect complémentaire facultatif, le dispositif D de navigation et de positionnement selon la présente invention, borne l’erreur avec le rayon d’incertitude UL (de l’anglais Uncertainty Level) selon l’équation suivante, pour la latitude :
Figure imgf000022_0002
En se référant aux usages de l’aéronautique, les rayons de protection PL sont calculés sur l’horizontal (HPL pour horizontal protection level) et sur la verticale (VPL pour vertical protection level). Pour un aéronef, ils sont notamment utilisés pour savoir si on peut commencer une procédure d’atterrissage par exemple (et le cas échéant éviter les montagnes autour de l’aéronef lors de l’atterrissage). En cas de détection d’un erroné, l’aéronef utilise alors plutôt les rayons d’incertitude horizontaux HUL (HUL pour Horizontal Uncertainty Level) et verticaux VUL (VUL pour Vertical Uncertainty Level) pour continuer à borner l’erreur.
On applique les calculs précédents de rayon de protection PL et d’incertitude UL appliqués précédemment à la latitude, à l’altitude cette fois pour obtenir respectivement le rayon de protection vertical VPL et le rayon d’incertitude vertical VUL.
Pour obtenir le rayon de protection horizontal HPL et le rayon d’incertitude horizontal HUL, un espace bidimensionnel (2D) correspondant au plan horizontal local est utilisé de sorte que : avec PO
Figure imgf000023_0001
de la façon suivante, par le dispositif D selon la présente invention :
Figure imgf000023_0002
avec PHF une matrice 2x2 correspondant à la projection de la matrice PSF sur les composantes de position horizontale, et maxvap() l’opérateur qui donne la plus grande valeur propre d’une matrice 2x2:
Figure imgf000023_0003
K'pnd le coefficient tel que la probabilité d’avoir la valeur d’une variable v, supérieure à K'pnd soit égale à Pnd, avec vune variable qui suit une loi du x2 (loi prononcée usuellement « khi carré » ou « khi-deux ») d’ordre 2.
Il est à noter que dans ce cas particulier lié à une application aéronautique, la latitude et la longitude ne sont plus considérée de manière indépendante, et que dans ce cas le seuil prédéterminé utilisé par le module de vérification d’intégrité 50 pour détecter un erroné et lever une alarme correspond à l’écart de position dans le plan horizontal, autrement dit à la norme de l’écart en 2D, tel que :
Figure imgf000023_0004
PH la matrice 2x2 qui est la projection de la matrice P& la matrice de covariance de l’écart XSF - X sur les composantes de position horizontale, et avec K'fa le coefficient tel que la probabilité d’avoir la valeur d’une variable v, supérieure à K'fa 2 soit égale à Pfa, avec v une variable qui suit une loi du x2 (loi prononcée usuellement « khi carré » ou « khi-deux ») d’ordre 2, si bien que :
Figure imgf000023_0005
le rayon de protection (respectivement d’incertitude) final est le plus grand des rayons de protection (respectivement d’incertitude) associés aux sous-filtres SFi et SF2.
Il est à noter que le troisième sous-filtre SF3 troisième sous-filtre de Kalman SF3 configuré pour calculer des corrections 44 INS de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle ne correspond pas à une hypothèse de panne mais est uniquement destiné à servir à une reconfiguration optionnelle comme décrit par la suite, le troisième sous-filtre SF3 n’est donc pas pris en compte pour les déterminations de rayon de protection et d’incertitude précités où seuls les premier et deuxième sous-filtres SF1 et SF2 associés respectivement aux solutions INS/GNSS et INS/VEH interviennent.
Ainsi, sur la vue 70 de l’exemple de la figure 4 d’une situation où le filtre de Kalman principal est corrompu, la position vraie 72 d’un véhicule, dans lequel le dispositif D selon la présente invention est embarqué, est représentée.
La position 74 INS/VEH obtenue via le sous-filtre SF2 de la figure 2 est saine et représentée dans un cercle 76 de rayon 78 dont la valeur est égale à K'pndJmaxvap (P» F) .
