Etude de la Performance du Contrôle Autonome d'Intégrité pour les Approches à Guidage Vertical

Abstract

L'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI) a reconnu la navigation par satellite, Global Navigation Satellite System (GNSS), comme un élément clé des systèmes CNS/ATM (Communications, Navigation, and Surveillance / Air Traffic Management) et comme une base sur laquelle les Etats peuvent s'appuyer afin de délivrer des services de navigation aérienne performants. Mais l'utilisation des systèmes de navigation par satellites pour des applications de type aviation civile ne va pas sans répondre à des exigences en terme de précision, de continuité, d'intégrité et de disponibilité. Ces exigences opérationnelles liées aux différentes phases de vol requièrent pour les systèmes GNSS l'appui de moyens d'augmentation tels ceux utilisant des stations de surveillance sol pour vérifier la validité des signaux satellitaires et calculer des corrections ou ceux fonctionnant de manière autonome, tel le RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring). Ce dernier moyen est particulièrement intéressant car il engendre des coûts de mise en oeuvre réduits et il constitue à l'heure actuelle un moyen simple et efficace d'effectuer des approches de non précision. La prochaine mise en place du système de navigation européen Galileo ainsi que la modernisation du système historique américain GPS vont entrainer une nette amélioration, à la fois en terme de nombre et de qualité, des mesures satellitaires disponibles, laissant entrevoir la possible utilisation du RAIM pour des approches à guidage vertical, très intéressantes du point de vue opérationnel. Les différentes notions liées aux exigences de l'aviation civile sont définies dans le chapitre 2, notamment les différents critères de performance. Chaque phase de vol, et plus particulièrement chaque catégorie d'approche, y est également décrite ainsi que les niveaux de performance associés. Plusieurs types d'erreurs sont susceptibles d'affecter les mesures GNSS. Parmi elles il convient de distinguer les erreurs systématiques ou nominales des perturbations liées à une défaillance du système de navigation. Ces dernières peuvent être dues soit à un problème matériel survenant au niveau d'un des satellites ou du récepteur, soit d'une perturbation de l'environnement de propagation des signaux GNSS. Ces aspects sont adressés dans le chapitre 3 à l'issu duquel un modèle complet de mesure de pseudo distance GNSS est proposé. Les algorithmes de contrôle d'intégrité ont été développés pour détecter ces anomalies et exclure les mesures erronées de la solution de navigation. Il s'agit de méthodes uniquement basées sur la redondance des mesures satellite, éventuellement enrichies de celles d'autres capteurs, devant déterminer si les conditions sont réunies pour occasionner une erreur de position dépassant une limite spécifiée. Devant répondre à des exigences relatives aux performances décrites dans le chapitre 2, le choix du type d'algorithme de contrôle d'intégrité est laissé à l'utilisateur. Le chapitre 4 étudie plusieurs de ces méthodes et propose des innovations.l'algorithme de surveillance doivent être réexaminées. En effet, elles pourraient avoir une plus petite amplitude et des taux d'occurrence qui ne sont pas clairement définie pour le moment. C'est dans ce contexte que la Direction Générale de l'Aviation Civile a initié cette thèse dont l'objectif est d'évaluer le potentiel des algorithmes RAIM pour les approches à guidage vertical. On tachera de savoir dans quelle mesure l'augmentation du nombre de satellites et de l'amélioration de qualité de mesures de pseudodistance pourraient elles permettre l'utilisation de RAIM les approches à guidage vertical. Cette thèse est organisée de la manière suivante. Tout d'abord, le chapitre 2 présente les exigences de l'aviation civile quant à l'utilisation du GNSS. Cette section inclut une description des différentes phases de vol et plus particulièrement des phases d'approche. Elle introduit les concepts RNAV et RNP et définit également les critères de performance requis par l'OACI pour chaque les phases de vol. Finalement, les termes de détectionet d'exclusion de faute, plus spécifiques au contrôle autonome d'intégrité, sont définis. Le chapitre 3 a pour objectif de donner un modèle complet des mesures GNSS en adressant aussi bien le mode nominal et le mode défectueux, en tenant compte des pannes satellite et de l'effet des interférences. Le chapitre 4 a pour but d'étudier differents algorithmes RAIM mais certains aspects généraux comme l'estimation de la position d'utilisateur ou le calcul du plus petit biais sur une mesure de pseudo distance entrainant une erreur de positionnement sont d'abord présentés. La manière dont les exigences aviation civile et le modèle d'erreur sont interprétés afin de constituer les paramètres d'entrée des algorithmes RAIM est discutée au chapitre 5. Le chapitre 6 présente des résultats des simulations qui ont été effectuées pour évaluer la performance RAIM pour les approches à guidage vertical. Cette évaluation a été réalisée grâce à des simulations Matlab. Finalement, le chapitre 7 résume les principaux résultats de ce travail de doctorat et propose quelques pistes de reflexion quant à de futurs travaux.