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Description
Titre de l'invention : Procédé d'estimation de la vitesse
d'un véhicule ferroviaire et centrale inertielle associée
[1] La présente invention concerne une centrale inertielle et un procédé
d'estimation de la vitesse d'un véhicule ferroviaire combinant des mesures
inertielles et des signaux d'un système de navigation par satellite.
[2] Il est important pour les compagnies de gestion des véhicules ferroviaires
de
connaître le plus précisément possible et de manière fiable la position et la
vitesse des trains. En effet, la connaissance de la localisation et de la
vitesse
précise des trains permet de pouvoir mieux organiser le trafic et ainsi
améliorer
la gestion des voies de chemins de fer.
[3] Différentes techniques sont utilisées dans l'état de la technique pour
déterminer la vitesse des véhicule ferroviaire comme par exemple les
tachymètres, les radars Doppler, les accéléromètres, les mesures GNSS Global
Navigation Satellite Systems (signaux GPS Global positonning System
notamment) ou les balises disposées régulièrement sur la voie ferrée.
Cependant,
ces différentes solutions présentent toutes des inconvénients (glissement des
roues sur les rails pour les tachymètres, mauvaise fiabilité en présence de
brouillard pour les radars Doppler, dérive au cours du temps pour les
accéléromètres, absence de réception GNSS dans les tunnels et zones escarpées
pour les dispositifs GNSS, difficulté de mise en place et possibilité de
dégradations des balises) limitant la fiabilité des mesures. Or, la fiabilité
des
mesures apparaît comme un critère déterminant puisque la sécurité des
passagers
des trains dépend de cette détermination de la vitesse.
[4] Il apparaît donc nécessaire de fournir une solution permettant d'obtenir
une
estimation fiable de la vitesse d'un véhicule ferroviaire quelles que soient
les
conditions météorologiques et la topologie de la ligne de chemin de fer.
[5] A cet effet, l'invention concerne un procédé d'estimation d'une vitesse
d'un
véhicule ferroviaire lors du déplacement dudit véhicule ferroviaire le long
d'une
voie ferrée, ledit véhicule ferroviaire comprenant une centrale inertielle
configurée pour fournir :
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- des mesures d'accélération selon trois axes orthogonaux,
- des mesures de vitesses angulaires selon trois axes orthogonaux,
et pour recevoir des signaux GNSS ( Global Navigation Satellite Systems )
associés à un système de navigation par satellite, ledit procédé comprenant
les
étapes suivantes :
- une étape d'analyse des signaux GNSS reçus pour déterminer la fiabilité
desdits signaux GNSS,
- une étape de définition d'un vecteur de mesures comprenant les mesures
réalisées par la centrale inertielle,
- une étape de définition d'un vecteur d'état comprenant des composantes
associées à la vitesse du véhicule, à l'attitude et orientation (roulis,
tangage et
lacet) du véhicule et aux erreurs de biais des mesures de vitesses angulaires
et
d'accélération,
- une étape d'application d'un estimateur d'état pour estimer le vecteur
d'état en
utilisant le vecteur de mesures,
- une étape de correction de l'estimation du vecteur d'état à partir des
signaux
GNSS en fonction de la fiabilité déterminée desdits signaux GNSS,
- une étape d'extraction de la vitesse du véhicule ferroviaire et de
l'erreur
associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire à partir du vecteur d'état
corrigé.
[6] L'utilisation de la fusion des signaux inertiels et GNSS lorsque ces
derniers
sont considérés comme fiables permet de déterminer une vitesse du véhicule
ainsi que l'erreur associée à cette vitesse.
[7] Selon un autre aspect de la présente invention, la détermination de la
fiabilité des signaux GNSS comprend la prise en compte du nombre de satellites
fournissant des signaux et la position desdits satellites.
[8] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend une
étape de correction de l'alignement entre un repère associé à la centrale
inertielle
et un repère associé au véhicule ferroviaire.
[9] Selon un autre aspect de la présente invention, le vecteur d'état
comprend
également des composantes associées au mésalignement entre le repère associé à
la centrale inertielle et le repère associé au véhicule ferroviaire de sorte
que le
mésalignement est estimé de manière récursive par l'estimateur d'état.
[10] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend
également une étape dans laquelle l'erreur liée au mésalignement entre le
repère
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associé à la centrale inertielle et le repère associée au véhicule ferroviaire
est
sauvegardée dans une mémoire de la centrale inertielle pour pouvoir être
utilisée
lors d'une réinitialisation de l'estimateur, notamment lors d'une mise sous
tension suite à une mise hors tension de la centrale inertielle.