La position 80 du filtre principal de Kalman K associé à la solution hybride INS/VEH/GNSS est corrompue, du fait d’un erroné GNSS. Plus précisément, la projection 2D 82 de la matrice de covariance du filtre principal de Kalman K ne représente plus l’erreur de la position INS/VEH/GNSS. Par contre, comme le sous-filtre SF2 associé à la solution INS/VEH n’utilise pas la mesure GNSS, la position 74 INS/VEH est saine. C’est-à-dire que l’erreur de position suit bien une loi gaussienne centrée en 0 et de matrice de covariance pSF
Selon un autre aspect optionnel facultatif, en cas de levée d’alarme, le filtre de Kalman principal K, le premier sous-filtre de Kalman SF1 et le deuxième sous-filtre de Kalman SF2 sont également propres à se reconfigurer sur le troisième sous-filtre de Kalman SF3 configuré pour calculer des corrections de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle.
Autrement dit, le troisième sous-filtre de Kalman SF3 configuré pour calculer des corrections de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle est utile pour la reconfiguration des autres solutions de positionnement en cas de levée d’alarme associée à la détection d’un erroné dû à un perte d’intégrité desdites données fournies par ladite unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou desdites données fournies par ledit récepteur 16 de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS.
Plus précisément, le filtre de Kalman principal K, le premier sous-filtre de Kalman SF1 et le deuxième sous-filtre de Kalman SF2 se reconfigurent chacun en remplaçant (i.e. en écrasant) leur propre état et leur propre matrice de covariance respectivement par l’état et la matrice de covariance du troisième sous-filtre de Kalman SF3. Il est à noter que lorsque la précision de l’unité de mesure inertielle est inférieure à un seuil de précision prédéterminé, l’utilisateur du véhicule est propre à faire en sus un recalage manuel de la position, car il est apte à savoir où il est et si effectivement on ne peut plus faire confiance ni à GNSS ni à VEH
Autrement dit, au moment de la reconfiguration, le cas échéant après le recalage manuel de position sur le sous-filtre de Kalman SF3 associé à la solution INS, la reconfiguration se fait donc de la manière suivante :
Figure imgf000025_0001
de Kalman SF3 associé à la solution INS.
Il n’est pas évident de savoir quelle est la mesure qui est erronée parmi VEH et GNSS, car le module 50 de vérification d’intégrité est propre à déterminer que le filtre de Kalman principal K est corrompu mais pas à déterminer lequel des sous filtres SFi et SF2 ne l’est pas. En effet, même si un seul des sous-filtres SFi et SF2 a un test qui dépasse le seuil prédéterminé associé, c’est peut-être l’autre sous-filtre qui est corrompu.
En revanche, le troisième sous-filtre de Kalman SF3 associé à la solution INS ne peut être corrompu par une panne VEH ou GNSS. Il est donc sain.
Il est à noter que même si les mesures VEH ou GNSS sont corrompues sur une période de temps courte, la corruption du ou des sous-filtres SFi ou SF2 peut durer longtemps et impacter tous leurs états pendant cette durée.
Par ailleurs, la reconfiguration mise en œuvre automatiquement par le dispositif D selon la présente invention permet d’éviter de redémarrer entièrement l’unité de mesure inertielle ou le filtre de Kalman principal et les sous-filtres de Kalman SFi, SF2 et SF3 et de refaire l’alignement de l’unité de mesure inertielle 12. Selon un aspect facultatif optionnel non représenté, le dispositif comprend en outre un module d’initialisation de la position dudit véhicule configuré pour initialiser la position dudit véhicule en utilisant au moins un des éléments appartenant au groupe comprenant au moins :
- une mesure de positionnement fournie par une source GNSS,
- une mesure de positionnement consolidée à partir de plusieurs sources GNSS distinctes, par exemple (Galileo versus GPS ou mono-fréquence L1 versus mono-fréquence L5, etc....) pour se prémunir des multi-trajets et des interférents GNSS simples par exemple,
- une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif,
- une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif,
- une mesure de positionnement fournie par une source GNSS consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif, - une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif
En effet, l’unité 18 de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule ne fournit pas d’informations sur la position absolue en latitude, longitude et altitude) mais seulement des informations de déplacement, et les sous-filtres de Kalman SF2 et SF3 sans source de position absolue, respectivement associés aux solution INS/VEH et INS, doivent donc être initialisés avec une position en utilisant au moins un des éléments appartenant au groupe susmentionné.
