Brevet FR2984521A1 — publié le 20130621

Senseur radioélectrique apte à être fixé à un aéronef et à fournir une information de distance par rapport à une surface La présente invention concerne un senseur radioélectrique apte à être fixé à un aéronef et à fournir une information de distance dudit aéronef par rapport à une surface, ainsi qu'un procédé d'obtention d'au moins une information de distance d'un aéronef par rapport à une surface. De tels senseurs radioélectriques, utilisés dans le domaine de l'aéronautique civile ou militaire, sont plus généralement connus sous le nom de radioaltimètres. Un radioaltimètre ou radar altimétrique est un instrument installé à bord d'un aéronef et apte à fournir la hauteur de l'aéronef par rapport au sol ou à une surface survolée. Un radioaltimètre est en particulier utilisé pendant les phases de vol automatique ou les phases de vol critiques, telles que l'approche, l'atterrissage et le décollage. La mesure de hauteur fournie par le radioaltimètre peut par ailleurs être utilisée pour diverses applications calculatoires mises en oeuvre par ordinateur ou par des équipements équipés de calculateurs, comme par exemple le recalage de la position de l'aéronef par rapport à une carte pré-établie du terrain survolé. Dans l'état de la technique, on connaît différents types de radioaltimètres, le principe général de tels instruments étant de mesurer la hauteur en mesurant le temps de propagation de signaux radioélectriques émis et reçus après réflexion au sol. En particulier, il est connu d'utiliser l'émission continue d'onde radioélectrique modulée en fréquence par un signal de modulation en dents de scie, à pente sensiblement linéaire, selon une excursion de fréquence 5F, connue sous le nom de modulation FMCW pour « frequency-modulated continuous wave ». Dans le domaine civil, la bande de fréquence utilisée est de 4.2 à 4.4 GHz. Après réflexion sur le sol, une onde radioélectrique est reçue en écho après une durée i qui est fonction de la hauteur de l'aéronef. Un radioaltimètre comporte également des moyens de comparaison permettant de comparer, à chaque instant to, la valeur de la fréquence de l'onde émise à l'instant to, Fe, à la valeur de la fréquence de l'onde reçue à l'instant to, Fr, qui à été émise à l'instant to-t. La différence fréquentielle, appelée fréquence de battement, Fb=fe-Fr, permet de déduire la hauteur de l'aéronef. Selon les méthodes connues de l'état de la technique, un tel radioaltimètre basé sur une modulation en rampe de fréquence est couplé à une antenne d'émission/réception dite stationnaire, à diagramme de rayonnement constant pendant toute la durée de l'émission de l'onde radioélectrique, ce qui permet de fournir une information de distance par rapport au sol théoriquement représentative de la hauteur vraie de l'aéronef. Il existe néanmoins des situations dans lesquelles les techniques connues de l'état de la technique fournissent une mesure de hauteur erronée, par exemple en cas de présence d'une charge sous l'élingue de l'aéronef, qui, selon sa position par rapport à la zone couverte par le diagramme de rayonnement d'antenne, peut fausser la mesure. Dans un tel cas, la hauteur fournie par le radioaltimètre est la hauteur par rapport à la charge et non par rapport au sol. Par ailleurs, on connaît dans l'état de la technique l'utilisation de senseur radioélectrique couplé avec une antenne mobile, combinée avec un radar à impulsion, permettant de mesurer des informations de distance par rapport à la surface survolée selon plusieurs directions d'orientation de l'antenne prédéterminées. Les inconvénients de ce type de senseur sont sa complexité, son coût et sa latence. En effet, un tel balayage mécanique implique une émission de signal dans chaque direction d'orientation de l'antenne, ce qui induit une latence. On connaît également l'utilisation de senseur radioélectrique couplé avec une antenne comportant des déphaseurs hyperfréquence, tels que par exemple les déphaseurs décrits dans le brevet EP1139484, permettant d'émettre des faisceaux d'onde selon plusieurs directions et d'obtenir plusieurs informations de distance correspondantes. Dans ce cas encore, une forte latence est introduite par le déphasage du signal d'antenne. L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, permettant de fournir