Systèmes de localisation ferroviaires autonomes

La fonction de localisation est une fonction importante du système de contrôle commande ferroviaire. La localisation d’un train est une information essentielle pour permettre au train de se déplacer en toute sécurité. Les systèmes actuels que nous présenterons dans ce chapitre sont coûteux et présentent des contraintes de mise en œuvre, d’exploitation et de maintenance assez élevées. Pour faire évoluer ces systèmes, de nombreux acteurs, industriels de la signalisation ou opérateurs étudient le potentiel des solutions satellitaires.

Dans ce chapitre, nous abordons les problématiques liées à la localisation ferroviaire réalisée à l’aide de systèmes satellitaires dont l’utilisation est au cœur des enjeux d’évolution des systèmes de contrôle-commande. En Europe, cette évolution s’inscrit dans le processus d’harmonisation des 27 systèmes de contrôle-commande existants via le développement du système ERTMS (European Railway Trafic Management System). Le dernier niveau d’intégration de l’ERTMS (niveau 3) dans le paysage ferroviaire européen, toujours à l’étude, permet d’envisager l’usage de nouvelles technologies telles que les technologies satellitaires. Ces solutions peuvent contribuer à l’allègement de l’infrastructure en réduisant le nombre d’équipements au sol. Il reste à démontrer que ces nouvelles techniques de localisation ferroviaire répondent favorablement aux exigences ferroviaires et particulièrement en matière de sécurité.

Localisation ferroviaire actuelle

Après quelques généralités sur la localisation, cette partie recense les techniques mises en œuvre pour localiser un train. C’est une fonction principale dans tout système de contrôle-commande et de signalisation. Nous distinguons ensuite le type de localisation : relative ou absolue.

Généralités sur la localisation

Avant de présenter les différentes techniques de localisation d’un véhicule, il est nécessaire de bien définir ce qu’est une localisation et à quel moment nous parlons de navigation ou de positionnement. De manière générale, la localisation est la détermination de l’emplacement où se situe une chose, un phénomène ou son origine [CNRTL, 2014b]. On utilise fréquemment les termes localisation, positionnement et navigation.

Localisation et positionnement sont des termes considérés comme équivalents. En revanche, la navigation désigne toutes les techniques pour calculer non seulement la position, la vitesse et l’accélération de tout mobile mais la trajectoire, le guidage et la commande des organes de direction [Groves, 2013] [Laneurit, 2006]. La localisation est donc un sous-ensemble de la navigation. Dans les applications que nous viserons dans ce mémoire, nous traiterons de localisation et non de navigation.

La localisation d’un objet peut se faire de manière relative ou absolue. La localisation relative consiste à estimer la position courante relativement à la dernière position connue. La localisation absolue est l’estimation de la position par rapport à un repère fixe de l’environnement (amer en navigation maritime, balise ferroviaire). Selon le type de localisation, il existe deux catégories de capteurs qui fournissent une position relative ou absolue :
— Les capteurs proprioceptifs : ils déterminent les informations à partir de ce qu’ils perçoivent localement du déplacement du véhicule. Ce sont des capteurs ayant une bonne précision à court terme mais qui souffrent d’un biais cumulatif dans le temps. Celui-ci deviendra grand si aucun recalage n’est effectué.
— Les capteurs extéroceptifs : ils mesurent la position absolue d’un véhicule à partir d’un point fixe dans l’environnement (un relief naturel particulier ou un objet artificiel comme un satellite ou une balise) dont les coordonnées dans un référentiel donné sont connues. Ces capteurs sont couramment utilisés pour le recalage du biais des mesures relatives.

Ces groupes de capteurs sont souvent utilisés ensemble pour leur complémentarité .

Localisation relative et navigation à l’estime

La navigation à l’estime (ou dead reckoning en anglais) revient à suivre le déplacement d’un mobile de point en point, grâce aux mesures de distance et de cap effectuées par des capteurs embarqués. L’ensemble de ces dispositifs fournit ce que nous appellerons plus tard une solution de navigation. Les capteurs présentés ici sont de type proprioceptif.

Odomètre
Incontournable dans la localisation ferroviaire, l’odométrie est une technique de détermination de la distance parcourue par un mobile depuis une origine. La position est extrapolée par intégration de la vitesse (x = v × t) mesurée au cours du temps par l’odomètre. Les performances d’un odomètre dépendent donc de la précision de la vitesse qu’il mesure et de l’horloge cadençant son fonctionnement.

Classiquement, la distance parcourue fournie par l’odomètre est déterminée par des mesures de vitesse de rotation de la roue. Ces mesures sont effectuées par un encodeur rotatif fixé sur un essieu et couplé à l’axe des roues. L’encodeur est composé d’un disque sur lequel sont disposés des zones opaques et transparentes appelés pistes. Leur nombre détermine notamment la résolution de l’encodeur et, par extension, sa précision. La lecture de ces pistes est réalisée au moyen d’un capteur sans contact (reluctance, à effet Hall, optique, etc.) qui génère des impulsions électriques.

