TITRE : Procédé de détection de défaillance d’un baro-altimètre dans une boucle baro-inertielle et système associé

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001] Le domaine technique de l’invention est celui de la métrologie pour l’aide au positionnement vertical de systèmes aéroportés.

[0002] La présente invention concerne un procédé de détection de défaillance d’un baro-altimètre et en particulier une détection de défaillance d’un baro-altimètre au sein d’une boucle baro-inertielle par comparaison d’une valeur de correction d’accélération verticale à un seuil.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

[0003] Les systèmes aéroportés ont un besoin de données de positionnement vertical fiables. Par « positionnement vertical » on entend tout type d’information verticale, par exemple l’altitude, la vitesse verticale ou encore l’accélération verticale.

[0004] Pour combler ce besoin de données de positionnement fiables, ces systèmes embarquent une pluralité de capteurs permettant, ensemble ou pris seuls, de positionner le système aéroporté. Chaque capteur de cette pluralité de capteurs est utilisé pour obtenir, corriger et/ou confirmer l’information de positionnement.

[0005] De manière connue, la pluralité de capteurs est intégrée dans une centrale inertielle ou dans une AHRS (de l’anglais « Attitude and Heading Reference System » pour « Système de référence d’attitude et de cap »). Une centrale inertielle comprend au moins des capteurs d’accélération et de rotation pour déterminer le mouvement par rapport à la Terre du système dans lequel elle est embarquée, après une phase d’initialisation. Une AHRS exploite également des mesures du champ magnétique et de vitesse air avec des moyens de calcul, afin d'élaborer les informations de son attitude par rapport à la Terre et d’entretenir sa localisation.

[0006] Dans une centrale inertielle comme dans une AHRS, comme la position et la vitesse sont obtenues par intégration en continu de l’accélération mesurée par l’accéléromètre, la moindre erreur d’accélération est accumulée et amplifiée par l’intégration pour obtenir la vitesse et par la double intégration pour obtenir la position. Pour pallier cela, les systèmes aéroportés embarquent des capteurs supplémentaires pour corriger ces erreurs. Par exemple, les aéronefs embarquent typiquement un baro- altimètre pour obtenir une différence de pression entre une altitude de référence et l’altitude du baro-altimètre. L’information obtenue du baro-altimètre est utilisée par un processeur pour corriger en permanence l’erreur verticale de l’accéléromètre. Ce processeur met en œuvre une boucle numérique appelée boucle baro-inertielle.

[0007] Une telle boucle baro-inertielle connue est représentée schématiquement à la Figure 1 . Une force spécifique verticale F_speZ est fournie en entrée à une centrale inertielle navigante CIN ou à une AHRS, par un accéléromètre. Les additionneurs sont représentés par des cercles comprenant une croix. Les intégrateurs sont représentés par des triangles. La CIN ou l’AHRS fournit une accélération verticale estimée yZ, basée sur la force spécifique verticale F_speZ, sur la pesanteur locale estimée g_est et sur l’accélération de Coriolis estimée via la vitesse horizontale estimée Vxyest et la courbure locale de l’ellipsoïde par le calculateur C. L’information d’accélération verticale est intégrée une première fois par l’intégrateur 11 pour obtenir une vitesse verticale Vzbi puis une seconde fois par l’intégrateur I2 pour obtenir une position verticale (altitude) Zbi. Pour améliorer la précision des valeurs obtenues, le calculateur C réalise un calcul de pesanteur à partir de l’altitude Zbi et de l’accélération de Coriolis, qui est additionnée à la force spécifique verticale F_speZ provenant de l’accéléromètre. Cette boucle (supérieure sur la représentation schématique de la Figure 1 ) sera appelée « boucle inertielle ». Comme indiqué précédemment, cette boucle inertielle se basant uniquement sur des mesures d’accéléromètre, les erreurs de mesure se cumulent et les valeurs obtenues sont instables.

