Par Jean-Yves Guédon responsable de l'acticité navigation hybride SAGEM SA
Revue Centraliens n°488 - août septembre 1997

La navigation inertielle présente de nombreux avantages qui expliquent son développement et sa généralisation depuis environ 30 ans, autant dans les domaines aéronautiques militaire et civil, que dans le domaine spatial ou celui des sous-marins.

Le principe classique des centrales inertielles (qui calculent les informations de navigation en intégrant les rotations et accélérations mesurées par des gyromètres et accéléromètres) répond en effet parfaitement aux principaux besoins de navigation et de pilotage, qui sont la précision, la disponibilité en toutes conditions et l'intégrité (c'est-à-dire la capacité à signaler une pane du système).

Ainsi, par exemple, tous les avions long-courriers utilisent les informations de trois centrales inertielles redondantes pour le pilotage et le guidage.

Comme lors de l'apparition de tout nouveau moyen de localisation, le lancement du système de positionnement par satellites GPS, la très rapide baisse du coût des récepteurs GPS, son succès commercial immédiat ont conduit à se poser de nombreuses questions sur l'évolution des systèmes de navigations performants :

• Les récepteurs GPS et les systèmes inertiels sont-ils des moyens de navigation complémentaires ou concurrents ?
• Les récepteurs GPS peuvent-ils remplacer les systèmes inertiels ?
• Comment associer au mieux ces deux moyens de navigation ?

Avec un peu de recul, il est aujourd'hui possible de répondre à ces questions et de montrer que le GPS, loin de détrôner l'inertie, s'est parfaitement marié avec elle au sein de systèmes inertie/GPS.

Grâce à leur performance et leur coût réduit, ces systèmes de nouvelle génération ont notamment permis de répondre aux besoins toujours plus contraignants de la navigation aéronautique militaire et civile : précision de la navigation et de l'approche, navigation tous temps, navigation à basse altitude.

L'objet de l'article est de présenter cette évolution de la navigation et les principaux avantages du couplage du GPS et de l'inertie, qui expliquent la généralisation des systèmes inertie/GPS non seulement dans le domaine de la navigation aérienne, mais aussi dans celui de la navigation automobile.

Le succès du GPS, notamment des applications "grand public", s'explique par le coût relativement modique (quelques milliers de francs) et les performances remarquables des récepteurs actuels.ce constat très optimiste est néanmoins à nuancer dès lors que l'on s'intéresse aux domaines aéronautiques civil ou militaire, domaines où le besoin de précision s'accompagne d'un besoin de sécurité.

En effet, il existe une partie immergée de l'iceberg GPS : les problèmes de fiabilité du réseau de satellites, d'intégrité des informations GPS, de brouillage, de vulnérabilité politique (le système GPS est contrôlé par les militaires américains), compliquent largement l'utilisation du GPS.

Ces limites du système GPS apparaissent clairement lorsque l'on compare les avantages respectifs de l'inertie et du GPS :

Pour le GPS :

• Précision de la position fournie, comparée à l'erreur d'une centrale à inertie qui par principe augment au cours du temps.
• Coût et volume réduits (un récepteur GPS se résume aujourd'hui à un module électronique et à une antenne).

Pour l'inertie :

• Autonomie et robustesse au brouillage (malgré de nombreuses techniques anti-brouillage existantes, le GPS peut être brouillé par des hostiles, même dans son mode militaire),
• Stabilité à court terme et disponibilité à haute fréquence d'informations de navigation, parfaitement adaptées au pilotage d'un avion par exemple (le GPS ne fournit pas les cap, roulis et tangage du porteur).

Cette comparaison montre finalement la remarquable complémentarité de l'inertie et du GPS. Ainsi, ces deux capteurs ne sont pas concurrents car ils n'ont pas les même caractéristiques et n'offrent pas le même service.

Le GPS seul s'est aujourd'hui imposé dans des domaines où l'inertie n'était pas présente du fait de son coût : navigation de plaisance, localisation lors de randonnées ou de raids, GPS pour la géodésie, l'aviation légère…

En conclusion, l'association de l'inertie et du GPS s'est aujourd'hui généralisée dans les domaines militaire et aéronautique, du fait de l'excellente complémentarité entre les deux capteurs. Le couplage du GPS et de l'inertie permet en effet d'augmenter la précision de navigation grâce au GPS, tout en diminuant la précision des capteurs inertiels nécessaires, ce qui réduit d'autant le coût du système.

