WO2008040658A1 - Procede et dispositif de surveillance de l'integrite des informations delivrees par un systeme hybride ins/gnss - Google Patents

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satellite
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Jacques Coatantiec
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Thales SA
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Thales SA
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    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/20—Integrity monitoring, fault detection or fault isolation of space segment

Definitions

  • the invention relates to monitoring the integrity of position and speed information derived from hybridization between an inertial unit and a satellite positioning receiver.
  • the invention relates more specifically to a navigation equipment known in the art as the system INS / GNSS (of the Anglo-Saxon "Inertial Navigation System” and "Global Navigation Satellite System”) hybrid closed-loop.
  • An inertial unit consists of a set of inertial sensors (gyrometric sensors and accelerometric sensors) associated with a processing electronics.
  • a computing platform called PFV virtual platform, then delivers the carrier speed and position information in a precise reference frame (often referred to as TGL, Local Geographic Trihedron).
  • TGL Local Geographic Trihedron
  • the PFV virtual platform allows the projection and integration of data from inertial sensors.
  • the inertial unit provides accurate information in the short term but drifting in the long term (under the influence of sensor faults).
  • the control of sensor faults represents a very important proportion of the cost of the inertial unit.
  • a satellite positioning receiver provides position and speed information of the wearer by triangulation from the signals transmitted by the wearer's visible traveling satellites. The information provided may be temporarily unavailable because the receiver must have in direct view a minimum of four satellites of the positioning system in order 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 based on the reception of very low level signals from distant satellites having a low transmission power.
  • RAIM Receiveiver Autonomous Integrity Monitoring
  • Hybridization involves mathematically combining the position and speed information provided by the inertial unit and the measurements provided by the satellite positioning receiver to obtain position and speed information by taking advantage of both systems.
  • the precision of the measurements provided by the GNSS system makes it possible to control the inertial drift and the low noise inertial measurements make it possible to filter the noise on the measurements of the GNSS receiver. This combination is very often using the Kalman filtering technique.
  • Kalman filtering is based on the possibilities of revolution modeling of the state of a physical system considered in its environment, by means of a so-called “evolution” equation (a priori estimation), and of modeling of the relation of dependence existing between the states of the physical system considered and the measurements of an external sensor, by means of an equation called “of observation” to allow a registration of the states of the filter (estimate a posteriori).
  • the actual measurement or "measurement vector” makes it possible to make a posteriori estimate of the state of the system that is optimal in the sense that it minimizes the impact of the error made on this estimate.
  • the estimator portion of the filter generates posterior estimates of the system state vector using the difference found between the actual measurement vector and its prediction a priori to generate a corrective term, called innovation.
  • This innovation after a multiplication by a gain vector of the Kalman filter, is applied to the prior estimate of the state vector of the system and leads to obtaining the optimal estimate a posteriori.
  • the Kalman filter receives the position and speed points provided by the inertial unit and the positioning measurements provided by the satellite positioning receiver, models the evolution of the errors of the inertial unit and delivers the posterior estimate of these errors which serves to correct the positioning point and speed of the inertial unit.
  • the estimation of position and velocity errors due to inertial sensor faults occurring at the output of the PFV virtual platform of the inertial unit is performed by the Kalman filter.
  • the correction of the errors by means of their estimation made by the Kalman filter can then be done at the input of the virtual platform PFV (architecture in closed loop) or in exit (architecture in open loop).
  • PFV architecture in closed loop
  • exit architecture in open loop
  • the defects of the sensors of the inertial unit, gyrometers, accelerometers, and barometric module (we speak in this case of baro-inertial unit), are not too important, it is not necessary to apply the corrections in input of the virtual platform PFV: the modeling of the system (linearization of the equations governing the evolution of the system), within the filter remains valid.
  • the posterior estimate of the errors of the inertial unit calculated in the Kalman filter is used only for the elaboration of optimal estimates of the position and the speed of the carrier by subtracting from the position and speed information provided by the central unit. inertial their respective estimates calculated by the Kalman filter.
  • the hybridization is then called an open loop, and in this case, the hybridization has no influence on the calculations made by the virtual platform PFV.
  • Hybridization can also be done by observing GNSS information of different natures. Let us consider the position and the speed of the carrier solved by the GNSS receiver: we then speak of hybridization or hybridization in geographic axes, or we consider the information extracted upstream by the GNSS receiver that are pseudo-distances and pseudo -speeds (quantities directly derived from the measurement of the propagation time and the Doppler effect of the signals emitted by the satellites towards the receiver): this is known as tight hybridization or in satellite axes.
  • the protection radius corresponds to a maximum position error for a given probability of occurrence of error. That is, the probability that the position error exceeds the advertised protection radius without an alarm being sent to a navigation system is less than this given probability value.
  • the calculation is based on two types of error which are on the one hand the normal measurement errors and on the other hand the errors caused by a malfunction of the satellite constellation, for example a failure of a satellite.
  • the value of the protection radius of a positioning system is a key value specified by ordering parties wishing to acquire a positioning system. Evaluation of the value of the protection radius generally results from probability calculations using the statistical precision characteristics of GNSS measurements and the behavior of inertial sensors. These calculations are formally explicit and allow simulations for all cases of GNSS constellation, for all possible positions of the positioning system on the Earth and for the set of possible trajectories followed by the system. positioning. The results of these simulations make it possible to provide the customer with protection radius characteristics guaranteed by the proposed positioning system. Most often these features are expressed as a protection radius value for 100% uptime or downtime for a required protection radius value.
  • the present invention overcomes the disadvantages of the known solutions presented above. It aims to improve the accuracy of position measurement by using hybrid corrections delivered by a Kalman filter receiving signals from all visible satellites being tracked.
