FR2877437A1

FR2877437A1 - Dispositif de positionnement

Info

Publication number: FR2877437A1
Application number: FR0411293A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Martin
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-05
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: FR2877437B1; WO2006042810A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de positionnement, qui comporte une horloge locale (15) présentant une dérive, et un premier récepteur (10) d'un signal de radionavigation. Il comprend en outre un deuxième récepteur (20) d'un signal radioélectrique provenant d'une balise fixe (30) qui présente une référence de temps stable, l'horloge locale (15) étant commune au premier et au deuxième récepteurs (10, 20), et relié au premier récepteur, un élément de calcul de la dérive de l'horloge locale, à partir du signal radioélectrique provenant de la balise fixe.

Description

DISPOSITIF DE POSITIONNEMENT

Le domaine de l'invention est celui de la réception d'un signal de radionavigation provenant d'un système de positionnement par satellites tel que le système GPS (acronyme de l'expression anglo-saxonne Global Positioning System ).

Dans la suite, on désigne par le terme générique récepteur GNSS tout type de récepteur GPS, GLONASS, GALILEO, etc. Pour bien fonctionner, les récepteurs actuels nécessitent généralement une réception à vue directe des satellites. Le positionnement se détériore rapidement notamment en termes de précision et de temps d'acquisition, lorsque la réception est perturbée comme c'est le cas à l'intérieur d'un bâtiment ou plus généralement en milieu dégradé (obstacles, multi-trajets, interférence, intérieur d'un bâtiment, etc.).

Lors de conditions de réception dégradées la récupération du 15 signal de navigation à faible rapport signal sur bruit est possible mais nécessite un temps d'intégration plus long pour filtrer le bruit.

La difficulté réside dans le fait que pour intégrer le signal reçu sur un temps long et récupérer de l'information il faut que la dynamique apparente au niveau du récepteur soit très faible pendant ce temps. Lorsque le récepteur (ou son antenne) est fixe il n'y a plus de dynamique due au mouvement. Par contre il reste la dynamique apparente due à la dérive de l'horloge du récepteur.

On va préciser en quoi consiste cette déhve en rappelant le principe de fonctionnement d'un récepteur GNSS.

On a représenté figure 1 a un code émis par un satellite à témission et figure 1 b, ce code arrivant au récepteur à tréception, soit Atprop = tréception - témission secondes plus tard, Atprop étant le temps de propagation du signal entre le satellite et le récepteur. Ce temps de propagation multiplié par la vitesse de la lumière dans le vide donne une mesure de distance; il est mesuré de la manière suivante. Une réplique du code émis par le satellite et représentée figure 1 c peut être générée localement par le récepteur, en phase. Le décalage entre le code reçu (figure 1 b) et le code local généré (c'est-à-dire la réplique représentée figure 1c) correspond à l'écart de temps Atprop recherché. Ce décalage représenté figure 1d est mesuré en mettant en phase le code reçu et le code local; le critère de mise en phase correspond à la maximisation de la fonction de corrélation des deux codes. Si les horloges du satellite et du récepteur sont parfaitement synchronisées, le décalage qui maximise la fonction de corrélation des deux codes fournit le temps Atprop.

Dans la pratique ce n'est pas le cas. On a représenté figure 2 le temps réellement mesuré ; témission est le temps vrai auquel le signal est émis par le satellite, tréception le temps vrai auquel le signal atteint le récepteur, th ce temps indiqué par l'horloge et Ath le biais de l'horloge du récepteur.

Finalement le temps de propagation mesuré est: Atprop mesuré = Atprop + Ath. Dans le cas idéal d'une horloge parfaite, Ath = O. De plus lorsque le temps d'intégration de la corrélation entre le signal local et le signal reçu est long, le biais Ath de l'horloge du récepteur peut varier. En fait dans le cas des applications grand public les horloges à faible coût utilisées dans les récepteurs ont des dérives dh(t) très importantes et sont très instables. On rappelle que la dérive de l'horloge est par définition la dérivée par rapport au temps du biais d"horloge: dh(t) = d (At h (t)) /dt.

Pour la réception du signal à l'intérieur d'un bâtiment, cette dérive d'horloge peut empêcher la récupération du signal utile et le positionnement.

Une solution consiste à réduire le temps d'intégration cohérente de la corrélation mais cela augmente les pertes dues au bruit et donc aussi le temps nécessaire pour obtenir le positionnement; une autre solution éventuellement combinée à la précédente consiste à tester plusieurs hypothèses de dérives d'horloge en parallèle, mais cela alourdit la charge de calcul. De plus lorsque la dérive est très instable la tâche devient très difficile, voire impossible.

