Brevet FR2642529A1 — publié le 19900803

La présente invention concerne les systèmes de navigation pour véhicules et, plus spécialement, un procédé et un dispositif de mesure de La position d'un véhicule, en particulier un aéronef volant à basse altitude. Actuellement, les systèmes autonomes permettant de trouver la position d'un aéronef doivent se classer suivant deux types principaux, les systèmes de navigation inertielle et les systèmes radar. Les systèmes de navigation inertielle s'appuyent sur l'utilisation d'accéléromètres conçus pour mesurer l'accélération de l'aéronef suivant trois axes orthogonaux. Ces accélérations sont ensuite intégrées de manière à fournir une mesure de la vitesse et du déplacement de l'aéronef depuis sa position de départ. Les systèmes radar fonctionnent Par émission de signaux radar à destination du terrain entourant le véhicule, puis utilisa- tion des signaux réfléchis pour produire une représentation de ce terrain. Cette représentation est ensuite comparée avec une carte préenregistrée de la région et la position retenue pour l'aéronef est celle pour laquelle les deux cartes se correspondent de la manière la plus précise. Les systèmes radar ont pour inconvénient de demander à l'aéronef d'émettre des signaux radar, lesquels peuvent naturel- lement être captés par n'importe qui au moyen d'un récepteur appro- prié. Pour un aéronef militaire, ceci est naturellement très peu souhaitable. Les deux systèmes indiqués ont pour problème commun d'être lourds et coûteux. Pour tout aéronef de façon générale et, plus particulièrement, pour les aéronefs pilotés à distance, le poids est un facteur très important, Duisque la charge utile de l'aéronef est limitée. L'invention propose un procédé de mesure du déplacement d'un véhicule, utilisant un détecteur de rayonnement électromagné- tique qui possède un angle de champ extérieur au véhicule et un moyen de mesure de distance, le procédé comprenant les opérations suivantes: i. sélectionner un certain nombre de points d'image dans l'angle de champ externe, ii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à un axe fixe du détecteur, des points une première fois, iii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à l'axe fixe du détecteur, des points une deuxième fois, iv. utiliser les ensembles de relèvements effectués la première et la deuxième fois pour calculer le déplacement apparent, par rap- port au capteur, des points, et v. utiliser le déplacement apparent des points pour calculer la direction de déplacement du véhicule. Selon un autre aspect, l'invention fournit un dispositif de mesure du déplacement d'un véhicule comprenant un détecteur de rayonnement électromagnétique qui possède un angle de champ externe au véhicule, un dispositif de mesure de distance et un dispositif calculateur conçu pour agir sur les données produites par le détec- teur et le dispositif de mesure de distance, si bien que sont exécutées les opérations suivantes: i. sélectionner un certain nombre de points d'image dans l'angle de champ externe, ii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à l'axe fixe du détecteur, des points une première fois, iii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à l'axe fixe du détecteur, des points une deuxième fois, iv. utiliser les ensembles de relèvements effectués la première et ta deuxième fois pour calculer le déplacement apparent, par rap- port au détecteur, des points, et v. utiliser le déplacement apparent des points pour calculer la direction de déplacement du véhicule. De nombreux aéronefs transportent des détecteurs électro- optiques tels que des caméras de télévision, des intensificateurs d'image ou des sources infrarouges tournées dans l'avant qui servent à l'identification de la cible et comme aide à l'atterris- sage. Grâce à l'invention, il est possible d'employer ces détec- teurs dans des systèmes de navigation ainsi que dans leur fonction normale, et ainsi éviter de devoir réserver de la place et un cer- tain poids de charge utile à un système de navigation particulier. De préférence, on choisit au moins sept points, car, pour suivre la position d'un aéronef possédant six degrés de liberté, il faut au moins sept ensembles de données de traces (c'est-à-dire de données définissant le déplacement apparent des points) du fait que les déplacements