  • the subject of the invention is a hybrid system comprising:
  • a BARO barometric module delivering measurements of barometric altitude MBA; an UMI inertial measurement unit, delivering angle increments ⁇ and speed increments ⁇ V;
  • a virtual platform PFV 60 receiving the angle increments ⁇ , the speed increments ⁇ V, and producing PPVI inertial positioning and speed points respectively constituting a hybrid position and a hybrid speed;
  • a GNSS satellite positioning receiver 10 operating from a constellation of N visible satellites pursued, and producing raw measurements, MB 1 of the signals emitted by these satellites, i denoting a satellite index and being between 1 and NOT ;
  • an MKF hybridization Kalman filter 40 receiving the PPVI inertial positioning and velocity points, the MBA barometric altitude measurements, and the raw MB 1 measurements of the signals emitted by the N satellites, said filter delivering: a hybrid HYC correction comprising an estimate of a state vector VE corresponding to the errors of the hybrid system, obtained by observing the differences between the PPVI inertial positioning and speed points and the raw measurements MB 1 , and
  • a variance / change matrix, MHYP of the error made on the estimation of the state vector VE a bank of N secondary filters KSF 1 , 5O 1 each receiving the positioning and inertial speed points PPVI, the measurements of barometric altitude MBA, and the raw measurements MB 1 of the signals emitted by the satellites being tracked except the satellite of index i, said secondary filters KSF 1 delivering hybrid parameters SHYP 1 comprising: - an estimation of a state vector, EVE, corresponding to the errors of the hybrid system, calculated by observing differences between the positioning and inertial speed points PPVI and the raw measurements of the signals emitted by the tracked satellites except the i SPP 1 satellite, and - a secondary variance / covariance matrix P 1 of the error made on the estimation of the state vector EVE 1 ;
  • a calculation module CAL, 70 receiving the hybrid parameters SHYP 1 and the variance / covariance matrix, MHYP, said calculation module CAL, 70 determining a horizontal protection radius RT associated with the hybrid position, and when components of the estimation of the state vector EVE 1 relating to the position are greater than a detection threshold TH 1 , triggering an alarm on a failure of a secondary filter KSF 1 , and possibly identifying a defective satellite among the N visible satellites pursued, characterized in that the secondary filters KSF 1 and the virtual platform PFV additionally receive the hybrid correction HYC.
  • the invention also relates to a method for monitoring the integrity of hybrid positions delivered by a virtual platform PFV, 60 of a hybrid system according to one of the preceding claims, said method determining a horizontal protection radius RPT, said method being implemented by the calculation module CAL, 70 of the hybrid system, the determination of the horizontal protection radius RPT comprising the calculation steps:
  • RPHO and RP H i is based on a determination of a radius of a circle enveloping a confidence ellipse in a horizontal plane, and in that the confidence ellipse is determined from a variance / covervence matrix and a probability value sought.
  • FIG. 1 shows schematically a hybrid system, closed loop and tight hybridization, according to the state of the art
  • FIG. 2 schematically represents a hybrid closed loop and tight hybridization system, according to the invention
  • FIG. 3 represents a confidence ellipse and a circle enveloping the ellipse, the radius of the circle is used in the information integrity monitoring method according to the invention
  • FIG. 1 represents a hybrid system according to the prior art.
  • the hybrid system comprises;
  • a satellite positioning receiver GNSS, 10, receiving signals from a constellation of N visible satellites being tracked;
  • an UMI inertial measurement unit delivering angle increments ⁇ and speed increments ⁇ V;
  • a BARO barometric module 30, delivering measurements of barometric altitude MBA; a hybridization Kalman filter, MKF 40;
  • PFV a virtual platform, receiving the increments of angle ⁇ and the increments of speed ⁇ V;
  • the inertial measuring unit, UMI comprises unrepresented gyrometers and accelerometers: the increments of angle ⁇ are delivered by the gyrometers and the increments of speed ⁇ V are delivered by the accelerometers.
  • the virtual platform, PFV receives barometric altitude measurements, MBA.
  • the virtual platform, PFV produces inertial positioning and speed points, PPVI respectively constituting a hybrid position and a hybrid speed.
  • the barometric altitude measurements that are used by the platform, PFV to avoid a drift of the hybrid position along a vertical axis.
  • the satellite positioning receiver, GNSS delivers raw measurements, MB 1 of signals emitted by the satellites, i denoting a satellite index and being between 1 and N.
  • the Hybridization Kalman Filter, MKF receives a set of N raw measurements, MB 1 . This set of N raw measurements is rated MPPV.
  • the secondary Kalman filter KSF 1 receives the raw measurements MB 1 of N-1 signals.
  • the N-1 signals are produced by the pursued satellites except the satellite of index i. This set of raw MB 1 measurements of N-1 signals is rated SPP 1
  • the MKF hybridization filter seeks to estimate the errors made on the PPVI inertial positions, it produces:
  • a state vector VE corresponding to the errors of the hybrid system obtained by observing the differences between the PPVI inertial positioning and speed points and the corresponding raw measurements MB 1 ; a variance / covariance matrix, MHYP of the error made on the estimation of the state vector VE.
  • the secondary filters KSF 1 produce hybrid parameters SHYP 1 which comprise: an estimation of a state vector, EVE 1 corresponding to the errors of the hybrid system observing differences between the PPVI inertial positioning and speed points and the set of raw measurements SPP 1 and,
  • the hybrid system delivers a hybrid output SH composed of a difference between the inertial positions PPVI and the state vector VE.
  • the calculation module CAL receives the hybrid parameters SHYP 1 and the variance / covariance matrix, MHYP, and determines a value of protection radius RP T.
  • a protection radius is a very important measure in certain applications where it is essential to ensure the integrity of the data.
  • the protection radius RP of a measurement for a predetermined probability of non-integrity P n , is an upper bound of the difference between the calculated value and the real value of the measured quantity, such that has a probability lower than P n , that the actual value is distant from the calculated value by a distance greater than RP without triggering an alarm to a navigation system.
