Brevet FR2675268A1 — publié le 19921016

i La présente invention concerne la radioloca- lisation, par exemple de véhicules mobiles tels que des aéronefs équipés de transpondeurs, et elle porte plus particulièrement sur des perfectionnements rela- tifs à l'invention qui est décrite dans le brevet des E.U A N O 4 115 771 Le système du brevet précité fournit fondamentalement toute l'information qui serait disponible avec un radar de surveillance secon- daire réel placé au site du radar de surveillance secondaire virtuel, en n'émettant aucun signal supplé- mentaire, et à une fraction du coût d'un radar de sur- veillance secondaire réel Dans certaines conditions géométriques, l'information concernant la distance entre le radar de surveillance secondaire virtuel et l'aéronef cible peut devenir erronée ou indéterminée. Le brevet des E U A N O 4 899 156 décrit une solution à ce problème Cependant, le système de ce dernier brevet exige des émissions radar occasionnelles en plus de celles du système de balise radar de contrôle de navigation aérienne (ou ATCRBS) de type classique. Conformément à l'invention, au moins deux stations réceptrices de radar de surveillance secon- daire virtuel sont situées à des emplacements connus séparés, dans des directions différentes par rapport au radar de surveillance secondaire, et chacune de ces stations fournit une information différentielle d'ins- tant d'arrivée (t) et une information différentielle d'azimut (A) concernant toute cible consistant en un transpondeur qui se trouve à l'intérieur de la zone de service du radar de surveillance secondaire, ainsi que l'identification (ID) et l'altitude barométrique (ALT), lorsque cette information est disponible. On utilise les données que fournissent plu- sieurs récepteurs de radar de surveillance secondaire virtuel se trouvant en des emplacements séparés, pour résoudre le problème de l'ambiguïté de distance sans émissions radar supplémentaires, et ces données per- mettent également une amélioration générale de la pré- cision de la détermination de position d'une cible consistant en un transpondeur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans les- quels: La figure 1 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation actuellement préféré de l'inven- tion; La figure 2 est un schéma synoptique d'un système de récepteur de radar de surveillance secon- daire virtuel qui fait partie du système de la figure 1; Les figures 3, 4 et 5 sont des représenta- tions géométriques que l'on utilise dans l'explication du fonctionnement de l'invention; et La figure 6 montre la configuration géomé- trique d'une seule station réceptrice, dans le but de définir les termes et les mesures que l'on utilise dans l'explication de l'invention. En se référant à la figure 1, on note que des stations réceptrices de radar de surveillance secondaire virtuel, 21 et 22, sont placés à des empla- cements connus respectifs, dans des directions nota- blement différentes par rapport au radar de surveil- lance secondaire avec lequel elles doivent coopérer. Ces stations sont reliées par des liaisons de trans- mission de données 20 et 29 à des récepteurs relais 23 et 25, se trouvant à une station de traitement et de visualisation de radar de surveillance secondaire virtuel située à n'importe quel emplacement commode. La station de traitement et de visualisation de radar de surveillance secondaire virtuel peut être au même emplacement que l'une des stations réceptrices de radar de surveillance secondaire virtuel, auquel cas la liaison de transmission de données respective peut être supprimée Les liaisons de transmission peuvent être réalisées sous la forme de lignes téléphoniques, de liaisons hertziennes ou de liaisons par fibres optiques, par exemple. En se référant à la figure 2, on note que chaque station réceptrice de radar de surveillance secondaire virtuel comprend des récepteurs à 1030 M Hz et 1090 M Hz, 1 et 5, des décodeurs d'interrogation et de réponse 4 et 8, des sélecteurs de caractéristique de répétition d'impulsions 2 et 6, des détecteurs d'enveloppe 3 et 7, un dispositif de mesure d'inter- valle de temps 9, un générateur de caractéristiques de répétition d'impulsions 10, une porte ou fenêtre d'azimut élargie 13, et un dispositif de mesure d'in- tervalle de temps 12 La fenêtre d'azimut élargie peut avoir