EP3311185A1 - Procede et dispositif de localisation d'une source d'emission electromagnetique et systeme mettant en oeuvre un tel procede - Google Patents

Procede et dispositif de localisation d'une source d'emission electromagnetique et systeme mettant en oeuvre un tel procede

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EP3311185A1
EP3311185A1 EP16728700.2A EP16728700A EP3311185A1 EP 3311185 A1 EP3311185 A1 EP 3311185A1 EP 16728700 A EP16728700 A EP 16728700A EP 3311185 A1 EP3311185 A1 EP 3311185A1
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EP
European Patent Office
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measurement
iso
tdoa
receivers
source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16728700.2A
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German (de)
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Inventor
Jean-François Grandin
Hugo SEUTE
Raphaël Sperling
Laurent Ratton
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0257—Hybrid positioning
    • G01S5/0268—Hybrid positioning by deriving positions from different combinations of signals or of estimated positions in a single positioning system
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/021—Auxiliary means for detecting or identifying radar signals or the like, e.g. radar jamming signals
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Definitions

  • the present invention relates to a method for locating an electromagnetic source.
  • the invention also relates to a treatment device capable of implementing this method. It also relates to a system implementing this method.
  • the invention can be applied in many situations. It can in particular be applied for the elaboration of a tactical situation that is to say for the location of emission of fixed or mobile radars, slow or fast, in terrestrial, maritime or airborne contexts starting from a network of Radar Detectors (a Radar Detector being hereinafter referred to in the document as ESM for Electronic Support Measure) fixed or mobile on land, sea, drone, aircraft or helicopter vehicles.
  • ESM Electronic Support Measure
  • the localization is based on iterative methods by gradient, by the maximum likelihood estimation, requiring calculations of step of the gradient often consuming resources in terms of computational power, or methods requiring to digitize the data. research space.
  • An object of the invention is especially to estimate the location of the emission by a direct calculation and therefore not iterative.
  • the subject of the invention is a method for locating an electromagnetic emission source from an ESM receiver network, said source emitting an emission beam scanning the space, said method comprising:
  • said method comprises:
  • ADOA measurement a step of measuring an arrival angle difference ( ⁇ ) of said emission beam on two receivers
  • TDOA measurements a step of measuring the arrival time difference of said transmission beam on said two receivers
  • said method comprises a step of measuring the time difference of passing said transmission beam on two receivers, called the DTPL measurement;
  • TDOA measurements a step of measuring the arrival time difference of said transmission beam on said two receivers
  • the calculation of said cylinder is for example carried out in two dimensions, corresponding to a given altitude, corresponding to the calculation of a circle, the position of said source being the intersection of said circle and said iso-TDOA hyperbola.
  • ESM sensors are for example worn by an aircraft.
  • Said network comprises for example a single ESM sensor, the measurements being made in two consecutive positions of said sensor.
  • the step of calculating the position of said source at a given instant is for example followed by a Kalman filtering step and prediction of the positions of said moving target.
  • the invention also relates to a processing device able to communicate with an ESM sensor network, said device being able to implement the method as described above.
  • the invention also relates to a system for locating an electromagnetic emission source comprising at least one ESM sensor network and processing means implementing said method.
  • FIG. 2 an illustration of the type of measurements used
  • FIG. 3 an illustration of a measurement of the DTPL type, measure of time difference of transmission lobes
  • FIG. 4 a representation of a scanning radar lobe intercepted by two ESM receivers
  • FIG. 5 a representation of the positions of a target and of two ESM receivers in an orthogonal reference frame
  • FIGS. 6a and 6b an example of a geometric locus used in the implementation of the invention, a cylinder in this example;
  • FIG. 7 an example of a change of reference allowing the calculation of a second locus used in the method according to the invention.
  • FIG. 1a shows a target 1 producing a transmission 10.
  • the target 1 is a rotating radar.
  • Two ESMs are embedded on two mobile carriers 1 1, 12, each carrier being equipped with an ESM.
  • FIG. 1b illustrates the same configuration but with two fixed ESMs 13, 14.
  • the invention deals with the location of a fixed transmission by two fixed or mobile ESM stations. However, it can be applied to a single ESM station in motion.
  • the invention can also be applied to a mobile emission, slow or fast, insofar as the estimation being performed on a lobe passage, the successive positions can then be filtered by many conventional methods including a Kalman filter. We then obtain a sequence of positions integrated by the filtering with a reconstitution of the speed of the target.
  • Figure 2 illustrates the two types of measurements used. Two types of measures are considered: - The ADOA (Angular Difference Of Arrival) type measurement measuring the arrival angle difference ⁇ of the radar emission on two remote ESM receivers 21, 22;
  • ADOA Angular Difference Of Arrival
  • the two ESMs 21, 22 can be called ESM1 and ESM2 respectively.
  • the measurement of the ADOA type can in particular be carried out by the following different methods:
  • the arrival frequency Doppler frequency measurement known as FDOA Frequency Difference Of Arrival
  • the DOA measurement can in particular be carried out by measuring the arrival time difference of the radar pulses on two remote ESM receivers 21, 22 corresponding to two carrier aircraft.
  • the method applies to particular type of radar emissions.
  • the DTPL measurement applies to constant-scan radars.
  • the measurement of the single-receiver ESM FDOA applies to coherent waveforms.
  • the measurement of DTPL can be obtained by considering the difference of the TPL (lobe passing time) of the same lobe on the two ESMs;
  • the TDOA measurement results from the difference in radar reset arrival times on the two remote ESMs.