  • there is therefore a maximum probability P n so that the real value is outside a circle of radius RP around the value that has been measured or that there is a maximum probability P n , to be wrong in determining the radius of protection
  • This protection radius is calculated from the standard deviations of the variables considered. It applies to each component of the state vector, but in practice we are interested in position variables. More specifically, a vertical protection radius for altitude and a horizontal protection radius for longitude and latitude position can be calculated, these radii not necessarily having the same value and not being used in the same way.
  • the principle of calculating the horizontal protection radius is presented in the following:
  • the protection radius is usually a data item that is calculated and then compared to a HAL threshold set according to the application, exceeding the threshold generates an alert indicating either that the position measurement can not be considered sufficiently reliable or available in the context of the application
  • the calculation module CAL identifies the satellite of index i as faulty, the secondary filter KSF 1 is substituted for the hybridization filter MKF.
  • the protection radius RP H o is evaluated in the absence of a satellite failure, a hypothesis commonly referred to as H 0 .
  • failure is meant an abnormal situation where the satellite transmits signals which have the appearance of normal signals but which are abnormal and lead to position errors.
  • the protection radius RP H o is directly related to the vahance of the measured quantity and to the probability P n , that this error exceeds the protection radius.
  • the variance is the square of the standard deviation ⁇ related to the quantity measured.
  • the variance of the measured position is therefore the coefficient of the diagonal of the vahance / covariance matrix P which corresponds to the measured quantity.
  • the standard deviation ⁇ is the square root of this variance and is therefore deduced from the matrix P of the hybridization filter.
  • the protection radius RP H o is calculated from the coefficients of the variance / covariance matrix P as they appear at the measurement instant. If the satellite configuration changes, the protection radius value RP H o is updated at the same time. If a satellite disappears from the visible constellation, the protection radius RP H o deteriorates only gradually. If, on the contrary, a new satellite appears, the protection radius decreases instantaneously, which is very advantageous.
  • the receiver uses the well-known method known as the "separation maximum" for this purpose:
  • the receptor comprises an MKF hybridization Kalman filter which functions as described previously and N secondary filters, if N is the number of satellites that can be seen at the same time.
  • the N secondary filters operate in parallel with the Kalman MKF hybridization filter and following the same principle as the latter. But the secondary filter of rank i receives the signals of all the satellites except that coming from the satellite of rank i.
  • FIG. 2 represents a hybrid closed loop and tight hybridization system, according to the invention.
  • a first difference with the hybrid system of the prior art concerns the taking into account of the barometric MBA measurements by the hybrid system and the fact that the hybrid output of the system is equal to the PPVI inertial positions delivered by the virtual platform, PFV.
  • the barometric measurements MBA are received by the hybridization filter on the one hand, and by the secondary filters KSF 1 .
  • a second difference with the hybrid system of the prior art concerns the production by the hybridization filter MKF of a hybrid correction HYC which comprises an estimation of the state vector VE.
  • Hybrid HYC correction is delivered on the one hand to the virtual platform, and on the other hand to SKF 1 secondary filters.
  • the PPVI inertial positioning and velocity points produced by the PFV platform directly constitute the hybrid position and the hybrid velocity, and the value of the components of the EV and EVE 1 state vectors are close to zero.
  • a third difference concerns the method of calculating the protection radius by the calculation module CAL.
  • the calculation principle is based on an evaluation of a confidence ellipse.
  • X1 and X2 correspond to position errors expressed in latitude and longitude.
  • a domain of the plane X1, X2 corresponding to a value of joint probability density of X1 and X2 constant and equal to RO is an ellipse of equation: ⁇ l 2 ⁇ l ⁇ 2 ⁇ 2 2 2
  • a confidence ellipse is perfectly defined as soon as one sets a probability value sought Pb and that we know a matrix of variance / covahance dimension 2 * 2 associated with X1 and X2. Indeed, if P is a variance / covariance matrix linking these two variables, ⁇ i and 02 are the diagonal coefficients of the matrix P and p is equal to its non-diagonal coefficient.
  • FIG. 3 represents a confidence ellipse used in the method of calculating the protection radius.
  • the determination of the auxiliary horizontal protection radius RPm is based on a desired false alarm probability value ⁇ i and on a desired missed detection probability value ⁇ 2 .
  • the determination of the RPHO auxiliary horizontal protection radius is based on a desired missed detection probability value% 2 and on a probability value of occurrence of an undetected satellite defect 13.
  • a PE matrix 1 of vahance / covahance, of dimension 2x2, being extracted from an auxiliary matrix PS 1 Pi-MHYP, the axes extracted from the matrix PS 1 corresponding to the horizontal positions, characterized in that the determination of the radius helical horizontal protection device RP H i under the hypothesis Hi, comprises the steps:
  • a matrix V of vahance / covariance of dimension 2x2 being extracted from the matrix of variance / covariance MHYP, the axes extracted from the matrix MHYP corresponding to the horizontal positions, characterized in that the determination of the auxiliary horizontal protection radius RP H o under the hypothesis H 0 , comprises the steps:

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Abstract

L'invention est relative à la surveillance de l'intégrité d'informations de position et de vitesse issues d'une hybridation entre une centrale inertielle et un récepteur de positionnement par satellites. L'invention concerne plus précisément un équipement de navigation connu dans la technique sous le nom de système INS/GNSS (de l'anglo-saxon 'Inertial Navigation System' et 'Global Navigation Satellite System') hybridé en boucle fermée.