avec une faible latence une information de distance par rapport à une surface d'un aéronef qui soit plus fiable et non faussée par un obstacle situé entre le senseur et l'aéronef. A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un senseur radioélectrique apte à être fixé à un aéronef et à fournir au moins une information de distance dudit aéronef par rapport à une surface, comportant un générateur d'onde radioélectrique modulée en fréquence par un signal de modulation en dents de scie selon une excursion de fréquence SF prédéterminée, un système d'antenne d'émission-réception apte à émettre ladite onde radioélectrique et à recevoir une onde radioélectrique réfléchie par ladite surface, et des moyens de traitement d'un résultat de la comparaison desdites onde radioélectrique émise et onde radioélectrique réfléchie permettant d'extraire une dite information de distance, caractérisé en ce que le système d'antenne d'émission-réception comprend une antenne à balayage par excursion de fréquence émise, apte à émettre selon une pluralité de directions d'émission, chaque direction d'émission étant définie par une valeur angulaire associée comprise dans un secteur angulaire défini par ladite excursion de fréquence 5F, chacune desdites valeurs angulaires étant associée à une fréquence d'émission, et en ce que lesdits moyens de traitement sont aptes à fournir une pluralité d'informations de distance, chaque information de distance correspondant à au moins une direction d'émission. Avantageusement, le senseur radioélectrique selon l'invention fournit une pluralité d'informations de distance par rapport à une surface, permettant de déduire de manière plus fiable la hauteur de l'aéronef. De plus, le senseur radioélectrique selon l'invention est peu coûteux, puisqu'il utilise une antenne fixe sans composants actifs. La latence de réponse est faible, car le balayage en excursion de fréquence se fait avantageusement en utilisant une seule émission de signal radioélectrique modulé en fréquence. Le senseur radioélectrique selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : - lesdits moyens de traitement comportent des moyens de traitement de consolidation aptes à obtenir, à partir de ladite pluralité d'informations de distance, une information de distance consolidée ; - ladite information de distance consolidée est une information de hauteur par rapport au sol de l'aéronef ; - lesdits moyens de traitement comportent des moyens d'obtention d'une pluralité de zones d'analyse et des moyens d'analyse spectrale appliqués par zone d'analyse, chaque zone d'analyse étant définie par une première direction d'émission et une deuxième direction d'émission, chaque direction d'émission étant définie par une valeur angulaire associée ; - au moins un paramètre permettant de définir lesdites zones d'analyse est fourni par un utilisateur via des moyens de paramétrage du senseur radioélectrique. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé d'obtention d'au moins une information de distance par rapport à une surface d'un aéronef équipé d'un senseur radioélectrique tel que brièvement décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - obtention d'au moins un paramètre permettant de définir un nombre de zones d'analyse, chaque zone d'analyse étant définie par une première direction d'émission et une deuxième direction d'émission, et - obtention d'une information de distance pour chacune des zones d'analyse. Le procédé d'obtention d'au moins une information de distance par rapport à une surface d'un aéronef selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : - il comporte en outre une étape de traitement de consolidation des informations de distance obtenues pour chaque zone d'analyse permettant de calculer une information de hauteur consolidée dudit aéronef ; - ledit au moins un paramètre est un nombre (N) de zones d'analyse ; - ledit au moins un paramètre comprend un ensemble de directions d'émission, chaque direction d'émission étant définie par au moins une valeur angulaire associée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement un faisceau d'onde radioélectrique émis par un senseur radioélectrique, dans un exemple schématique de mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 2 illustre la correspondance entre fréquences émises et directions