Comment un drone sait-il où il est ?

Ce que vous apprendrez

• Expliquer le fonctionnement du GNSS : la durée de trajet du signal d’un satellite donne une distance, et plusieurs satellites fixent la position.
• Expliquer ce que mesurent le baromètre, le compas et le flux optique, et dans quelles situations ils se trompent facilement.
• Expliquer pourquoi les capteurs fiables diffèrent en extérieur et en intérieur, et choisir les capteurs adaptés à une situation.
• Repérer une perturbation ou une perte du GNSS (trajets multiples, brouillage, leurrage, interférence magnétique) et piloter du côté de la sécurité même quand le maintien de position ne fonctionne pas.

Comment on connaît sa position (GNSS)

Un drone « estime » sa position

Un drone n’a ni yeux pour regarder le paysage et se dire « je suis près de la gare », comme une personne, ni mains pour déplier une carte. Il ne dispose que des chiffres de quelques capteurs.

Le drone calcule donc sa position à partir des chiffres des capteurs. Il mesure, calcule et conclut « je suis probablement ici ». C’est ce qu’on appelle l’estimation de la position.

Calculer sa position actuelle en additionnant les pas et les directions s’appelle la navigation à l’estime. Le drone additionne les mouvements mesurés par son IMU (un capteur inertiel qui réunit accéléromètres et gyroscopes). Comme les erreurs s’accumulent, il corrige régulièrement sa position avec des indices extérieurs, comme les signaux des satellites. Ce cycle « estimer, puis corriger » est le fondement de la navigation.

Connaître sa position grâce aux signaux satellites

Le GNSS est le nom générique des systèmes qui mesurent la position à partir des signaux de satellites, par exemple le GPS (États-Unis) ou Michibiki (Japon). Chaque satellite diffuse vers la Terre les informations sur son orbite et l’heure à laquelle il a émis le signal.

Les satellites ne savent pas où se trouve le drone. C’est le récepteur qui mesure la durée de trajet Δt du signal à partir de l’écart avec son heure d’arrivée, puis calcule la distance. Par exemple, les satellites GPS orbitent à environ 20 000 km d’altitude, et le signal d’un satellite à la verticale arrive en environ 0.07 seconde (l’altitude de l’orbite varie selon le type de satellite). Il s’agit donc de mesurer des durées très courtes.

Avec une seule distance, vous savez seulement que vous êtes quelque part sur un cercle (une sphère, dans l’espace). La figure est un exemple plan : avec deux cercles, il reste deux intersections, et le troisième réduit le choix à un seul point. C’est la trilatération. Dans l’espace, il y a quatre inconnues, est-ouest, nord-sud et hauteur, plus le décalage de l’horloge du récepteur : on utilise donc au moins quatre satellites.

Quand le GNSS se dérègle

Le GNSS est puissant, mais pas toujours précis. La distance découle de la « durée de trajet du signal » : tout ce qui perturbe le voyage du signal se traduit directement en erreur de position.

Les causes principales sont le retard du signal dans l’atmosphère, de petites erreurs sur les horloges et les orbites des satellites, et les réflexions sur les bâtiments et autres objets. De plus, une mauvaise répartition des satellites dans le ciel amplifie l’effet de ces erreurs sur la position. Même sous un ciel bien dégagé, la position d’un récepteur ordinaire garde un écart de l’ordre de quelques mètres, qui varie selon les conditions.

• Trajets multiples et masquage : un signal réfléchi par un mur est mesuré plus long de la longueur du détour, et la position se décale. Entouré de grands bâtiments, vous voyez aussi moins de satellites.
• Brouillage : perturbation qui couvre les faibles signaux des satellites par un fort bruit radio. La position « ne sort plus ».
• Leurrage : perturbation qui fait croire au récepteur une position ou une heure erronée au moyen de faux signaux satellites. La position « sort » mais elle est fausse, ce qui peut la rendre difficile à repérer.

