Brevet FR2707386A1 — publié le 19950113

SYSTEME D'OBSERVATION AERIENNE A DRONE CAPTIF La présente invention concerne un système d'observation aérienne, en vol captif animé d'un mouvement autour d'un point d'attache. Les moyens d'observation aérienne sont de type électromagnétiques, tels que radars ou caméras optiques, dans le visible ou dans l'invisible. Les systèmes terrestres de surveillance et d'observation, tels que les radars, peuvent être améliorés en capacité de détection, c'est à dire en efficacité et en portée, par: - la surélévation de l'antenne, - la diversité des longueurs d'ondes utilisées, - le mouvement relatif des antennes, - la complémentarité optique. En effet, pour détecter des objets au sol (véhicules) ou volant à très basse altitude (avions), il est intéressant que les antennes du radar soient bien dégagées de la végétation, des constructions et des reliefs environnants, afin d'éviter le "fouillis de sol" qui est une conséquence de l'effet de sol. Par ailleurs, les objets que doivent détecter les radars de surveillance sont de plus en plus furtifs, et pour les détecter il est nécessaire, parfois, d'utiliser des fréquences basses pour lesquelles les surfaces équivalentes radar sont étroitement liées aux dimensions géométriques de l'objet et non plus à son état de surface et aux matériaux superficiels. Mais parfois il est plus intéressant d'utiliser des fréquences hautes lorsque les objets de petites tailles présentent des particularités de surface ou de forme. II est donc important de pouvoir changer dans des proportions importantes la fréquence électromagnétique d'observation. De plus, pour détecter et situer avec précision certaines cibles, pour examiner des détails, il est intéressant de se placer à des longueurs d'ondes appropriées et d'effectuer des traitements appropriés sur les données. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser des antennes adaptées à ces traitements, en particulier dotées d'un mouvement relatif par rapport à L'objet illuminé. Enfin, il est bon de pouvoir recouper les informations fournies par deux moyens d'observation différents dans leurs principes. C'est ainsi qu'une antenne radar permet de détecter un objet, en mouvement ou immobile, et qu'un capteur optique, tel qu'une caméra infrarouge par exemple, associé au radar, permettent de déterminer si le dit objet est chaud, si son moteur est en fonctionnement, ce qui fournit une bonne complémentarité optique aux données du radar. Enfin, en ce qui concerne la vulnérabilité des radars aux attaques aériennes, les antennes d'émission et de réception d'un radar sont habituellement placées sur des infrastructures immobiles ou sur des porteurs maritimes, terrestres ou aériens. La position de l'antenne révèle la position de l'infrastructure ou du porteur et - en définitive la destruction de l'antenne entraîne l'impossibilité pour l'exploitant du radar de continuer à opérer. La réduction de la vulnérabilité à l'observation d'un système de radar passe par: - la dispersion des éléments rayonnants, et leur mouvement, - la mobilité de l'ensemble du radar, et de ses moyens optroniques associés, - le fonctionnement en mode passif, et la réduction de la vulnérabilité à la destruction passe par: - le mouvement permanent - I'utilisation des grandes longueurs d'ondes Le système d'observation aérienne selon l'invention apporte une solution aux impératifs qui ont été cités, et il permet d'augmenter la capacité de détection et de diminuer la vulnérabilité pour un radar donné. Ce système comprend comme moyen d'observation aérienne au moins une antenne radar1 volant autour d'un point central auquel elle est retenue par un câble. Pour voler, L'antenne est munie d'au moins un plan sustentateur et d'au moins un moteur, et elle est pilotée depuis le point central, qui fournit, par l'intermédiaire du câble, L'énergie nécessaire au vol ainsi que l'émission de signaux vers l'antenne et la réception des signaux en retour. De façon plus précise l'invention consiste en un système d'observation aérienne caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moyen d'observation par ondes électromagnétiques, ce moyen étant porté par une surface portante dite drone, en vol captif animé d'un mouvement circulaire autour d'un point central, au sol, auquel il est retenu par un câble. L'invention sera mieux comprise par l'exposé plus détaillé qui suit d'un exemple de réalisation et de quelques unes de ses variantes possibles, cet exposé étant appuyé sur les figures jointes en annexe, qui représentent: figure 1 : schéma d'ensemble, vu dans l'espace, d'un système d'observation aérienne selon l'invention, dans une première forme de réalisation, - figure 