  • Figure 3 illustrates the measurement of DTPL.
  • This Lobes Passage Time Difference measurement is the difference in transit time T of a radar that sweeps at speed ⁇ on two fixed stations.
  • the example of Figure 3 is given without loss of generalities and the same equations apply to the first order even for fast mobiles. Assume the following situation:
  • a radar 1 emits by scanning the space at a rotation speed ⁇ assumed fixed and known;
  • the passage of the main lobe 31 is observed on two ESM stations 21, 22.
  • the time of passage of the main lobe is t 1 on the first, ESM1, and t 2 on the second, ESM2;
  • n 12 is a supposed Gaussian noise of standard deviation of 1 to 5 ms. The date of passage of lobe can be obtained with this precision by integration on the successive lobes.
  • the measurement of the difference in arrival time between the two remote observers 21, 22 is also considered.
  • the measurement techniques used in radar and EW have notably been described in the article by Quazi, AH. in active and passive Systems for target localization "IEEE ASSP-29, No. 3, June 1981, pages 527-533.
  • the technique used consisting in the search for the peak of the intercorrelation function is also presented in the article by Piersol, AG "Time delay Estimation Using Phase Data", IEEE ASSP-29, No. 3, June 1981, pages 471 -477.
  • There are several other competing techniques including a technique using the Fourier transform phase of the intercorrelation function.
  • the TDOA Time Difference Of Arrival
  • the TDOA corresponds to the time difference during the course of r 1 and r 2 by the radar waves.
  • n 12 in the equation (1) of the DTPL because n 12 is of the order of 1 ms and the distance between the stations 21, 22 is of the order of 3 km.
  • the localization is obtained by finding the values of the position of the emission which simultaneously satisfy these two equations.
  • the present invention relates neither to the deinterlacing function, nor to the function of characterizing the lobes, nor to the function of association of the lobes in the monoplate-form, nor to the function of identifying the emission. These operations are known and assumed to be performed elsewhere.
  • the elemental localization provided on a lobe passage may be integrated by any tracking of the transmission lobe sequences over time.
  • FIG. 4 represents the lobe 41 of the scanning radar 1 intercepted by the two ESMs, ESM1 and ESM2.
  • the location method performs the following steps: - For each ESM i. o For each intercepted lobe k, compute a quadruplet of measures ⁇ TOA k , TPL k , LL k , Lv k ). summarizing the geometric parameters of the lobe 41, this lobe being also characterized by a summary of the characteristics of the FO (PRI, Frequencies, Dl, intra-pulse codes ).
  • FIG. 5 shows the target 1 and the two ESM receivers 21, 22 in a mark O, x, y, z at the time of an i th extent, i ranging between 1 and N.
  • two observers 21, 22 perform N TDOA measurements (difference in arrival time of the same signal between the two remote sensors 21, 22) and DTPL (difference in lobe passing time) on the fixed target 1.
  • the measurement of TDOA and the measurement of DTPL are recorded between the first receiver 21 and the second receiver 22.
  • R 1, i and R 2 respectively, denote the respective distances of the first and second receivers to the target.
  • the coordinates of the target, the first receiver and the second receiver to the ith measurement are respectively:
  • the points giving the same measurement of DTPL for given receiver positions are located on a cylinder 61 called the iso-DTPL circle shown in Figure 6a.
  • This cylinder contains the positions ⁇ - ⁇ , P 2 of the receivers 21, 22 and the position Pe of the target 1.
  • the points giving the same measurement of TDOA for given receptor positions are located on a hyperboloid called iso-TDOA hyperboloid, which is obtained by the calculations presented hereinafter from the representation of FIG. 7.
  • the position Pe of the target 1 and the positions P 1 , P 2 of the receivers 21, 22 are calculated in a new orthogonal coordinate system ⁇ ', x', y ', z' where O 'is equal to Pi and the axis x' passes through P 1 and P 2 .
  • the position Pe is indicated by the coordinates (x ' e , y' e , z ' e ).
  • R 1, R 2 the respective distances of the first and second receiver 21, 22 to the target, and the distance 12 is noted between these two receptors.
  • the method according to the invention forms, from the measurements, a polynomial equation of degree 4 which is then solved by using methods of explicit resolution of this type of equation.
  • Several known methods of resolution can be used, among them we can mention the resolution of a degree equation of 4 by the method of Ferrari or the resolution of an equation of degree 4 by the method of Lagrange.
  • the resolution algorithm produced is therefore an explicit algorithm and does not use conventional gradient resolutions, for example MLE (Maximum Likehood Estimation) type algorithms, also called EMV (Maximum Likelihood Estimation).
  • MLE Maximum Likehood Estimation
  • EMV Maximum Likelihood Estimation
  • an execution time can be calculated according to the number of input data
  • the method according to the invention is therefore suitable for real-time execution. Indeed, it uses a memory size and requires a calculation time both of which are predictable. It applies advantageously to many types of ESM measurements.
  • the altitude error in Z, has no influence on the iso-DTPL cylinder. It may then be advantageous to eliminate the variable Z in the resolution by setting the value of the altitude to avoid artificial indeterminacy in the system of equations. Indeed, given that the altitude error has a weak influence, it may be better not to try to to estimate it to avoid this artificial indeterminacy. If one wishes to obtain a greater precision, after a calculation of localization estimating a first localization, one specifies the altitude with this point of localization using the numerical model of the ground at disposal. The process is then repeated from this altitude using the same explicit resolution according to the invention.
