Brevet FR3064800A1 — publié le 20181005

PROCEDE DE GUIDAGE D'UNE CIBLE AERIENNE, NOTAMMENT EN PHASE D'ATTERRISSAGE VERTICAL, ET SYSTEME RADAR METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE La présente invention concerne un procédé de guidage d'une cible aérienne, notamment en phase d'atterrissage vertical. Elle concerne également un système radar mettant en oeuvre un tel procédé. Le domaine technique de l'invention concerne notamment les systèmes d'aide à l'atterrissage ou au décollage d'engins pilotés ou non, et plus particulièrement l'atterrissage ou le décollage vertical. Un problème technique à résoudre est la localisation d'un engin à décollage ou atterrissage vertical pour lequel une très grande précision de localisation est recherchée, selon une solution économique. Ce besoin peut concerner le guidage des aéronefs à voilures tournantes, pilotés ou non, mais plus particulièrement les nouveaux systèmes destinés à récupérer le premier étage des lanceurs de fusées. Dans ce cas particulier la vitesse de descente est élevée, ce qui rend le guidage vers l'aire d'atterrissage très délicat. Par ailleurs, ces systèmes nécessitent une très grande sécurité de fonctionnement, compte-tenu du coût de l'engin que l'on souhaite récupérer et des risques encourus, notamment les risques de crash en zone habitée. Il existe de nombreux systèmes d'aide à l'atterrissage, en particulier basés sur la technologie radar. La plupart de ces systèmes sont adaptés à l'atterrissage d'aéronefs réalisant une approche du point de toucher selon une pente de descente faible, typiquement 3° et avec une vitesse de descente relativement faible. On peut notamment citer dans ce cadre le système P.A.R. (Precision Approach Radar). Tous ces systèmes sont destinés à détecter des cibles à longue distance, typiquement plusieurs dizaines de kilomètres, ce qui nécessite des antennes de grandes dimensions et une puissance d'émission élevée. Ils sont onéreux, lourds à mettre en oeuvre ou sont mal adaptés au guidage d'engins réalisant une pente de descente verticale ou quasi-verticale, en particulier quand la vitesse de descente est élevée. 3064800 2 Un but de l'invention est notamment de permettre le guidage d'engins à l'atterrissage, à vitesse d'approche élevée, avec précision, en toute sécurité et de façon économique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de guidage d'une cible 5 aérienne vers une trajectoire donnée, ledit procédé réalisant au moins : un premier traitement radar de localisation et d'estimation de trajectoire de ladite cible à partir de mesures de distances radiales, de fréquence Doppler et d'angle d'azimut et d'élévation de ladite cible issues d'un signal radar émis vers ladite cible ; 10 - un deuxième traitement radar de localisation et de trajectoire de ladite cible selon un axe vertical, par application du principe de l'antenne synthétique inverse ; l'écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par ledit premier traitement projetée sur un plan horizontal et l'écart entre ladite 15 trajectoire donnée et la trajectoire estimée par le deuxième traitement selon ledit axe vertical étant utilisés pour commander la direction de déplacement de ladite cible. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, ladite trajectoire aérienne donnée est sensiblement verticale, ladite trajectoire donnée étant par 20 exemple orientée vers une aire de toucher, ladite cible étant en phase d'atterrissage. Lesdits écarts sont par exemple calculés par des circuits de traitements radar et transmis à un système de commande de direction de déplacement de ladite cible. 25 Dans un mode de mise en oeuvre possible, ledit deuxième traitement établit par exemple de façon continue un historique des vitesses radiales successives mesurées par effet Doppler pour déterminer une réplique de phase correspondant au trajet aller-retour du signal radar émis sur un intervalle de temps limité, ledit historique étant utilisé pour construire un 30 corrélateur dudit signal reçu, ledit corrélateur étant appliqué pour la mesure de distance de ladite cible par ledit premier traitement selon différentes valeurs possibles de l'angle d'élévation de ladite cible à l'intérieur du 3064800 3 domaine d'incertitude dudit premier traitement. La réplique de phase ayant donné le pic de corrélation le plus élevé détermine par exemple la valeur de l'angle d'élévation de la dite cible et sa vitesse selon l'axe vertical. La valeur dudit angle d'élévation de ladite cible est par exemple affinée par mesure de 5 contraste entre l'amplitude du pic de corrélation de niveau maximum et les répliques de plus proches voisinages. La mesure de la largeur du pic de corrélation est par exemple utilisée pour estimer la verticalité de la trajectoire suivie par ladite cible selon l'axe vertical. Ledit deuxième traitement, selon le principe d'antenne synthétique inverse, 10 est par exemple réalisé sur un intervalle de temps limité dans le domaine angulaire correspondant à la distance parcourue par ladite cible dans ledit intervalle de temps. Ledit intervalle de temps est par exemple limité par la durée temporelle pendant laquelle la direction de la trajectoire de ladite cible peut être considérée comme fixe selon l'axe vertical. 