Description

Procédé et dispositif de surveillance de l'intégrité des informations délivrées par un système hybride INS/GNSS
L'invention est relative à la surveillance de l'intégrité d'informations de position et de vitesse issues d'une hybridation entre une centrale inertielle et un récepteur de positionnement par satellites. L'invention concerne plus précisément un équipement de navigation connu dans la technique sous le nom de système INS/GNSS (de l'anglo-saxon "Inertial Navigation System" et "Global Navigation Satellite System") hybride en boucle fermée. Une centrale inertielle est constituée d'un ensemble de capteurs inertiels (capteurs gyrométriques et capteurs accélérométriques) associés à une électronique de traitement. Une plate-forme de calcul, appelée plateforme virtuelle PFV, délivre alors les informations de vitesse et de position du porteur dans un référentiel précis (souvent noté TGL, Trièdre Géographique Local). La plate-forme virtuelle PFV permet la projection et l'intégration des données issues des capteurs inertiels. La centrale inertielle fournit des informations précises à court terme mais dérivant sur le long terme (sous l'influence des défauts capteurs). La maîtrise des défauts capteurs représente une proportion très importante du coût de la centrale inertielle. Un récepteur de positionnement par satellites fournit des informations de position et de vitesse du porteur par triangulation à partir des signaux émis par des satellites défilants visibles du porteur. 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. Pour prévenir les pannes satellites et assurer l'intégrité des mesures GNSS, il est connu d'équiper un récepteur de positionnement par satellites d'un système d'estimation de précision et de disponibilité dit RAIM (de l'anglo-saxon "Receiver Autonomous Integrity Monitoring") qui se base sur la géométrie et la redondance de la constellation de satellites utilisée lors de la triangulation et sur l'évolution prévisible à court terme de cette géométrie déduite de la connaissance des trajectoires des satellites. Cependant, l'algorithme RAIM, purement lié au système de localisation par satellites, n'est pas applicable à la surveillance d'un point de localisation issu d'un système hybride (INS/GNSS) et ne peut détecter que certains types de pannes en un temps donné.
L'hybridation consiste à combiner mathématiquement les informations de position et de vitesse fournies par la centrale inertielle et les mesures fournies par le récepteur de positionnement par satellites pour obtenir des informations de position et de vitesse en tirant avantage des deux systèmes. Ainsi, la précision des mesures fournies par le système GNSS permet de maîtriser la dérive inertielle et les mesures inertielles peu bruitées permettent de filtrer le bruit sur les mesures du récepteur GNSS. Cette combinaison fait très souvent appel à la technique de filtrage de Kalman.
Le filtrage de Kalman s'appuie sur les possibilités de modélisation de révolution 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 covahance 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.
Dans le cas d'un système INS/GNSS hybride, le filtre de Kalman reçoit les points de position et de vitesse fournis par la centrale inertielle et les mesures de positionnement fournies par le récepteur de positionnement par satellites, modélise l'évolution des erreurs de la centrale inertielle et délivre l'estimée a posteriori de ces erreurs qui sert à corriger le point de positionnement et de vitesse de la centrale inertielle.
L'estimation des erreurs de position et de vitesse dues aux défauts des capteurs inertiels apparaissant en sortie de la plate-forme virtuelle PFV de la centrale inertielle est réalisée par le filtre de Kalman. La correction des erreurs par le biais de leur estimation faite par le filtre de Kalman peut alors se faire en entrée de la plate-forme virtuelle PFV (architecture en boucle fermée) ou en sortie (architecture en boucle ouverte). Lorsque les défauts des capteurs de la centrale inertielle, gyromètres, accéléromètres, et module barométrique (on parle dans ce cas de centrale baro-inertielle), ne sont pas trop importants, il n'est pas nécessaire d'appliquer les corrections en entrée de la plate-forme virtuelle PFV : la modélisation du système (linéarisation des équations régissant l'évolution du système), au sein du filtre reste valide. L'estimée a posteriori des erreurs de la centrale inertielle calculée dans le filtre de Kalman est utilisée uniquement pour l'élaboration d'estimées optimales de la position et de la vitesse du porteur en retranchant aux informations de position et de vitesse fournies par la centrale inertielle leurs estimées respectives calculées par le filtre de Kalman. L'hybridation est alors dite en boucle ouverte, et dans ce cas, l'hybridation n'a aucune influence sur les calculs réalisés par la plateforme virtuelle PFV.
Lorsque les défauts inertiels sont trop importants ou lorsque la durée du vol est longue, la linéarisation des équations régissant l'évolution du modèle inertiel intégré au sein du filtre de Kalman n'est plus valide. Il est donc impératif d'appliquer les corrections à la plate-forme virtuelle PFV pour rester dans le domaine linéaire. L'estimée a posteriori des erreurs de la centrale baro-inertielle qui est calculée dans le filtre de Kalman sert non seulement à l'élaboration de l'estimée optimale de la position et de la vitesse du porteur mais aussi au recalage de la centrale inertielle au sein de la plate- forme virtuelle PFV. L'hybridation est alors dite « en boucle fermée » et les résultats du filtre d'hybridation sont employés par la plate-forme virtuelle pour réaliser ses calculs.
L'hybridation peut également se faire en observant des informations GNSS de natures différentes. Soit on considère la position et la vitesse du porteur résolues par le récepteur GNSS : on parle alors d'hybridation lâche ou hybridation en axes géographiques, soit on considère 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) : on parle alors d'hybridation serrée ou en axes satellites.
Avec un système INS/GNSS en boucle fermée où le point résolu par le récepteur GNSS est utilisé pour recaler les informations provenant de la centrale inertielle, il est nécessaire de prêter une attention particulière aux défauts affectant les informations fournies par les satellites car le récepteur qui les reçoit propagera ces défauts à la centrale inertielle en entraînant un mauvais recalage de cette dernière. Le problème se pose de façon particulièrement critique pour assurer l'intégrité d'un point hybride INS/GPS. Dans ce qui suit, on s'intéresse à des systèmes intégrant une hybridation serrée, en boucle fermée.
