Brevet FR2627595A1 — publié le 19890825

Procédé et dispositif de radiolocalisation et leurs utilisations dans des systèmes de radiocommunication. L'invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de radiolocalisation et à leur utilisation dans des systèmes de radiocommunication. Elle s'applique notamment, dans le domaine des communications militaires, à tous types de systèmes ou équipements de radiocommunication qu'ils soient à fréquence fixe ou protégés par dispersion d'énergie et sauts de fréquences. Dans le domaine militaire les besoins de loca- lisation coopérative sont différents selon qu'il s'agit de localiser des équipements radio pour obtenir une image générale du champ de bataille, d'assurer la coordination des actions, de fournir des appuis directs entre certains éléments de système d'arme ou encore de se diriger. Lorsqu'il s'agit d'obtenir une représentation générale de la situation sur le champ de bataille, l'image recherchée doit être disponible dans les postes de commandement de haut niveau, par exemple, les postes de commandement de corps d'armée ou leâ postes de commandement de division. Dans ce cadre, la situation du champ de bataille doit être connue sur de grandes étendues, la zone couverte pouvant être par exemple de l'ordre de 200 kilomètres en profondeur et de 60 kilomètres en largeur, ce qui représente appro- ximativement la zone qui est normalement tenue par une division. Il faut également pouvoir discerner des con- centrations sur des zones de l'ordre de 10 à 50 kilo- mètres de rayon. Comme une division comporte généra- lement douze à quinze régiments de 1000 hommes chacun, et dispose d'environ de 170 réseaux de 10 postes chacun, il est impératif, dans ce cadre, de pouvoir localiser les chefs de réseau avec. une précision sur le terrain qui est de l'ordre de 1 kilomètre en ayant également la possibilité de mettre à jour la position de chaque chef de réseau de manière assez rapide en des laps de temps compris entre 1 à 10 minutes. En ce qui concerne la coordination des actions celle-ci doit se faire sans interférence entre les éléments du réseau. Dans ces conditions l'encha nement ordonné des actions nécessite à la fois que soit connu par l'ensemble des éléments du réseau le référentiel à la fois temporel et spatial servant de point de départ pour toutes les actions entreprises dans le réseau. A cela il faut ajouter les possibilités de corréler les pistes locales aux informations d'alerte afin de dis- poser d'un système d'alerte efficace et de la possi- bilité d'assister les unités pour faire le point et déterminer les cheminements à effectuer. Pour cet ensemble de besoins, la précision de localisation nécessaire est alors de l'ordre de 100 mètres avec des temps de mise à jour de l'information de l'ordre de la minute. Dans le cadre de l'appui direct le transfert d'informations entre par exemple un dispositif de désignation d'objectif et l'unité de tir correspon- dante est très variable, elle peut correspondre pour les canons sol air à des transmissions sur une dis- tance d'environ 100 mètres avec une précision de quelques mètres ou dans le cadre de l'artillerie à des transmissions sur une distance de 30 kilomètres avec une précision de quelques mètres. A l'ensemble des besoins précités s'ajoutent d'autres besoins plus militaires qui sont par exemple la minimisation des signatures des émissions spéfici- ques, l'observation du silence radio pendant de longues périodes pouvant aller de quelques heures à quelques journées, la protection contre l'adversaire qui ne doit pas pouvoir exploiter le système à ses fins propres ainsi que d'autres fonctions spécifiques nécessaires à certains types de véhicules comme les t0 hélicoptères, par exemple, pour lesquels il est nécessaire de donner une fonction de guidage avec une précision de l'ordre de 10 à 100 mètres en fonction de la vitesse entre, par exemple, 0 et 250 kilomètres/ heure. Des préoccupations du même ordre existent également dans les domaines civils du radiotéléphone et de la navigation aérienne. Au moyen de radiotélé- phones il peut être intéressant de pouvoir localiser, des mobiles évoluant par exemple sur des zones déser- tiques ou encore des navires situés à proximités des côtes. De façon similaire, il est intéressant en aviation civile de disposer de moyens de localisation