15 Ledit procédé utilise par exemple une ou plusieurs balises équipant ladite cible pour établir une référence de localisation ponctuelle. Ledit procédé utilise par exemple une ou plusieurs balises au sol pour effectuer des mesures de localisation différentielles. Ledit deuxième traitement est par exemple utilisé pour estimer l'attitude de 20 ladite cible, ladite cible étant découpée selon différentes tranches selon l'axe vertical, les différents pics de corrélation relatifs aux différentes tranches verticales de l'objet se trouvant décalés temporellement pour un même angle d'élévation permettant de déterminer avantageusement l'attitude de ladite cible. 25 Ladite cible est par exemple le premier étage d'un lanceur de fusée. L'invention a également pour objet un système radar mettant en oeuvre le procédé tel que décrit précédemment. Ledit système comporte par exemple une antenne fixe à multifaisceaux. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : 3064800 4 La figure 1, une situation de guidage d'un engin aérien 1 vers une aire d'atterrissage ; La figure 2, une illustration de la mise en oeuvre matérielle de l'invention ; 5 La figure 3, un exemple d'antenne utilisée par un radar mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ; La figure 4, une présentation des deux traitements radars utilisés par le procédé selon l'invention ; La figure 5, une première phase du premier traitement radar utilisé 10 correspondant à la détection initiale d'une cible ; La figure 6, une deuxième phase dudit premier traitement estimant une trajectoire grossière de la cible ; La figure 7, un système d'axes centré sur l'antenne du radar dans lequel est repérée la cible. 15 La figure 1 illustre une situation de guidage d'un engin aérien 1 vers une aire d'atterrissage 2. L'engin 1 est en trajectoire quasi-verticale, se déplace à vitesse élevée vers cette aire 2. L'engin est par exemple le premier étage d'un lanceur de fusée que l'on 20 souhaite récupérer après sa mission, en le faisant atterrir sur l'aire 2. Dans ce cas l'engin se dirige vers le sol en décélérant et en se stabilisant dans une position verticale grâce à ses propulseurs qui sont orientés vers le bas et qui assurent une poussée vers le haut. Un problème est de guider cet engin pour l'amener sur l'aire d'atterrissage 2 25 avec une vitesse finale nulle et dans une position verticale. Cette aire 2 est relativement petite d'où la précision nécessaire au guidage. A cette fin, l'invention propose un dispositif permettant de localiser très précisément l'engin au cours de sa descente et d'établir la trajectoire de l'engin en temps réel pour assurer son guidage. 30 Dans une telle phase de guidage, la vitesse de descente peut dépasser en début de phase 1000 mètres par secondes. Il est donc nécessaire de réaliser une première détection de l'engin à partir d'une altitude minimale H de l'ordre de 10 000 mètres afin de sécuriser la descente. Compte-tenu de l'incertitude et des variations possibles de la trajectoire 35 d'approche, le domaine de la trajectoire de l'engin est déterminé par un 3064800 5 volume 3 qui peut être confondu grossièrement à un tronçon de cône pointe en bas, centré sur l'aire d'atterrissage 2. La surface horizontale à couvrir pour la détection initiale est typiquement un disque de diamètre L de l'ordre d'un à plusieurs kilomètres. La surface de 5 l'aire d'atterrissage peut être assimilée à un disque de diamètre I de l'ordre de quelques mètres. Les exigences de précision de localisation sont de plus en plus sévères au fur et à mesure que l'engin s'approche du sol. La précision doit être par exemple meilleure que 1 mètre au moment du posé. 10 La figure 2 illustre la mise en oeuvre de l'invention. On positionne au sol un radar 21 à faible distance de l'aire d'atterrissage, typiquement à quelques kilomètres. Le radar peut également être positionné en mer sur une plateforme. 15 Le radar 21 est un radar Doppler et comporte une antenne fixe, avec une architecture antennaire lui permettant d'éclairer 22 l'ensemble du domaine parcouru par la trajectoire de l'engin à l'intérieur du cône 3. Plus précisément, l'antenne du radar est apte à éclairer la totalité du cône de trajectoire en élévation. 20 A cet effet : d'une part l'antenne du radar possède une large couverture angulaire en élévation, par exemple de l'ordre de 45° ; et d'autre part, l'antenne est en position inclinée par rapport à la verticale, par exemple de l'ordre 200, pour couvrir le domaine de 25 trajectoire de façon optimum comme illustré par la figure 2, l'antenne étant orientée de façon à ce que sa couverture angulaire englobe la totalité de la trajectoire descendante, ou montante, jusqu'à une altitude prédéterminée. 