Procédé et dispositif pour déterminer la position au sol d'un mobile, en particulier d'un avion sur un aéroport.

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer la position au sol d'un mobile, en particulier d'un avion sur un aéroport.

Dans le cadre d'une fonction de navigation aéroportuaire (qui per- met d'afficher sur un écran du poste de pilotage d'un avion une carte d'aéroport sur laquelle est indiquée la position courante de l'avion), il est nécessaire de connaître la position exacte de l'avion lorsqu'il se trouve sur le sol. La précision et le taux de rafraîchissement de cette position sont des paramètres déterminants pour assurer la crédibilité de l'information affichée, par rapport aux repères extérieurs visibles par le pilote de l'avion. La disponibilité de cette position, avec les performances adéquates, doit être garantie pour toutes les surfaces aéroportuaires susceptibles d'accueillir des avions équipés d'un tel dispositif, ce qui suppose que la détermination de la position soit réalisée sans reposer uniquement sur l'utilisation d'éventuels équipements disponibles au sol pour améliorer le calcul, étant donné que de tels équipements ne sont pas prévus sur tous les aéroports.

Pour déterminer la position de l'avion, on utilise généralement un ensemble de réception qui est associé à un système de positionnement par satellites, notamment de type GPS ("Global Positioning System" en anglais), par exemple Navstar, Galileo, GNSS, GLONASS. Cet ensemble de réception comporte de façon usuelle une antenne de réception qui est montée sur le toit de l'avion, ainsi qu'un récepteur qui est relié à cette antenne et qui engendre des données de position de l'avion, à partir de signaux détectés par ladite antenne. Toutefois, un tel ensemble de positionnement délivre les données de position, c'est-à-dire une

information sur la position de l'avion, pour les besoins de la navigation en vol uniquement toutes les secondes, ce qui est insuffisant pour les besoins en navigation aéroportuaire, puisqu'une telle fréquence de délivrance ne permet pas de restituer de façon satisfaisante les déplacements de l'avion.

La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un procédé pour déterminer, de façon précise et avec un taux de rafraîchissement élevé, la position au sol d'un mobile quelconque, et en particulier d'un avion qui est situé sur un aéroport. A cet effet, selon l'invention, ledit procédé selon lequel on utilise des données de position émises de façon périodique ainsi que des données inertielles, est remarquable en ce que : A/ à chaque émission de données de position, on utilise ces données de position pour déterminer la position du mobile ; et B/ entre deux émissions successives de données de position, on prend en compte lesdites données inertielles, et : a) on divise l'espace de temps entre ces deux émissions successives en une pluralité de plages temporelles de même durée, délimitées par des temps intermédiaires ; b) à chacun desdits temps intermédiaires, on détermine une vitesse- inertielle du mobile à partir des données inertielles correspondantes ; c) pour chaque plage temporelle, on calcule la moyenne des vitesses inertielles des deux temps intermédiaires délimitant cette plage temporelle, et on en déduit Ie déplacement au sol du mobile durant ladite plage temporelle ; et d) pour chaque temps intermédiaire, on détermine la position du mobile, à partir de sa position au temps intermédiaire précédent et à partir de son déplacement durant Ia plage temporelle délimitée par ces deux temps intermédiaires correspondants, courant et précédent.

Ainsi, grâce à l'invention, on détermine la position du mobile à une fréquence qui est plus élevée que la fréquence d'émission des données de position, ce qui permet notamment de satisfaire le besoin d'un taux de rafraîchissement élevé de la position d'un avion dans le cadre d'une navi- gation aéroportuaire.

La présente invention tient compte du fait que les données de position (qui sont de préférence des données engendrées par un récepteur qui est monté sur le mobile et qui coopère avec un système usuel de positionnement par satellites, par exemple de type GPS, sont les données disponibles qui sont les plus précises. Aussi, on utilise ces données de position pour déterminer la position du mobile à chaque fois qu'elles sont émises (étape A/). De plus, pour obtenir des informations sur la position du mobile entre deux émissions successives de telles données de position, on prend en compte les données inertielles qui sont de préférence des données engendrées par une centrale inertielle dudit mobile (étape B/). La position du mobile obtenue à partir desdites données inertielles est certes moins précise (en général) que celle obtenue à partir des données de ^" position, mais elle est émise à une fréquence beaucoup plus élevée et permet donc de combler l'absence d'informations entre deux émissions de données de position.

