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CA 02315899 2000-06-21
WO 99/34232 PCT/FR98/02852
STATION EL~TTRICE DE SIGi~rmC DE CORRECTION VERS UN RECEPTEUR DE
NAVIGATION
L'invention est relative à une station d'émission de
signaux de correction vers un mobile équipé d'un récepteur de
détermination de position de type différentiel.
Les systèmes de positionnement, notamment pour la
navigation de mobiles terrestres, aériens ou maritimes, font
appel, en général, à une constellation de satellites ou balises
émettant des signaux qui permettent à un utilisateur de
déterminer, en temps réel, sa position et, éventuellement, sa
vitesse.
Le systëme de positionnement le plus courant est le
système GPS ("Global Positioning System") auquel on fera princi-
palement rêférence ci-après sans que l'invention soit limitée à
cette application.
Le récepteur GPS de l'utilisateur calcule la distance
qui le sépare d'au moins quatre satellites émettant des messages
à des instants connus, ces instants d'émission étant inclus dans
le message émis par chaque satellite. La distance du récepteur à
chaque satellite est déterminée par le produit de la vitesse de
la lumière par la durée mise par le signal pour parcourir cette
distance. Cette durée est égale à la différence entre l' instant
de réception et l'instant d'émission. La vitesse est déterminée
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par effet Doppler, c'est-â-dire grâce à la mesure de l'écart
entre la fréquence reçue et la fréquence d'émission de la por-
teuse du signal GPS.
La précision des mesures de position obtenues avec un
récepteur GPS est limitée par le bruit affectant les mesures de
distances aux différents satellites en raison, d'une part, de
retards de propâgation, et, d'autre part, surtout, d'un brouil
lage volontaire. Ainsi, la précision sur la position est de 100
mètres dans un plan horizontal et de 150 mètres en direction
verticale. Cette précision est, en général, insuffisante,
notamment quand il s' agit de guider un mobile tel qu' un aéronef
en procédure d'atterrissage ou un véhicule terrestre, par
exemple sur route.
Mais les bruits affectant les mesures sont des bruits
observables et de faible dynamique qui peuvent être corrigés.
C'est pourquoi on utilise un système GPS différentiel faisant
appel à une station fixe, notamment au sol, émettant des signaux
de correction vers l'utilisateur.
Un tel système différentiel tire avantage du fait
d'une part, que la position de la station fixe est connue avec
précision et, d'autre part, que, à chaque instant, la distance
de la station fixe à chaque satellite est également connue avec
précision. La station au sol, proche du mobile est équipée d'un
récepteur spécialisé comportant des éléments lui permettant .
- la mesure des distances de cette station à chaque
satellite à partir des informations contenues dans les signaux
qu'il reçoit des satellites comme le fait un récepteur GPS de
mobile,
- le calcul des distances exactes de la station à
chaque satellite à partir de la connaissance que l'on a des
positions de la station et des satellites, et
- le calcul des différences existant entre les
distances exactes et les distances mesurées,
et d'un émetteur radioélectrique lui permettant de communiquer
avec les récepteurs GPS des mobiles se déplaçant à proximité.
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Cette station émet, vers le mobile, un signal correcteur qui est
constitué, pour chaque satellite, par la différence entre la
distance connue et la distance mesurée. Le récepteur
différentiel du cr~bile peut ainsi corriger, pour chaque
satellite, les mesures qu'il effectue en ajoutant à chaque
mesure la correction qui lui a été transmise.
Avec ces corrections, la précision de positionnement
d'un mobile est d'environ 2 mètres en direction horizontale et
de 3 mètres en direction verticale.
Dans une station au sol, la réception peut cependant
être perturbée par des bruits supplémentaires qui ne sont pas
obsezvables par un moyen de mesure unique. Ces bruits sont
attribuables aux multi-trajets, c'est-à-dire à des réflexions du
signal reçu (provenant du satellite). En effet, le signal reçu
peut se réfléchir sur le sol, sur le relief ou sur des
immeubles. C'est pourquoi une station au sol comporte, en
général, plusieurs récepteurs spécialisés et des moyens pour
identifier la (ou les) rêception(s) affectées) de multi-
trajet(s). L'identification de la réception défectueuse est
obtenue grâce à une comparaison entre les signaux de correction
fournis par les divers récepteurs spécialisés. Ces derniers
sont, bien entendu, disposés en des emplacements choisis pour
minimiser la probabilité que ces récepteurs soient affectés
simultanément d'erreurs de multi-trajets.