30 Le radar 21 comporte des moyens de localisation angulaire d'une cible, en azimut et en élévation. Pour faciliter la représentation du radar 21, ce dernier est représenté par son antenne sur cette figure 2. La couverture angulaire en azimut n'a pas besoin d'être importante, 35 typiquement elle peut être inférieure à 100 . 3064800 6 La figure 3 illustre un exemple de réalisation de l'antenne utilisée par un radar selon l'invention. C'est une antenne réseau 2D, comprenant plusieurs voies de réception, quatre dans cet exemple, et couvrant un large domaine angulaire en élévation comme précisé précédemment. 5 L'antenne 30 comporte ainsi un réseau d'éléments rayonnants 31 plan lui permettant de former différents faisceaux en réception couvrant chacun une portion du domaine de détection 22 couvert par l'antenne. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, le réseau est formé de quatre sous-réseaux d'éléments rayonnants 301, 302, 303, 304 associés chacun à 10 une voie de réception. Dans une telle antenne, les précisions de localisation sont limitées par les dimensions dl et d2 entre les centres de phases de deux sous-réseaux consécutifs. Les faisceaux d'antenne sont classiquement formés de façon analogique, par balayage électronique, ou par traitement numérique, selon le principe de 15 formation de faisceau par le calcul (FFC). A l'émission, la couverture peut être obtenue par un seul faisceau large ou par commutation temporelle de plusieurs faisceaux. La figure 4 présente les deux traitements radar 41, 42 mis en oeuvre par 20 l'invention, en vue de guider la trajectoire d'un engin 1 vers une trajectoire donnée, notamment une trajectoire sensiblement verticale pour atteindre une aire de toucher 2 avec précision. Ces deux traitements radar seront décrits précisément par la suite. On entend par traitement radar un traitement mis en oeuvre par un radar à partir d'informations de signaux radars, ces signaux 25 étant ici issus de la cible 1 à guider. Le premier traitement 41 réalise une localisation et une trajectoire grossière de l'engin selon une méthode conventionnelle et détermine son évolution selon le plan horizontal. Plus précisément le radar réalise une estimation grossière de la position, de la trajectoire et des paramètres cinématiques de 30 l'engin à partir de mesures de la distance radiale, de la vitesse radiale et des angles d'azimut et d'élévation, de façon classique. Le deuxième traitement 42, qui être réalisé parallèlement au premier traitement 41, réalise une localisation et une trajectoire de l'engin à haute résolution selon l'axe vertical, en appliquant le principe de l'antenne 35 synthétique inverse (encore appelé ISAR pour « Inverse Synthetic Aperture 3064800 7 Radar), de façon à affiner la précision de mesure angulaire de l'engin en élévation. En d'autres termes, alors que le principe de l'antenne synthétique (principe SAR pour « Synthetic Aperture Radar ») exploite le déplacement de l'antenne pour former une antenne synthétique de dimension plus 5 importante, l'invention utilise avantageusement le déplacement de la cible (ici l'engin 1) pour générer une antenne synthétique de grande dimension, selon le principe ISAR, procurant ainsi une très grande résolution angulaire et une très grande précision de localisation. 10 La figure 5 illustre une première phase du premier traitement 41 consistant, à partir du radar 21 : à orienter plusieurs faisceaux d'antenne 51 dans la direction d'arrivée attendue de la cible 1, qui est l'engin que l'on souhaite guider ; puis à détecter la présence de la cible 1 dans le volume d'acquisition 15 et à estimer sa vitesse radiale Vr, sa distance et sa position angulaire en élévation Ael et en azimut eaz. La mesure de la vitesse radiale est obtenue classiquement par traitement Doppler, et la position angulaire est obtenue classiquement par un traitement 20 de type monopulse ou interférométrique, typiquement à l'aide de plusieurs faisceaux de réception identiques pointés dans la direction d'arrivée. La figure 6 illustre une deuxième phase du premier traitement 41. Dans la direction de pointage 51 des faisceaux d'antenne, le radar engage une 25 poursuite et détermine de façon grossière la trajectoire de la cible détectée, selon l'axe distance, selon la vitesse et selon l'angle. Cette étape a notamment pour fonction, à partir des relevés successifs des positions 61 mesurées dans l'étape précédente, d'estimer les directions de déplacement et les vitesses correspondantes. 