La présente invention s'applique à tout type de mobile se déplaçant sur le sol et comportant des moyens de type quelconque qui sont susceptibles d'engendrer des données de position et des données inertielles. Dans un premier mode de réalisation simplifié, aux étapes B/c) et

B/d), on détermine la position du mobile à l'aide des expressions suivantes : x _i+1 = x _{i +} [(Vx _i+l + V _Xi ).dt] /2

Yi ₊₁ = Yi + [(Vy ₁₊₁ + Vy,).dt] /2

dans lesquelles :

- x _{i+ 1} et y _{i+ 1} sont les coordonnées dans un plan horizontal de ladite position du mobile à un temps intermédiaire t _{i+ 1} ;

- X ₁ et Y ₁ sont les coordonnées dans le plan horizontal de ladite position du mobile à un temps intermédiaire t _| précédent ;

- Vx _{i+ 1} et Vy _{1+ 1} sont les coordonnées dans le plan horizontal de la vitesse inertielle du mobile au temps intermédiaire t _{i+ 1} ;

- Vx. et Vy ₁ sont les coordonnées dans le plan horizontal de la vitesse inertielle du mobile au temps intermédiaire t, ; et - dt est la durée de la plage temporelle.

En outre, dans un second mode de réalisation permettant de corriger une éventuelle erreur due à une dérive lente d'une centrale inertielle utilisée le cas échéant pour engendrer les données inertielles, aux étapes B/c) et B/d), on détermine la position du mobile à l'aide des expres- sions suivantes : x _i+ i = Xi + [( ^vx i ₊₁ + ^vx i)-dt]/ 2 Yi _+I = Yi + [(vy _i+1 + v _yi ).dt]/2 vx _i+1 = Vx ₁ + (Vx ₁₊₁ - Vx ₁ ) vy _i+1 = vy, + (Vy ₁₊₁ - Vy ₁ ) dans lesquelles, en plus des paramètres précités, Vx ₁ et Vy ₁ sont des vitesses calculées qui sont recalées sur la vitesse d'une antenne de réception associée au récepteur précité et utilisée pour engendrer les données de position, à chaque émission desdites données de position.

De préférence, lesdites données inertielles correspondent directement à des vitesses inertielles. Toutefois, dans un mode de réalisation particulier, lesdites données inertielles peuvent également correspondre à des accélérations qui sont utilisées pour déterminer lesdites vitesses inertielles.

Ceci permet notamment d'augmenter Ia fréquence de calcul de la position du mobile, puisque les accélérations sont délivrées à une fréquence plus élevée que les vitesses inertielles. Dans ce cas, les accélérations sont utilisées pour effectuer une extrapolation inertielle entre deux informations successives de vitesse inertielle.

Dans un mode de réalisation particulier, à chaque émission de données de position :

- on détermine une première position du mobile, à partir des données inertielles, conformément à l'étape B/ précitée ; - on calcule l'écart entre cette première position et une seconde position obtenue à l'aide desdites données de position émises ; et

- on utilise comme position du mobile : ladite première position, si l'écart ainsi calculé est supérieur ou égal à une première valeur prédéterminée et est inférieur à une seconde valeur prédéterminée ; et ladite seconde position, si ledit écart est inférieur à ladite première valeur prédéterminée.

Ce dernier mode de réalisation permet de surveiller et le cas échéant de filtrer d'éventuelles erreurs de données de position de durée limitée (limite prédéterminée).

En outre, avantageusement, à une étape C/ suivante, on affiche sur un écran de visualisation une carte illustrant l'environnement du mobile (par exemple une carte d'aéroport), qui est munie d'un symbole indiquant Ia position dudit mobile telle que déterminée aux étapes A/ et B/d) . Dans ce cas, avantageusement :

- on collecte des informations de précision concernant la précision desdites données de position ;

- on détermine une erreur potentielle de position du mobile, à partir de ces informations de précision ; et

- on met en évidence sur ladite carte, autour dudit symbole, une zone illustrant ladite erreur potentielle de position du mobile.

La présente invention concerne également un dispositif embarqué pour déterminer la position au sol d'un mobile quelconque, en particulier d'un avion se déplaçant sur un aéroport.