Exercices de cette partie (à résoudre dans la leçon)

• Comment le GNSS détermine une position
• Combien de mètres pour 1 microseconde d’erreur d’horloge ?
• Trouver où le ciel se rétrécit

Les indices autres que le GNSS

Des indices pour la hauteur, le cap et le mouvement

Sous un ciel dégagé, le GNSS vous donne votre position, mais la hauteur est généralement moins précise que la position horizontale. De plus, un GNSS ordinaire (à une seule antenne) déduit le cap de la direction du déplacement : à l’arrêt, il ne peut pas le fournir. D’autres capteurs compensent ces points faibles.

• GNSS : connaît la position absolue grâce à la durée de trajet des signaux satellites. Faible près des bâtiments, en intérieur et en cas de perturbation.
• Baromètre : connaît les variations de hauteur grâce à la pression de l’air. Sensible aux petites montées et descentes, mais ses valeurs bougent avec les changements de météo et le flux d’air autour du drone.
• Compas : connaît la direction du nez grâce à l’orientation du champ magnétique terrestre. Près du fer, de courants électriques ou d’aimants, le champ magnétique est perturbé et le cap se décale. C’est l’interférence magnétique.
• Flux optique : une caméra tournée vers le bas observe de combien les motifs du sol se sont déplacés dans l’image et en déduit la vitesse. Il fonctionne sans GNSS, mais peine au-dessus de surfaces peu texturées et dans l’obscurité.
• IMU : connaît le mouvement à court terme grâce à l’accélération et à la vitesse angulaire. Rapide et indépendante de l’extérieur, mais son erreur s’accumule avec le temps.

Sur quoi s’appuyer en intérieur

En intérieur, les murs et le toit affaiblissent les signaux des satellites, si bien que le GNSS est souvent inutilisable. Dans les bâtiments riches en acier, le compas est lui aussi facilement perturbé. Les indices sur lesquels vous pouvez compter changent selon la situation.

• Grand terrain dégagé : GNSS, baromètre, compas et IMU sont utilisables. Restez attentif aux signes de brouillage ou de leurrage.
• Entre de hauts immeubles : le GNSS est perturbé par les réflexions et le masquage. Appuyez-vous sur le baromètre et l’IMU, sans compter sur le seul GNSS.
• Entrepôt en intérieur : comptez sur le flux optique, un capteur de distance orienté vers le bas et l’IMU. Le GNSS ne fonctionne pas, et l’ossature métallique perturbe facilement le compas aussi.
• Au-dessus de l’eau : GNSS, baromètre et IMU sont utilisables. Une surface d’eau a peu de motifs, donc le flux optique fonctionne mal.

Un capteur de distance orienté vers le bas mesure directement la hauteur au-dessus du sol, par le son ou la lumière. Combiné au flux optique, il vous donne à la fois le mouvement au-dessus du sol et la hauteur. En intérieur, le baromètre peut encore mesurer de petites variations de hauteur, mais la climatisation et d’autres systèmes peuvent faire varier la pression.

L’essentiel est de ne pas dépendre d’un seul indice. Combinez forces et faiblesses pour que, si l’un est perturbé, un autre prenne le relais. Certains systèmes placent aussi à l’avance des repères dans le bâtiment et s’en servent comme indices de position.

Exercices de cette partie (à résoudre dans la leçon)

• Les capteurs et leurs points faibles
• Quand la valeur du compas est instable
• Sur quoi compter dans un entrepôt ?

Le maintien de position, et sa perte

Maintien de position et mode attitude

Le maintien de position est le contrôle qui garde le drone sur place quand vous lâchez les manches, en mesurant en continu sa propre position. Il observe de combien la position mesurée s’est décalée et ramène sans cesse le drone un peu en arrière : en mode GPS (le mode qui maintient la position grâce au GNSS), le drone s’arrête donc dès que vous lâchez.