[11] Selon un autre aspect de la présente invention, le vecteur d'état
comprend
composantes, 3 composantes associées à la vitesse du véhicule ferroviaire, 3
composantes associées à l'attitude du véhicule ferroviaire, 3 composantes
associées aux erreurs de biais sur les mesures angulaires, 3 composantes
associées aux erreurs de biais sur les mesures d'accélération et 3 composantes
10 associées au mésalignement entre le repère associé à la centrale
inertielle et le
repère associé au véhicule ferroviaire.
[12] Selon un autre aspect de la présente invention, l'estimateur d'état
est un
filtre de Kalman.
[13] Selon un autre aspect de la présente invention, le filtre de Kalman
est un
15 filtre de Kalman étendu.
[14] Selon un autre aspect de la présente invention, l'erreur associée à la
vitesse du véhicule ferroviaire est déterminée à partir des covariances
d'erreurs
d'états fournies par le filtre de Kalman.
[15] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend
une
étape d'initialisation statique lors du démarrage du véhicule ferroviaire
permettant d'initialiser un mécanisme de détermination du sens de déplacement
du véhicule ferroviaire lors de son passage d'une position statique à une
position
de déplacement.
[16] Selon un autre aspect de la présente invention, l'étape d'application
d'un
estimateur d'état comprend l'application d'une contrainte liée à une vitesse
nulle
sur les axes transversaux au niveau du centre de rotation du véhicule
ferroviaire.
[17] Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé comprend
une
étape de validation permettant d'exclure une vitesse estimée aberrante ou non
conforme.
[18] Selon un autre aspect de la présente invention, lorsque les signaux
GNSS
sont détectés comme étant non fiables, la durée pendant laquelle les signaux
GNSS sont considérés comme non fiables est mesurée et mise en mémoire
pendant un temps prédéterminé, cette durée étant utilisée pour déterminer
l'erreur associée à la mesure de vitesse du véhicule ferroviaire.
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[19] Selon un autre aspect de la présente invention, la fréquence de
réalisation
de l'estimation est supérieure à la fréquence de réception des signaux GNSS.
[20] La présente invention concerne également une centrale inertielle pour
véhicule ferroviaire comprenant:
- un accéléromètre configure pour réaliser des mesures d'accélération selon
trois
axes orthogonaux,
- un gyromètre configure pour réaliser des mesures angulaires selon trois
axes
orthogonaux,
- un module de réception de signaux GNSS associés à un système de
navigation
par satellite,
- une unité de traitement configurée pour :
- analyser les signaux GNSS reçus et pour déterminer la fiabilité desdits
signaux
GNSS,
- récupérer les mesures réalisées par l'accéléromètre et le gyromètre,
- appliquer un estimateur d'état pour estimer un vecteur d'état comprenant des
composantes associées à la vitesse du véhicule ferroviaire, à l'attitude du
véhicule ferroviaire et aux erreurs de biais des mesures angulaires et
d'accélération à partir des mesures récupérées,
- corriger l'estimation du vecteur d'état à partir du signal GNSS en
fonction de
la fiabilité déterminée dudit signal GNSS,
- extraire la vitesse du véhicule ferroviaire et de l'erreur associée à
ladite vitesse
du véhicule ferroviaire à partir du vecteur d'état corrigé.
[21] Selon un autre aspect de la présente invention, la centrale inertielle
comprend
également, après l'étape de correction de l'estimation du vecteur d'état, une
étape de détermination de l'erreur de vitesse à partir des covariances
d'erreurs
des états de l'estimateur d'état et des valeurs de la fiabilité du signal GNSS
sur
une période prédéterminée précédant l'étape de détermination.
[22] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus
clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple
illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
[23] [Fig.1] représente une vue de dessus d'un véhicule ferroviaire comprenant
une
centrale inertielle;
[24] [Fig.2] représente un schéma d'une centrale inertielle selon la présente
invention;
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[25] [Fig.3a] représente une vue de côté d'un véhicule ferroviaire comprenant
une
centrale inertielle et une antenne GNSS;
[26] [Fig.3b] représente une vue de face d'un véhicule ferroviaire comprenant
une
centrale inertielle et une antenne GNSS;
5 [27] [Fig.4] représente une vue schématique en perspective d'un
véhicule
ferroviaire et des différents repères utilisés ;
[28] [Fig.5] représente un organigramme des étapes d'un procédé d'estimation
d'une vitesse d'un véhicule ferroviaire;
[29] [Fig.6] représente un organigramme des différentes sous étapes de
l'application d'un estimateur d'état du procédé de la figure 5 ;
[30] Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.
[31] Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se
réfère
à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement
que
chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les
caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De
simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également
être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
[32] Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou
paramètres,
comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier
paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère,
etc.
Dans ce cas, il s'agit d'un simple indexage pour différencier et dénommer des
éléments ou paramètres ou critères proches, mais non identiques. Cette
indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ou critère par
rapport à un autre et on peut aisément inter-changer de telles dénominations
sans
sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n'implique pas
non
plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tel critère.
