Navigation inertielle : navigation utilisant accéléromètres et gyroscopes

Définition et vue d’ensemble

La navigation inertielle est une méthode autonome permettant de déterminer la position, la vitesse et l’orientation d’un objet en mesurant en continu son accélération et sa vitesse angulaire. S’appuyant uniquement sur des capteurs internes – principalement des accéléromètres et des gyroscopes – un système de navigation inertielle (INS) peut fonctionner indépendamment de tout signal externe, tel que des balises radio ou des systèmes de navigation par satellite. Cette autonomie est vitale dans les environnements où les aides à la navigation externes sont indisponibles, peu fiables, obstruées ou intentionnellement brouillées, comme sous l’eau, sous terre, à l’intérieur des bâtiments ou dans des scénarios militaires où les signaux GNSS peuvent être brouillés ou usurpés.

Le processus INS commence à partir d’une position et d’une orientation initiales connues. Il surveille ensuite en continu les forces et les rotations subies par l’objet, en intégrant ces mesures au fil du temps pour reconstituer sa trajectoire – un processus appelé estime. Parce que le système fonctionne sans entrée externe, même de minuscules erreurs peuvent s’accumuler avec le temps, entraînant une dérive de la position estimée par rapport à la position réelle. Les systèmes de haute précision atténuent cette dérive grâce à des capteurs avancés, une recalibration fréquente et l’intégration de données externes lorsqu’elles sont disponibles (par exemple depuis le GNSS).

Les applications de la navigation inertielle vont des avions de ligne et engins spatiaux aux sous-marins, missiles, véhicules autonomes et smartphones. Les INS modernes sont souvent intégrés au GNSS et à d’autres capteurs pour améliorer la précision, la fiabilité et la robustesse, constituant l’épine dorsale de la navigation dans les domaines critiques.

Composants essentiels des systèmes de navigation inertielle (INS)

Accéléromètres

Fonction :
Les accéléromètres mesurent l’accélération linéaire le long d’un ou plusieurs axes. Dans un INS, trois accéléromètres sont disposés orthogonalement pour détecter l’accélération sur les axes X, Y et Z de l’objet ou du véhicule.

Principes :
Les accéléromètres peuvent être basés sur différentes technologies : capacitive (courante dans les MEMS), piézorésistive, piézoélectrique ou à équilibre de forces pour les applications de haute précision. Ils détectent la force exercée sur une petite masse à l’intérieur du capteur, convertissant le mouvement en signaux électriques.

Rôle dans l’INS :
La sortie de l’accéléromètre, après correction de la gravité et de l’orientation, est intégrée une fois pour déterminer la vitesse, puis une seconde fois pour estimer la position.

Limitations :
Les biais des capteurs – de petites erreurs persistantes – entraînent une augmentation progressive des erreurs de vitesse et de position si elles ne sont pas corrigées. Ce phénomène est appelé dérive.

Gyroscopes

Fonction :
Les gyroscopes mesurent la vitesse angulaire (la rapidité de rotation) autour d’un ou plusieurs axes.

Types :

• Gyroscopes à masse tournante (mécaniques)
• Gyroscopes à laser à anneau (RLG)
• Gyroscopes à fibre optique (FOG)
• Gyroscopes MEMS (microscopiques, courants dans les appareils grand public)

Rôle dans l’INS :
Trois gyroscopes, alignés avec les axes principaux, fournissent des mesures continues de la vitesse angulaire. En intégrant ces taux, l’INS maintient une estimation en temps réel de son orientation (assiette).

Importance :
Une estimation précise de l’assiette est essentielle pour transformer les mesures des accéléromètres du référentiel mobile vers le référentiel de navigation fixe.

Limitations :
La dérive du gyroscope résulte des biais et du bruit ; avec le temps, cela conduit à une estimation incorrecte de l’attitude et donc de la position.

Unité de mesure inertielle (IMU)

Une IMU est le cœur d’un INS, combinant trois accéléromètres et trois gyroscopes dans un module compact. Certaines IMU incluent également des magnétomètres et des capteurs de pression barométrique.

Catégories :

• Grand public (ex : smartphones)
• Tactique (militaire/industriel)
• Navigation (aviation commerciale)
• Stratégique (missiles, engins spatiaux)

Indicateurs de performance :

• Stabilité du biais
• Densité de bruit
• Plage dynamique

Tendances :
La miniaturisation (IMU MEMS) a permis la navigation inertielle dans les appareils grand public, drones et robots, tandis que les IMU haut de gamme à RLG/FOG restent essentielles pour la navigation de précision en aviation, spatial et militaire.

Capteurs additionnels

Magnétomètres

Mesurent le champ magnétique terrestre pour déterminer le cap (lacet), aidant à corriger la dérive des gyroscopes dans les systèmes à faible coût. Sensibles aux interférences électromagnétiques – une calibration et un filtrage rigoureux sont nécessaires.

Capteurs de pression

Les altimètres barométriques estiment l’altitude en mesurant la pression atmosphérique (en aviation), tandis que les capteurs de profondeur évaluent l’immersion (en applications marines/sous-marines).

Récepteurs GNSS

Les récepteurs GNSS (par ex. GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) fournissent des corrections périodiques absolues de position, vitesse et temps. La fusion du GNSS et de l’INS corrige la dérive inertielle, créant une solution de navigation hybride robuste.