Quand le GNSS est perdu, les indices de position du GNSS disparaissent. Si le flux optique et les indices similaires sont eux aussi inutilisables (en altitude, ou au-dessus d’un sol sans motifs, par exemple), le drone peut passer en mode attitude (selon le modèle). Il ne contrôle alors l’horizontale que par l’inclinaison : quand vous lâchez, il n’a plus de référence pour s’arrêter et dérive sous le vent.

Essayez par vous-même : Cette scène peut être essayée dans la leçon.

Exercices de cette partie (à résoudre dans la leçon)

• Contrer un drone qui dérive en mode attitude
• Perdre le GPS et poser calmement

Résumé

• La position se détermine en calculant des distances à partir de la durée de trajet des signaux satellites, comme le point où se recoupent les distances à plusieurs satellites (au moins quatre, en comptant le décalage d’horloge du récepteur).
• Les indices de pression, de magnétisme et d’image ont chacun leurs forces et leurs faiblesses. La pression renseigne sur les variations de hauteur, le compas sur le cap et le flux optique sur le mouvement.
• En intérieur, le GNSS est souvent inutilisable : on s’appuie sur des indices venant du sol, comme le flux optique. Ne dépendez pas d’un seul indice, combinez-les.
• Le GNSS est perturbé par les réflexions, le brouillage et le leurrage. Si vous remarquez des signes comme une position qui saute soudain, n’insistez pas et décidez de vous poser.
• Quand le GPS est perdu et que le drone passe en mode attitude, il ne s’arrête plus quand vous lâchez les manches : il dérive avec le vent. Contrez dans le sens opposé à la dérive et posez-vous calmement.

Au Lv2, vous exprimerez la précision en chiffres avec le DOP et le RTK, calculerez repères, distances et caps, et vérifierez un plan de vol par points de passage avec le linter.

Termes de cette leçon

GNSS

Nom générique des systèmes qui mesurent votre position à partir des signaux de satellites, comme le GPS (États-Unis) ou Michibiki (Japon). Abréviation de Global Navigation Satellite System (système mondial de navigation par satellite).

trilatération

Méthode qui détermine une position quand on connaît les distances à trois points de référence ou plus : la position est le point où se coupent les cercles (sphères) ayant ces distances pour rayons.

navigation à l’estime

Méthode qui calcule la position actuelle en additionnant les directions et les distances parcourues depuis un point de départ. Les erreurs de mesure s’accumulent peu à peu.

altitude barométrique

Hauteur calculée à partir de la pression mesurée par un baromètre. Elle suit bien les variations de hauteur, mais sa référence se décale quand la météo fait varier la pression.

compas

Capteur qui mesure la direction du champ magnétique terrestre pour déterminer vers où pointe le drone (son cap).

flux optique

Méthode qui détermine la vitesse du drone à partir du déplacement des motifs du sol dans l’image de la caméra.

trajets multiples

Phénomène où le signal d’un satellite se réfléchit sur un bâtiment ou un autre objet et arrive par un détour. La distance mesurée s’allonge et la position se décale.

brouillage

Perturbation qui émet un fort bruit radio pour empêcher la réception des faibles signaux des satellites.

leurrage

Perturbation qui envoie de faux signaux satellites pour faire croire au récepteur une position ou une heure erronée (en anglais, spoofing).

interférence magnétique

Perturbation de la mesure du compas par le champ magnétique du fer, des courants électriques ou des aimants. L’étalonnage se fait loin du fer.

maintien de position

Contrôle qui garde le drone sur place quand vous lâchez les manches, en mesurant en continu sa propre position.

mode attitude

Mode qui n’utilise pas les indices de position du GNSS et ne contrôle à l’horizontale que l’inclinaison du drone (beaucoup de modèles maintiennent tout de même la hauteur avec le baromètre ou un capteur similaire). Si vous lâchez, le vent emporte le drone.

Vérifiez par vous-même

Cette page est le texte de la leçon. Les exercices et les simulateurs s’utilisent dans la leçon.

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