radio suffisamment compacts pour équiper des avions de tourismes pour éviter des collisions avec les avions de transports en donnant à ces derniers le rôle de balises. Les systèmes de communications. connus, dispo- sant de fonction de radiolocalisation, permettent généralement par des mesures de distance la recon- naissance de la position d'un mobile à la surface de la terre. Ces systèmes qui sont pour la plupart décrits dans le livre intitulé 'radionavigation, radiolocalisation'" pages 188 à 246 de M. FOMBONE édité par la Société MASSON Paris trouvent leurs applications en aéronautique civile et militaire ainsi que dans le domaine spatial pour déterminer la position des sondes spatiales ou des satellites. Les récents développements en matière de radionavigation ont conduit aux réalisations françai- ses et américaines plus connues respectivement sous les désignations SINTAC et JTIDS qui sont les abrévia- tions de ''systèmes intégrés de navigation de télécom- munication et d'autocollision'' et de ''joints technical informations distributions systemes''. L'utilisation pour la localisation des éléments d'un corps d'armée, de mobiles munis de radiotéléphones ou comme système d'anticollision pour l'aviation civile n'est pas réalisable sans une refonte totale des dispositifs de radiocommunication existants et sans que soit repensé les allocations de fréquences établies. D'autre part, appliqué au pro- blème de la radiolocalisation du champ de bataille, ces systèmes qui effectuent des mesures de distance par interrogations et réponses entre des balises et les mobiles ou utilisent des faisceaux tournants ren- dent extrêmement vulnérables ces derniers qui se dévoilent à l'adversaire en rompant le silence radio à chaque mesure de distance effective. Le but de l'invention est de pallier les incon- vénients précités en permettant notamment de rendre exploitable les systèmes de radiolocalisation en évasion de fréquence. A cet effet, l'invention a pour objet, un pro- cédé de radioloealisation de récepteurs par rapport à une pluralité de stations radio émettrices alimentant chacune une pluralité d'antennes par détermination des angles d'arrivée sur le récepteur des ondes émises par des stations émettrices, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre un signal à fréquence fixe ou sur un palier à fréquence fixe, successivement sur chacune des antennes d'une station émettrice, à mesurer dans chaque récepteur les phases relatives des signaux reçus qui sont émis successsivement sur chaque antenne d'une station, et à calculer à partir des phases rela- tives mesurées l'angle d'arrivée des ondes électroma- gnétiques de la station. L'invention a également pour objet un disposi- tif et un système pour la mise en oeuvre du procédé précité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la des- cription qui suit faite en regard des dessins annexes qui représentent: La figure 1, un schéma d'articulation d'un sys- tème de radiolocalisation selon l'invention; La figure 2 le mode de repérage adopté par l'invention pour référencer un récepteur par rapport à une station émettrice; La figure 3 un mode de transmission de données entre une station et un récepteur utilisé par l'inven- tion; La figure 4 un schéma pour expliquer le procédé de mise en oeuvre par l'invention pour déterminer la direction d'arrivée des ondes provenant d'une station émettrice; La figure 5 le procédé de l'invention sous la forme un organigramme pour déterminer l'angle d.'ar- rivée d'une onde provenant d'une station émettrice; la figure 6 un mode de réalisation d'un récep- teur selon l'invention; La figure 7 un mode de réalisation d'une sta- tion'émettrice selon l'invention. Le schéma de la figure 1 représente un système de radiolocalisation selon l'invention d'éléments d'un corps d'armée, placés sur le terrain -. 