[33] La présente invention concerne une centrale inertielle pour véhicule
ferroviaire. Par véhicule ferroviaire, on entend ici tout véhicule se
déplaçant sur
un ou plusieurs rail(s) de guidage. La figure 1 représente un exemple d'un
véhicule ferroviaire 100, par exemple un train comprenant une locomotive et
plusieurs wagons, deux wagons dans l'exemple de la figure 1 circulant sur des
rails et comprenant une centrale inertielle 1 selon la présente invention.
Cependant, l'invention ne se limite à cette configuration de véhicule
ferroviaire
100, notamment un nombre de wagons différent peut être utilisé. Cependant,
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dans le cadre de l'invention, le véhicule ferroviaire 100 concerne la
locomotive
comprenant la centrale inertielle 1 puisque la position des wagons dépend
directement de la position de la locomotive. Un trièdre X, Y, Z lié au
véhicule
ferroviaire 100 est également représenté sur la figure 1. L'axe X correspond à
l'axe d'avancement du véhicule ferroviaire 100, l'axe Z correspond à la
direction verticale lorsque le véhicule ferroviaire 100 est sur des rails
horizontaux et l'axe Y complète le trièdre et peuvent être associés à des axes
de
roulis, lacet et tangage du véhicule ferroviaire 100.
[34] La figure 2 représente un schéma de la centrale inertielle 1 selon un
exemple
de réalisation de la présente invention. Un trièdre X', Y', Z' lié à la
centrale
inertielle 1 est représenté sur la figure 2.
[35] La centrale inertielle 1 comprend un accéléromètre 3 configure pour
réaliser
des mesures d'accélération selon trois axes orthogonaux correspondant aux
trois
axes X', Y' et Z' du trièdre lié à la centrale inertielle 1. Les mesures sont
par
exemple réalisées par trois accéléromètres notés 3x, 3y et 3z orientés
respectivement selon les trois axes X', Y' et Z'.
[36] La centrale inertielle 1 comprend également un gyromètre 5 configure pour
réaliser des mesures de vitesse angulaire selon trois axes orthogonaux
correspondant aux trois axes X', Y' et Z' du trièdre lié à la centrale
inertielle.
Les mesures sont par exemple réalisées par trois gyromètres notés 5x, 5y et 5z
orientés respectivement selon les trois axes X', Y' et Z'.
[37] La centrale inertielle 1 comprend aussi un module 7 de réception de
signaux
Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites GNSS associés à
un système de navigation par satellite. En pratique, le module GNSS 7 peut
être
positionné au moins en partie en dehors de la centrale inertielle 1 et
notamment
l'antenne GNSS 70 peut être positionnée en partie haute du véhicule
ferroviaire
100 pour favoriser une bonne réception des signaux GNSS comme représenté
sur les figures 3a et 3b. L'antenne GNSS 70 est alors connectée au module
GNSS de la centrale inertielle 1 via une connexion filaire ou non filaire.
[38] Le module GNSS 7 est ainsi configure pour recevoir des signaux issus de
satellites permettant de déterminer la position et la vitesse de déplacement
de
l'antenne GNSS 70. L'antenne GNSS 70 est par exemple configurée pour
transmettre et recevoir des ondes électromagnétiques dans une plage de
fréquence prédéterminée. Les informations de position et de vitesse sont par
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exemple obtenues par triangulation à partir des signaux échangés avec quatre
satellites. Les signaux GNSS issus des satellites sont reçus à une première
fréquence prédéterminée, par exemple 5Hz.
[39] La centrale inertielle 1 comprend également une unité de traitement 9.
L'unité
de traitement 9 comprend par exemple un microcontrôleur ou un
microprocesseur associé à une mémoire de type ROM ou RAM.
[40] L'unité de traitement 9 est configurée pour analyser les signaux GNSS
reçus
par le module GNSS 7 et pour déterminer la fiabilité desdits signaux GNSS. Le
signal GNSS comprend par exemple le nombre de satellites pour lesquels un
signal est reçu, la position de ces satellites, aussi appelée DOP (Dilution Of
Precision en anglais), ou la présence de signaux réfléchis aussi appelé
multipath signal en anglais qui sont analysés par l'unité de traitement 9. En
fonction des résultats de cette analyse et de la fiabilité estimée des signaux
GNSS reçus, les signaux GNSS seront pris en compte ou non dans l'estimation
de vitesse faite par la centrale inertielle 1. De plus, si les signaux GNSS
sont
considérés comme étant non fiables suite à l'analyse du signal GNSS reçu, un
compteur de temps ou timer en anglais est déclenché pour mesurer la durée
pendant laquelle les signaux GNSS sont considérés comme non fiables. Cette
durée est mise en mémoire pendant un temps prédéterminé. Les temps pendant
lesquelles les signaux GNSS ont été considérés comme non fiables durant le
temps prédéterminé précédant l'estimation sont alors pris en compte dans
l'estimation d'une erreur associée à la mesure de vitesse du véhicule
ferroviaire
qui sera mieux décrite dans la suite de la description.
