Brevet FR2542863A1 — publié le 19840921

La présente invention concerne un système héliporté de localisation et de détermination des paramètres de déplacement d'une cible par rapport à un point de référence au sol de coordonnées connues dit HOA, ainsi qu'un procédé pour sa mise en oeuvre. L'invention est destinée à fournir des informations de conduite de tir pour des systèmes d'artillerie à tube : dans ces systèmes, à la différence des systèmes de tir pour projectiles autodirecteurs, toute la précision est conditionnée par les paramètres initiaux du tir. Il est donc essentiel de fournir à la batterie d'artillerie, et ce trés rapidement,-les inforpllatians les plus précises à la fois sur la localisation de la cible (détermination de ses coordonnees) et sur ses paramètres de marche (direction et vitesse) ; ces dernières informations sont nécessaires car l'observation n'est pas nécessairement simultanée au tir, et il peut s'écouler plusieurs minutes entre l'observation de la cible,. la transmission des informations à un calculateur central qui déterminera les parametres de pointage exacts , et le tir effectif. Jusqu'à présent, l'observation était réalisée par un détachement spécialisé, stationné au sol en un point de coordonnées connues ou déterminées au préalable avec une grande précision. Cette manière de procéder autorise une grande finesse de mesure, mais l'horizon nécessairement limité oblige le détachement à stationner de préférence en un point élevé et dégagé, donc nécessairement vulnérable et souvent difficile d'accès. En outre, hors des régions de plaine, la visibilité peut être limitée et affectée de "zones d'ombre" lorsque les objectifs adverses sont masqués par le relief du terrain. L'hélicoptère a déjà été utilisé pour appuyer l'artillerie au sol, mais pour des observations purement qualitatives. Sa mobilité, sa maniabilité et sa capacité de vol stationnaire sont précieuses, mais ont jusqu'à présent rendu impossibles des visées précises en cours de déplacement : il est en effet très difficile voire impossible, par les techniques classiques de navigation autonomes inertielles et radioélectriques, de connaître le déplacement de l'appareil, et donc sa position et son orientation, avec une précision compatible avec les exigences de l'artillerie.S'agissant d'un hélicoptère, les informations obtenues divergent très rapidement, car l'erreur inertielle est pour sa plus grande part proportionnelle au temps et non à la distance parcourue car elles se trouvent rapidement affectées d'un rapport signal/bruit très dégradé, én raison de la double intégration des bruits de mesure. Dans une mission d'observation, les distances parcourues peuvent être assez faibles, et les périodes de vol stationnaire ou quasistationnaire sont souvent prolongées. Les informations de position et d'orientation, acceptables pour la navigation tactique, deviennent alors insuffisantes pour le service précis de l'artillerie. Pour remédier à ces inconvénients, le système proposé par l'invention comprend, embarqués à bord de l'hélicoptère et solidaires d'une structure commune liée à celui-ci des moyens stabilisés d'observation et de visée, orientables en direction de la cible selon au moins un axe de visée, aptes à délivrer des signaux angu laires indicatifs de l'orientation de l'axe de visée par rapport à au moins deux références absolues de direction (présentement et dans la suite du texte les termes "références absolues "ou "référentiel absolu"signi- fient qu'on se rapporte par l'intermédiaire de quantités constantes et connues aux coordonnées, géographiques ou grille, de positions et d'orientation, utilisées pour le réglage des tirs concernés par l'action de l'O ), des moyens télémétriques, orientables en direction de la cible selon un axe colncidant avec l'axe de visée, aptes à délivrer un signal télémétrique indicatif de la distance séparant la cible de l'hélicoptère, des moyens gyrométriques et accélérométriques, aptes à stabiliser les moyens d'observation et de visée et à conserver à bord de l'hélicoptère des signaux de réfé rence de direction indicatifs des références absolues de direction, des moyens de calcul aptes, en réponse aux signaux angulaires et télémétrique, à délivrer des signaux de localisation de cible, représentatifs de la position de la cible par rapport à un point de référence de position. Les moyens gyrométriques et accéléromEtriques,en permettant ainsi à l'hélicoptère d'emporter son propre référentiel absolu d'orientation, permettent en outre des visées télé métriques et goniométriques en cours de déplacement. Ils permettent de plus de remplacer les moyens inertiels de détermination de position (dont on a vu les inconvénients) par des moyens télémétriques qui assurent une