Un but important de l'invention est donc de compenser la dynamique apparente due à la dérive de l'horloge du récepteur, de manière à permettre d'utiliser un temps d'intégration de la corrélation suffisamment long pour pouvoir distinguer le signal du bruit, malgré des conditions de réception dégradées.

Pour atteindre ce but, l'invention propose un dispositif de 35 positionnement, qui comporte une horloge locale présentant une dérive, et un premier récepteur d'un signal de radionavigation, principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième récepteur d'un signal radioélectrique provenant d'une balise fixe qui présente une horloge stable, l'horloge locale étant commune au premier et au deuxième récepteurs, et en ce qu'il comprend relié au premier récepteur, un élément de calcul de la dérive de l'horloge locale, à partir du signal radioélectrique provenant de la balise fixe.

Ce dispositif permet ainsi de compenser la dérive d'horloge d'un récepteur GNSS dans le but d'intégrer le signal reçu sur un temps long. On peut alors déterminer la position du récepteur dans un environnement difficile.

Le deuxième récepteur est par exemple un dispositif mobile de télécommunication.

Le signal de radionavigation provient d'un système de 15 positionnement par satellites et/ou pseudolites.

L'invention concerne également un procédé de positionnement à partir d'un signal de radionavigation et d'un signal d'horloge local, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réception d'un signal provenant d'une balise fixe qui présente une horloge stable, et de calcul de la dérive du signal d'horloge local à partir du signal de la balise fixe.

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 déjà décrite, illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un récepteur GNSS, la figure 2 déjà décrite, illustre schématiquement le temps réellement mesuré, la figure 3 représente schématiquement des exemples de courbes du temps t vrai et du temps th(t) indiqué par l'horloge à l'instant t vrai, la figure 4 illustre schématiquement des exemples de résultats de la corrélation du signal reçu avec le signal local en fonction de plusieurs hypothèses de temps, T étant le retard du code local représenté figure 1d par rapport au code reçu représenté figure 1 b, la figure 5 représente schématiquement des exemples de variation sur le temps d'intégration, d'une part du temps treçu(t) auquel est émis par le satellite le code C(treçu(t)) reçu par le récepteur à l'instant t vrai et des différentes hypothèses de temps treçu estime(t) reçu estimé dans le cas où l'on ne compense pas la dérive d'horloge, la figure 6 représente schématiquement un récepteur GNSS selon l'art antérieur, la figure 7 représente schématiquement des exemples de variation sur le temps d'intégration, d'une part du temps treçu(t) reçu vrai et des différentes hypothèses de temps treçu estimé(t) reçu estimé dans le cas où l'on compense la dérive d'horloge, la figure 8 représente schématiquement un dispositif de positionnement selon l'invention, la figure 9 représente schématiquement un récepteur non GNSS 15 permettant de déterminer la dérive d'horloge locale, la figure 10 représente schématiquement les principaux éléments d'un dispositif de positionnement selon l'invention.

On va exprimer plus en détail les temps indiqués figures 1 et 2. 20 On a: treçu(t) = t - Atprop(t), treçu(t) et t étant des temps vrais.

Le signal GNSS émis par le satellite est de la forme: Sémis(t) = Code( témis(t)) . sin( (pémise(t)) = Code( t) . sin( (o. t) avec témis(t) = t pémise(t) = Q). t Le signal GNSS reçu par le récepteur est de la forme: Sreçu(t) = Code( treçu(t)) . sin( (preçue(t)) avec treçu(t) = t Atprop(t) 1 (preçue(t) = (o ( t - Atprop(t) ) Par ailleurs dans la mesure où l'horloge présente un biais Ath(t), on a: th(t) = t + Ath(t), th étant le temps indiqué par l'horloge du récepteur à l'instant t.

On a typiquement des dérives Ath(t) de 10"5 seconde par seconde pour des horloges bas de gamme, soit une variation du biais d'horloge de 10 microsecondes sur un intervalle de 1 seconde, c'est-à-dire 10 fois la durée d'un chip de code, ce qui est rédhibitoire.

On a représenté figure 3 les courbes illustrant t et th(t).

