RECEIVER FOR THE DETERMINATION OF A MOBILE OBJECT ORIENTATION
1*1CanadianIntellectual Property Office An Agency of Industry Canada Office de la PropriétéIntellectuelledu Canada Un organisme d'Industrie Canada (11) CA 2 411 107 (13) A1(40) 17.10.2002 (43) 17.10.2002(12)(21) 2 411107 (22) 29.03.2002(51) Int. Cl. G01S 5/14, G01S 1/04, H04B 1/18 (85) 06.12.2002 (30) (71) 01/04736 FR 06.04.2001 (86) PCT/FR02/01110 (87)WO02/082119 (72) QUEMENER, BERTRAND (FR). BOURASSEAU, DANIEL (FR). PRIOU, MICHEL (FR). ROLLET, STEPHANE (FR). THALES, 173 boulevard Haussmann F-75008, PARIS, XX (FR). (74) ROBIC (54) RECEPTEUR DE DETERMINATION D'ORIENTATION D'UN MOBILE (54) RECEIVER FOR DETERMINING A MOBILE OBJECT ORIENTATION (57) L'invention concerne la détermination d'orientation d'un mobile à l'aide de signaux GPS. Selon l'invention, on prévoit un récepteur (16) comportant un seul ensemble de canaux de traitement numérique des signaux issus de plusieurs antennes (10, 12), ces signaux arrivant au récepteur par une liaison unique (17) qui sert également à l'alimentation en énergie des préamplificateurs d'antenne ainsi qu'au multiplexage d'au moins deux antennes. Les canaux de traitement numérique des signaux satellites utilisent les signaux des antennes pour effectuer l'asservissement d'un code pseudoaléatoire local, mais utilisent seulement les signaux issus d'une antenne principale (10) pour effectuer l'asservissement d'une phase de porteuse locale. Le déphasage des signaux entre les antennes, qui sert à déterminer l'orientation des vecteurs reliant les antennes connaissant leurs positions relatives, est calculé à partir des valeurs numériques de corrélation qui servent classiquement dans tout récepteur GPS à établir des signaux d'asservissement des boucles de phase et de porteuse. Application notamment à la détermination de cap d'un navire. Utilisable pour tout type de porteur: piéton, véhicule terrestre, bateau, avion. -15 i CA 02411107 2002-12-06 (12) DEMANDE INTERNATIONALE PUBLIÉE EN VERTU DU TRAITÉ DE COOPÉRATIONEN MATIÈRE DE BREVETS (PCT) (19) Organisation Mondiale de la Propriété Intellectuelle Bureau international (43) Date de la publication internationale 17 octobre 2002 (17.10.2002) (10) Numéro de publication internationale WO 02/082119 Al PCT (51) Classification internationale des brevets7 : G01S 5/14, 1/04, H(MB 1/18 (21) Numéro de la demande internationale : PCT/FR02/01110 (22) Date de dépôt international : 29 mars 2002 (29.03.2002) (25) Langue de dépôt :français (26) Langue de publication :français (30) Données relatives à la priorité : 01/047366 avril 2001 (06.04.2001) FR (71) Déposant -15' ' -m CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821191PCT/FR02/01110 RECEPTEUR DE DETERMINATION D'ORIENTATION D'UN MOBILE L'invention concerne la détermination précise et rapide de l'orientation d'un mobile dans l'espace. 5 Typiquement, la navigation maritime nécessite une connaissance du cap suivi par un navire, qu'il soit en route, en manœuvre, ou à l'arrêt. L'information de cap est une information sur l'orientation de l'axe longitudinal du navire dans un plan horizontal. L'invention sera décrite principalement à propos de là détermination du cap d'un navire ou d'un aéronef, mais elle est 10 applicable â d'autres informations d'orientation d'un mobile, y compris en dehors du plan horizontal : une information d'attitude en roulis et tangage est une autre information intéressante, en navigation maritime comme en navigation aérienne, bien qu'elle ait en général moins besoin de précision que l'information de cap. L'information de cap ou d'orientation d'un véhicule 15 terrestre est également intéressante. D'autres exemples d'application peuvent être envisagés tels qu'une information d'orientation d'une grue, d'une arme de tir, d'un piéton, etc. La mesure de cap s'effectue traditionnellement à l'aide d'un compas magnétique, d'un compas gyroscopique, ou d'une centrale inertielle. 20 Le compas magnétique nécessite des corrections, dues à la différence entre le nord géographique et le nord magnétique, et dues aux masses magnétiques perturbantes dans l'environnement du compas. Le compas gyroscopique, entretenu électriquement, est insensible aux variations magnétiques, et est très largement utilisé dans les navires. 25 Mais les difficultés d'installation, la diminution de précision aux latitudes élevées, l'entretien mécanique, et le coût lorsqu'on veut une précision élevée, sont des handicaps importants. Les centrales inertielles fournissent une mesure de qualité mais sont coûteuses et doivent être recalées périodiquement à l'aide d'autres 30 moyens de mesure. On peut également envisager d'utiliser, pour la détermination d'orientation, des moyens de mesure de position par satellites, utilisant par CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821192PCT/FR02/01110 exemple les signaux radio émis par les satellites de positionnement des systèmes GPS (Global Positioning System) ou GLONASS notamment. En utilisant plusieurs antennes de réception localisées en des points différents du mobile ( navire, aéronef, etc.)) et en déterminant par des s mesures différentielles les positions relatives des antennes, on peut calculer l'attitude en cap, roulis, tangage. La précision obtenue dans des conditions de réception favorables peut être de 3 milliradians en cap et de 6 à 8 milliradians en roulis ou tangage, en fonction de la distance entre les antennes. 10On a donc déjà proposé des centrales de détection d'attitude à base de récepteurs de signaux satellites, comprenant plusieurs antennes de réception reliées à des circuits de réception et de traitement numérique de signal (un récepteur par antenne) chacun capable de déterminer des mesures de pseudo-distances entre l'antenne correspondante et les différents satellites qui sont en vue de l'antenne. Les pseudo-distances correspondant à un même satellite, mais déterminées par deux circuits de réception différents, sont différentes si les distances du satellite aux deux antennes correspondantes ne sont pas les mêmes. Un processeur de calcul, qui par ailleurs pilote le fonctionnement des récepteurs, reçoit les mesures de pseudo-distances en provenance de chaque récepteur et établit leurs différences ; il en déduit, par des calculs trigonométriques classiques, les orientations des vecteurs reliant les antennes les unes aux autres, à partir de la connaissance de la position des satellites à l'instant de la mesure et de la connaissance de la distance fixe entre les antennes. 