angulaires ; - la figure 3 est un schéma représentant les modules fonctionnels d'un senseur radioélectrique selon l'invention ; - la figure 4 est un synoptique 'un dispositif apte à mettre en oeuvre un module de traitement numérique selon l'invention, et - la figure 5 est un synoptique représentant les principales étapes d'un procédé d'obtention d'au moins une distance d'un aéronef par rapport à une surface selon l'invention. L'invention sera décrite plus particulièrement ci-après lorsque le senseur radioélectrique est un radioaltimètre, apte à fournir plusieurs informations de distance par rapport au sol ou à une surface survolée par un aéronef, par exemple un avion ou un hélicoptère. La figure 1 illustre de manière schématique un aéronef 1 muni d'un senseur radioélectrique 2 selon l'invention, apte à émettre un faisceau d'ondes radioélectriques selon une pluralité de directions d'émission comprises entre la direction d'émission D1 et la direction d'émission DN, chaque direction d'émission correspondant à une fréquence d'émission d'onde électromagnétique s'échelonnant entre une valeur Fni, et une valeur Fmax, selon une excursion de fréquence Fmax-Fmin= 5F. Le senseur radioélectrique 2 selon l'invention, comme il sera décrit plus en détail ci-après, comporte un générateur d'onde radioélectrique modulée en fréquence par un signal de modulation en dents de scie couplé à une antenne à balayage par excursion de fréquence émise. Le senseur radioélectrique 2 est positionné sous l'aéronef 1 et émet des ondes radioélectriques en direction du sol S. Ces ondes radioélectriques sont réfléchies et l'écho de réception est reçu par une partie réceptrice de l'antenne, et traitées par des moyens de traitement décrits plus en détail ci-après afin de fournir une ou plusieurs informations de distance par rapport à une surface consolidées. Dans l'exemple de la figure 1, le faisceau d'ondes émis a une ouverture correspondant à un secteur angulaire de 0, degrés, comprise de préférence dans une plage compatible des diagrammes existants dans le contexte classique des radioaltimètres. Par exemple, une plage allant -30° à 30'est envisagée dans un mode de réalisation. Les directions d'émission peuvent être représentées par une mesure angulaire par rapport à la verticale A : ainsi, la direction D1 correspond à un angle de -01 par rapport à A, et la direction DN correspond à l'angle ON par rapport à A, comme représenté à la figure 1. La figure 2 illustre schématiquement par des graphes la correspondance entre les fréquences émises et les angles des directions d'émission, également appelées directions de pointage. Les angles représentatifs des directions de pointage sont également appelés angles de pointage. Le graphe G1 illustre de manière schématique une rampe de fréquence d'un signal de modulation en dents de scie, adaptée à un mode de réalisation de l'invention, de pente positive entre une valeur de fréquence minimale Frifin et une valeur de fréquence maximale Fmax, réalisant un excursion de fréquence SF=Fmax-Fmm, émise entre l'instant temporel To et l'instant temporel Tm, la durée Tm-To étant typiquement de l'ordre de 50ms. Le graphe G2 illustre l'évolution des angles de pointage correspondants, qui est fonction de la fréquence avec une correspondance légèrement sinusoïdale entre la valeur -01 correspondant à la fréquence Fmr, et la valeur ON correspondant à la fréquence d'émission Fmax. Les valeurs -01 et ON sont fonction du design de l'antenne, notamment de la longueur électrique séparant les différents éléments rayonnants de celle-ci. On a également représenté sur la figure 2 le découpage du secteur angulaire balayé en zones, chaque zone étant définie par une première valeur angulaire 0, associée à une première direction d'émission et une deuxième valeur angulaire Ob associée à une deuxième direction d'émission, correspondant chacune à une fréquence respective Fa et Fb, la correspondance étant représentée par des traits pointillés rejoignant les graphes G1 et G2 de la figure 2. Dans un mode de réalisation, une antenne à balayage de fréquence est réalisée, de manière connue, en utilisant par exemple des antennes à ondes de fuite de type micro-ruban, permettant de réaliser une direction d'émission pour chaque fréquence d'émission, de manière quasi-continue. L'antenne est paramétrée de