une largeur angulaire s'élevant jusqu'à 360 degrés, cette valeur comprise Tout ces éléments sont identiques aux éléments désignés de façon correspon- dante qui sont décrits dans le brevet des E U A no 4 115 771, et ils sont interconnectés de la même manière Comme décrit dans le brevet 4 115 771, le dispositif de mesure d'intervalle de temps 9 produit un signal de sortie représentant l'azimut différentiel A d'un transpondeur cible par rapport au radar de sur- veillance secondaire et à la station réceptrice de radar de surveillance secondaire virtuel, et le dispo- sitif de mesure d'intervalle de temps 12 produit un signal de sortie représentant l'instant d'arrivée différentiel t Le sélecteur de caractéristique de répétition d'impulsions 6 produit des signaux de sor- tie représentant l'identification ID et l'altitude ALT de la cible, si cette information est disponible Ces signaux de sortie sont appliqués à un émetteur de relais 19, en vue de l'émission vers un récepteur de relais correspondant se trouvant à la station de trai- tement et de visualisation de radar de surveillance secondaire virtuel. En se référant à la figure 6, on note que l'azimut différentiel A est défini comme étant l'angle entre la ligne issue du radar de surveillance secon- daire et dirigée vers le récepteur de radar de sur- veillance secondaire virtuel, V, et la ligne issue du radar de surveillance secondaire et dirigée vers la cible T, consistant en un transpondeur On mesure cet angle en notant le temps qui s'écoule entre le passage du faisceau du radar au récepteur de radar de surveil- lance secondaire virtuel V et le passage à la cible T (d'après l'indication fournie par les réponses prove- nant de la cible), et en divisant la valeur obtenue par la période de balayage L'instant d'arrivée diffé- rentiel t est défini comme étant la différence entre la longueur du chemin F allant du radar de surveillan- ce secondaire à la cible T et ensuite du chemin R allant au récepteur de radar de surveillance secondai- re virtuel V, et la longueur du chemin D allant du radar de surveillance secondaire au récepteur de radar de surveillance secondaire virtuel V, divisée par la vitesse de la lumière c l(F+R-D)/cl On mesure cette grandeur en notant le temps qui s'écoule entre l'arri- vée d'une interrogation en V et l'arrivée de la répon- se à cette interrogation en V L'emplacement du récep- teur de radar de surveillance secondaire virtuel V sera mesuré de façon caractéristique sous la forme d'un gisement Z et d'une distance D par rapport au radar de surveillance secondaire. En retournant à la figure 1, on note que les récepteurs de relais 23 et 25 coopèrent avec les émet- teurs de relais se trouvant a-ix stations réceptrices de radar de surveillance secondaire virtuel 21 et 22, de façon à reproduire les données A, t, ID et ALT qui sont déterminées par les stations réceptrices de radar de surveillance secondaire virtuel respectives Les ensembles de données successifs que fournit chaque station réceptrice de radar de surveillance secondaire virtuel sont appliqués à une mémoire tampon de données 24, qui comprend un groupe de registres, chacun d'eux étant conçu pour enregistrer de façon associative les données A, t, ID et ALT concernant une cible détectée particulière Lorsque chaque ensemble de données de ce type est complet, la mémoire tampon 24 le présente à un ordinateur de calcul de position de cible 26 Lors- que l'ordinateur 26 a achevé des calculs en cours au moment présent et est libre de le faire, il accepte l'ensemble de données présenté suivant, et il libère le registre tampon respectif pour l'accumulation d'un autre ensemble L'ordinateur 26 peut être un petit ordinateur universel, ou un dispositif spécialisé, programmé d'une manière connue pour calculer les posi- tions, par rapport à celle du radar de surveillance secondaire, de cibles quelconques qui se trouvent dans la zone de service du radar de surveillance secondai- re Connaissant de telles données de position, il est clair que l'on peut également calculer dans l'ordina- teur 26 les positions des cibles par rapport à une autre position de référence se trouvant à un emplace- ment connu, par exemple l'une des stations réceptrices de radar de surveillance secondaire virtuel, ou la station de traitement et de visualisation de radar de surveillance secondaire