FR2833084A1

FR2833084A1 - Procede de trajectographie passive

Info

Publication number: FR2833084A1
Application number: FR0115530A
Authority: FR
Inventors: Michel Prenat
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-06
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: FR2833084B1; WO2003046606A1

Abstract

L'invention concerne le domaine des procédés de trajectographie passive à partir de mesures angulaires d'une cible.C'est un procédé de trajectographie passive à partir de mesures angulaires d'une cible (C) réalisées par un capteur optronique d'une plateforme (P), la plateforme effectuant une manoeuvre de sorte que la trajectoire de la plateforme comporte au moins deux portions rectilignes (1 et 3, ou 3 et 5) de directions (D, D') différentes entre elles et au moins un virage (2, 4), les mesures angulaires présentant plusieurs erreurs parmi lesquelles, un bruit de mesure, un biais fixe, un éventuel biais de facteur de charge, un biais fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur par rapport à la plateforme, le procédé de trajectographie comprenant une étape de correction d'erreur, l'étape de correction d'erreur occultant les mesures angulaires pendant le ou les virages, conservant les mesures angulaires pendant au moins deux portions rectilignes de directions différentes entre elles et compensant la ou les différences existant entre les différents biais (bm1, bm2) fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur correspondant respectivement aux dites différentes directions de portion rectiligne.L'invention peut notamment être appliquée à un système de conduite de tir.

Description

PROCEDE DE TRAJECTOGRAPHIE PASSIVE
L'invention concerne le domaine des procédés de trajectographie passive à partir de mesures angulaires d'une cible. Les mesures angulaires de la cible sont réalisées par un capteur optronique d'une plateforme. Cette plateforme est de préférence aérienne mais elle peut aussi être terrestre. A partir de ces mesures angulaires de la cible obtenues par un capteur optronique, le procédé de trajectographie passive peut déterminer la position et la vitesse de la cible, afin de pouvoir ensuite par exemple reconstituer la trajectoire de la cible, d'une manière qui soit à la fois précise et discrète. Le procédé de trajectographie passive permet également la reconstitution de trajectoire pour plusieurs cibles le cas échéant.

Selon un art antérieur, la seule source d'erreur dont il est tenu compte concerne le bruit de mesure. Cependant, même en atténuant par filtrage les effets de ce bruit de mesure, au moins de façon partielle, la précision obtenue en ce qui concerne la position et la vitesse de la cible reste insuffisante. Un des problèmes à résoudre dans cet art antérieur est donc l'amélioration de cette précision.

La solution de l'invention s'appuie d'abord sur une identification préalable des différentes sources d'erreur. L'une des sources d'erreur concerne les diverses erreurs de la centrale inertielle de la plateforme au cours du temps, notamment dérive et bruit, elles ne sont pas considérées ici.

Une autre source d'erreur concerne le bruit de mesure, lequel bruit de mesure n'est pas l'objet de l'invention. Le bruit de mesure peut être considéré comme une erreur de type gaussien, à moyenne nulle, indépendante d'une mesure à l'autre, ayant un écart type donné. Le bruit de mesure se traduit par un bruit au niveau de l'estimation de la trajectoire de la cible. Une autre source d'erreur, non mise en évidence dans ledit art antérieur, concerne le biais de mesure. Le biais de mesure se traduit sur la trajectoire par un biais déterministe pour une plateforme et un scénario donnés.

Le biais de mesure peut se décomposer en trois composantes principales, une fixe et deux variables. La première composante concerne un biais fixe de valeur donnée pour une plateforme considérée et totalement indépendante du scénario, un scénario particulier correspondant à un couple

particulier de trajectoires respectivement de la plateforme et de la cible considérées. La deuxième composante concerne un éventuel biais variable dont la valeur est proportionnelle au facteur de charge auquel est soumis la plateforme, le coefficient de proportionnalité dépendant de la plateforme considérée, ce type de biais étant présent dans le cas d'un capteur optronique suspendu, c'est-à-dire dans le cas d'une liaison mécanique souple entre le capteur optronique et la structure de la plateforme, la liaison mécanique souple étant alors par exemple réalisée par l'intermédiaire d'amortisseurs élastiques. La troisième composante concerne un biais variable dont la valeur est une fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur optronique par rapport à la structure de la plateforme, cette fonction est erratique en fonction de l'orientation de la ligne de visée et dépendante de la plateforme considérée.