[0008] Les boucles baro-inertielles connues comprennent alors un asservissement de l’altitude intégrée à partir de mesures inertielles sur une altitude mesurée par un baro-altimètre avec un correcteur d’ordre 3. La boucle baro-inertielle de la Figure 1 comprend donc en entrée une mesure supplémentaire de différence de pression provenant d’un baro-altimètre. Cette « altitude pression » Zbaro est fournie en entrée au bloc « BA ». Elle est comparée à l’altitude Zbi provenant de la boucle inertielle et cette différence est renvoyée à différents points de la boucle inertielle.

[0009] Dans la boucle inférieure (à la Figure 1 ), qui sera appelée boucle de correction, trois corrections sont estimées : Une correction de l’altitude à la boucle K1 , via le gain K1 , qui permet de corriger assez rapidement l’altitude Zbi obtenue par double intégration de l’accélération verticale à partir de l’altitude pression,

Une correction de la vitesse verticale à la boucle K2, via le gain K2,

Une correction CorrGz de l’accélération verticale estimée yZ à la boucle K3, via le gain K3 et l’intégrateur I3. Une correction de vitesse permanente implique en effet une erreur d’accélération. La boucle K3 corrige l’accélération, ce qui permet d’éviter de corriger la vitesse en permanence, de ne pas avoir un biais de vitesse en permanence à cause d’une erreur d’accélération. Cette correction de l’accélération permet de compenser les erreurs dues :

A l’accéléromètre mesurant l’accélération i nertiel le et fournissant à la CIN ou à l’AHRS une force spécifique verticale F_speZ, cette erreur étant principalement due au(x) biais de l’accéléromètre,

Aux erreurs de verticale de la CIN

Aux caractéristiques de la couche d’atmosphère réellement rencontrée pendant le vol, en écart par rapport à la caractéristique d’atmosphère standard utilisée pour élaborer la valeur d’altitude pression en entrée de la BBI

Et à l’écart entre la valeur de pesanteur estimée g_est calculée par le calculateur C et utilisée dans la boucle baro-inertielle et la pesanteur apparente locale réelle.

[0010] La boucle de correction est un correcteur d’ordre 3 comprenant trois gains K1 à K3. Ces gains sont prédéterminés en fonction de la chaîne anémométrique du système aéroporté qui embarque la boucle baro-inertielle. Ces gains peuvent être fonction par exemple d’erreurs maximales, de dépassement d’erreur et de vitesses de convergence souhaités. Des contraintes particulières s’appliquent par exemple pour des systèmes aéroportés qui manœuvrent très fortement en axe vertical, impliquant des gains K1 à K3 différents de gains K1 à K3 utilisés pour des avions commerciaux civils. Ces gains sont multipliés à la différence entre l’altitude barométrique BA et la position verticale baro-inertielle Zbi ou à cette différence intégrée par l’intégrateur I3. Ces corrections résultant de la multiplication de chaque gain avec la différence entre l’altitude barométrique BA et la position verticale baro-inertielle Zbi ou avec cette différence intégrée par l’intégrateur 13 sont ajoutées à différents endroits de la boucle inertielle « supérieure ». Par exemple, la correction issue de la multiplication du gain K1 avec la différence entre l’altitude barométrique BA et la position verticale baro- inertielle Zbi est ajoutée à la vitesse baro-inertielle Vzbi, avant l’intégrateur I2. La correction issue de la multiplication du gain K2 avec la différence entre l’altitude barométrique BA et la position verticale baro-inertielle Zbi est ajoutée à l’accélération Acc, avant l’intégrateur 11 et la correction CorrGz issue de la multiplication du gain K3 avec la différence entre l’altitude barométrique BA et la position verticale baro-inertielle Zbi intégrée par I3 est aussi ajoutée à l’accélération Acc, avant l’intégrateur 11 .

[0011] Un problème survient lorsque le baro-altimètre est bouché ou endommagé. La correction de l’accélération « inertielle » n’est plus possible et les données ne sont plus fiables. Par exemple, comme montré à la Figure 2, l’altitude issue de la boucle baro-inertielle (« Z bbi ») est figée entre 300 et 1200ms, alors que le système aéroporté descend : son altitude vraie Z décroit.

