FR3064800A1 - Procede de guidage d'une cible aerienne, notamment en phase d'atterrissage vertical, et systeme radar mettant en oeuvre un tel procede - Google Patents

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Abstract

Le procédé comporte au moins : - un premier traitement radar (21) de localisation et d'estimation de trajectoire de ladite cible (1) à partir de mesures de distances radiales, de fréquence Doppler et d'angle d'azimut et d'élévation de ladite cible (1) issues d'un signal radar émis vers ladite cible (1) ; - un deuxième traitement radar (21) de localisation et de trajectoire de ladite cible (1) selon un axe vertical, par application du principe de l'antenne synthétique inverse ; l'écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par ledit premier traitement projetée sur un plan horizontal et l'écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par le deuxième traitement selon ledit axe vertical étant utilisés pour commander la direction de déplacement de ladite cible (1).

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 064 800 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 17 00343
COURBEVOIE © Int Cl8 : G 08 G 5/02 (2017.01), G 01 S 13/06
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
Date de dépôt : 30.03.17. (© Demandeur(s) : THALES Société anonyme — FR.
© Priorité :
@ Date de mise à la disposition du public de la demande : 05.10.18 Bulletin 18/40. @ Inventeur(s) : CORN IC PASCAL, GARREC PATRICK et LE BIHAN PATRICK.
(56) Liste des documents cités dans le rapport de recherche préliminaire : Se reporter à la fin du présent fascicule
Références à d’autres documents nationaux apparentés : ©) Titulaire(s) : THALES Société anonyme.
o Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : MARKS & CLERK FRANCE Société en nom collectif.
PROCEDE DE GUIDAGE D'UNE CIBLE AERIENNE, NOTAMMENT EN PHASE D'ATTERRISSAGE VERTICAL, ET SYSTEME RADAR METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE.
FR 3 064 800 - A1 yV) Le procédé comporte au moins:
- un premier traitement radar (21 ) de localisation et d'estimation de trajectoire de ladite cible (1 ) à partir de mesures de distances radiales, de fréquence Doppler et d'angle d'azimut et d'élévation de ladite cible (1) issues d'un signal radar émis vers ladite cible (1 ) ;
- un deuxième traitement radar (21 ) de localisation et de trajectoire de ladite cible (1 ) selon un axe vertical, par application du principe de l'antenne synthétique inverse;
l'écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par ledit premier traitement projetée sur un plan horizontal et l'écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par le deuxième traitement selon ledit axe vertical étant utilisés pour commander la direction de déplacement de ladite cible (1 ).
Figure FR3064800A1_D0001
Figure FR3064800A1_D0002
PROCEDE DE GUIDAGE D’UNE CIBLE AERIENNE, NOTAMMENT EN PHASE D’ATTERRISSAGE VERTICAL,
ET SYSTEME RADAR METTANT EN ŒUVRE UN TEL PROCEDE
La présente invention concerne un procédé de guidage d’une cible aérienne, notamment en phase d’atterrissage vertical. Elle concerne également un système radar mettant en œuvre un tel procédé.
Le domaine technique de l’invention concerne notamment les systèmes d’aide à l’atterrissage ou au décollage d’engins pilotés ou non, et plus particulièrement l’atterrissage ou le décollage vertical.
Un problème technique à résoudre est la localisation d’un engin à décollage ou atterrissage vertical pour lequel une très grande précision de localisation est recherchée, selon une solution économique.
Ce besoin peut concerner le guidage des aéronefs à voilures tournantes, pilotés ou non, mais plus particulièrement les nouveaux systèmes destinés à récupérer le premier étage des lanceurs de fusées.
Dans ce cas particulier la vitesse de descente est élevée, ce qui rend le guidage vers l’aire d’atterrissage très délicat.
Par ailleurs, ces systèmes nécessitent une très grande sécurité de fonctionnement, compte-tenu du coût de l’engin que l’on souhaite récupérer et des risques encourus, notamment les risques de crash en zone habitée.
Il existe de nombreux systèmes d’aide à l’atterrissage, en particulier basés sur la technologie radar. La plupart de ces systèmes sont adaptés à l’atterrissage d’aéronefs réalisant une approche du point de toucher selon une pente de descente faible, typiquement 3° et avec une vitesse de descente relativement faible. On peut notamment citer dans ce cadre le système P.A.R. (Précision Approach Radar).
Tous ces systèmes sont destinés à détecter des cibles à longue distance, typiquement plusieurs dizaines de kilomètres, ce qui nécessite des antennes de grandes dimensions et une puissance d’émission élevée.
Ils sont onéreux, lourds à mettre en œuvre ou sont mal adaptés au guidage d’engins réalisant une pente de descente verticale ou quasi-verticale, en particulier quand la vitesse de descente est élevée.