  • the instantaneous locations obtained can be processed by Kalman filtering to estimate the evolution of the target. From a position calculation at a given moment, it is thus possible to predict the positions of the target over time.
  • the invention has been described for measurements of the DTPL type, measuring differences in transit time of the transmission beam of the source, and for TDOA type measurements, giving differences in arrival time of the beam of transmission, the transmission beam being intercepted on two remote fixed or mobile ESMs.
  • a system implementing the method according to the invention comprises at least one network of ESM sensors performing the various measurements and processing means for determining the location of an electromagnetic emission source from these measurements.
  • the processing means are for example integrated in a device able to communicate with the ESM sensors. From the signals received by the sensors, the processing means determine the differences in arrival angles and arrival directions. For this purpose, the signals received by the sensors are recorded, in their I and Q forms, and dated. This information I and Q and the corresponding dates are then sent to the processing device which can implement the method according to the invention. .
  • This device can be on board or can be on the ground.
  • ADOA type considered is an integrated differential measurement during the evolution in the space of the carrier of the single ESM sensor, between two consecutive measurement positions, for example taking into account the phase difference measured over a large area.
  • the measurement of AOA can be a conventional angular measurement, obtained for example by an interferometric device.

Landscapes

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Abstract

Le procédé utilise un réseau de récepteurs ESM (21, 22). Il comporte - une étape de détermination d'un premier lieu géométrique à partir d'une première mesure donnant une information de différence d'angle d'arrivée dudit faisceau d'émission sur deux récepteurs (21, 22), ledit premier lieu géométrique comportant les points de l'espace donnant la même première mesure sur lesdits deux récepteurs (21, 22); - une étape de détermination d'un deuxième lieu géométrique à partir d'une deuxième mesure donnant une information de direction d'arrivée sur au moins un récepteurs (21, 22), ledit deuxième lieu géométrique comportant les points de l'espace donnant la même deuxième mesure sur ledit récepteur (21,22); - une étape de détermination d'un troisième lieu géométrique sur lequel se trouve la position de la source (1), ledit troisième lieu géométrique étant l'intersection dudit premier lieu géométrique et dudit deuxième lieu géométrique.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LOCALISATION D'UNE SOURCE D'EMISSION ELECTROMAGNETIQUE
ET SYSTEME METTANT EN ŒUVRE UN TEL PROCEDE. La présente invention concerne un procédé de localisation d'une source électromagnétique. L'invention concerne également un dispositif de traitement apte à mettre en œuvre ce procédé. Elle concerne aussi un système mettant en œuvre ce procédé. L'invention peut être appliquée dans de nombreuses situations. Elle peut notamment s'appliquer pour l'élaboration d'une situation tactique c'est-à-dire pour la localisation d'émission de radars fixes ou mobiles, lents ou rapides, dans des contextes terrestres, maritimes ou aéroportés à partir d'un réseau de Détecteurs de radars (un Détecteur de radars étant désigné ci-après dans le document par l'abréviation anglo-saxonne ESM pour Electronic Support Measure) fixes ou mobiles sur véhicules terrestres, marines, drones, avions ou hélicoptères. En particulier, l'invention s'applique :
- Dans un contexte maritime, pour la surveillance depuis les côtes par un réseau de stations ESM ;
- Dans un contexte terrestre, par exemple pour la surveillance par un essaim de drones ;
- Dans un contexte aérien, par exemple pour la trajectographie des menaces aéroportées par un réseau d'ESM embarqués dans un avion. Dans les méthodes classiques, la localisation repose sur des méthodes itératives par gradient, par l'estimation du maximum de vraisemblance, nécessitant des calculs de pas du gradient souvent consommatrices de ressources en termes de puissance de calcul, ou bien des méthodes nécessitant de digitaliser l'espace de recherche.
Un but de l'invention est notamment d'estimer la localisation de l'émission par un calcul direct et donc non itératif.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique à partir d'un réseau de récepteurs ESM, ladite source émettant un faisceau d'émission balayant l'espace, ledit procédé comportant :
- une étape de détermination d'un premier lieu géométrique à partir d'une première mesure donnant une information de différence d'angle d'arrivée dudit faisceau d'émission sur deux récepteurs, ledit premier lieu géométrique comportant les points de l'espace donnant la même première mesure sur lesdits deux récepteurs ;
- une étape de détermination d'un deuxième lieu géométrique à partir d'une deuxième mesure donnant une information de direction d'arrivée sur au moins un récepteur, ledit deuxième lieu géométrique comportant les points de l'espace donnant la même deuxième mesure sur ledit récepteur ;
- une étape de calcul du troisième lieu géométrique sur lequel se trouve la position de ladite source, ledit troisième lieu géométrique étant l'intersection dudit premier lieu géométrique et dudit deuxième lieu géométrique.
Dans un mode de mise en œuvre particulier, ledit procédé comporte :
- une étape de mesure de différence d'angle d'arrivée (ΔΘ) dudit faisceau d'émission sur deux récepteurs, dite mesure ADOA ;
- une étape de calcul d'un cylindre dit iso-ADOA à partir de ladite mesure ADOA, ledit cylindre iso-ADOA correspondant à des points de l'espace donnant la même mesure ADOA pour lesdits deux récepteurs ;
- une étape de mesures de différence de temps d'arrivée dudit faisceau d'émission sur lesdits deux récepteurs, dites mesures TDOA ;
- une étape de calcul d'un hyperboloïde dit iso-TDOA à partir desdites mesures TDOA, ledit hyperboloïde iso-TDOA correspondant à des points donnant lesdites mêmes mesures TDOA ;
- une étape de calcul de l'intersection dudit cylindre iso-ADOA et dudit hyperboloïde iso-TDOA, ladite intersection comprenant la position de ladite source.
