FR2824393A1 - Procede et dispositif de navigation longue duree - Google Patents
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Abstract
Au moyen d'un coeur inertiel (3) monté sur un porteur pour en mesurer des mouvements par rapport à un repère géographique de directions fixes selon trois axes Xg, Yg, Zg, le procédé comprend des actions consistant à mesurer en permanence au moyen du coeur inertiel (3), une orientation d'un repère lié au coeur inertiel Xm, Ym, Zm, dans le repère géographique, des actions de positionnement consistant à appliquer un enchaînement de cycles de huit retournements du coeur inertiel (3) qui maintiennent chacun l'axe Ym dans une direction parallèle à l'axe Yg, une succession de deux retournements autour de l'axe Xm étant précédée et suivie par un retournement autour de l'axe Zm, une succession de deux retournements autour de l'axe Zm étant précédée et suivie par un retournement autour de l'axe Xm. Le dispositif comprend un premier moteur (5) pour faire pivoter un joint cardan (2) sur un premier axe matériel (4) solidaire du porteur, un deuxième moteur (7) pour faire pivoter le coeur inertiel (3) autour d'un deuxième axe matériel (6) perpendiculaire au premier axe matériel (4) et solidaire du joint cardan (2) et un processeur (12) pour calculer trois angles d'attitude en exécutant un premier programme de navigation inertielle de type à composants liés et pour commander les premier et deuxième moteur (5, 7) en exécutant un deuxième programme qui place, en utilisant les angles d'attitude calculés, le coeur inertiel (3) dans une succession de positions angulaires stables par rapport audit repère de directions fixes selon un enchaînement de cycles de huit retournements du coeur inertiel (3) dans au moins deux plans perpendiculaires, chacun d'orientation constante dans le repère de directions fixes.
Description
boîtier (30).
PROCEDE ET DISPOSITIF DE NAVIGATION LONGUE DUREE
Le domaine de l'invention est celui de la navigation longue durée
d'un porteur au moyen d'une centrale de navigation inertielle.
On conna^'t différents types de porteurs tels que des avions, des navires ou des véhicules terrestres dont la navigation nécessite la connaissance de la position, de la vitesse et de l'attitude (cap, roulis et tangage). Une centrale de navigation inertielle moderne comprend généralement des capteurs inertiels tels des gyromètres et des accéléromètres, qui sont fixés solidairement sur le porteur (centrale dite " à
composants liés " ou " strapdown " en anglais).
Les gyromètres mesurent des rotations angulaires et permettent d'asservir une plate-forme analytique à rester fixe dans un repère géographique. Les accéléromètres mesurent des accélérations, mesures qui sont projetées dans cette plate-forme analytique puis intégrées une première
fois pour fournir la vitesse, puis une seconde fois pour fournir la position.
L'attitude est obtenue par extraction des 3 angles de passage du repère
porteur au repère de la plate-forme analytique.
La précision d'une centrale de navigation inertielle dépend directement des erreurs des capteurs inertiels (gyromètres et accéléromètres), et plus précisément de la projection de ces erreurs dans le repère
géographique local.
Pour une centrale de navigation à composants liés, la projection de ces erreurs dépend essentiellement de la trejectoire du porteur, elle ne peut
donc pas être ma^'trisée.
La précision d'une centrale de navigation à composants liés est donc limitée par la précision intrinsèque de ces capteurs. Dans le cas d'une navigation inertielle de longue durée, les erreurs de position dépendent en
particulier de la précision des gyromètres.
Pour améliorer la précision de navigation longue durée d'une centrale inertielle à composants liés, I'invention a pour objet un procédé de navigation au moyen d'un c_ur inertiel à composants liés monté sur un dispositif mécanique permettent de placer ce c_ur dans différentes positions successives afin de moyenner les erreurs des gyromètres projetées dans le
repère géographique local.
Les informations d'attitude en so rtie de la central e i nertiel le à composants liés permettent de piloter directement le dispositif mécanique afin de placer successivement le c_ur dans différentes positions sensiblement
fixes par rapport au repère géographique local.