25Mais ces systèmes sont relativement chers. Un besoin existe pour des systèmes remplissant la même fonction, mais moins chers, même si c'est en partie au détriment de certaines performances. Une des raisons du coût élevé est la complexité des circuits de réception et de traitement de signal nécessaires : pour chaque récepteur il faut prévoir un circuit de réception et de traitement analogique des signaux à fréquence radio reçus des satellites, et plusieurs canaux de traitement numérique correspondant chacun à un satellite respectif (par exemple 10 canaux, voire 16 canaux, par récepteur) ; et chaque canal de traitement comprend une circuiterie numérique complexe et travaillant à haute fréquence, avec des boucles de corrélation et d'asservissement de code CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821193PCT/FR02/01110 pseudo-aléatoire, et des boucles de corrélation et d'asservissement de phase de la fréquence porteuse du signal satellite. L'ensemble de la centrale de détermination d'attitude peut devenir très coûteux, même pour une détermination de cap simple n'utilisant que deux antennes de réception. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif simple à installer et peu coûteux, d'une part par la minimisation des circuits nécessaires, et d'autre part par la réutilisation de circuits de traitement analogique et numérique identiques à ceux qui servent dans des récepteurs de positionnement existants ; ceci afin que seuls les logiciels de calcul numérique aient besoin d'être modifiés, mais pas les puces de circuit intégré sur lesquelles sont réalisés les circuits de traitement analogique et numérique de signal servant à la détermination des pseudo-distances. C'est pourquoi on propose selon l'invention un dispositif de détermination de l'orientation d'un mobile, comprenant au moins deux antennes de réception de signaux de positionnement par satellite, un circuit commun de réception et de traitement des signaux radiofréquence reçus par les antennes, un circuit de conversion analogique-numérique, N canaux de traitement numérique de signal comprenant chacun un circuit de corrélation et d'asservissement de la position d'un code pseudo-aléatoire périodique local et de la phase d'une porteuse locale, ces canaux fournissant chacun des mesures de corrélation entre le signal reçu d'un satellite respectif et le code local en vue de l'asservissement du code local et de la porteuse locale sur le signal reçu, et un organe de calcul pour recevoir des mesures numériques de corrélation issues des canaux et pour contrôler le circuit d'asservissement, ce dispositif étant caractérisé en ce que : - les antennes sont montées dans un boîtier commun contenant un moyen de commutation pour diriger vers le circuit de réception et de traitement des signaux radiofréquence alternativement un signal issu de la première antenne et un signal issu de la deuxième antenne, le moyen de commutation agissant avec une période de préférence multiple de la période du code pseudo-aléatoire, - le boîtier commun est relié au circuit commun de réception et traitement des signaux radiofréquence par un câble coaxial unique transportant à la fois les signaux radiofréquence, un potentiel d'alimentation CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821194PCT/FR02/01110 des antennes, et une information périodique de commande du moyen de commutation de commutation des antennes, - le circuit de réception et traitement des signaux radiofréquence comprend un moyen de calcul d'un signal numérique d'asservissement du code de chaque canal ; ce moyen agit de préférence à partir des signaux issus des deux antennes indépendamment de la commutation des antennes, - le circuit de réception et traitement comprend en outre un moyen de calcul d'un signal numérique d'asservissement de la porteuse de chaque canal, ce moyen agissant seulement à partir du signal reçu de la première io antenne, - le circuit de réception et traitement comprend également un moyen de calcul de la différence de phase entre la porteuse reçue sur la première antenne et la porteuse reçue sur la deuxième antenne pour chaque canal, ce moyen agissant à partir des signaux reçus d'une part de la première antenne et d'autre part de la deuxième antenne pendant que le circuit d'asservissement reste commandé par le signal d'asservissement de porteuse calculé à partir des signaux issus de la première antenne. Le principe de l'invention consiste en pratique à recevoir un signal issu de la première antenne pendant une durée multiple de la durée du code pseudo-aléatoire, à calculer à la fin de cette durée des premières valeurs numériques permettant l'élaboration d'une commande d'asservissement de phase de porteuse et à utiliser effectivement cette commande comme signal d'asservissement de phase de porteuse, à recevoir ensuite un signal issu de la deuxième antenne pendant une durée multiple de la durée du code pseudo-aléatoire, à calculer également à la fin de cette durée, par le même mode de calcul que les premières valeurs, des deuxièmes valeurs permettant l'élaboration d'une commande d'asservissement qui pourrait donc servir à l'asservissement de phase de porteuse pour la deuxième antenne, mais à continuer cependant à utiliser les premières valeurs pour établir le signal d'asservissement de phase de porteuse, et à utiliser une combinaison des premières et deuxièmes valeurs numériques pour le calcul de l'orientation. En pratique, le calcul consiste à établir des premières valeurs numériques IpA et QpA, représentant respectivement des résultats de CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821195PCT/FR02/01110 corrélation en phase et en quadrature de phase au bout d'une durée égale à la durée du code pseudo-aléatoire, pendant la réception des signaux de la première antenne, et des deuxièmes valeurs numériques correspondantes IpB et QpB pendant la réception des signaux de la deuxième antenne, à calculer une valeur numérique arctg(QpA/lpA) et à l'utiliser comme commande d'asservissement de phase de porteuse quelle que soit l'antenne utilisée, et à calculer la valeur numérique d'arctangente, avec détermination à CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821196PCT/FR02/01110 Les signaux radiofréquence issus des deux antennes sont traités en analogique par un circuit de transposition de fréquence qui peut être identique à ceux de la technique antérieure, le principe de l'invention ne nécessitant pas la conception d'un circuit différent. Puis ces signaux sont 5 convertis en numérique de la même façon que dans la technique antérieure. Enfin, ils passent dans des canaux de traitement numérique de signal dont la conception matérielle n'est pas modifiée par rapport à l'art antérieur. Les canaux de traitement numérique de signal fournissent des valeurs numériques à l'organe de calcul qui les contrôle, et reçoivent de cet organe de calcul des valeurs numériques. Les logiciels de fonctionnement de cet organe de calcul sont différents de ceux de la technique antérieure, mais le coût de la modification des logiciels est très inférieur à ce que serait le coût de conception et modification de puces de circuit intégré complexes. Ainsi, le dispositif de détermination d'attitude selon l'invention peut être réalisé d'une manière particulièrement économique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : 20 - la figure 1 représente une vue générale d'un équipement de mesure d'orientation d'un mobile ; - la figure 2 représente le schéma électrique général du récepteur couplé aux antennes ; - la figure 3 représente le circuit de commutation d'antennes ; 25- la figure 4 représente l'architecture générale d'un canal de traitement numérique du récepteur. La figure 1 représente la structure générale de l'équipement de détection d'orientation, destiné à être installé par exemple sur un navire, pour 30 détecter le cap du navire. Dans l'exemple décrit, l'appareil comporte deux antennes de réception de signaux de positionnement par satellites et, pour mesurer le cap et accessoirement le roulis ou le tangage, on cherche à mesurer l'orientation du vecteur reliant les centres des antennes, sans tenir compte d'autres orientations du mobile dans l'espace. L'invention est cependant applicable CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821197PCT/FR02/01110 également dans le cas où on a trois antennes non alignées, permettant une détermination complète d'orientation selon trois axesw Les deux antennes 10 et 12, sont logées dans un boîtier commun 14 pourvu d'un capot ou radôme de matière plastique ; ce boîtier est porté 5 par un support commun 15 et les centres A et B des antennes sont séparés par une distance D connue. Le support (ou le boîtier s'il n'y a pas de support) est destiné à être fixé sur le navire, avec un repérage de l'orientation du vecteur AB par rapport à l'axe général du navire, de manière qu'on puisse déduire le cap du navire de l'orientation de ce vecteur. 10La distance entre les centres d'antennes peut être de quelques dizaines de centimètres par exemple. Le boîtier de protection des antennes contient également des circuits électroniques analogiques tels que des préamplificateurs, et, comme on le verra plus loin, un circuit de commande de commutation des antennes. 15Le récepteur de signaux de positionnement par satellite proprement dît, désigné par la référence générale 16, contient un circuit de réception de signaux radiofréquence, un circuit de conversion analogique-numérique, et des circuits de traitement numérique permettant la mesure de pseudo-distances. Il est de préférence déporté par rapport aux antennes et au support ; par exemple il est placé à l'intérieur du navire alors que le support d'antennes est à l'extérieur. Il est relié au support d'antenne seulement par un câble coaxial unique 17 (un seul fil entouré de son blindage). Enfin, un organe 18 de calcul et de contrôle du récepteur, en pratique un micro-ordinateur pourvu de ses mémoires et de ses programmes de fonctionnement, est relié au récepteur par des liaisons numériques. L'organe de calcul est relié à des organes périphériques qui dépendent des applications : afficheur 20, clavier 22, lecteur/enregistreur de données ou de programmes 24, moyen de transmission filaire ou radio vers un utilisateur, ou simple interface de sortie vers une ligne de transmission du résultat des calculs. Dans un système de type « boussole », les fonctions 16, 18, 20, 22, 24 sont regroupées en un seul appareil. La figure 2 représente plus en détail l'architecture générale du récepteur 16 couplé d'un côté aux antennes 10 et 12 et de l'autre à l'organe de calcul 18. CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821198PCT/FR02/01110 Un circuit de commutation 30 permet de transmettre au récepteur 16 soit les signaux reçus des satellites sur l'antenne 10 soit les signaux reçus sur l'antenne 12. Dans l'exemple décrit, la commutation est périodique et la période est un multiple de la période d'émission du code pseudo-aléatoire qui module les signaux issus des satellites. On sait que cette période est de 1 milliseconde pour le code C/A des satellites de positionnement des systèmes GPS et GLONASS. Elle peut être différente pour d'autres codes de ces systèmes ou pour d'autres systèmes. En pratique, la commutation se fera de préférence toutes les 2 millisecondes, de sorte que le récepteur recevra des signaux alternativement de l'antenne 10 pendant 2 ms puis de l'antenne 12 pendant les 2 ms suivantes et ainsi de suite. La commande de multiplexage est telle que le temps de commutation est négligeable devant la durée de 2 millisecondes. Le circuit de