grande précision - notamment les dispositifs à télémètre laser, dont la précision varie très peu avec la distance et dont la précision de pointage est permise par les moyens gyrométriques et accélérométriques, à la fois par leur fonction de stabilisation (filtrage des mouvements de l'hélicoptère fournissant une image stable requise pour un pointage très fin) et par leur fonction d'orientation, pour que les mesures angulaires délivrées par les codeurs liés aux moyens d'observation et de visée puissent être exprimées par rapport au référentiel absolu d'orientation emporté par l'hélicoptère. Avantageusement, le système comporte enfin-des moyens de détermination des paramètres de déplacement de la cible, aptes à délivrer des signaux représentatifs de la direction et de la vitesse de déplacement de la cible, en réponse aux variations instantanées des signaux angulaires et télémétrique, et à l'analyse de la forme de la cible (angle de présentation de la cible par rapport à 1'HOA). I1 est ainsi possible, outre la localisation de la cible, de déterminer ces paramètres de marche, direction et vitesse. La vitesse ainsi déterminée est la vitesse de marche (c'est-à-dire la vitesse dans la direction de déplacement de la cible) et non la vitesse de défilement, comme dans les systèmes d'observation ou de tir embarqués classiques. Le procédé pour la mise en oeuvre de ce système comprend les étapes suivantes détermination préalable d'au moins deux références de direction absolues et report de celles-ci dans les moyens gyrométriques et accélérométriques, l'une des références de direction étant par exemple la verticale et l'autre étant contenue dans un plan horizontal - localisation de la cible par - orientation de l'axe de visée en direction de la cible, - détermination de signaux de position de l'héli coptère par rapport au point de référence absolue, - détermination des coordonnées de la cible par rapport à l'hélicoptère, en réponse aux signaux angulaires et télémétrique, - détermination des coordonnées de la cible par rapport au point de référence absolu, en fonction des signaux de position. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence à la figure unique annexée, représentant schématiquement un des systèmes possibles selon l'invention. Un ensemble de visée 100 est solidaire d'une structure porteuse commune 10 appartenant à 1'HOA, suffisamment rigide pour assurer la cohérence des mesures angulaires. Cette structure peut être une structure indépendante en soi de la structure de l'hélicoptère porteur, par exemple une plate forme porte-équipements suspendue sur l'hélicoptère par un systeme à cardan éventuellement stabilisé , ou bien une structure particulière incorporée à celle de l'hélicoptère : dans ce dernier cas, représenté sur la figure, un capot 110 asservi à la rotation d'un miroir stabilisé 120 émerge de la structure porteuse 10, dont est également solidaire le corps de viseur 130, l'ensemble oculaire 140, l'ensemble inertiel gyroscopique et accélérométrique 150 et l'ensemble optronique 160. Le miroir de visée 120 est stabilisé soit par ses propres gyroscopes, soit par des moteurs de déplacement en site 121 et en azimut 122asservis par les gyroscopes de l'ensemble inertiel 150. Des codeurs angulaires 123 et 124 indiquent la direction de visée, cette information étant transmise pour exploitation à l'ensemble 200 de calcul et de gestion. En fonction des conditions opérationnelles, l'observation et la visée peuvent être réalisées dans les spectres de rayonnement visible infrarouge, hertzien,. . De préférence, l'ensemble de visée est doté de plusieurs champs d'observation (de plusieurs grossissements ou focales d'objectifs) commutables rapidement par l'opérateur sans modification de l'orientation de l'axe de visée. L'ensemble oculaire 140 visualise à l'opérateur les images ainsi fournies, ainsi que toutes autres informations à caractère graphique au moyen d'un écran 163 faisant apparaître les paramètres et symboles déterminés par l'ensemble 200 de calcul et de gestion. Le sous-groupe inertiel 150 comprend par exemple un gyroscope de verticale 151, un gyroscope de cap 152 et un boîtier accélérométrique 153. En fait, le nombre et la combinaison des gyroscopes, gyromètres et accéléromètres sont essentiellement variables selon que l'accent est-mis sur la redondance ou la simplicité. Le choix est également possible entre les techniques gyroscopiques à plateforme ou les techniques gyroscopiques liées. La configuration représentée (deux gyroscopes et un boîtier accélérométrique comportant deux accéléromètres de verticale) correspond à une configuration minimale qui permet de stabiliser les moyens d'observation et de visée et de conserver un référentiel de directions absolues