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La géolocalisation par satellites pour la gestion du trafic ferroviaire

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SU

MM

AR

Y

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2

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


3

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


4

BEIDOU GPS

GALILEO GLONASS

LES CONSTELLATIONS GNSS


5

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


6

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

7

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


9

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

©CNES Reproduction du document interdite 10

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


11

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


13

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


14

Sans pré-signalisation de

la balise

Avec pré-signalisation de

la balise

ERTMS NIVEAU 2


15

Communication permanente avec centre de contrôle via GSM-R

Plus besoin de signalisation le long de la voie

ERTMS NIVEAU 3


16

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


17

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


18

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


19

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


20

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


21

Source : GSA GNSS Market Report issue 4, March 2015

Documents

La géolocalisation par satellites pour la gestion du ... · (X,Y,Z,b T) (X 3, Y 3, Z 3) PD 1 PD 2 PD 3 (X ... GPS 20 200 km 55 ° 11h 58 ... Le contrôle du trafic est basé sur