commutation 30 assure de plus les fonctions de préamplification du signal reçu par les antennes, du fait que celles-ci peuvent être éloignées du récepteur 16 et qu'il faut compenser les pertes en ligne pouvant survenir dans le câble coaxial 17 qui relie les antennes au récepteur. Le récepteur 16 comprend, à son entrée, un circuit 34 de réception des signaux radiofréquence reçus par les antennes. Ce circuit 34 effectue les opérations de transposition de fréquence ramenant à une fréquence plus basse la fréquence porteuse radio modulée en phase par les satellites d'émission. Typiquement, on peut prévoir que la fréquence porteuse à 1575,42 MHz du système GPS est ramenée à 175,42 MHz mais d'autres possibilités peuvent être envisagées. Le circuit de réception radiofréquence comporte de préférence un circuit de contrôle automatique de gain permettant d'optimiser le niveau de signal qu'il fournit à sa sortie, en vue des opérations de conversion analogique-numérique qui suivent. La transposition de fréquence et la conversion analogique-numérique nécessitent des opérations de génération de fréquences locales stables et bien connues, qui seront par ailleurs utilisées dans le traitement numérique de signal après conversion analogique-numérique. Pour simplifier la compréhension, on a représenté sur la figure 2 un circuit 36 de génération de signaux d'horloge, séparé du circuit de réception radiofréquence 34. Ce circuit comporte au moins une base de temps stabillisée par quartz, fournissant par exemple une fréquence d'horloge de base à 20 MHz ; il CA 02411107 2002-12-06 WO 02/0821199PCT/FR02/01110 comporte également des circuits de multiplication et division de fréquence fournissant, outre les fréquences locales nécessaires à la transposition de fréquence (typiquement une fréquence de 1400 MHz pour passer de 1575,42 MHz à 175,42 MHz), diverses fréquences d'horloge nécessaires au 5 fonctionnement de l'ensemble du récepteur. Dans l'exemple décrit, on peut avoir besoin d'une fréquence d'échantillonnage de 100 MHz pour piloter la conversion analogique-numérique, d'une fréquence de 25 MHz pour ramener en bande de base la modulation de phase à 175,42 MHz, et de fréquences plus basses de 100 kHz, 2 kHz, et 1 kHz à l'intérieur des circuits de traitement numérique de signal. La synthèse de fréquence peut être réalisée en pratique dans le circuit de réception radiofréquence pour les hautes fréquences, de 20 MHz et plus, et dans le circuit de traitement numérique pour les plus basses fréquences (au dessous de 100 MHz). Le circuit de génération de signaux d'horloge 36 commande le circuit de commutation 30 présent dans le boîtier 14, pour multiplexer les signaux en provenance des deux antennes avec une périodicité multiple d'une milliseconde (période du code pseudo-aléatoire présent dans les signaux des satellites). Sur la figure 2, une flèche symbolise cette commande. Toutefois, il faut comprendre que les signaux de commande de multiplexage transitent par le câble coaxial unique 17. Le circuit 34 de réception de signaux radiofréquence ne sera pas décrit en détail puisqu'il peut être constitué d'une manière classique. Les signaux traités par le circuit 34 sont convertis par un convertisseur analogique-numérique 38 opérant par exemple à la fréquence de 100 MHz et réalisant dans ce cas un sous-échantillonnage du signal à fréquence intermédiaire de 175,42 MHz. Dans l'exemple décrit, la conversion est une conversion élémentaire sur deux bits qui sont un bit de signe et un bit d'amplitude. Le résultat de la conversion est de préférence renvoyé vers le circuit de réception radiofréquence pour assurer un contrôle automatique de gain permettant au convertisseur d'opérer d'une manière optimale. Mais le résultat de la conversion analogique-numérique est principalement transmis au circuit de traitement numérique de signal qui établit des mesures numériques permettant la détermination de pseudodistances entre les satellites et les antennes. Ce circuit comprend essentiellement N canaux parallèles CHI, CH2,... traitant chacun les CA 02411107 2002-12-06 WO 02/082119PCT/FR02/01110 signaux reçus d'un satellite déterminé. Le nombre de canaux peut être typiquement compris entre 8 et 16. On rappelle que dans le système GPS chaque satellite émet une fréquence porteuse (L1) modulée en sauts de phase (0, CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211913PCT/FR02/01110 Les sorties des préamplificateurs PRa et PRb sont reliées entre elles par l'intermédiaire de capacités de découplage, et sont reliées à l'entrée de l'amplificateur AMP. Ainsi, les signaux issus de l'antenne principale 10 passent à 5 travers le préamplificateur PRa et l'amplificateur AMP pendant que le préamplificateur PRb est inhibé faute d'alimentation en énergie, et ils sont appliqués au câble coaxial pendant 2 millisecondes ; ensuite, pendant les 2 millisecondes qui suivent, les signaux issus de l'antenne secondaire 12 passent à travers le préamplificateur PRb et l'amplificateur AMP vers le câble coaxial, pendant que le préamplificateur PRa est inhibé faute d'alimentation. On a donc pu réduire à un seul câble coaxial la liaison entre le récepteur et le support d'antennes, du fait que la commutation des antennes consiste à mettre alternativement sous tension un préamplificateur, l'autre étant mis hors tension. Cette mise hors tension assure une séparation électrique (isolation) des signaux d'antenne supérieure à 60 dB, sans ajouter de composants supplémentaires tels que des diodes PIN ou des transistors à effet de champ. Les signaux issus du câble coaxial 17 sont traités par le circuit 34 (figure 2), principalement pour effectuer des transpositions de fréquence, des filtrages passe-bande, et un contrôle automatique de gain. Puis, ils sont convertis en numérique par le convertisseur 38. Les échantillons numérisés, par exemple sur deux bits dont un bit de signe, à une fréquence de 100 MHz, sont appliqués en parallèle à tous les canaux de traitement numérique CH1, CH2, etc. 25Les canaux de traitement numérique peuvent être