Brevet FR2627269A1 — publié le 19890818

SYSTEME DE CORRECTION DE LA TRAJECTOIRE D'UN PROJECTILE L'invention concerne un système qui permet de corriger la trajectoire d'un projectile de manière qu'il atteigne un objectif qui lui a été désigné. Il existe de nombreux systèmes qui sont prévus pour qu'un projectile, tel qu'un obus, une roquette ou encore une fusée, atteigne un objectif ou une cible tel qu'un avion, un hélicoptère ou un char. Ces systèmes diffèrent les uns des autres selon la cible a atteindre et selon le projectile utilisé. C'est ainsi que pour une cible à grande vitesse, tel qu'un avion, on utilise de préférence une fusée auto-guidée qui, après son lancement en direction de l'objectif, se dirige elle-même vers le but en modifiant sa trajectoire initiale à l'aide des informations qui lui sont fournies par un radar de bord dont l'antenne est pointée vers la cible. De telles fusées auto-guidées donnent des résultats satisfaisants mais sont d'un coût très élevé, coût qui ne peut être accepté que pour détruire des cibles encore plus onéreuses et qui sont situées à des distances relativement grandes, au-delà de cinq kilomètres. Au-dessous de cette distance, on utilise souvent des fusées ou roquettes qui sont dirigées vers leur objectif à l'aide d'informations fournies par le poste de tir, ces informations ayant pour but de maintenir l'aligne- ment poste de tir-fusée-cible quels que soient les déplacements de cette dernière. 262?269 On utilise également des obus, tirés par des canons ou des mortiers, qui ont l'avantage d'être relativement peu onéreux, d'être légers, d'avoir une grande vitesse initiale et de pouvoir être tirés à une cadence élevée. Cependant, ils présentent l'inconvénient majeur que leur trajectoire, qui est balistique, ne peut plus être modifiée après leur lancement. Il en résulte que les coups au but sont moins fréquents qu'avec des fusées guidées car la cible peut se déplacer de manière erratique pendant le trajet de l'obus. En outre, la trajectoire réelle de l'obus peut être différente de la trajectoire théorique par suite de la variation de certains paramètres tels que la vitesse et la direction du vent, la qualité de la poudre... Pour améliorer l'efficacité au but des obus, ainsi que des fusées et des roquettes, notamment contre des cibles dites légères, c'est-à-dire relativement peu blindées, ces projectiles sont munis de "fusées de proximité" qui déclenchent la charge explosive lorsqu'ils passent à proximité de la cible. Pour être efficace, la charge doit exploser à une distance relativement faible, par exemple quelques mètres; or, avec les aléas de trajectoire du projectile et de déplacement de la cible, le projectile passe souvent à une distance supérieure à la valeur de déclenchement prévue. Le but de la présente invention est donc de réaliser un système qui permet de modifier la trajectoire d'un projectile, notamment d'un obus, lancé en direction d'une cible de manière qu'il atteigne cette dernière ou passe & une distance suffisamment faible pour que par l'explosion provoquée de sa charge il détruise & coup sûr la cible. L'invention se rapporte à un système de correction de la trajectoire d'un projectile lancé de manière qu'il atteigne 1' objectif qui lui a été désigné par un poste de tir ayant effectué son lancement, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens d'émission et de réception pour mesurer la position et la vitesse radiale de l'objectif et du projectile, - des premiers moyens de calcul pour calculer la trajectoire nominale du projectile pour qu'il atteigne l'objectif, ainsi que sa trajectoire réelle, à partir des informations de position et de vitesse radiale de l'objectif et du projectile, - des deuxièmes moyens de calcul pour calculer les écarts entre la trajectoire réelle du projectile et sa trajectoire nominale, - des troisièmes moyens de calcul pour calculer les corrections a effectuer a la trajectoire réelle du projectile pour que le projectile atteigne l'objectif, - des moyens de codage - pour transmettre au projectile les corrections à effectuer, et - des moyens de réception et de commande pour effectuer lesdites corrections à bord du projectile. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront a la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite. en relation avec les dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme illustrant, dans un plan vertical, les différentes trajectoires à calculer ou à mesurer; - la figure 2 est un diagramme illustrant les mesures d'écartométrie selon un axe vertical et un axe horizontal; - la figure 3 est un schéma fonctionnel du dispositif au sol d'un système de correction de la trajectoire d'un projectile selon l'invention; - la figure 4 est un diagramme temps/fréquence montrant l'allure des signaux émis et reçus; et - la figure 5 est un schéma fonctionnel du dispositif embarqué du système de correction de la trajectoire d'un projectile selon l'invention. Les diagrammes des figures 1 et 2 indiquent les différents paramètres et données à prendre en compte pour comprendre le système de correction de trajectoire d'un projectile lancé à partir d'un poste de tir 1. A titre d'exemple, ce poste de tir est un char armé d'un canon qui tire un obus 2 en direction d'un objectif matérialisé par un hélicoptère 4 situé à une distance horizontale Dh du poste de tir 1. Les paramètres du tir ont été déterminés par des moyens balistiques extérieurs à l'objet de l'invention pour que l'obus 2 atteigne l'hélicoptère 4 selon une trajectoire théorique Tt montrée dans le plan vertical de la figure 1, contenant le poste de tir 1 et l'hélicoptère 4. Dans ce plan vertical, la ligne de visée optique est matérialisée par la droite 3 reliant le poste de tir 1 et l'hélicoptère 4. A cause de divers facteurs - température de la poudre, conditions aérologiques, vents... - la trajectoire de l'obus s'écarte de sa trajectoire théorique Tt, qui est connue à chaque instant par des tables ou par calcul, pour suivre une trajectoire réelle Tr qui n'aboutit pas a l'impact avec l'hélicoptère 4; ceci d'autant plus que pendant la durée du trajet de l'obus - quelques secondes - l'hélicoptère 4 s'est déplacé et se trouve dans une position autre que celle qui correspond à la trajectoire théorique. Le système de l'invention calcule d'abord au poste de tir la correction qu'il y a à effectuer à la trajectoire réelle Tr de l'obus à une distance horizontale Dc de l'hélicoptère 4 pour que l'obus 2 atteigne l'hélicoptère 4 ou, au moins, passe à une distance suffisamment faible pour être dans la zone d'action de la charge explosive déclenchée par une fusée de proximité. Ensuite, cette information de correction est envoyée a l'obus 2 qui comporte des moyens pour modifier sa trajectoire à la distance Dc c'est-à-dire à un instant tc mesuré à compter d'un instant to de tir de l'obus. Sur la figure 1, cette correction est matérialisée dans le plan vertical par un angle a entre la tangente 5 à la trajectoire réelle Tr à l'instant tc de la correction (distance Dc de l'hélicoptère) et tangente à la trajectoire finale Tf qui mène à l'impact avec l'hélicoptère 4. Il est clair que cette correction angulaire a dans le plan vertical ne suffit pas car ni l'hélicoptère 4, ni l'obus 2, ne sont dans le plan vertical de la figure i à l'instant de correction tc, plan qui est celui de l'instant du tir. C'est ainsi que, comme le montre la figure 2, l'hélicoptère 4, qui se trouvait dans le plan vertical matérialisé par l'axe OY, est situé au point A à l'instant tc tandis que l'obus 2 est situé au point B, l'hélicoptère et. l'obus étant séparés par la distance horizontale Dc. Il y a donc lieu de faire également une correction angulaire horizontale b de manière à amener l'obus dans le plan vertical passant par A. Lorsque les corrections a et b ont été calculées, le système est prévu pour coder ces informations de correction et les envoyer à l'obus. A cet effet, l'obus comprend des moyens qui lui permettent de recevoir lesdites informations et les mettre en oeuvre afin d'infléchir sa trajectoire dans la direction de l'hélicoptère. Le système de correction de la trajectoire d'un projectile selon l'invention comprend en fait deux dispositifs ou équipements distincts: l'un au poste de tir 1 et l'autre embarqué sur l'obus 2 ou projectile. L'équipement au poste de tir sera décrit à l'aide du