FR2947061A1 - Procede de pointage d'une antenne, dispositif et programme d'ordinateur correspondants - Google Patents

Abstract

Ce procédé de pointage d'une antenne (2) au sol vers une cible (4) mobile en orbite, ladite cible (4) émettant un signal (6) radioélectrique, ledit procédé, comprenant une étape de mémorisation d'une orbite prédite de la cible (4), est caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - une étape d'évaluation d'un écart temporel entre un instant théorique et un instant réel de passage de la cible (4) au niveau d'un point d'attente déterminé ; - une étape de correction temporelle de l'orbite prédite de la cible (4) à partir de l'écart temporel ; et - une étape de poursuite de l'orbite prédite corrigée temporellement par une recherche autour de l'orbite du niveau maximal du signal (6) radioélectrique reçu par l'antenne (2).

Description

Procédé de pointage d'une antenne, dispositif et programme d'ordinateur correspondants La présente invention concerne un procédé de pointage d'une antenne au sol vers une cible mobile en orbite, ladite cible émettant un signal radioélectrique, ledit procédé comprenant une étape de mémorisation d'une orbite prédite de la cible. Elle concerne également un dispositif et un programme d'ordinateur correspondants. L'invention s'applique en particulier au pointage d'une antenne de réception classique dotée de moyens de recherche du maximum de niveau reçu autour de l'orbite de la cible ou autour du pointage courant de l'antenne. Les procédés de pointage classiques d'une telle antenne occasionnent des retours arrière de l'antenne le long de l'orbite de la cible. Ces retours arrière génèrent des retards qui conduisent à surdimensionner les servomécanismes associés à l'antenne pour obtenir des performances correctes pour des cibles rapides. Pour la poursuite de telles cibles rapides, d'autres types d'antennes plus coûteuses sont actuellement préférés. Parmi ces antennes, on distingue deux familles, à savoir les antennes dites monopulse et les antennes classiques dotées de moyens de balayage conique ( conical scan ). Les antennes monopulse génèrent en hyperfréquence un signal qui est une fonction directe et instantanée du dépointage de l'antenne vis-à-vis de la cible. Ces antennes sont associées à des sources hyperfréquence particulières multicornets ou multimodes ainsi qu'à des moyens de mise en oeuvre de récepteurs de poursuite. Les tests et réglages de ces antennes monopulse sont très onéreux. Les antennes dotées de moyens de balayage conique utilisent la modulation d'amplitude générée par une rotation réelle ou virtuelle rapide du faisceau de l'antenne autour de la direction principale de pointage pour déterminer la valeur du dépointage et sa direction. Ces antennes nécessitent des récepteurs spécifiques, et, surtout, des dispositifs spécifiques de mise en rotation de l'axe radio-electrique à une vitesse compatible de la dynamique de la cible et du signal reçu.