identiques à ceux d'un récepteur classique et peuvent d'ailleurs être réalisés à partir des mêmes puces de circuit intégré que celles qui existent déjà, minimisant donc le coût de conception du système. On décrira donc sommairement, en référence à la figure 4, un exemple de canal pour faire comprendre comment l'invention utilise les valeurs numériques issues des canaux. On rappelle que chaque canal comporte un générateur de code local qui émet un code correspondant à un satellite déterminé, un corrélateur pour corréler le signal reçu par l'antenne avec le code local, et une boucle d'asservissement pour déplacer l'instant de début d'émission du code local jusqu'à une position qui maximise le niveau de corrélation. Ainsi, le CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211914PCT/FR02/01110 générateur de code local se synchronise sur le code présent dans le signal reçu par l'antenne si l'antenne reçoit un signal du satellite correspondant à ce code. Chaque canal comporte également un générateur de phase de porteuse locale, un corrélateur pour corréler le signal reçu par l'antenne avec la phase produite par le générateur de phase de porteuse locale, et une boucle d'asservissement pour décaler la phase du générateur local jusqu'à une position qui maximise le niveau de corrélation. En pratique les boucles d'asservissement de code et de phase io sont imbriquées en ce sens que le signal d'antenne, divisé en un signal direct I et un signal en quadrature de phase Q, est multiplié à la fois par le code pseudo-aléatoire et par le sinus et le cosinus de la phase de porteuse locale, et que les résultats de ces multiplications sont combinés pour produire deux signaux de corrélation dont l'un agit sur le générateur de code local et l'autre agit sur le générateur de phase de porteuse. De plus, il peut y avoir plusieurs boucles de corrélation et d'asservissement agissant parallèlement, l'une fonctionnant avec un code local dit ponctuel et la ou les autres fonctionnant avec des codes locaux retardés et avancés d'un chip ou d'une fraction de chip par rapport au code ponctuel. La corrélation sur les signaux avancés et retardés est combinée avec la corrélation sur le code ponctuel pour permettre un meilleur asservissement du code local ; la corrélation sur le code ponctuel sert à calculer un signal d'asservissement de phase de porteuse. H s'agit d'une disposition classique dans les récepteurs de positionnement par satellite. 25Les résultats de cette double corrélation, de position de code et de phase de porteuse, sont fournis à l'organe de calcul 18. Ils servent d'une part à réaliser l'asservissement des boucles, et d'autre part à fournir à l'organe de calcul 18 les informations recherchées de pseudo-distances entre une antenne et le satellite correspondant à ce canal de traitement numérique. En effet, la pseudo-distance est définie d'une part par la position temporelle du code reçu (valeur grossière de la pseudo-distance), et d'autre part par la phase de porteuse (valeur fine). La détermination précise d'orientation du mobile repose sur les différences de phase de porteuse reçues par les deux antennes, les différences de position de code étant très faibles pour des antennes séparées de quelques dizaines de centimètres. CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211915PCT/FR02/01110 Dans l'exemple décrit à la figure 4, on considère que chaque canal reçoit des échantillons à 24,58 MHz qui résultent du sous-échantillonnage à 100 MHz (par le convertisseur 38) de la fréquence intermédiaire de 175,42 MHz. Les signaux sont transposés en bande latérale unique par décalage de 5 0,42 MHz, après quoi un échantillonnage à 25 MHz permet de fournir, en bande de base (fréquence porteuse ramenée autour de zéro), des échantillons en phase et en quadrature de phase désignés par Ibb et Qbb. Ce sont ces échantillons qui vont être corrélés, pour chaque canal, avec un code pseudo-aléatoire local et une fréquence porteuse locale (théoriquement nulle mais en pratique non nulle du fait de l'effet Doppler résultant du mouvement des satellites, du mouvement du mobile portant les antennes et de l'écart de marche entre Toscillateur du satellite et celui du récepteur). Sur la figure 4, on a représenté à titre d'exemple une corrélation classique d'une part avec un code ponctuel P et d'autre part avec un code dit E-L représentant la différence entre un code avancé et un code retardé d'un chip ou d'une fraction de chip par rapport au code ponctuel. Le code P et le code E-L sont engendrés par un générateur de code local 50. La position de début du code P (et donc du code E-L) est déterminée par un premier oscillateur à commande numérique de phase NC01, contrôlé en phase et en fréquence par des signaux numériques en provenance de l'organe de calcul 18. Une fréquence porteuse locale, représentant la fréquence Doppler pour le satellite correspondant au canal considéré, est engendrée par un deuxième oscillateur à commande numérique de phase NC02, également contrôlé par l'organe de calcul 18. Cette fréquence pilote un circuit 52 de calcul de sinus et cosinus, qui, à partir de la phase de sortie p de l'oscillateur NC02 établit des valeurs numériques sinp et cosp représentant le sinus et le cosinus de cette phase. Un échantillon de sinus et un échantillon de cosinus sont de préférence fournis toutes les 10 microsecondes. 