L'identification des récepteurs recevant des signaux
affectés de multi-trajets s'appuie sur le fait que, les récep-
teurs au sol étant à proximité les uns des autres, en l'absence
de multi-trajets, les corrections fournies par chaque récepteur
sont les mêmes et que si l'un des récepteurs reçoit un signal
"multi-trajet", la correction calculée par ce récepteur est dif-
férente des corrections calculées par les autres récepteurs, non
affectés d'erreurs de multi-trajet.
Les corrections calculées par les récepteurs sont donc
comparées deux à deux et si la différence entre deux corrections
dépasse un. seuil prédéterminé, aucune des deux corrections cor
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respondantes n'est transmise. Par contre, si la différence entre
les corrections ne dépasse pas le seuil, la correction transmise
au mobile est l'une des corrections ou la moyenne des
corrections mesurées.
Ce type d'identification des multi-trajets est diffi-
cile à ajuster. En particulier, la détermination du seuil est le
résultat d'un compromis entre des exigences contradictoires . si
le seuil est trop élevé, les corrections envoyées au mobile ne
seront pas toujours correctes, et si le seuil est d'un niveau
trop faible, la station risquera d'éliminer trop souvent l'émis-
sion de signaux de correction envoyés vers le mobile. En outre,
les comparaisons entre corrections sont toutes effectuées par
rapport au même seuil, c'est-à-dire que toutes les directions
sont affectées du même poids, alors que certaines pourraient
nécessiter une prêcision supérieure à d'autres. Par "direction",
on entend ici 1a direction de la droite joignant la station à un
satellite.
Jusqu'à présent, on a tenté d'affiner le critère de
comparaison à l'aide d'études statistiques de plus en plus
complexes.
On peut songer, pour s'assurer de la fiabilité du
signal de correction émis par une station au sol, à équiper
cette station au sol d'un récepteur de navigation différentiel
du même type que celui d'un mobile. Ce récepteur de navigation
placé au sol en une position connue et recevant, en plus des
signaux de la constellation de satellites, les signaux de
correction délivrés par la station au sol doit délivrer, lorsque
la station au sol fonctionne correctement, une estimation assez
précise de sa position. La surveillance de la précision de cette
estimation de position, qui peut se faire en comparant â un
seuil la distance existant entre la position estimée et la
position réelle peut servir à déclencher une alarme et à
interdire à la station au sol d'émettre ses corrections en cas
de dépassement du seuil. Cependant, on aboutit à une mise hors
service de la station au sol alors qu'elle peut n'avoir qu'un
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seul récepteur spécialisé affecté par un phénomène de multi-
trajet et disposer avec ses autres récepteurs spécialisés de
jeux de corrections valables qui auraient pu être émises. En
d'autres termes, cette mesure de précaution ne permet pas
5 d'identifier la ou les corrections défectueuses dont la mise à
l'écart permettrait d'assurer la continuité du service de la
station au sol.
L'invention - a pour but de remédier à ces
inconvénients.
Elle a pour objet une station au sol émettrice ~de
signaux de correction pour récepteurs de navigation par
satellites comportant .
- au moins deux équipements de réception localisés
dans des emplacements géographiques différents choisis de
manière à minimiser la probabilité que ces deux équipements de
réception reçoivent simultanément des signaux affectês de multi
trajets et pourvus chacun de moyens d'estimation de distance
délivrant â partir des signaux provenant des satellites de
navigation, des estimations des distances les séparant des
satellites de navigation,
- des moyens de détermination des signaux de
correction comparant les jeux d'estimations de distance fournis
par les équipements de réception et les distances exactes
séparant les équipements de réception des satellites de
navigation déduites de la connaissance des localisations
géographiques des équipements de réception et de la connaissance
des positions des satellites de navigation sur leurs orbites, et
tirant de ces comparaison les signaux de correction, et
- des moyens d'émission pour communiquer lesdits
signaux de correction aux récepteurs de navigation des mobiles
évoluant dans le voisinage de la station.
Cette station est remarquable en ce qu'elle comporte
en outre
- au niveau de chacun de ses équipements de réception,
des moyens de localisation délivrant une estimation de position
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géographique à partir des estimations de distance par rapport
aux satellites de navigation fournies par les moyens
d'estimation de distance, lesdits yens de localisation
constituant avec les moyens d'estimation de distance un
récepteur de navigation,
- des moyens d'identification d'un équipement de
réception affecté par des phénomènes de multi-trajets opérant en
comparant à un seuil la distance séparant l'estimation de
position géographique fournie par chaque équipement de réception
avec sa position géographique connue, et
- des moyens de sélection pour rejeter les jeux
d'estimations de distance par rapport aux satellites de
navigation délivrés par les équipements de réception repérés par
les moyens d'identification comme fournissant une estimation de
position trop éloignée de leur position réelle.