Le but de l'invention est d'offrir un procédé de pointage d'une antenne de réception classique qui permette la poursuite de cibles rapides. Plus particulièrement, l'invention vise à fournir un procédé de pointage d'une telle antenne vers une cible rapide tout en évitant les retours arrière, afin de minimiser les coûts de poursuite d'une telle cible. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pointage d'une antenne au sol vers une cible mobile en orbite, ladite cible émettant un signal radioélectrique, ledit procédé comprenant une étape de mémorisation d'une orbite prédite de la cible, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - une étape d'évaluation d'un écart temporel entre un instant théorique et un instant réel de passage de la cible au niveau d'un point d'attente déterminé ; - une étape de correction temporelle de l'orbite prédite de la cible à partir de l'écart temporel ; et - une étape de poursuite de l'orbite prédite corrigée temporellement par une recherche autour de l'orbite du niveau maximal du signal radioélectrique reçu par l'antenne. Selon d'autres aspects de l'invention, le procédé de pointage comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'étape de correction temporelle de l'orbite comprend une sous-étape de mesure du niveau du signal radioélectrique reçu par l'antenne immobile au niveau du point d'attente, - la recherche du niveau maximal du signal est menée perpendiculairement à l'orbite prédite corrigée, et - l'étape de poursuite de l'orbite comprend une sous-étape de correction spatiale de l'orbite prédite corrigée temporellement. L'invention concerne également un dispositif de pointage d'une antenne au sol vers une cible mobile en orbite, ladite cible émettant un signal radioélectrique, ledit dispositif comprenant des moyens de mémorisation d'une orbite prédite (50) de la cible, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des moyens d'évaluation d'un écart temporel entre un instant théorique et un instant réel de passage de la cible au niveau d'un point d'attente déterminé ; - des moyens de correction temporelle de l'orbite prédite de la cible à partir de l'écart temporel ; et - des moyens de poursuite de l'orbite prédite corrigée temporellement par une recherche autour de l'orbite du niveau maximal du signal radioélectrique reçu par l'antenne. Selon d'autres aspects de l'invention, le dispositif de pointage comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens de correction temporelle de l'orbite comprennent des moyens de mesure du niveau du signal radioélectrique reçu par l'antenne immobile au niveau du point d'attente, et - les moyens de mesure comprennent un capteur à commande automatique de gain. L'invention concerne enfin un programme d'ordinateur comportant des instructions de code qui, lorsque ce programme est exécuté sur un ordinateur, permettent la mise en oeuvre des étapes d'un tel procédé de pointage. Ainsi, l'invention permet de pallier les inconvénients des procédés de pointage conventionnels des antennes classiques introduisant, lors de la poursuite de cibles rapides, des problèmes de retours arrière de l'antenne le long de l'orbite. On va maintenant décrire des exemples de réalisation de l'invention de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant la structure du dispositif de pointage d'une antenne au sol vers une cible en orbite, - les figures 2 et 3 sont des organigrammes illustrant le fonctionnement du procédé de pointage selon l'invention, - les figures 4 et 5 sont des schémas illustrant l'étape de poursuite de l'orbite prédite corrigée temporellement. On a illustré sur la figure 1 un schéma synoptique d'un dispositif de pointage d'une antenne 2 au sol vers une cible 4 mobile en orbite. Une telle cible 4 est, à titre d'exemple, un engin ou un satellite ou encore un lanceur. La cible 4 émet en permanence un signal radioélectrique 6.

L'antenne 2 est associée à des moyens de réception 8 de signaux radioélectriques. De plus, l'antenne 2 est associée à des moyens de codage 10 des positions de l'antenne.

Des moyens de commande 12 sont prévus pour le pointage de l'antenne 2. Il s'agit, de manière classique, de servomécanismes et de moteurs. Les moyens de codage 10 de la position et les moyens de commande 12 sont reliés à une unité de contrôle d'antenne 14 notée ACU ( Antenna Controller Unit ). Cette unité de contrôle 14 est reliée directement ou indirectement via un système de télégestion, par l'intermédiaire d'une liaison de télécommunication 16 à un centre de contrôle distant 18. Par ailleurs, les moyens de réception 8 sont reliés à un capteur 20 pour l'estimation du niveau du signal reçu par les moyens de réception 8. A titre d'exemple, le capteur 20 est un récepteur à commande automatique de gain AGC ( Automatic Gain Control ). Le fonctionnement du procédé de pointage selon l'invention est détaillé dans la suite de la description.

Ce procédé utilise en entrée une orbite prédite de la cible 4. Les données de cette orbite prédite sont générées par le centre de contrôle distant 18 et transmises par l'intermédiaire de la liaison de télécommunications 16 vers l'unité de contrôle d'antenne 14. Généralement, l'orbite prédite est fondée sur une prédiction d'orbite classique antérieure au niveau du centre de contrôle distant 18. Cette orbite prédite présente souvent des incertitudes trop importantes pour garantir que la cible 4 demeure dans le lobe de l'antenne 2 pendant tout le passage. L'objectif du procédé de l'invention est de remettre à jour cette orbite prédite à l'aide de la mesure en temps réel du signal radioélectrique 6 reçu au niveau de l'antenne 2 par les moyens de réception 8. Le principe de l'invention est basé sur le fait que, classiquement les erreurs de pointage d'une antenne résultant d'une orbite incorrecte (en raison d'une restitution d'orbite trop ancienne, de mesures trop bruitées ou de manoeuvres imprécises) sont majoritairement situées le long de la trajectoire.