Pour quantifier l'intégrité d'une mesure de position dans des applications telles que les applications aéronautiques, où l'intégrité est critique, on utilise un paramètre appelé « rayon de protection » de la mesure de position. Le rayon de protection correspond à une erreur de position maximale pour une probabilité donnée d'apparition d'erreur. C'est-à-dire que la probabilité que l'erreur de position dépasse le rayon de protection annoncé sans qu'une alarme soit envoyée à un système de navigation, est inférieure à cette valeur de probabilité donnée. Le calcul se fonde sur deux types d'erreur qui sont d'une part les erreurs normales de mesure et d'autre part les erreurs causées par une anomalie de fonctionnement de la constellation de satellites, soit par exemple une panne d'un satellite.
La valeur du rayon de protection d'un système de positionnement est une valeur clef spécifiée par des donneurs d'ordre désirant acquérir un système de positionnement. L'évaluation de la valeur du rayon de protection résulte en général de calculs de probabilités utilisant les caractéristiques statistiques de précision des mesures GNSS et du comportement des senseurs inertiels. Ces calculs s'explicitent de façon formelle et permettent des simulations pour l'ensemble des cas de constellation GNSS, pour l'ensemble des positions possibles du système de positionnement sur le globe terrestre et pour l'ensemble de trajectoires possibles suivies par le système de positionnement. Les résultats de ces simulations permettent de fournir au donneur d'ordre des caractéristiques de rayon de protection garanties par le système de positionnement proposé. Le plus souvent ces caractéristiques s'expriment sous la forme d'une valeur du rayon de protection pour une disponibilité de 100% ou d'une durée d'indisponibilité pour une valeur requise du rayon de protection.
La présente invention pallie les inconvénients des solutions connues présentées ci-dessus. Elle a pour but d'améliorer la précision de la mesure de position en utilisant des corrections hybrides délivrées par un filtre de Kalman recevant des signaux de tous les satellites visibles poursuivis.
Elle a également pour objectif de fournir une expression formelle permettant le calcul de la valeur du rayon de protection, en tout lieu pour une trajectoire quelconque et à n'importe quel instant.
A cet effet, l'invention a pour objet un système hybride comportant :
- un module barométrique BARO, 30 délivrant des mesures d'altitude barométrique MBA ; - une unité de mesure inertielle UMI , 20 délivrant des incréments d'angle Δθ et des incréments de vitesse ΔV ;
- une plate-forme virtuelle PFV, 60 recevant les incréments d'angle Δθ, les incréments de vitesse ΔV, et produisant des points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI constituant respectivement une position hybride et une vitesse hybride ;
- un récepteur de positionnement par satellites GNSS, 10 opérant à partir d'une constellation de N satellites visibles poursuivis, et produisant des mesures brutes, MB1 des signaux émis par ces satellites, i désignant un indice de satellite et étant compris entre 1 et N ; - un filtre de Kalman d'hybridation MKF, 40 recevant les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI, les mesures d'altitude barométrique MBA, et les mesures brutes MB1 des signaux émis par les N satellites, ledit filtre délivrant : - une correction hybride HYC comportant une estimation d'un vecteur d'état VE correspondant aux erreurs du système hybride, obtenue en observant les écarts entre les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI et les mesures brutes MB1, et
- une matrice de variance/covahance, MHYP de l'erreur faite sur l'estimation du vecteur d'état VE ; - un banc de N filtres secondaires KSF1, 5O1 recevant chacun les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI, les mesures d'altitude barométrique MBA, et les mesures brutes MB1 des signaux émis par les satellites poursuivis sauf le satellite d'indice i, lesdits filtres secondaires KSF1 délivrant des paramètres hybrides SHYP1 comportant : - une estimation d'un vecteur d'état, EVE, correspondant aux erreurs du système hybride, calculé en observant des écarts entre les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI et les mesures brutes des signaux émis par les satellites poursuivis sauf le satellite i SPP1, et - une matrice de variance/covariance secondaire P1 de l'erreur faite sur l'estimation du vecteur d'état EVE1 ;
- un module de calcul CAL, 70 recevant les paramètres hybrides SHYP1 et la matrice de variance/covariance, MHYP, ledit module de calcul CAL, 70 déterminant un rayon de protection horizontal RT associé à la position hybride, et lorsque des composantes de l'estimation du vecteur d'état EVE1 concernant la position sont supérieure à un seuil de détection TH1, déclenchant une alarme sur une défaillance d'un filtre secondaire KSF1, et identifiant éventuellement un satellite défaillant parmi les N satellites visibles poursuivis, caractérisé en ce que les filtres secondaires KSF1 et la plate-forme virtuelle PFV reçoivent en outre la correction hybride HYC.
L'invention concerne également un procédé de surveillance d'intégrité de positions hybrides délivrées par une plate-forme virtuelle PFV, 60 d'un système hybride selon une des revendications précédentes, ledit procédé déterminant un rayon de protection horizontal RPT, ledit procédé étant mis en œuvre par le module de calcul CAL, 70 du système hybride la détermination du rayon de protection horizontal RPT comportant les étapes de calcul :
- détermination d'un rayon de protection horizontal auxiliaire RPm, sous une hypothèse dite Hi, qu'une des mesures brutes, MB1 est erronée,
- détermination d'un rayon de protection horizontal auxiliaire RPHO, sous une hypothèse dite H0, qu'aucune des mesures brutes, MB1 est erronée ;
- détermination du rayon de protection horizontal RPT comme un maximum des rayons de protection auxiliaires horizontaux RPHO et RPm . caractérisé en ce que : la détermination des rayons de protection horizontaux auxiliaires
RPHO et RPHi est fondée sur une détermination d'un rayon d'un cercle enveloppant une ellipse de confiance dans un plan horizontal, et en ce que l'ellipse de confiance est déterminée à partir d'une matrice de variance/covahance et d'une valeur de probabilité recherchée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un système hybride, en boucle fermée et hybridation serrée, selon l'état de l'art ;
- la figure 2 représente schématiquement un système hybride en boucle fermée et hybridation serrée, selon l'invention ; - la figure 3 représente une ellipse de confiance et un cercle enveloppant l'ellipse, le rayon du cercle est employé dans le procédé de surveillance de l'intégrité d'informations selon l'invention ;
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
La figure 1 représente un système hybride selon l'art antérieur. Le système hybride, comporte ;
- un récepteur de positionnement par satellites, GNSS, 10, recevant des signaux d'une constellation de N satellites visibles poursuivis ; - une unité de mesure inertielle UMI, 20 délivrant des incréments d'angle Δθ et des incréments de vitesse ΔV ;
- un module barométrique BARO, 30, délivrant des mesures d'altitude barométrique MBA ; - un filtre de Kalman d'hybridation, MKF 40 ;
- un banc de N filtres secondaires, KSF1 5Oi,
- une plate-forme virtuelle, PFV, 60 recevant les incréments d'angle Δθ et les incréments de vitesse ΔV ;
- un module de calcul CAL, 70. L' unité de mesure inertielle, UMI comporte des gyromètres et des accéléromètres non représentés : les incréments d'angle Δθ sont délivrés par les gyromètres et les incréments de vitesse ΔV sont délivrées par les accéléromètres.