Plus précisément, I'invention a pour objet un procédé de navigation longue durée au moyen d'un c_ur inertiel auquel est associé un repère lié d'axes Xm, Ym, Zm, monté sur un porteur pour en mesurer des mouvements par rapport à un repère géographique de directions fixes selon trois axes Xg, Yg, Zg, caractérisé en ce qu'il comprend: - des actions de mesure consistant à mesurer en permanence au moyen du c_ur inertiel, une orientation du repère lié dans le repère géographique; - des actions de positionnement consistant à appliquer un enchanement de cycles de huit retournements du c_ur inertiel qui maintiennent chacun l'axe Ym dans une direction parallèle à l'axe Yg, une succession de deux retournements autour de l'axe Xm étant précédée et suivie par un retournement autour de l'axe Zm, une succession de deux retournements autour de l'axe Zm étant précédée et suivie par un
retournement autour de l'axe Xm.
Les actions de positionnement permettent de compenser les erreurs de mesure en inversant le signe selon l'axe Ym à chaque retournement, en inversant le signe selon l'axe Xm à chaque retournement autour de l'axe Zm et en inversant le sig ne sel on l 'axe Zm à chaq ue retou rn eme nt autou r de l'axe Xm. Les actions de mesure effectuées en permanence permettent alors de compenser mutuellement les erreurs sur chacun des axes Xm, Ym, Zm du repère lié, de façon à réduire les projections d'erreurs sur les axes Xg, Yg, Zg
par moyennage de leurs interventions sur un cycle.
L'invention a encore pour objet un dispositif de navigation longue durée au moyen d'un c_ur inertiel monté sur un porteur pour mesurer des mouvements par rapport à un repère géographique de directions fixes selon trois axes Xg, Yg, Zg, caractérisé en ce qu'il comprend un premier moteur pour faire pivoter un joint cardan sur un premier axe matériel solidaire du porteur, un deuxième moteur pour faire pivoter le c_ur inertiel sur un deuxième axe matériel perpendiculaire au premier axe matériel et solidaire du joint cardan et un processeur pour commander les premier et deuxième moteurs en exécutant un programme qui applique un enchanement de cycles de huit retournements du c_ur inertiel qui maintiennent chacun un axe Ym lié au c_ur inertiel, dans une direction parallèle à l'axe Yg, une succession de deux retournements autour du premier axe matériel étant précédée et suivie par un retournement autour du deuxième axe matériel, une succession de deux retournements autour du deuxième axe matériel étant précédée et suivie par ,
un retournement autour du premier axe matériel.
Le premier moteur permet de maintenir le c_ur inertiel dans un plan contenant l'axe Yg de façon à rendre toute position du c_ur inertiel insensible aux changements de cap du porteur. Le deuxième moteur permet
de maintenir l'axe Ym horizontal.
De nombreux détails et avantages de l'invention seront mieux
compris à l'aide de l'exemple de réalisation dont la description suit en
référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre le dispositif selon l'invention dans une position initiale particulière; les figures 2 à 5 montrent chacune le dispositif dans une position après rotation possible pour mettre en _uvre le procédé conforme à l'invention; - la figure 6 est un schéma de commande du dispositif selon l'invention. En référence à la figure 1, une plate-forme 1 est solidaire d'un porteur tel que par exemple un navire. La plate-forme 1 supporte un joint cardan 2 pour maintenir trois axes Xm, Ym, Zm d'un repère lié à un c_ur inertiel 3, dans des directions sensiblement parallèles par rapport à trois axes Xg, Yg, Zg d'un repère géographique fixe. Les axes Xg est Yg sont orientés dans le plan horizontal respective me nt vers le nord et vers l'ouest, I'axe Zg est
orienté selon la verticale vers le haut.
Un premier degré de liberté en rotation est donné par un axe matériel 4, solidaire du porteur. Un moteur 5 permet de faire tourner l'axe 4 de
façon à annuler les effets des variations de cap du porteur.
Un deuxième degré de liberté en rotation est donné par un axe matériel 6, solidaire du c_ur inertiel 3. Un moteur 7 permet de faire tourner
I'axe 6 de façon à annuler les effets de rotation du porteur autour de l'axe 6.
Ainsi, une combinaison de rotations des axes matériels 4 et 6, permet de maintenir constamment l'axe Ym dans une direction sensiblement parallèle à
l'axe Yg.
Un troisième degré de liberté en rotation est donné par un troisième axe matériel 14, perpendiculaire à l'axe matériel 4 et à l'axe matériel 6. Un moteur 8 permet de faire tourner le troisième axe 14 de façon à annuler les rotations du porteur autour de l'axe 14. Ainsi, une combinaison de rotations des axes matériels 4 et 14, permet de maintenir constamment l'axe Xm dans
une direction sensiblement parallèle à l'axe Xg.