de l'aéronef dans les six degrés de liberté sont des variables indépendantes, de sorte qu'au moins sept équations simultanées les contenant, les déplacements apparents des points, sont nécessaires pour résoudre les équations de manière non ambiguë dans un plan normal à la trajectoire de vol. La description suivante, conçue à titre'd'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 représente un système de navigation utilisant l'invention, sous forme de schéma de principe la figure 2 montre un aéronef portant le système de navi- gation de la figure 1; et la figure 3 montre l'image produite par le système et les oarticularités qu'elle contient utilisées par le système de la figure 1. On notera que les parties identiques portent d'un bout à l'autre de la description les mêmes numéros de référence. Un aéronef 1 porte un détecteur infrarouge tourné vers l'avant 2, par exemple une caméra thermique T.I.C.M produisant une nouvelle image à une fréquence de 50 Hz, lequel détecteur a un angle de champ qui embrasse le sol 3. Le sol 3 contenu dans l'angle de champ 4 du détecteur infrarouge 2 comporte un certain nombre de particularités 5A à 5H qui se distinguent de leur environnement lorsqu'ils sont observés en lumière infrarouge. Ces points 5A à 5H se distinguent en raison du contraste thermique éLevé qu'ils ont avec leur environnement. Généralement, il s'agit de sources de chaleur, par exempLe des feux, ou de discontinuités du terrain, par exemple des étangs ou des maisons. Le détecteur infrarouge 2 est un détecteur à balayage et il fournit des données rendant compte de l'intensité du rayonnement infrarouge reçu de la part de chaque élément d'image de l'angle de champ 4 successivement. Ces données sont envoyées à un afficheur situé au-dessus de la tête du pilote (non représenté) et à une mémoire 6. La mémoire 6 emmagasine les données venant du détecteur sur l'ensemble d'un cycle de balayage, puis fournit ces données à un détecteur de particularité 7. Le détecteur de particularité 7 extrait les particularités telles que 5A à 5H dont le contraste par rapport à l'environnement est au-dessus d'un certain niveau pré- établi et fournit les données relatives à ces particularités à un sélecteur de point 8. Ces particularités comprendront de petites zones d'éléments d'image ayant un certain intervalle d'intensités. Le sélecteur de point 8 choisit les huit particularités qui possèdent l'intervalle d'intensités le plus élévé, c'est-à-dire, dans ce cas, les points 5A à 5H. Le sélecteur de point 8 envoie ensuite les données concernant chacun de ces huit points à un dis- positif suiveur 9. Le dispositif suiveur 9 conserve les coordonnées des points 5A à 5H. Après le cycle suivant du détecteur à balayage 2, le nouvel ensemble de données de la mémoire 6 est envoyé au détec- teur de particularité 7 par la mémoire 6. Le détecteur de particu- larité fournit au sélecteur de point 8 et au dispositif suiveur 9 les données relatives à toutes les particularités contenues dans l'angle de champ 4 qui satisfont les critères du détecteur de par- ticularité. L'aéronef 1 se sera déplacé par rapport au sol 3 et, par conséquent, les positions des points 5A à 5H de l'angle de champ 4 se seront modifiées. Le dispositif suiveur 9 examine les particu- larités fournies par le détecteur de particularité 7 et identifie les particularités 5A' à 5H' qui représentent les nouvelles posi- tions des points 5A à 5H. Cette identification se fait par sélec- tion de la particularité dont le-diagramme d'intensité s'adapte le plus étroitement au diagramme d'intensité de l'un des points 5A à H. Seules les particularités qui se trouvent dans les limites d'une distance préétablie par rapport à la position de l'un des points respectifs SA à 5H sont prises en considération, cette dis- tance étant la distance maximale dont un point considéré pourrait s'être déplacé entre les balayages, étant donné les performances supposées de l'aéronef. Dans le cas choisi comme exemple, il n'y a pas de nouvelle particularité correspondant au point 5B, cette par- ticularité n'étant plus visible pour une raison quelconque ou bien ayant le même niveau élevé de contraste vis-à-vis de son environ- nement, pour Les longueurs d'onde infrarouges. Les coordonnées des ensembles de points 5A à 5H et 5A' à 5H' sont fournies par le dispositif suiveur 