Dans les années 80, les premières utilisations hybrides du GPS et de l'inertie utilisaient un GPS autonome relié à la centrale inertielle par une liaison transmettant les données GPS. Ces solutions ont rapidement disparu au profit d'une intégration complète du module GPS au sein de la centrale inertielle. Ce concept présente les avantages suivants :

• Réduction du volume, du poids, de la consommation et du coût global du système,

• Optimisation du dialogue entre l'inertie et le GPS. (datation très précise, fréquence d'échanges élevée, retards de transmissions minimisés), indispensable pour réaliser un couplage optimal.

Cette intégration du GPS dans l'inertie a été rendue possible par la miniaturisation constante de l'électronique qui a eu lieu au cours des dernières années.

Elle permet d'envisager d'ici quelques années des récepteurs GPS qui se réduiront à deux ou trois composants électroniques de type ASIC (Application Specific Integrated Circuit) et coûteront de l'ordre de 15 à 20 $ en grande série.

L'inertie fournissant les informations en continu, mais étant moins précise que le GPS, le meilleur moyen de les coupler est d'utiliser les informations GPS afin de recaler la navigation inertielle. Classiquement, ce recalage est réalisé au moyen d'un filtre de Kalman, qui optimise la performance de navigation, en estimant les erreurs respectives du GPS et des capteurs inertiels (gyromètres et accéléromètres).

Si l'utilisation d'un filtre de Kalman pour coupler l'inertie s'est largement répandue, il existe néanmoins deux techniques de mise en œuvre de ce couplage :

• Le couplage lâche : dans ce cas le filtre de Kalman utilise en entrée les positions et vitesses fournies par le récepteur GPS.

• Le couplage serré : dans ce cas le filtre de Kalman utilise en entrée les distances brutes entre le porteur et chaque satellite GPS.

Le couplage serré permet de modéliser les erreurs physiques de chaque signal satellite (erreur de propagation et d'horloge du satellite) dans le filtre de Kalman et de les estimer en utilisant les informations inertielles. La précision de navigation s'en trouve ainsi optimisée par rapport à un couplage lâche, qui ne peut estimer les erreurs du GPS (les erreurs de position GPS, fruit d'un calcul complexe à partie de toutes les distances aux satellites disponibles, ne sont pas modélisables).

Pour un GPS autonome, un minimum de quatre satellites visibles est nécessaire pour calculer une position valide. La technique de couplage serré permet d'utiliser chaque satellite dès qu'il est disponible et donc de fonctionner avec moins de quatre satellites, ce qui s'avère particulièrement utile en environnement urbain, où les masquages de satellites sont très fréquents.

En entrée du filtre de Kalman, la cohérence de l'information de chaque satellite est contrôlée ce qui permet de détecter un éventuel satellite en panne.

Les récepteurs GPS de première génération n'avaient la capacité d'acquérir que 5 satellites à la fois. Aujourd'hui, les récepteurs modernes ont pour la plupart, une capacité de suivre au moins 12 satellites. L'architecture avec couplage serré répond à cette évolution des récepteurs, car elle permet de suivre tous les satellites en vue dans le ciel (jusqu'à 10 aujourd'hui), ce qui améliore la précision et permet d'éviter de réinitialiser le récepteur si un satellite est masqué temporairement.

L'intégration du GPS dans l'inertie s'est généralisée depuis quelques années. Dans le domaine militaire; le standard EGI (Embedded GPS/Inertia) définissant les caractéristiques des systèmes inertie/GPS de nouvelle génération s'est imposé. La centrale inertielle SAGEM Saphir, retenue pour l'hélicoptère européen NH 90, répond ainsi à ce standard.

Dans le domaine de l'aéronautique civile, la même évolution se profile à l'horizon. les premiers systèmes inertie GPS ont été certifiés en 1996. La guerre des prix engagée entre les deux grands avionneurs mondiaux donne tout son intérêt aux systèmes inertie/GPS, qui sont moins coûteux (utilisation de capteurs inertiels moins performants), tout en garantissant une performance et une intégrité de la navigation meilleure grâce au GPS.

Les systèmes inertie/GPS s'imposent donc pour les besoins de navigations les plus performants. Mais, d'ores et déjà, les applications automobiles commencent aussi à utiliser des systèmes inertie/GPS.