Lorsque les axes Xm et Ym sont maintenus dans une direction respectivement parallèle aux axes Xg et Yg, I'axe Zm est maintenu dans une
direction parallèle à l'axe Zg.
Le c_ur inertiel 3 comprend trois capteurs 9, 10, 11 qui remplissent chacun des fonctions d'un gyromètre et d'un accéléromètre. Le capteur 9 mesure les accélérations du c_ur inertiel 3 dans la direction de l'axe Ym et les rotations du c_ur inertiel 3 autour de l'axe Ym. Le capteur 10 mesure les accélérations du c_ur inertiel 3 dans la direction de l'axe Xm et les rotations du c_ur inertiel 3 autour de l'axe Xm. Le capteur 11 mesure les accélérations du c_ur inertiel 3 dans la direction de l'axe Zm et les rotations du c_ur inertiel
3 autour de l'axe Zm.
Les fonctions de gyromètre des capteurs 9, 10, 11 permettent de mesurer des angles de rotation du c_ur inertiel 3 par rapport à chacun des trois axes Xg, Yg, Zg. Il est alors possible de calculer des angles de rotation
du porteur par débuction des angles de rotation mesurés.
Les fonctions d'accéléromètre de chacun des capteurs 9, 10, 11 permettent de mesurer l'accélération du c_ur inertiel dans chacune des directions selon les axes Xm, Ym, Zm. Il est alors possible de calculer des accélérations du porteur selon les axes Xg, Yg, Zg du repère géographique, par déduction des accélérations mesurées puis par intégration la vitesse et par double intégration la position du porteur dans le repère géographique Xg, Yg, Zg. Chacune des mesures d'angle effectuées par les capteurs 9, 10, 11
est affectée d'erreurs de dérives, facteur d'échelle et calages d'axes.
L'erreur de dérive traduit un décalage à l'origine (offset, en anglais)
de la mesure, une grandeur nulle n'est pas mesurée rigoureusement à zéro.
Ce décal age est généralement constant su r toute la pl age de mesu re. La valeur de l'erreur de dérive est respectivement notée Dx sur l'axe Xm, Dy sur
l'axe Ym et Dz sur l'axe Zm.
L'erreur de facteur d'échelle est l'erreur sur le coefficient multiplicatif de la mesure. La valeur de l'erreur de facteur d'échelle est respectivement
notée Fx sur l'axe Xm, Fy sur l'axe Ym et Fz sur l'axe Zm.
Les erreurs de calage résultent du fait que les trois axes Xm, Ym, Zm ne sont pas parfaitement orthogonaux. L'erreur d'orthogonalité entre les axes Xm et Ym est notée Cxy, I'erreur d'orthogonalité entre les axes Ym et Zm est notée Cyz et l'erreur d'orthogonalité entre les axes Zm et Xm est notée Czx. Pour réduire l'effet de ces erreurs sur la précision de la navigation, le c_ur inertiel 3 est périodiquement retourné de façon à changer le signe de l'erreur. Ainsi, en moyennant les projections des différentes erreurs de mesure dans le repère géographique local Xg, Yg, Zg, une accumulation d'erreur positive est réduite par une accumulation d'erreur négative sur une durée
d'intégration identique pour des mesures de signes opposés.
Le retournement des capteurs, est effectué par rotation des axes matériels 4 et 6. Les valeurs de rotation permettant de moyenner les erreurs
avec un minimum de positions élémentaires sont des rotations de + ou -
autour des différents axes.
En partant d'une position initiale telle que représentée sur la figure 1, une première rotation possible et celle donnée par le couple [(0), p(0)], c'est-à-dire celle correspondant à une rotation nulle. L'orientation des capteurs
et donc l'orientation des erreurs, sont conservées.
Une deuxième et une troisième rotation possibles sont celles données par les couples [(0), p(+ll)] et [(0)"(-)]. Le résultat final, identique pour chacune de ces rotations, est représenté sur la figure 2. Seul le sens de rotation de l'ange change, influant différemment en régime transitoire pour
passer d'une position initiale à la position finale.
