Brevet FR2660064A1 — publié le 19910927

L'invention concerne un procédé de guidage pour projectiles, destiné à accroître leur sûreté d'impact dans le tir direct sur des cibles autopropul- sées, par exemple des missiles manoeuvrants, selon une loi de guidage qui guide le projectile sur la trajec- toire de collision avec sa cible, ainsi que des dispo- sitifs pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un tel procédé peut être mis en oeuvre notam- ment dans des missiles, des projectiles guidés et des plate-formes d'armes et est donc applicable, par exemple, dans le domaine de la munition intelligente. Grâce aux progrès de la microélectronique et après les missiles guidés, il est devenu actuellement possible aussi de fabriquer des projectiles guidés Un tel guidage accroît la précision d'impact du projectile. Pour la lutte contre des objectifs terrestres blindés en tir indirect, on procède actuellement à la mise au point de projectiles guidés à phase finale de recherche et de guidage autonomes En raison du calibre relativement gros ( 155 mm) et de l'accélération relativement faible au moment du tir ( technologie de radar ou d'infrarouge élaborée. Dans un stade de développement préliminaire se trouvent actuellement, pour la lutte en tir direct contre des objectifs aériens rapides et manoeuvrants, des projectiles guidés de plus petit calibre ( 60 120 mm) à guidage par télécommande En raison des plus importantes accélérations au moment du tir et en raison des sections plus faibles, une phase finale d'autogui- dage avec une tête chercheuse complexe n'est pas pos- sible dans ce cas et n'est d'ailleurs par recherchée Il en résulte que les précisions d'impact obtenues sont seulement moyennes, mais elles suffisent contre les avions En revanche, la lutte à une distance de sûreté relativement grande (quelques kilomètres) contre les fusées et les missiles guidés, notamment balistiques; n'est pas possible avec ce téléguidage. La combinaison du téléguidage avec un guidage final permettrait le tir direct contre des objectifs aériens manoeuvrants de la taille de missiles et de fusées Cependant, une telle combinaison demande une technologie de tête chercheuse sans giroscope et sans suspension à la Cardan, de même qu'un nouveau procédé de guidage. Le but de l'invention est de créer un dispo- sitif et un procédé de guidage au moyen desquels on puisse obtenir une précision d'impact bien plus grande que celui réalisable selon l'état de la technique pour les projectiles du type mentionné ci-dessus. Selon l'invention, on obtient ce résultat par le fait que la trajectoire prescrite du projectile est déterminée à chaque instant de correction de la trajec- toire, par un calculateur de conduite du tir, à partir de l'angle solide d'écart (& 1), éventuellement décomposé selon un système de coordonnées cartésiennes, de la valeur réelle de la ligne de visée projectile/objectif de sa valeur prescrite. Pendant le guidage, les phases de mesure et de commande sont découplées dans le temps, de manière que l'oscillation pendulaire du projectile due à une inter- vention de commande soit suffisamment évanouie au début de la phase de mesure suivante. Conformément à d'autres caractéristiques du procédé selon l'invention, le projectile est téléguidé depuis le sol par voie radioélectrique, le roulis du projectile est déterminé à partir de la polarisation du signal de télécommande radioélectrique et l'ambiguïté de cette détermination est éliminée, par exemple au moyen d'un senseur à champ géomagnétique. Selon encore une autre caractéristique, la loi de guidage est choisie conformément à l'écart transver- sal d 1 * D o 51 désigne l'angle d'écart de la ligne de visée à l'instant de correction et D est une mesure de la distance de l'objectif. Pour ce qui concerne les dispositifs de mise en oeuvre du procédé, il est préférable d'utiliser à cet effet un radar à ondes millimétriques pour déterminer la ligne de visée, utilisant une longueur d'onde dans la gamme d'environ 94 ou 140 G Hz. Le dispositif selon l'invention ainsi que le procédé correspondant sont facilement réalisables, plus efficaces et plus économiques que les procédés connus jusqu'à présent De plus, le problème à la base de l'invention est résolu complètement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 montre schématiquement l'allure d'une trajectoire de collision possible; la figure 2 montre schématiquement une géométrie d'approche possible; et la figure 3 est une représentation schéma- tique servant à illustrer la navigation directe. Le dispositif selon l'invention et le procédé de guidage utilisé de préférence en combinaison avec ce dispositif, selon le mode de mise en oeuvre illustré sur les figures 1 à 3, font appel à une tête chercheuse de cible avec un radar à ondes millimétriques, réalisé comme un système monopulsé rigide et fonctionnant par exemple à 94 G Hz ou 140 G Hz Le champ de vision peut être petit (faible angle de visée en avant du but, situation de lutte frontale ("head-on")) Le radar peut également être bistatique en ce sens que l'illuminateur (émetteur) est installé au sol et que le récepteur est prévu dans le projectile, avec un guidage semiactif. De préférence, l'axe de senseur n'est pas stabilisé Lors du guidage, les phases de mesure et les phases de commande sont