Dans un exemple numérique préférentiel, l'ordre de grandeur des différentes sources d'erreur est le suivant. L'écart type du bruit de mesure

vaut environ 200 urad pour la voie visible et environ 500 J. 1rad pour la voie infrarouge. Pour les différentes composantes de biais de mesure, dont les valeurs dépendent des plateformes, l'ordre de grandeur peut être fixé par les majorants suivants. Le biais fixe reste inférieur à 500 urad. Le biais de facteur de charge a un coefficient qui reste inférieur à 200 urad par g d'accélération. Le biais fonction de l'orientation de la ligne de visée reste inférieur à plus ou moins 800 urad sur une plage d'orientation couvrant environ plus ou moins 60 degrés.

Dans bon nombre de configurations réelles, comme l'exemple numérique préférentiel ci-dessus, l'influence la plus importante sur les erreurs dont sera entachée l'estimation de position et de vitesse de la cible revient d'abord aux biais variables, à savoir le biais de facteur de charge et le biais fonction de l'orientation de la ligne de visée, qui peuvent pour une cible située à environ 150 km de la plateforme amener une erreur valant environ 10 km. Une influence moins importante revient ensuite au bruit de mesure lequel peut amener une erreur d'environ 1 km dans les mêmes conditions. Enfin, le biais fixe a une influence qui est nettement moindre et qui peut être considérée comme négligeable au regard des deux autres.

Cette prédominance de l'influence des biais variables sur l'influence du bruit de mesure implique que la seule augmentation du nombre de mesures

réalisées est loin d'être une solution suffisante dans la recherche d'amélioration substantielle de précision quant à la détermination de la position et de la vitesse de la cible considérée.

La solution de l'invention repose sur l'occultation des mesures

angulaires pendant le ou les virages de la plateforme et sur la conservation des mesures angulaires pendant au moins certaines portions rectilignes de la trajectoire de la plateforme. Dans toute la suite sauf mention contraire on considérera qu'il y a plusieurs virages. Ainsi, l'éventuel biais de facteur de charge est supprimé, tandis que, les biais fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur par rapport à la plateforme variant peu sur une même direction de portion rectiligne de trajectoire, il suffit alors de corriger la différence entre lesdits biais, d'une direction à l'autre, pour compenser dans une grande mesure l'influence négative du biais fonction de l'orientation de la ligne de visée ; dans l'exemple numérique préférentiel, après compensation, le biais résiduel fonction de l'orientation de la ligne de visée amène une erreur d'environ 300 m sur la position de la cible considérée.

Les déterminations de direction et de vitesse angulaire de la cible sont acceptables dans l'art antérieur tandis que les déterminations de distance et de vitesse radiale qui sont insuffisantes dans l'art antérieur sont nettement améliorées par le procédé selon l'invention. Le procédé selon l'invention évite des corrections d'erreur personnalisées coûteuses nécessitant des mesures particulières en usine pour chaque plateforme.

Selon l'invention, il est prévu un procédé de trajectographie passive à partir de mesures angulaires d'une cible réalisées par un capteur optronique d'une plateforme, la plateforme effectuant une manoeuvre de sorte que la trajectoire de la plateforme comporte au moins deux portions rectilignes de directions différentes entre elles et au moins un virage, les mesures angulaires présentant plusieurs erreurs parmi lesquelles, un bruit de mesure, un biais fixe, un éventuel biais de facteur de charge, un biais fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur par rapport à la plateforme, le procédé de trajectographie comprenant une étape de correction d'erreur, l'étape de correction d'erreur occultant les mesures angulaires pendant le ou les virages, conservant les mesures angulaires pendant au moins deux portions rectilignes de directions différentes entre elles et compensant la ou les différences existant entre les différents biais

fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur correspondant respectivement aux dites différentes directions de portion rectiligne.

L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints, donnés à titre d'exemples, où : - la figure 1 représente schématiquement un exemple de trajectoire d'une plateforme effectuant une manoeuvre de type baïonnette ; - la figure 2 représente schématiquement les variations du biais fonction de l'orientation de la ligne de visée en fonction de l'angle de la ligne de visée.