[41] L'unité de traitement 9 est également configurée pour récupérer les
mesures
d'accélération et de vitesses angulaires réalisées par l'accéléromètre 3 et le
gyromètre 5.
[42] A partir des mesures fournies par l'accéléromètre 3 et le gyromètre 5,
l'unité
de traitement 9 est configurée pour appliquer un estimateur d'état pour
estimer
un vecteur d'état comprenant des composantes associées à la vitesse du
véhicule
ferroviaire 100, à l'attitude du véhicule ferroviaire 100 (c'est-à-dire à son
orientation donnée par les angles de roulis, tangage et lacet) et aux erreurs
de
biais des mesures angulaires et d'accélération à partir des mesures
récupérées.
L'unité de traitement 9 est également configurée pour corriger l'estimation du
vecteur d'état à partir du signal GNSS si le signal GNSS fourni est considéré
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comme suffisamment fiable afin d'extraire la vitesse du véhicule ferroviaire
100
et de l'erreur associée à ladite vitesse du véhicule ferroviaire 100 à partir
du
vecteur d'état corrigé. L'estimation du vecteur d'état est par exemple
réalisée par
un filtre de Kalman et notamment un filtre de Kalman étendu. Ce filtrage
permet
de fusionner les mesures issues de l'accéléromètre 3, du gyromètre 5 et
potentiellement du module GNSS 7 si la fiabilité est suffisante. Ce filtrage
peut
également permettre de déterminer une erreur associée à la vitesse estimée du
véhicule ferroviaire100 à partir des covariances d'erreurs des états fournies
par
le filtre de Kalman.
[43] L'application de l'estimateur d'état est réalisée de manière récursive à
une
deuxième fréquence prédéterminée qui peut être supérieure à la première
fréquence prédéterminée, par exemple supérieure à deux fois la première
fréquence prédéterminée, par exemple 50Hz (soit 10 fois la première fréquence
prédéterminée).
[44] L'unité de traitement 9 est également configurée pour prendre en compte
les
contraintes liées au déplacement du véhicule ferroviaire 100 dans l'estimateur
d'état comme la contrainte liée à une vitesse nulle sur les axes transversaux
du
véhicule ferroviaire 100 au niveau de son centre de rotation noté CR sur les
figures 3a et 3b qui représentent des vues de côté et de face d'un véhicule
ferroviaire 100 comprenant une centrale inertielle 1 et un module GNSS 7
déporté. La prise en compte de ces contraintes permet ainsi d'augmenter
l'observabilité du système en augmentant le nombre de mesures, sans augmenter
le nombre de capteurs autrement dit le coût du dispositif
[45] L'unité de traitement 9 comprend également une fonction d'auto-test dans
laquelle les valeurs aberrantes obtenues par l'estimateur d'état sont rejetées
comme par exemple une vitesse supérieure à la vitesse maximale du véhicule
ferroviaire 100 ou un écart de vitesse trop important entre deux estimations
successives (l'écart maximal peut être dissymétrique en fonction de la
puissance
maximale d'accélération et de freinage) ou un roulis ou un tangage trop
important qui ne correspondrait pas avec les topologies des voies ferrées
généralement rencontrées.
[46] L'unité de traitement 9 est également configurée pour détecter et
corriger un
écart d'alignement entre le repère X'Y'Z' associé à la centrale inertielle 1
et le
repère XYZ associé au véhicule ferroviaire 100 de manière à fournir un auto-
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alignement permanent. Cet auto-alignement est obtenu grâce à l'estimation par
l'estimateur d'état de l'écart d'alignement entre le repère X'Y'Z' lié à la
centrale
inertielle 1 et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 de manière
récursive
au cours du temps. Cet auto-alignement permet de pouvoir positionner la
centrale inertielle 1 à n'importe quel emplacement du véhicule ferroviaire 100
et
pas nécessairement au centre de rotation CR du véhicule ferroviaire 100.
[47] De plus, l'unité de traitement 9 peut être configurée pour sauvegarder la
valeur
estimée de l'écart d'alignement, aussi appelé mésalignement, entre le repère
X'Y'Z' associé à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ associée au
véhicule
ferroviaire 100 dans une mémoire interne ou une mémoire de la centrale
inertielle 1. Cette sauvegarde permet d'avoir une valeur de départ en cas de
réinitialisation de l'estimateur d'état, notamment lors d'une mise sous
tension
suite à une mise hors tension de la centrale inertielle 1.