schéma fonctionnel de la figure 3 et l'équipement embarqué sera décrit à l'aide du schéma fonctionnel de la figure 5. L'équipement adjoint au poste de tir 1 comprend de manière très schématique un ensemble radar optique 10 ayant un émetteur laser à modula- tion de fréquence et un récepteur cohérent, un dispositif de traitement 11 des signaux reçus selon deux voies dont l'une correspond à l'obus et l'autre à l'hélicoptère de manière à mesurer pour chacun d'eux leur distance instantanée D par rapport au poste de tir et leur vitesse radiale instantanée Vr, un dispositif de visualisation 8 des signaux traités et des informations correspondantes de distance et de vitesse radiale, un calculateur 12 des trajectoires nominale et réelle de l'obus, un calculateur 13 des écarts entre les trajectoires nominale et réelle de l'obus, un calculateur 14 des corrections a et b à effectuer sur la trajectoire de l'obus en fonction de la valeur de ces écarts et un dispositif de codage et d'émission 15 des informations de correction calculées par le dispositif 14, dispositif qui est intégré au radar 10. Les différents calculateurs 12, 13 et 14 constituent un ensemble de calcul 9 des corrections à effectuer à la trajectoire réelle de l'obus pour qu'il atteigne l'hélicoptère. L'ensemble radar optique 10, à l'exception du dispositif de codage 15, a par exemple été décrit dans le SPIE Proceeding Volume 783 et se compose, par exemple, d'un émetteur laser 16 qui émet une onde cohérente, pouvant se situer dans la bande infrarouge. On peut utiliser un laser C02 qui a une longueur d'onde de 10,6 microns. Le faisceau infrarouge est appliqué & un modulateur de fréquence 17 qui réalise une modulation linéaire de fréquence du type illustré par la courbe 40 de la figure 4. Ce signal infrarouge modulé en fréquence est appliqué au dispositif de codage et d'émission 15 dont les différents éléments seront décrits ultérieurement. Le dispositif 15 ne modifie par les caractéristiques du faisceau infrarouge d'émission lorsqu'il n'est pas activé, c'est-à-dire pendant la plus grande partie du temps de fonctionnement du système. Le faisceau infrarouge modulé traverse en aval un dispositif de séparation 20 qui transmet la plus grande partie du faisceau émis vers un dispositif optique 21 et le reste vers un récepteur cohérent 25. Le rayonnement reçu correspondant à celui d'émission est par contre entièrement dirigé vers le récepteur cohérent 25. Un dispositif de balayage 22 réalise un déplacement du faisceau infrarouge selon une loi déterminée de manière à explorer un certain champ pour observer à la fois l'obus et l'hélicoptère. Ceci peut être produit, par exemple, selon un balayage ligne & ligne qui couvre un angle solide ayant une ouverture d'un à deux degrés environ. Le dispositif de balayage 22 est commandé par un circuit 27 qui fournit par ailleurs des signaux de synchronisation SY au circuit modulateur 17, au dispositif de visualisation 8 et au calculateur de trajectoire 12. Les dispositifs 21 et 22 sont situés sur une plate-forme 28 qui est orientée et asservie en azimut et en site par un servomécanisme 26 de manière à maintenir l'obus et l'hélicoptère dans l'angle solide du balayage optique. A cet effet, le servomécanisme 26 reçoit des signaux en provenance du poste de tir 1, notamment au moment du tir de l'obus, et en provenance du calculateur des écarts 13. Les signaux en provenance du poste de tir 1 ont pour but d'orienter la plate-forme asservie 28 en direction de l'hélicoptère ou de l'obus afin que l'ensemble radar optique 10 se cale sur l'un de ces éléments à poursuivre. Les signaux en provenance du calculateur d'écarts 13 ont pour but de maintenir l'obus et l'hélicoptère dans l'angle solide de balayage lorsqu'ils ont tendance à s'en éloigner. Les signaux de sortie du récepteur 25 contiennent à la fois des informations concernant l'hélicoptère et d'autres concernant l'obus. Afin de les séparer, ces signaux sont appliqués au dispositif de traitement 11 qui comporte deux voies identiques, l'une affectée aux signaux provenant de l'obus et l'autre affectée aux signaux provenant de l'hélicoptère. La séparation est obtenue à l'aide d'un circuit mélangeur 29 