Mais on ne connaît pas t ni par conséquent Ath(t). On a en fait: testimé(t) = th(t) - Ath estimé(t) (1) De même, on ne connaît pas trE, çu(t) ni Atprop(t). On a en fait: treçu estimé(t) = testimé(t) - Atprop estimé(t) (2) On a d'après (1) et (2), treçu estimé(t) = th(t) - Ath estimé(t) - Atprop estimé(t) (3) Lors de l'acquisition du signal par le récepteur, et notamment lors du calcul de corrélation du signal reçu avec le signal généré localement, le récepteur ne peut faire qu'une estimation grossière du temps: cette estimation treçu estimé(t) n'est pas assez précise pour faire suffisamment coïncider le signal local avec le signal reçu.

Pour cela le récepteur tente plusieurs corrélations avec différentes hypothèses de biais d'horloge estimés Ath estimé(t) et donc aussi de temps treçU estimé(t) décalées entre elle d'une quantité T telle qu'au moins une des hypothèses soit suffisamment proche dru temps treçu(t) vrai pour que les signaux soient corrélés, comme illustré figure 4. Le résultat de la corrélation dépend de i avec: Z = treçu(t) - treçu estimé(t) T = ( t testimé(t)) - ( Atprop(t) Atprop estimé(t) ) L'erreur due à l'estimation du temps de propagation est 30 considérée comme nulle car on suppose que l'on connaît la position du satellite avec une précision suffisante. On peut donc écrire: T = Ath(t) - Ath estimé(t) Sur la figure 5, on a représenté les variations sur le temps 35 d'intégration, d'une part du temps treçu(t) vrai et des différentes hypothèses de treçu estimé(t) dans le cas où l'on ne compense pas la dérive d'horloge, c'est-à-dire où l'on suppose que Ath(t) et donc Ath estimé(t) sont constants.

Les courbes de la figure 5 qui représentent treçu estimé(t) diffèrent les unes des autres en prenant comme différentes hypothèses pour Ath estimé(t) , nT, (n+1) T, (ni-2) T, etc. En raison de la dérive de l'horloge, aucune hypothèse de temps reçu estimée ne coïncide avec le temps treçu(t) vrai sur la durée d'intégration. De ce fait le récepteur est incapable de déterminer quelle est l'hypothèse qui coïncide avec le signal reçu, même en augmentant le temps d'intégration.

On a représenté figure 6 un exemple d'un tel récepteur 10. II comprend de manière classique, un générateur 11 d'une porteuse locale de la forme ei t un démodulateur 18 de porteuse, un corrélateur apte à multiplier le signal reçu démodulé par le code local issu d'un générateur 12 de code local et à l'intégrer au moyen d'un intégrateur par intervalles 13, un dispositif d'asservissement 14 pour l'acquisition et la poursuite des phases des signaux reçus élaborant des corrections en vitesse de la boucle de code et de la boucle de porteuse, une horloge locale 15 générant un signal pulsé périodique de fréquence Fh, un NCO (acronyme de l'expression anglo-saxonne Numerically Controlled Oscillai:or ) code 16 et un NCO porteuse 17 intégrant sur un intervalle 1-intégration ces corrections de vitesse et des corrections permettant de prendre en compte l'effet Doppler, pour fournir respectivement des estimées de phase (ou de temps) de code et de porteuse. On a représenté sur cette figure les éléments pour un canal de réception correspondant à un satellite. Il y a généralement dans un récepteur plusieurs canaux de réception en parallèle.

On rappelle qu'un NCO code réalise l'opération: treçu estimé(t) = th(t) Ath estimé(t) + f[th(to), th(t)] Vcode (ti) dti avec Vcode = - Vitesse radiale du satellite / c + Correction de code en vitesse (ou en fréquence) c: vitesse de la lumière.

Le terme - Vitesse radiale du satellite / c correspond à la prise en compte de l'effet Doppler.

On a donc d'après (3) : f[th(to), th(t)] Vcode ('t) di = - Atprop estimé(t) Selon une variante, le NCO réalise l'opération suivante: treçu estimé(t) = th(t) - Ath estimé(t) + J[th(to), th(t)] Vcode(T) dt On a: Ath estimé(t) = Ath estimé(to) + J[th(to), th(t)] dh estimée(t) dt par définition Et: th(t) = th(tO) + 1[th(to), th(t)] 1 dt 1 o On obtient finalement: treçu estimé(t) = th(tO) - Ath estimé(to) + f[th(to), th(t)] (1 - dh estimée + Vcode)(t)dt La mise en oeuvre de cette variante est représentée figure 10.

Un NCO porteuse réalise la même opération en multipliant en 15 outre le résultat par la pulsation w.