Selon l'invention, ledit dispositif du type comportant :

- des premiers moyens pour émettre de façon périodique des données de position ; et

- des deuxièmes moyens pour émettre des données inertielles, est remarquable en ce qu'il comporte, de plus :

- des troisièmes moyens pour déterminer la position du mobile à chaque émission de données de position, à partir desdites données de position ; et

- des quatrièmes moyens pour déterminer la position du mobile à partir des données inertielles, entre deux émissions successives de données de position, l'espace de temps entre deux émissions successives étant divisé en une pluralité de plages temporelles de même durée séparées par des temps intermédiaires, lesdits quatrièmes moyens comprenant :

• des moyens pour déterminer, à chacun desdits temps intermédiai- res, une vitesse inertielle à partir des données inertielles correspondantes ;

• des moyens calculant, pour chaque plage temporelle, la moyenne des vitesses inertielles des deux temps intermédiaires délimitant cette plage temporelle et en déduisant le déplacement au sol du mobile durant ladite plage temporelle correspondante ; et des moyens pour déterminer, pour chaque temps intermédiaire, la position du mobile, à partir de sa position au temps intermédiaire précédent et à partir de son déplacement durant la plage temporelle

délimitée par ces deux temps intermédiaires correspondants, courant et précédent.

Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif conforme à l'invention comporte, de plus, des cinquièmes moyens pour présenter, sur un écran de visualisation, une carte qui illustre l'environnement du mobile et qui est munie d'un symbole indiquant la position du mobile, telle que déterminée par lesdits troisième et quatrième moyens. En outre, de façon avantageuse :

- lesdits premiers moyens comportent un récepteur (associé à une an- tenne) qui est monté sur le mobile et qui coopère avec un système usuel de positionnement par satellites ; et/ou

- lesdits deuxièmes moyens comportent au moins une centrale inertielle dudit mobile.

L'unique figure du dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Cette figure unique est le schéma synoptique d'un dispositif conforme à l'invention.

Le dispositif 1 conforme à l'Invention et représenté schématique- ment sur la figure est embarqué sur un mobile (non représenté), en particulier un avion, qui se déplace sur le sol, et il est destiné à déterminer la position courante au sol dudit mobile, par exemple la position sur un aéroport dans le cas d'un avion.

Pour ce faire, ledit dispositif 1 est du type comportant :

- des moyens 2 précisés ci-dessous, pour émettre de façon périodique des données de position ; et - des moyens 3, également précisés ci-dessous, pour émettre (en général également de façon périodique) des données inertielles du mobile. Selon l'invention, ledit dispositif 1 comporte, de plus :

- des moyens 4 pour déterminer de façon usuelle la position du mobile à partir de données de position reçues, et ceci à chaque émission par les-

dits moyens 2 de telles données de position. Lesdites données de position sont émises par exemple toutes les secondes ; et - des moyens 5 pour déterminer la position du mobile à partir de données inertielles émises par lesdits moyens 3, et ceci entre deux émissions successives de données de position. Pour ce faire, l'espace de temps

Tc entre deux émissions successives de données de position est divisé en une pluralité de plages temporelles δT (par exemple en dix plages temporelles) de même durée, séparées par des temps intermédiaires T ₁ , i étant un entier. A cet effet, lesdits moyens 5 comprennent les moyens intégrés suivants : des moyens pour déterminer, à chacun desdits temps intermédiaires T,, une vitesse inertielle à partir des données inertielles correspondant audit temps intermédiaire ; • des moyens calculant, pour chaque plage temporelle δT, la moyenne des vitesses inertielles des deux temps intermédiaires délimitant cette plage temporelle, et en déduisant le déplacement au sol du- mobile durant cette plage temporelle δT ; et des moyens pour déterminer, pour chaque temps intermédiaire cou- rant (T ₁ par exemple), la position du mobile, à partir de sa position au temps intermédiaire précédent (T _M par exemple) et à partir de son déplacement durant la plage temporelle délimitée par ces deux temps intermédiaires, courant et précédent (par exemple T ₁ et T _n pour le temps intermédiaire courant T _j ). Ces différents calculs sont réalisés dans un plan horizontal représentant le sol de sorte que chaque paramètre de position et de vitesse comprend deux coordonnées.

Ledit dispositif 1 comporte, de plus, des moyens 6 qui sont reliés par l'intermédiaire de liaisons 7 et 8 respectivement auxdits moyens 4 et

5, et qui reçoivent les positions déterminées par ces moyens 4 et 5 et les mettent en forme, le cas échéant, avant de les transmettre à des moyens d'affichage 9.