lié à la terre (notamment la verticale).Cette configuration devra être étendue si l'on souhaite en outre disposer d'informations chiffrées sur les déplacements de l'hélicoptère selon ce même référentiel, c'est-a-dire procéder à une navigation inertielle (de durée compatible sur la précision recherchée) L'ensemble optronique 160 comprend un télémètre 161, complété éventuellement par un cinémomètre de distance délivrant des signaux représentatifs de la vitesse de variation de la distance mesurée par le télémètre 161 et une caméra de télévision 162 Le télémètre employé peut être un télémètre optique à base (de préférence à corrélation optique) ou monostatique à impulsions lumineuses (laser) ou hertziennes (radar) réfléchies avec chronométrie.Ce télémètre doit être pointé dans la même direction que celle des moyens d'observation et de visée. Si le télémètre est physiquement dissocié du corps 130 ou de la structure 10 en présence d'axes optiques mal définis ou variables (intensificateur de lumière, convertisseur de rayonnement thermique). un dispositif d'harmonisation (non représenté) assure en permanence la coïncidence des axes des moyens télémétriques et des moyens d'observation et de visée. L'ensemble 2o0 de calcul et de gestion comprend quatre sous-ensembles 201 à 204, respectivement affectes aux fonctions téléiaétrie et cinémométrie de distance, attitude navigation stabilisation, visualisation et traitement de l'image télévision à des fins d'identification automatique et/ou de détermination de l'orientation de la cible par rapport à l'HOA, enfin 205 de gestion de l'ensemble, totalement automatisée ou manuelle. L'ensemble 200 est relié à des moyens 300 de visualisation et de commande pouvant comporter un pupitre, des afficheurs ou écrans déportés (par rapport à l'écran 163 incorporé à l'ensemble de visée), une commande vocale, une télétransmission, .... La référence 400 désigne un ensemble de moyens auxiliaires, non indispensables à la conduite du procédé de l'invention, mais pouvant toutefois la simplifier ou l'affiner. I1 est tout d'abord prevu des moyens altimétriques 410 (dispositif radio-altimétrique 411 ou barométrique 412). Un viseur de verticale 420 peut en outre être prévu pour assurer le survol à la verticale d'un point de référence (naturel ou artificiel, passif ou actif ; un marqueur peut alors être largué depuis l'appareil). L'image du point repère au sol ainsi visé est visualisée sur l'écran 163 ou un écran auxiliaire. I1 peut être également prévu un navigateur 430 recevant des signaux extérieurs (radio-navigation, navigation par satellite) complétant ou corrigeant les informations de position de l'appareil fournies par les mesures télémétriqueset par l'ensemble inertiel 150. Avantageusement, un système de poursuite automatique de cible 440 soulage l'opérateur en maintenant l'axe optique des moyens d'observation et de visée constamment pointé sur une cible déterminée. En outre, ce dispositif permet de mieux mesurer les vitesses angulaires de déplacement de l'axe de visée, c'est-à-dire les vitesses de défilement de la cible, lissant ainsi les informations obtenues par dérivation dans le temps des signaux émis par les codeurs angulaires décrits plus haut. Enfin, un pilote automatique de vol 450 peut être couplé à ce dispositif de poursuite automatique de cible, ainsi qu'au cinémomètre- de distance 162 et au viseur de verticale 420. La mise en oeuvre de ce système, conformément au procédé de l'invention, s 'opère en deux phases : une phase préparatoire ou de localisation et d'orientation propre de l'appareil, puis une phase d'exécution de la mission ou d'observation et de localisation de la cible. I - La première phase préparatoire a pour objet de définir le référentiel de départ matérialisé par les moyens gyroscopiques et accélérométriques, de telle sorte que soient conservées physiquement à bord de l'hélicoptère pendant son vol au moins deux références d'orientation, typiquement l'une dans un plan horizontal, l'autre etant la verticale. Auxiliairement, une référence de position géographique de départ peut être également notée et conservée, au cas où l'on souhaiterait également assurer une fonction de navigation à l'estime de l'hélicoptère selon un référentiel absolu de position. Les opérations peuvent être effectuées de deux manières 1 ) en connaissant les coordonnées de deux points repère au sol. Deux hypothèses se présentent a) l'hélicoptère stationne au sol, ou en vol à la verti cale de l'un de ces deux points. L'opérateur vise le second point et mesure son éIqignement. L'ensemble de calcul détermine la direction géographique et le site de la visée à partir des coordonnées absolues de position des deux pOints, préalablement introduites, ce qui fournit