Selon l'invention le récepteur 10 de type GNSS est associé à un récepteur 20 d'un signal de communication non GNSS (désigné récepteur non GNSS) qui présente un rapport signal sur bruit élevé et qui est utilisé pour identifier la dérive de l'horloge locale 15 commune aux deux récepteurs et la compenser, comme représenté figure 8.

Le signal non GNSS est émis par une balise fixe 30 ayant une horloge 31 ou plus généralement une référence de temps stable, typiquement avec une dérive inférieure en valeur absolue à 10"10 seconde par seconde.

On a représenté figure 9, un exemple de récepteur 20 non GNSS permettant de déterminer cette dérive d'horloge. II comprend notamment une boucle à verrouillage de phase ( PLL ou Phase Lock Loop en anglais) qui comporte de manière classique un démodulateur 22 de porteuse, un dispositif d'asservissement 24 incluant un filtre de boucle, un NCO intégrateur 27 relié à une horloge 15 et un générateur 21 de porteuse locale de la forme eiw't. La sortie du NCO intégrateur de phase fournit la phase locale (p'localeÉ La récupération du signal au niveau du récepteur non GNSS 35 permet d'estimer la dérive de l'horloge locale de la manière suivante.

Le signal non GNSS émis démodulé est de la forme: Sémis(t) = Sin( (p'émis(t) ) avec (p'émis(t) = co'. t Le signal non GNSS reçu: Sreçu(t) = sin( (p'reçu(t) ) avec (p'reçu(t) = (O'. (t - At'prop(t)) (4) At'prop(t) étant le temps de propagation entre la balise fixe et le récepteur non GNSS, constant car le récepteur et la balise sont censés être immobiles.

Le signal non GNSS local: Slocal 1 (t) = sin( (p'locale(t) ) Slocal Q(t) = cos( (p'locale(t) ) avec (p'locale(t) = ('reçue estimée(t) = CO'. ( t'reçu estimé(t) ) (5) 15 Le récepteur non GNSS peut par exemple mettre en oeuvre une boucle à verrouillage de phase ( PLI_ ) pour récupérer le signal de communication non GNSS.

Quand la PLL a convergé les phases reçue et locale coïncident, et 20 on obtient: (p'locaie = (Q reçue + n x 2n + E E Ti/2 (erreur de phase) soit en vertu de (4) et (5) : t'reçu estimé(t) = t - At'prop + n x 2Tc/w' + E(t) /(.o' (6) Par ailleurs on a: Ath (t) = th(t) - t soit en vertu de (6) : Ath(t) = th(t) t'reçu estimé(t) + At'prop - n x 27dco' - E(t)/co' Si on néglige l'erreur de phase E(t) et lorsque âtprop(t) est constant 30 car le récepteur non GNSS ne bouge pas, on obtient finalement: Ath(t) Ath(to) = ( th(t) - th(tO) ) - (t'reçu estimé(t) t'reçu estimé(t0)) Ath(t) - Ath(to) = ( th(t) - th(tO) ) ((p'locale(t) ho' - (p'locaie(to) /o)'). Ona:

Ath(t) - Ath(to) = f[to, dh(t) di par définition, th(t) - th(to) = I[th(to), th (t)] 1 di par définition, (p'locale(t) loi' - (p'locale(to) _= J[th(to), th(t)) (1 + VPLL(T) ) di en sortie du NCO du récepteur non GNSS.

On peut donc écrire: J[to, t] dh(i) di = ![th (tO), th (t)] 1 di f[th(to), th (t)] (1 + VPLL(ti) ) di D'où : d h(t) - VpLL(t) Ainsi on est capable de déterminer la dérive d'horloge instantanée dh(t), à partir de la correction de porteuse en vitesse de la PLL qui est envoyée au NCO de porteuse de la PLL.

Selon l'invention, cette horloge locale est commune aux deux récepteurs c'est-à-dire au récepteur GNSS et au récepteur non GNSS. La dérive d'horloge estimée en seconde/seconde est ajoutée aux corrections en vitesse (issues de l'asservissement et de la compensation de l'effet Doppler) des signaux locaux GNSS pour la corrélation, à savoir le code local et la porteuse locale.

Sur la figure 7, on a représenté des résultats ainsi obtenus c'est-à-dire les variations sur le temps d'intégration d'une part du temps treçu(t) vrai et des différentes hypothèses dans le cas où l'on compense la dérive d'horloge.