[48] Ainsi, l'utilisation d'une centrale inertielle 1 configurée pour
fusionner des
mesures triaxes d'accélération fournis par des accéléromètres 3, des mesures
triaxes de vitesse de rotation fournis par des gyromètres 5 et des données
GNSS
fournies par un module GNSS 7 et pour estimer la fiabilité des données GNSS et
l'écart d'alignement entre l'orientation des capteurs et l'orientation du
véhicule
ferroviaire 100 permet de fournir une estimation fiable de la vitesse d'un
véhicule ferroviaire 100 ainsi que l'estimation de l'erreur liée à cette
vitesse.
[49] La présente invention concerne également un procédé d'estimation d'une
vitesse d'un véhicule ferroviaire 100 lors du déplacement du véhicule
ferroviaire
100 le long d'une voie ferrée. Le véhicule ferroviaire 100 est notamment
équipé
d'une centrale inertielle 1 telle que décrite précédemment.
[50] Les différentes étapes du procédé vont être décrites à partir des étapes
de
l'organigramme de la figure 5. Certaines des étapes présentées peuvent être
optionnelles et l'ordre des étapes peut être différent de l'ordre présenté.
[51] La première étape 101 concerne une étape préliminaire d'initialisation
réalisée
en statique au démarrage du véhicule ferroviaire 100. Cette étape 101 aune
durée limitée, par exemple 15 secondes, et permet de faire une initialisation
des
capteurs afin de pourvoir déterminer ultérieurement en particulier le sens de
déplacement du véhicule ferroviaire 100 (marche avant ou marche arrière).
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[52] La deuxième étape 102 concerne une deuxième étape préliminaire de mise à
jour des différents compteurs aussi appelés timers permettant de suivre
l'évolution du temps.
[53] La troisième étape 103 concerne l'application de l'estimateur d'état
permettant
5 de déterminer la vitesse du véhicule ferroviaire 100 et
l'incertitude ou erreur
associée à cette vitesse. Cette troisième étape 103 comprend de nombreuses
sous-étapes qui vont être décrites en détail dans la suite de la description.
[54] La quatrième étape 104 concerne la récupération de la valeur du
mésalignement entre le repère lié à la centrale inertielle 1 et le repère lié
au
10 véhicule ferroviaire 100 estimée lors de l'étape 103 et son
enregistrement dans
une mémoire, par exemple une mémoire de type flash. Cette valeur enregistrée
sera lue lors de la mise sous tension de la centrale inertielle 1 afin de
repartir de
la dernière estimation effectuée avant la mise hors tension de la centrale
inertielle 1. Cet enregistrement permet d'obtenir une convergence rapide de la
valeur du mésalignement qui peut prendre plusieurs heures pour converger en
l'absence de valeur initiale et permet d'avoir une estimation de vitesse
précise
dès la mise sous tension de la centrale inertielle 1.
[55] La cinquième étape 105 concerne la fourniture des données de sortie et en
particulier la vitesse du véhicule ferroviaire 100 et l'incertitude associée
estimées lors de l'étape 103. En fonction des besoins du client, d'autres
données
estimées lors de l'étape 103 peuvent également être extraites et fournies. La
fourniture correspond par exemple à l'envoi d'un signal de données vers le
poste
de pilotage du véhicule ferroviaire 100.
[56] Les détails de l'étape 103 vont maintenant être décrits en détails à
partir de
l'organigramme de la figure 6.
[57] La première sous-étape 1031 concerne l'analyse du signal GNSS reçu par le
module GNSS 7 afin de déterminer si la fiabilité du signal GNSS est suffisante
pour pouvoir être prise en compte dans la détermination de la vitesse du
véhicule
ferroviaire 100. Cette analyse prend en compte le nombre de satellites dont
les
signaux sont reçus, la position des satellites, appelée DOP (Dilution Of
Precision) en anglais, dont le signal est reçu ou le fait que le signal reçu a
été
réfléchi notamment sur les reliefs situés autour du véhicule ferroviaire 100,
phénomène aussi appelé multipath en anglais. L'ensemble de ces paramètres
est pris en compte pour déterminer une fiabilité du signal GNSS fourni. Cette
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fiabilité déterminée peut être comparée à un seuil prédéterminé. Si la
fiabilité
déterminée est inférieure au seuil prédéterminé, le signal GNSS n'est pas pris
en
compte dans l'estimation de la vitesse du véhicule ferroviaire 100 et seules
les
mesures des accéléromètres et des gyromètres sont alors utilisées. Si la
fiabilité
déterminée est supérieure au seuil prédéterminé, le signal GNSS est pris en
compte pour être fusionné avec les mesures des accéléromètres 3 et des
gyromètres 5 dans l'estimation de la vitesse du véhicule ferroviaire 100. Les
signaux GNSS permettent d'estimer la vitesse du véhicule ferroviaire 100 ainsi
qu'une erreur à cette vitesse.