Ces moyens d'affichage 9 comprennent au moins un écran de visualisation 1 0 usuel et sont formés de manière à présenter sur cet écran de visualisation 1 0 une carte non représentée, qui illustre l'environnement du mobile et qui est munie d'un symbole indiquant la position courante du mobile, telle que transmise par lesdits moyens 6. Cette position courante est mise à jour de façon périodique sur l'écran de visualisation 1 0 à chaque nouvelle génération d'une valeur de position courante.

Dans l'exemple d'un avion, ladite carte peut être une carte d'aéroport montrant au moins une partie de l'aéroport sur laquelle se situe et éventuellement se déplace l'avion, et ledit symbole est un symbole illustrant la position dudit avion sur ledit aéroport.

Dans un mode de réalisation particulier, lesdits moyens 4, 5 et 6 sont regroupés dans une unité centrale 1 1 qui est reliée par l'intermédiaire de liaisons 1 2, 1 3 et 14 respectivement auxdits moyens 2, auxdits moyens 3 et auxdits moyens d'affichage 9.

En outre, dans un mode de réalisation particulier :

- lesdits moyens 2 comportent un récepteur usuel 1 5 qui est relié par l'intermédiaire d'une liaison 1 6 à une antenne 1 7 disposée sur le mobile, par exemple sur le toit d'un avion, qui coopère avec un système usuel de positionnement par satellites, de préférence de type GPS (par exemple Navstar, Galileo, GNSS, GLONASS), et qui fournit de façon périodique (généralement toutes les secondes pour les besoins de la navigation en vol), des données de position. Ces données de position

permettent aux moyens 4 d'en déduire (périodiquement) de façon usuelle la position courante du mobile ; et/ou - lesdits moyens 3 comportent au moins une centrale inertielle usuelle dudit mobile. Ainsi, le dispositif 1 conforme à l'invention détermine la position du mobile à une fréquence qui est plus élevée que la fréquence d'émission (par les moyens 2) des données de position, ce qui permet notamment de satisfaire le besoin d'un taux de rafraîchissement élevé de la position d'un avion dans le cadre d'une navigation aéroportuaire. La présente invention tient compte du fait que les données de position (qui sont des données engendrées par le récepteur 1 5 des moyens 2 qui coopèrent avec un système usuel de positionnement par satellites) sont les données disponibles utilisées qui sont les plus précises. Aussi, le dispositif 1 prend en compte ces données de position (par l'intermédiaire des moyens 4) pour déterminer la position du mobile à chaque fois qu'elles sont émises. De plus, pour obtenir des informations sur la position du mobile entre deux émissions successives de telles données de position, ledit dispositif 1 prend en compte (par l'intermédiaire des moyens 5) les données inertielles engendrées par les moyens 3. La position du mobile obtenue à partir desdites données inertielles est certes moins précise (en général) que celle obtenue à partir des données de position, mais elle est émise à une fréquence beaucoup plus élevée et permet donc de combler l'absence d'informations entre deux émissions de données de position.

La présente invention s'applique à tout type de mobile se dépla- çant sur le sol et comportant des moyens 2, 3 (de type quelconque) qui sont susceptibles d'engendrer des données de position et des données inertielles. Toutefois, une application préférée concerne une aide à Ia navigation aéroportuaire d'un avion, du type précité.

Dans un premier mode de réalisation simplifié, lesdits moyens 5 déterminent Ia position du mobile à l'aide des expressions suivantes : x _i+1 = x, + [(Vx ₁₊₁ + Vx,).dt] / 2

Y _1+I = Yi + [(Vy ₁₊₁ + Vy,).dt] / 2 dans lesquelles : - x _{i+ 1} et y _{i+ 1} sont les coordonnées dans un plan horizontal de ladite position du mobile à un temps intermédiaire t _{i+ 1} courant ;

- X _j et y _j sont les coordonnées dans le plan horizontal de ladite position du mobile à un temps intermédiaire t, précédent ;

- Vx _{1+ 1} et Vy _{i+ 1} sont les coordonnées dans le plan horizontal de la vitesse inertielle du mobile au temps intermédiaire t _{i+ 1} ;

- Vx, et Vy ₁ sont les coordonnées dans le plan horizontal de la vitesse inertielle du mobile au temps intermédiaire t _| ; et

- dt est la durée de la plage temporelle δt.

Pour améliorer la prise en compte du déplacement du mobile sur chaque plage temporelle δt et tenir compte de l'échantillonnage, les moyens 5 effectuent donc une moyenne arithmétique sur deux valeurs de vitesse inertielle prises au début et à Ia fin de cette plage temporelle δt.

