Brevet FR2622297A1 — publié le 19890428

Procédé pour déterminer la vitesse de propagation d'un fluide tel que 11 air, l'eau, etc, et dispositif pour mettre en oeuvre le procédé La présente invention concerne les procédés pour déterminer la vitesse de progation d'un fluide tel que l'air, liteau, etc, plus particulièrement à distance, ainsi que les dispositifs permettant de mettre en oeuvre ces procédés. Actuellement, dans de nombreux domaines, il est nécessaire de connaître la vitesse de propagation, par exemple, de l'air au sol ou dans des régions de I'atmosphère plus éloignées, ou bien celle d'un fluide liquide tel que l'eau, par exemple l'eau d'un fleuve, etc. En effet, par exemple dans le domaine de la météorologie, il est, pour diverses raisons, nécessaire de connaître très précisément la vitesse du vent, ou plus précisément celle de la propagation de la masse de l'air, en des endroits relativement bien localisés mais pouvant être très éloignés du lieu de la mesure. A cette fin, les météorologistes utilisent couramment des dispositifs qui sont, en l'espèce, des ballons sondes contenant des instruments embarqués aptes à émettre des signaux afin de localiser, par exemple au moyen d'un récepteur, la position à chaque instant de ces ballons sondes. Comme les ballons sont généralement immobiles par rapport au milieu dans lequel ils flottent, si ce milieu se déplace par rapport à un référentiel donné, par exemple le globe terrestre, le ballon se déplace de la même façon et donc, en suivant ses déplacements, on peut déduire immédiatement la direction, le sens et la vitesse de la propagation de ce milieu, par rapport au référentiel. Cette technique donne de bons résultats en elle-même mais ne répond pas tous les problèmes posés ou qui peuvent se poser. En effet, il est tout d'abord impossible de pouvoir facilement commander le déplacement des ballons, aussi bien suivant la direction verticale que I'horiz 11 horizontale. Pour ce faire, il faut tout un ensemble de moyens coûteux et assez complexes qui, de plus, ne sont pas toujours récupérables, du fait de la fragilité des ballons. Pour pallier ces inconvénients, on a proposé d'utiliser des engins qui se déplacent dans le fluide suivant une trajectoire rectiligne définie par rapport au référentiel. Si le fluide est luimême en mouvement, il déplace cet engin en le détournant , en quelque sorte, de sa trajectoire imposée. En comparant, à chaque instant, la trajectoire réelle de l'engin à celle théorique qui lui était imposée, il est possible, en théorie, de déterminer le vecteur vitesse du milieu dans lequel se déplace l'engin, ctest-à-dire, en fait, la direction, le sens et la vitesse de propagation de ce milieu. Cependant, en pratique, surtout pour des applications météorologiques, la précision des résultats obtenus avec les moyens classiques mis en oeuvre est très mauvaise et il est même, dans certains cas, presque impossible de déterminer de façon significative le vecteur vitesse. Pour obtenir des valeurs acceptables, il faudrait utiliser des moyens en général disproportionnés aux objectifs poursuivis. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus en mettant en oeuvre un procédé très simple pouvant être mis en oeuvre à l'aide d'un matériel relativement simple, lui aussi, tout en permettant néanmoins d'obtenir des résultats très précis, aussi précis que ceux pouvant être obtenus avec des dispositifs très complexes et coûteux. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé pour déterminer, par rapport à un référentiel donné, au moins un paramètre de déplacement d'un fluide tel que l'air ou l'eau, comme sa vitesse, caractérisé par le fait qu'il consiste à imposer à un engin un déplacement dans ledit fluide, suivant une trajectoire prédéterminée et répétitive, de façon qu'au moins en un point ladite trajectoire ait une direction faisant un angle non nul avec celle du déplacement dudit fluide, et à déterminer, par rapport audit référentiel, les différentes positions dudit engin quand, au cours de son déplacement sur sa trajectoire, il passe sur ledit point. Selon une autre caractéristique de la présente invention, ladite trajectoire prédéterminée est une courbe fermée. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la courbe fermée est un cercle. La présente invention a aussi pour objet un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte: un engin apte à se propager dans ledit fluide, des moyens pour commander le déplacement dudit engin dans ledit fluide pour lui imposer une trajectoire donnée, des moyens pour déterminer l'orientation dudit engin par rapport à un référentiel déterminé et émettre un signal représentatif d'au moins une orientation donnée, des moyens pour déterminer un point de la trajectoire dudit engin par rapport audit référentiel quand est émis ledit signal, et des moyens pour déterminer les paramètres de déplacement dudit fluide par rapport audit référentiel, en fonction d'une pluralité desdits points de ladite trajectoire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante donnée en -regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels La figure l représente un exemple de trajectoire prédéterminée pour un engin, par exemple un aéronef guidé, dans un fluide comme l'air ambiant. La figure 2 est une courbe permettant d'expliciter le déplacement dudit engin par rapport à un référentiel donné, quand le milieu est lui-même en déplacement par rapport au même référentiel. La- figure 3 est un mode de réalisation d'un élément permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. La figure 4 est un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention présentant certains avantages par rapport à celui illustré sur la figure 4. Sur l'ensemble des figures, les mêmes références représentent des mêmes éléments du dispositif selon l'invention, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent. La description qui va suivre donne un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans le cas, par exemple, de la mesure de la vitesse de propagation d'une masse d'air de l'atmosphère terrestre, en l'occurrence du vent par rapport au référentiel que constitue le globe terrestre. Il est cependant bien évident que le procédé pourra s'appliquer à la mesure de la vitesse de déplacement de tout fluide en mouvement par rapport à tout référentiel, par exemple l'eau d'un fleuve par rapport à la rive. En revenant à l'exemple choisi, quand on veut mesurer la vitesse du vent, plus particulièrement définir le vecteur vitesse du vent, on choisit un engin qui puisse se mouvoir dans l'air. Un tel engin est constitué, par exemple, par un aéronef, ou même un aérodyne, par exemple télécommandé ou téléguidé, que l'on envoie de façon classique dans la partie d'atmosphère dans laquelle il est nécessaire de définir le vecteur vitesse du vent, c'est-à-dire la direction, le sens et l'amplitude de la vitesse de propagation de la masse d'air. Les moyens pour télécommander l'aérodyne sont connus en eux-mêmes et comportent schématiquement un émetteur 41 apte à émettre des ordres par son antenne 42 vers un récepteur 45 embarqué à bord de l'engin 4 qui comporte, lui-même, une antenne réceptrice 43, ce récepteur étant généralement couplé à des démodulateurs aptes à commander les gouvernes 46 de l'aérodyne. Il est d'ailleurs possible, et parfois préférable, d'utiliser un aérodyne autoguidé, c'est-à-dire guidé par une préprogrammation de sa navigation contenue dans un dispositif embarqué dans l'aérodyne lui-même. Quand l'engin est arrivé à l'endroit voulu, on commande son déplacement de façon à lui faire décrire une trajectoire qui, si le fluide était immobile, aurait une forme prédéterminée par rapport au référentiel de mesure. Par exemple, on peut le commander de façon qu'il soit capable, dans l'hypothèse précédente, de décrire une courbe fermée circulaire. Ce type de manoeuvre bien connu est obtenu par un angle de gouverne différentiel donné pour obtenir une consigne d'angle de roulis non nulle. D'une façon générale, on donnera à l'engin un ordre de navigation lui permettant de se déplacer dans cette masse d'air de façon que sa trajectoire ait, en au moins un de ses points, une direction faisant un angle non nul avec celle du déplacement présumé du fluide ambiant. La figure l représente un exemple d'une telle trajectoire l par rapport au référentiel 2,- quand le fluide 3 est supposé immobile par rapport à ce référentiel. Dans le cas le plus simple, cette trajectoire est un cercle, ce qui permet de commander l'engin 4, en l'occurrence un aéronef télécommandé, avec un minimum d'ordres pour orienter angulairement les gouvernes de direction de façon différentielle comme défini ci-dessus. Par ailleurs, dans l'exemple illustré, le référentiel a été choisi dans un plan référencé (OX;OY). Bien évidemment, l'homme de l'art pourra très facilement mettre en oeuvre le. procédé par rapport à un référentiel. à trois dimensions. Si -l'aéronef 4 se déplace dans une masse d'air en mouvement, il va décrire une trajectoire différente de la précédente. La figure 2 illustre une trajectoire 6 de l'aéronef 4 si l'air a un-déplacement défini par le vecteur vitesse 5. Dans ces conditions, quand l'engin parcourt sa trajectoire imposée, chaque fois que celle-ci fait avec une direction donnée liée au référentiel de