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[email protected] 16 /03/2016
La géolocalisation par satellites pour la gestion du trafic ferroviaire
SU
MM
AR
Y
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Principe de la localisation par satellites
Etat des constellations
Mesure de pseudo-distance et précision du positionnement
Principes de contrôle du trafic ferroviaire
Apport de la géolocalisation par satellites
Conclusions
PRINCIPE DE LA LOCALISATION PAR SATELLITES
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Technique de triangulation
L’utilisateur détermine sa position dans un référentiel donné en mesurant la distance qui le sépare de plusieurs points dont les positions sont connues
Cas idéal: horloges émetteurs et récepteur synchronisées
Cas réel : horloge récepteur non synchronisée avec horloges satellites
» Besoin d’une quatrième mesure
(X,Y,Z,bT)
(X3,Y3,Z3)
PD1
PD2
PD3
(X2,Y2,Z2)
(X1,Y1,Z1)
(X4,Y4,Z4)
PD4
GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM
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BEIDOU GPS
GALILEO GLONASS
LES CONSTELLATIONS GNSS
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Constellation Altitude Inclination Orbit Period
Number of orbital planes
Operational
GPS 20 200 km 55 ° 11h 58 mn 6 32 Prochains satellites : GPS III
avec nouveau signal civil L1C
GLONASS 19 100 km 64.8 ° 11h 15 mn 3 24
GALILEO 23 222 km 56 ° 14h 07 mn 3 7 opérationnels et 2 en recette en vol
Constellation complète (30) prévue en 2020
BEIDOU 21 528 km 55 ° 12h 53 mn 3 Service régional opérationnel Service mondial en phase de
déploiement 4 opérationnels, 1 en recette
en vol et constellation complète (27) prévue en 2020
SPECTRE FRÉQUENTIEL DES SIGNAUX GNSS
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GALILEO
E1 1.575 GHz E6 1.278 GHz E5a
E5 1.192 GHz E5b
BEIDOU
B3 1.268 GHz
GLONASS
G2 1.246 GHz G1 1.602 GHz
GPS
L1 1.575 GHz L2 1.227 GHz L5 1.176 GHz
B1 1.575 GHz B2 1.192 GHz
STRUCTURE DU SIGNAL CIVIL GPS L1 C/A
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Emission Temps GPS
Temps de propagation × vitesse de la lumière pseudo-distance
10-9 s 30 cm
Réception Temps local récepteur
LES SOURCES DE PERTURBATION DE LA MESURE
T. CHAPUIS Décembre 2015 8
Satellite
Orbite
Décalage de l’horloge bord
Canal de Propagation
Ionosphère (70 1000km)
Troposphère (0 à 20km)
Multi-trajets
Interférences
Récepteur
Bruit thermique
PRÉCISION D’UN RÉCEPTEUR GNSS
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Mesure répétée périodiquement Approche statistique (moyenne, écart type)
Valeurs à 95% ou 99%
Histogramme ou fonction de distribution d’erreurs
Précision 3D, horizontale, verticale, along the track, across the track
Distribution d’erreur varie très fortement en fonction de l’environnement de l’antenne
Mesures statiques antenne de référence Mesures dynamiques centre ville Toulouse
TECHNOLOGIES DISPONIBLES ET GAMME DE PRÉCISION
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Technologie Précision horizontale (1σ)
Commentaire
GPS seul 3 à 5 m Mono-fréquence: L1 C/A signal civil Problème de disponibilité de la position en milieu urbain en raison du masquage des signaux
GPS + GLONASS 3 à 5 m Mono-fréquence : L1 C/A + G1 Meilleure disponibilité en ville (plus de satellites visibles)
GPS + SBAS (EGNOS en Europe)
1 m Mono-fréquence Contrôle état satellites GPS Gain significatif sur précision verticale
Différentielle RTK, NRTK, PPP
1 cm Bi-fréquence Service de diffusion des corrections
LE SYSTÈME EGNOS
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Monitoring stations (RIMS)
Uplink stations for geostationary satellites
(NLES)
Central Processing Facility (CPF)
GPS Signal
Improved position &
Protection volume (EGNOS integrity)
EGNOS signal
• GPS orbits and clocks corrections
• Ionospheric Corrections
• Information on maximum
error ranges (orbits, clocks, ionosphere)
• Alarms
User alarm volume
PRINCIPES DE GESTION DU TRAFIC FERROVIAIRE
T. CHAPUIS DCT/NT/SN 12
Fonctionne au moyen de balises fixées sur la voie, d'un système
informatique dans le poste de conduite du train et d’un centre de contrôle du
trafic qui va transmettre les consignes de circulation au train
La détection du franchissement d’une balise dont la position est connue permet au centre de
contrôle ou au train de recaler la position
Les balises peuvent aussi transmettre l'information requise sur le trajet à l'ordinateur de bord du train
Pour chaque canton (segment du parcours) le train va recevoir une
autorisation de circuler d’un point de départ à un point d’arrivée (Mouvement
Authority)
L’autorisation de se déplacer est valable pour une distance et une durée limitées
Le train va recevoir un profil de vitesse et des informations sur la
signalisation de la voie (balises, signaux, aiguillage) qui permettront au
calculateur de :
Calculer un profil dynamique de vitesse en tenant compte de la capacité de freinage du train et des informations sur la voie à parcourir
Comparer la vitesse mesurée du train avec la vitesse autorisée et activer la fonction de freinage si nécessaire
EUROPEAN RAILWAY TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEM
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Un système européen de contrôle des trains (European Train
Control System)
ETCS assure le service ATP (Automatic Train Protection)
Harmonisation et remplacement progressif du grand nombre de systèmes de répétition des signaux et de signalisation en cabine
actuellement utilisés sur les différents réseaux de chemins de fer
européens
Le standard GSM-R
Standard de communication sans fil basé sur le GSM, développé
spécifiquement pour les communications ferroviaires.