[58] La deuxième sous-étape 1032 concerne l'analyse du mouvement et des
vibrations du véhicule ferroviaire 100 à partir des accéléromètres 3 et des
gyromètres 5 pour déterminer si le véhicule ferroviaire 100 est à l'arrêt ou
en
mouvement ainsi que le sens de déplacement du véhicule ferroviaire 100
(marche avant ou marche arrière). Cela permet notamment d'arrêter l'estimation
lorsque le véhicule ferroviaire 100 est à l'arrêt et qu'aucun signal GNSS
n'est
reçu, par exemple dans le cas d'un arrêt dans une gare souterraine. L'arrêt de
l'estimation dans ces cas permet d'éviter une instabilité de l'estimateur
d'état
qui pourrait conduire à des estimations erronées.
[59] La troisième sous-étape 1033 concerne la mesure de la ou des durée(s)
lorsque
le signal GNSS n'est pas fiable. La ou les durées pendant lesquelles le signal
GNSS a été jugé non fiable pendant un intervalle de temps prédéterminé sont
mises en mémoire et utilisées pour calculer l'incertitude associée à la
vitesse du
véhicule ferroviaire 100. L'intervalle de temps prédéterminé correspond par
exemple à quelques minutes ou dizaines de minutes. En effet, lorsque le signal
GNSS n'est pas pris en compte, l'estimation de vitesse est réalisée seulement
à
partir des mesures inertielles, c'est-à-dire des mesures des accéléromètres 3
et
des gyromètres 5, de sorte que l'incertitude associée à l'estimation de la
vitesse
du véhicule ferroviaire 100 augmente au cours du temps jusqu'à ce que le
signal
GNSS soit à nouveau fiable. En cas d'alternance de signal GNSS jugé fiable et
non fiable, il est nécessaire de connaître l'historique de la fiabilité du
signal
GNSS au cours des instants précédents voire des minutes précédentes afin de
prendre en compte ces instabilités du signal GNSS dans le calcul de
l'incertitude
de la vitesse du véhicule ferroviaire 100.
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[60] La quatrième sous-étape 1034 concerne la détection d'une anomalie lors du
calcul de l'estimateur d'état correspondant par exemple à une saturation ou un
dysfonctionnement de l'unité de traitement 9. Dans le cas d'une détection
d'une
anomalie, l'estimateur sera réinitialisé au prochain arrêt du véhicule
ferroviaire
100 détecté à la sous-étape 1032.
[61] La cinquième sous-étape 1035 concerne la mise à jour de l'estimateur
d'état à
partir des dernières mesures et éventuellement du signal GNSS si sa fiabilité
est
suffisante.
[62] Pour cela, un vecteur d'état E à 15 composantes est défini :
[63] E = [vxt ivyt
iv, 101611tplbg,lbgylbg,lbõlbaylbõlalpler
[64] avec Võt la vitesse selon l'axe X, Vyt la vitesse selon l'axe Y, Vzt la
vitesse selon
l'axe Z, cf, l'angle de roulis entre le repère lié au véhicule ferroviaire 100
et le
repère de navigation, 61 l'angle de tangage entre le repère lié au véhicule
ferroviaire 100 et le repère de navigation, tp l'angle de lacet entre le
repère lié
au véhicule ferroviaire 100 et le repère de navigation, b9, le biais du
gyromètre
5 lié à l'axe X', b9y le biais du gyromètre 5 lié à l'axe Y', b9, le biais du
gyromètre 5 lié à l'axe Z', a une pseudo-coordonnée de latitude de l'axe du
mésalignement entre le repère X'Y'Z' lié à la centrale inertielle et le repère
XYZ
lié au véhicule ferroviaire 100 (utilisation d'un formalisme pseudo
quaternion),
16' une pseudo-coordonnée de longitude de l'axe du mésalignement entre le
repère X'Y'Z' lié à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ lié au véhicule
ferroviaire 100 (utilisation d'un formalisme pseudo quaternion) et 0 l'angle
du
mésalignement entre le repère X'Y'Z' lié à la centrale inertielle 1 et le
repère
XYZ lié au véhicule ferroviaire 100.
[65] On définit également un vecteur d'observation 0 à cinq composantes :
[66] C) = [Võn I Vyn I Vzn I Vyt I WiT
[67] avec Võ12 la mesure de vitesse fournie par le module GNSS 7 selon l'axe
Xn du
repère de navigation (dont l'origine correspond à l'emplacement de l'antenne
70
du module GNSS 7), Vyn la mesure de vitesse fournie par le module GNSS 7
selon l'axe Yn du repère de navigation (dont l'origine correspond à
l'emplacement de l'antenne 70 du module GNSS 7), Vzn la mesure de vitesse
fournie par le module GNSS 7 selon l'axe Zn du repère de navigation (dont
l'origine correspond à l'emplacement de l'antenne 70 du module GNSS), Vyt la
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mesure de vitesse selon l'axe Y du repère lié au véhicule ferroviaire 100 et
Vzt la
mesure de vitesse selon l'axe Z du repère lié au véhicule ferroviaire 100
(dont
l'origine est au centre de rotation CR du véhicule ferroviaire 100).