Dans un autre mode de mise en œuvre particulier, ledit procédé comporte - une étape de mesure de différence de temps passage dudit faisceau d'émission sur deux récepteurs, dite mesure DTPL ;
- une étape de calcul d'un cylindre dit iso-DTPL à partir de ladite mesure DTPL, ledit cylindre iso-DTPL correspondant à des points de l'espace donnant la même mesure DTPL pour lesdits deux récepteurs ;
- une étape de mesures de différence de temps d'arrivée dudit faisceau d'émission sur lesdits deux récepteurs, dites mesures TDOA ;
- une étape de calcul d'un hyperboloïde dit iso-TDOA à partir desdites mesures TDOA, ledit hyperboloïde iso-TDOA correspondant à des points donnant lesdites mêmes mesures TDOA ;
- une étape de calcul de l'intersection dudit cylindre iso-ADOA et dudit hyperboloïde iso-TDOA, ladite intersection comprenant la position de ladite source. Le calcul dudit cylindre est par exemple effectué dans deux dimensions, correspondant à une altitude donnée, correspondant au calcul d'un cercle, la position de ladite source étant l'intersection dudit cercle et de ladite hyperbole iso-TDOA.
Les capteurs ESM sont par exemple portés par un aéronef. Ledit réseau comporte par exemple un unique capteur ESM, les mesures étant effectuées en deux positions consécutives dudit capteur.
Ladite source étant mobile, l'étape de calcul de la position de ladite source à un instant donné est par exemple suivie d'une étape de filtrage de type Kalman et de prédiction des positions de ladite cible mobile.
L'invention concerne également un dispositif de traitement apte à communiquer avec un réseau de capteurs ESM, ledit dispositif étant apte à mettre en œuvre le procédé tel que décrit précédemment.
L'invention concerne également un système de localisation d'une source d'émission électromagnétique comportant au moins un réseau de capteurs ESM et des moyens de traitement mettant en œuvre ledit procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent :
- Les figures 1 a et 1 b, une illustration de contextes d'application de l'invention ;
- La figure 2, une illustration de type de mesures utilisées ;
- La figure 3, une illustration d'une mesure de type DTPL, mesure de différence de temps passage de lobes d'émission ;
- La figure 4, une représentation d'un lobe de radar en balayage intercepté par deux récepteurs ESM ;
- La figure 5, une représentation des positions d'une cible et de deux récepteurs ESM dans un repère orthogonal ;
- Les figures 6a et 6b, un exemple de lieu géométrique utilisé dans la mise en œuvre de l'invention, un cylindre dans cet exemple ;
- La figure 7, un exemple de changement de repère permettant le calcul d'un deuxième lieu géométrique utilisé dans le procédé selon l'invention.
Les figures 1 a et 1 b illustrent des contextes d'application de l'invention. La figure 1 a présente une cible 1 produisant une émission 10. Dans l'exemple de la figure 1 a, la cible 1 est un radar rotatif. Deux ESM sont embarqués sur deux porteurs mobiles 1 1 , 12, chaque porteur étant équipé d'un ESM. La figure 1 b illustre la même configuration mais avec deux ESM fixes 13, 14. L'invention traite de la localisation d'une émission fixe par deux stations ESM fixes ou mobiles. Cependant elle peut s'appliquer à une seule station ESM en mouvement.
L'invention peut également s'appliquer à une émission mobile, lente ou rapide, dans la mesure où l'estimation étant réalisée sur un passage de lobe, les positions successives peuvent ensuite être filtrées par de nombreuses méthodes classiques dont un filtre de Kalman. On obtient alors une suite de positions intégrées par le filtrage avec une reconstitution de la vitesse de la cible.
La figure 2 illustre les deux types de mesures utilisées. On considère deux types de mesures : - La mesure de type ADOA (Angular Différence Of Arrivai) mesurant la différence d'angle d'arrivée ΔΘ de l'émission radar sur deux récepteurs ESM distants 21 , 22 ;
- La mesure de type FDOA (Time Diffence Of Arrivai), donnant une mesure de direction d'arrivée.
Les deux ESM 21 , 22 pourront par la suite être appelés respectivement ESM1 et ESM2.
La mesure de type ADOA peut notamment être réalisée par les différents procédés suivants :
- La mesure de DTPL (Différence de Temps de Passage de Lobes) pour des radars à vitesse de balayage constante ω sur le passage entre les deux ESM ;
- La différence de deux mesures angulaires (suffisamment précises) directes issues de goniométrie sur chaque ESM, entre les deux ESM, à partir par exemple de la mesure d'AOA obtenue sur un seul avion par un dispositif goniomètre à mesure d'amplitude, de phase ou de TDOA base courte ;
- La mesure de variations angulaires de type LBPDE (Long Baseline Phase Différence Evolution) sur un seul avion en mouvement à l'aide d'une grande base interférométrique ;
- La mesure de fréquence Doppler d'arrivée dite FDOA (Frequency Différence Of Arrivai) réalisée sur un seul ESM en mouvement ou entre deux ESM sous réserve de mouvements relatifs avec la source. La mesure DOA peut notamment être réalisée par la mesure de différence de temps d'arrivée des impulsions radars sur deux récepteurs ESM distants 21 , 22 correspondant à deux avions porteurs.