Un but de l’invention est notamment de permettre le guidage d’engins à l’atterrissage, à vitesse d’approche élevée, avec précision, en toute sécurité et de façon économique.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de guidage d’une cible aérienne vers une trajectoire donnée, ledit procédé réalisant au moins :
- un premier traitement radar de localisation et d’estimation de trajectoire de ladite cible à partir de mesures de distances radiales, de fréquence Doppler et d’angle d’azimut et d’élévation de ladite cible issues d’un signal radar émis vers ladite cible ;
- un deuxième traitement radar de localisation et de trajectoire de ladite cible selon un axe vertical, par application du principe de l’antenne synthétique inverse ;
l’écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par ledit premier traitement projetée sur un plan horizontal et l’écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par le deuxième traitement selon ledit axe vertical étant utilisés pour commander la direction de déplacement de ladite cible.
Dans un mode de mise en œuvre particulier, ladite trajectoire aérienne donnée est sensiblement verticale, ladite trajectoire donnée étant par exemple orientée vers une aire de toucher, ladite cible étant en phase d’atterrissage.
Lesdits écarts sont par exemple calculés par des circuits de traitements radar et transmis à un système de commande de direction de déplacement de ladite cible.
Dans un mode de mise en œuvre possible, ledit deuxième traitement établit par exemple de façon continue un historique des vitesses radiales successives mesurées par effet Doppler pour déterminer une réplique de phase correspondant au trajet aller-retour du signal radar émis sur un intervalle de temps limité, ledit historique étant utilisé pour construire un corrélateur dudit signal reçu, ledit corrélateur étant appliqué pour la mesure de distance de ladite cible par ledit premier traitement selon différentes valeurs possibles de l’angle d’élévation de ladite cible à l’intérieur du domaine d’incertitude dudit premier traitement. La réplique de phase ayant donné le pic de corrélation le plus élevé détermine par exemple la valeur de l’angle d’élévation de la dite cible et sa vitesse selon l’axe vertical. La valeur dudit angle d’élévation de ladite cible est par exemple affinée par mesure de contraste entre l’amplitude du pic de corrélation de niveau maximum et les répliques de plus proches voisinages. La mesure de la largeur du pic de corrélation est par exemple utilisée pour estimer la verticalité de la trajectoire suivie par ladite cible selon l’axe vertical.
Ledit deuxième traitement, selon le principe d’antenne synthétique inverse, est par exemple réalisé sur un intervalle de temps limité dans le domaine angulaire correspondant à la distance parcourue par ladite cible dans ledit intervalle de temps. Ledit intervalle de temps est par exemple limité par la durée temporelle pendant laquelle la direction de la trajectoire de ladite cible peut être considérée comme fixe selon l’axe vertical.
Ledit procédé utilise par exemple une ou plusieurs balises équipant ladite cible pour établir une référence de localisation ponctuelle.
Ledit procédé utilise par exemple une ou plusieurs balises au sol pour effectuer des mesures de localisation différentielles.
Ledit deuxième traitement est par exemple utilisé pour estimer l’attitude de ladite cible, ladite cible étant découpée selon différentes tranches selon l’axe vertical, les différents pics de corrélation relatifs aux différentes tranches verticales de l’objet se trouvant décalés temporellement pour un même angle d’élévation permettant de déterminer avantageusement l’attitude de ladite cible.
Ladite cible est par exemple le premier étage d’un lanceur de fusée.
L’invention a également pour objet un système radar mettant en œuvre le procédé tel que décrit précédemment. Ledit système comporte par exemple une antenne fixe à multifaisceaux.
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 :
- La figure 1, une situation de guidage d’un engin aérien 1 vers une aire d’atterrissage ;
- La figure 2, une illustration de la mise en oeuvre matérielle de l’invention ;
- La figure 3, un exemple d’antenne utilisée par un radar mettant en oeuvre le procédé selon l’invention ;
- La figure 4, une présentation des deux traitements radars utilisés par le procédé selon l’invention ;
- La figure 5, une première phase du premier traitement radar utilisé correspondant à la détection initiale d’une cible ;
- La figure 6, une deuxième phase dudit premier traitement estimant une trajectoire grossière de la cible ;
- La figure 7, un système d’axes centré sur l’antenne du radar dans lequel est repérée la cible.
La figure 1 illustre une situation de guidage d’un engin aérien 1 vers une aire d’atterrissage 2. L’engin 1 est en trajectoire quasi-verticale, se déplace à vitesse élevée vers cette aire 2.
L’engin est par exemple le premier étage d’un lanceur de fusée que l’on souhaite récupérer après sa mission, en le faisant atterrir sur l’aire 2. Dans ce cas l’engin se dirige vers le sol en décélérant et en se stabilisant dans une position verticale grâce à ses propulseurs qui sont orientés vers le bas et qui assurent une poussée vers le haut.