2 : vue selon une coupe longitudinale et verticale du drone de la figure précédente, - figure 3 : schéma d'ensemble d'une première variante du système d'observation selon l'invention, - figures 4 et 5: schéma d'ensemble d'une deuxième variante de l'invention, et organisation du drone correspondant, - figures 6 et 7: représentation du mode d'orientation du drone, - figure 8 : utilisation du mouvement de l'antenne pour créer un effet doppler. Afin d'en rendre l'exposé plus clair et plus précis, I'invention sera expliquée en s'appuyant sur l'exemple d'un système aérien qui porte un radar et un capteur optronique, mais cette concision ne limite nullement la portée de l'invention, qui s'applique à un système dont le drone emporte au moins un moyen d'observation par émission etlou réception d'ondes électromagnétiques, dans les domaines radar, caméra dans le visible, I'infrarouge ou l'ultra-violet, ou encore la détection de particules, par exemple. Le moyen d'observation est actif ou passif. On appelle drone un petit véhicule aérien, non habité et télécommandé. La figure 1 donne une vue dans l'espace d'un système d'observation aérienne selon l'invention. Comme pour toutes les autres figures, les échelles relatives ne sont pas du tout conservées, mais au contraire adaptées de façon à permettre de mieux représenter le drone. Pour résoudre l'ensemble des problèmes qui ont été analysés précédemment, le système selon l'invention comporte un point central 1 auquel le drone 2 est retenu par un câble 3. Le point central 1 est par exemple un engin mobile terrestre, tel qu'un camion ou un char, et il est avantageusement muni d'un mât, prévu pour ie lancement et la récupération du drone. A ce mât est fixé le câble de retenue 3. Le drone à proprement parler comporte les moyens d'observation, utilisant les ondes électromagnétiques dans un large domaine de longueurs d'ondes englobant la lumière visible et infrarouge et les ondes radar, ces moyens étant actifs ou passifs et animés d'un mouvement à distance et autour du point central 1, dont le drone est captif. Dans un premier exemple montré en figure 1, ce drone comporte: - une surface portante 4, en forme de section d'aile, muni d'au moins un élevon 5, - un moyen de propulsion 6, qui est, par exemple, une soufflante électrique ou un petit turbo propulseur, selon le poids et la dimension du drone, - au moins un premier moyen d'observation, par exemple une antenne radar 7, fixée dans une position telle qu'elle permet d'observer une zone prédéterminée, sur laquelle on reviendra ultérieurement, - ce premier moyen d'observation peut être complété par un autre mode d'observation, tel que par exemple au moins un capteur optronique 8, caméra de télévision ou capteur infra-rouge par exemple. L'antenne radar 7 est préférentiellement orientée vers l'extérieur de la trajectoire circulaire parcourue par le drone 2, dans son vol captif autour du point central 1, et elle est orientée, comme montré en figure 2, par rapport à la surface portante 4, de façon à surveiller un horizon prédéterminé. Selon la position, ou l'éloignement de la zone à surveiller, le champ d'observation peut être défini: -soit en faisant varier l'altitude du drone 2, donc son angle de vol par rapport à l'horizontale du lieu,l'antenne radar 7 étant fixe par rapport au drone, - soit en modifiant l'angle de fixation de l'antenne radar 7 par rapport au drone, dont le vol est maintenu à altitude constante. -soit au moyen d'une antenne à balayage vertical, le balayage horizontal étant assuré par le mouvement de vol circulaire. Le câble 3 est un élément composé, en raison des différentes fonctions qu'il assure. C'est d'abord le fil qui relie le drone au point central et assure la fonction de retenue. La force de celle-ci n'est pas la même en vol normal, au moment de la récupération et au lancement; ce qui conduit à envisager une section de fil en matériau supportant la traction pour couvrir tous les cas. Ce câble a une longueur de l'ordre de 50 à 100 mètres, voire jusque 300 mètres, pour une altitude de vol du drone de l'ordre de 50 mètres, si le mât du point central fait 15 mètres de hauteur. Mais ce câble 3 a également des fonctions d'alimentation électrique et, le cas échéant, d'antenne et de transmission. II comporte donc les conducteurs électriques nécessaires pour transmettre au drone l'energie primaire pour la propulsion, dont la source dans tous les cas est au sol, ainsi que d'autres conducteurs électriques, au moins pour le pilotage du drone par son élevon 5 et pour celui du point d'attache du câble 3. En ce qui concerne l'énergie pour le radar, la source de puissance pour l'émission radar peut être à bord