Supporte la communication vocale et la transmission de données avec
les postes de régulation du trafic
ERTMS NIVEAU 1
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Sans pré-signalisation de
la balise
Avec pré-signalisation de
la balise
ERTMS NIVEAU 2
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Communication permanente avec centre de contrôle via GSM-R
Plus besoin de signalisation le long de la voie
ERTMS NIVEAU 3
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La notion d’intégrité du train (pas de perte de wagon) est gérée à
bord car la position de l’arrière du train est connue
Le contrôle du trafic est basé sur le contrôle de la distance entre deux trains (plus de contrainte de canton fixe)
INTÉRÊT DE LA TECHNOLOGIE GNSS
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Calcul périodique de la position et de vitesse du train
Positionnement absolu et continu
Fréquence de calcul peut atteindre quelques dizaines de Hertz
Calcul précis de la vitesse basée la variation de Doppler des signaux
GNSS
Détermination du cap
Simplification de l’infrastructure sol
Suppression de nombreuses balises sol
Distribution temps synchronisé
Possibilité de synchroniser les différents équipements de la motrice
Possibilité de contrôler l’intégrité du train avec un récepteur
sur le dernier wagon
PRINCIPALES EXIGENCES DE PERFORMANCES
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Précision métrique semble suffisante
Capacité de discriminer la voie
Franchissement d’aiguillages
Exigences fortes de disponibilité et d’intégrité pour assurer la
sécurité des trains
Peuvent être modulées selon la phase du parcours
Source ANSALDO
POINTS A ANALYSER
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Précision Environnement de la voie peut être critique pour la réception des signaux GNSS
» Ligne encaissée avec présence de végétation
» Tunnels ou gares couvertes → masquage des signaux
» Environnement urbain
Besoin de caractériser les performances des récepteurs actuels » Bi-constellation : GPS + GLONASS + EGNOS (GALILEO d’ici 2020)
» Bi fréquence
» Utilisation possible de technologies différentielles type PPP
Position du train calculée à partir d’une solution hybridée » Récepteur GNSS
» Odomètre
» Centrale inertielle (A confirmer)
» Map-matching en utilisant la cartographie des lignes ferroviaires
Possibilité de garder quelques balises dans les zones les plus critiques
Communication Solution GSM-R très coûteuse à déployer
Quelle solution alternative?
Sureté de fonctionnement Validation à mener au niveau système
Processus de certification
CONCLUSIONS
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La technologie GNSS possède de nombreux avantages par
rapport à la solution actuelle
Continuité de la localisation (associée à un lien de communication)
Redondance pour calcul de la vitesse par rapport à l’odomètre
Positionnement absolu
» Fonction de map-matching possible avec carte du réseau ferré
» Hybridation avec d’autres capteurs
Capacité de synchronisation des équipements
Coûts d’investissement et de maintenance réduits
Besoin d’expérimentations pour étudier quelques points
critiques
Performance de précision dans des environnements difficiles
Optimisation de la fonction d’hybridation
Solutions alternatives de communication avec centre de contrôle
Si résultats concluants → analyse système à réaliser pour
démontrer la robustesse de la solution
UNE TECHNOLOGIE DÉJÀ UTILISÉE
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Source : GSA GNSS Market Report issue 4, March 2015