virtuel, comme on le désire. On peut calculer la position de la cible à partir de l'instant d'arrivée différentiel t et de l'azimut différentiel A, comme décrit dans le brevet des E U A N O 4 115 771, en calculant l'intersection entre une ellipse dont les foyers se trouvent au radar de surveillance secondaire et à une station réceptrice de radar secondaire virtuel, et une ligne orientée sous l'angle d'azimut différentiel A par rapport au grand axe de l'ellipse L'ordinateur 26 peut être conçu de façon à fournir les données de position de cible par exemple sous la forme de la distance F et de la direction A plus Z à partir du radar de surveil- lance secondaire Dans le cas idéal, les données de position de cible qui sont obtenues aux deux (ou plus) stations réceptrices de radar de surveillance secon- daire virtuel, seraient identiques En réalité, elles seront quelque peu différentes, du fait que les mesu- res de A et t sont sujettes à des erreurs systémati- ques, s'élevant de façon caractéristique à environ respectivement un quart de degré et un dixième de microseconde En l'absence de telles erreurs, les va- leurs A différeraient exactement de l'écartement angu- laire entre les diverses stations réceptrices de radar de surveillance secondaire virtuel, vues du radar de surveillance secondaire On peut programmer l'ordina- teur 26 pour bénéficier de l'existence de multiples ensembles de données de position, par exemple en en faisant la moyenne, ou, de façon générale, en appli- quant des techniques statistiques plus perfectionnées pour fournir des estimations améliorées de positions vraies de la cible. Les données de position de cible, ainsi que les données ID et ALT associées, sont appliquées à un processeur de visualisation 27 en vue de la visualisa- tion par le dispositif 28 Le processeur 27 et le dispositif de visualisation 28 peuvent être semblables aux éléments correspondants qui sont utilisés avec des radars de surveillance secondaire classiques Bien que la mémoire tampon de données 24 et l'ordinateur de calcul de position de cible 26 soient décrits et représentés ici sous la forme d'éléments séparés, toutes leurs fonctions peuvent être remplies par un seul ordinateur programmé de façon appropriée. Comme décrit dans le brevet des E U A no 4 899 156, si une cible se trouve sur la ligne qui s'étend entre le radar de surveillance secondaire et une station réceprice de radar de surveillance secon- daire virtuel, ou au voisinage de cette ligne, la détermination de sa distance à partir des données d'azimut différentiel A et d'instant d'arrivé diffé- rentiel t, devient inexacte ou impossible, du fait que l'ellipse représentant t devient de plus en plus étroite Dans le cas extrême dans lequel la cible est sur la ligne, la valeur de t est égale à zéro et l'ellipse correspondante est simplement une ligne s'étendant entre le radar de surveillance secondaire et la station réceptrice de radar de surveillance secondaire virtuel Cette situation est illustrée sur la figure 3, sur laquelle la cible se trouve sur la ligne entre le radar de surveillance secondaire et la station réceptrice de radar de surveillance secondaire virtuel 22; A et t sont égaux à zéro, et on ne peut pas déterminer la position de la cible uniquement à partir des signaux reçus à la station réceptrice de radar de surveillance secondaire virtuel 22 Cepen- dant, à la station 21, A et t ont des valeurs finies, ce qui donne une solution définie pour la position de la cible On peut programmer l'ordinateur 26 de façon à rejeter simplement des données telles que celles provenant de la station 22. Selon une variante, on peut utiliser les données provenant de la station 22 en combinaison avec celles provenant de la station 21, pour déterminer la position de la cible en déterminant l'intersection entre les ellipses correspondant à t Dans le cas spé- cial de la figure 3, dans lequel l'une des ellipses est simplement une ligne droite, la cible se trouve à l'intersection de cette ligne avec l'autre ellipse. Dans un cas plus usuel tel que celui qui est représen- té sur la figure 4, la cible se trouve à l'une des intersections entre deux ellipses On détermine l'in- tersection correcte au moyen de l'azimut différentiel A qui est mesuré à l'une des stations réceptrices de radar de surveillance secondaire virtuel, ou aux deux. On