[68] La prédiction à l'instant k+1 est définie par
[69] 0(k + 1) = f (0 (k))
[70] avec f le modèle non linéaire de prédiction défini par:
{V t (k) * dt + 01:3(k),
îi (k)
atan ( 3:2
kti'3: 3(k) '
[71] 01:15(1 + 1) = ¨ as in (e3:,(k)) ,
ktl atan2 ( 2:1(k)
111:1 (k)) '
07: 15 (k),
[72] Vt le vecteur de variation de vitesses du véhicule ferroviaire 100
exprimé dans
le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, dt le temps d'échantillonage,
Rit'
la matrice de rotation entre le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et
le
repère de navigation XnYnZn et ej la prédiction de la matrice de rotation
entre
le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et la repère de navigation
XnYnZn
en fonction de contb et défini par:
[73] kt2 = Rit' (k) * (13 + S[ont b(k) * dt])
[74] avec /3 la matrice identité de dimension 3*3, S[x] la forme
antisymétrique du
vecteur x et contb le vecteur de vitesses angulaires du repère de navigation
XnYnZn par rapport au repère X'Y'Z' lié à la centrale inertielle 1 exprimé
dans
le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, soit les vitesses angulaires
liées au
mouvement du véhicule ferroviaire 100.
[75] On définit alors la relation suivante :
[76] w nt b(k) = wit,b(k) _ (ore (k) _ w( k)
[77] avec witt, le vecteur de vitesses angulaires du repère inertiel XiYiZi
(décrit ci-
dessous) par rapport X'Y'Z' lié à la centrale inertielle 100, coite le vecteur
de
vitesses angulaires du repère inertiel XiYiZi par rapport au repère terrestre
XtYtZt (décrit ci-dessous), exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule
ferroviaire 100, soit la vitesse de rotation de la terre et wetn le vecteur de
vitesses
angulaires du repère terrestre par rapport au repère de navigation XnYnZn,
exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, soit la vitesse de
rotation liée à la courbure de la terre.
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[78] Le repère inertiel XiYiZi correspond à un repère absolu dont l'origine
est le
centre de la terre mais qui ne suit pas la rotation de la terre. Ses axes
pointent
vers des étoiles suffisamment lointaines pour sembler fixes par rapport au
centre
de la terre. L'axe Xi pointe vers le Vernal Equinox, l'axe Zi est parallèle à
l'axe
de rotation de la terre et l'Axe Yi est orthogonal à Xi et Zi pour compléter
le
trièdre XiYiZi. L'utilisation du repère inertiel est nécessaire du fait que la
rotation de la terre (par rapport au repère inertiel) est mesurée par les
gyromètres
5 et doit donc être prise en compte pour l'estimation de la vitesse du
véhicule
ferroviaire 100.
[79] Le repère terrestre XtYtZt a pour origine le centre de la terre, l'axe Zt
est
parallèle à l'axe de rotation de la terre, l'axe Xt pointe vers le méridien de
Greenwich (longitude=0) et l'axe Yt est orthogonal à Xt et Zt pour compléter
le
trièdre XtYtZt.
[80] Les mesures des gyromètres 5 peuvent être définies par:
[81] witt, (k) = (k) * Measgyõ (k) ¨ X7:9(k)
[82] avec K(k) la matrice de rotation entre le repère X'Y'Z' lié à la centrale
inertielle et le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et Measgyõ le
vecteur
de mesure des gyromètres 5 dans le repère X'Y'Z' lié à la centrale inertielle
1.
[83] On définit alors Vt par la relation suivante :
[84] Vt (k) = f t (k) ¨ fct (k) ¨ fgt (k)
[85] avec f t le vecteur de la force spécifique mesurée par les accéléromètres
3
exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire, e le vecteur de la
force
de Coriolis exprimé dans le repère XYZ lié au véhicule ferroviaire 100 et fi
le
vecteur de la force gravitationnelle exprimé dans le repère XYZ lié au
véhicule
ferroviaire 100.
[86] Les mesures des accéléromètres 3 peuvent être définies par:
[87] f t (k) = K(k) * M e as aõ(k) ¨ X10:12 (k)
[88] avec Measaõ le vecteur de mesures des accéléromètres 3 dans le repère XYZ
lié au véhicule ferroviaire 100.
[89] Afin d'établir une relation entre les paramètres d'état estimés et les
mesures
d'observation réalisées par le module GNSS 7 et les vitesses liées au centre
de
rotation CR du véhicule ferroviaire 100, on définit un modèle de correction h
utilisé dans le filtre Kalman permettant de transformer, c'est-à-dire changer
de
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repère et transposer, c'est-à-dire changer d'origine, les vitesses estimées
par le
filtre de Kalman pour l'instant suivant et les comparer avec les vitesses
mesurées à cet instant suivant.