référence 2 un angle déterminé, par exemple lorsqu'elle est parallèle à celle schématiquement illustrée par le vecteur 7 en Y et qui correspond à celle de la trajectoire prédéterminée 1 au point 80, il est alors envoyé un signal d'identification déterminant l'orientation de l'engin par rapport au référentiel 2, c'est-à-dire celle lorsque l'engin est, sur sa trajectoire 6, dans une position telle que son déplacement est défini par le vecteur 8 qui est parallèle au vecteur de référence 7 et de même sens. Dans la pratique? et pour l'exemple .donné ci-dessus, l'aéronef sera réglé pour décrire un cercle, de préférence dans un plan horizontal, et la direction de référence liée au référentiel Terre sera, par exemple, la direction Sud-Nord. Dans ce mode de mise en oeuvre, l'engin possède à bord un magnétomètre 20, figure 3, qui délivre un signal chaque fois que, dans son déplacement, l'engin suit la direction Sud-Nord. Les magnétomètres sont des instruments de mesure bien connus en eux-mêmes. Cependant, dans le souci de bien faire comprendre l'invention et de donner un exemple simple de sa mise en oeuvre, un tel magnétomètre 20 peut être constitué, par exemple, d'une aiguille magnétique 10 montée librement en rotation sur un point fixe 11 d'un boîtier 122 lié fixement à l'aéronef 4. Le boîtier comprend un détecteur de position 13, par exemple un couple source lumineuse 14 récepteur 15 apte à délivrer un signal chaque fois qu'un corps réfléchissant passe devant les deux éléments. Quand l'engin parcourt sa trajectoire circulaire dans le milieu ambiant, il va au moins une fois pivoter d'un angle de 360 degrés en entrainant, dans son mouvement, le boftier 12. Dans ces conditions, comme l'aiguille magnétique est toujours orientée Sud-Nord, le couple source lumineuse-récepteur va se trouver une fois en regard de la partie 16 de l'aiguille 10 qui est seule traitée pour réfléchir les rayons lumineux, tandis que son autre partie est, par exemple, en un matériau absorbant la lumière émise par la source lumineuse 14. Le signal émis au moment de ce passage va déterminer l'instant où la trajectoire 6 de l'aéronef est parallèle au vecteur 7 de référence et de même sens. Ce signal est, par exemple, transmis à un émetteur 21 apte à le transmettre par ondes hertziennes, par exemple à un récepteur 22 qui est fixe par rapport au référentiel 2 en un point 23. A ce point 23 est également lié un détecteur de position 24, par exemple un radar donnant à sa sortie 25 des informations exploitables sur la trajectoire 6 de l'avion 4 par rapport au référentiel 2. A cet endroit 23, le dispositif comporte en outre des moyens 27 pour analyser les informations délivrées à la sortie 25 du radar 24 et à la sortie 26 du récepteur 22 d'ondes hertziennes. Ces moyens 27 peuvent, par exemple, être constitués par un enregistreur à deux entrées qui, d'une part trace une courbe 50 représentative de la trajectoire 6 de l'aérodyne et, d'autre part, marque sur cette courbe les points correspondant aux instants où le magnétomètre émet le signal de position comme explicité ci-avant, ces points étant représentés en 30, 31, 32, 33, ... sur la figure 2. Ces points se trouvent disposés sur une ligne 40 représentant la courbe de propagation de la masse d'air dans laquelle se déplace l'aérodyne, et les différentes valeurs des espaces temps mesurés par une horloge associée, par exemple, à l'enregistreur 27, correspondant à la détermination des points 30, 31, ... permettent de déterminer la valeur de l'amplitude de la vitesse de propagation de cette masse d'air, cette valeur pouvant être automatiquement obtenue, par exemple, par un calculateur et affichée sur une visualisation. Les vecteurs 60, 61, 62, ... respectivement déterminés entre les couples de points 30-31, 31-32, 32-33, ... sont respectivement représentatifs des vecteurs vitesse moyens au cours des différents espaces temps définis ci-dessus. Aussi, pour obtenir le vecteur vitesse le plus instantané possible, sera-t-il avantageux de donner à l'aérodyne une vitesse de déplacement relativement importante sur une trajectoire relativement courte. Les moyens mis en oeuvre dans le mode de réalisation illustré par le schéma bloc de la figure 4 sont facilement utilisables. Cependant, dans certaines conditions, il est préférable de ne pas encombrer l'atmosphère avec une pluralité de longueurs d'ondes de toutes valeurs, afin de la laisser libre pour d'autres applications pour lesquelles ces longueurs d'ondes sont indispensables, surtout dans le monde moderne où beaucoup d'informations sont transmises par ondes radio ou hertziennes. Le mode de réalisation illustré sur la figure 5 permet en