30Les échantillons Ibb et Qbb sont multipliés par le code local ponctuel P dans la boucle de corrélation ponctuelle et par le code E-L dans la boucle de corrélation E-L. Les résultats des multiplications sont accumulés dans des accumulateurs 54, 55, 56, 57 qui établissent un résultat de filtrage de type FIR au bout de 10 microsecondes (accumulation sur 250 échantillons à fréquence 25 MHz). Les résultats de l'accumulation des échantillons en CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211916PCT/FR02/01110 phase Ibb et en quadrature de phase Qbb, multipliés par les codes P et E-L, sont désignés respectivement par les quantités lp et Qp pour la voie de corrélation ponctuelle, Id et Qd pour la voie de corrélation différence E-L. Ils sont ensuite multipliés chacun par le sinus et le cosinus de la phase de 5 porteuse. Les résultats Ip.sinp, Qp.sinp, Ip.cosp, et Qp.cosp, sont combinés entre eux dans des additionneurs et soustracteurs, pour former respectivement des valeurs Ipcosp+Qpsinp, Qpcosp-lpsinp dans la voie de corrélation ponctuelle. De même, on forme des quantités Id.cosp+Qdsinp et Qdcosp-ldsinp dans la voie de corrélation différence E-L. Les combinaisons Ip.cosp+Qp.sinp et Qp.cosp-lp.sinp sont accumulées sur 100 échantillons de lp et Qp (donc sur la durée d'un code pseudoaléatoire de 1 ms) dans des accumulateurs respectifs 64, 65 pour la voie ponctuelle. 15II sort périodiquement des accumulateurs 64 et 65, à une fréquence de 1 kHz, des nouvelles valeurs numériques qui seront désignées soit par IpA et QpA, soit par IpB et QpB, selon que l'accumulation est faite sur des échantillons de l'antenne principale 10 ou de l'antenne secondaire 12. 20De la même manière, les combinaisons Id.cosp+Qd.sinp et Qd.cosp-ld.sinp sont accumulées sur 100 échantillons de Id et Qd dans des accumulateurs respectifs 66, 67 pour la voie différence pour produire des valeurs numériques IdA, QdA pour l'antenne principale, et IdB, QdB pour l'antenne secondaire. , 25Toutes ces valeurs numériques sont envoyées à l'organe de calcul 18 avec une périodicité de renouvellement de 1 millisecondes, mais toutes les 2 millisecondes, les antennes sont commutées, de sorte qu'en pratique, dans cet exemple, deux valeurs successives IpA alternent avec deux valeurs successives IpB ; de même, les valeurs QpA, IdA, QdA sont calculées deux fois de suite avant d'alterner avec des valeurs QpB, IdB, QdB également calculées deux fois de suite. Selon l'invention, on asservit le code à l'aide des signaux issus des accumulateurs, sans se préoccuper de savoir s'ils proviennent de l'antenne A ou de l'antenne B, et pour cela on calcule par exemple des quantités CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211917PCT/FR02/01110 (IpAJdA + QpA.QclA)/(lpA2+QpA2+|lpA.ldA + QpA.QdA|) pour l'antenne 10, et (IpB.ldB + QpB.QdB)/(lpB2+QpB2+|lpB.!dB + QpB.QdB|) pour l'antenne 12. Ces quantités alternées toutes les 2 millisecondes sont traitées comme si elles provenaient d'une seule et même antenne. Elles sont filtrées par calcul pour établir un signal d'erreur pilotant l'oscillateur à commande numérique de phase NC01 ; l'oscillateur tend à modifier la position de code pseudo-aléatoire dans un sens tendant à minimiser le signal d'erreur et ainsi à synchroniser le code local sur le code reçu du satellite correspondant à ce canal. On pourrait cependant aussi envisager de ne calculer le signal d'erreur que sur la base des quantités issues de l'antenne principale. D'autre part, un signal d'asservissement du deuxième oscillateur numérique NC02 est calculé à partir des valeurs numériques IpA et QpA issues de la première antenne seulement. Ce signal est calculé à partir d'une valeur arctg(QpA/lpA), ambiguë à rc, établie dans l'organe de calcul à partir des sorties des accumulateurs 64 et 65 pendant qu'elles fournissent ces résultats IpA et QpA. Mais, pendant que les accumulateurs fournissent les signaux IpB et QpB suite à la connexion de l'antenne secondaire, l'organe de calcul continue à fournir le même signal d'asservissement précédemment calculé sur la base de la valeur arctg(QpA/lpA). Le calcul du signal d'asservissement fait intervenir un filtrage de la valeur arctg(QpA/lpA) La sortie numérique de l'oscillateur NC02 représente la phase d'une porteuse locale (transposée en bande de base) représentant la fréquence Doppler entre le récepteur et le satellite; cette phase est synchronisée sur la phase de la porteuse reçue du satellite sur l'antenne principale 10. Pour déterminer la différence de phase de porteuse reçue sur les deux antennes, l'organe de calcul détermine, à partir des valeurs IpA, QpA et IpB, QpB successivement reçues des deux antennes, la valeur numérique suivante : atan2[(lpB.QpA-QpB.lpA),(lpA.lpB+QpA.QpB)] En effet, cette valeur (qui est égale à arctg[(lpB.QpA-QpB.lpA)/ (IpAlpB+QpAQpB)] définie sur 27cet non à CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211922PCT/FR02/01110 REVENDICATIONS 1. Dispositif de détermination de l'orientation d'un mobile, comprenant au moins deux antennes (10, 12) de réception de signaux de positionnement par satellite, un circuit commun (34) de réception et de traitement des signaux radiofréquence reçus par les antennes, un circuit de conversion analogique-numérique (38) , N canaux de traitement numérique de signal (CM, CH2 ...) comprenant chacun un circuit de corrélation et d'asservissement de la position d'un code pseudo-aléatoire périodique local et de la phase d'une porteuse locale, ces canaux fournissant chacun des io mesures de corrélation entre le signal reçu d'un satellite respectif et le code local en vue de l'asservissement du code local et de la porteuse locale sur le signal reçu, et un organe de calcul (18) pour recevoir des mesures numériques de corrélation issues des canaux et pour contrôler le circuit d'asservissement, ce dispositif étant caractérisé en ce que : ! 5- les antennes (10, 12) sont montées dans un boîtier commun (14) contenant un moyen de commutation (30) pour diriger vers le circuit (34) de réception et de traitement des signaux radiofréquence alternativement un signal issu de la première antenne (10) et un signal issu de la deuxième antenne (12), 20- le boîtier commun (14) est relié au circuit (34) de réception et traitement des signaux radiofréquence par un câble coaxial unique (17) transportant à la fois les signaux radiofréquence, un potentiel d'alimentation des antennes, et une information périodique de commande du moyen de commutation de commutation des antennes, 25- le circuit (34) de réception et traitement des signaux radiofréquence comprend un moyen de calcul d'un signal numérique d'asservissement du code de chaque canal, - le circuit de réception et traitement comprend en outre un moyen de calcul d'un signal numérique d'asservissement de la porteuse de chaque canal, ce moyen agissant seulement à partir du signal reçu de la première antenne, - le circuit de réception et traitement comprend également un moyen de calcul de la différence de phase entre la porteuse reçue sur la première antenne et la porteuse reçue sur la deuxième antenne pour chaque CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211923PCT/FR02/01110 canal, ce moyen agissant à partir des signaux reçus d'une part de la première antenne et d'autre part de la deuxième antenne pendant que le circuit d'asservissement reste commandé par le signal d'asservissement de porteuse calculé à partir des signaux issus de la première antenne. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de calcul d'un signal d'asservissement du code de chaque canal agit à partir des signaux issus des deux antennes indépendamment de la commutation des antennes, 3.Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de calcul du signal d'asservissement de porteuse comprend des moyens pour établir des premières valeurs numériques IpA et QpA, représentant respectivement des résultats de corrélation en phase et en quadrature de phase au bout d'une durée égale la durée du code pseudoaléatoire, pendant la réception des signaux de la première antenne (10), et des deuxièmes valeurs numériques correspondantes IpB et QpB pendant la réception des signaux de la deuxième antenne (12), et des moyens pour calculer une valeur numérique arctg(QpA/lpA) servant à l'établissement d'un signal d'asservissement de phase de porteuse pendant la réception des signaux des deux antennes. 4.Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de calcul de différence de phase comprend des moyens pour calculer une valeur numérique atan2[(lpB.QpA-QpB.lpA),(lpA.lpB+QpA.QpB)] représentant la différence de phase entre les signaux reçus d'un même satellite par les deux antennes. 5.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en 30 ce que le circuit (30) de commutation d'antennes comprend un moyen pour appliquer à la sortie (40) d'une liaison alternativement deux niveaux d'une tension continue (V1, V2) superposée aux signaux radiofréquence transitant par cette liaison, un détecteur de niveau de tension (COMP) pour détecter le niveau de tension à l'entrée (42) de cette liaison, un commutateur (K) 35 commandé par le détecteur de niveau pour diriger une tension d'alimentation CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211924PCT/FR02/01110 (V0) issue de la tension continue présente sur la liaison soit vers un premier amplificateur (PRA) de signaux d'antenne, relié à la première antenne (10), soit vers un deuxième amplificateur (PRB) relié à la deuxième antenne (12), selon le niveau de tension détectée, les sorties des deux amplificateurs 5 étant connectées à l'entrée (42) de la liaison pour transmettre à la sortie (40) de la liaison soit les signaux issus de la première antenne soit les signaux de la deuxième antenne, selon le niveau de tension continue appliqué à la sortie de la liaison. 106. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de commutation (30) des antennes agit avec une période multiple de la période du code pseudo-aléatoire. 7. Procédé de détermination de l'orientation d'un mobile à partir de signaux de satellites comprenant une fréquence porteuse codée par un code pseudo-aléatoire, dans lequel on effectue les étapes consistant à élaborer un code local et une porteuse locale, à recevoir un signal issu d'une première antenne (10) pendant une durée multiple de la durée du code pseudo-aléatoire, à calculer à la fin de cette durée des premières valeurs numériques (IpA, QpA) permettant l'élaboration d'une commande d'asservissement de phase de porteuse locale et à utiliser effectivement cette commande comme signal d'asservissement de phase de porteuse, à recevoir ensuite un signal issu d'une deuxième antenne (12) pendant une durée multiple de la durée du code pseudo-aléatoire, à calculer également à la fin de cette durée, des deuxièmes valeurs (IpB, QpB) permettant l'élaboration d'une commande d'asservissement qui pourrait donc servir à l'asservissement de phase de porteuse pour la deuxième antenne, mais à continuer cependant à utiliser les premières valeurs pour établir le signal d'asservissement de phase de porteuse, et à utiliser une combinaison des premières et deuxièmes valeurs numériques pour calculer un déphasage de porteuse entre les deux antennes et utiliser ce déphasage pour un calcul de l'orientation du mobile, ce procédé étant caractérisé en ce que : - les premières valeurs numériques sont des valeurs IpA et QpA représentant respectivement des résultats de corrélation en phase et en quadrature de phase au bout d'une durée égale la durée du code pseudo- CA 02411107 2002-12-06 WO 02/08211925PCT/FR02/01110 aléatoire, pendant la réception des signaux de la première antenne, et les deuxièmes valeurs numériques sont des valeurs correspondantes IpB et QpB pendant la réception des signaux de la deuxième antenne, - on calcule une valeur numérique arctg(QpA/lpA) et on l'utilise comme commande d'asservissement de phase de porteuse quelle que soit l'antenne utilisée, - et on calcule une valeur numérique atan2[(lpB.QpA-QpB.lpA),(lpA.lpB+QpA.QpB)] représentant la différence de phase entre les signaux reçus d'un même satellite par les deux antennes, cette différence de phase étant utilisée pour le calcul de l'orientation du vecteur reliant les deux antennes. CA 02411107 2002-12-06 WO 02/082119 PCT/FR02/01110 1MDI-15-17 I It ' ' -J-U [strike]i ' [/strike][strike]t[/strike]/paaaaaa The invention concerns the determination of a mobile object orientation using GPS signals. According to the invention, a receiver is provided (16) comprising a single channel assembly for digital processing of signals derived from several antennae (10, 12), said signals reaching the receiver through a single connection (17) which also serves to power antenna preamplifiers and to multiplex at least