Ces deux mesures, bien que ne répondant pas aux mêmes équations, donnent l'équivalent au premier ordre à une mesure de DOA, la mesure TDOA étant a priori plus précise que la mesure de type AOA.
Pour certaines combinaisons de mesure envisagées, le procédé s'applique à des émissions radar de type particulier. Par exemple la mesure DTPL s'applique aux radars à balayage constant. La mesure du FDOA à un seul récepteur ESM s'applique à des formes d'ondes cohérentes. L'invention sera décrite dans le cadre particulier suivant :
- La mesure ADOA résulte de la mesure DTPL (Différence de temps passage de lobes) et de la mesure ou de la connaissance de la vitesse de balayage ω de l'émission radar supposée quasi constante au cours du passage entre les ESM distants. La mesure de DTPL peut être obtenue en considérant la différence des TPL (Temps de passage de lobe) du même lobe sur les deux ESM ;
- La mesure de TDOA résulte de la différence des temps d'arrivée de rémission radar sur les deux ESM distants.
La figure 3 illustre la mesure de DTPL. Cette mesure de Différence de Temps de Passage de Lobes est la différence de temps de passage T de rémission d'un radar qui balaye à la vitesse ω sur deux stations fixes. L'exemple de la figure 3 est donné sans perte de généralités et les mêmes équations s'appliquent au premier ordre même pour des mobiles rapides. On suppose la situation suivante :
- Un radar 1 émet en balayant l'espace à une vitesse de rotation ω supposée fixe et connue ;
- Le passage du lobe principal 31 est observé sur deux stations ESM 21 , 22. L'instant de passage du lobe principal est t1 sur le premier, ESM1 , et t2 sur le deuxième, ESM2 ;
La différence du temps de passage du lobe (DTPL) est donnée par dans l'équation suivante :
où Δα est la différence d'angle d'arrivée ΔΘ de l'émission radar sur les deux récepteurs distants 21 , 22, r1 et r2 étant les distance respectives de ces deux récepteurs au radar, n12 est un bruit supposé gaussien d'écart type de 1 à 5 ms. La date de passage de lobe peut être obtenue avec cette précision par intégration sur les lobes successifs.
On considère également la mesure de différence de temps d'arrivée entre les deux observateurs distants 21 , 22. Les techniques de mesures utilisées en radar et EW ont notamment été décrites dans l'article de Quazi, A. H. « An overview on the time delay estimate in active and passive Systems for target localization » IEEE ASSP-29, N° 3, Juin 1981 , pages 527-533. La technique utilisée consistant en la recherche du pic de la fonction d'intercorrélation est par ailleurs présentée dans l'article de Piersol, A.G. « Time delay Estimation Using Phase Data », IEEE ASSP-29, N° 3, Juin 1981 , pages 471 -477. Il existe plusieurs autres techniques concurrentes dont une technique utilisant la phase de la transformée de Fourier de la fonction d'intercorrélation.
On note :
Le TDOA (Time Différence Of Arrivai) correspond à la différence de temps lors du parcours de r1 et r2par les ondes radar.
Etant donné que l'ordre de grandeur de c est 3.108 m/s, ce qui correspond à une distance parcourue de 300 km en 1 ms, le terme est négligeable
devant n12 dans l'équation (1 ) de la DTPL, car n12 est de l'ordre de 1 ms et la distance entre les stations 21 , 22 est de l'ordre de 3 km. Le terme
peut donc être négligé dans la résolution.
Finalement au premier ordre, la différence de temps de passage du lobe est :
On dispose donc de deux mesures données par les équations suivantes
Mesure de la différence de temps d'arrivée
Mesure de la différence de temps de passage des lobes
La localisation s'obtient en trouvant les valeurs de la position de l'émission qui satisfont simultanément ces deux équations.
Par la suite, on appelle « Lobe ESM » un ensemble d'impulsions issu d'une opération dite de « désentrelacement » effectuée en parallèle sur chaque ESM qui consiste à chercher à regrouper toutes les impulsions issues d'un même radar et correspondant à un passage de lobe unique.
À partir des impulsions de chaque lobe, on calcule pour chaque station ESM 21 , 22 :
- Un quadruplet de mesures {TOAk ,TPLk , LLAk , Nivk ). résumant les paramètres géométriques du lobe, en supposant connue par ailleurs la position précise de l'ESM 21 , 22 ;
- Une description radioélectrique de la forme d'onde perçue (Liste des PRI, fréquences et Dl principalement).
Ces lobes sont ensuite pistés localement sur chaque ESM par un procédé utilisant :
- Les similarités entre les descripteurs radioélectriques ;
- La proximité des TDOA ;
- La régularité des dates de passage des lobes TPL.
La présente invention ne porte ni sur la fonction de désentrelacement, ni sur la fonction de caractérisation des lobes, ni sur la fonction d'association des lobes en monoplate-forme, ni sur la fonction d'identification de l'émission. Ces opérations sont connues et supposées réalisées par ailleurs.
Sans perte de généralité la localisation élémentaire fournie sur un passage de lobe peut être intégrée par un quelconque pistage des séquences de lobes d'émission au cours du temps.
La figure 4 représente le lobe 41 du radar 1 en balayage intercepté par les deux ESM, ESM1 et ESM2.
Ces deux ESM interceptent les mêmes impulsions ImpX mais avec des niveaux différents, liés à la fonction d'éclairement du radar et avec un décalage temporel lié au TDOA. Dans le cas général, la séquence temporelle du motif d'impulsions est indépendante de l'évolution temporelle du lobe du radar. Ceci revient à l'indépendance entre les mesures DTPL et TDOA.