qui reçoit, d'un circuit oscillateur 31, un signal ayant une fréquence F1 et d'un circuit mélangeur 30 qui reçoit, d'un circuit oscillateur 32, un signal ayant une fréquence F2 nettement plus élevée que Fl. Les fréquences F1 et F2 sont le reflet des fréquences de dérive Doppler de l'hélicoptère et de l'obus. En effet, l'hélicop- tère 4 a une vitesse radiale de l'ordre de quelques dizaines de mètres par seconde et qui dépasse rarement 100 m/s tandis que la vitesse radiale de l'obus 2 varie entre 500 m/s et 1200 m/s et il en résulte des fréquences doppler très différentes. En choisissant judicieusement les valeurs de fréquence F1 et F2, d'une part, on sépare les signaux de l'obus et de l'hélicoptère par leurs dérives Doppler distinctes et, d'autre part, on peut transposer aisément ces signaux à des fréquences permettant leur traitement par deux voies iden- tiques. C'est ainsi que les signaux transposés sont appliqués à un analyseur de spectre 33, 34 en série avec un calculateur 35, 36 qui calcule la distance D et la vitesse radiale Vr de l'obus pour une voie et de l'hélicoptère pour l'autre voie. La figure 4 illustre le mode de calcul de la distance et de la vitesse radiale, principe qui est considéré comme connu et qui ne sera donc rappelé que succinctement. Sur ce diagramme, la fréquence de l'onde émise 40 varie linéairement en fonction du temps selon une allure en dent de scie dont les deux côtés sont symétriques. L'onde reçue 41 d'un objet varie également linéairement en fréquence mais est décalée de la valeur de fréquence Doppler Fd selon la formule: Fd = 2Vr/e dans laquelle e est la lonngueur d'onde du laser 16. La courbe en tirets 42 décalée deAT par rapport à 41 en fonction de la distance instantanée d'éloignement D) correspond à l'onde reçue pour une fréquence doppler nulle, soit Fd=0. Ce diagramme permet de déduire les relations: D = c/4K (F + F+) et Vr = e/2 (F - F+) dans lesquelles c est la vitesse de la lumière, K la vitesse de variation de la fréquence, F+ = Fo - Fd et F = Fo + Fd, Fo étant l'excursion maximale de la fréquence de l'onde émise due à la modulation dans le modulateur 17. Les informations respectives de distance D et de vitesse radiale Vr issues des calculateurs 35 et 36 sont fournies, d'une part, au dispositif de visualisation 8 et, d'autre part, au calculateur de trajectoire 12. Le dispositif de visualisation 8 fait apparaître sur son écran une image de l'obus et celle de l'hélicoptère selon un système de coor- données approprié. Le calculateur d'écarts 13 effectue sur les informations fournies un certain nombre d'opérations pour obtenir les écarts selon ces coordonnées appropriées. A partir de ces écarts, le calculateur 14 fournit les corrections a apporter à la trajectoire de l'obus pour qu'il atteigne dans la phase finale Tf l'hélicoptère 4 dont on connaît Ies paramètres de position et de déplacement. Plus précisément, ces corrections consistent à déterminer les manoeuvres à faire effectuer par l'obus et elles dépendent donc du type d'organes directifs dont l'obus est équipé. Ces organes directifs peuvent êtres de petites charges explosives disposées sur la périphérie de l'obus ou encore les gouvernes d'un empennage qui se déploie- raient dès la sortie du canon. Dans le cas de projectiles auto-propulsés, les modifications de la trajectoire peuvent être obtenues par l'orientation d'une ou de plusieurs tuyères, mais aussi par des gouvernes ou encore par des charges explosives. Quels que soient les organes directifs qui sont utilisés, le projectile 14 doit connaître son roulis, c'est-à-dire sa vitesse angulaire de rota- tion, de manière que la correction s'effectue dans la direction souhaitée. Pour transmettre à l'obus les ordres de correction de sa trajectoire, quelle que soit leur forme plus ou moins élaborée, le système comprend le dispositif 15 qui comporte, d'une part, un dispo- sitif de codage 18 du faisceau émis et, d'autre part, un dispositif de modification 19 de la divergence du faisceau émis, ces deux dispositifs 18 et 19 étant commandés respectivement par des circuits de commande 23 et 24 qui reçoivent des informations correspondantes du calculateur de corrections 14. Le