two antennae. The digital processing channels of the satellite signals use the signals of the antennae to provide phase-locking of a local pseudo-random code, but use only the signals derived from one main antenna (10) to provide phase-locking of a local carrier phase. The phase-shift of the signals between the antennae, which serves to determine the orientation of vectors linking the antennae knowing their relative positions, is calculated from the correlation digital values which conventionally serve in any GPS receiver to establish phase and carrier lock loop signals. The invention is in particular useful for determining a ship's heading. The invention is useful for any type of carrier: pedestrian, land vehicle, ship or aeroplane. A device for determining the orientation of a mobile, comprising at least two antennas (10, 12) for receiving satellite-based positioning signals, a common circuit (34), for reception and for processing of the radio signals received by the antennas, an analog/digital conversion circuit (38), N digital signal processing channels (CH1, CH2 ...) each comprising a circuit for correlation and for slaving of the position of a local periodic pseudo-random code and of the phase of a local carrier, these channels each delivering measurements of correlation between the signal received from a respective satellite and the local code with a view to the slaving of the local code and of the local carrier to the signal received, and a calculation facility (18) for receiving digital correlation measurements emanating from the channels and for controlling the slaving circuit, in which :
- the circuit (34) for receiving and processing the radiofrequency signals comprises a means of calculation of a digital signal for slaving the code of each channel, - the reception and processing circuit furthermore comprises a means of calculation of a digital signal for slaving the carrier of each channel, this means acting only on the basis of the signal received from the first antenna, - the reception and processing circuit also comprises a means of calculation of the phase difference between the carrier received on the first antenna and the carrier received on the second antenna for each channel, this means acting on the basis of the signals received on the one hand from the first antenna and on the other hand from the second antenna while the slaving circuit remains controlled by the carrier slaving signal calculated on the basis of the signals emanating from the first antenna,
this device being characterized in that: - the antennas (10, 12) are mounted in a common box (14) containing a switching means (30) for directing alternately a signal emanating from the first antenna (10) and a signal emanating from the second antenna (12) to the circuit (34) for reception and for processing of the radio signals, - the common box (14) is linked to the circuit (34) for reception and processing of radio signals by a unique coaxial cable (17), - the antenna outputs are connected to the coaxial cale through antenna preamplifiers (PRA, PRB), - the antenna preamplifiers receive a supply from the coaxial cable, - the circuit for reception and processing comprises a means for establishing on the coaxial cable a periodic control signal for the means of switching of the antennas, - the means of switching is connected to the coaxial cable and comprises means for detecting the periodic control signal. The device as claimed in claim 1, characterized in that the means of calculation of a signal for slaving the code of each channel acts on the basis of the signals emanating from the two antennas independently of the switching of the antennas. The device as claimed in one of claims 1 and 2, characterized in that the means of calculation of the carrier slaving signal comprises means for establishing first numerical values IpA and QpA, respectively representing in-phase and phase quadrature correlation results at the end of a duration equal to the duration of the pseudo-random code, during the reception of the signals from the first antenna (10), and corresponding second numerical values IpB and QpB during the reception of the signals from the second antenna (12), and means for calculating a numerical value arctan(QpA/IpA) serving for the establishment of a carrier phase slaving signal during the reception of the signals from the two antennas. The device as claimed in claim 3, characterized in that the means of calculation of phase difference comprises means for calculating a numerical value atan2[(IpB.QpA-QpB.IpA), (IpA.IpB+QpA.QpB)] representing the phase difference between the signals received from one and the same satellite by the two antennas. The device as claimed in one of claims 1 to 4, characterized in that the means for establishing a periodic control signal comprises a means for applying to the output (40) of the coaxial cable alternately two levels of a DC voltage (V1, V2) superimposed on the radio signals traveling through this link, and the means for detecting the periodic control signal comprise a voltage level detector (COMP) for detecting the voltage level at the input (42) of the coaxial cable, and the switching means comprise a switch (K) controlled by the level detector for directing a supply voltage (V0) emanating from the DC voltage present on the coaxial cable either to a first amplifier (PRA) of antenna signals, which is linked to the first antenna (10) or to a second amplifier (PRB) which is linked to the second antenna (12), depending on the level of voltage detected, the outputs of the two amplifiers being connected to the input (42) of the coaxial cable so as to transmit to the output (40) of the link either the signals emanating from the first antenna or the signals from the second antenna, depending on the DC voltage level applied to the output of the coaxial cable. The device as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the antenna switching means (30) acts with a period which is a multiple of the period of the pseudo-random code.