2627595 en face d'une ligne de front F. Le système comprend un ensemble de postes radio tactiques P1 à PN et un ensemble de stations spécialisées ou balises ST1 à STK permettant la localisation de la position des postes radio tactiques placés devant la ligne de front F. La position géographique d'un poste, est obtenue par triangulation à partir de la position connue de chaque station STj dans le système des coor- données Nord-Sud et Est-Ouest des cartes d'état major par exemple, comme cela est représenté aux figures 1 et 2. Pour se faire, les stations spécialisées ST1 à STK émettent périodiquement de la façon représentée à la figure 3 des messages spéciaux indiquant leurs. positions et éventuellement un certain nombre d'in- formations complémentaires. Ces messages sont reçus par les postes P1 à PNN Un dispositif complémentaire inséré dans chaque poste réalise une suite de mesures permettant de déterminer les directions Gi des stations émettrices. Ainsi sur la figure 1 est figuré un poste tac- tique P1 qui reçoit simultanément de trois stations émettrices ST1, STK-1 et STK des messages provenant des directions notées respectivement D1, DK_1 et DK avec les azimuths respectifs 1, 9K1 et 0K. Les informations reçues par le poste. tactique Pi sont exploitées par le dispositif complémentaire du poste qui détermine au moyen d'un logiciel approprié la position du poste radio et la précision obtenue. Selon le procédé de localisation mis en oeuvre par l'inven- tion, la localisation de chaque poste radio par rapport aux stations ST1 à STK peut être obtenue en plein silence radio. Le principe de la mesure est décrit ci-après à l'aide du schéma représenté à la figure 4 qui repré- sente une station émettrice ST1 coupiée à un aérien comportant plusieursantennes A1, A et A qui émet- 2 3 tent en direction d'un poste radio tactique Pj. Le principe de la mesure retenue consiste à inverser la mesure classique interférométrique effectuée dans les radiogoniomètres. Pendant la mesure, le poste radio P détecte les ondes de même fréquence qu'il reçoit successivement des antennes Ai, A2 et AN. Dans le cadre de la figure 4, l'aérien est formé de 3 antennes A1, A2 et A3 mais le principe de l'invention reste valable pour des aériens munis d'un nombre N d'an- tennes quelconque pourvu que N soit supérieur ou égal à 2. L'aérien est organisé à la manière d'une base interférométrique. De ce fait, comme les distances qui séparent chaque aérien d'un poste radio Pj sont diffé- rentes, cette configuration produit des différences de marches des ondes radio émises successivement par chaque antenne qui sont la cause de déphasages entre les ondes reçues par le poste de radio Pj. La mesure de ces déphasages permet de calculer la direction Q d'arrivée des ondes radio sur le poste Pj. j' Le calcul montre qu'en première approximation l'angle g peut être obtenu par la résolution d'un système N-1 équations du type: 1 1 21 x sin((.Oi-Oj)x -)x sin(G + (Oi.+j)x) = 11 2 i j 2 C x (2tf) x(C(Oi 0j)+ 2k ij.) + ai - aj) (1) o: N représente le nombre d'antennes; ce nombre pouvant être fixé à 4 pour un véhiculeopar exemple, - Q le relèvement du poste radio Pj par rapport au système d'antennes - 0i représente les mesures de phase réalisées sur l'antenne i - f est la fréquence d'émission - ai sont des fonctions de calibration (fonction de f et de C) - C est la vitesse de la lumière - 1 est la distance moyenne entre une antenne Ai et le point central G de l'aérien - kij est un nombre entier égal en général à +1, 0 ou -1 lorsque le système d'antennes émet en VHF et lors- que la distance moyenne l est comprise entre 1 et 2 mètres. Les fonctions de qualibration, ai' sont desti- nées à compenser les biais et les imperfections des matériels ou équipements constituant le système de radiolocalisation. Elles dépendent fortement des technologies et méthodes de réalisation utilisées. Leur détermination peut être obtenue expéri- mentalement pour une famille de matériel donné, par la méthode suivante, consistant à: - relever de façon expérimentale les erreurs en fonction de 0 et f pour un lot de matériels (10 à ); - déterminer la meilleure approximation fonc- tionnelle, en appliquant une ou plusieurs des méthodes connues sous les désignations: Legendre, Chebyshev, Jacobi, Bernouilli,... Fourrier..); et enfin à dé- terminer pour chaque équipement des coefficients re- latifs à l'approximation fonctionnelle choisie. Les coefficients obtenus sont transmis dans les messages des balises. Lorsque plusieurs équipements de conception différentes sont utilisés au sein d'un même système, ceux-ci donnant lieu à différentes approximations fonctionnelles. Pour tenir compte de ce fait les messages des balises devront comporter l'indication de l'approximation utilisable. La résolution du système d'équations donn.e une ou deux paires de