manière à ce que le lobe principal du diagramme d'antenne soit minimisé en largeur de manière à cibler une direction d'émission, tout en limitant les lobes secondaires, de manière à éviter une contribution importante des ondes réfléchies par les zones adjacentes à la direction d'émission. La figure 3 illustre schématiquement les principaux modules fonctionnels d'un senseur radioélectrique 2 selon l'invention, qui comporte un système d'antenne 4 et un radioaltimètre 6 qui comprend un module d'émission/réception radiofréquence. Sur la figure 3 on a représenté un axe en trait pointillé A, afin de distinguer les modules fonctionnels utilisés en émission et les modules fonctionnels utilisés en réception. Ainsi, le radioaltimètre 6 comprend un générateur 8 d'onde radioélectrique modulée en fréquence de type FMCW à émettre, la fréquence variant selon une rampe, comme illustré à la figure 2. L'onde radioélectrique générée O est transmise au module de transmission 10 du système d'antenne 4 qui réalise le balayage par excursion de fréquence comme expliqué ci-dessus, la pluralité des directions d'émission ou de pointage obtenues étant fonction des valeurs de fréquence émises. Le faisceau d'ondes radioélectriques résultant est émis vers le sol S et réfléchi sous forme de faisceau d'onde radioélectrique F'. Il est reçu par le module récepteur 12 du système d'antenne 4. En pratique, le module 12 peut être intégré avec le module 10 en un système d'antenne d'émission/réception, ou bien séparé, fonctionnant comme antenne de réception uniquement, par exemple une antenne omnidirectionnelle de réception. L'onde radioélectrique reçue O' est transmise à un module 14 de génération du signal de battement S entre l'onde radioélectrique O émise et l'onde radioélectrique reçue O', réalisé typiquement, de façon connue, par un mélangeur homodyne. Le signal de battement S est ensuite fourni à un module de traitement numérique 16. Le module de traitement numérique 16 comprend un module de localisation temps/fréquence 18, apte à appliquer une analyse spectrale de localisation temps/fréquence permettant de mesurer une information de distance par rapport au sol, pour une pluralité de zones, chaque zone étant définie par un intervalle compris entre une première direction d'émission et une deuxième direction d'émission. Typiquement, le nombre de zones à analyser, pour lesquelles une information de distance est requise, est fourni comme paramètre par les moyens d'obtention de paramétrage 20. Dans un mode de réalisation, le nombre N de zones à analyser est variable selon l'application. L'ensemble du domaine angulaire correspondant au faisceau d'onde radioélectrique émis est divisé en N zones égales, chaque zone étant définie par l'intervalle d'angles de pointage [0,, Ob], autour d'un angle de pointage moyen 01, par exemple égal à (0, + Ob )/2. Le nombre de zones d'analyse maximal n'est limité que par la précision atteignable par le module de traitement numérique. En sortie du module de traitement numérique 18 on obtient un vecteur V comportant, pour chaque zone analysée, une information de distance par rapport à la surface selon la direction de pointage associée à la zone analysée. Le nombre d'éléments V, du vecteur V est donc égal au nombre de zones analysées. Le vecteur V est transmis en entrée d'un module de traitement de consolidation 22, qui calcule une information de distance consolidée, par exemple une information de hauteur consolidée, à partir des informations de distance du vecteur V. Typiquement, les informations de distance par rapport à une surface sont utilisées dans un calcul mathématique permettant de déduire avec une précision donnée une information de hauteur consolidée H de l'aéronef par rapport au sol. On obtient donc, en sortie du module de traitement de consolidation 22 des informations de navigation IG, comportant la valeur d'information de hauteur consolidée H calculée, et, optionnellement, le vecteur V comportant les informations de distance par rapport à une surface selon les directions d'émissions associées aux zones analysées préalablement obtenues en sortie du module 18. Ces informations sont envoyées vers un module de traitement externe 24, comme par exemple un module d'affichage, ou un module apte à effectuer des traitements supplémentaires, comme par exemple un