30 La trajectoire 62 estimée à partir des mesures discrètes successives 61, peut être obtenue par des méthodes connues de l'homme du métier, comme le filtrage de Kalman, les moindres carrés, ou toutes autres méthodes. Dans ce traitement, les performances de localisation sont essentiellement limitées par la dimension de l'antenne du radar et le rapport signal sur bruit 35 en réception. 3064800 8 Typiquement, une antenne de longueur égale à 1 mètre en bande X présente une ouverture angulaire de l'ordre de 2° et une précision maximum de l'ordre de 0,05°, soit une précision de localisation de l'ordre de 10 mètres à 10 kilomètres. 5 Ce niveau de précision n'est pas suffisant à lui seul pour effectuer correctement le guidage de l'engin 1 selon l'axe vertical. La trajectoire 62 estimée par ce premier traitement 41 est utilisée pour caractériser les mouvements de la cible 1 dans le plan horizontal et pour 10 fournir au système de guidage les informations correspondant à ces mouvements permettant d'ajuster la direction de la trajectoire vers le lieu d'atterrissage prévu 2. La trajectoire 62 est également utilisée pour orienter et maintenir le pointage des faisceaux d'antenne 51 dans la direction de la cible 1 au cours de son 15 déplacement. Par le deuxième traitement 42, le radar 21 détermine de façon plus précise la position, la trajectoire et le mouvement de la cible selon l'axe vertical, en augmentant la résolution angulaire selon le principe de l'antenne synthétique 20 inverse, à partir du déplacement de la cible 1. Ce deuxième traitement 42 s'effectue de façon cyclique et continue par intervalles de temps successifs T, comprenant chacun un grand nombre M de cycles de détection radar successifs. Un intervalle de temps T est par exemple de l'ordre de 1 seconde. 25 Le traitement est effectué dans un domaine angulaire limité, correspondant au domaine de déplacement de la cible pendant l'intervalle de temps T. La durée de cet intervalle de temps est choisie pour que le déplacement de la cible soit important, typiquement plusieurs centaines de mètres, et que la direction de déplacement puisse être considérée comme constante pendant 30 cette durée. Le traitement du radar calcule dans une première phase, à partir de la mesure Doppler, la vitesse radiale de la cible à chaque cycle de détection radar de durée T, chaque cycle comprenant un nombre N de récurrences Tr. 35 3064800 9 Dans une deuxième phase, pour chaque cycle de détection, le traitement interpole les différentes mesures de vitesse de façon à générer un historique de vitesses estimées à chaque récurrence, l'ensemble constituant une suite de M x N valeurs sur la durée de l'intervalle de temps T. Cette interpolation 5 consiste, à partir de la mesure de vitesse établie à chaque cycle de mesure comprenant N récurrences de durée Tr, à estimer la valeur de la vitesse à chaque récurrence constituant ce cycle de mesure. L'interpolation est typiquement réalisée de façon linéaire, c'est-à-dire que pour une variation de vitesse Av obtenue entre deux cycles successifs correspondant au temps kTr 10 et (k+1)Tr, la variation de vitesse estimée pour la récurrence d'indice n, compris entre 0 et N, par rapport à l'instant kTr est nAv/N. Autrement dit, à partir de M mesures de vitesse calculées uniquement à chaque cycle de mesure, on génère MxN valeurs de vitesse par interpolation entre mesures successives. 15 A partir de cet historique de vitesses estimées, le traitement élabore pour une distance radiale donnée Ro, et pour différentes possibilités d'angle d'élévation de la cible, un historique de phase théorique attendu du signal reçu, celui-ci résultant du trajet aller-retour parcouru par l'onde émise par le radar. 20 Pour chaque possibilité d'angle d'élévation, cet historique de phase comprend lui-même M x N valeurs. L'historique est calculé en prenant comme hypothèse une trajectoire verticale, à partir de la distance radiale initiale Ro. 25 Les différentes hypothèses d'élévation de la cible sont choisies dans le domaine d'incertitude de localisation obtenu par le premier traitement de localisation, grossière, en découpant ce domaine selon un pas très fin, ce pas étant fonction de la précision attendue. 30 Typiquement, si la précision de localisation du premier traitement est de 0,1°, on peut par exemple envisager dans le domaine d'incertitude 100 valeurs différentes espacées entre elles de 0,001°. Le deuxième traitement 42 réalise ensuite un traitement « pseudo adapté » 35 au signal reçu, selon un historique de phase aller-retour de l'onde radar, 3064800 10 prédéterminé par les mesures de fréquences Doppler successives obtenues au cours du temps, en considérant l'hypothèse théorique d'un déplacement vertical. Le filtrage consiste ainsi à corréler en phase le signal reçu à chaque récurrence après démodulation par la porteuse du signal radar, avec une 5 réplique correspondant à l'historique de phase théorique. Le filtrage est dit « pseudo adapté » car il prend en compte une hypothèse théorique d'une trajectoire rigoureusement verticale alors que la trajectoire réelle peut être légèrement inclinée par rapport à la verticale. 