Brevet FR2671614A1 — publié le 19920717

Montage pour effecteur le calcul de visée en avant du but à partir de grandeurs d'état d'objets mobiles. L'invention concerne un montage pour effectuer un calcul de visée en avant du but, c'est à dire pour-calculer ce que l'on désigne par "angle de prévision", à patir de grandeurs d'état, que sont la position, la vitesse et l'accélération d'objets m Dbiles, moyennant 1 'utilisation d'un dispositif de re Dérage, et compor- tant un étage différentiateur pour déte=ainer l'accélération et la vitesse et un dispositif servant à extrapoler l'emplacement de la cible.10 La poursuite d'objets mobiles requiert une mesure permanente de la position instantanée de l'objet à l'ai- de de capteurs appropriés La mesure peut être réalisée au moyen d'un repérage actif ou passif Les données de mesure de position sont déterminées dans un système de15 coordonnées, dont le point de référence est en général représenté par le dispositif local et est par conséquent lié à cette position Dans le domaine militaire, la pro- tection vis-à- vis d'une menace due par exemple à des ob- jets volants requiert une prévision de la trajectoire de20 vol, qui est établie à partir des valeurs mesurées de la distance, de l'azimut et de l'élévation, moyennant l'uti- lisation de calculateurs (calculateurs de conduite de tir). La mesure de la position est en général entachée d'er- reur par suite de diverses influences, si bien que pour25 déterminer les grandeurs d'état, que sont -la position, la vitesse et l'accélération de l'objet, il faut introduire dans le calcul un nombre plus important de valeurs de mesure, qui dépend de la qualité de la me- sure individuelle et qui conduit finalement à une prévi- sion de la trajectoire par extrapolation des grandeurs 5 d'état Si l'objet devant être repéré déplace non pas suivant une trajectoire rectiligne, mais sur une trajec- toire de forme courbe, il apparaît, dans les procédés connus jusqu'alors, par exemple en raison d'une extrapo- lation quadratique, des erreurs systématiques lors de10 la détermination de la visée en avant du but par une ar- me prévue pour la lutte Dans le cas d'une trajectoire par exemple circulaire d'un objet autour d'un dispositif de repérage, le vecteur accélération de l'objet possède une valeur constante et est dirigé vers le dispositif de repérage Etant donné que le système de coordonnées, qui est utilisé pour déterminer les grandeurs d'état, est fixe et que son origine coïncide avec la position du dis- positif de repérage, les coefficients du vecteur accéléra- tion varient de façon permanente Toute modification des20 coefficents du vecteur accélération pendant la durée d'extrapolation, qui correspond à la durée de vol du missile, dans le cas d'un calcul de visée en avant du but, conduit à des résultats erronés. L'invention a pour but d'éviter des erreurs sys- tématiques dans le calcul de la visée en avant du but effectué par une arme en vue de lutter contre des objets se déplaçant sur des courbes Conformément à l'invention ce problème est résolu grâce au fait que les grandeurs d'état pour l'accélération et la vitesse de l'objet sont30 soumises à une transformation de coordonnées avant et après leur extrapolation pour la détermination de la visée en avant du but de telle sorte que les valeurs de l'accé- lération etdelavitesserapportées à un système fixe de coordonnées cartésiennes sont transformées, dans un pre-35 mier étage de transformation en des coordonnées carté- siennes d'un système de coordonnées lié de façon fixe à l'objet mobile, et que la variation de la position pendant la durée d'extrapolation est déterminée à l'aide des valeurs transformées, rapportées à l'objet, de l'ac- 5 célération de l'objet et de la vitesse de l'objet et qu'après