La cible dont le capteur optronique de la plateforme réalise des mesures angulaires dans le cadre du procédé de trajectographie passive peut être par exemple soit une cible fixe ou lente de type navire soit de préférence une cible mobile de type aéronef qui est supposée en mouvement rectiligne uniforme, le risque d'erreur dans la détermination de la position et de la vitesse de la cible considérée étant surtout important dans le cas d'une cible mobile relativement rapide du type aéronef. Dans le cas d'une plateforme terrestre, une cible terrrestre roulant à vitesse comparable à celle de la plateforme terrestre pourra aussi être considérée comme mobile relativement rapide. Pour une cible mobile en mouvement rectiligne uniforme, si la plateforme est elle-même mobile en mouvement rectiligne uniforme, la trajectoire de la cible est non observable, c'est-à-dire que pour une trajectoire donnée de la plateforme et pour une trajectoire donnée de la cible donnant une séquence donnée de mesures angulaires au cours du temps, il existe une infinité d'autres trajectoires possibles de la cible considérée. C'est pour cela, afin de pouvoir déterminer la position et la vitesse de la cible considérée à partir des mesures angulaires réalisées par la plateforme, que ladite plateforme effectue une manoeuvre de type préférentiellement baïonnette décrite en liaison avec la figure 1. Une fois observable, la trajectoire de la cible devient plus ou moins estimable, c'est-àdire peut être reconstituée avec une précision suffisante ou pas, en fonction de plusieurs paramètres parmi lesquels, l'écart de trajectoire lors de la manoeuvre de type baïonnette, l'écart de direction entre les différentes

portions rectilignes de la trajectoire lors de la manoeuvre de type baïonnette, le nombre de mesures angulaires réalisées et particulièrement les erreurs que comportent lesdites mesures angulaires.

Une manoeuvre de type baïonnette est au sens large une manoeuvre qui correspond à une trajectoire comportant au moins trois portions rectilignes dont deux de directions différentes entre elles et au moins deux virages. Le nombre des dites différentes directions de portion rectiligne conservées par l'étape de correction est de préférence inférieur ou égal à cinq, il vaut avantageusement deux. Dans le cas où ce nombre vaut deux, les deux directions font préférentiellement entre elles un angle compris entre 40 degrés et 50 degrés, par exemple 45 degrés.

La figure 1 représente schématiquement un exemple de trajectoire d'une plateforme effectuant une manoeuvre de type baïonnette. Pour des raisons de clarté d'explication et de lisibilité de la figure 1, tout se passe comme si la plateforme P et la cible C évoluaient dans le plan de la figure 1, c'est-à-dire comme si leurs trajectoires étaient bidimensionnelles, mais la transposition à des trajectoires tridimensionnelles comme dans la réalité est automatique. Les flèches indiquent la direction des mouvements de la plateforme P et de la cible considérée C. La cible C est supposée en mouvement rectiligne uniforme.

La trajectoire de la plateforme P comporte cinq phases successives dans le temps représentées par cinq portions 1 à 5 de trajectoire. Dans une première phase correspondant à la portion 1 pendant laquelle la plateforme P est en mouvement rectiligne uniforme et pendant laquelle sa trajectoire est selon une direction D fixe de l'espace, l'angle 81 entre la direction D de progression de la plateforme P et la direction Al dans laquelle la plateforme P voit la cible C varie relativement peu. L'angle 81 varie au cours du temps pendant la première phase 1 et c'est même cette variation qui contribue à l'estimation de la trajectoire de la cible C, mais l'angle 61 varie assez peu pendant la première phase 1 en ce qui concerne la valeur du biais fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur par rapport à la plateforme, ce phénomène sera d'ailleurs mis en évidence ultérieurement en liaison avec la figure 2. Dans une deuxième phase correspondant à la portion 2 pendant laquelle la plateforme P effectue un virage et pendant laquelle sa trajectoire fait un angle très variable avec une

direction D fixe de l'espace, l'angle entre la direction de progression de la plateforme et la direction dans laquelle la plateforme P voit la cible C varie beaucoup. Dans une troisième phase correspondant à la portion 3 pendant laquelle la plateforme P est en mouvement rectiligne uniforme et pendant laquelle sa trajectoire est selon une direction D'fixe de l'espace, l'angle 82 entre la direction D'de progression de la plateforme P et la direction Al dans laquelle la plateforme P voit la cible C varie relativement peu. Dans une quatrième phase correspondant à la portion 4 pendant laquelle la plateforme P effectue un virage et pendant laquelle sa trajectoire fait un angle très variable avec une direction D fixe de l'espace, l'angle entre la direction de progression de la plateforme et la direction dans laquelle la plateforme P voit la cible C varie beaucoup. Dans une cinquième phase correspondant à la portion 5 pendant laquelle la plateforme P est en mouvement rectiligne uniforme et pendant laquelle sa trajectoire est selon une direction D fixe de l'espace, l'angle 81 entre la direction D de progression de la plateforme P et la direction A3 dans laquelle la plateforme P voit la cible C varie relativement peu et de plus, cet angle 81 est voisin de l'angle 81 de la première phase.

L'écart de trajectoire ET correspond à la distance séparant les portions 1 et 5 de la trajectoire de la plateforme P. La figure 1 n'est pas à l'échelle dans la mesure où la distance entre la cible C et la plateforme P est préférentiellement grande devant l'écart de trajectoire ET pour une meilleure précision de la détermination de la position et de la vitesse de la cible C.