En référence à la figure 2, le c_ur inertiel 3 s'est retourné par rotation de 180 , c'est à dire T radians, de l'axe 6 de façon à ce que les capteurs se retrouvent à présent sur la face inférieure du c_ur inertiel 3. Le capteur 10 reste orienté pour faire des mesures selon l'axe Xm, sans changement de signe des erreurs relativement à l'axe Xg. Le capteur 11 reste orienté pour faire des mesures selon l'axe Zm, avec changement de signe des erreurs relativement à l'axe Zg. Le capteur 9 n'est plus visible car il est masqué par le volume du c_ur inertiel 3. On comprend aisément que le capteur 9 reste orienté pour faire des mesures selon l'axe Ym, avec changement de signe des erreurs relativement à l'axe Yg. Une erreur qui s'ajoute, respectivement se retranche, sur la mesure des capteurs 9 et 11 dans leur configuration selon la figure 1, se retranche, respectivement s'ajoute,
sur la mesure des capteurs 9 et 11 dans leur configuration selon la figure 2.
Une erreur qui s'ajoute, respectivement se retranche, sur la mesure du capteur dans sa configuration selon la figure 1, continue à s'ajouter, respectivement se retrancher, sur la mesure du capteur 10 dans sa configuration selon la
figure 2.
Une quatrième et une cinquième rotation possibles sont celles données par les couples [(+11), p(0)] et [(-c), p(0)]. Le résultat final, identique pour chacune de ces rotations, est représenté sur la figure 3 en partant de la figure 1 comme position initiale. On comprend aisément que le résultat serait
différent si on partait d'une autre position initiale telle que celle de la figure 2.
En référence à la figure 3, le c_ur inertiel 3 s'est retourné par rotation de 180 de l'axe 4 tel que les capteurs restent sur la face supérieure du c_ur inertiel 3. Le capteur 10 reste orienté pour faire des mesures selon I'axe Xm, avec changement de signe des projections d'erreurs sur l'axe Xg. Le capteur 11 reste orienté pour faire des mesures selon l'axe Zm, sans changement de signe des projections d'erreurs sur l'axe Zg. Le capteur 9 reste orienté pour faire des mesures selon l'axe Ym, avec changement de signe des projections d'erreurs sur l'axe Yg. Une erreur qui s'ajoute, respectivement se retranche, sur la mesure des capteurs 9 et 10 dans leur configuration initiale, se retranche, respectivement s'ajoute sur la mesure des capteurs 9 et 10 dans leur configuration finale. Une erreur qui s'ajoute, respectivement se retranche, sur la mesure du capteur 11 dans sa configuration initiale, continue à s'ajouter, respectivement se retrancher, sur la mesure du capteur 11 dans sa
configuration finale.
Dans le procédé conforme à l'invention, une succession de rotations choisies parmi les cinq précédemment citées, est appliquée cycliquement au c_ur inertiel 3, selon des séquences programmées de rotation des axes matériels 4 et 6 au moyen des moteurs 5 et 7. Pour inverser le signe des projections de chaque erreur sur les axes du repère géographique local Xg, Yg, Zg, quatre rotations sufffisent. Deux rotations autour de l'axe Xm inversent et remettent en position initiale les projections d'erreurs relativement aux axes Yg et Zg. Deux rotations autour de l'axe Zm inversent et remettent en
position initiale les projections d'erreurs relativement aux axes Zg et Xg.
Cependant les rotations induisent elles-mêmes des erreurs, principalement sous l'effet des erreurs de facteur d'échelle et calage d'axes. De façon à moyenner les erreurs induites par les retournements eux-mêmes, chaque cycle est composé d'une série de huit rotations qui replacent en fin de cycle, le c_ur inertiel 3 dans la position initiale de début de cycle. Chaque choix de
rotation de la série est possible parmi les cinq rotations précédemment citées.
11 existe donc 5é, soit 390 625 séries de rotations potentielles pour un cycle.
Parmi toutes les séries potentielles, neuf séries de base ont été sélectionnées pour diminuer simultanément les effets de dérives, de facteurs d'échelle et de calages. Sur un cycle, la durée At d'une rotation pour passer d'une position initiale à une position finale est identique pour chaque rotation de la série. Typiquement, la durée At est de quelques secondes. A la fin de chaque rotation, le c_ur inertiel 3 est maintenu sur sa position finale pendant un intervalle de temps égal à un huitième de temps de cycle Tc à At près, avant de subir la rotation suivante de la série pour laquelle la position initiale est la position finale de la rotation précédente. Typiquement, un temps de cycle est de plusieurs minutes. A la suite d'un cycle, un nouveau cycle de rotations est effectué avec la même série que pour le cycle précédent ou avec
une autre série choisie sur la base des neufs séries proposées.