[0012] Pour pallier cela, certains systèmes utilisent en parallèle une pluralité de baro-altimètres pour consolider les valeurs d’« altitude pression » utilisées. Cette solution est cependant coûteuse et rend le système plus complexe. De plus, il faut au moins 3 sources indépendantes pour isoler la panne.

[0013] Il existe donc un besoin de pouvoir détecter une défaillance d’un baroaltimètre utilisé dans une boucle baro-inertielle de manière simple et peu coûteuse.

RESUME DE L’INVENTION

[0014] L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant de détecter rapidement et simplement la défaillance d’un baro-altimètre utilisé dans une boucle baro-inertielle. Cette indication de panne étant déclenchée, une procédure de correction peut alors être réalisée, par exemple une commande peut alors être envoyée par le système pour changer la source des informations de baro-altitude de l’équipement.

[0015] Un aspect de l’invention concerne un procédé de détection d’une défaillance d’un baro-altimètre, le baro-altimètre étant compris dans un système aéroporté, le système aéroporté comprenant au moins un accéléromètre et au moins un processeur implémentant une boucle baro-inertielle, la boucle baro-inertielle prenant en entrée au moins une accélération verticale provenant d’au moins une mesure de l’accéléromètre et au moins une altitude barométrique provenant d’au moins une mesure du baro-altimètre, la boucle baro-inertielle étant configurée pour : fournir, à partir de l’accélération verticale, au moins une position verticale et au moins une vitesse verticale corriger, à partir et de l’altitude barométrique et d’au moins un gain de correction de position, d’au moins un gain de correction de vitesse verticale et d’au moins un gain de correction d’accélération verticale, la position verticale et la vitesse verticale, le procédé étant mis en œuvre par le processeur implémentant la boucle baro-inertielle et étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de détection d’une défaillance du baro-altimètre lorsqu’une valeur de correction issue du gain de correction d’accélération verticale est supérieur à un seuil prédéterminé.

[0016] Grâce à l’invention, il est possible de détecter une défaillance du baroaltimètre au sein d’une boucle baro-inertielle, de manière simple et rapide. L’invention exploite un coefficient de correction du bouclage baro-altimétrique d’une boucle baro- inertielle afin de détecter une mesure figée alors que la dynamique verticale de l’aéronef est non nulle. La surveillance de ce terme correctif, avec des seuils choisis judicieusement afin d’éviter les fausses alarmes dues à la dispersion de fabrication/vieillissement des capteurs et à la variabilité des caractéristiques de l’atmosphère, permet donc de détecter un comportement anormal du baro-altimètre, et ainsi de déclencher une alerte de défaillance.

[0017] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de détection d’une défaillance d’un baro-altimètre selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : l’accéléromètre est compris dans une centrale i nertiel le, la règle est vérifiée lorsque la valeur de correction issue du gain de correction d’accélération verticale est supérieure ou égale au seuil prédéterminé, et le seuil prédéterminé est de l’ordre de grandeur de 0.03 m/s ² . le procédé comprend en outre une étape d’émission d’une alerte lorsqu’une défaillance du baro-altimètre a été détectée à l’étape de détection.

[0018] Un autre aspect de l’invention concerne un système aéroporté comprenant au moins : un baro-altimètre, un accéléromètre et un processeur implémentant une boucle baro-inertielle, la boucle baro- inertielle prenant en entrée au moins une accélération verticale provenant d’au moins une mesure de l’accéléromètre et au moins une altitude barométrique provenant d’au moins une mesure du baro-altimètre, la boucle baro-inertielle étant configurée pour : fournir, à partir de l’accélération verticale, au moins une position verticale et au moins une vitesse verticale corriger, à partir et de l’altitude barométrique et d’au moins un gain de correction de position, d’au moins un gain de correction de vitesse verticale et d’au moins un gain de correction d’accélération verticale, la position verticale et la vitesse verticale, le système étant caractérisé en ce que le processeur est configuré pour mettre en œuvre le procédé de détection d’une défaillance du baro-altimètre selon l’invention.