[90] Y(k) = h(X(k))
5 [91] Le modèle correction h est un modèle non linéaire défini par:
Rij(k) * (X1:3(k) + S[ont b(k)] * Limu2gnss)
[92] Y1:5(k) = X 2(k) + S2:[0 nt b(k)] * Limu2rot
X3 (k) + 3: S [Witbt (k)] * Limu2rot
[93] avec Rit' la matrice de rotation entre le repère XYZ lié au véhicule
ferroviaire
100 et le repère de navigation XnYnZn, S[x] la forme antisymétrique du vecteur
X et wntb le vecteur de vitesses angulaires du repère de navigation XnYnZn par
10 rapport au repère X'Y'Z' lié à la centrale inertielle 1 exprimé dans
le repère
XYZ lié au véhicule ferroviaire 100, soit les vitesses angulaires liées au
mouvement du véhicule ferroviaire 100.
[94] Ainsi, la mise à jour de l'estimateur d'état comprend une phase de
prédiction
dans laquelle on prédit les états du système (vitesse du véhicule ferroviaire
100
15 notamment) et les incertitudes associées à partir des mesures
inertielles, c'est-à-
dire des mesures des accéléromètres 3 et des gyromètres 5 puis une phase de
correction dans laquelle on corrige l'estimation des états du système grâce à
un
modèle de correction basé sur les équations liées à l'application ferroviaire
et sur
les données issues du module GNSS 7.
[95] La sixième sous-étape 1036 concerne l'évaluation d'un intervalle de
confiance
de l'estimation de vitesse réalisé à la sous-étape 1035.
[96] Le but de cette évaluation est d'assurer que la vitesse estimée associée
à son
intervalle de confiance remplit bien des critères de performances et de
sécurité
imposés par les normes ferroviaires, par exemple que l'erreur entre la vitesse
réelle et la vitesse estimée est comprise dans l'intervalle de confiance 99,99
%
du temps ou que l'intervalle de confiance est inférieur à une valeur imposée
par
la norme ferroviaire dans 99.9 % du temps.
[97] Cet intervalle de confiance peut être déterminé à partir de l'incertitude
estimée
par le filtre de Kalman. Alternativement, cet intervalle de confiance peut
être
déterminé empiriquement à partir d'un nombre important de mesures réalisées
dans divers configurations. Une courbe, par exemple un polynôme, peut être
obtenu à partir d'une régression polynomiale appliquée sur l'ensemble des
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mesures. De plus, dans les deux cas, des coefficients de pondération peuvent
être
appliqués en fonction de certains critères comme le fait que la convergence du
mésalignement est obtenue au moment de l'estimation ou pas.
[98] Selon un mode de réalisation particulier, la méthode de détermination
utilise la
valeur estimée par le filtre de Kalman dans certaines conditions, par exemple
lorsque les signaux issus du module GNSS 7 sont fiables et une valeur obtenue
empiriquement lorsque les signaux issus du module GNSS 7 ne sont pas fiables.
Des coefficients de pondération peuvent également être appliqués dans ce mode
de réalisation.
[99] La septième sous-étape 1037 concerne la validation des estimations (états
(dont la vitesse), incertitudes, intervalle de confiance de la vitesse). Pour
cela
différents tests sont réalisés. La dynamique estimée est par exemple comparée
à
la dynamique théorique d'un véhicule ferroviaire 100. Les estimations
d'erreurs
des capteurs (accéléromètres 3 et gyromètres 5) peuvent également être
comparées aux incertitudes connues de ces mêmes capteurs.
[100] La huitième sous-étape 1038 concerne la mise à jour du mésalignement
estimé
entre le repère X'Y'Z' lié à la centrale inertielle 1 et le repère XYZ lié au
véhicule ferroviaire 100 ainsi que le calcul de son incertitude.
[101] Ainsi, l'utilisation d'une centrale inertielle 1 fournissant des mesures
d'accélérations et de vitesses angulaires tridimensionnelles couplées à un
module GNSS et l'utilisation d'un estimateur permettant de fusionner les
mesures issues des capteurs inertiels et du module GNSS 7 lorsque le signal
GNSS est assez fiable permettent d'obtenir une estimation de la vitesse d'un
véhicule ferroviaire 100 et de l'erreur associée à cette vitesse estimée. De
plus,
la détermination d'un intervalle de confiance lié à l'estimation de vitesse
permet
d'assurer que la mesure effectuée respecte les normes ferroviaires. Enfin, la
détermination d'un mésalignement entre le repère lié à la centrale inertielle
1 et
le repère lié au véhicule ferroviaire 100 permet de pouvoir positionner la
centrale inertielle 1 dans n'importe quel emplacement du véhicule ferroviaire
100.