Un problème est de guider cet engin pour l’amener sur l’aire d’atterrissage 2 avec une vitesse finale nulle et dans une position verticale. Cette aire 2 est relativement petite d’où la précision nécessaire au guidage.
A cette fin, l’invention propose un dispositif permettant de localiser très précisément l’engin au cours de sa descente et d’établir la trajectoire de l’engin en temps réel pour assurer son guidage.
Dans une telle phase de guidage, la vitesse de descente peut dépasser en début de phase 1000 mètres par secondes. Il est donc nécessaire de réaliser une première détection de l’engin à partir d’une altitude minimale H de l’ordre de 10 000 mètres afin de sécuriser la descente.
Compte-tenu de l’incertitude et des variations possibles de la trajectoire d’approche, le domaine de la trajectoire de l’engin est déterminé par un volume 3 qui peut être confondu grossièrement à un tronçon de cône pointe en bas, centré sur l’aire d’atterrissage 2.
La surface horizontale à couvrir pour la détection initiale est typiquement un disque de diamètre L de l’ordre d’un à plusieurs kilomètres. La surface de l’aire d’atterrissage peut être assimilée à un disque de diamètre I de l’ordre de quelques mètres.
Les exigences de précision de localisation sont de plus en plus sévères au fur et à mesure que l’engin s’approche du sol. La précision doit être par exemple meilleure que 1 mètre au moment du posé.
La figure 2 illustre la mise en œuvre de l’invention. On positionne au sol un radar 21 à faible distance de l’aire d’atterrissage, typiquement à quelques kilomètres. Le radar peut également être positionné en mer sur une plateforme.
Le radar 21 est un radar Doppler et comporte une antenne fixe, avec une architecture antennaire lui permettant d’éclairer 22 l’ensemble du domaine parcouru par la trajectoire de l’engin à l’intérieur du cône 3. Plus précisément, l’antenne du radar est apte à éclairer la totalité du cône de trajectoire en élévation.
A cet effet :
- d’une part l’antenne du radar possède une large couverture angulaire en élévation, par exemple de l’ordre de 45° ;
- et d’autre part, l’antenne est en position inclinée par rapport à la verticale, par exemple de l’ordre 20°, pour couvrir le domaine de trajectoire de façon optimum comme illustré par la figure 2, l’antenne étant orientée de façon à ce que sa couverture angulaire englobe la totalité de la trajectoire descendante, ou montante, jusqu’à une altitude prédéterminée.
Le radar 21 comporte des moyens de localisation angulaire d’une cible, en azimut et en élévation.
Pour faciliter la représentation du radar 21, ce dernier est représenté par son antenne sur cette figure 2.
La couverture angulaire en azimut n’a pas besoin d’être importante, typiquement elle peut être inférieure à 10°.
La figure 3 illustre un exemple de réalisation de l’antenne utilisée par un radar selon l’invention. C’est une antenne réseau 2D, comprenant plusieurs voies de réception, quatre dans cet exemple, et couvrant un large domaine angulaire en élévation comme précisé précédemment.
L’antenne 30 comporte ainsi un réseau d’éléments rayonnants 31 plan lui permettant de former différents faisceaux en réception couvrant chacun une portion du domaine de détection 22 couvert par l’antenne.
Dans l’exemple de réalisation de la figure 3, le réseau est formé de quatre sous-réseaux d’éléments rayonnants 301, 302, 303, 304 associés chacun à une voie de réception. Dans une telle antenne, les précisions de localisation sont limitées par les dimensions d1 et d2 entre les centres de phases de deux sous-réseaux consécutifs.
Les faisceaux d’antenne sont classiquement formés de façon analogique, par balayage électronique, ou par traitement numérique, selon le principe de formation de faisceau par le calcul (FFC).
A l’émission, la couverture peut être obtenue par un seul faisceau large ou par commutation temporelle de plusieurs faisceaux.
La figure 4 présente les deux traitements radar 41, 42 mis en œuvre par l’invention, en vue de guider la trajectoire d’un engin 1 vers une trajectoire donnée, notamment une trajectoire sensiblement verticale pour atteindre une aire de toucher 2 avec précision. Ces deux traitements radar seront décrits précisément par la suite. On entend par traitement radar un traitement mis en œuvre par un radar à partir d’informations de signaux radars, ces signaux étant ici issus de la cible 1 à guider.
Le premier traitement 41 réalise une localisation et une trajectoire grossière de l’engin selon une méthode conventionnelle et détermine son évolution selon le plan horizontal. Plus précisément le radar réalise une estimation grossière de la position, de la trajectoire et des paramètres cinématiques de l’engin à partir de mesures de la distance radiale, de la vitesse radiale et des angles d’azimut et d’élévation, de façon classique.