[0019] Un autre aspect de l’invention concerne un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé selon l’invention.

[0020] Un autre aspect de l’invention concerne un support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé selon l’invention.

[0021] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0022] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

La figure 1 montre une représentation schématique d’une boucle baro- inertielle connue,

La figure 2 montre une représentation schématique d’altitudes et d’écart d’altitudes en cas de défaillance de baro-altimètre,

La Figure 3 montre une représentation schématique d’un système mettant en œuvre le procédé selon l’invention,

La Figure 4 montre une représentation schématique du procédé selon l’invention,

La Figure 5 montre une représentation schématique d’une boucle baro- inertielle modifiée selon l’invention,

La Figure 6 montre une représentation schématique des valeurs du paramètre de test calculé selon l’invention avec son seuil de détection de panne.

DESCRIPTION DETAILLEE

[0023] Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

[0024] La Figure 3 montre une représentation schématique d’un système mettant en œuvre le procédé de détection d’une défaillance d’un baro-altimètre selon l’invention.

[0025] Un système pour mettre en œuvre l’invention comprend au moins un accéléromètre A, un baro-altimètre BA et un processeur P. Le système S de la Figure 3 comprend aussi un système de navigation Nav.

[0026] L’accéléromètre A est configuré pour fournir au moins une donnée de force spécifique verticale F_specZ au processeur P. L’accéléromètre A peut par exemple être compris dans une centrale inertielle CIN ou dans une AHRS. Le baro-altimètre BA est configuré pour fournir au moins une donnée d’altitude barométrique Zbaro au processeur P. Le processeur P implémente une boucle baro-inertielle BBI et est configuré pour mettre en œuvre le procédé de détection d’une défaillance d’un baro- altimètre selon l’invention. De manière optionnelle, lorsque le système S comprend le système de navigation Nav, le processeur P est en outre configuré pour transmettre au système de navigation Nav au moins une donnée de vitesse verticale baro-inertielle Vzbi issue de la boucle baro-inertielle BBI et/ou au moins une donnée de position verticale baro-inertielle Zbi issue de la boucle baro-inertielle BBI.

[0027] Le système S est un système aéroporté, c’est-à-dire qu’il est transporté par voie aérienne, en étant embarqué dans un dispositif ou un système ayant la capacité de naviguer par les airs, tel qu’un aéronef, par exemple un avion ou un hélicoptère. L’invention couvre les cas où les différents composants du système S ne sont pas embarqués dans le même dispositif et/ou système naviguant par les airs. Il est nécessaire qu’au moins l’accéléromètre A et le baro-altimètre BA soient compris dans le même dispositif et/ou système baignant dans l’atmosphère terrestre.

[0028] Le processeur P est configuré pour mettre en œuvre le procédé de détection d’une défaillance d’un baro-altimètre selon l’invention. La Figure 4 montre une représentation schématique du procédé 1 de détection d’une défaillance d’un baro-altimètre selon l’invention.

[0029] La défaillance du baro-altimètre BA est détectée directement dans la boucle baro-inertielle BBI, comme représenté à la Figure 5, qui montre une représentation schématique d’une boucle baro-inertielle BBI pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention. La boucle baro-inertielle BBI est une boucle numérique, implémentée par le processeur P. Pour implémenter la boucle baro-inertielle BBI, le système S comprend en outre une mémoire (non représentée) stockant des instructions qui, lorsqu’elles sont exécutées par le processeur P, conduisent le processeur P à mettre en œuvre la boucle baro-inertielle BBI.