du drone, et dans ce cas les signaux reçus par l'antenne 7 sont transmis au sol soit par conducteur coaxial soit par fibre optique , qui sont donc incorporés au câble 3. Mais la source de puissance pour l'émission peut aussi rester au sol, et être transmise à l'antenne en vol par différents moyens, dont le rayonnement électromagnétique. Enfin ce câble peut comporter une fibre optique pour l'acheminement des d'informations dans le sens montant et descendant. Ce câble peut comporter aussi dans certaines variantes une partie antenne ainsi qu'un revêtement de protection. L'antenne est isolée à son extrémité près du drone et un dispositif d'adaptation peut lui être adjoint. Le câble est protégé contre le givrage par sa propre température de fonctionnement. Comme dans tout système de détection, il est nécessaire de bien connaître la position du moyen qui réalise la dite détection. La position, I'attitude et le mouvement des antennes mobiles sont mesurés avec des moyens électromagnétiques dont une partie est au sol et une autre partie à bord de chacune des antennes, si le système comporte plusieurs antennes. La vulnérabilité de ces systèmes est relativement faible car: - le système est mobile. - les antennes sont dispersées sur une surface importante, chacune présente une surface apparente très faible et chacune est en mouvement, - les autodirecteurs de missiles dans les bandes métriques et décamétriques sont assez imprécis, Le lancement et la récupération du drone ne demandent pas l'appui d'un moyen extérieur au système lui-même. Pour le lancement le drone est soit fixé au bout d'un bras de quelques mètres, soit pendu à un mât. II est mis en rotation jusqu'à ce qu'il atteigne sa vitesse de sustentation minimum. Tout en étant retenu au point central, il est alors largué et s'écarte lentement en gagnant de l'altitude et de la vitesse. Pour la récupération dans les deux cas le drone est lentement attiré vers le centre où un bras récupérateur préalablement mis en rotation le récupère. L'opération de récupération peut être réalisée même en cas de perte de propulsion sur le drone en tout point de sa trajectoire car l'énergie totale possédée par le drone est à tout moment plus élevée que celle qui lui est nécessaire pour atteindre la position de récupération. La figure 3 donne une vue d'ensemble d'un système selon l'invention, présentant plusieurs variantes. Le drone a une surface portante 4, en profil d'aile, qui est munie d'une dérive 9 avec plan horizontal stabilisateur et gouverne de profondeur, et il est propulsé par un moteur à hélice 10. Mais surtout le système radar comprend des moyens 11 d'émission-réception à partir du sol, par exemple à bord d'une cabine ou d'un véhicule situé préférentiellement à proximité du point central 1 du système. L'antenne 12 emportée par le drone 2 n'est plus alors qu'une lentille de déviation, pour renvoyer vers là zone observée les signaux émis du point central au sol. La liaison entre la source de signaux radar, en 11, et le déflecteur 12 se fait par voie hertzienne, et elle est symbolisée, sur la figure 3, par des flèches. Une autre variante encore de l'invention est représentée en figures 4 et 5. Elle concerne essentiellement la forme de l'antenne, et la forme de la surface portante est adaptée pour abriter, dans son épaisseur, une antenne Yagi. Le drone comporte donc un élément de surface portante 4, comparable à ceux représentés en figures 1 et 3, mais il est prolongé par un élément plus large 13 qui porte un stabilisateur 9 et un moteur 10, ainsi qu'un élevon 5. L'antenne Yagi est logée à l'intérieur d'un troisième élément 14 qui prolonge les deux premiers éléments 4 et 13 de la surface portante. Sur la figure 5, on a esquissé en 15 les directeurs de l'antenne de Yagi, qui sont dans le troisième élément 14, et en 16 les dipôles, ainsi qu'en 17 le réflecteur de l'antenne. Des absorbants électromagnétiques sont logés dans un compartiment 18, voisin du réflecteur 17, et l'alimentation de l'antenne est placée en 19, dans la partie externe du drone, par rapport à l'axe moteur 10 - stabilisateur 9. Il faut en effet que cette variante de drone soit stable durant le vol, or son profil d'aile allongée nécessite une aide à la stabilisation, qui lui est apportée en partie par le stabilisateur 9 et en partie par l'équilibrage en poids, les masses les plus élevées stabilisent par la force centrifuge si elles sont dans le second ou le troisième élément de la surface portante. Une antenne Yagi montée à bord d'un drone tel que celui des figures 4 et 5 peut également être orientée, dans le plan vertical, comme les antennes des figures 1 et 3. Dans ce but, le câble 3 est fixé sous la surface