Ces impulsions sont fonction de la distance parcourue depuis un point particulier appelé référence [Toledo-Moreo et al., 2007] (balise sur la voie par exemple) avec une imprécision de l’ordre de ±2% (odométrie ferroviaire [Thevenot et al., 2003]). Dans le système de contrôle-commande et de signalisation ERTMS, l’erreur de position permise par l’odométrie est bornée par l’intervalle de confiance ±5 + 5%d [SUBSET-041, 2015] où d est la distance parcourue par le train depuis le dernier point de référence (balise).

La faiblesse de ces systèmes sur essieux résulte des phénomènes de glissement et de patinage. Dans le cas d’un glissement, la roue se bloque et aucune impulsion n’est délivrée par le capteur. Cela se traduit sur l’interface du conducteur par une vitesse qui tend vers zéro. Dans le cas d’un patinage, contrairement au glissement, la roue tourne plus vite. La vitesse affichée est alors anormalement élevée. Afin de contrer ces phénomènes, il existe plusieurs moyens matériels et logiciels : l’utilisation de capteurs supplémentaires ou des algorithmes de calcul sophistiqués dans le but d’analyser et de filtrer les variations importantes de signaux aberrants [Wilson, 2001].

Systèmes inertiels

Les systèmes (ou centrales) inertielles sont des dispositifs complets regroupant gyroscopes et accéléromètres (un couple gyroscope/accéléromètre par axe soit trois gyroscopes/accéléromètres pour une solution de navigation dans un repère (x,y,z)) (cf figure 1.1). Ces derniers mesurent respectivement une position angulaire et une accélération. La vitesse et les angles d’attitude (tangage, lacet et roulis) sont déterminés par un calculateur. Il existe 3 types d’implémentations [Hirwa, 2013] :
— Système avec plateforme stabilisée. Les accéléromètres sont directement reliés à des gyroscopes pour garantir leur alignement sur l’axe considéré.
— Système avec plateforme partiellement stabilisée.
— Système strap-down. Les données issues des accéléromètres et des gyroscopes alimentent un processus informatique pour l’alignement.

Localisation absolue 

Balises 

Une balise est un dispositif de signalisation fixe, unique ou jalonnant un trajet, servant de point de repère ou indiquant la voie à suivre, l’obstacle à éviter en mer ou sur terre [CNRTL, 2014a]. Dans le domaine ferroviaire, les balises sont des appareils faisant partie intégrante de l’infrastructure au sol d’un système de contrôle commande et de signalisation. Dans le système français KVB (contrôle de vitesse par balises), les balises transmettent, au passage d’un train, un message de 172 bits  . Ce sont des systèmes passifs : le passage du train active la balise qui émet un message grâce à une antenne embarquée. Ce message (trame) contient des informations de signalisation (distance but, vitesse but, vitesse d’exécution, etc.) qui dépend du type de balise. Ces informations sont nécessaires à l’autorisation de mouvement permettant à un train de se déplacer jusqu’à un point cible avec une vitesse donnée. La balise constitue une référence pour la localisation du train et permet le recalage de l’odométrie.

RADAR/LIDAR

Les systèmes RADAR (pour RAdio Detection And Ranging) utilisent des ondes électromagnétiques pour localiser un objet (présence, position et vitesse). Le principe de base est l’émission d’une onde par un émetteur et la cible réfléchit cette onde indiquant du même coup une information sur sa présence. Le calcul du temps de propagation aller-retour de l’onde permet de mesurer la distance qui sépare l’émetteur de la cible. Dans le cas d’un objet mobile, la fréquence du signal de retour est décalée (Effet Doppler). Ce décalage permet le calcul de la vitesse de la cible. Les systèmes LIDAR (pour LIght Detection And Ranging) utilisent le même principe que le RADAR mais la fréquence des ondes électromagnétiques envoyées diffère. Dans le cas du RADAR, il s’agit d’ondes radio alors que, pour le LIDAR, ce sont des ondes lumineuses qui sont utilisées.