[0030] La boucle baro-inertielle BBI de la Figure 5 est une boucle baro-inertielle classique, à laquelle est ajoutée un test. Ce test est effectué sur la valeur calculée de correction d’accélération CorrGz en sortie du gain K3. Celui-ci est utilisé avant l’intégration, avec l’intégrateur 11 , de l’accélération estimée yZ dans la boucle inertielle « supérieure ». Il permet de détecter rapidement une défaillance car des valeurs aberrantes d’accélération sont rapidement atteintes lors de mauvais fonctionnement du baro-altimètre. On entend par « défaillance du baro-altimètre » un fonctionnement en dehors de son fonctionnement normal, c’est-à-dire qu’il fournit des valeurs non réalistes, par exemple car il est bouché, abimé, en panne ou a un défaut. Ces valeurs aberrantes sont représentées à la Figure 6, qui montre une représentation schématique des valeurs issues des gains de correction K1 à K3 dans le cas d’une défaillance du baro-altimètre BA. La Figure 6 montre que la valeur de correction issue du gain de correction de l’accélération K3 prend des valeurs aberrantes bien plus tôt que les gains de correction de la vitesse K2 et de la position verticale K1 . Ainsi, choisir un seuil en valeur absolue de la valeur de correction issue du gain de correction d’accélération K3 permet une détection plus rapide et fiable. La défaillance est détectée à t~400s, soit très peu de temps après le changement d’altitude du système embarquant le système aéroporté S, le changement d’altitude étant représenté à la Figure 2.

[0031] Le procédé 1 de détection d’une défaillance d’un baro-altimètre selon l’invention comprend ainsi au moins une étape 11 de détection d’une défaillance du baro-altimètre BA lorsque le gain de correction d’accélération verticale vérifie une règle basée sur un seuil prédéterminé SP. Préférentiellement, la règle est vérifiée lorsque la valeur de correction issue du gain de correction d’accélération verticale K3 est supérieure ou égale au seuil prédéterminé SP, préférentiellement encore en valeur absolue.

[0032] Le seuil est choisi de manière à détecter une défaillance du baro-altimètre BA tout en limitant le nombre de fausses alarmes. Il doit donc être pondéré en fonction d’un taux de fausses alarmes. Ce seuil est à déterminer en fonction des amplitudes d’erreurs fixes et variable des accéléromètres et de niveau de bruit des mesures de pression statique servant à élaborer l’altitude baro-inertielle Zbi et en tenant compte de l’erreur de pesanteur vulgaire calculée, variable en fonction de la position sur Terre et de l’altitude. Ce seuil peut être choisi avec une valeur d’un ordre de grandeur de 0.03 m/s ² . Une valeur de seuil de 0.03 m/s ² n’est qu’une valeur typique adaptée à des matériels de navigation i nertiel le utilisés en aéronautique et l’invention n’est pas limitée à cette valeur.

[0033] Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le procédé 1 de détection d’une défaillance du baro-altimètre BA comprend en outre une étape 12 d’émission d’une alerte lorsqu’une défaillance du baro-altimètre BA a été détectée à l’étape 11 de détection. Cela permet d’alerter par exemple le personnel naviguant à bord de l’aéronef embarquant le système aéroporté. Cette alerte peut être visuelle ou auditive, et est préférentiellement sous la forme d’au moins un signal électrique émis par le processeur mettant en œuvre le procédé 1 de détection d’une défaillance d’un baroaltimètre selon l’invention. Il est à noter que lorsque le système embarquant le système aéroporté S est dans une trajectoire « stabilisée », la correction reconverge et donc l’alarme est « transitoire ». Il est donc nécessaire de prévoir un mécanisme qui va déclencher l’alarme si le seuil est dépassé, mais qui ne la fera pas disparaitre ensuite. Il est donc à prévoir une autre surveillance pour lever l’alarme, qui est hors de la portée de cette invention.

[0034] L’invention est applicable à tout type d’équipement inertiel susceptible de fournir une information verticale comprenant un baro-altimètre, et permet une détection rapide et fiable de défaillance d’un baro-altimètre. Elle permet ainsi de fiabiliser le comportement d’un aéronef, éventuellement en basculant l’entrée d’altitude barométrique de la boucle baro-inertielle BBI sur un autre baro-altimètre que le baroaltimètre BA, lorsqu’au moins un baro-altimètre redondant est prévu. Le seuil permet de choisir la sensibilité de déclenchement de la détection et donc de limiter les fausses alertes.