Dans cette application, le procédé de localisation réalise les étapes suivantes : - Pour chaque ESM i. o Pour chaque lobe k intercepté, calcul d'un quadruplet de mesures {TOAk ,TPLk , LLk ,Nivk ). résumant les paramètres géométriques du lobe 41 , ce lobe étant également caractérisé par un résumé des caractéristiques de la FO (PRI, Fréquences, Dl, codes intra-impulsion...).
- Pour chaque couple de stations ESM : o Association des lobes de la même émission entre les plates- formes ; o Estimation de la vitesse de balayage ω du radar ou de la période de rotation de l'antenne (PRA) du radar 1 par estimation conjointe, ou grâce à la connaissance de la période de rotation (PRA) grâce à l'identification ESM ; o Calcul du cercle DTPL résultant ; o Estimation du TDOA par intégration des TDOA des impulsions reçues sur les 2 ESM, cette intégration pouvant être effectuée par différentes méthodes dont la corrélation des trains d'impulsions reçus par les deux récepteurs ou la simple moyenne des différences de temps d'arrivée (TOA) des impulsions reçues par les 2 ESM ; o Calcul de l'hyperboloïde TDOA résultant.
- Pour l'ensemble des stations ESM : o Calcul de la localisation par intersection des cercles DTPL et des hyperboles TDOA ; o Si deux stations sont utilisées, calcul de l'intersection du cercle DTPL et de l'hyperbole TDOA.
C'est à ce niveau du traitement de localisation, pour l'ensemble des stations ESM, qu'intervient l'invention. La détermination de la localisation selon l'invention n'est décrite que dans le cadre de mesures TDOA et DTPL mais l'invention est également applicable à l'ensemble des systèmes décrits précédemment. Ces systèmes réalisent tous la localisation à partir d'une mesure de type angulaire ou de direction (ici le TDOA) et d'une mesure de type différence angulaire (ici la DTPL).
La figure 5 représente la cible 1 et les deux récepteurs ESM 21 , 22 dans un repère O, x, y, z au moment d'une ieme mesure, i étant compris entre 1 et N. En effet, deux observateurs 21 , 22 réalisent N mesures de TDOA (différence de temps d'arrivée d'un même signal entre les deux capteurs distants 21 , 22) et de DTPL (différence de temps de passage de lobe) sur la cible fixe 1 . On note ti la mesure de TDOA et di la mesure de DTPL entre le premier récepteur 21 et le deuxième récepteur 22. On note également R1,i et R2,i les distances respectives du premier et deuxième récepteur à la cible. Dans le repère 51 , les coordonnées de la cible, du premier récepteur et du deuxième récepteur à la ieme mesure sont respectivement :
Les mesures de DTPL répondent aux équations de mesures explicites suivantes :
Les mesures de TDOA répondent aux équations de mesures explicites suivantes :
D'après le Théorème de l'angle inscrit, les points donnant la même mesure de DTPL pour des positions des récepteurs données se situent sur un cylindre 61 appelé cercle iso-DTPL illustré par la figure 6a. Ce cylindre contient les positions Ρ-ι, P2 des récepteurs 21 , 22 et la position Pe de la cible 1 .
En se référant à la figure 6b, C étant le centre du cercle de base 62 du cylindre, d'après le Théorème de l'angle au centre, l'angle est égal au
double de l'angle ΔΘ obtenu à partir du DTPL mesuré entre les récepteurs
De plus, par définition du rayon R du cercle, on a égale distance entre C et P! et entre C et P2, c'est-à-dire que C est sur la médiatrice du segment
notée med
On obtient donc le système suivant, en notant M le milieu du segment
On en déduit le rayon R du cercle base 62 du cylindre iso-DTPL, r 2 étant la distance entre les positions Pi et P2 dans le plan x, y :
Finalement on a obtient l'équation du cylindre iso-DTPL Avec
Les points donnant la même mesure de TDOA pour des positions de récepteurs donnés se situent sur un hyperboloïde appelé hyperboloïde iso-TDOA, qu'on obtient par les calculs présentés ci-après à partir de la représentation de la figure 7. La position Pe de la cible 1 et les positions P1, P2 des récepteurs 21 , 22 sont calculées dans un nouveau repère orthogonal Ο', x', y', z' où O' est égal à Pi et où l'axe x' passe par P1 et P2. Dans ce repère, la position Pe est repérée par les coordonnées (x'e, y'e, z'e). On note R1, R2 les distances respectives du premier et du deuxième récepteur 21 , 22 à la cible, et on note d12 la distance entre ces deux récepteurs.
En notant φ l'angle entre l'axe x' et la projection de Pi Pe dans le plan x', y' et en notant Θ l'angle entre l'axe z' et P1 Pe, il vient :
Par ailleurs est la différence de temps d'arrivée entre
les récepteurs 21 et 22.