peut calculer la position de la cible en détermi- nant l'intersection correcte des deux ellipses (ou plus). On peut également calculer la position de la cible sur la figure 4 à partir des valeurs de A et t qui sont reçues à la station 21, et de façon similaire à partir des valeurs de A et t qui sont reçues à la station 22 Dans le cas idéal, les résultats de tous ces calculs doivent être les mêmes En pratique, ils seront habituellement plus ou moins différents, à cause des erreurs systématiques mentionnées précédem- ment dans les mesures de A et t A titre d'exemple, l'erreur caractéristique de 0,25 degré pour A, donne une incertitude d'environ 8, 5 m sur la position de la cible à un mille du radar de surveillance secondaire, mais de 85 m à dix milles et de 395 m à 50 milles. L'erreur caractéristique de 0,1 microseconde sur t donne une incertitude d'environ 30 mètres à toutes les distances du radar de surveillance secondaire Par conséquent, des calculs basés sur les données A et t représentent la position de la cible de façon plus exacte que ceux qui sont basés sur l'intersection des ellipses correspondant à t lorsque la cible se trouve à une distance qui ne dépasse pas par exemple environ milles du radar de surveillance secondaire (en fonc- tion de la disposition géométrique du radar de sur- veillance secondaire, des récepteurs de radar de sur- veillance secondaire virtuel, et de la cible), mais ils représentent cette position de façon moins exacte lorsque la cible est plus éloignée du radar de sur- veillance secondaire Lorsque la cible est voisine de la ligne qui relie les récepteurs de radar de surveil- lance secondaire, les ellipses se coupent sous des angles plus faibles, comme représenté sur la figure 5, ce qui réduit la précision de la détermination de position par ce procédé spécifique. L'ordinateur de calcul de position de cible 26 peut être programmé d'une manière connue pour cal- culer selon des modes multiples, en utilisant toutes les données disponibles, pour attribuer des poids relatifs aux résultats, sur la base de la distance approchée de la cible par rapport au radar de surveil- lance secondaire, et pour fournir des moyennes pondé- rées des coordonnées de position de la cible Par con- séquent, toutes les données sont utilisées, dans la mesure de leur fiabilité, pour fournir une meilleure estimation de la position de la cible sans exiger des émissions radar supplémentaires. Dans un autre mode de réalisation, une mémoire tampon de données séparée (comme la mémoire 24), et un ordinateur de calcul de position de cible séparé (comme l'ordinateur 26), pourraient être incor- porés à chaque station réceptrice de radar de sur- veillance secondaire virtuel, et la position calculée pourrait être transmise à la station de traitement et de visualisation de radar de surveillance secondaire virtuel, par l'intermédiaire des émetteurs et des récepteurs de relais La station de traitement et de visualisation sélectionnerait alors pour la visualisa- tion la position la plus exacte parmi les deux posi- tions calculées (ou plus), ou bien elle calculerait une moyenne pondérée de ces positions pour la visuali- sation. Les modes de réalisation ci-dessus envisa- gent la visualisation des données de position de cible Dans certaines applications, ces données pour- raient être enregistrées ou émises vers un autre ordi- nateur, pour un traitement ultérieur, au lieu d'être visualisées. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'in- vention. il REVENDICATIONS 1 Procédé de détermination de la position d'une cible consistant en un transpondeur, à l'inté- rieur de la zone de service d'un radar de surveillance secondaire, par rapport à une position de référence correspondant à un emplacement connu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) on reçoit des interrogations provenant du radar de surveillance secondaire, à une ou plusieurs stations réceptrices séparées ( 21, 22) se trouvant à des emplacements connus dans des directions différentes par rapport au radar de surveillance secondaire; (b) on reçoit des réponses de transpondeur aux interrogations précitées, aux stations réceptrices ( 21, 22); (c) on détermine l'azimut différentiel A et l'instant d'arrivée diffé- rentiel t d'interrogations et de réponses provenant de la cible, à chacune des stations réceptrices ( 21, 22), pour fournir à partir de chaque station réceptrice ( 21, 22) des ensembles successifs de données A et t; et (d) à partir des ensembles précités de données A et t, on calcule la position de la cible par rapport à la position de référence. 