La plate-forme virtuelle, PFV reçoit les mesures d'altitude barométrique, MBA. La plate-forme virtuelle, PFV produit des points de positionnement et de vitesse inertiels, PPVI constituant respectivement une position hybride et une vitesse hybride. Les mesures d'altitude barométriques qui sont employées par la plate-forme, PFV pour éviter une dérive de la position hybride suivant un axe vertical. Le récepteur de positionnement par satellites, GNSS délivre des mesures brutes, MB1 de signaux émis par les satellites, i désignant un indice de satellite et étant compris entre 1 et N.
Le filtre de Kalman d'hybridation, MKF reçoit un ensemble de N mesures brutes, MB1. Cet ensemble de N mesures brutes est noté MPPV. Le filtre de Kalman secondaire KSF1 reçoit les mesures brutes MB1 de N-1 signaux. Les N-1 signaux sont produits par les satellites poursuivis sauf le satellite d'indice i. Cet ensemble de mesures brutes MB1 de N-1 signaux est noté SPP1
Le filtre d'hybridation MKF et les filtres secondaires KSF1 et reçoivent les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI.
Le filtre d'hybridation MKF cherche à estimer les erreurs réalisées sur les positions inertielles PPVI, il produit :
- un vecteur d'état VE correspondant aux erreurs du système hybride, obtenue en observant les écarts entre les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI et les mesures brutes MB1 correspondantes ; - une matrice de variance/covariance, MHYP de l'erreur faite sur l'estimation du vecteur d'état VE.
Les filtres secondaires KSF1 produisent des paramètres hybrides SHYP1 qui comportent : - une estimation d'un vecteur d'état, EVE1 correspondant aux erreurs du système hybride observant des écarts entre les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI et l'ensemble de mesures brutes SPP1 et,
- une matrice de variance/covariance secondaire P1 de l'erreur faite sur l'estimation du vecteur d'état EVE1.
Le système hybride délivre une sortie hybride SH composée d'une différence entre les positions inertielles PPVI et le vecteur d'état VE.
Le module de calcul CAL reçoit les paramètres hybrides SHYP1 et la matrice de variance/covariance, MHYP et détermine une valeur de rayon de protection RPT.
On l'a déjà évoqué, un rayon de protection est une mesure très importante dans certaines applications où il est indispensable d'assurer l'intégrité des données. On rappelle que le rayon de protection RP d'une mesure, pour une probabilité de non-intégrité prédéterminée Pn,, est une borne supérieure de l'écart entre la valeur calculée et la valeur réelle de la grandeur mesurée, telle qu'on a une probabilité inférieure à Pn, que la valeur réelle soit éloignée de la valeur calculée d'une distance supérieure à RP sans que l'on déclenche une alarme vers un système de navigation. Autrement dit, il y a donc une probabilité maximale Pn, pour que la valeur réelle soit en dehors d'un cercle de rayon RP autour de la valeur qu'on a mesurée ou encore qu'il y a une probabilité maximale Pn, de se tromper dans la détermination du rayon de protection
Ce rayon de protection est calculé à partir des écarts-types des variables considérées. Il s'applique à chaque composante du vecteur d'état, mais en pratique, on s'intéresse aux variables de position. On peut calculer plus spécifiquement un rayon de protection vertical pour l'altitude et un rayon de protection horizontal pour la position en longitude et latitude, ces rayons n'ayant pas forcément la même valeur et n'étant pas utilisés de la même manière. Le principe du calcul du rayon de protection horizontal est présenté dans ce qui suit :
Le rayon de protection est en général une donnée qui est calculée puis comparée à un seuil HAL fixé en fonction de l'application, le dépassement du seuil génère une alerte indiquant soit que la mesure de position ne peut pas être considérée comme suffisamment fiable ou disponible dans le contexte de l'application
Avantageusement, le module de calcul, CAL identifie le satellite d'indice i comme défaillant, le filtre secondaire KSF1 est substitué au filtre de d'hybridation MKF.
On évalue le rayon de protection RPHo en l'absence de panne de satellite, hypothèse communément désignée H0. Par "panne" on entend une situation anormale où le satellite émet des signaux qui ont l'apparence de signaux normaux mais qui sont anormaux et conduisent à des erreurs de position.
Le rayon de protection RPHo est lié directement à la vahance de la grandeur mesurée et à la probabilité Pn, que cette erreur dépasse le rayon de protection. La variance est le carré de l'écart type σ lié à la grandeur mesurée. La variance de la position mesurée est donc le coefficient de la diagonale de la matrice de vahance/covariance P qui correspond à la grandeur mesurée. L'écart type σ est la racine carrée de cette variance et se déduit donc de la matrice P du filtre d'hybridation.