Dans un exemple numérique préférentiel, la cible C est située à environ 150km de la plateforme P tandis que l'écart ET de trajectoire vaut environ 10 km. Dans l'étape de correction du procédé de trajectographie passive selon l'invention, les mesures angulaires sont occultées pendant les virages, c'est- à-dire pendant les deuxième et quatrième phases. Les mesures angulaires peuvent par exemple soit n'être pas réalisées par le capteur, soit être réalisées par le capteur mais non prises en compte dans la détermination de la position et de la vitesse de la cible C. Les mesures angulaires correspondant aux portions rectilignes de la trajectoire de la plateforme P, c'est-à-dire correspondant aux portions 1, 3 et 5, sont réalisées par le capteur et prises en compte. Dans ce cas, le paramètre vraiment limitatif au niveau de la précision obtenue sera la différence de biais fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur par rapport à la plateforme entre

la direction Al et la direction A2. C'est cette différence de biais que ladite étape de correction va compenser en grande partie, en compensant par exemple la différence entre une valeur, par exemple la moyenne, de la plage de variation du biais associé à la direction Al et/ou à la direction A3 le long des portions 1 et/ou 3, et une valeur, par exemple la moyenne, de la plage de variation du biais associée à la direction A2 le long de la portion 2.

Comme la distance entre la cible C et la plateforme P est grande devant l'écart de la trajectoire ET, les directions Al et A3 restent voisines ainsi que les plages de valeur de biais fonction de l'orientation de la ligne de visée qui leur sont respectivement associées.

La figure 2 représente schématiquement les variations du biais fonction de l'orientation de la ligne de visée en fonction de l'angle de la ligne de visée. Le biais b fonction de l'orientation de la ligne de visée est représenté en ordonnée, en fonction de l'angle 8 que fait la ligne de visée du capteur par rapport à la structure de la plateforme, par l'intermédiaire d'une courbe bfo d'allure erratique et dépendante de la plateforme considérée.

L'ensemble des variations de biais fonction de l'orientation de la ligne de visée correspondant aux portions 1 et 5 de la trajectoire de la plateforme correspond à un angle 81 dont les faibles variations sont comprises dans la petite fenêtre f1 de longueur 11 et de hauteur h1. Les faibles variations de cet angle 81 sont la réunion des faibles variations de l'angle 81 de la première phase et de l'angle voisin 81 de la cinquième phase : tous les angles 81 sont suffisamment voisins et leurs variations suffisamment faibles pour que l'on parle seulement d'un angle 81 et de ses faibles variations. La valeur bm 1 est représentative du biais dans la fenêtre f1, c'est de préférence la moyenne des variations de ce biais mais ce peut être par exemple une autre valeur de biais appartenant à la fenêtre f1.

L'ensemble des variations de biais fonction de l'orientation de la ligne de visée correspondant à la portion 3 de la trajectoire de la plateforme correspond à un angle 82 dont les faibles variations sont comprises dans la petite fenêtre f2 de longueur 12 et de hauteur h2. La valeur bm2 est représentative du biais dans la fenêtre f2, c'est de préférence la moyenne des variations de ce biais mais ce peut être par exemple une autre valeur de biais appartenant à la fenêtre f2.

La valeur Ab qui vaut bm1-bm2 représente la différence de biais entre les angles 01 et 82. C'est cette différence de biais Ab qui est compensée par l'étape de correction du procédé de trajectographie passive selon l'invention. Dans l'exemple numérique préférentiel où la différence Ab de biais entraînerait une erreur de localisation d'environ 10 km pour une cible située à environ 150 km dans le cas où les virages ne seraient pas occultés ou bien dans le cas où ladite différence Ab de biais ne serait pas compensée, la compensation de cette différence Ab de biais, laquelle compensation ne peut pas être totale en raison de la taille non nulle des fenêtres f1 et f2, entraîne une diminution de l'erreur jusqu'à une erreur résiduelle qui est due à la taille petite mais non nulle des fenêtres f1 et f2 et qui vaut environ 300 m ; à ce stade l'erreur due au bruit de mesure, qui était d'environ 1 km est redevenue prépondérante. Cette compensation de la différence de biais entraîne une légère augmentation de l'erreur due au bruit de mesure laquelle erreur reste toutefois très inférieure à l'erreur due à la différence de biais qui est supprimée par l'étape de correction du procédé de trajectographie passive selon l'invention. Le procédé selon l'invention prend un grand intérêt parce que l'erreur due au type de biais variable et en particulier à la différence Ab de biais précédemment considérée est nettement supérieure à l'erreur due au bruit de mesure.