calcul de recalage de la position de l'aéronef par rapport à une carte. La figure 4 illustre les principaux blocs fonctionnels représentatifs des moyens mis en oeuvre par un dispositif apte à mettre en oeuvre un module de traitement numérique 16 selon l'invention. En pratique, le dispositif comporte un moyen de conversion analogique-numérique 30, un moyen de saisie des commandes utilisateur 32, un processeur 34 apte à exécuter des instructions de programme lorsque le dispositif est mis sous tension et un moyen de stockage de données et de paramètres 36. Les moyens 30 à 36 sont connectés via un bus de communication 38. Un mode de réalisation d'un procédé d'obtention d'au moins une information de distance par rapport à une surface d'un aéronef selon l'invention sera explicité en référence à la figure 5. Une première étape 40 consiste à obtenir des caractéristiques de l'antenne à balayage par excursion de fréquence, notamment les angles des directions d'émission extrêmes correspondant aux fréquences minimale et maximale d'émission, permettant ainsi de définir le secteur angulaire maximal qu'il est possible de balayer. Ensuite, une étape 42 d'obtention des paramètres est mise en oeuvre. Les paramètres sont typiquement dépendants de l'application et sont introduits via les moyens de paramétrage 20. Dans un mode de réalisation, un utilisateur définit un nombre N de zones d'analyse, ce qui permet de définir N zones d'analyse égales. En variante, un utilisateur rentre les bornes [0,, Ob] des intervalles angulaires définissant les zones à analyser, ce qui permet éventuellement de définir des zones d'analyse inégales. Selon une autre variante, l'opérateur renseigne des valeurs angulaires de pointage correspondant à des directions d'émission d'intérêt, et des zones d'analyse sont automatiquement définies à partir de ces paramètres. Ensuite, de manière classique, un faisceau d'onde radioélectrique selon une rampe d'un signal de modulation en dents de scie, compris entre les fréquences Fm, et Fmax, est émis à l'étape 44 et le faisceau d'onde réfléchi est reçu à l'étape 46. Le signal d'onde radioélectrique est divisé en zones à l'étape 48, la division étant effectuée selon les paramètres de définition des zones obtenus précédemment à l'étape 42. Par exemple, l'ensemble du spectre fréquentiel est divisé en N zones d'analyse égales. Une étape d'analyse temps/fréquence 50 pour chaque zone d'analyse est mise en oeuvre ensuite. Toute méthode classique de localisation temps/fréquence, par exemple l'utilisation d'un périodogramme ou d'un spectrogramme, est utilisable à l'étape 50, la particularité de la mise en oeuvre étant ici la mise en oeuvre par zones. A cette étape 50, un ensemble de valeurs d'informations de distance par rapport à une surface V={Vi,...,VN} est obtenu, chaque information de distance étant calculée pour une zone d'analyse et correspondant à la distance de l'aéronef par rapport à la surface selon un direction d'émission associée à la zone d'analyse, par exemple la direction d'émission définie par l'angle de pointage moyen de l'intervalle d'angles de pointage définissant la zone d'analyse. Suite à l'étape d'analyse temps-fréquence par zones 50, une étape de traitement de consolidation 52 est mise en oeuvre. Par exemple, afin d'exclure une erreur de distance due à un obstacle positionné en dessous de l'aéronef, une analyse statistique des valeurs V; est effectuée. Par exemple, la valeur médiane est retenue comme information de hauteur consolidée H, ce qui permet d'éviter de prendre en considération des valeurs extrêmes, par exemple une valeur trop petite due à une présence de charge. En variante, la méthode de traitement de consolidation mise en oeuvre à l'étape 52 comprend la mémorisation des informations de distance relevées, et la validation d'une cohérence entre de nouvelles informations de distance obtenues et des informations mémorisées. Ainsi, si une charge apparaît par exemple sous l'aéronef alors qu'elle n'était pas présente auparavant, la validation de cohérence permet de rejeter les informations de distance calculées avec la présence de charge. D'autres alternatives de mise en oeuvre de cette étape de traitement de consolidation, permettant de calculer une information de distance plus fiable à partir de la pluralité d'informations de distance sont