Le deuxième traitement 42, qui être réalisé parallèlement au premier traitement 41, réalise une localisation et une trajectoire de l’engin à haute résolution selon l’axe vertical, en appliquant le principe de l’antenne synthétique inverse (encore appelé ISAR pour « Inverse Synthetic Aperture
Radar), de façon à affiner la précision de mesure angulaire de l’engin en élévation. En d’autres termes, alors que le principe de l’antenne synthétique (principe SAR pour « Synthetic Aperture Radar ») exploite le déplacement de l’antenne pour former une antenne synthétique de dimension plus importante, l’invention utilise avantageusement le déplacement de la cible (ici l’engin 1) pour générer une antenne synthétique de grande dimension, selon le principe ISAR, procurant ainsi une très grande résolution angulaire et une très grande précision de localisation.
La figure 5 illustre une première phase du premier traitement 41 consistant, à partir du radar 21 :
à orienter plusieurs faisceaux d’antenne 51 dans la direction d’arrivée attendue de la cible 1, qui est l’engin que l’on souhaite guider ;
- puis à détecter la présence de la cible 1 dans le volume d’acquisition et à estimer sa vitesse radiale Vr, sa distance et sa position angulaire en élévation 0ei et en azimut 0az.
La mesure de la vitesse radiale est obtenue classiquement par traitement Doppler, et la position angulaire est obtenue classiquement par un traitement de type monopulse ou interférométrique, typiquement à l’aide de plusieurs faisceaux de réception identiques pointés dans la direction d’arrivée.
La figure 6 illustre une deuxième phase du premier traitement 41. Dans la direction de pointage 51 des faisceaux d’antenne, le radar engage une poursuite et détermine de façon grossière la trajectoire de la cible détectée, selon l’axe distance, selon la vitesse et selon l’angle.
Cette étape a notamment pour fonction, à partir des relevés successifs des positions 61 mesurées dans l’étape précédente, d’estimer les directions de déplacement et les vitesses correspondantes.
La trajectoire 62 estimée à partir des mesures discrètes successives 61, peut être obtenue par des méthodes connues de l’homme du métier, comme le filtrage de Kalman, les moindres carrés, ou toutes autres méthodes.
Dans ce traitement, les performances de localisation sont essentiellement limitées par la dimension de l’antenne du radar et le rapport signal sur bruit en réception.
Typiquement, une antenne de longueur égale à 1 mètre en bande X présente une ouverture angulaire de l’ordre de 2° et une précision maximum de l’ordre de 0,05°, soit une précision de localisation de l’ordre de 10 mètres à 10 kilomètres.
Ce niveau de précision n’est pas suffisant à lui seul pour effectuer correctement le guidage de l’engin 1 selon l’axe vertical.
La trajectoire 62 estimée par ce premier traitement 41 est utilisée pour caractériser les mouvements de la cible 1 dans le plan horizontal et pour fournir au système de guidage les informations correspondant à ces mouvements permettant d’ajuster la direction de la trajectoire vers le lieu d’atterrissage prévu 2.
La trajectoire 62 est également utilisée pour orienter et maintenir le pointage des faisceaux d’antenne 51 dans la direction de la cible 1 au cours de son déplacement.
Par le deuxième traitement 42, le radar 21 détermine de façon plus précise la position, la trajectoire et le mouvement de la cible selon l’axe vertical, en augmentant la résolution angulaire selon le principe de l’antenne synthétique inverse, à partir du déplacement de la cible 1.
Ce deuxième traitement 42 s’effectue de façon cyclique et continue par intervalles de temps successifs T, comprenant chacun un grand nombre M de cycles de détection radar successifs. Un intervalle de temps T est par exemple de l’ordre de 1 seconde.
Le traitement est effectué dans un domaine angulaire limité, correspondant au domaine de déplacement de la cible pendant l’intervalle de temps T.
La durée de cet intervalle de temps est choisie pour que le déplacement de la cible soit important, typiquement plusieurs centaines de mètres, et que la direction de déplacement puisse être considérée comme constante pendant cette durée.
Le traitement du radar calcule dans une première phase, à partir de la mesure Doppler, la vitesse radiale de la cible à chaque cycle de détection radar de durée T, chaque cycle comprenant un nombre N de récurrences Tr.
Dans une deuxième phase, pour chaque cycle de détection, le traitement interpole les différentes mesures de vitesse de façon à générer un historique de vitesses estimées à chaque récurrence, l’ensemble constituant une suite de M x N valeurs sur la durée de l’intervalle de temps T. Cette interpolation consiste, à partir de la mesure de vitesse établie à chaque cycle de mesure comprenant N récurrences de durée Tr, à estimer la valeur de la vitesse à chaque récurrence constituant ce cycle de mesure. L’interpolation est typiquement réalisée de façon linéaire, c’est-à-dire que pour une variation de vitesse Δν obtenue entre deux cycles successifs correspondant au temps kTr et (k+1)Tr, la variation de vitesse estimée pour la récurrence d’indice n, compris entre 0 et N, par rapport à l’instant kTr est ηΔν/Ν.