L'ensemble des variations de biais fonction de l'orientation de la ligne de visée correspondant aux portions 2 et 4, lesquelles portions ne sont pas prises en compte pour la détermination de la position et de la vitesse de la cible car elles correspondent à des mesures angulaires occultées, de la trajectoire de la plateforme correspond à un angle variant entre 61 et 82 dont les variations importantes sont de l'ordre de Ab. Le rapport entre Ab et h1 ou entre Ab et h2 est de préférence supérieur à dix, comme sur la figure 2.

Une fois les mesures angulaires pendant les virages occultées et la différence de biais entre les deux orientations 81 et 82 à compenser identifiée, la fonction de compensation en elle-même peut revêtir différentes formes connues, ce peut être par exemple un filtre de Kalman étendu en coordonnées polaires modifiées.

De préférence, le capteur optronique est suspendu, c'est-à-dire que le capteur optronique présente une liaison mécanique souple avec la structure de la plateforme. La liaison mécanique souple est par exemple

constituée par un ou plusieurs amortisseurs. Dans ce cas le procédé de trajectographie passive selon l'invention a l'avantage supplémentaire d'éliminer le biais de facteur de charge présent dans les virages. Le capteur optronique peut être une voie de réception optique du type télévision ou bien une voie de réception infrarouge. Le capteur optronique peut aussi toutefois être rigidement lié à la plateforme, c'est-à-dire présenter une liaison mécanique rigide avec la structure de la plateforme, du type liaison rotule sans amortisseur par exemple.

Une des applications préférentielles du procédé de trajectographie passive selon l'invention concerne un système de conduite de tir qui a l'avantage d'être discret. Les mesures du capteur optronique se font alors souvent à une cadence élevée, ce qui augmente encore le rapport entre d'une part l'erreur due aux biais de type variable et en particulier à la différence de biais entre les différentes orientations de la ligne de visée du capteur par rapport à la plateforme et d'autre part l'erreur due au bruit de mesure, ce qui rend le procédé de trajectographie passive selon l'invention particulièrement intéressant dans ce cas. Le capteur optronique est alors généralement en environnement monocible ou multicible séquencé.

Une autre application du procédé de trajectographie passive selon l'invention concerne un système d'établissement discret de situation tactique.

Les mesures du capteur optronique se font alors souvent à une cadence faible, le capteur optronique se trouvant alors généralement en mode de veille grand champ et en environnement multicible.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de trajectographie passive à partir de mesures angulaires d'une cible (C) réalisées par un capteur optronique d'une plateforme (P), la plateforme effectuant une manoeuvre de sorte que la trajectoire de la plateforme comporte au moins deux portions rectilignes (1 et 3, ou 3 et 5) de directions (D, D') différentes entre elles et au moins un virage (2,4), les mesures angulaires présentant plusieurs erreurs parmi lesquelles, un bruit de mesure, un biais fixe, un éventuel biais de facteur de charge, un biais fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur par rapport à la plateforme, le procédé de trajectographie comprenant une étape de correction d'erreur, l'étape de correction d'erreur occultant les mesures angulaires pendant le ou les virages, conservant les mesures angulaires pendant au moins deux portions rectilignes de directions différentes entre elles et compensant la ou les différences (Ab) existant entre les différents biais (bm1, bm2) fonction de l'orientation de la ligne de visée du capteur correspondant respectivement aux dites différentes directions de portion rectiligne.

2. Procédé de trajectographie passive selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plateforme est aérienne.

3. Procédé de trajectographie passive selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la manoeuvre est de type baïonnette, c'est-à-dire que la manoeuvre correspond à une trajectoire comportant au moins trois portions rectilignes dont deux de directions différentes entre elles et au moins deux virages.

4. Procédé de trajectographie passive selon l'une queconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre des dites différentes directions de portion rectiligne conservées par l'étape de correction est inférieur ou égal à cinq.

5. Procédé de trajectographie passive selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre des dites différentes directions de portion rectiligne conservées par l'étape de correction vaut deux.

6. Procédé de trajectographie passive selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux directions (D, D') font entre elles un angle compris entre 40 degrés et 50 degrés.

7. Procédé de trajectographie passive selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cible est mobile et supposée en mouvement rectiligne uniforme.

8. Procédé de trajectographie passive selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur optronique est suspendu, c'est-à-dire que le capteur optronique présente une liaison mécanique souple avec la structure de la plateforme.

9. Système de conduite de tir caractérisé en ce qu'il utilise le procédé de trajectographie passive selon l'une quelconque des revendications précédentes.