envisageables. La valeur d'information de hauteur consolidée H, et optionnellement le vecteur V comportant plusieurs informations de distance sont obtenus à l'issue de ce procédé d'obtention d'une information de distance d'un aéronef. Les étapes 44 à 52 sont répétées périodiquement, à chaque émission de rampe du signal de modulation en dents de scie. Avantageusement, l'invention permet d'obtenir une pluralité d'informations de distance par rapport à une surface, et ainsi de calculer avec faible latence une information de hauteur consolidée pour un aéronef, qui est bien plus fiable qu'une information de hauteur obtenue classiquement par utilisation d'une antenne à diagramme stationnaire. REVENDICATIONS1.- Senseur radioélectrique (2) apte à être fixé à un aéronef et à fournir au moins une information de distance dudit aéronef par rapport à une surface, comportant un générateur (8) d'onde radioélectrique modulée en fréquence par un signal de modulation en dents de scie selon une excursion de fréquence 8F prédéterminée, un système d'antenne (4) d'émission-réception apte à émettre ladite onde radioélectrique et à recevoir une onde radioélectrique réfléchie par ladite surface, et des moyens de traitement (16) d'un résultat de la comparaison desdites onde radioélectrique émise et onde radioélectrique réfléchie permettant d'extraire une dite information de distance, caractérisé en ce que : le système d'antenne (4) d'émission-réception comprend une antenne (10) à balayage par excursion de fréquence émise, apte à émettre selon une pluralité de directions d'émission, chaque direction d'émission étant définie par une valeur angulaire associée comprise dans un secteur angulaire défini par ladite excursion de fréquence 8F, chacune desdites valeurs angulaires étant associée à une fréquence d'émission, et en ce que lesdits moyens de traitement (16) sont aptes à fournir une pluralité d'informations de distance (V,), chaque information de distance correspondant à au moins une direction d'émission. 2.- Senseur radioélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (16) comportent des moyens de traitement de consolidation (22) aptes à obtenir, à partir de ladite pluralité d'informations de distance, une information de distance consolidée. 3.- Senseur radioélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite information de distance consolidée est une information de hauteur (H) par rapport au sol de l'aéronef. 4.- Senseur radioélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (16) comportent des moyens d'obtention d'une pluralité de zones d'analyse et des moyens d'analyse spectrale (18) appliqués par zone d'analyse, chaque zone d'analyse étant définie par une première direction d'émission et une deuxième direction d'émission, chaque direction d'émission étant définie par une valeur angulaire associée. 5.- Senseur radioélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un paramètre permettant de définir lesdites zones d'analyse est fourni par un utilisateur via des moyens de paramétrage (20) du senseur radioélectrique.35 6. - Procédé d'obtention d'au moins une information de distance par rapport à une surface d'un aéronef équipé d'un senseur radioélectrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - obtention (42) d'au moins un paramètre permettant de définir un nombre de zones d'analyse, chaque zone d'analyse étant définie par une première direction d'émission et une deuxième direction d'émission, et - obtention (50) d'une information de distance pour chacune des zones d'analyse. 7.- Procédé d'obtention d'au moins une information de distance d'un aéronef selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de traitement de consolidation (52) des informations de distance obtenues pour chaque zone d'analyse permettant de calculer une information de hauteur consolidée dudit aéronef. 8.- Procédé d'obtention d'au moins une information de distance d'un aéronef selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit au moins un paramètre est un nombre (N) de zones d'analyse. 9.- Procédé d'obtention d'au moins une information de distance d'un aéronef selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit au moins un paramètre comprend un ensemble de directions d'émission, chaque direction d'émission étant définie par au moins une valeur angulaire associée.