dispositif de divergence 19 a pour but d'élargir le faisceau laser émis pour qu'il illumine l'obus 2 de manière certaine. Un tel dispo- sitif 19 pourrait être supprimé au cas o des moyens seraient prévus pour déplacer le faisceau émis et l'amener à illuminer l'obus pendant la transmission des ordres. Par exemple, le dispositif de balayage 22 peut recevoir, de l'ensemble de calcul 9 à travers la commande de balayage 27, un ordre d'arrêt de balayage d'une part, et un ordre d'orientation vers l'obus d'autre part. Le dispositif de codage 18 peut être du type tout ou rien, par exemple à occultation totale par un obturateur. Pour recevoir et interpréter le code de correction transmis par le faisceau laser, l'équipe- ment à bord du projectile comprend, comme le montre le schéma fonctionnel de la figure 5, un dispositif optique de réception 50 du rayonnement émis par l'équipement 10, un filtre 51 adapté à l'onde émise, un détecteurpréamplificateur 52 du rayonnement filtré, un amplificateur passe-bande 53, un circuit écrêteur 54, un circuit d'interprétation 55 du code de correction et un calculateur 56 des commandes à effectuer sur les organes directifs pour obtenir la correction désirée. Pour effectuer ce calcul, le calculateur 56 est connecté à une centrale à inertie 57 qui lui fournit, d'une part, la référence de la verticale et, d'autre part, le roulis de l'obus. Pour que l'obus soit plus facilement détec- table par le radar laser, sa face arrière comporte un organe rétroréflecteur, non représenté, qui renvoie le faisceau laser vers le poste de tir.. Le fonctionnement du système de correction de la trajectoire de l'obus est alors le suivant. Dès que le tir de l'obus a été réalisé en direction de l'hélicoptère 4, le poste de tir 1 commande par le servomécanisme 26 le positionnement bi- axe de la plate-forme 28 pour que l'axe optique du faisceau laser soit dirigé vers l'hélicoptère 4. Ceci permet à l'ensemble radar 10 de détecter l'hélicoptère et de visualiser ses paramètres sur le dispositif de visualisation 8. Lorsque l'obus pénètre dans l'angle solide de balayage du faisceau laser, il est détecté et visualisé sur le dispositif de visualisation 8 en même temps que l'hélicoptère 4. C'est alors que le calculateur de trajec- toires 12, qui a reçu par ailleurs du poste de tir 1 les paramètres initiaux de l'obus, calcule la trajectoire théorique ou nominale ainsi que la trajectoire réelle de l'obus à partir des paramètres 2627Z69 qu'il mesure par la voie de traitement corres- pondante (circuits 30, 34, 36). Le calculateur 13 calcule les écarts entre les deux trajectoires, ce qui permet au calculateur 14 de calculer les correc- tions à effectuer à la trajectoire réelle de l'obus dans le cas o l'hélicoptère serait stationnaire. Dans le cas o il ne l'est pas, les écarts sont calculés entre la trajectoire réelle et la trajec- toire nominale conduisant à l'impact, trajectoire nominale qui dépend de la mesure des paramètres de déplacement de l'hélicoptère. Lorsque l'obus et l'hélicoptère ne sont plus séparés que par une distance horizontale prédéterminée ou calculée Dc, les corrections à effectuer sont envoyées à l'obus par codage du faisceau laser à l'aide du dispositif 15. En même temps, le faisceau laser est rendu plus divergent à l'aide des dispositifs 24 et 19 de manière à illuminer l'obus. Sur l'obus, le code de correction est détecté et interprété avant d'être mis en oeuvre dans le calculateur 56 pour commander les organes directifs de l'obus afin de le diriger vers le point d'impact. L'équipement associé au poste de tir a été décrit avec un dispositif de traitement 11 compor- tant deux voies parallèles. Il est possible de n'avoir qu'une seule voie qui traiterait séquentiel- lement et alternativement les signaux reçus de l'obus, puis ceux reçus de l'hélicoptère. Dans ce cas, un seul mélangeur serait utilisé et un commutateur permettrait d'appliquer séquentiellement les signaux de fréquences F1 et F2 à ce mélangeur. Les signaux de sortie de ce mélangeur seraient ensuite appliqués & un seul analyseur suivi d'un seul calculateur des paramètres D et Vr. Une telle solution n'est envisageable que si le calculateur a une vitesse de