l'extrapolation, la transformation inverse rame- nant au système fixe de coordonnées s'effectue dans un second étage de transformation. Grâce à la transformation des coordonnées des grandeurs d'état, obtenuesdans le système de coordonnées cartésien lié à la position de l'objet mobile, dans un système de coordonnées mobile lié à l'objet, la valeur du vecteur accélération et sa position angulaire par rapport au vecteur vitesse peuvent être considérées com- me constantes pendant la durée d'extrapolation (temps de vol du missile) Dans le cas d'une trajectoire non rec- tiligne des objets mobiles, la qualité de l'extrapola- tion est améliorée grâce à ces dispositions. Conformément à une variante avantageuse de l'in- vention, l'extrapolation des grandeurs d'état peut être améliorée et simplifiée grâce à une orientation telle du système de coordonnées mobile lié à l'objet, que l'axe X positif coïncide avec la direction du vecteur vitesse et que l'axe Y positif se situe dans un plan formé par le vecteur accélération et par le vecteur vitesse et est perpendiculaire à l'axe X L'axe H positif est perpendi- culaire au plan X,Y, de sorte que l'on obtient un système rectangulaire Etant donné que le vecteur accélération et le vecteur vitesse sont disposés dans un plan, on peut exécuter tous les calculs de façon simple dans un systè- me de coordonnées bidimensionnel lié à l'objet. Un exemple de réalisation d'un dispositif d'ex- trapolation pour un système de coordonnées solidaire de l'objet est représenté en référence aux figures 1 et 2.35 La figure 1 est une représentation du système de coordonnées cartésien fixe et du système de coordonnées cartésien lié à l'objet. La figure 2 est un schéma-bloc d'un dispositif conforme à l'invention. Sur la figure 1 le système de coordonnées fixe XSFKI YSFK' ZSFK et le système de coordonnées mobile lié à l'objet XOFK' YOFK' ZOFK sont représentés comme ayant la même origine. Dans le système de coordonnées lié à l'objet, l'a- xe X est dirigé suivant la direction du vecteur vitesse de l'objet mobile L'axe XOFK est situé dans le plan déterminé par le vecteur vitesse V et par le vecteur ac- célération B, perpendiculaires au vecteur vitesse V. L'axe ZOFK est la normale au plan XOFKF YOFK' de sorte15 que XOFK, YOFK' ZOFK forment un système rectangulaire. Le dispositif décrit ci-après (figure 2) est basé, en tant qu'appareil de repérage servant à mesurer des données de repérage, sur un appareil radar 1 qui délivre en coordonnées polaires, des signaux de sortie pour la20 position de l'objet détecté Une transformation de coor- données des signaux d'échcs polaire affectés de parasites intervient dans le circuit 2 à l'instant T Mess dans des coordonnées cartésiennes -Mess' qui sont également envoyés en tant que position de la cible, affectée de parasites, à25 un dispositif ultérieur de traitement des signaux Les coordonnées cartésiennes extrapolées de lieu kt d'un objet mobile pour le point de visée en avant du but sont obtenues à la sortie d'un additionneur 8, dans lequel se trouve formée la somme de la valeur de mesure actuelle30 de lieu X et de la valeur de visée en avant du but Ax obte Ma O dans le circuit d'extrapolation L'embranche- ment du circuit de traitement des signaux, qui commence à la sortie du dispositif 2 de transformation des coor- données, contient, dans les éléments de circuit 5 à 7, le dispositif d'extrapolation des grandeurs d'état, qui est mobile, c'est-à-dire lié au système de coordonnées solidaires de l'objet Le calcul de la vitesse V de l'objet ainsi que de l'accélération BSFK de l'obje à partir de la position actuelle et de la position anté- rieure de l'objet s'effectue dans l'élément de circuit 3 i qui contient un circuit différentiateur du premier et du second ordre Le