solutions suivant les cas. Mais les indéterminations peuvent être facilement levées en considérant les N-1 équations ainsi que les autres mesures réalisées à d'autres fréquences. Une valeur estimée plus précise est déterminée en faisant la moyenne des valeurs retenues et en les pondérant en fonction de leur précision qui est déter- minable par le calcul.. En effet la précision d9obtenue est de la forme: dg = dg1 + dg2 + dg3 + dg4 (2) avec d1 = 2-3/2 x dgi (3) d2 = (2xl)- x 21/2 x dai (4) 0 dO9 = C x (2 x f x f) 1 x 2 1/2 x dG. (5) dg4 = C x (2 x. l x f x 1) x 2 2 x d0 (6) En supposant lés antennes séparées du point central G de la base interférométrique d'une distance 1 = 1 mètre les relations (3) à (6) donnent les préci- sions suivantes: dg 1 ' dg2 V 103 radians, d@3 est négligeable et dO4 apparaît comme.le seul paramètre important. En admettant que les phases 0 peuvent être mesurées avec une précision 1 d94 = 1 pour une fréquence f = 20 MHz. Pour parfaire la précision, les mesures précé- dentes sont réalisées sur plusieurs fréquences. Ces mesures sont nécessaires pour lever les indétermina- tions, et surtout se prémunir contre les multi-trajets et améliorer la précision. De ce fait, chaque poste récepteur Pj est programmé pour, déterminer la cohé- rence des mesures en effectuant une analyse de disper- sion, éliminer les mesures aberrantes, et calculer la valeur estimée en effectuant une moyenne des mesures restantes ainsi que la variance de cette évaluation. Cette disposition améliore la précision et permet de déterminer les cas de fortes présences de multi- trajets. Dans ce dernier cas la mesure n'est pas prise en compte par la suite. Dans le cas de poste de communication protégé par sauts de fréquences, la commutation entre les an- tennes se réalise sur un seul palier, le changement de fréquence étant inhérant au système de protection. La forme d'onde générale du système de communication n'est pas modifiée afin de ne pas ''marquer'' le signal ou tout au moins de minimiser la signature radioélec- trique. Ce système de localisation est ainsi en fait protégé de la même manière que le système de communi- cation. La position du poste radio P est déterminée en exploitant les mesures réalisées sur plusieurs sta- tions spécialisées, au moyen d'un filtre connu de Kalman, du type de ceux déjà utilisés par exemple dans les systèmes SINTAC précités, ou du type de ceux décrits dans le livre intitulé ''Le filtrage et ses applications' ' de M. LABARRERE, JP KRIEF et B. GIMONET de la collection de l'école nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace (France) et publié aux éditions CEPADUES pages 197-250. L'utilisation d'un filtre de Kalman a pour avantages qu'il permet: - de réaliser une estimation à variance minimale au cas o les hypothèses de normalité sont vérifiées, ce qui est dans le cadre de l'invention pratiquement toujours réalisée, - de calculer la précision de l'estimation, - d'exploiter des mesures complémentaires, notamment en exploitant la connaissance approximative de la position, - d'effectuer des calculs que le poste radio, soit en position fixe ou en déplacement sur un véhi- cule par exemple, - de tester la vraissemblance des mesures et ne 1t pas tenir compte d'informations en cas de test néga- tif, - et enfin d'exploiter les informations une par une. Le filtre de Kalman fournit la position esti- mée, sa précision, le nombre de stations reçues cor- rectement, la vitesse et le cap estimés avec leur pré- cision et enfin la direction par rapport à une posi- tion mémorisée. Ces informations sont obtenues à partir de la mesure de l'angle de relèvement, de la qualité de la mesure représentée par l'écart type calculé sur des mesures élémentaires et enfin du degré de confiance que l'on peut attribuer aux mesures. Il reçoit également des informations relatives à chacune des stations émettrices qui sont sa position, son numéro, l'orientation de son système d'antennes par rapport au nord géographique, les paramètres de cali- bration, la précision de la position de la station et enfin le temps restant avant la fin de liaison. D'autre part, il reçoit des informations complémen- taires comme: la position estimée avec son incerti- tude, la vitesse de déplacement estimée du poste, des informations en provenance d'autres moyens d'aide à la localisation. Les