Dans ce cas lorsque les hypothèses de temps reçu sont suffisamment proches, il y en a une qui coïncide avec le temps reçu vrai, ce qui permet une détection d'énergie en sortie de la corrélation et donc l'estimation d'un temps reçu.

On a représenté figure 10 un exemple de dispositif de positionnement selon l'invention. Il comprend une horloge locale 15, un récepteur GNSS 10, un récepteur 20 d'un signal radioélectrique non GNSS provenant d'une balise fixe présentant une référence de temps stable, l'horloge locale 15 étant commune aux deux récepteurs.

II comprend également, relié au récepteur GNSS, un élément de calcul de la dérive d'horloge à partir du signal radioélectrique non GNSS provenant de la balise fixe, le calcul étant par exemple tel que décrit précédemment. Cet élément est relié aux NCO (les NCO 16 et 17 sur la figure 10) des signaux locaux GNSS, à savoir le code local et la porteuse locale, de manière à ajouter cette dérive d'horloge instantanée aux corrections existantes. Cet élément de calcul est par exemple un microprocesseur ou un circuit comprenant notamment un NCO pour effectuer l'intégration. Dans l'exemple de la figure 10, la dérive égale à -VpLL(t) est calculée par le dispositif d'asservissement 24 de la PLL du récepteur non GNSS.

Le récepteur GNSS 10 comprend comme dans le cas de la figure 6, une horloge locale 15, un générateur 11 d'une porteuse locale de la forme ei't un démodulateur 18 de porteuse, un corrélateur apte à multiplier le signal reçu par le code local issu d'un générateur 12 de code local et l'intégrer au moyen d'un intégrateur par intervalle 13, un dispositif d'asservissement 14 pour l'acquisition et la poursuite des phases des signaux reçus élaborant des corrections en vitesse de la boucle de code et de la boucle de porteuse, et un NCO code 16 et un NCO porteuse 17 intégrant ces corrections de vitesse et les corrections permettant de prendre en compte l'effet Doppler et la dérive d'horloge, pour fournir des estimées de phase (ou de temps) de code et de porteuse.

Le récepteur non GNSS 20 comprend notamment comme dans le cas de la figure 9, une PLL qui comporte de manière classique un démodulateur 22 de porteuse, un dispositif d'asservissement 24 incluant un filtre de boucle, un NCO intégrateur 27 et un générateur 21 de porteuse locale de la forme eiw't La sortie du NCO intégrateur de phase 27 fournit la mesure de la phase du signal reçu cp'reçue estimée = ('locale.

Cet élément de calcul de la dérive d'horloge (le dispositif 24 sur la figure) est relié au correcteur (le NCO 27 sur la figure) de la porteuse du récepteur non GNSS, dans le cas où il est intéressant de corriger la porteuse locale avec cette dérive, comme représenté sur les figures. Il peut être intégré dans le récepteur non GNSS comme dans l'exemple de la figure 10 ou dans le récepteur GNSS.

Le récepteur non GNSS est par exemple un dispositif de télécommunication mobile comportant éventuellement un émetteur.

Le signal dit GNSS peut provenir d'un système de positionnement par satellites et/ou pseudolites.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de positionnement, qui comporte une horloge locale (15) présentant une dérive, et un premier récepteur (10) d'un signal de radionavigation, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième récepteur (20) d'un signal radioélectrique provenant d'une balise fixe (31) qui présente une référence de temps stable, l'horloge locale (15) étant commune au premier et au deuxième récepteurs (10, 20), et en ce qu'il comprend relié au premier récepteur (10), un élément de calcul de la dérive de l'horloge locale, à partir du signal radioélectrique provenant de la balise fixe (31).

2. Dispositif de positionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément de calcul de la dérive d'horloge locale est intégré au deuxième récepteur.

3. Dispositif de positionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième récepteur (20) comprend une boucle à verrouillage de phase pourvue d'un dispositif d'asservissement (24) et en ce que le dispositif d'asservissement (24) est apte à calculer la dérive d'horloge locale.

4. Dispositif de positionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième récepteur (20) est un dispositif mobile de télécommunication.

5. Dispositif de positionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de radionavigation provient d'un système de positionnement par satellites et/ou pseudolites

6. Procédé de positionnement à partir d'un signal de radionavigation et d'un signal d'horloge locale, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réception d'un signal provenant d'une balise fixe qui présente une référence de temps stable, et de calcul de la dérive du signal d'horloge locale à partir du signal de la balise fixe.