Les neuf séries de base sont données dans le tableau 1 dont la première ligne référence les huit rotations Rot1 à Rot8 d'un cycle. La deuxième ligne donne les positions du c_ur inertiel en début et en fin de chaque rotation par rapport au repère géographique local Xg, Yg, Zg. Xn indique que l'axe Xm est dirigé vers le nord. Xs indique que l'axe Xm est dirigé vers le sud. Yo indique que l'axe Ym est dirigé vers l'ouest. Ye indique que
l'axe Ym est dirigé vers l'est. Zh indique que l'axe Zm est dirigé vers le haut.
Zb indique que l'axe Zm est dirigé vers le bas. Les lignes suivantes répertorient les séries S1 à S9 o y(+) indique une rotation de + radians
autour de l'axe Zm, y(-) indique une rotation de - radians autour de l'axe Zm.
De même, p(+) indique une rotation de + radians autour de l'axe Xm, p(-)
indique une rotation de -n radians autour de l'axe Xm.
Tableau 1
Rot1 | Rot2 | Rot3 | Rot4 | Rot5 | Rot6 | Rot7 | Rot8 Pos. P 1 P2 P3 P4 P3 P2 P 1 P4 P 1 Xn Xs Xs Xn Xs Xs Xn Xn Xn Yo Ye Yo Ye Yo Ye Yo Ye Yo Zh Zh Zb Zb Zb Zh Zh Zb Zh
_ _ _ _
S1 1(+) (+))(+) 7(-) 0(+) 1(-7) (+) 0(+11)
S2 r(+) D(+) r(+) (-) P(,) (-) D(+) Q(-) S3 7(+7c) 0(+) 7(+) 7(-) 0(-7c) 7(-) 0(-) 0(+) S4 7(+) 0(+) 7(-11) 7(+7) l3(+1l) 7(-) 0(+11) 0(+) S5 7(+ 11) 0(+) r(-) (+) D(-) (-) D(+) D(-) S6 T(+) D(+) 7(-) 7(+11) 0(-) 7(-11) f (-) 0(+)
S7 7(+) 0(+) 7(-) 7(-) 0(+11) 7(+) 13(+) 13(+7)
S8 7(+71) b(+) y(-ll) 1(-) f (-Tr) 7(+11) D(+) 0(-) ss r(+) D(+) r(-) r(-) D) r(+) D) 13(+) Ces séries ont en commun que toutes les rotations concernent un retournement, c'est-à-dire une rotation de radians (180 ). On constate un retournement dans un plan perpendiculaire à l'axe Zm suivi d'un retournement dans un plan perpendiculaire à l'axe Xm, suivi de deux retournements dans le plan perpendiculaire à l'axe Zm, suivis d'un retournement dans le plan perpendiculaire à l'axe Xm, suivi d'un retournement dans le plan perpendiculaire à l'axe Zm, suivi de deux retournements dans le plan
perpendiculaire à l'axe Xm.
Considérant une succession de deux retournements Rot7, Rot8 autour de l'axe Xm, celle-ci est précédée d'un retournement Rot6 et suivie d'un retournement Rot1 du cycle suivant, autour de l'axe Zm. Considérant une succession de deux retournements Rot3, Rot4 autour de l'axe Zm, celle-ci est précédée d'un retournement Rot2 et suivie d'un retournement Rot5 autour de
l'axe Xm.