une direction de référence absolue initiale horizontale et verticale pour les moyens gyroscopiques. Les informations délivrées par les moyens accélérométriques permettent d'établir ou de vérifier la direction de référence initiale de verticale des moyens gyroscopiques, les mesures de site, et si nécessaire corriger d'éventuelles erreurs de dévers et inclinaisons les mesures de distance et d'orientation horizontale précitées. L'altimètre de bord peut égale ment être utilisé pour compléter la détermination de l'inclinaison de la visée. b) L'hélicoptère stationne au sol ou en vol à la verticale d'un troisième point non confondu avec les deux points précédents. L'opérateur effectue alors deux mesures comme indiqué précédemment en visant successivement chacun des deux points repère, ce qui permet d'obtenir les coordonnées de l'hélicoptère et du troisième point. La suite des opérations est identique au cas précédent. 20) en connaissant les coordonnées d'un seul point repère au sol, mais en disposant d'une référence d'orientation absolue immédiatement disponible en ce point, par exemple au moyen d'un gyrothéodolite, portatif ou embarqué sur un véhicule. Il suffit alors d0effectuer une contre-visée sur ce gyrothéodolite pour transférer une référence d'orientation absolue à bord de l'hélicoptère. Le cas échéant, si l'hélicoptère effectue cette opération à une distance non négligeable du gyrothéodolite, une mesure télémétrique (soit par les moyens télémétriques embarqués à bord de l'hélicoptère, soit par des moyens télémétriques au sol, comme il en existe souvent associés au gyrothéodolite) permettra d'effectuer les corrections nécessaires pour rapporter la position initiale de 1'HOA au point de référence absolu utilisé. II - La seconde phase d'exécution de la mission comprend les étapes suivantes A - Marche d'approche : cette opération est classique ; on notera toutefois que l'opérateur, qui dispose d'un telémètre orienté, pourra ainsi repréciser sa navigation effectuée à l'estime, manuellement ou automatiquement, en effectuant des mesures télémétriques et goniométriques sur des repères de position absolue connues de lui. B - Observation et localisation des objectifs l'opérateur procède par courtes apparitions au-dessus des masques qui couvrent l'hélicoptère des vues et des feux de l'adversaire. Si la position des objectifs est déjà connue avec une précision suffisante, par un renseignement ou une observation à grand champ de vision, la connaissance à bord de l'hélicoptère de cette position et d'une orientation de référence permettra de préorienter les moyens d'observation avant de démasquer ou redémasquer l'hélicoptère. La phase de recherche de l'objectif est -ainsi-supprimée ou détachée des phases d'observation et de mesure fines. Plusieurs cas se présentent a) l'hélicoptère dispose. d'un équipement de navigation suffisamment précis dans les conditions d'emploi ou observe sa position avec une précision suffisante. Il suffit alors d'effectuer une visée angulaire et télé métrique de l'hélicoptère vers la cible, calculer les coordonnées absolues de celle-ci et transmettre ces dernières à la batterie d'artillerie. b) dans le cas contraire, lthélicoptère doit d'abord déterminer sa propre position, ou la position du point qu'il survole, par deux visées télémétriques vers deux points repère auxiliaires de coordonnées absolues connues. La suite des opérations est identique au cas précédent, avec éventuellement un calcul ou un recalcul de l'orien tation de l'hélicoptère par rapport au référentiel absolu utilisé. c) localisation assistée de la cible, si l'hélicoptère peut -voir simultanément (ou presque, c'est-à-dire sous réserve d'une navigation compatible avec la précision recherchée) la cible et le point de référence où stationne le détachement ou la batterie d'artillerie concernés. Par des additions vectorielles orientées, on pourra ainsi directement calculer les coordonnées de l'objectif relativement à la position de batterie. Cette détermination relative de la cible est parti culièrement avantageuse dans les régions aux carto graphies douteuses ou inexistantes. C - Entre deux étapes d'observation, la position précise de l'hélicoptère pourra être reconfirmée par des mesures angulaires et télémétriques sur des repères auxiliaires absolus connus, comme pendant la marche d'approche. D - Retour et contrôle finals : après son retour à son terrain d'observation, l'hélicoptère procède à des mesures analogues à celles de la phase préparatoire de façon à "fermer" les opérations métrologiques auxquelles il a procédé. A cette occasion, l'ensemble de calcul enregistrera les erreurs et dérives instrumentales et, à partir telles, corrigera les mesures opérationnelles précédentes, ou encore