D'après le Théorème de Pythagore : soit :
On en déduit l'équation polaire de l'hyperboloïde iso-TDOA :
en notant
On obtient alors l'équation de l'hyperboloïde en coordonnées cartésiennes dans le repère en utilisant les formules
Après calculs, on obtient l'équation :
en notant
soit
Pour la suite, il est nécessaire d'exprimer les formules de passage du repère au repère (et inversement). Après calculs, il vient :
et inversement
en notant
Afin de simplifier l'expression des intersections, on écrit les équations du cylindre iso-DTPL et de l'hyperboloïde iso-TDOA dans le repère (
défini précédemment. On obtient après calculs le système suivant :
Afin de simplifier la résolution, on cherche à déterminer l'intersection entre le cylindre iso-DTPL et l'hyperboloïde iso-TDOA dans le plan z constant, ce qui se ramène d'après les formules de changement de repère, en notant C = z - z1, à avoir :
On calcule maintenant l'intersection entre ces trois géométries. On obtient ainsi le système constitué des 3 équations précédentes, soit :
En soustrayant la troisième équation à la seconde, on obtient Le système précédent devient alors :
Pour résoudre ce système, il suffit de résoudre par des méthodes connues une équation polynomiale de degré 4 en x, de la forme
Jusqu'au degré 4, plusieurs méthodes de résolution explicites connues peuvent être utilisées. En revanche, on montre qu'à partir du degré 5 aucune méthode de résolution explicite n'existe. À ce stade selon l'invention on dispose donc d'une localisation obtenue par calcul explicite direct de l'intersection du cylindre Iso-DTPL et de l'hyperboloïde TDOA dans le plan d'altitude 0, correspondant au plan O, x, y, pour un point choisi par exemple à 100 km dans la direction de l'émission radar 1 sur le plan bissecteur de la base formée par les deux ESM. Avantageusement, le procédé selon l'invention forme, à partir des mesures, une équation polynomiale de degré 4 qui est alors résolue en utilisant des méthodes de résolution explicite de ce type d'équation. Plusieurs méthodes de résolutions connues peuvent être utilisées, parmi celles-ci on peut citer la résolution d'une équation de degré 4 par la méthode de Ferrari ou la résolution d'une équation de degré 4 par la méthode de Lagrange.
Selon l'invention, l'algorithme de résolution produit est donc un algorithme explicite et n'utilise pas les résolutions classiques par gradient, par exemple les algorithmes de type MLE (Maximum Likehood Estimation) encore appelés EMV (Estimation du Maximum de Vraisemblance).
Dans les méthodes explicites, on cherche à construire géométriquement les solutions comme intersections de certaines courbes ou surface, par exemple le cylindre iso-DTPL, l'hyperboloïde TDOA ou le plan d'altitude 0 dans le cas de l'invention. La solution est alors obtenue sans itération et sans avoir à l'évaluer sur de multiples positions, hypothèse d'un espace de recherche digitalisé.
Non seulement il y a un gain très important de ressources de puissance de calcul, mais de plus :
- on peut calculer un temps d'exécution en fonction du nombre de données d'entrée ;
- de même l'occupation mémoire est prédictible ;
- il n'y a pas de risque de divergence puisque le procédé utilise un calcul direct et non itératif.
Le procédé selon l'invention est donc adapté à l'exécution en temps réel. En effet, il utilise une taille mémoire et nécessite un temps de calcul qui sont tous les deux prédictibles. Il s'applique avantageusement à de nombreux types de mesures ESM.
Avantageusement, l'erreur d'altitude, en Z, n'a pas d'influence sur le cylindre iso-DTPL. Il peut être alors avantageux d'éliminer la variable Z dans la résolution en fixant la valeur de l'altitude pour éviter une indétermination artificielle dans le système d'équations. En effet, étant donné que l'erreur d'altitude a une faible influence, il peut être préférable de ne pas chercher à l'estimer pour éviter cette indétermination artificielle. Si on souhaite obtenir une plus grande précision, après un calcul de localisation estimant une première localisation, on précise l'altitude à ce point de localisation à l'aide du modèle numérique du terrain à disposition. On réitère alors le procédé à partir de cette altitude en utilisant la même résolution explicite selon l'invention.
Les qualités de mesures envisagées pour le type DTPL (précision de 1 ms) et pour le type TDOA (précision de 10 ns) donnent déjà une localisation précise en mono-mesure. Dans le cadre d'une cible fixe ou mobile, les mesures quasi instantanées d'intersection deux à deux d'un nombre P d'ESM distants conduisent à P(P-1 )/2 intersections. On réalise alors un estimateur par barycentre des intersections exactes. Cet estimateur est biaisé car il n'y a que P couples de mesures indépendantes mais dans les cas DTPL, TDOA les mesures sont si précises que ce biais est négligeable. Il est toujours possible d'utiliser l'estimation obtenue pour initialiser une méthode asymptotiquement non biaisée qui converge sans difficulté car initialisée très proche de la solution réelle.
Dans le cadre d'une cible fixe, et d'ESM fixes, les mesures de DTPL et TDOA sont des constantes et peuvent donc être intégrées, conduisant à des performances encore plus précises.
Dans le cadre d'une cible mobile, les localisations instantanées obtenues peuvent être traitées par un filtrage de type Kalman pour estimer l'évolution de la cible. À partir d'un calcul de position à un instant donné, on peut ainsi prédire les positions de la cible au cours du temps.
L'invention a été décrite pour des mesures de type DTPL, mesurant des différences de temps de passage du faisceau d'émission 10 de la source, et pour des mesures de type TDOA, donnant des différences de temps d'arrivée du faisceau d'émission, le faisceau d'émission étant intercepté sur deux ESM distants fixes ou mobiles.
D'autres types de mesures donnant une information sur la différence d'angle d'arrivée et sur la direction d'arrivée du faisceau d'émission peuvent être utilisés, toutes ces mesures permettant de construire géométriquement la solution selon l'invention comme intersection de certains lieux géométriques obtenus à partir de ces mesures. Ces lieux géométriques sont des ensembles de point de l'espace qui donneraient la même mesure si la source était disposée en ces points. On peut ainsi construire des courbes iso-ADOA correspondant à des points de l'espace donnant la même mesure ADOA pour deux récepteurs 21 , 22, ou encore des plans d'altitude 0.