Dans le système hybride selon l'art antérieur, on calcule le rayon de protection RPHo à partir des coefficients de la matrice de variance/covariance P tels qu'ils apparaissent à l'instant de mesure. Si la configuration des satellites évolue, la valeur du rayon de protection RPHo est mise à jour en même temps. Si un satellite disparaît de la constellation visible, le rayon de protection RPHo ne se dégrade que progressivement. Si au contraire un satellite nouveau apparaît, le rayon de protection diminue instantanément, ce qui est très avantageux.
On peut également calculer un rayon de protection RPHi prenant en compte le risque de panne d'un satellite, hypothèse communément désignée Hi. Le récepteur utilise pour cela la méthode bien connue sous le nom de « maximum de séparation » : Dans ce cas, le récepteur comporte un filtre de Kalman d'hybridation MKF qui fonctionne comme on l'a décrit précédemment et N filtres secondaires, si N est le nombre de satellites pouvant être vus en même temps. Les N filtres secondaires fonctionnent en parallèle avec le filtre Kalman d'hybridation MKF et suivant le même principe que ce dernier. Mais le filtre secondaire de rang i reçoit les signaux de tous les satellites sauf celui provenant du satellite de rang i.
La figure 2 représente un système hybride en boucle fermée et hybridation serrée, selon l'invention.
Une première différence avec le système hybride de l'art antérieur concerne la prise en compte des mesures barométriques MBA par le système hybride et le fait que la sortie hybride du système est égale aux positions inertielles PPVI délivrées par la plate-forme virtuelle, PFV.
Selon l'invention, les mesures barométriques MBA sont reçues par le filtre d'hybridation d'une part, et par les filtres secondaires KSF1.
Ainsi, un asservissement de la position suivant un vertical est directement réalisé par le filtre de Kalman : il n'est pas besoin de développer un asservissement indépendant du filtre de Kalman comme cela est le cas dan l'art antérieur.
Une deuxième différence avec le système hybride de l'art antérieur, concerne la production par le filtre d'hybridation MKF d'une correction hybride HYC qui comporte une estimation du vecteur d'état VE. La correction hybride HYC est délivrée d'une part à la plateforme virtuelle, et d'autre part aux filtres secondaires SKF1. De sorte que, les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI produits par la plate-forme PFV constituent directement la position hybride et la vitesse hybride, et que la valeur des composantes des vecteurs d'états EV et EVE1 sont proches de zéro.
Une troisième différence concerne le procédé de calcul du rayon de protection par le module de calcul CAL. Le principe du calcul est basé sur une évaluation d'une ellipse de confiance. Considérons X1 et X2 deux variables gaussiennes à moyenne nulle, d'écart type respectifs O1 et σ2 et de coefficient de corrélation p. Par exemple, X1 et X2 correspondent à des erreurs de position exprimées en latitude et longitude. Un domaine du plan X1 , X2 correspondant à une valeur de densité de probabilité conjointe de X1 et X2 constante et égale à RO est une ellipse d'équation : σl2 σlσ2 σ22
Si on veut que l'aire de l'ellipse corresponde à une probabilité Pb c'est à dire que l'on veut obtenir une probabilité Pb que l'erreur de position soit à l'intérieur de l'ellipse, il faut imposer la relation : RO = V- 2.(1 - ρ)ln(1 -Pô)
Lorsque X1 et X2 correspondent à des erreurs de position horizontale déterminée, par exemple par hybridation de mesures de signaux produits par une constellation de satellites et les données d'une centrale inertielle, une ellipse de confiance est parfaitement définie dès que l'on fixe une valeur de probabilité recherchée Pb et que l'on connaît une matrice de variance/covahance de dimension 2*2 associée à X1 et X2. En effet si P est une matrice de variance/covahance liant ces deux variables, σi et 02 sont les coefficients diagonaux de la matrice P et p est égal à son coefficient non diagonal. La figure 3 représente une ellipse de confiance employée dans le procédé de calcul du rayon de protection.
Un cercle de rayon R tel que R2 = A2 + B2 définit une enveloppe de l'ellipse de confiance à condition que :
A= α . O1 B = α . σ2 . p α = V- 2.Ln(I -Pb)
On peut donc déterminer une valeur de rayon de protection pour deux variables, par exemple des positions hybrides, à partir des expressions déterministes précédentes dès que l'on connaît les valeurs de probabilité Pb recherchée et la matrice de vahance/covariance de dimension 2 x 2 correspondant à ces variables.
Avantageusement, la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPm est fondée sur une valeur de probabilité de fausse alarme souhaitée τi et sur une valeur de probabilité de détection manquée souhaitée τ2.
Avantageusement, la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPHO est fondée sur une valeur de probabilité de détection manquée souhaitée %2 et sur une valeur de probabilité d'occurrence d'un défaut satellite non détecté 13. Avantageusement, une matrice PE1 de vahance/covahance, de dimension 2x2, étant extraite d'une matrice auxiliaire PS1= Pi - MHYP, les axes extraits de la matrice PS1 correspondant aux positions horizontales, caractérisé en ce que la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPHi sous l'hypothèse Hi, comporte les étapes :
- Déterminer P01 = 1 - τi/N ;
- Déterminer une valeur de seuil de test TH1 en se fondant sur la valeur P01 et sur la matrice PE1; - Déterminer P02 =1- τ2 ;
- Déterminer une valeur de rayon de protection auxiliaire d, comme égale au rayon du cercle enveloppant une ellipse déterminée à partir de la matrice PEi et de la probabilité P02 ;
- Déterminer la valeur de rayon RPHi comme une valeur maximale de (TH1 + d,) , pour toutes les valeurs de i entre 1 et N.