Ainsi, pour identifier les multi-trajets, le paramètre
utilisé est un écart de position géographique et non un
paramètre qui ne tient pas compte de la direction. Dans ces
conditions, le seuil tient naturellement compte de l'importance
accordée à chaque direction.
Les rejets de corrections seront donc moins fréquents
que dans les systèmes connus sans que soit altérêe la fiabilité
des corrections.
Par ailleurs, la station selon l'invention est peu
sensible aux défauts de synchronisme entre les bases de temps
des rêcepteurs contrairement aux stations connues, car elle ne
nécessite pas de comparaison entre des données, nécessairement
synchronisées, fournies par deux récepteurs.
De préférence, les récepteurs de navigation qui déter
minent la position sont des récepteurs de navigation de type
différentiel du genre de ceux qui sont habituellement utilisés
dans les mobiles. De cette manière, le coût de chaque récepteur
peut être faible car il est fabriqué en grande série pour les
mobiles. On peut aussi observer que, bien que le récepteur de la
station au sol confo~ne à l'invention effectue des opérations
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plus complexes que les récepteurs habituellement utilisés dans
de telles stations, son coût est malgré~tout réduit, en raison
de cette possibilité de fabrication en grandes séries.
Quand on fait appel à un tel récepteur de navigation
de type différentiel, les corrections reçues par chaque
récepteur sont des corrections qui proviennent d'un autre
récepteur appartenant â un autre équipement de réception de la
mémè station au sol. I1 n'est ainsi pas nécessaire de prévoir
des récepteurs spécialisés pour effectuer les corrections.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront avec la description de certains de ses modes de
réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins
ci-annexés sur lesquels la figure unique est un schéma d'une
station au sol pour système différentiel GPS conforme à
l'invention.
Dans l'exemple représenté sur la figure unique, la
station au sol comporte trois équipements de réception,
respectivement 10, 12 et 14, et un ensemble 16 de traitement et
d'émission.
L'ensemble 16 reçoit les signaux fournis par les équi-
pements de réception 10, 12 et 14 et, à partir de ces signaux,
détermine les signaux de corrections à transmettre vers le
mobile êquipé d'un récepteur de navigation différentiel (non
représenté). De façon classique, la transmission de la station
vers le mobile est effectuée par voie hertzienne dans la bande
VHF.
Les équipements de réception 10, 12, 14 sont
identiques entre eux. Ils sont disposés en des emplacements
proches les uns des autres. Ces emplacements sont sélectionnés
de façon telle que les équipements ne puissent tous être
simultanément soumis à une perturbation de multi-trajets.
Les équipements 10, 12 et 14 étant identiques entre
eux, on se contentera de décrire 1 ' un d' eux, à savoir celui de
réfêrence 10.
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L'équipement 10 comporte, d'une part, un récepteur de
navigation 201 de type différentiel et, d'autre part, un circuit
221 de calcul des corrections.
Le récepteur 201 est pratiquement identique à un
récepteur classique qu'on installe habituellement à l'intérieur
d'un mobile. I1 comporte ainsi une entrée 241 pour un signal de
correction et une sortie 261 délivrant, en succession, les
mesures brutes des durées (mesurées. par ce récepteur, sans prise
en compte de signal de correction) de parcours des signaux de
chaque satellite vers ce récepteur. La mesure brute d' une durée
de parcours consiste à déterminer l'instant d'émission du signal
par le satellite - cet instant étant transmis par le satellite
(c'est-à-dire contenu dans le signal transmis) - et à le
retrancher de l'instant de réception.
Le circuit 221 de calcul de correction reçoit, par
ailleurs, sur une entrée 301, une information' représentant le
temps mis par un signal se déplaçant à la vitesse de la lumière
pour parcourir la distance séparant le satellite du récepteur au
sol. Ce temps ne constitue pas le résultat d'une mesure mais il
est fourni par un ordinateur central (non montré) ayant en
mémoire l'évolution des positions de chaque satellite en
fonction du temps. Hien entendu, les données fournies sur
l'entrée 301 du circuit 221 et sur l'entrée 281 (connectée à la
sortie 261 du récepteur 201) sont en synchronisme et
correspondent, à chaque instant, au même satellite.
Le circuit 221 établit la différence entre le temps
appliqué sur l'entrée 301 et le temps appliqué sur l'entrée 281
et fournit sur sa sortie 321 le signal de différence qui consti-
tue un signal de correction. Ce signal est transmis, d'une part,
au circuit 16 et, d'autre part, à l'entrée 242 du récepteur 202
de l'équipement de réception 12.