2 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'étape (d) comprend les étapes sui- vantes: (e) on détermine l'intersection entre chaque ellipse déterminée par t, ayant des foyers à l'empla- cement de radar de surveillance secondaire connu et à une station réceptrice respective connue ( 21, 22), et une ligne orientée sous l'angle d'azimut différentiel A par rapport au grand axe de l'ellipse précitée, pour fournir des ensembles respectifs de données de posi- tion de cible; et (f) on combine ces ensembles de don- nées pour fournir une estimation de l'emplacement vrai de la cible. 3 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'étape (d) comprend les étapes sui- vantes: (g) on détermine les intersections entre chaque paire d'ellipses déterminées par t, ayant des foyers à l'emplacement de radar de surveillance secon- daire connu et aux stations réceptrices connues ( 21, 22); et (h) on sélectionne l'intersection correcte dans chaque cas, comme étant celle la plus proche de l'azimut différentiel de la cible. 4 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'étape (d) comprend l'étape suivan- te: (i) en utilisant des techniques d'estimation sta- tistiques connues, on calcule une meilleure estimation de la position de la cible sur la base des diverses valeurs de A et des diverses valeurs de t, ainsi que de l'erreur probable affectant chacune de ces valeurs mesurées. Dispositif pour la détermination de la position d'une cible consistant en un transpondeur, à l'intérieur de la zone de service d'un radar de sur- veillance secondaire, par rapport à une position de référence se trouvant à un emplacement connu, carac- térisé en ce qu'il comprend: (a) des moyens ( 1, 4) qui sont destinés à recevoir des interrogations prove- nant du radar de surveillance secondaire, à au moins deux stations réceptrices séparées ( 21, 22) se trou- vant à des emplacements connus, dans différentes directions par rapport au radar de surveillance secon- daire; (b) des moyens ( 5, 8) destinés à recevoir des réponses de transpondeur aux interrogations précitées, aux stations réceptrices précitées ( 21, 22); (c) des moyens ( 3, 9, 10, 12, 13) qui sont destinés à détermi- ner l'azimut différentiel A et l'instant d'arrivée différentiel t des interrogations et des réponses provenant de la cible, à chacune des stations récep- trices ( 21, 22), pour fournir à partir de chaque station réceptrice ( 21, 22) des ensembles successifs de données A et t; et (d) des moyens ( 26) qui sont destinés à calculer la position de la cible par rap- port à la position de référence précitée, sur la base des ensembles de données A et t. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens (d) comprennent: (e) des moyens ( 26) qui sont destinés à déterminer l'in- tersection entre chaque ellipse déterminée par t, ayant des foyers à l'emplacement de radar de surveil- lance secondaire connue et à une station réceptrice ( 21, 22) connue respective, et une ligne orientée sous l'angle d'azimut différentiel A par rapport au grand axe de l'ellipse, pour fournir des ensembles respec- tifs de données de position de cible; et (f) des moyens ( 26) qui sont destinés à combiner les ensembles de données pour fournir une estimation de l'emplace- ment vrai de la cible. 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens (d) comprennent: (g) des moyens ( 26) destinés à déterminer les intersec- tions entre chaque paire d'ellipses déterminées par t, ayant des foyers à l'emplacement de radar de surveil- lance secondaire connu et aux stations réceptrices ( 21, 22) connues; et (h) des moyens ( 26) destinés à sélectionner l'intersection correcte dans chaque cas, comme étant la plus proche de l'azimut différentiel de la cible. 8 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens (d) comprennent (i) des moyens ( 26) qui utilisent des techniques d'estima- tion statistiques connues pour calculer une meilleure estimation de la position de la cible, sur la base des diverses valeurs A et des diverses valeurs t, et sur la base de l'erreur probable de chacune de ces valeurs mesurées.