La mesure ADOA et la mesure DOA peut être réalisées de différentes façons comme cela a été indiqué précédemment. Un système mettant en œuvre le procédé selon l'invention, comporte au moins un réseau de capteurs ESM effectuant les différentes mesures et des moyens de traitement pour déterminer la localisation d'une source d'émission électromagnétique à partir de ces mesures. Les moyens de traitement sont par exemple intégrés dans un dispositif apte à communiquer avec les capteurs ESM. À partir des signaux reçus par les capteurs, les moyens de traitement déterminent les différences d'angles d'arrivée et le directions d'arrivée. À cet effet, les signaux reçus par les capteurs sont enregistrés, sous leurs formes I et Q, et datés, Ces informations I et Q et les dates correspondantes sont alors envoyées au dispositif de traitement qui peut mettre en œuvre le procédé selon l'invention. Ce dispositif peut être embarqué ou peut être au sol.
La description a été faite pour un système comportant un réseau de deux capteurs.
Il est possible de réaliser un système réduit à un seul capteur ESM. Dans ce cas :
- la mesure de type ADOA considérée est une mesure différentielle intégrée pendant l'évolution dans l'espace du porteur de l'unique capteur ESM, entre deux positions consécutives de mesure, par exemple en tenant compte de la différence de phase mesurée sur une grande base interférométrique ou LBPDE, FDOA ou DTPL ;
- la mesure d'AOA peut être une mesure angulaire classique, obtenue par exemple par un dispositif interférométrique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ) à partir d'un réseau de récepteurs ESM (21 , 22), ladite source (1 ) émettant un faisceau d'émission (10) balayant l'espace, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une étape de détermination d'un premier lieu géométrique (62) à partir d'une première mesure donnant une information de différence d'angle d'arrivée dudit faisceau d'émission sur deux récepteurs (21 , 22), ledit premier lieu géométrique comportant les points de l'espace donnant la même première mesure sur lesdits deux récepteurs (21 , 22) ;
- une étape de détermination d'un deuxième lieu géométrique à partir d'une deuxième mesure donnant une information de direction d'arrivée sur au moins un récepteurs (21 , 22), ledit deuxième lieu géométrique comportant les points de l'espace donnant la même deuxième mesure sur ledit récepteur (21 ,22) ;
- une étape de détermination d'un troisième lieu géométrique sur lequel se trouve la position de ladite source, ledit troisième lieu géométrique étant l'intersection dudit premier lieu géométrique et de dudit deuxième lieu géométrique.
2. Procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte :
- une étape de mesure de différence d'angle d'arrivée (ΔΘ) dudit faisceau d'émission sur deux récepteurs (21 , 22), dite mesure ADOA ; - une étape de calcul d'un cylindre (62) dit iso-ADOA à partir de ladite mesure ADOA, ledit cylindre iso-ADAO correspondant à des points de l'espace donnant la même mesure ADOA pour lesdits deux récepteurs (21 , 22) ;
- une étape de mesures de différence de temps d'arrivée dudit faisceau d'émission sur lesdits deux récepteurs (21 , 22), dites mesures TDOA ;
- une étape de calcul d'un hyperboloïde dit iso-TDOA à partir desdites mesures TDOA, ledit hyperboloïde iso-TDOA correspondant à des points donnant lesdites mêmes mesures TDOA ; - une étape de calcul de l'intersection dudit cylindre iso-ADOA et dudit hyperboloïde iso-TDOA, ladite intersection comprenant la position de ladite source.
3. Procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte :
- une étape de mesure de différence de temps passage dudit faisceau d'émission sur deux récepteurs (21 , 22), dite mesure DTPL ;
- une étape de calcul d'un cylindre (62) dit iso-DTPL à partir de ladite mesure DTPL, ledit cylindre iso-DTPL correspondant à des points de l'espace donnant la même mesure DTPL pour lesdits deux récepteurs (21 , 22) ;
- une étape de mesures de différence de temps d'arrivée dudit faisceau d'émission sur lesdits deux récepteurs (21 , 22), dites mesures TDOA ; - une étape de calcul d'un hyperboloïde dit iso-TDOA à partir desdites mesures TDOA, ledit hyperboloïde iso-TDOA correspondant à des points donnant lesdites mêmes mesures TDOA ;
- une étape de calcul de l'intersection dudit cylindre iso-ADOA et dudit hyperboloïde iso-TDOA, ladite intersection comprenant la position de ladite source.
4. Procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une altitude donnée étant choisie, le calcul dudit cylindre (62) est effectué dans deux dimensions, à l'altitude donnée, ledit calcul correspondant au calcul d'un cercle (61 ), la position de ladite source étant l'intersection dudit cercle (61 ) et de ladite hyperboloïde iso-TDOA.
5. Procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs ESM (21 , 22) sont portés par un aéronef.
6. Procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réseau comporte un unique capteur ESM, les mesures étant effectuées en deux positions consécutives dudit capteur.
7. Procédé de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite source (1 ) étant mobile, l'étape de calcul de la position de ladite source à un instant donné est suivie d'une étape de filtrage de type Kalman et de prédiction des positions de ladite cible mobile.
8. Dispositif de traitement apte à communiquer avec un réseau de capteurs ESM, caractérisé en ce qu'il est apte à mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
9 Système de localisation d'une source d'émission électromagnétique (1 ), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un réseau de capteurs ESM et des moyens de traitement mettant en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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