calcul suffisamment élevée. L'invention a été décrite en relation avec un obus tiré par un canon, mais il est clair qu'elle s'applique a tous autres projectiles, notamment à un engin auto-propulsé. I6 REVENDICATIONS 1. Système de correction de la trajectoire d'un projectile lancé de manière qu'il atteigne un objectif qui lui a été désigné par un poste de tir ayant effectué son lancement, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens d'émission et de reception (10, 11) pour mesurer la position et la vitesse radiale de l'objectif (4) et du projectile (2), - des premiers moyens de calcul (12) pour calculer la trajectoire nominale du projectile pour qu'il atteigne l'objectif, ainsi que sa trajectoire réelle, à partir des informations de position et de vitesse radiale de l'objectif et du projectile, - des deuxièmes moyens de calcul (13) pour calculer les écarts entre la trajectoire réelle du projectile et sa trajectoire nominale, des troisièmes moyens de calcul (14) pour calculer les corrections à effectuer à la trajectoire réelle du projectile pour que le projectile atteigne l'objectif, - des moyens de codage (15) pour transmettre au projectile les corrections à effectuer, et - des moyens de reception et de commande (50 à 57) pour effectuer lesdites corrections à bord du projectile. 2. Système de correction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer la position et la vitesse radiale de l'objectif et du projectile comprennent un ensemble radar optique (10) ayant un émetteur laser modulé en fréquence (16, 17, 20, 28) dont le faisceau émis balaye un certain angle solide autour de l'objectif, un récepteur (25) du type cohérent et un dispositif de traitement (11). 3. Système de correction selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend des moyens (29 à 32) pour séparer les signaux reçus de l'objectif (4) de ceux reçus du projectile (2), des moyens (33, 34) pour mesurer séparément les fréquences de ces signaux respectifs et des moyens de calcul (35, 36) pour calculer la distance D et la vitesse radiale Vr de l'objectif et du projectile à partir des valeurs de fréquence mesurées. 4. Système de correction selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens (29, 32) pour séparer les signaux reçus de l'objectif de ceux reçus du projectile comprennent deux circuits mélangeurs (29, 30) auxquels sont appliqués des signaux de référence de fréquences (F1, F2) correspondant aux fréquences doppler différentes à détecter. 5. Système de correction selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer les fréquences des signaux reçus comprennent au moins un analyseur de spectre (33 ou 34). 6. Système de correction selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul pour calculer les trajec- toires nominale et réelle du projectile, les écarts entre lesdites trajectoires et les corrections à effectuer à la trajectoire réelle forment un ensemble calculateur (9) qui fournit au moins une information angulaire de correction de la trajec- toire du projectile par rapport à un plan de référence. 7. Système de correction selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens pour transmettre au projectile les corrections à effectuer comprennent des moyens de codage (18, 23) du faisceau émis. 8. Système de correction selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour transmettre au projectile les corrections à effectuer compren- nent en outre un dispositif (19, 24) d'élargis- sement du faisceau émis de manière à préserver l'illumination du projectile lors de la transmission des corrections. 9. Système de correction selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de corrections disposés à bord du projectile (2) comprennent un récepteur (50 à 54) des signaux codés émis par les moyens d'émission (10, 11), un circuit de décodage (55) du code desdits signaux, un calculateur (56) de commande des organes directifs du projectile et une centrale a inertie (57) donnant une direction de référence au calculateur. 10. Système de correction selon la revendication 9, caractérisé en ce que le projectile porte en outre un dispositif rétro-réflecteur des signaux émis par l'ensemble radar optique.