Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Les signaux émis par les satellites GPS (Global Positioning System) permettent à tout utilisateur équipé du récepteur adéquat de se positionner, n'importe où, sur le globe. Cette navigation ne peut cependant être maintenue quel que soit l'environnement. Les systèmes de navigation inertielle (IRS) permettent eux un positionnement autonome et très précis du porteur, mais cette précision se dégrade en fonction de la qualité des capteurs utilisés. L'intégration des systèmes de navigation GPS et des systèmes de navigation IRS présentent deux intérêts. Elle permet tout d’abord d'améliorer la précision du positionnement, et ensuite, lorsque les signaux GPS ne sont plus disponibles, d’assurer la continuité du positionnement par l'inertie. L’article présente les trois différents types d’architectures de ce couplage, ainsi que des applications.
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Anne-Christine ESCHER : Enseignant-chercheur, laboratoire Traitement du signal pour les télécommunications aéronautiques, École nationale de l'aviation civile
INTRODUCTION
Les systèmes de navigation par satellite, tel le GPS (Global Positioning System), et les systèmes de navigation inertielle présentent de nombreuses complémentarités qui justifient leur intégration.
Les signaux émis par les satellites de la constellation GPS permettent à tout utilisateur équipé du récepteur adéquat de se positionner et de connaître son temps, n'importe où à la surface du globe pourvu qu'il puisse recevoir 4 signaux avec une puissance suffisante. Les avancées en traitement du signal GPS – solutions A-GPS (Assisted GPS) et HSGPS (High Sensitivity GPS) – favorisent l'utilisation du GPS dans des environnements de plus en plus contraints, comme le cœur des villes. Toutefois, elles ne permettent pas d'assurer la continuité de la navigation quel que soit l'environnement.
Les systèmes de navigation inertielle permettent un positionnement autonome du porteur, très précis à court terme. Mais cette précision va se dégrader de plus en plus au cours du temps : la vitesse de cette dérive dépend de la qualité des capteurs utilisés.
Immédiatement nous voyons deux intérêts de l'intégration de ces deux systèmes : elle permet d'améliorer tout d'abord la précision du positionnement, ensuite, lorsque les signaux GPS ne sont plus disponibles, la continuité du positionnement peut être assurée par l'inertie qui aura été recalée.
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Principe de la navigation inertielle
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5. Exemple d’application : positionnement GPSIRS à bord des avions commerciaux
Les avions commerciaux utilisent les systèmes de navigation inertielle pour leur positionnement en-route depuis les années 1970, et le GPS depuis le milieu des années 1990. Ils sont en fait équipés d’ADIRU (Air Data Inertial Reference Unit) : la solution inertielle ne fournit le positionnement que dans le plan horizontal, le positionnement vertical est fourni par un baro-altimètre qui est également utilisé pour recaler l’accélération et la vitesse verticales inertielles à l’intérieur de la plateforme.
On trouve principalement trois types d’hybridation baro-IRS/GPS à bord des avions commerciaux :
-
une première solution d’hybridation lâche proposée par Honeywell ;
-
deux solutions d’hybridations serrées : une proposée par Honeywell, l’autre par Northrop Grumman.
Ces trois solutions reposent donc sur l’hypothèse que les informations fournies par le récepteur GPS sont intègres.
L’intégrité apportée par le segment sol du GPS ne permettant pas de remplir les exigences d’intégrité définies par l’OACI (Organisation Internationale de l’Aviation Civile), l’utilisation du positionnement GPS requiert l’implémentation d’une solution de contrôle d’intégrité autonome soit à bord dans le récepteur (fonction intégrité de l’augmentation ABAS), soit au sol (SBAS, par exemple). Dans le cas des hybridations actuelles, celle-ci est réalisée par la fonction ABAS par un algorithme de type :
-
RAIM pour la solution d’hybridation lâche ; la détection et l’exclusion des défaillances GPS se fait en amont du filtre d’hybridation et n’est basée que sur la redondance des mesures GPS ;
-
AAIM pour les solutions d’hybridation serrée ; la détection et l’exclusion des défaillances GPS se font au niveau ou en sortie du filtre d’hybridation et utilisent donc aussi l’information IRS.
Les hybridations actuelles utilisent les signaux des satellites de la constellation GPS émis sur la porteuse L1, et le couplage se fait en boucle ouverte de sorte à éviter la propagation de sources d’erreur d’un système vers l’autre. Le bénéfice de l’hybridation par rapport à la navigation GPS seule est un gain en précision de la solution de navigation. Les solutions AAIM permettent d’obtenir en plus un gain en disponibilité et en intégrité.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BARTH (J.A.), FARRELL (M.) - The global positioning system and inertial navigation - Mc Graw Hill (1999).
-
(2) - RADIX (J.C.) - Systèmes inertiels à composants liés « strap-down » - Cépaduès-éditions (1991).
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(3) - SIOURIS (G.M) - Aerospace avionics systems A modern synthesis - Academic Press (1993).
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(4) - BONIN (G.) - Système GPS de positionnement par satellite - Techniques de l'ingénieur (2001).
-
(5) - Van DYKE (K.L.) - Use of standalone GPS for approach with vertical Guidance - Proceedings of ION NTM 2001, 22-24 Jan 2001, Long Beach, pp. 301-309 (2001).
-
(6) - RTCA - Minimum operational performance standards for global positioning system/Wide area augmentation system airborne equipment - DO229-D (2007).
- ...
ANNEXES
Articles – livres
KUBRAK (D.) - Vehicular navigation using a tight integration of aided-GPS and low-cost MEMS sensors - Proceedings of ION NTM 2006, Monterey, CA (18-20 jan 2006).
SPANGENBERG (M.), JULIEN (O.), CALMETTES (V.), DUCHATEAU (G.) - Urban navigation system for automotive applications using HSGPS, inertial and wheel speed sensors - Proceedings of ENC'GNSS 2008, Toulouse, France (23-25 avril 2008).
GREWAL (M.S.), ANDREWS (A.P.) - Kalman filtering – Theory and practice - Pentice Hall (1993).
TITTERTON (D.H.), WESTON (J.L.) - Strapdown inertial navigation Technology - 2nd edition, AIAA & IEE (2004).
BRUCKNER (J.M), HWANG (P.Y) - Method and apparatus for achieving sole means navigation from global navigation satellites systems - United States Patent #6,317,688 B1, http://www.uspto.gov (nov. 13, 2001).
DIESEL (J.W.) - Integrated inertial/GPS navigation system - United States Patent #6,417,802 B1, http://www.uspto.gov (jul. 9, 2002).
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Inertial Navigation System Toolbox for Matlab, GPSoft
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