traitements à effectuer sont figurés par les étapes 1 à 5 de l'organigramme représenté à la figure 5. L'étape 1 consiste à effectuer l'acquisition des mesures de phase Oij. Ces mesures sont exploitées à l'étape 2 en tenant compte des informations conte- nues dans le message qui est reçu par le poste radio. Ces informations renseignent sur la position de la station, la précision de cette position () des paramètres des fonctions de calibration ai, l'angle de repérage Gi de chacune des antennes de la station, et l'alignement de la station par rapport au nord géographique. En fonction de ces informations, le poste de radio calcule l'angle élémentaire 0 par la relation (1) décrite précédemment, puis calcule à l'étape 4 une valeur de prédiction de l'angle 0, une valeur d'écart type eg de l'angle Q et le nombre de valeurs éliminées. Les valeurs de la prédiction de l'angle 0 calculées et de l'écart type dg sont appli- quées-au filtre de Kalman à l'étape 5 pour entretenir. la position des postes radio à chaque nouvelle récep- tion des messages. Un mode de réalisation d'un poste radio permet- tant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est représenté à la figure 6. Ce récepteur comprend représenté en 6 les fonctions habituelles connues des postes radio tactiques. A ces fonctions s'ajoutent des éléments spécifiques permettant la réalisation du procédé selon l'invention. Ces éléments spécifiques comprennent un dispositif de mesure numérique de dif- férence de phase 7, un oscillateur contrôlé en tension 8, un circuit de commande et de gestion de temps 9. L'ensemble des éléments 7, 8 et 9 est commandé par un microcalc.ulateur 10, ce dernier étant relié à un dis- positif d'affichage 11, un dispositif de visualisa- tion 12 et à des moyens de commande 13. Le dispositif de calcul de différence de phase 7 effectue des comparaisons de phase entre le signal à fréquence intermédiaire du poste de radio 6 et un signal de référence fourni par l'oscillateur commandé en tension 8. Les différences de phase mesurées 0i, de chaque signal reçu d'une antenne d'émission A1 à AN d'une station, mesurées par le dispositif de calcul de différence de phase 7, sont appliquées au microcalcu- lateur 10, sous la commande du circuit de commande et de gestion 9. Ce dernier-réagit en fonction de signaux spécifiques contenus dans les trames des messages et fournis par le poste de radio 6, te's que les tops de fIn d'acquisition de message et/ou les tops de début de palier et/ou encore les tops horaires. Enfin le poste radio fournit au microcalculateur 10 des infor- mations comme: le numéro de fréquence, l'état du poste tel que sa synchronisation ou son état d'émis- sion ou de réception ainsi que des informations rela- tives aux trames de messages reçus. Le microcalcula- teur 10 effectue les calculs des directions des ondes d'arrivée Oi conformément aux étapes de traitement -représentées à la figure 5. Un schéma synoptique représentatif des élé- ments constitutifs d'une station.est représenté à la figure 7. La station comprend un poste de radio 14 couplé au travers d'un commutateur 15 à un ensemble d'aériens composés dans l'exemple, de 4 antennes A1, A2; A3 et A. Le poste 14 est d'autre part couplé à un dispositif complémentaire de localisation 16 compre- nant par exemple un télémètre laser. Le commutateur 15 et le dispositif complémentaire de localisation sont couplés à un boîtier 17 d'extension et d'interface de balise. Ce boîtier est éventuellement relié à un dis- positif 18 de mesure de distance. Le dispositif com- plémentaire de localisation 16 comprend également un microcalculateur non représenté pour permettre l'exé- cution d'un logiciel adapté aux fonctions nécessaires au fonctionnement en balise de chacune des stations d'émission. Ce logiciel est inscrit dans une mémoire de programme non représentée, contenue dans le boîtier d'extension et d'interface 17. Le boîtier 17 permet au moyen d'un bus d'interface 19 de connecter la station vers d'autres systèmes non représentés. L'organisation des transmissions entre station STi et poste radio Pi doit tenir compte de la nature des matériels mis en oeuvre dans le système de radio- localisation. Cependant de façon générale, il est pré- férable d'organiser les transmissions suivant le mode connu de partage de temps (AMRT). Dans ce cas deux procédures