On sait que les vitesses inertielles peuvent être entachées d'une erreur due, le cas échéant, à la dérive lente d'une centrale inertielle 3. Cette erreur est absolue (c'est-à-dire elle correspond à une composante continue). Aussi, pour essayer de s'affranchir d'une telle erreur, lesdits moyens 5 déterminent la position du mobile à l'aide des expressions suivantes :

]/ 2 ]/ 2

dans lesquelles, en plus des paramètres précités, VX _; et vy, sont des vitesses calculées qui sont recalées sur la vitesse de l'antenne de réception 17 associée au récepteur 1 5 desdits moyens 2 qui sont utilisés pour engen- drer les données de position. Ce recalage est réalisé à chaque émission desdites données de position.

De préférence, lesdites données inertielles correspondent directement à des vitesses inertielles Vx et Vy, ce qui simplifie le calcul de la position du mobile à l'aide des expressions précédentes. Toutefois, dans un mode de réalisation particulier, lesdites données inertielles peuvent également correspondre à des accélérations qui sont utilisées pour déterminer lesdites vitesses inertielles Vx et Vy. Ceci permet notamment d'augmenter la fréquence de calcul de la position du mo-hile, puisque de façon usuelle les accélérations sont délivrées (généralement toutes les 20 ms) à une fré- quence plus élevée que les vitesses inertielles (délivrées généralement toutes les 100 ms). Dans ce cas, les accélérations sont utilisées pour effectuer une extrapolation inertielle entre deux informations successives de Ia vitesse inertielle, qui sert de référence à son tour pour le recalage de ce sous-algorithme. Le reste de l'algorithme reste inchangé. Dans un mode de réalisation particulier, à chaque émission de données de position :

- lesdits moyens 5 déterminent une première position du mobile à l'aide des données de position et des données inertielles, de la manière précitée ;

- les moyens 4 déterminent, comme indiqué précédemment, une seconde position du mobile à partir desdites données de position reçues des moyens 2 ; et

- lesdits moyens 6 calculent l'écart entre ces première et seconde posi- tions, et en déduisent que la position du mobile (choisie et utilisée pour l'affichage) correspond à :

• ladite première position, si l'écart ainsi calculé est supérieur ou égal à une première valeur prédéterminée (et est inférieur à une seconde valeur prédéterminée) ; et • ladite seconde position, si ledit écart est inférieur à ladite première valeur prédéterminée.

Ce dernier mode de réalisation permet de surveiller et, Ie cas échéant, de filtrer d'éventuelles erreurs de données de position, de durée limitée (limite prédéterminée). On sait que dans le cas de moyens 2 de type GPS, le récepteur 15 est susceptible de fournir des valeurs usuelles HDOP, HFOM et HIL qui représentent des informations de précision et donnent des indications en temps réel sur la qualité des informations de localisation (données de position) émises. Aussi, Ie dispositif 1 conforme à l'invention comporte, de plus, des moyens 18 qui sont par exemple- intégrés dans l'unité centrale 1 1 et qui reçoivent des informations de précision du type précité et déterminent une erreur potentielle de position du mobile à partir de ces informations de précision, en les combinant avec Ia précision connue des données cartographiques utilisées par les moyens d'affichage 9. Lesdits moyens 18 peuvent transmettre cette erreur potentielle auxdits moyens d'affichage 9 pour qu'ils mettent en évidence sur ladite carte, autour du symbole illustrant la position courante du mobile, une zone qui illustre ladite erreur potentielle du mobile, c'est-à-dire une zone dans laquelle le mobile se trouve avec une certaine probabilité.

Connaissant l'échelle courante utilisée par les moyens d'affichage 9, la projection utilisée pour la représentation de la carte et les caractéristiques de l'écran 10, il est possible d'en déduire une erreur potentielle d'affichage sur l'écran 10 (en pixels) avec une certaine probabilité. En fonction de l'erreur (et éventuellement de sa probabilité associée), on peut prévoir des moyens (non représentés) pour prévenir le pilote (par exemple sous forme d'alertes sonores et/ou visuelles) d'un risque d'incohérence entre la précision de la position du mobile et le détail de la carte. Ces alertes peuvent aller du simple message adressé au pilote à l'interdiction d'utiliser certaines échelles d'affichage pour les moyens d'affichage 9.