Table des matières

Introduction
Contexte et problématiques générales
Organisation du mémoire de thèse
1 Systèmes de localisation ferroviaires autonomes : enjeux et problématiques de l’utilisation des technologies satellitaires
1.1 Introduction
1.2 Localisation ferroviaire actuelle
1.2.1 Généralités sur la localisation
1.2.2 Localisation relative et navigation à l’estime
1.2.2.1 Odomètre
1.2.2.2 Systèmes inertiels
1.2.3 Localisation absolue
1.2.3.1 Balises
1.2.3.2 RADAR/LIDAR
1.3 Systèmes de localisation ferroviaires autonomes fondés sur les GNSS
1.3.1 GNSS existants et à venir
1.3.2 Architectures et services fournis
1.3.3 Fonctionnement des GNSS
1.3.4 Techniques avancées de localisation satellitaire
1.3.4.1 Localisation hybride
1.3.4.2 Systèmes d’augmentation satellitaires
1.3.4.2.1 GBAS
1.3.4.2.2 SBAS
1.3.4.3 Récepteur RTK et Precise Point Positioning
1.3.4.4 Map-Matching
1.4 Enjeux de la localisation par satellites dans le contexte ferroviaire
1.4.1 Des enjeux économiques, écologiques et techniques
1.4.2 Réponses apportées par les GNSS à ces enjeux
1.4.3 Projets d’intégration des GNSS dans le contrôle-commande ferroviaire
1.5 Problématiques liées à la gestion de la sécurité
1.5.1 Risques non maitrisés induits par l’usage des GNSS dans le domaine ferroviaire
1.5.2 Critères de quantification actuels des performances fournies par les GNSS
1.6 Synthèse et objectifs ciblés dans la thèse
2 Gestion de la sécurité de systèmes embarqués ferroviaires utilisant de nouvelles technologies : application aux systèmes de localisation avec GNSS
2.1 Introduction
2.2 Cadre européen de la gestion des risques dans le domaine ferroviaire
2.3 Moyens et méthodes d’analyse de la sûreté de fonctionnement de systèmes automatisés
2.3.1 Concepts liés à la sûreté de fonctionnement
2.3.2 Catégories de méthodes d’analyse
2.3.2.1 Analyses prévisionnelles
2.3.2.2 Analyses opérationnelles
2.3.2.3 Analyses formelles
2.4 Identification de scénarios risqués et impacts des données imparfaites/erronées au sein d’architectures centrées sur un récepteur GNSS
2.4.1 Hypothèses de travail simplificatrices pour les analyses causale et de sensibilité
2.4.2 Préalables sur les techniques d’estimation par filtrage statistique
2.4.3 Approche pour l’analyse causale d’architecture de systèmes avec GNSS
2.4.3.1 Modélisation des capteurs
2.4.3.1.1 Trajectoire de référence
2.4.3.1.2 Accéléromètre
2.4.3.1.3 Odomètre
2.4.3.1.4 Récepteur GPS
2.4.3.2 Modèle probabiliste simplifié d’un système multicapteurs
2.4.3.3 Identification des combinaisons à risque
2.4.4 Approche pour l’analyse de la sensibilité des erreurs de données unitaires sur les données fusionnées
2.4.4.1 Concepts liés à l’analyse de la sensibilité
2.4.4.2 Mesure de la sensibilité
2.4.5 Applications de l’analyse de causale et de l’analyse de sensibilité sur quelques architectures de systèmes fondés sur les GNSS
2.4.5.1 Analyse causale sur différentes architectures choisies
2.4.5.1.1 Architecture 1 : Accéléromètre + Odomètre + récepteur GPS + fusion par moyenne pondérée
2.4.5.1.2 Architecture 2 : Accéléromètre + 2 Odomètres + récepteur GPS
2.4.5.1.3 Architecture 3 : Accéléromètres + Odomètre + Récepteur GPS associés à un filtre de Kalman (KF)
2.4.5.1.4 Architecture 4 : 3 Accéléromètres + 2 Odomètres + récepteur GPS + fusion par moyenne pondérée
2.4.5.2 Conclusions sur les architectures
2.4.5.3 Analyse de sensibilité
2.5 Conclusions du chapitre
3 Contribution à l’évaluation de la sécurité des systèmes de localisation avec GNSS ferroviaires au travers de la formalisation du concept d’intégrité étendu
3.1 Introduction
3.2 Intégrité : de multiples définitions
3.3 Intégrité sur la localisation
3.4 Application au contexte ferroviaire
3.5 Algorithmes de contrôle d’intégrité actifs
3.5.1 Contextes d’utilisation
3.5.2 Moyens utilisés pour le contrôle d’intégrité
3.5.3 Méthodes statistiques employées
3.5.3.1 Approche comparative de solutions de navigation ou Range-Comparison
3.5.3.2 Approche fondée sur les résidus
3.5.3.3 Approche par projection sur l’espace de parité
3.5.4 Types d’algorithmes de contrôle d’intégrité
3.5.5 Calculs du niveau de protection lors du contrôle d’intégrité
3.5.6 Algorithmes existants
3.6 Algorithme de contrôle de l’intégrité particulier pour un système avec GNSS
3.6.1 Détection des biais instantanés
3.6.1.1 Énoncé des hypothèses nulle et alternative
3.6.1.2 Prise de risque durant le test
3.6.1.3 Seuil de décision
3.6.2 Détection des erreurs à croissance lente
3.6.2.1 Énoncé des hypothèses nulle et alternative
3.6.2.2 Prise de risque durant le test
3.6.2.3 Seuil de décision
3.6.3 Calcul de niveaux de protection
3.6.4 Conclusions sur l’algorithme et remarques
3.7 Intégrité étendue pour évaluer la sécurité des systèmes avec GNSS
3.7.1 Présentation des états dangereux considérés pour l’utilisation d’un système avec GNSS
Conclusion

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