portante 4 en un point variable, le long d'un rayon du système en rotation. Ainsi, en figure 6, le câble 3 est fixé en un point de la surface portante 4 relativement proche du centre de gravité du drone, et celui-ci est équilibré dans son vol: il vole horizontalement. Par contre, en figure 7, le câble 3 est fixé sur le bord "intérieur" 41 de la surface portante 4 - considéré par rapport à la trajectoire circulaire - et le drone, soumis à la force centrifuge, est dans le prolongement du câble 3: L'antenne Yagi est inclinée par rapport au sol. L'angle d'inclinaison a peut être modifié soit par commande de la position d'accrochage du câble, soit par commande de la hauteur de vol du drone, puisqu'il est captif du point central 1. L'emploi de deux antennes Yagi superposées entraîne la réalisation de deux surfaces portantes également superposées et solidaires. Les antennes montées sur les drones, tels que décrits dans les figures précédentes, ne sont pas de type à effet doppler, non plus que les radars correspondants. Cependant, le mouvement de rotation du drone et de l'antenne crée un mouvement relatif de l'antenne qui donne un effet doppler, ainsi qu'expliqué en figure 8, sur laquelle 0 représente l'orbite du drone 2, dont A,B et C sont trois positions successives dont B est la position la plus rapprochée de l'objet observé. L'antenne 7 ou 12 émet aux points A et C deux lobes qui permettent de définir la position P d'un objet observé. Lorsque l'antenne tourne et observe un objet immobile en P, la distance de ce point par rapport à l'antenne varie. Sur la figure 8 la distance dA observée à partir de la position A est plus grande que la distance dB observée par le même drone à partir de la position B, elle redevient dC, égale à ce qu'elle était en A à partir de la position C. Ainsi pour une distance donnée un objet immobile à une pente doppler caractéristique. Cette particularité peut servir à affiner artificiellement le diagramme d'antenne, comme cela est réalisé dans les antennes synthétiques; elle peut aussi servir à discriminer les objets mobiles qui n'ont pas le même doppler que les objets fixes. Ces traitements présentent des caractéristiques particulières pour ces systèmes radar car le vol est circulaire. L'invention a été exposée jusqu'à présent en s'appuyant sur des exemples d'antennes ou de réflecteurs fixés sur le drone. Les figures 9 et 11 illustrent deux cas de systèmes d'observation aérienne dont l'antenne est un brin rayonnant incorporé au câble 3. En figure 9, un unique drone 2 entraîne et tend par force centrifuge un unique câble 3 comportant, outre les liaisons énergie-pilotage déjà citées, une enveloppe métallique constituant l'antenne filaire. L'antenne est fixée à l'extrémité d'une aile 4 du drone qui, n'ayant plus à incorporer une antenne à surface rayonnante, peut prendre la forme d'un petit avion. Le double lobe de rayonnement de cette antenne linéaire est représenté sur la figure 10, sur laquelle on a également représenté en 20 le centre de traitement des informations dans lequel s'effectuent les analyses des signaux reçus. Ce centre de calcul 20 est du même type que ceux qui assistent les radars des variantes précédentes de l'invention, mais qui n'ont pas été représentés. L'utilisation de deux drones 21 et 22, emportant deux brins d'antennes filaires 31 et 32 captives d'un unique point central 1, telle qu'elle est représentée en figure 11, est très intéressante car l'antenne équivalente est une antenne en V. Les caractéristiques des antennes en V sont ainsi définies dans le livre "Les antennes" de Brault et Piat, édition ETSF: "L'antenne tire son nom de sa forme. Elle est constituée par deux antennes ayant une longueur égale à une ou plusieurs longueurs d'ondes et formant entre elles un angle aigu et obtus. L'alimentation se fait au sommet de l'angle ou à l'extrémité d'un des côtés. Cet angle n'est pas choisi au hasard mais de telle façon que la combinaison des diagrammes de rayonnement des deux antennes donne le maximum de gain dans le plan bissecteur du V. Comme les antennes demi-onde, onde entière, double-onde, etc... n'ont pas les mêmes diagrammes de rayonnement, L'angle d'ouverture du V variera avec la longueur de ses côtés. Si on choisit l'angle du V tel qu'il soit le double de celui que forment les lobes principaux de chaque antenne, et si on alimente les deux antennes en opposition de phase, la combinaison du rayonnement dans la direction perpendiculaire à la bissectrice de l'angle, produit un renforcement du rayonnement dans la direction de la bissectrice. On obtient donc de ce fait un gain puisqu'il y a augmentation du rayonnement dans une direction privilégiée. On sait que