Ainsi, les projections d'erreurs suivant l'axe Zg sont de premier signe sur le premier intervalle de temps qui précède le premier retournement, de signe contraire sur trois intervalles de temps qui précèdent le cinquième retournement, à nouveau de premier signe sur deux intervalles de temps qui précèdent le septième retournement, de signe contraire sur l'intervalle de temps qui précède le huitième retournement et à nouveau de premier signe sur l'intervalle de temps qui succède au huitième retournement. Les projections d'erreurs suivant l'axe Zg sont de premier signe sur quatre intervalles de temps et de signe contraire sur quatre intervalles de temps. La moyenne des projections d'erreurs suivant l'axe Zg tend à s'annuler sur un cycle. Les projections d'erreurs suivant l'axe Xg initialement de premier signe avant le premier retournement, sont de signe contraire sur deux intervalles de temps qui précèdent le troisième retournement, à nouveau de premier signe sur l'intervalle de temps qui précède le quatrième retournement, de signe contraire sur deux intervalles de temps qui précèdent le sixième retournement, à nouveau de premier signe sur deux intervalles de temps qui précèdent le huitième retournement et à nouveau de premier signe sur un intervalle de temps qui succède au huitième retournement. Les projections d'erreurs suivant l'axe Xg sont de premier signe sur quatre intervalles de temps et de signe contraire sur quatre intervalles de temps. La moyenne des
projections d'erreurs suivant l'axe Xg tend à s'annuler sur un cycle.
Les projections d'erreurs suivant l'axe Yg changent de signe à chaque retournement. Les erreurs suivant l'axe Yg, alternativement de premier
signe et de signe contraire, tendent donc à s'annuler sur un cycle.
Des séq uen ces prog ram mées so nt exécutées par u n processeu r, de préférence rapide, qui pilote de façon connue les moteurs 5 et 7 pour
effectuer les retournements.
Si les projections d'erreurs se compensent globalement sur les intervalles d'un cycle, dans lesquels le c_ur inertiel est maintenu en position stable entre deux rotations, les projections d'erreurs ne se compensent pas a priori pendant les rotations. Sur chaque duréet, une rotation induit des erreurs résiduelles de mesure d'angles, dues essentiellement aux erreurs de facteu rs d'échel le et de cal age d'axes des gyrom ètres. Les tolérances de construction et de montage des gyromètres, permettent d'estimer les valeurs d'erreurs de dérive Dx, Dy, Dz, de facteurs d'échelles Fx, Fy, Fz et de calage d'axes Cyz, Czx, Cxy. Il est alors possible de calculer les erreurs résiduelles en intégrant sur chaque durée At d'une rotation, des formules de calcul d'erreurs connues de l'homme du métier. En sommant chaque type de projection d'erreur résiduelle sur l'ensemble des durées At des rotations d'un cycle et en divisant le résultat obtenu par la durce totale d'un cycle, on obtient une moyenne de chaque type de projection d'erreur sur un cycle. En appliquant une succession de cycles tels que précédemment décrits, les termes d'erreurs résiduelles calculés qui apparaissent sur les différents axes, sont donnés par le tableau 2 qui suit:
Tableau 2
Dérives Facteurs d'échelle Calage d'axes Moyenne des erreurs At At kdx.. Dx kfx.Q. Fx kcx.. Q. Cx projetées sur Xg T cycle T cycle Moyenne des erreurs kd At D O k At Q C projetées sur Yg Tcycle Tcycle Moyenne des erreurs kd At D kfz.Q. Fz k t Q C projetées sur Zg T cycle T cycle Pour chaque série de retournement, les coefficients kdx, kdy, kdz sont des constantes indépendantes des erreurs de dérive Dx, Dy, Dz, les coefficients kfx, kfz sont des constantes indépendantes des erreurs de facteur d'échelle Fx, Fy, Fz, les coefficients kcx, kcy, kcz sont des constantes indépendantes des erreurs de calage Cyz, Czx, Cxy. Les coefficients Cx, Cy,
Cz sont des combinaisons linéaires des erreurs de calage Cyz, Czx, Cxy.
En choisissant la duréet d'un retournement, courte devant un temps de cycle Tc, il est possible d'obtenir un rapport T très petit. En constatant que les termes Dx, Dy, Dz concernant les dérives sont multipliés
par ce rapport, on remarque que l'erreur résiduelle due aux dérives, est faible.
