Le couplage étroit représente une stratégie avancée de fusion de données essentielle pour une intégration robuste et hautement précise du système mondial de navigation par satellite (GNSS) et du système de navigation inertielle (INS). Cette approche combine les points forts des deux systèmes — la stabilité à long terme du GNSS la précision à court terme et à haut débit de INS— en fusionnant leurs mesures de base directement dans un seul estimateur, généralement un filtre de Kalman. Les performances s'améliorent considérablement, en particulier lorsque GNSS sont partiellement bloqués ou dégradés.
GNSS déterminent la position en mesurant le temps de propagation des signaux provenant de plusieurs satellites. Ce processus permet d'obtenir des positions absolues dont la précision dépend de la visibilité et de la géométrie des satellites. Cependant, GNSS sensible aux coupures de signal dans des environnements tels que les canyons urbains ou les forêts, ce qui entraîne des lacunes dans les données et une perte de navigation (dérive).
Les systèmes à couplage serré utilisent les mesures des paramètres des signaux auxiliaires pour atténuer la dérive dans un INS. Par rapport aux systèmes à couplage lâche, le couplage serré met à jour les états d'erreur de INS, même lorsque GNSS insuffisantes empêchent de déterminer une position. Cette situation se produit lorsque moins de quatre GNSS sont visibles, ce qui rend impossible la détermination d'une solution de position à l'aide GNSS seules GNSS .
Dans les systèmes à couplage lâche, cette situation entraîne une interruption complète des données. Cependant, les systèmes à couplage serré peuvent utiliser GNSS limitées, ce qui leur permet d'atténuer partiellement la dérive INS .
Pour atteindre cet objectif, les systèmes à couplage serré doivent calibrer IMU unité de mesure inertielle) en temps réel, en se concentrant particulièrement sur les périodes où le GNSS n'est pas obstrué. Ce calibrage garantit une connaissance précise du IMU et entraîne IMU anticiper l'emplacement futur GNSS (modélisation anticipative).
En permettant IMU évaluer la validité et la précision GNSS et IMU sélectionner le GNSS qui correspond à sa prédiction, le système établit une connexion solide entre IMU GNSS.
L'architecture à couplage étroit
Le concept central du couplage serré est d'utiliser directement les mesures de pseudo-distance et de phase porteuse du GNSS dans l'étape de mise à jour de l'observation du filtre de Kalman. Il s'agit d'un écart important par rapport au couplage lâche, où le filtre de Kalman utilise la solution de position et de vitesse GNSS entièrement traitée et autonome.
Dans un système à couplage serré, le vecteur d'état du filtre de Kalman comprend généralement les états d'erreur de l'INS :
- Erreurs de position (δr)
- Erreurs de vitesse (δv)
- Erreurs d'attitude (δ𝛙)
- Biais des capteurs de l'IMU (accéléromètre et gyroscope)
Le filtre de Kalman utilise les équations de mécanisation de l'INS pour l'étape de propagation temporelle (prédiction). Cela propage les états de l'INS vers l'avant en utilisant les données IMU à haute fréquence.
Avantages du couplage étroit
Le couplage étroit offre plusieurs avantages considérables, en particulier pour les applications de post-traitement où toutes les données des capteurs sont disponibles après la mission. Contrairement au couplage lâche, qui nécessite une solution d'au moins quatre satellites GNSS pour calculer une position 3D, le couplage étroit n'a besoin que d'un seul satellite visible. Avec une seule mesure de pseudo-distance, le filtre de Kalman peut toujours dériver un vecteur de correction d'erreur qui restreint efficacement la dérive de l'INS. Cette capacité est essentielle dans les zones partiellement obstruées.
En utilisant les mesures GNSS brutes, le filtrage peut directement modéliser et estimer le biais d'horloge du récepteur GNSS dans le vecteur d'état. Ce niveau d'intégration profond conduit à une solution de navigation globale plus précise, en particulier lors de la combinaison de mesures de phase porteuse pour les techniques de post-traitement Real-Time Kinematic (RTK) ou Precise Point Positioning (PPP).
Le processus de correction intégré et transparent assure une qualité de navigation plus fluide et plus cohérente. Les algorithmes pondèrent de manière optimale les données INS de haute précision avec les observations GNSS souvent bruitées. Pendant les pannes GNSS, l'INS bien calibré (grâce à l'estimation continue du biais) fournit une solution de navigation à l'estime supérieure.
Le post-traitement implique un filtrage avant et arrière. Les données sont d'abord traitées chronologiquement (filtre avant). Ensuite, un filtre arrière traite les données en sens inverse, en utilisant les estimations finales avant comme conditions initiales. Un lisseur à intervalle fixe (par exemple, le lisseur de Rauch-Tung-Striebel) lisse les résultats des deux filtres. Cette étape de lissage fournit la solution de trajectoire la plus précise et statistiquement optimale, en tirant parti de toutes les données disponibles sur l'ensemble de la chronologie de la mission. Cela fait du couplage étroit une référence pour les applications de haute précision telles que la cartographie et la topographie.