découplées dans le temps, de manière que l'oscillation pendulaire du projectile due à une intervention de commande, soit suffisamment évanouie au début de la phase de mesure suivante, si bien que l'axe de senseur et la tangente à la trajectoire con- cordent de nouveau Le roulis est mesuré par le projec- tile et il en est tenu compte selon les besoins. En principe, le projectile peut déterminer le roulis d'après la polarisation du signal radioélectrique de la télécommandé si l'ambiguïté est éliminée, par exemple au moyen d'un senseur à champ géomagnétique. Dans le cas d'un tir à trajectoire tendue, le roulis peut être extrait de l'énergie réfléchie par le sol et contenue dans le signal radar. De préférence et à la différence de l'état de la technique, la navigation proportionnelle n'est pas appliquée La déviation par rapport à la trajectoire exacte du projectile, c'est-à-dire par rapport à la trajectoire de collision, peut être déterminée aussi en comparant l'angle de la ligne de visée de la tête chercheuse avec la valeur prescrite pour l'angle de visée en avant du but, comme cela est connu dans le calcul pour la conduite du tir au sol Cet angle de visée en avant du but avec ses deux composantes en azimut et élévation par rapport à la tangente à la trajectoire du projectile, est déterminé au moment de la correction du guidage par le calculateur de conduite du tir et est transmis au projectile par la liaison pour le téléguidage En procédant ainsi, la vitesse angulaire de la ligne de visée n'est pas nécessaire pour le guidage, d'o il résulte un avantage considérable quant à la puissance globale nécessaire de la tête chercheuse à radar, ainsi que cela sera démontré par la suite. Le but du guidage est d'amener le projectile G sur une trajectoire de collission avec l'objectif mobile Z Si les deux mobiles ont un mouvement rectiligne uniforme, l'angle de la ligne de visée du projectile doit, à cet effet, être amené à la valeur juste de l'angle a de visée en avant du but L'angle ac résulte des vecteurs vitesse v G et vz, ainsi que le montre le modèle bidimensionnel Le vecteur unité pour la direc- tion de la ligne de visée correspond, dans le cas de la trajectoire de collission selon la figure 1, à e(collision) = v G v Z) ' G -Z De préférence, la direction de la ligne de visée ne change pas pendant l'approche de l'objectif, le projec- tile restant sur la trajectoire de collision Pour cette raison, la loi de guidage de la navigation proportion- nelle exige que la vitesse angulaire de la tangente à la trajectoire soit proportionnelle à la vitesse angulaire de la ligne de visée, ce qui a automatiquement pour conséquence que la trajectoire du projectile change jusqu'à ce que le cap de collission soit atteint et que la ligne de visée ne tourne plus. La détermination de la vitesse angulaire de la ligne de visée demande la dérivée par rapport au temps de l'angle de la ligne de visée Or, l'angle mesuré de la ligne de visée contient un niveau de bruit fonction de la résolution du senseur Ce niveau de bruit est accru par la détermination de la dérivée A son tour, le bruit augmente l'imprécision du tir. Pour cette raison, on fait appel à une loi de guidage différente, ne demandant pas la dérivée par rapport au temps Cela est possible dans le cas du guidage de projectiles en tir direct, o seulement de petites corrections de la trajectoire sont nécessaires. La figure 2 montre la situation dans un système mobile de coordonnées ayant l'origine dans l'objectif Z. L'angle a O est l'angle de visée en avant du but, sous lequel le projectile devrait "voir" l'objectif En réalité, l'objectif se trouve toutefois avec un léger décalage d à côté de l'origine du système de coor- données, de sorte qu'une correction de trajectoire devient nécessaire Tant qu'il n'y a pas encore de guidage, l'angle de la ligne de visée change et s'éloigne de la valeur prescrite La navigation propor- tionnelle exploite la différence 62-61 pour générer la grandeur de commande servant à corriger la trajectoire. Par contre, le guidage proposé selon l'invention (appelé "navigation directe") utilise à cet effet la valeur 1 elle-même: navigation proportionnelle: d = ( 52-61)*D 2/B navigation directe: d = 61 * D Dans le premier cas, pour la mesure de l'angle de la ligne de visée, le bruit entre plus fortement, d'un facteur D/B, dans la correction de la trajectoire. Une condition préalable pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est la présence de la valeur prescrite exacte pour a, (correspondant à deux valeurs prescrites dans la réalité tridimensionnelle). Dans le tir direct, cette valeur peut être calculée par le calculateur de conduite du tir pour chaque instant de la trajectoire du projectile La valeur nécessaire à l'instant de correction peut donc être transmise au projectile par la liaison du téléguidage Bien que la valeur d'angle contienne une petite erreur, elle n'est plus gênante pour la distance relativement courte de la correction en phase finale. La figure 3 montre le processus de guidage en détail G et Z désignent respectivement les positions du projectile et de l'objectif, telles que prévues par le calculateur de conduite de tir, au début de la phase de correction En réalité, il existe cependant un écart dans la situation de rencontre Cet écart est