De même, en constatant que les termes Cx, Cy, Cz concernant les calages sont multipliés par ce rapport et par la vitesse de rotation terrestre Q. on remarque que l'erreur résiduelle due aux calages, est faible. On note que l'erreur due aux facteurs d'échelle Fx, Fz, n'est pas dégradée sous l'effet des retournements du c_ur inertiel 3. En constatant que les facteurs d'échelle Fx, Fz sont multipliés par la vitesse de rotation terrestre Q. on remarque que I'erreur résiduelle due aux facteurs d'échelle est plus faible que dans une configuration o le c_ur inertiel 3 est fixé rigidement sur le porteur (strapdown, en anglais), sans les joints cardan. En effet, la vitesse de rotation terrestre Q est faible devant les mouvements du porteur, en particulier les mouvements en cap. Par ailleurs, aucune erreur n'est proportionnelle à la vitesse des retournements qui peut ainsi être augmentée, de façon à diminuer le rapport t Tc Ces propriétés remarquables s'appliquent à des valeurs constantes sur un cycle de retournement. Au premier ordre, ces propriétés sont maintenues pour des grandeurs lentement variables par rapport à la durée du cycle. Grâce à la mécanisation précédemment décrite et aux cycles de retournement, I'influence des différents termes d'erreur est diminuée de manière significative. En conséquence, la stabilité long terme de gyromètres
n'est plus un critère dimensionnant pour ces applications.
L'enseignement de l'invention ne se limite pas aux gyromètres, il est applicable de même aux accéléromètres. Les erreurs élémentaires des accéléromètres (biais, facteurs d'échelle et calages d'axes) sont également
moyennées par projection dans le repère géographique local.
Le procédé précédemment décrit, appliqué pour mettre le c_ur inertiel 3 dans une succession de positions fixes remarquables par rapport au trièdre géographique local G déterminé par les axes Xg, Yg, Zg, permet d'étendre à des applications longues durées, des gyromètres eVou accéléro mètres uti lisés normalement au sei n de central es fixées rig idement a u
porteur (strapdown, en anglais), sur des durées plus faibles.
L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation précédemment décrit. On obtient les mêmes résultats en inversant le sens de toutes les rotations de l'angle eVou en inversant le sens de toutes les rotations de l'angle 0, c'est-à-dire en remplaçant dans les séries, y(+) par (-) et réciproquement eVou"B(+) par,(-) et réciproquement. De même, les propriétés obtenues restent inchangées par permutation circulaire de l'ordre des retournements, les neuf solutions de base sont identiques si elles sont énoncées dans leur ensemble à partir de l'un des deuxième à huitième retournements en se terminant au retournement précédent tel qu'énoncé dans
la description.
En référence à la figure 4, le joint cardan à trois axes matériels de
rotation est remplacé par un joint cardan 2' à deux axes de rotation 4 et 6.
N'ont été conservés ici que l'axe vertical 4 suivant Zm et l'axe horizontal 6 suivant Xm. Ce montage simplifié permet d'effectuer les retournements
précédemment décrits au moyen des mêmes moteurs 5 et 7.
Comme on peut le remarquer sur la figure 5, le joint cardan 2' ne permet pas de compenser un écartement d'un angle des axes Xm et Zm par rapport à respectivement l'axe Xg et l'axe Zg. Cependant, il est toujours possible par une combinaison de rotations autour de l'axe Xm et de l'axe Zm, de maintenir l'axe Ym dans une direction parallèle à l'axe Yg. L'augmentation de la moyenne des projections d'erreur relativement aux axes Xg et Zg reste faible tant que l'angle reste petit. D'autre part, dans le cas par exemple d'un navire, les axes Xm et Zm oscillent généralement avec une amplitude et une fréquence quasi constante qui permet de considérer en première approximation les axes Xm et Zm parallèles en moyenne sur un cycle,
respectivement aux axes Xg et Zg.
En référence à la figure 6, un processeur 12 reçoit les mesures des capteurs 9, 10, 11 et calcule au moyen de ces mesures trois angles d'attitude en exécutant un premier programme de navigation inertielle de type à composants liés (strapdown en anglais). Un premier angle d'attitude est l'angle dont les axes Zm, Xm s'écartent des axes Zg, Xg dans un même plan. Un deuxième angle d'attitude est l'angle dont les axes Ym, Zm s'écartent des axes Yg, Zg dans un même plan. Un troisième angle d'attitude est l'angle
dont les axes Xm, Ym s'écartent des axes Xg, Yg dans un même plan.
Le processeur 12 pilote au moins les moteurs 5 et 7 en exécutant un deuxième programme contenu dans une mémoire 13. Le programme prend en compte les angles d'attitude calculés par le premier programme de façon à
asseNir le c_ur inertiel 3 sur chaque position stable.