grande partie de pallier cet inconvénient. Dans ce mode, l'aéronef 4 comporte > comme décrit ci-dessus, un magnétomètre qui émet un signal chaque fois que la trajectoire 6 de l'engin est parallèle au vecteur 7 de référence, cette émission se faisant à l'aide de l'émetteur 21 pendant un temps très court.Au sol, sont disposés deux moyens goniométriques 70, 71 parfaitement localisés par rapport au référentiel 2, par exemple distants l'un de l'autre d'une valeur connue l.. Ces moyens goniométriques peuvent de façon connue déterminer les directions de propagation des ondes qu'ils reçoivent. En I'occurrence, les deux moyens goniométriques 70, 71 vont, à la réception de chaque signal émis par l'émetteur 21, déterminer respectivement la mesure des angles 72, 73 et, à l'aide de ces deux mesures et de la valeur de la distance .1., peuvent être déterminées les coordonnées de la position de l'aéronef 4, c'està-dire celles des points 30, 31, 32, 33, ... mentionnés ci-dessus. On comprend l'avantage d'un tel mode de réalisation qui ne nécessite pas l'utilisation d'un radar qui a besoin d'émettre des ondes de localisation de l'aéronef. Il ne se sert que des signaux de position émis par le magnétomètre-émetteur- 20, 21 pendant des temps très courts et par intervalles relativement longs et silencieux. Le procédé décrit ci-dessus est très simple et peut être mis en oeuvre par un dispositif comportant des moyens relativement simples et bien connus en eux-mêmes dans les techniques de mesures. De plus, il permet de déterminer la direction, le sens et la vitesse du vent avec une grande précision, car les techniciens peuvent imposer à l'avion de décrire un nombre importants de révolutions pendant un temps total pour la mesure relativement court. Enfin, un tel engin télécommandé peut très facilement atteindre tout point prédéterminé de l'atmosphère et ne transporte qu'un appareillage relativement peu couteux, qui peut cependant être facilement récupérable en même temps que l'avion lui-même. Les éléments du dispositif les plus coûteux restent au sol, en un lieu pouvant être très éloigné de celui où se déplace l'avion, et les techniciens peuvent ainsi prendre connaissance des différentes mesures dans de bonnes conditions de sécurité. L'ensemble des avantages du procédé selon l'invention et du dispositif permettant de le mettre en oeuvre en font un procédé fiable et peu couteux. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer, par rapport à un référentiel donné, au moins un paramètre de déplacement d'un fluide tel que l'air ou l'eau, comme sa vitesse, caractérisé par le fait qu'il consiste à imposer à un engin (4) un déplacement dans ledit fluide (3), suivant une trajectoire prédéterminée et répétitive (1), de façon qu'au moins en un point (80) ladite trajectoire ait une direction faisant un angle non nul avec celle du déplacement dudit fluide, et à déterminer, par rapport audit référentiel (2), les différentes positions (30,31,32,33) dudit engin quand, au cours de son déplacement sur sa trajectoire (6), il passe sur ledit point. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite trajectoire prédéterminée (1) est une courbe refermée sur elle-même. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite courbe fermée est un cercle. 4. Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comporte: un engin (4) apte à se propager dans ledit fluide (3), des moyens (41,42,43,45) pour commander le déplacement dudit engin dans ledit fluide pour lui imposer une trajectoire donnée (1), des moyens (20,21) pour déterminer l'orientation dudit engin par rapport à un référentiel déterminé (2) et émettre un signal représentatif d'au moins une orientation donnée (7,8), des moyens (24,70,71) pour déterminer un point de la trajectoire dudit engin par rapport audit référentiel (2) quand est émis ledit signal, et des moyens (27) pour déterminer les paramètres de déplacement dudit fluide par rapport audit référentiel, en fonction d'une pluralité desdits points de ladite trajectoire. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que, ledit fluide (3) étant l'air de l'atmosphère terrestre, ledit engin est constitué par un aéronef (4) guidé, les moyens pour déterminer l'orientation dudit aéronef par rapport au globe terrestre étant constitués par un magnétomètre (-20). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens pour déterminer ledit point de la trajectoire dudit aéronef par rapport audit référentiel comportent un radar (24). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens pour déterminer ledit point de la trajectoire dudit aéronef par rapport audit référentiel comportent des goniomètres (70,71).