Autrement dit, à partir de M mesures de vitesse calculées uniquement à chaque cycle de mesure, on génère MxN valeurs de vitesse par interpolation entre mesures successives.
A partir de cet historique de vitesses estimées, le traitement élabore pour une distance radiale donnée Ro, et pour différentes possibilités d’angle d’élévation de la cible, un historique de phase théorique attendu du signal reçu, celui-ci résultant du trajet aller-retour parcouru par l’onde émise par le radar.
Pour chaque possibilité d’angle d’élévation, cet historique de phase comprend lui-même MxN valeurs.
L’historique est calculé en prenant comme hypothèse une trajectoire verticale, à partir de la distance radiale initiale Ro.
Les différentes hypothèses d’élévation de la cible sont choisies dans le domaine d’incertitude de localisation obtenu par le premier traitement de localisation, grossière, en découpant ce domaine selon un pas très fin, ce pas étant fonction de la précision attendue.
Typiquement, si la précision de localisation du premier traitement est de 0,1°, on peut par exemple envisager dans le domaine d’incertitude 100 valeurs différentes espacées entre elles de 0,001°.
Le deuxième traitement 42 réalise ensuite un traitement « pseudo adapté » au signal reçu, selon un historique de phase aller-retour de l’onde radar, prédéterminé par les mesures de fréquences Doppler successives obtenues au cours du temps, en considérant l’hypothèse théorique d’un déplacement vertical. Le filtrage consiste ainsi à corréler en phase le signal reçu à chaque récurrence après démodulation par la porteuse du signal radar, avec une réplique correspondant à l’historique de phase théorique. Le filtrage est dit « pseudo adapté » car il prend en compte une hypothèse théorique d’une trajectoire rigoureusement verticale alors que la trajectoire réelle peut être légèrement inclinée par rapport à la verticale.
Dans ces conditions, le traitement réalise l’opération :
p(R0-eeifc)(m) = Σ^:Γ_1 sÇi) sï«Ro,eelk)fi - m) où :
- Ro est la distance initiale de la cible ;
- Oetk est l’angle d’élévation d’indice k correspondant à la direction de détection initiale d’indice k ;
- s(i) = ej(pM est le signal reçu après démodulation par la porteuse hyper fréquence à la récurrence d’indice i, en normalisant le module à 1 ;
sT((ROleeik^ ~m) = e~J<pT(-(Ro,9elk^l~m'> , correspond au signal de réplique théorique, dans lequel <Pr((R0,eeZfe)) O _m) représente la phase théorique du signal attendu_à la récurrence d’indice i-m, pour une trajectoire verticale ;
- m est l’indice du filtre de corrélation, m variant de 0 à N x M -1.
Les résultats des corrélations pour chaque hypothèse d’angle d’élévation Oelk fournissent chacun un pic de corrélation centré sur la valeur m = 0.
La valeur de Oelk pour laquelle le pic de corrélation est de plus forte amplitude fournit :
- l’estimation de l’angle d’élévation Θβ1 = Oe[k à l’instant de la détection initiale et l’historique des vitesses ; et
- l’estimation des positions de la cible selon l’axe vertical pendant l’intervalle de temps T sur lequel le traitement est appliqué.
Conformément au traitement SAR connu de l’homme du métier, la résolution angulaire obtenue par cette mesure correspond grossièrement à l’ouverture angulaire d’une antenne de longueur équivalente à deux fois la longueur du déplacement effectué par la cible pendant l’intervalle de temps T, ce qui apporte une très grande précision angulaire ainsi qu’une très grande précision de localisation de la cible 1.
Typiquement, pour une distance parcourue de 100 m et une longueur de d’onde de 3 cm, la résolution angulaire obtenue est de l’ordre de :
ΔΘ = — = 0,15 mrd, ce qui correspond à une résolution transverse à l’axe de visée de 1,5 m à 10 km.
Le traitement 42 proposé permet donc d’atteindre une très grande résolution, apportant une très grande précision de localisation.
Cette valeur de l’estimation de l’angle d’élévation θ6ί peut encore être affinée, par exemple en calculant le contraste entre l’amplitude du pic de corrélation le plus fort obtenu pour 0eifc et les amplitudes des pics obtenus pour les valeurs voisines de k les plus proches, à savoir £-1 et H1.
Par ailleurs, la largeur du pic de corrélation est représentative de la validité de l’hypothèse de la trajectoire verticale.
Plus l’hypothèse est vraie, plus le pic de corrélation est étroit, et inversement, plus la trajectoire est éloignée de la verticale, plus le pic de corrélation tend à s’élargir.
La largeur du pic de corrélation donne ainsi une indication concernant la verticalité de la trajectoire.
L’évolution de la largeur du pic de corrélation fournit un critère de validation de la trajectoire et permet de corriger celle-ci, en fonction du résultat de l’estimation grossière obtenue par ie premier traitement 41.