9 à un calculateur 10. Ce dernier calcule la direction des lignes droites 11a à 11H pas- sant respectivement par les paires de points 5A à 5H (sauf le point B) et 5A' à 5H', la ligne 11A passant Par 5A et 5A', la ligne 11C par 5C et 5C', etc. Le calculateur 10 calcule par extrapolation le point d'intersection 12 de toutes les lignes 11A à 11H. IL est improbable que toutes les lignes 11A à 11H se coupent réellement au- même point précis, de sorte que le point 12 est choisi comme étant le point le plus proche de toutes les lignes par une méthode de moindres carrés. La position de ce point dans l'angle de champ relativement au centre de l'angle de champ représente la direction dans laquelle l'aéronef I se déplace par rapport au terrain 3 pendant l'intervalle écoulé depuis le précédent calcul. Le calcula- teur 10 fournit alors les coordonnées du point d'intersection 12 à une unité de navigation 13. Un système Doppler laser 14 mesUre la vitesse de l'aéronef 1 par rapport au terrain 3, lequel est traité, dans ce contexte, comme un plan de référence fixe. Ceci est fait par émis-' sion d'une impulsion laser à destination du terrain 3, suivie de sa réception et de la mesure du déplacement Doppler de sa fréquence du fait de la vitesse de l'aéronef 1 par rapport au terrain 3. Ces systèmes sont bien connus et il ne sera pas nécessaire de les décrire ici en détail. Cette émission laser ne sera détectée par personne au sol, puisque, au contraire d'un radar effectuant un relevé du ter- rain, le faisceau laser n'éclaire qu'une très petite surface du terrain 3. Le système Doppler laser 14 fournit à l'unité de naviga- tion 13 la vitesse de l'aéronef 1 par rapport au terrain 3. L'unité de navigation 13 calcule la direction dans laquelle l'aéronef 1 se déplace à partir des coordonnées du point 12 d'intersection. Elle calcule ensuite la vitesse de l'aéronef dans cette direction à partir de la vitesse par rapport au terrain 3 et intègre celle-ci sur la trajectoire de vol globale de l'aéronef (qui contient de nombreux cycles du détecteur à balayage) de manière à calculer la position de l'aéronef 1 par rapport à un point de départ connu sur le terrain 3. La position et l'altitude de l'aéronef 1 sont alors fournies au pilote sur un afficheur 15 et à un système 16 de suivi du terrain. Le système de suivi de terrain 16 fonctionne en faisant manoeuvrer l'aéronef de manière à le maintenir à une altitude approximativement constante au-dessus du sol et sur un parcours préprogrammé. Le calculateur 10 et le système Doppler laser 14 four- nissent en outre une information de position à une unité 17 d'aver- tissement de proximité située au sol. Si la vitesse, la trajectoire et la position de l'aéronef 1 par rapport au terrain 3 sortent de limites préétablies, l'unité 17 d'avertissement de proximité située au sol enverra un signal via une ligne 18 afin d'avertir de manière sonore le pilote que l'aéronef va heurter le sol à moins qu'une action immédiate ne soit entreprise. Alors que le système décrit est destiné à être utilisé dans un aéronef piloté, il conviendrait également pour être utilisé dans un véhicule aérien commandé à distance ou autonome. Alors que le sélecteur de particularité 7 a été décrit comme sélectionnant les particularités qui présentent le contraste Le plus éLevé par rapport à l'environnement, il serait naturel- lement possible d'utiliser certains autres critères de sélection, par exemple la sélection des particularités qui possèdent l'inten- sité absolue la plus élevée, ou bien celles qui sont plus petites qu'une taille apparente donnée. Le rythme auquel de nouveaux ensembles de données sont fournis au sélecteur de particularité ne doit pas nécessairement être le même que la vitesse de balayage du détecteur infrarouge 2. Il peut être avantageux d'intégrer un certain nombre de balayage afin d'améliorer le rapport signal-bruit du système. Alors que l'invention a été décrite en relation avec un véhicule aérien, elle pourrait facilement être utilisée dans un véhicule naval. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limita- tif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure du déplacement d'un véhicule, caracté- risé en ce qu'il utilise un détecteur (2) de rayonnement électro- magnétique ayant un angle de champ extérieur au véhicule et un dis- positif (14) de mesure de distance, comportant les opérations sui- vantes: i. sélectionner un certain nombre de points d'image dans l'angle de champ externe, ii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à un axe fixe du détecteur, des points (5A à 5H) une première fois, iii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à l'axe fixe du détecteur, des points (5A' à 5H') une deuxième fois, iv. utiliser les ensembles de relèvements effectués la première et la deuxième fois pour calculer le déplacement apparent, par rap- port au capteur, des points, et v. utiliser le déplacement apparent des points pour calculer la direction de déplacement du véhicule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, entre les opérations iii et iv, il est ajouté une étape supplémen- taire de mesure et d'enregistrement de la distance dont le véhicule s'est déplacé entre la première fois et la deuxième fois et une opération vi au cours de laquelle cette distance parcourue par le véhicule et la direction de son déplacement sont utilisées pour calculer la variation relative de position du véhicule entre les première et deuxième fois. - 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on sélectionne au moins sept points. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on suppose que le déplacement apparent de chaque point se trouve suivant une ligne droite entre ces positions de la première et de la deuxième fois. 5. Procédé selon la revendication 4 prise en dépendance avec la revendication 2, caractérisé en ce que, dans l'étape vi, on prend, pour représenter la direction de déplacement du véhicule entre les première et deuxième fois, le point d'intersection (12) des lignes droites qu'on a supposé être le déplacement apparent des points. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure la vitesse du véhicule et qu'on utilise la vitesse et la direction de déplacement du véhicule, ainsi que l'intervalle de temps entre la première et la deuxième fois, pour calculer le déplacement du véhicule. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue la mesure de la distance parcourue par le véhicule en mesurant la vitesse du véhicule entre les deux fois et en intégrant cette vitesse sur la durée. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, prises en dépendance avec la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue la mesure de la distance parcourue par le véhicule en mesurant la vitesse du véhicule entre les deux fois et en inté- grant cette vitesse sur la durée. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit véhicule est un véhicule aérien. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit véhicule est un véhicule naval. 11. Dispositif de mesure du déplacement d'un véhicule, carac- térisé en ce qu'il comprend un capteur (2) de rayonnement électro- magnétique possédant un angle de champ extérieur au véhicule, un dispositif (14) de mesure de distance et un dispositif calculateur (10) conçu pour agir sur les données produites par le détecteur et le dispositif de mesure de distance de manière à effectuer les opérations suivantes: i. sélectionner un certain nombre de points d'image dans l'angle de champ extérieur, ii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à l'axe fixe du détecteur, des points (5A à 5H) une première fois, iii. mesurer et enregistrer les relèvements, par rapport à l'axe fixe du détecteur, des points (SA' à 5H') une deuxième fois, iv. utiliser les ensembles de relèvements effectués les première et deuxième fois pour calculer le déplacement apparent, par rapport au détecteur, des points, et v. utiliser le déplacement apparent des points pour calculer la direction de déplacement du véhicule. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif calculateur effectue une opération supplémentaire entre les opérations iii et iv, cette opération consistant à mesurer et enregistrer la distance parcourue par le véhicule entre la première fois et la deuxième fois, et une opération finale vi dans laquelle la distance parcourue par le véhicule et la direction de son déplacement sont utilisées pour calculer la variation rela- tive de position du véhicule entre les première et deuxième fois. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un véhicule aérien. 14. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un véhicule naval.