Selon un aspect particulier, le dispositif D selon la présente invention lorsqu’il met en œuvre la consolidation d’une position initiale GNSS ou saisie manuellement au moyen d’une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif D, notamment en cas d’immobilisation du véhicule dans lequel il est embarqué (i.e. ladite extinction correspond à une mise hors tension dudit dispositif D notamment en cas d'arrêt et mise hors tension dudit véhicule), permet s’il y a une différence alors que le véhicule n’a pas bougé, d’informer l’utilisateur, via l’émission par ledit dispositif D d’un signal prédéterminé, de l’incohérence qui sera alors propre à décider si la position initiale est correcte ou non.
L’homme du métier comprendra que l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, ni aux exemples particuliers de la description, les modes de réalisation et les variantes mentionnées ci-dessus étant propres à être combinés entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation de l’invention.
La présente invention propose ainsi une architecture particulière du dispositif de navigation et de positionnement permettant de détecter les vulnérabilités des mesures GNSS et/ou VEH précitées, afin de maintenir en quasi-permanence, voire permanence, l’intégrité de la localisation associée.
Un tel contrôle ne s’effectue pas que sur un satellite unique à la fois ce qui permet d’éviter de limiter le domaine applicatif.
De plus, le dispositif D de navigation et de positionnement est selon un aspect optionnel propre à proposer en permanence un ensemble de solutions de navigation dont une partie n’utilise pas les mesures GNSS et/ou VEH depuis un certain temps, typiquement de plusieurs heures à plusieurs jours.
En outre, selon une variante optionnelle de réalisation, le dispositif D de navigation et de positionnement est aussi capable de fournir un rayon de protection contre une vulnérabilité des mesures GNSS et/ou VEH et propre à déclencher une reconfiguration du filtre de Kalman principal K sur une solution d’un sous-filtre de Kalman sain si une vulnérabilité des mesures GNSS et/ou VEH est détectée. Ainsi, une solution de repli saine est en permanence disponible en cas de détection d’un problème sur les signaux GNSS et/ou VEH.
Ainsi pour résumer, la présente invention permet de maintenir l’intégrité de la localisation, d’avertir lorsque les signaux GNSS et/ou VEH ne sont pas fiables, de se reconfigurer sur une solution non entachée par la vulnérabilité des mesures GNSS et/ou VEH, autrement dit, de venir reconfigurer le filtre de Kalman principal K sur un sous-filtre de Kalman « sain », et d’avoir à disposition un panel de solutions de navigation déduites de sous-filtres de Kalman ayant navigué sans la mesure GNSS et/ou sans la mesure VEH depuis un temps variable.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (D) de navigation et de positionnement, propre à être embarqué à bord d’un véhicule propre à se déplacer entre deux positions géographiques, le dispositif comprenant au moins :
- une unité (12) de mesure inertielle propre à fournir des mesures de navigation,
- un récepteur (16) de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS,
- une unité (18) de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule,
- un filtre de Kalman principal (K) en boucle fermée configuré pour calculer des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies, en entrée dudit filtre de Kalman principal, à la fois par :
- ladite unité de mesure inertielle,
- ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, et
- ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre en sortie dudit filtre de Kalman principal au moins deux sous-filtres de Kalman distincts comprenant :
- un premier sous-filtre de Kalman (SFi) configuré pour calculer des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies par l’unité de mesure inertielle et par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS,
- un deuxième sous-filtre de Kalman (SF2) configuré pour calculer des corrections de données de navigation par hybridation de données fournies par l’unité de mesure inertielle et par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, chaque sous-filtre de Kalman étant propre à :
- appliquer la correction hybride fournie, en entrée à chaque cycle, par le filtre de Kalman principal lors de sa phase de propagation, et
- déterminer un positionnement dudit véhicule associé audit sous-filtre de Kalman considéré en appliquant la correction calculée par ledit sous-filtre de Kalman au positionnement hybride obtenu à partir dudit filtre de Kalman principal.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif comprend également un module (50) de vérification d’intégrité configuré pour :
- contrôler, à chaque cycle, l’intégrité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou l’intégrité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, en comparant, à un seuil prédéterminé, l’écart entre l’état de chaque sous-filtre de Kalman et l’état du filtre de Kalman principal, - en cas d’écart supérieur audit seuil prédéterminé, lever une alarme propre à signaler une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le dispositif est configuré pour comparer :