Ce second traitement 42 de type ISAR, fournit historique de l’altitude et de le la vitesse verticale de la cible avec une très grande précision, et permet de régler la commande de décélération de la cible pour aboutir à une vitesse nulle au moment du posé.
Il est à noter que l’intervalle de temps T sur lequel s’effectue le traitement d’antenne synthétique peut être modifié pendant la phase de descente en fonction de la vitesse moyenne de la cible, de façon ajuster la résolution et la précision de mesure selon le besoin.
Ainsi, la longueur apparente de l’antenne synthétique peut être augmentée au fur et à mesure de l’approche du sol pour garantir une meilleure précision dans la phase finale de l’atterrissage.
L’annexe présentée en fin de description précise le mode d’élaboration du filtrage exploitant les pics de corrélation.
A partir de l’analyse des résultats obtenus dans chacun des traitements 41, 42, le radar estime :
- l’écart entre la trajectoire estimée et la trajectoire théorique verticale ; et
- les paramètres cinématiques de la cible.
Puis le radar transmet au système de guidage de l’engin les informations correspondantes.
Au fil des itérations de ce processus, composé du premier traitement 41 et du deuxième traitement 42, le système de guidage tend à rapprocher la trajectoire de l’engin 1 d’une trajectoire de plus en plus proche d'une trajectoire verticale, en agissant de façon connue sur les moyens de commande et/ou de propulsion de l’engin. Ceci a pour effet de focaliser de plus en plus précisément le traitement ISAR et d’accroître encore avantageusement la précision de localisation angulaire de la cible.
Conformément à la demande de brevet FR 0412313, l’engin 1 peut être équipé de moyens d’émission de type balise 23 (voir la figure 2) de façon à fournir une source d’émission de référence ponctuelle dont la position à bord de l’engin que l’on souhaite guider est parfaitement connue, et de façon à renforcer le rapport signal à bruit de la détection radar.
Il est également possible d’utiliser une balise au sol 24, placée à proximité du point de toucher (voir la figure 2), conformément à la demande de brevet FR 0412313, pour effectuer un guidage en différentiel de nature à augmenter la précision d’atterrissage. Les balises équipant l’engin ou les balises au sol sont par exemple selon la demande de brevet FR 1700264.
Par ailleurs, dans le cas d’un engin étendu selon l’axe vertical, typiquement dans le cas d’un étage lanceur de fusée, la résolution obtenue grâce au traitement d’antenne inverse peut être utilisée pour « découper » l’engin selon différentes tranches suivant l’axe vertical.
En effet, compte tenu du mouvement vertical de la cible, les différents pics de corrélation relatifs aux différentes tranches verticales de l’objet se trouvent décalés temporellement pour un même angle d’élévation.
Il est ainsi possible d’estimer la position et la trajectoire de chacune de ces tranches de façon indépendante ce qui permet notamment de déterminer avantageusement l’attitude de l’engin. Il est aussi possible d’utiliser plusieurs balises répondeuses pour estimer l’attitude de l’engin.
En plus de la haute précision de localisation de l’engin au cours de son évolution, descente ou ascension, l’invention apporte d’autres avantages.
En particulier, du fait de la très grande résolution angulaire obtenue en élévation, le procédé selon l’invention est très peu sensible aux réflexions sur le sol. Cela permet notamment de sécuriser l’atterrissage, en particulier quand la phase de descente s’effectue à haute vitesse.
Le système radar mettant en œuvre le procédé selon l’invention est léger et facilement transportable.
Le système peut être positionné à faible distance de l’aire de toucher, ce qui autorise l’utilisation d’une antenne 30 de petite taille et une puissance d’émission faible, entraînant un coût de réalisation et d’exploitation faible.
Il ne nécessite pas de motorisation, ce qui facilite la calibration sur le terrain et renforce la fiabilité.
Enfin, un système radar selon l’invention peut également être utilisé pour un guidage selon une pente de descente faible, en adaptant le traitement.
ANNEXE
Pour des raisons de simplification d’écriture, les formalisations mathématiques qui suivent correspondent à une description temporelle continue, alors que le signal est en réalité discrétisé à chaque récurrence radar, mais ceci ne change pas les résultats.
Selon la représentation de la figure 7, l’espace est repéré par un repère (O, X, Y, Z) orthonormé centré sur l’antenne 30, dans lequel les axes OX et OY correspondent au plan horizontal et OZ à l’axe vertical. L’antenne est représentée par son plan 71. La position M (x, y, z) de la cible dans ce repère est définie ainsi :
x = R cosGel sinGaz y = R cosGel cosGaz z = R sinGel (1) coordonnée selon l’axe OX’ (2) coordonnée selon l’axe OY’ (3) coordonnée selon l’axe OZ’ où R est la distance radiale de la cible au radar :
R = jx2 + y2 + z2 (4) et où Gel et Gaz représentent respectivement les angles d’élévation et d’azimut.
