Nouvelles approches de fusion multi-capteurs par filtrage particulaire pour le recalage de navigation inertielle par corrélation de cartes

par Camille Palmier

Projet de thèse en Mathématiques appliquées et calcul scientifique

Sous la direction de Pierre Del Moral et de Karim Dahia.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Mathématiques et Informatique , en partenariat avec IMB - Institut de Mathématiques de Bordeaux (laboratoire) et de Optimisation Mathématique Modèle Aléatoire et Statistique (equipe de recherche) depuis le 29-11-2018 .


  • Résumé

    La capacité d'un sous-marin à remplir efficacement une mission dépend étroitement des performances des algorithmes de navigation embarqués par leur calculateur. Si la navigation inertielle suffit généralement à la réalisation d'une mission de courte durée, les données GPS ou d'autres informations de recalage sont nécessaires pour une mission longue. Dans le cas d'un sous-marin, les phases d'immersion, pendant lesquelles la réception GPS n'est pas possible, sont importantes. Le système de référence, du fait de l'absence de recalage GPS, voit sa précision se dégrader dans le temps et ses sorties en temps réel ne peuvent donc plus être prises pour référence. Dans ce contexte ainsi que dans le cadre d'une amélioration du niveau de discrétion des opérations sous-marines, le recalage de navigation par corrélation de cartes apparait comme une alternative possible permettant d'estimer précisément la trajectoire du sous-marin. Le principe de la méthode est de faire coïncider profil de terrain mesuré (par sondeur multi-faisceaux ou lidar) et carte bathymétrique de la zone d'opérations, ou encore mesures effectuées par un gravimètre et carte embarquée des anomalies gravimétriques. Cette méthode évite au sous-marin de devoir remonter près de la surface pour faire un point GPS et donc de commettre des indiscrétions acoustiques en traversant des couches favorables à une propagation lointaine. Cette technique de recalage est déjà largement éprouvée pour les missiles de croisière équipés d'un radar altimétrique qui mesure l'altitude du terrain survolé et d'un Modèle Numérique de Terrain (MNT) embarqué afin de ne pas dépendre uniquement d'un moyen de recalage de type GPS. La disponibilité de cartes marines ou la possibilité d'établir une cartographie dans une zone non encore couverte ainsi que l'apparition de sonars dédiés ou de gravimètres rendent opportune l'adaptation de cette technique au domaine sous-marin. La méthode de recalage de navigation par corrélation de cartes étant fortement non linéaire et multimodale, l'utilisation d'algorithmes de type Kalman est exclue. Au début des années 1990, une réponse extrêmement attractive et prometteuse a été proposée sous le nom générique de filtrage particulaire et fait toujours l'objet de recherches actives. Le filtrage particulaire (Particle Filter ou SMC) permet de traiter des problèmes d'estimation non linéaire dans lesquelles l'incertitude d'évolution du système ainsi que l'incertitude des mesures d'observation du système peuvent être soumises à des lois statistiques absolument quelconques. L'objectif de la thèse est ainsi de mettre au point des algorithmes de recalage de navigation par corrélation de cartes bathymétriques ou gravimétriques à partir de nouvelles approches de filtrage particulaire ou filtrage de Kalman d'ensemble. La thèse comportera une partie théorique importante visant à améliorer les versions actuelles des filtres, à modéliser finement les erreurs capteurs et à rechercher la meilleure stratégie de fusion des capteurs envisagés (sondeur multi-faisceaux, gravimètre, LIDAR, bouée acoustique,...) afin d'augmenter la précision de l'estimation, la robustesse (notamment aux erreurs de cartes) et la tolérance aux erreurs.

  • Titre traduit

    New approaches for multi-sensor fusion by particular filtering for inertial navigation retiming by map correlation.


  • Résumé

    The ability of an underwater vehicle (UV) to effectively fulfill a mission depends closely on the performance of the navigation algorithms embedded by their calculator. If inertial navigation is usually sufficient for a short mission, GPS data or other information is required for a long mission. In the case of a UV, immersion phases, during which GPS reception is not possible, are important. The reference system, because of the lack of GPS registration, sees its accuracy deteriorate over time and its real-time outputs can no longer be taken for reference. In this context as well as in the context of an improvement of the level of discretion of the submarine operations, the registration of navigation by correlation of cards appears as a possible alternative making it possible to estimate precisely the trajectory of the submarine. The principle of the method is to match the measured terrain profile (by multi-beam sounder or lidar) and bathymetric map of the area of ​​operations, or measurements made by gravimetric and on-board gravity anomalies. This method avoids the submarine having to go up close to the surface to make a GPS point and therefore to commit acoustic indiscretions through crossing favorable layers to distant propagation. This registration technique is already widely tested for cruise missiles equipped with an altimetric radar that measures the altitude of the terrain overflown and a Digital Terrain Model (DTM) onboard so as not to depend solely on a means of GPS type registration. The availability of nautical charts or the possibility of mapping in an area not yet covered as well as the appearance of dedicated sonars or gravimeters make it appropriate to adapt this technique to the underwater domain. Since the map correlation navigation registration method is highly non-linear and multimodal, the use of Kalman-type algorithms is excluded. In the early 1990s, an extremely attractive and promising response was proposed under the generic name of particulate filtering and is still the subject of active research. Particle Filter (SMC) is used to deal with nonlinear estimation problems in which the uncertainty of system evolution as well as the uncertainty of the system observation measurements can be subjected to absolutely arbitrary statistical laws. The objective of the thesis is to develop algorithms for navigation calibration by correlation of bathymetric or gravimetric maps from new approaches of particulate filtering or ensemble Kalman filtering. The thesis will include an important theoretical part aiming to improve the current versions of the filters, to model finely the sensor errors and to look for the best fusion strategy of the envisaged sensors (multi-beam sounder, gravimeter, LIDAR, acoustic buoy, ...) in order to increase the accuracy of the estimation, the robustness (in particular to the errors of cards) and the tolerance to the errors.