symbolisé par le cercle d'erreur autour de Z La position véri- table Z' est caractérisée par une déviation possédant une composante en direction de la ligne de visée, laquelle ne gêne pas en première approximation, et une composante transversale à elle Cette dernière compo- sante est mesurée par la tête chercheuse: d = 81 D = (a a 0) D En supposant que les vitesses soient constantes, d existe également sans changement au point de collission K' Par rapport à la trajectoire du projectile, l'écart transversal à compenser par le guidage, jusqu'à la collision, correspond donc à d' = d * cos a = d A partir de la distance connue jusqu'au point de colli- sion, le projectile peut calculer l'accélération trans- versale ou l'impulsion transversale nécessaire. Les trajectoires réelles s'écartent de droites en raison des manoeuvres de l'objectif et du vol balis- tique du projectile Cependant, en première appro- ximation, ces écarts ne gênent pas la correction pro- posée Une correction plus précise, par exemple à moins de 10 % environ de la valeur initiale, n'est pas du tout recherchée puisque les possibilités de commande d'un projectile sans circuit de réglage fermé ne sont pas plus précises de toutes manières Le cas échéant, on peut réduire davantage l'erreur résiduelle en répétant le processus à plusieurs reprises. L'avantage du procédé de guidage décrit ici est la plus faible sensibilité à l'égard du bruit du senseur Pour la même imprécision de tir due au bruit, la puissance d'émission du radar de la tête chercheuse peut être bien plus faible Le gain est évalué ci-après. Il a déjà été montré dans ce qui précède que le bruit a un effet plus important, du facteur D/B, dans la navigation proportionnelle Lorsque la base de mesure B est agrandie par l'avancement de t 1, les conditions s'améliorent tout d'abord (Fig 2) Toutefois, la tension de bruit au point de mesure t 1 augmente, par suite de la plus grande distance de l'objectif, du facteur D 2 selon l'équation du radar On obtient donc: dégradation par suite de la navigation proportion- nelle = D/B * (D/(D-B 2 le minimum étant obtenu à B = D/3: 6,75 Pour obtenir la même imprécision à l'impact, la puis- sance d'émission doit être accrue du facteur 45 (Un calcul plus précis fait ressortir que ce facteur est compris entre environ 45 et 65, suivant la durée d'in- tégration) Par exemple, un projectile antiaérien à guidage autonome ou semi-autonome dans la phase finale, exige une grande portée du radar et en même temps un petit volume de la tête chercheuse, de sorte qu'il est irréalisable dans l'état actuel de la technique des ondes millimétriques lorsqu'on fait appel à la naviga- tion proportionnelle Par contre, en appliquant la loi de guidage décrite ici, la puisssance requise peut être réduite à tel point qu'une réalisation devient possible. En combinaison avec la construction sans gyroscope, comme décrit, et avec une intégration cohé- rente sur longue durée, rendue possible par des filtres numériques, on peut ainsi réaliser un senseur de coût réduit, en exécution rigide, pour projectiles antiaé- riens guidés d'autodéfense (situation de lutte frontale ("'head-on")> dans l'état actuel de la technique des semiconducteurs. De plus, on obtient les avantages décrits précédement. REVENDI CATIONS l Procédé de guidage pour projectiles, destiné à accroître leur sûreté d'impact dans le tir direct sur des cibles autopropulsées, par exemple des missiles manoeuvrants, selon une loi de guidage qui guide le projectile sur la trajectoire de collision avec sa cible, caractérisé en ce que la trajectoire prescrite du projectile est déterminée, à chaque instant de correc- tion de la trajectoire, par un calculateur de conduite du tir à partir de l'angle solide d'écart ( tuellement décomposé selon un système de coordonnées cartésiennes, de la valeur réelle de la ligne de visée projectile/objectif de sa valeur prescrite. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les phases de mesure et de commande sont découplées dans le temps, lors du guidage-, de manière que l'oscillation pendulaire du projectile due à une intervention de commande soit suffisamment évanouie au début de la phase de mesure suivante. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le projectile est téléguidé par voie radioélectrique à partir du sol. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le roulis du projectile est déterminé à partir de la polarisation du signal de téléguidage radioélec- trique et que l'ambiguïté de cette détermination est éliminée, par exemple au moyen d'un senseur à champ géomagnétique. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la loi de guidage est choisie conformément à l'écart transversal d * 81 * D o & 1 désigne l'angle d'écart de la ligne de visée à il l'instant de correction et D est une mesure de la distance de l'objectif. 6 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce qu'il comprend un radar à ondes millimé- triques pour déterminer la ligne de visée. 7 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le radar est bistatique en ce sens que l'illuminateur (émetteur) est installé au sol et le récepteur se trouve dans le projectile. 8 Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde de fonctionne- ment du radar est comprise dans la gamme de 94 ou 140 G Hz.