L intégrité du positionnement dans les transports terrestres

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1 L intégrité d positionnement dans les transports terrestres David Bétaille (Ifsttar/MACS) Form Photogrammétrie - Positionnement et Mesres de Déformation, ENSG, le 0 mars 01 1

2 Plan de la présentation 1. Performances d n sstème de positionnement. Intégrité / Disponibilité / Continité 3. Intégrité 1. Problématiqe. Démarche 4. EGNOS 5. Spécificités d transport terrestre 6. Améliorations possibles 7. Conclsions

3 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Les performances d n sstème de positionnement : rappels terminologiqes Intégrité OACI : ne mesre de la confiance qi pet être placée dans l exactitde de l information fornie par n sstème. L intégrité inclt la capacité d sstème à prévenir l tilisater à temps qe le sstème ne doit pas être tilisé por le service attend. L information ici, c est la position et la précision estimées par le sstème. Précision Estimation de l errer possible entre la position mesrée et la position vraie, associée à n certain nivea de confiance. Disponibilité / Continité d service Probabilité de l tilisation possible d service attend, avec l'intégrité exigée d sstème, en n lie et à n instant donnés : (disponibilité), en n lie donné et por ne période donnée : (continité). 3

4 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Les performances d n sstème de positionnement : rappels terminologiqes Paramètres d intégrité Ce sont : - n Nivea de protection (protection level : H o VPL) calclé par le sstème, - ne Limite d alarme (alarm limit : HAL o VAL) associée a service attend, - et n Délai d alarme. Ces paramètres sont dimensionnés par la probabilité qe l errer vraie > Limite d alarme > Nivea de protection, appelée Risqe d intégrité, sr la période pendant laqelle le service est attend. nivea de protection alarm limit risqe d'intégrité alarm limit errer vraie 4

5 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Disponibilité : exemple de disponibilité d n récepter hat de gamme sr Paris 1 ème 5

6 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Précision : très variable en fonction de l éqipement (récepter + antenne) et de l environnement (1) Errers planes observées sr n récepter GPS hat de gamme Environnement pltôt dégagé (Périphériqe de Bordeax Mai 009 récepter et antenne Novatel HPE (m) mo 50% 95%

7 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Précision : très variable en fonction de l éqipement (récepter + antenne) et de l environnement () Errers planes observées sr n récepter GPS bas de gamme Environnement pltôt dégagé (Périphériqe de Bordeax Mai 009 récepter Blox et antenne patch HPE (m) mo 50% 95%

8 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Précision : très variable en fonction de l éqipement (récepter + antenne) et de l environnement (3) Errers planes observées sr n récepter GPS hat de gamme Environnement pltôt contraint (Lon Villerbanne Jin 009 récepter et antenne Novatel HPE (m) mo 50% 95%

9 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Précision : très variable en fonction de l éqipement (récepter + antenne) et de l environnement (4) Errers planes observées sr n récepter GPS bas de gamme Environnement pltôt contraint (Lon Villerbanne Jin 009 récepter Blox et antenne patch HPE (m) mo 50% 95%

10 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : problématiqe Localisation intègre Estimation de la position ET de son incertitde (Protection Level) avec le nivea de confiance associé VPL HPL Indispensable por les applications sécritaires (ADAS ) et réglementaires (télépéage ) 10

11 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : la démarche Les sorces d errer des GNSS sont mltiples : Position des satellites : Éphémérides transmises par le sstème GNSS, détérioration volontaire (SA) Propagation : Traversée de la ionosphère et de la troposphère Snchronisation : Horloge tilisater à snchroniser avec le sstème GNSS Horloge satellite Errers locales : Brit : Errer de porsite des bocles, dépend des récepters Mltitrajets (réception de trajets réfléchis) Interférences Géométrie de la constellation (DOP) : Nombre et position des satellites : facter mltiplicatif de la dégradation de précision La démarche d intégrité passe par plsiers étapes : La correction des errers «corrigeables» L estimation o la modélisation des errers résidelles (La détection et l élimination des fates o des biais) L estimation de l errer résltante finale sr la position 11

12 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : Méthode EGNOS (MOPS) (1) Srveillance de l état de santé des satellites et émission d alertes Estimation des errers résidelles sr les mesres de distances Application des corrections et calcl d PVT et des niveax des protection 1