10 Dans ces conditions, le traitement réalise l'opération : vi=NM-1 * P(R0,eeik)(m) = Lii=0 s(i) - m) où : 15 - Ro est la distance initiale de la cible ; eelk est l'angle d'élévation d'indice k correspondant à la direction de détection initiale d'indice k; - s(i) = el(P(i) est le signal reçu après démodulation par la porteuse 20 hyper fréquence à la récurrence d'indice i, en normalisant le module à 1 ; -i REVENDICATIONS1. Procédé de guidage d'une cible aérienne (1) vers une trajectoire donnée, caractérisé en ce qu'il effectue au moins : - un premier traitement radar (41) de localisation et d'estimation de trajectoire de ladite cible (1) à partir de mesures de distances radiales, de fréquence Doppler et d'angle d'azimut et d'élévation de ladite cible (1) issues d'un signal radar émis (51) vers ladite cible (1) ; - un deuxième traitement radar (42) de localisation et de trajectoire de ladite cible (1) selon un axe vertical, par application du principe de l'antenne synthétique inverse ; l'écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par ledit premier traitement (41) projetée sur un plan horizontal et l'écart entre ladite trajectoire donnée et la trajectoire estimée par le deuxième traitement (42) selon ledit axe vertical étant utilisés pour commander la direction de déplacement de ladite cible (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite trajectoire aérienne donnée est sensiblement verticale. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite trajectoire donnée est orientée vers une aire de toucher (2), ladite cible étant en phase d'atterrissage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits écarts sont calculés par des circuits de traitements radar et transmis à un système de commande de direction de déplacement de ladite cible (1). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit deuxième traitement (42) établit de façon continue un historique des vitesses radiales successives mesurées par effet Doppler pour déterminer une réplique de phase correspondant au trajet aller-retour 3064800 22 du signal radar émis sur un intervalle de temps limité, ledit historique étant utilisé pour construire un corrélateur dudit signal reçu, ledit corrélateur étant appliqué pour la mesure de distance de ladite cible par ledit premier traitement (41) selon différentes valeurs possibles de l'angle d'élévation de 5 ladite cible (1) à l'intérieur du domaine d'incertitude dudit premier traitement (41). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la réplique de phase ayant donné le pic de corrélation le plus élevé détermine la valeur de 10 l'angle d'élévation de la dite cible (1) et sa vitesse selon l'axe vertical. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur dudit angle d'élévation de ladite cible (1) est affinée par mesure de contraste entre l'amplitude du pic de corrélation de niveau maximum et les répliques de plus 15 proches voisinages. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la mesure de la largeur du pic de corrélation est utilisée pour estimer la verticalité de la trajectoire suivie par ladite cible (1) selon l'axe vertical. 20 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit deuxième traitement (42), selon le principe d'antenne synthétique inverse, est réalisé sur un intervalle de temps limité dans le domaine angulaire correspondant à la distance parcourue par ladite 25 cible (1) dans ledit intervalle de temps. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit intervalle de temps est limité par la durée temporelle pendant laquelle la direction de la trajectoire de ladite cible (1) peut être considérée comme fixe selon l'axe 30 vertical. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise une ou plusieurs balises (23) aéroportées par ladite cible pour établir une référence de localisation ponctuelle. 3064800 23 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise une ou plusieurs balises (24) au sol pour effectuer des mesures de localisation différentielles. 5 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit deuxième traitement (42) est utilisé pour estimer l'attitude de ladite cible, ladite cible étant découpée selon différentes tranches selon l'axe vertical, les différents pics de corrélation relatifs aux différentes tranches verticales de l'objet se trouvant décalés temporellement 10 pour un même angle d'élévation permettant de déterminer avantageusement l'attitude de ladite cible. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cible (1) est le premier étage d'un lanceur de 15 fusée. 15. Système radar (21), caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 20 16. Système radar selon la revendication 15, caractérisé en ce qu 'il comporte une antenne fixe (30) à multifaisceaux. 25