circuit différentiateur délivre sur des sorties séparées du circuit 3, les grandeurs d'é- tat B et VSFK dans le système de coordonnées fixe, SFK SF pour un instant antérieur. La transformation de l'accélération et de la vi- tesse, liées à un système de coordonnées fixe, en valeurs d'un système de coordonnées mobile solidaire de l'objet s'effectue moyennant l'utilisation de circuits connus de multiplication, d'addition et d'inversion, dans un circuit de transformation 5, conformément aux relations _ M-1 - VOFK VSFK et 1-B OKF -F M représentant la matrice inverse de la matrice de trans- formation M. Les matrices de transformation M et M, nécessaires pour la transformation, sont déterminées dans un circuit 4 à partir de la vitesse VSKF et de l'accélération BSKF' A 1 A 2 A 3 M = Bl B 2 B 3 ci C 2 C 3-J VSF Kx avec Ai = Ni VSF Ky Bl Ni VSF Kz Cl = N N 1 avec Ni =/ ff VSF Kx VSF Ky VSF Kz A 3 = (VSF Ky b SF Kz -V Sz b SF Ky)/ N 3 = A/N 3 B 3 = (V SF Kz SF Kx VSF Kx b SF Kz)/ N 3 = B/N 3 C 3 = (Vs F Kx b SF Ky VSFKX b SF Kx)/ N 3 = C/N 3 C ( SF Kx SF Ky SFKX SF Kx)/ ' avec N 3 = /A 2 + B 2 + C 2 A 2 = B 3 Cl C 3 Bl B 2 = C 3 A 1 A 3 Cl C 2 = A 3 Bl B 3 A 115 La matrice inverse de la matrice M se calcule d'après le procédé connu du calcul matriciel conformément a: (B 2 C 3-B 3 C 2) (A 3 C 2-A 2 C 3) (A 2 B 3- A 3 B 2) M -det MB 3 Cl-B 1 C 3) (A 1 C 3-A 3 C 1) (A 3 B 1-A 1 B 3) B 1 C 2-B 2 C 1) (A 2 C 1-A 1 C 2) (A 1 B 2-B 2 C 1) avec det M = A 1 (B 2 C 3-C 2 B 3)-A 2 (BI C 3-Cl B 3) + A 3 (B 1 C 2-B 2 C 1) On obtient également les coefficients pour une matrice de transformation M pour réaliser la transforma- tion des données du système de coordonnées solidaire de l'objet et du système de coordonnées fixe ainsi que pour la matrice inverse associée M 1 utilisée pour la trans- formation des données du système de coordonnées fixe en30 le système de coordonnées (mobile) solidaire de l'objet. Le circuit de production des matrices est constitué, se- lon la technique connue en soi des circuits, par des mul- tiplicateurs, des additionneurs et des inverseurs Avec le coefficient de la matrice inverse M 1 le circuit 1 délivre35 sur ses sorties, en tant que résultat de la transformation, l'accélération B de l'objet et la vitesse V de f OFK VOFK l'objet dans un sytème de coordonnées bidimensionnel solidaire de l'objet (x OFK' YOFK)- Après la transformation du vecteur vitesse et du vecteur accélération dans le système de coordonnées dé- crit solidaire de l'objet, l'extrapolation des grandeurs d'état s'effectue dans le système de coordonnées soli- daire de l'objet, dans un circuit 6 A cet effet la va- riation du vecteur vitesse en fonction de la durée d'ex-10 trapolation t peut être décrite comme étant une combinai- son d'une modification de valeur et de la vitesse angu- laire du vecteur. Valeur du vecteur vitesse à l'instant t /V/(t) = /V/OFK + B OF Kx t Relation 1 Vitesse angulaire du vecteur vitesse g = BOFKY Relation 2 d /V/OFK +OF Kx avec /V/ = Valeur de la vitesse à l'instant de la mesure Cette valeur sera désignée ci-après uniquement par V. BOF Kx = Composante d'accélération suivant la direction X dans le système de coordonnées solidaire de l'objet. BOF Ky = Composante de l'accélération suivant la direction Y dans le système de coordonnées solidaire de l'objet. t = Durée de prévision (durée de vol usuelle du mis- sile). D'après la relation 2 on peut calculer, par inté- gration, la position angulaire du vecteur vitesse en fonc- tion du temps t. 9 (t)= X dt 0 = (BOF Ky/V) 1 + (BOF Kx/V) t dt = (BOFKY /V) l(V/Bo FK x)ln((+(BOF Kx/V) t) Relation 3 B N ( 1 1 + V OFK t) BOF Kx v Avec les relations 1 et 3, on peut obtenir comme suit la dérivée première du vecteur de visée en avant du but suivant la direction X et la direction Y: d/dt A Xo FK(t) = /V/(t) cos( (t)) Relation 4 d/dt b Yo FK(t) = /V/(t) sin(( (t)) Relation 5 Grâce à une intégration des relations 4 et 5, on obtient: 6 Xo FK(t) = Z cos(")- cos(y) Relation 6 BOF Kx V ( 4 +c 2) V 2 2 sin ÈYo FK(t) = sn BOFK V 2 Relation 7 ( 4)+sin(Y) v( 4 +C 2) avec BOF Kx t c = 1 + K c = B OF Ky / BOF Kx Y = ARCTG (c/2) = (BOF Ky/BOFKX) ln l 1 + (Bo F Kx/V) tl Les distances de visée en avant du but Xo FK(t) et Yo FK(t) dans le système de coordonnées solidaire de l'objet sont transformées en retour, dans le circuit 7, t(t) à l'aide de la matrice de transformation M, dans le sys- tème de coordonnées fixe: b XSKF (t) =M XOFK (t) avec XSKFl XOFK 1 SKF(t) y et a OFK (t) YOFK Lzs J Le vecteur recherché aboutissant au lieu de la ci- ble après l'écoulement du temps d'extrapolation t est fourni par le circuit 8, dans lequel le vecteur X du point de mesure et le vecteur de visée en avant du but 7 f SFK(t) sont additionnés. XSKF (t) XSKF + b Xs KF (t) Le résultat XSFK (t) est la position recherchée de la ci- ble après le temps d'extrapolation t, dans le système fi- xe de coordonnées. REVENDICATIONS 1 Montage pour effectuer un calcul de visée en avant du but à partir de grandeurs d'état, que sont la position, la vitesse et l'accélération d'objets mobiles moyennant l'utilisation d'un dispositif de repérage, et comportant un étage différentiateur pour déterminer l'accélération et la vitesse et un dispositif servant à extrapoler l'emplacement de la cible, caractérisé par le fait que les grandeurs d'état pour l'accélération et la vitesse de l'objet sont soumises à une transformation de coordonnées avant et après leur extrapolation pour la détermination de la visée en avant du but de telle sorte que les valeurs de l'accélération et de la vitesse,rappor- tées à un système fixe de coordonnées cartésiennes sont transformées, dans un premier étage de transformation ( 5) en des coordonnées cartésiennes d'un système de coor- données lié de façon fixe à l'objet mobile, et que la variation (à OFK(t)) de la position pendant la durée d'extrapolation (t) est déterminée à l'aide des valeurs transformées, rapportées à l'objet, de l'accélération (BOFK) de l'objet et de la vitesse (VOFK) de l'objet, et qu'après l'extrapolation, la transformation inverse ramenant au système fixe de coordonnées s'effectue dans un second étage de transformation ( 7). 2 Montage suivant la revendication 1, caracté- risé par le fait que le système mobile de coordonnées, 1 1 lié à l'objet, est orienté de telle sorte que l'axe X positif coîncide avec la direction du vecteur vitesse de l'objet, et que l'axe Y positif se situe dans un plan formé par le vecteur accélération et le vecteur vitesse 5 et est perpendiculaire à l'axe X. 3 Montage suivant la revendication 1 ou 2, carac- térisé par le fait que l'extrapolation des grandeurs d'é- tat, que sont l'accélération et la vitesse dans le sys- tème de coordonnées liées à l'objet, s'effectue confor-10 mément aux relations suivantes - A Xil(t) = * cos Relation 6 OFKB Ox OF Kx ( 4 c 2 v 2 AYOFK (t) sin (t) + sin O 4 Montage suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que les grandeurs d'état, qui sont fournies par l'étage diffé- rentiateur ( 3), sont filtrées, après une première trans- formation de coordonnées dans le système mobile de coor- données, qui est solidaire de l'objet. 5 Montage suivant la revendication 4, caractéri- sé par le fait que pour la transformation de coordonnées rapportée à l'objet, on forme une matrice de transfor- mation des valeurs non filtrées de mesure de l'accélé- ration et de la vitesse, à partir du système X de coor-30 données et à partir de valeurs de mesure d'accélération et de vitesse, filtrées préalablement, du système mobi- le de coordonnées, lié à l'objet.