Par ailleurs le vecteur vitesse de la cible s’exprime comme
V — Vx + Vy + Vz (5) et la vitesse radiale comme :
vr = dfl _ AFd dt 2 (6) λ étant la longueur d’onde et Fd la fréquence doppler.
En prenant comme hypothèse un déplacement théorique purement vertical à partir d’une distance initiale Ro = V*o + 7o+zo - on Peut écrire la variation théorique de la distance RT en fonction du temps t comme :
Rr(t) = Jxo + 7o + (zo ~ O) O2 (7)
Où est une estimée de vz(t), obtenue en considérant la trajectoire verticale, conformément à la relation :
vr = vz(t)sineel (8)
La vitesse vz(t) est une fonction du temps, correspondant à la réponse de la cible à la commande de pilotage, soit typiquement dans le cas d’un atterrissage vertical à une décélération uniforme :
/?T(t) = JRg - 2R0vz(t)cos(^ - θ^ί + r2(t)t2 (9)
En considérant une distance R0 beaucoup plus grande que le déplacement vz(t)t, on obtient par développement limité la formulation classique du traitement SAR, avec la particularité ici d’une vitesse de déplacement îÇ(t) variable dans le temps ;
RT(t) = R„- Çfflcos (f-eet)t + SgLÎ sin 2 (ï _©„) (10) d’où, en combinant avec (8) :
RT(t) = i„-vr(t)t + ï^tg2(2-e ) (11)
Pour une trajectoire théorique verticale, la différence de phase correspondant à la propagation de l’onde radar sur le trajet aller-retour s’écrit alors :
?r(O = = ^(Ro - vr(t)t+^tg2(2- ej ) (12) et la fréquence doppler correspondante :
FdT (t) = = i (Vro + yrt)(1 _te Ζ(ζθ+ „rot) (13) où :
yr(t) correspond à l’accélération de la cible à l’instant t, que l’on peut considérer comme constante pendant l’intervalle de temps T yr(t) = yr.
La bande de fréquence doppler Bd couverte pendant l’intervalle de temps T est :
tg2(?-®,)
Bd = Σ Ro Vr0 (VrO + Yr^T - YrT) (14)
On applique au signal reçu à chaque récurrence un filtrage « pseudo adapté » correspondant à la réplique de phase calculée selon l’hypothèse théorique de trajectoire verticale.
Ainsi, Le traitement réalise l’opération :
T
Ρ(τ) — J2rs(t) sT*(t - r)dt (15) ~2 où s(t) est le signal reçu après démodulation par la porteuse hyperfréquence et s*(t) est la réplique de phase correspondant à une trajectoire verticale :
s(t) = RectT(t)e^(t) (16) où RectT(t) est la fonction rectangle, qui vaut 1 entre -T/2 et +T/2, et qui est nulle ailleurs.
sT*(t - τ) = e-j^tt-τ) (Ί7)
En considérant la trajectoire réelle de la cible, il vient :
R(0 = 7(χο “ + (Jo ~ Vy(t)t)2 + (z0 - vz(t)t)2 (18) qui peut s’écrire :
R (t) = _ 2v(t)R0tcosC + v2(t)t2 (19) où C est l’angle entre la direction de la cible OMq et la direction du vecteur vitesse v .
Et en effectuant le même développement limité que précédemment :
R(t) = Ro — v(t)tcosC — sin 2 C (20)
2fi0 avec :
vr(t) = vcosC (21) d’où :
/?(t) = Ro - vr(t)t - 2 C (22)
Pour la trajectoire réelle, la différence de phase correspondant à la propagation de l’onde radar sur le trajet aller-retour s’écrit alors :
= + (23)
Et la fréquence doppler correspondante :
«r») = —f· = J Ko + yrt)(l - (24)
La bande de fréquence doppler Bd couverte pendant l’intervalle de temps T est :
= I vr0 (vr0 + yrT)T - YrT) (25)
Le résultat du traitement « pseudo » adapté est :
Γ
J_2rRectT(t - dt (p(t) - φτ(ΐ — τ) = ~^(vr(t)t - vr(t)(t - τ)) - ^(v2(t)(tg2 Ct2 5 tg2(^-0 )(t-r)2) z el
4-77 V2(t} TT ψ(ϊ) - <pT(t - τ) = -^-(-vr(t)7 + -^—((tg2C - tg2(--Θ ))t2 Λ Z/\Q Z ρΐ +2tg2£-e )Tt-tg2É-e χ2)) z el 2 el
4π (-vr(t)r + v?(t)
2Rn (2tg20 π Θ )Tt-tg25-e )τ2)) el 2 el
4πτ ~Y (-1
2Rn tg2fc-e )(2t-t» el
Dans le cas où l’hypothèse théorique est vérifiée, c’est-à-dire si v = vz, les angles C et g - Θ sont égaux, et le résultat du filtrage |Ρ(τ)| se simplifie el en :
IPWI
RectT(t — r)e
La fonction |Ρ(τ)| présente un pic centré sur τ = 0 , d’amplitude T.