peuvent être utilisées, l'une consistant à allouer les périodes d'émission par le centre de commandement et la deuxième consistant en une méthode d'émission par contention. Dans les deux cas, le temps est partagé en récurrences qui peuvent être assez grandes et qui peuvent aller de quelques millisecondes à quelques secondes suivant l'organisation et les per- formances du système de communication support, la pé- riode système pouvant être définie par exemple par une suite de périodes élémentaires de 5 à 20 récurrences. Dans la méthode d'allocation figée, les récurrences sont réparties entre les stations spécialisées par le commandement de manière à éviter l'utilisation d'une même récurrence dans deux stations proches. Par con- tre, dans la méthode par contention, chaque station choisit aléatoirement une récurrence d'émission parmi les récurrences d'un cycle. Ainsi il peut y avoir cer- taines configuration de brouillages intrinsèques mais qui ne se reproduisent qu'aléatoirement sans inci- dence sur le système. De plus cette seconde méthode ne nécessite pas de coordination. REVENDICATIONS 1. Procédé de radiolocalisation de récepteurs Pi par rapport à une pluralité de stations radio émet- trices STj alimentant chacune une pluralité d'anten- nes Ai par détermination des angles d'arrivée sur le récepteur des ondes émises par une station émettrice, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre un signal, à fréquence fixe ou sur un palier à fréquence fixe, successivement sur chacune des antennes A. d'une sta- tion émettrice, à mesurer dans chaque récepteur les phases relatives des signaux reçus qui sont émis successivement sur chaque antenne d'une station STj et à calculer à partir des phases relatives mesurées l'angle d'arrivée 0i des ondes électromagnétiques de la station. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la position géographique d'un récepteur Pi est déterminée automatiquement dans le récepteur, à partir d'au moins deux directions calculées d'angles d'arrivée des ondes électromagnétiques provenant d'au moins deux stations STj et par un calcul de triangula- tion à partir des positions géographiques connues des stations STj dont les directions des angles d'arrivée des ondes électromagnétiques ont été calculées. 3. Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la position de chaque station STj est transmise dans une trame de message à destination des récepteurs. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le signal émis successivement sur chaque antenne A. d'une station est émis plusieurs fois avec des fréquences différentes. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que 2a position de chaque récepteur est estimée au moyen d'un filtre de Kalman à partir de la détermination des angles d'arri- vée des ondes électromagnétiques reçues de chaque sta- tion ST. j' 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque récepteur Pj comprend un dispositif de mesure numérique de différence de phase (7) pour comparer les phases des signaux reçus succes- sivement des antennes d'une station, et un microcalcu- lateur (10) couplé au dispositif de mesure numérique de différence de phase (7) pour calculer les angles d'arrivée des ondes émises par chaque station et dé- terminer la position géographique du récepteur. 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que chaque station STi comprend un poste émetteur radio (14) couplé au travers d'un commutateur (15) à une base interférométrique comportant plu- sieurs antennes Ai. 8. Utilisation du procédé et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la localisation de postes tactiques de télécommunication sur le terrain, la localisation du poste pouvant être obtenue pendant le silence radio du poste. 9. Utilisation du procédé et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans un système de radiocommunication protégé dans lequel les signaux spécifiques nécessaires à la localisation des postes radios sont transmis en évasion de fré- quence pour les rendre distincts des signaux généraux de communications. 10. Utilisation du procédé et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, à la localisation des radiotéléphones. 11. Utilisation du procédé selon l'une quel- conque des revendications I à 7, à la réalisation de systèmes anticollisions pour aéronefs.