Traitement et fusion des données

Un INS emploie un processeur embarqué rapide et fiable (CPU) pour :

• Collecter et synchroniser les données des capteurs
• Intégrer les accélérations et vitesses angulaires
• Transformer les résultats entre les référentiels mobile et navigation
• Appliquer des algorithmes de fusion de capteurs (ex : filtres de Kalman)
• Gérer l’estimation et la correction des erreurs

Fusion de données :
Combine les entrées de plusieurs capteurs (IMU, GNSS, magnétomètre, etc.) pour produire une solution de navigation plus précise et robuste qu’avec un seul capteur. Le filtrage de Kalman est la méthode standard, corrigeant en continu les erreurs de capteurs et mettant à jour l’état de navigation.

Principes de fonctionnement

Estime

L’INS détermine son état actuel en intégrant les données des capteurs de mouvement à partir d’un point de départ connu.

• Accéléromètres → vitesse (intégration simple), position (double intégration)
• Gyroscopes → orientation (intégration)

Défi :
L’intégration de biais ou de bruit du capteur provoque une accumulation d’erreurs – c’est la cause fondamentale de la dérive de l’INS. Sans corrections externes, les erreurs de position croissent de façon quadratique avec le temps.

Référentiels

• Référentiel mobile : Attaché à l’objet en mouvement (ex : avion, véhicule)
• Référentiel de navigation : Fixe par rapport à la Terre (ex : Nord-Est-Bas, Terre-Centrée-Terre-Fixe)
• Transformations : Les estimations d’attitude servent à convertir les mesures du référentiel mobile vers le référentiel de navigation pour un calcul pertinent de la position et de la vitesse.

Accumulation des erreurs et dérive

Sources d’erreur :

• Biais du capteur (décalage constant)
• Erreur de facteur d’échelle (erreur proportionnelle)
• Bruit aléatoire
• Désalignement

Impact :
Les erreurs de position croissent rapidement sans correction. Par exemple, un biais d’accéléromètre de 50 µg entraîne une erreur de plus de 1 km en une heure.

Atténuation :

• Utilisation de capteurs haut de gamme à faible biais
• Stabilisation environnementale (température, vibrations)
• Fusion de capteurs avec GNSS et autres références
• Procédures régulières de calibration et d’alignement

Fusion de capteurs et filtrage

Fusion de capteurs :
Combinaison de données de différents types de capteurs (IMU, GNSS, magnétomètres, baromètres, vision) pour une navigation robuste.

Algorithmes de filtrage :

• Filtre de Kalman : Standard pour l’intégration INS/GNSS ; estime et corrige les erreurs de capteurs et combine les mesures.
• Filtres de Kalman étendu/non-linéaire : Adaptés aux dynamiques non linéaires de la navigation réelle.
• Apprentissage automatique : En émergence pour la modélisation adaptative des erreurs et la fusion dans les environnements complexes.

Résultat :
La fusion apporte à l’INS l’autonomie des capteurs inertielles et la précision à long terme du GNSS, corrigeant la dérive et améliorant la fiabilité.

Intégration GNSS et INS assisté

Un INS assisté par GNSS fusionne les mesures inertielles continues avec des mises à jour GNSS périodiques. L’INS « comble les lacunes » lors des pertes GNSS, assurant une navigation continue. Quand le GNSS redevient disponible, il corrige la dérive accumulée, maintenant une précision élevée.

Normes industrielles :
Les navigateurs aéronautiques et maritimes doivent répondre à des exigences réglementaires (OACI, FAA, OMI) en matière de précision, d’intégrité et de redondance, imposant souvent plusieurs sources de navigation indépendantes et des vérifications croisées régulières.

Cas d’usage et applications

• Aéronautique : Avions commerciaux et militaires, engins spatiaux, missiles – navigation principale lors de la perte de GNSS ou de manœuvres dynamiques.
• Maritime : Sous-marins, véhicules sous-marins – là où les signaux satellites ne pénètrent pas l’eau.
• Terrestre : Véhicules autonomes, robotique, agriculture de précision – opérant dans tunnels, forêts ou canyons urbains.
• Grand public : Téléphones portables, objets connectés – orientation et suivi d’activité.
• Militaire : Guidage d’armes, navigation furtive en environnement GNSS dénié.

Aspects réglementaires et de certification

• Aéronautique : Les INS doivent répondre à l’Annexe 10 de l’OACI, RTCA DO-178C (logiciel), DO-254 (matériel) et DO-160 (environnement).
• Maritime : Exigences OMI pour la redondance et la validation croisée.
• Terrestre/véhicules autonomes : Normes ISO pour la sécurité fonctionnelle et la performance.

Résumé

La navigation inertielle demeure fondamentale pour une navigation robuste et autonome dans des environnements difficiles où les signaux externes sont peu fiables ou indisponibles. Bien que les erreurs s’accumulent avec le temps, l’intégration du GNSS et les techniques avancées de fusion de capteurs permettent à l’INS de fournir une navigation de haute précision pour des applications allant de l’aéronautique et la défense à la technologie grand public et la robotique.

Pour des solutions de navigation avancées, l’INS offre une autonomie inégalée, une réponse rapide et une résilience critique pour la sécurité, la réussite des missions et la continuité opérationnelle.

Pour aller plus loin

• Annexe 10 OACI — Télécommunications aéronautiques
• RTCA DO-178C — Logiciels embarqués pour systèmes aériens
• RTCA DO-254 — Assurance de conception pour matériel électronique embarqué
• Norme IEEE pour la terminologie des capteurs inertielles
• Standard de performance du service de positionnement GPS

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