Le programme dispose des séries de base précédemment décrites pour exécuter les retournements selon les cycles conformes au procédé del'invention. En faisant tourner les moteurs 5 et 7 d'un angle de 180 selon un cycle conforme un procédé de l'invention, le programme permet de faire intervenir les projections d'erreurs sur les trois axes Xg, Yg et Zg alternativement dans un sens et dans un sens opposé de façon à annuler ces
projections d'erreur en moyenne sur un cycle.
Lorsque le processeur 12 pilote les seuis moteurs 5 et 7, on peut admettre que des rotations alternatives de faible amplitude autour de l'axe Ym compensen1 les erreum dens un seas et dans l'autre en moyenne sur chaque
lntealle de tamps d'une position stable en en moyenne sur un cycle.
Le dlsposk est encore amAliorA lorsque le processeur 12 p#ote le m oteu r 8 en exdcutant le program me a lors spAcialem ent prAvu cet et de gon maintenlr le cur lmediel 3 dans chaque position stable selon l'axe Yg
et de us aussi selon les axes Xg et Zg.
Claims (7)
1. Procédé de navigation longue durée au moyen d'un c_ur inertiel (3) auquel est associé un repère lié d'axes Xm, Ym, Zm, monté sur un porteur pour en mesurer des mouvements par rapport à un repère géographique de directions fixes selon trois axes Xg, Yg, Zg, caractérisé en ce qu'il comprend: - des actions de mesure consistant à mesurer en permanence au moyen du c_ur inertiel (3), une orientation du repère lié dans le repère géographique; - des actions de position nement cons ista nt à a ppl iq u er u n enchanement de cycles de huit retournements du c_ur inertiel (3) qui maintiennent chacun l'axe Ym dans une direction parallèle à l'axe Yg, une succession de deux retournements autour de l'axe Xm étant précédée et suivie par un retournement autour de l'axe Zm, une succession de deux retournements autour de l'axe Zm étant précédée et suivie par un
retournement autour de l'axe Xm.
2. Procédé de navigation longue durée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un cycle comprend un retournement dans un premier plan, suivi d'un retournement dans un deuxième plan, suivi de deux retournements dans le premier plan, suivis d'un retournement dans le deuxième plan, suivi d'un retournement dans le premier plan, suivi de deux
retournements dans le deuxième plan.
3. Procédé de navigation longue durée selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier plan est perpendiculaire à l'axe Z de direction verticale et en ce que le deuxième plan est perpendiculaire à l'axe Y.
4. Procédé de navigation longue durée selon l'une des
revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des actions pour
maintenir les axes Xm, Ym, Zm dans des directions parallèles aux axes Xg,
Yg, Zg.
5. Dispositif de navipation longue durée au moyen d'un c_ur inertiel (3) monté sur un porteur pour en mesurer des mouvements par rapport à un repère de directions fixes selon trois axes Xg, Yg, Zg, caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier moteur (5) pour faire pivoter un joint cardan (2) sur un premier axe matériel (4) solidaire du porteur; - un deuxième moteur (7) pour faire pivoter le cceur inertiel (3) sur un deuxième axe matériel (6) perpendiculaire au premier axe matériel (4) et solidaire du joint cardan (2); - un processeur (12) pour calculer trois angles d'attitude en exécutant un premier programme de navigation inertielle de type à composants liés et pour commander les premier et deuxième moteur (5,7) en exécutant un deuxième programme qui place, en utilisant les angles d'attitude calculés, le c_ur inertiel (3) dans une succession de positions angulaires stables par rapport audit repère de directions fixes selon un enchanement de cycles de huit retournements du c_ur inertiel (3) dans au moins deux plans perpendiculaires, chacun d'orientation constante dans le repère de directions fixes.
6. Dispositif de navigation longue durée selon la revendication 5, caractérisé en ce que le programme prévoit un retournement dans un premier plan, suivi d'un retournement dans un deuxième plan, suivi de deux retournements dans le premier plan, suivis d'un retournement dans le deuxième plan, suivi d'un retournement dans le premier plan, suivi de deux
retournements dans le deuxième plan.
7. Dispositif de navigation longue durée selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième moteur (8) pour faire pivoter le c_ur inertial (3) autour d'un troisième axe matériel perpendiculaire au premier et au deuxième axe matériel (4,6) sous la commando du processeur (12) et en ce que le programme prévoit de faire tourner les moteurs (5, 7, 8) de façon à maintenir le c_ur inertial (3) dans un plan fixe du repère de directions fixes X,
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