L'entrée 241 du récepteur 201 est reliée à la sortie
323 du circuit de correction 223 de l'équipement 14. Elle permet
au récepteur 201 de recevoir un signal de correction qu'il
utilise pour corriger les mesures brutes de durêes de parcours
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avant de les utiliser, de façon connue en soi, pour des
opérations de triangulation en vue d'une estimation de position
géographique qu'il délivre sur sa sortie 341. La précision de
cette estimation de position est de l'ordre de 2 mêtres dans le
plan horizontal et de 3 mètres dans le plan vertical.
De façon analogue, la sortie 322 du circuit de correc-
tion 222 de l'équipement 12 est reliée à l'entrée de correction
243 du récepteur 203 de l'équipement 14.
Le circuit de traitement 16 comporte en mémoire la
position géographique de chaque récepteur. Ce circuit de
traitement 16 détermine, pour chaque récepteur 10, 12, 14, la
distance DPi.séparant la position mesurée de la position réelle.
Ce circuit 16 compare ces distances (ou écarts) DPi à un seuil
e. Si tous les écarts DP1, DP2 et DP3 sont infêrieurs au seuil,
le circuit de traitement 16 commande l'émission de signaux de
correction (un signal de correction par direction) vers le
récepteur de navigation d'un mobile. Chaque signal de correction
est égal à la moyenne, par exemple arithmétique, des signaux de
correction fournis, pour. la même direction, par chacun des
circuits 221, 222 et 223. En variante, le signal de correction
émis vers le mobile est l'une des trois corrections.
Bien entendu, les signaux de correction sont émis en
séquence et correspondent, à chaque instant, à la correction à
effectuer dans la direction d'un satellite déterminé.
Si l'un des récepteurs, par exemple le récepteur 202,
reçoit un signal affecté de multi-trajets, alors que les deux
autres récepteurs reçoivent correctement les signaux, l'écart
DP2 est supérieur au seuil e et le signal de correction sur la
sortie 322 est excessif, ce qui entraîne une mesure inexacte
effectuée par le récepteur 203. Dans ces conditions, l'écart de
position DP3 est également supérieur au seuil. Par contre, le
récepteur 203 effectue une mesure correcte. I1 en résulte que le
signal de correction fourni sur la sortie 323 présente une
valeur correcte. Par conséquent, le signal de position fourni
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sur la sortie 341 du récepteur 201 est correct et, ainsi,
1'êcart DP1 est inférieur au seuil e.
Ainsi, seul le récepteur 201 fournit un signal de
position correct, c'est-à-dire correspondant à une position
5 mesurée qui est séparée de la position réelle d'une distance
inférieure au seuil e.
On comprend qu'un récepteur fournissant une mesure
correcte fournit obligatoirement un signal de correction correct
et le signal de correction qu'il reçoit est également correct.
10 Dans ces conditions, le circuit de traitement 16 com-
mande l'émission vers le mobile d'un signal de correction
correspondant soit à la moyenne des signaux de correction sur
les sorties 321 et 323 soit à l'un de ces deux signaux.
Si tous les récepteurs reçoivent des signaux affectés
de multi-trajets, les trois signaux DPi seront supérieurs au
seuil. Dans ce cas, le circuit 16 interdit l'émission d'un
signal de correction vers le mobile.
Si le circuit de traitement 16 détecte qu'un seul
écart de position DPi, par exemple DP2, dépasse le seuil, alors
que les deux autres écarts DP1 et DP3 sont inférieurs au seuil
e, ce circuit 16 émet seulement la correction provenant du
circuit 223 car le fait que la position mesurée par l'équipement
12 s'écarte trop de la position réelle signifie que le signal de
correction émis sur la sortie 322 est inexact ou que le signal
de correction reçu sur l'entrée 242 est inexact.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à une sta
tion au sol comportant trois équipements de réception. Elle peut
en comporter davantage . Dans ce cas , les périodes pendant les
quelles aucun signal de correction n'est ëmis vers le mobile
pourront être moins fréquentes.
On peut également utiliser deux équipements de récep-
tions au lieu de trois. Mais, dans ce cas, les périodes de blo-
cage, c'est-à-dire de défaut d'émission de signaux de
correction, risqueront d'être plus fréquentes qu'avec trois
équipements de réception comme décrit ci-dessus.
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Le système selon l'invention permet ainsi une dis-
crimination des multi-trajets qui s'affranchit des défauts de
synchronisme entre récepteurs car, contrairement aux systèmes
antérieurement connus, on ne fait pas appel à une comparaison
synchrone des corrections dans chaque direction. En outre, le
critêre de discrimination est lié à la précision voulue et non à
la précision dans chaque direction. Autrement dit, par rapport à
un système classique, l'invention présentera des périodes de
blocage moins fréquentes.