Par ailleurs, si la vitesse vr varie relativement peu pendant le temps d’intégration, le pic de corrélation présente une forme proche d’un sinus cardinal, dont la largeur ΔΤ à -3 dB est voisine de l’inverse de la bande de fréquence doppler balayée pendant le temps d’observation ΔΤ = — .
Dans le cas où l’hypothèse théorique n’est pas rigoureusement vérifiée, la fonction |Ρ(τ)| présente un pic élargi, centré sur τ = 0 :
_ 422^(0 MO 2 π_ 27rv^(t) 2 2 π_θ 2
RectT(t —r)e K 1 1 2«otg l2 aeA2t τ» Afio «tg c tg <.2 velW » dt
L’élargissement du pic de corrélation est dû à l’apparition du terme de phase ψ(ί) quadratique en t :
V'(t) = ((tg2 C - tg2(| - Θ ))t2
AK0 Z ei
Ce terme tend à diminuer quand la trajectoire tend vers la verticale, c’est-àdire quand l’angle C se rapproche de l’angle (- - Θ ), en τ = 0 :
el |P(T)| = e-7<v2(t)(tg 2 C-tg 2(f-ee;))t2-Çvr
T dt

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de guidage d’une cible aérienne (1) vers une trajectoire donnée, caractérisé en ce qu’il effectue au moins :
    - un premier traitement radar (41) de localisation et d’estimation de trajectoire de ladite cible (1) à partir de mesures de distances radiales, de fréquence Doppler et d’angle d’azimut et d’élévation de ladite cible (1) issues d’un signal radar émis (51) vers ladite cible (1) ;
    - un deuxième traitement radar (42) de localisation et de trajectoire de ladite cible (1) selon un axe vertical, par application du principe de l’antenne synthétique inverse ;
    l’écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par ledit premier traitement (41) projetée sur un plan horizontal et l’écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par le deuxième traitement (42) selon ledit axe vertical étant utilisés pour commander la direction de déplacement de ladite cible (1).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite trajectoire aérienne donnée est sensiblement verticale.
  3. 3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite trajectoire donnée est orientée vers une aire de toucher (2), ladite cible étant en phase d’atterrissage.
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits écarts sont calculés par des circuits de traitements radar et transmis à un système de commande de direction de déplacement de ladite cible (1).
  5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit deuxième traitement (42) établit de façon continue un historique des vitesses radiales successives mesurées par effet Doppler pour déterminer une réplique de phase correspondant au trajet aller-retour du signal radar émis sur un intervalle de temps limité, ledit historique étant utilisé pour construire un corrélateur dudit signal reçu, ledit corrélateur étant appliqué pour la mesure de distance de ladite cible par ledit premier traitement (41) selon différentes valeurs possibles de l’angle d’élévation de ladite cible (1) à l’intérieur du domaine d’incertitude dudit premier traitement (41).
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la réplique de phase ayant donné le pic de corrélation le plus élevé détermine la valeur de l’angle d’élévation de la dite cible (1) et sa vitesse selon l’axe vertical.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur dudit angle d’élévation de ladite cible (1) est affinée par mesure de contraste entre l’amplitude du pic de corrélation de niveau maximum et les répliques de plus proches voisinages.
  8. 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la mesure de la largeur du pic de corrélation est utilisée pour estimer la verticalité de la trajectoire suivie par ladite cible (1) selon l’axe vertical.
  9. 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit deuxième traitement (42), selon le principe d’antenne synthétique inverse, est réalisé sur un intervalle de temps limité dans le domaine angulaire correspondant à la distance parcourue par ladite cible (1) dans ledit intervalle de temps.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit intervalle de temps est limité par la durée temporelle pendant laquelle la direction de la trajectoire de ladite cible (1) peut être considérée comme fixe selon l’axe vertical.
  11. 11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il utilise une ou plusieurs balises (23) aéroportées par ladite cible pour établir une référence de localisation ponctuelle.
  12. 12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il utilise une ou plusieurs balises (24) au sol pour effectuer des mesures de localisation différentielles.
  13. 13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit deuxième traitement (42) est utilisé pour estimer l’attitude de ladite cible, ladite cible étant découpée selon différentes tranches selon l’axe vertical, les différents pics de corrélation relatifs aux différentes tranches verticales de l’objet se trouvant décalés temporellement pour un même angle d’élévation permettant de déterminer avantageusement l’attitude de ladite cible.
  14. 14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cible (1) est le premier étage d’un lanceur de fusée.
  15. 15. Système radar (21), caractérisé en ce qu’il met en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  16. 16. Système radar selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il comporte une antenne fixe (30) à multifaisceaux.
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