13 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Résoltion d problème «ax moindres carrés pondérés» sivant le standard MOPS à partir des mesres de code sr L1 sele (récepters bas de gamme) W = G. x + ε 1/ 1 = /... 0 Psedo inversion / n Inverse de la matrice de variancecovariance des mesres de psedo-distances sr L1 i Intégrité : Méthode EGNOS (MOPS) () = i, flt i, UIRE i, air Messages EGNOS + modèles i, tropo G xˆ = = ( G ax ax... a 1 xn T. W. G) a a 1... a n 1 a a... a. G z1 z zn T. W a a a xj j zj = = = = H. xj x r j j r j zj z r j Matrice «d observation» formée des cosins directers d raon vecter récepter-satellite, ne dépendant qe de la géométrie 13

14 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : Méthode EGNOS (MOPS) (3) Calcl d HPL (et d VPL) à partir de la matrice de variance-covariance a priori de la soltion ax moindres carrés pondérés T 1 ˆ x = ( G. W. G). G T. W. = H. cov( xˆ) = x x x x z cdt x z cdt x z z z z cdt x z cdt cdt cdt cdt Dans n repère ENU tangent à la terre Demi grand-axe de l ellipse d incertitde HPL = K H. d major VPL = K V. z Les coefficients K dépendent de la probabilité K H = 6,18 (MOPS) de mavaise détection acceptée 14

15 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : Méthode EGNOS (MOPS) (4) Hpothèse fondamentale : Totes les errers sr les différents satellites sont spposées : - Sivre ne loi normale, centrée - Etre indépendantes les nes des atres i i, flt i, UIRE i, air = i, tropo La réalité est très différente en environnement contraint : Les biais sr les mesres sont très fréqents et les calcls d MOPS ne sont pls applicables. 15

16 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : Méthode EGNOS (MOPS) (5) Scénario Urbain Lon (projet EGNOS-On-The-Road) 16 Page 16

17 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : les spécificités terrestres La qalité de service des GNSS (notamment l intégrité) est très bien décrite et standardisée dans le domaine aéronatiqe Dans le domaine d transport de srface, la sitation est très différente : Les réflexions sr l intégrité terrestre démarrent tot jste (5 ans) Acn cadre organisationnel reconn n existe por abriter les réflexions et proposer des standards Les performances des GNSS sont fortement dégradées dans certains environnements, en particlier cex dans lesqels les services sont les pls attends Les applications sont innombrables et se mltiplient à grande vitesse dans n contexte très pe contrôlé Les standards aéronatiqes constitent ne excellente base de départ, mais nécessitent des améliorations et de compléments 17

18 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Intégrité : Améliorations possibles d standard MOPS por le transport terrestre Utilisation d ne méthode de calcl d PVT récrsive (Kalman) Amélioration de la modélisation des errers locales, a priori o en temps réel Agmentation d degré de liberté par GNSS mlticonstellations EGNOS GPS Galileo GLONASS Atmosphère Applications transport terrestre Environnement proche Position map-matchée + indicaters d intégrité Position mm + indicaters d intégrité Map-matching Position absole + indicaters d intégrité Calcl de position + intégrité Observables + indicaters qalité Récepter Exploitation des cartes nmériqes (D, 3D) Agmentation d degré de liberté par fsion mlticapters Cartes nmériqes Atres capters Détection et exclsion des «fates» (RAIM) Amélioration de la qalité des observables 18

19 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Exemple d ne qestion de recherche Tri des satellites NLOS (Non Line of Sight) par vision artificielle Image virtelle en direction de l azimth de chaqe satellite Preve de concept pbliée (ITST 011) à partir d ne position vraie A valider en bocle fermée A partir d ne position prédite et map-matchée (IV 01) 19

20 Performances Disponibilité Précision Intégrité EGNOS Améliorations por le terrestre Conclsions Conclsions Le transport terrestre est n énorme marché por les GNSS Mais les applications de natre sécritaire, réglementaire o commerciale ne pevent être satisfaites par le service standard d GPS Les agmentations de tpe EGNOS n améliorent qe très partiellement la sitation d fait des composantes locales des errers Les approches de tpe FDE (o RAIM) prement satellitaires atteignent rapidement lers limites d fait de la faible disponibilité des satellites D importants efforts de recherche restent nécessaires, qi exploiteraient totes les pistes d amélioration possibles Un cadre nifié de réflexion et de proposition de standards à l échelle eropéenne reste à mettre en place 0

21 Merci por votre attention Ifsttar Cité Descartes Bolevard Newton 7740 Champs-sr-Marne Tél. +33 (0) Fax. +33 (0)