Avantageusement, une matrice P de vahance/covariance de dimension 2x2 étant extraite de la matrice de variance/covariance MHYP, les axes extraits de la matrice MHYP correspondant aux positions horizontales, caractérisé en ce que la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPHo sous l'hypothèse H0, comporte les étapes :
- Déterminer P03 = 1 - 12.13 ;
- Déterminer la valeur de rayon RPHo comme égale au rayon du cercle enveloppant une ellipse déterminée à partir de la matrice P et de la probabilité P03.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système hybride comportant :
- un module barométrique BARO, (30) délivrant des mesures d'altitude barométrique MBA ;
- une unité de mesure inertielle UMI (20) délivrant des incréments d'angle Δθ et des incréments de vitesse ΔV ;
- une plate-forme virtuelle PFV (60) recevant les incréments d'angle Δθ, les incréments de vitesse ΔV et produisant des points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI constituant respectivement une position hybride et une vitesse hybride ; - un récepteur de positionnement par satellites GNSS (10) opérant à partir d'une constellation de N satellites visibles poursuivis, et produisant des mesures brutes, MB1 des signaux émis par ces satellites, i désignant un indice de satellite et étant compris entre 1 et N ;
- un filtre de Kalman d'hybridation MKF (40) recevant les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI, les mesures d'altitude barométrique MBA, et les mesures brutes MB1 des signaux émis par les N satellites, ledit filtre délivrant :
- une correction hybride HYC comportant une estimation d'un vecteur d'état VE correspondant aux erreurs du système hybride, obtenue en observant les écarts entre les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI et les mesures brutes MB1, et
- une matrice de vahance/covariance, MHYP de l'erreur faite sur l'estimation du vecteur d'état VE ;
- un banc de N filtres secondaires KSF1 (5O1) recevant chacun les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI, les mesures d'altitude barométrique MBA, et les mesures brutes MB1 des signaux émis par les satellites poursuivis sauf le satellite d'indice i, lesdits filtres secondaires KSF1 délivrant des paramètres hybrides SHYP1 comportant
- une estimation d'un vecteur d'états, EVE1 correspondant aux erreurs du système hybride, calculé en observant des écarts entre les points de positionnement et de vitesse inertiels PPVI et les mesures brutes des signaux émis par les satellites poursuivis sauf le satellite i SPP1, et
- une matrice de variance/covahance secondaire P1 de l'erreur faite sur l'estimation du vecteur d'état EVE1 ; - un module de calcul CAL (70) recevant les paramètres hybrides SHYP1 et la matrice de variance/covariance, MHYP, ledit module de calcul CAL déterminant un rayon de protection horizontal RT associé à la position hybride, et lorsque des composantes de l'estimation du vecteur d'état EVE1 concernant la position sont supérieure à un seuil de détection TH1, déclenchant une alarme sur une défaillance d'un filtre secondaire KSF1, et identifiant éventuellement un satellite défaillant parmi les N satellites visibles poursuivis, caractérisé en ce que les filtres secondaires KSF1 et la plate-forme virtuelle PFV reçoivent en outre la correction hybride HYC.
2. Système selon la revendication 1 ,0 caractérisé en ce que lorsque le module de calcul CAL (70) identifie le satellite d'indice i comme défaillant, le filtre secondaire KSF1 (5O1) est substitué au filtre de Kalman MKF (40).
3. Procédé de surveillance d'intégrité de positions hybrides délivrées par une plate-forme virtuelle PFV (60) d'un système hybride selon une des revendications précédentes, ledit procédé déterminant un rayon de protection horizontal RPT, ledit procédé étant mis en œuvre par le module de calcul CAL (70) du système hybride la détermination du rayon de protection horizontal RPT comportant les étapes de calcul :
- détermination d'un rayon de protection horizontal auxiliaire RPm, sous une hypothèse dite Hi, qu'une des mesures brutes, MB1 est erronée,
- détermination d'un rayon de protection horizontal auxiliaire RPHO, sous une hypothèse dite H0, qu'aucune des mesures brutes, MB1 est erronée ;
- détermination du rayon de protection horizontal RPT comme un maximum des rayons de protection auxiliaires horizontaux RPHO et RPm. caractérisé en ce que : la détermination des rayons de protection horizontaux auxiliaires RPHO et RPHI est fondée sur une détermination d'un rayon d'un cercle enveloppant une ellipse de confiance dans un plan horizontal, et en ce que l'ellipse de confiance est déterminée à partir d'une matrice de variance/covariance et d'une valeur de probabilité recherchée.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPm est fondée sur une valeur de probabilité de fausse alarme souhaitée τi et sur une valeur de probabilité de détection manquée souhaitée τ2.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPHO est fondée sur une valeur de probabilité de détection manquée souhaitée τ2 et sur une valeur de probabilité d'occurrence d'un défaut satellite non détecté 13.
6. Procédé selon la revendication 4, une matrice PE1 de vahance/covariance, de dimension 2x2, étant extraite d'une matrice auxiliaire PS1= Pi - MHYP, les axes extraits de la matrice PS1 correspondant aux positions horizontales, caractérisé en ce que la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPm sous l'hypothèse Hi, comporte les étapes :
- Déterminer P01 = 1 - τi/N ;
- Déterminer une valeur de seuil de test TH1 en se fondant sur la valeur P01 et sur la matrice PE1; - Déterminer P02 =1 - τ2 ;
- Déterminer une valeur de rayon de protection auxiliaire d, comme égale au rayon du cercle enveloppant une ellipse déterminée à partir de la matrice PEi et de la probabilité P02 ;
- Déterminer la valeur de rayon RPHo comme une valeur maximale de (TH1 + d,) , pour toutes les valeurs de i entre 1 et N.
7. Procédé selon la revendication 5, une matrice P de variance/covariance de dimension 2x2 étant extraite de la matrice de vahance/covariance MHYP, les axes extraits de la matrice MHYP correspondant aux positions horizontales, caractérisé en ce que la détermination du rayon de protection horizontal auxiliaire RPHO SOUS l'hypothèse H0, comporte les étapes :
- Déterminer P03 = 1 - 12.13 ; - Déterminer la valeur de rayon RPHo comme égale au rayon du cercle enveloppant une ellipse déterminée à partir de la matrice P et de la probabilité P03.
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