plus une antenne est longue, plus sa directivité augmente dans la direction du fil et plus l'angle formé par les lobes principaux est petit". Cette variante de l'invention avec antenne en V nécessite donc soit l'adaptation des longueurs de brins d'antennes, soit l'asservissement de l'angle entre les deux brins, afin de garder une bonne souplesse d'utilisation du système d'observation, et de pouvoir, selon les besoins, changer la fréquence radar ou augmenter la directivité de l'antenne. En fait, la modification de la longueur d'une antenne n'est pas la solution la plus rapide. II est préférable d'opérer avec une longueur d'antenne fixe, compatible avec la longueur d'onde utilisée et avec les impératifs de vol des deux drones, et d'ajuster la longueur d'onde ainsi que l'angle d'ouverture du V. On sait aisément et rapidement changer la fréquence d'un oscillateur, donc la longueur d'onde opérationnelle. Mais si la longueur des brins d'antennes est fixe, elle ne correspond pas obligatoirement à deux longueurs d'ondes différentes, ou à leurs multiples ou sous-multiples: à titre d'exemple non limitatif, une antenne de 103,4 mètres correspond à 10 X (h = longueur d'onde) à 29 MHz et à 11 X à 31.91 MHz. Si la longueur d'onde utilisée est située entre deux multiples entiers n1 k et n2k, L'antenne en V est optimisée par ajustage de l'angle d'ouverture entre les deux brins d'antennes. A titre d'exemple, sur la figure 11, les deux brins font entre eux un angle de 31", qui correspond à une fréquence 29MHz. Pratiquement, on observe à partir du sol quelle est l'ouverture réelle du V, et on émet dans la fréquence appropriée en mettant en jeu éventuellement un réglage d'adaptation qui peut se situer dans le drone. Par exemple, la position du second drone peut être asservie à celle du premier drone par un automatisme de mesure de distance par infra-rouge, qui pilote le moteur du second drone. La figure 12 montre l'intérêt de cette variante de l'invention : les deux brins d'antennes 31 et 32 définissent un lobe directionnel, ayant son origine au point fixe 1 du système d'observation, et ayant un gain qui, à titre d'exemple, varie de 3 à 17 dB lorsque l'angle entre les deux brins varie de 90" à 23". Le système d'observation aérienne selon l'invention est plus particulièrement destiné à la surveillance des champs de bataille. II est précisé par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 - Système d'observation aérienne caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moyen d'observation par ondes électromagnétiques (7), ce moyen étant porté par une surface portante (4) dite drone (2), en vol captif animé d'un mouvement circulaire autour d'un point central (1), au sol, auquel il est retenu par un câble (3). 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'observation embarqué à bord du drone (2) est une antenne radar (7). 3 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'observation embarqué à bord du drone (2) est un capteur optronique (8) de type caméra de télévision ou capteur infra-rouge. 4 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drone (2) est propulsé par un moteur (6,10), à hélice ou à turbine à air, alimenté en énergie et piloté depuis le point central (1) du système. 5 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drone (2) est muni d'au moins un dispositif de gouverne tel qu'un élevon (5) ou un stabilisateur (9). 6 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drone (2) est attaché au point central (1) par un câble (3) qui assure au moins l'alimentation en énergie du drone (2). 7 - Système selon la revendication 2 , caractérisé en ce que l'antenne radar (7) est active et est réunie au point central (1) du système par le câble (3) qui transporte en outre les signaux radar à l'émission et à la réception. 8 - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'antenne radar (12) est passive, formée par un déflecteur radar, réuni par voie hertzienne aux moyens (11) d'émission-réception radar situés au sol. 9 - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'antenne est de type filaire et est incorporée au câble (3) de retenue du drone (2), qui tend l'antenne par force centrifuge. 10 - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend deux antennes filaires (31. 32). tendues par deux drones (21,22), ces deux antennes formant une antenne en V. 11 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface portante comprend au moins une portion d'aile (4) 12 - Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'orientation du drone (2) par rapport au plan du sol est obtenue par modification du point de fixation du câble (3) sous la surface portante (4) du drone (2)