- à un seuil prédéterminé pour la latitude, l’écart entre l’état de position de latitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de latitude du filtre de Kalman principal,
- à un seuil prédéterminé pour la longitude, l’écart entre l’état de position de longitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de longitude du filtre de Kalman principal,
- à un seuil prédéterminé pour l’altitude l’écart entre l’état de position de l’altitude de chaque sous-filtre de Kalman et l’état de position de l’altitude, du filtre de Kalman principal, et pour lever une alarme dès qu’au moins un écart associé à l’une des composantes latitude, longitude, altitude est supérieur au seuil prédéterminé correspondant et associé respectivement à chacune des composantes latitude, longitude, altitude.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le dispositif est également configuré pour déterminer ledit seuil prédéterminé en fonction d’une probabilité de fausse alarme prédéterminée.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel, le dispositif comprend en outre en sortie dudit filtre de Kalman un troisième sous-filtre de Kalman (SF3) configuré pour calculer des corrections de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle, et en cas de levée d’alarme, le filtre de Kalman principal, le premier sous-filtre de Kalman et le deuxième sous-filtre de Kalman sont également propres à se reconfigurer sur le troisième sous-filtre de Kalman configuré pour calculer des corrections de données de navigation à partir des données fournies uniquement par l’unité de mesure inertielle.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le filtre de Kalman principal, le premier sous-filtre de Kalman et le deuxième sous-filtre de Kalman se reconfigurent chacun en remplaçant leur propre état et leur propre matrice de covariance respectivement par l’état et la matrice de covariance du troisième sous-filtre de Kalman.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif est également configuré pour déterminer un rayon de protection vis-à- vis d’une vulnérabilité desdites données fournies par ladite unité de modélisation de déplacement(s) dudit véhicule, et/ou d’une vulnérabilité desdites données fournies par ledit récepteur de mesures de positionnement par satellite(s) GNSS, ledit rayon de protection garantissant que la valeur de la distance entre la position hybride fournie à partir dudit filtre principal de Kalman et la position vraie dudit véhicule est inférieure à la valeur dudit rayon de protection, ledit rayon de protection étant déterminé en déterminant un rayon de protection associé à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman :
- un coefficient associé à une probabilité de fausse alarme prédéterminée,
- la matrice de covariance de l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman, ledit rayon de protection étant le plus grand des rayons de protection associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif est également configuré pour déterminer un rayon d’incertitude, ledit rayon d’incertitude étant déterminé en déterminant un rayon d’incertitude associé à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman, en utilisant, pour chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman :
- l’écart entre l’état dudit sous-filtre de Kalman considéré et l’état du filtre de Kalman principal,
- un coefficient associé à une probabilité de non détection prédéterminée
- la matrice de covariance de chaque sous-filtre de Kalman, ledit rayon d’incertitude étant le plus grand des rayons d’incertitude associés à chacun des premier et deuxième sous-filtres de Kalman.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif comprend en outre un module d’initialisation de la position dudit véhicule configuré pour initialiser la position dudit véhicule en utilisant au moins un des éléments appartenant au groupe comprenant au moins :
- une mesure de positionnement fournie par une source GNSS,
- une mesure de positionnement consolidée à partir de plusieurs sources GNSS distinctes,
- une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif, - une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif,
- une mesure de positionnement fournie par une source GNSS consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif,
- une position saisie manuellement via une interface de saisie dudit dispositif consolidée par une position mémorisée au préalable à l’extinction précédente dudit dispositif.
10. Véhicule propre à se déplacer entre deux positions géographiques, ledit véhicule étant caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif (D) de navigation et de positionnement selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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EP3901650A1 (fr) * 2020-04-20 2021-10-27 Honeywell International Inc. Surveillance de l'intégrité des mesures d'odométrie à l'intérieur d'un système de navigation

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