préparera les opérations d'entretien et de calibration des instruments de mesure de bord utilisés. D'autre part, si l'on souhaite non seulement déterminer la position de la cible, mais encore ses paramètres de marche, par exemple dans le cas d'unités motorisées ou mécanisées, l'opérateur pourra déterminer les directions et vitesses de marche par deux visées successives en direction de la cible, de préférence à partir de deux points d'observation distincts, pour des raisons évidentes de sécurité. I1 est également possible de faire ces déterminations à partir dtun seul point d"observation, par une mesure dynamique de la marche de la cible, en élaborant pour cela la vitesse de défilement et la vitesse radiale de cette cible. Enfin une information sur l'orientation de la cible peut être obtenue en utilisant l'image télévisée de la cible, les moyens de calcul en fonction traitement d'image aux fins d'identification de la cible, afin de déterminer à distance l'orientation de la cible, appelée encore angles de présentation de la cible. REVENDICATIONS 1. Système de localisation et de détermination des paramètres de déplacement d'une cible par rapport à un référentiel absolu lié au sol, caractérisé en ce qu'il comprend, embarqués à bord d'un hélicoptère et solidaires d'une structure porteuse commune (10) liée à celui-ci des moyens stabilisés d'observation et de visée (120, 130, 140), orientables en direction de la cible selon au moins un axe de visée, aptes à délivrer des signaux angulaires indicatifs de l'orientation de l'axe de visée par rapport à au moins deux références absolues de direction, des moyens télémétriques (160), orientables en direction de la cible selon un axe coincidant avec l'axe de visée, aptes à délivrer un signal télémétrique indicatif de la distance séparant la cible de l'hélicoptère, des moyens gyrométriques et accélérométriques (150), aptes à stabiliser les moyens d'observation et de visée et à conserver à bord de l'hélicoptère des signaux de référence de direction indicatifs des références absolues de direction, des moyens de calcul, aptes, en réponse aux signaux angulaires et télémétrique, à délivrer des signaux de localisation de cible, représentatifs de la position de la cible dans un référentiel absolu lié à la terre. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens gyrométriques et accélérométriques sont également aptes à délivrer des signaux de position représentatifs de la position instantanée de l'hélicoptère dans le référentiel absolu utilisé. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de détermination des paramètres d'orientation et de déplacement de la cible, aptes à délivrer des signaux représentatifs de la direction et de la vitesse de déplacement de la cible, en réponseaux variations instantanées des signaux angulaires et télémétrique, et/ou par traitement d'image télévisée. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (440) de poursuite automatique; aptes à asservir l'orientation de l'axe de visée de manière à conserver celui-ci pointé sur la cible. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens altimétriques (410) aptes à délivrer un signal représentatif de l'altitude instantanée de l'hélicoptère, ainsi que des moyens (.420) de visée de verticale. 6. Procédé pour la mise en oeuvre du système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de détermination préalable d'au moins deux références abso lues de direction et calage sur celles-ci, des moyens gyrométriques et accélérométriques, typiquement l'une des références de direction étant la verticale, et l'autre étant contenue dans un plan horizontål. localisation de la cible par - orientation de l'axe de visée en direction de la cible. - détermination d signaux de position de l'hélicoptère dans le référentiel absolu utilisé. - détermination des coordonnées de la cible par rapport à l'hélicoptère, en réponse aux signaux angulaires et télémétrique. - détermination des coordonnées de la cible dans le référentiel absolu utilisé , en fonction desdits signaux de position. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la détermination préalable des références de direction est réalisée-par visée de deux points fixes distincts de coordonnées connues dans le référentiel absolu utilisé. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la détermination préalable des références de direction est effectuée par visée d'un point fixe de coordonnées connues dans le'référentiel absolu utilisé et recopie d'un signal de référence de direction présent en ce point. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le point fixe de coordonnées connues dans le référentiel absolu utilisé est le point initial, l'hélicoptère stationnant à ce point ou le survolant.