Le procédé de pointage selon l'invention comporte deux phases principales. La première phase consiste à évaluer un écart temporel entre un instant théorique et instant réel de passage de la cible au niveau d'un point d'attente déterminé. Suite à cette évaluation, l'orbite prédite est corrigée par application de ce décalage temporel à toutes les données de l'orbite prédite. La deuxième phase consiste à poursuivre l'orbite prédite désormais corrigée en temps par une recherche autour de cette orbite du niveau maximal du signal radioélectrique reçu par l'antenne. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, illustré par les figures 4 et 5, cette recherche est effectuée perpendiculairement à l'orbite. L'organigramme de la figure 2 illustre le fonctionnement de la première phase du procédé de pointage selon l'invention.

Une table comprenant des données de l'orbite prédite produites par le centre de contrôle distinct 18 est mémorisée en 30 par l'unité de contrôle d'antenne 14. Cette table, notée P1, comprend une suite de points à intervalles réguliers de l'orbite, chaque point étant défini par ses coordonnées spatiales azimuth et élévation et temporelles. A titre d'exemple, le premier point de la table P1 est Al = (AZ 1= 8°; EL1 = 30; T = H1) où AZ indique l'azimuth, EL indique l'élévation et T indique le temps, H1 étant un instant fixe donné. En 32, l'antenne 2 est envoyée à un point d'attente déterminé d'élévation noté ELk correspondant au temps Hk. De préférence, l'élévation ELk vérifie la relation : ELk> masque + 0,5 lobe où - masque est l'élévation angulaire de l'horizon de visibilité optique dans l'azimut considéré ; - 0,5 lobe est l'écart angulaire vis-à-vis de l'axe radio qui génère une perte de puissance de 3 dB par rapport au signal reçu dans l'axe. Pour l'exemple, ce point est le premier point de la table (k=1). A ce point d'attente, l'antenne 2 est présente un temps Ts avant Hk. Ceci implique que l'antenne 2 est pointée au point (AZ = 8° ; EL = 3°, T = H1 û Ts) pendant la durée 2Ts, l'antenne restant immobile au point d'attente jusqu'à Ts après H1.

En 34, le capteur 20 de niveau mesure le niveau du signal radioélectrique 6 reçu par l'antenne 2 immobile au niveau du point d'attente. Les résultats de cette mesure sont transmis en temps réel à l'unité de contrôle d'antenne 14 qui les mémorise sous forme d'une table Q1 de valeurs (niveau, temps), niveau indiquant le niveau du signal radioélectrique estimé par le capteur 20. En 36, l'unité de contrôle d'antenne 14 estime à partir des tables P1 et Q1, un écart temporel entre un instant théorique et un instant réel de passage de la cible 4 au niveau du point d'attente. Cet écart temporel est calculé en comparant la forme principale du lobe de l'antenne 2 à la table Q1 mémorisée. A titre d'exemples non limitatifs, la comparaison est effectuée par une recherche de maximum ou par une recherche d'une meilleure corrélation ou encore par l'analyse du lobe à 3 dB. En 38, l'écart temporel estimé est appliqué par l'unité de contrôle d'antenne 14 à l'ensemble de l'orbite prédite représenté par la table P1, afin de générer une nouvelle table P2 de données de l'orbite prédite corrigée en temps. Cette correction de l'ensemble de l'orbite prédite est possible grâce à l'hypothèse selon laquelle le décalage temporel estimé varie peu durant le passage de la cible 4, permettant ainsi de ne le calculer qu'une seule fois au début du passage. Cette approximation est d'autant meilleure que le mouvement relatif de l'antenne par rapport à la cible du à la rotation terrestre reste négligeable. L'organigramme de la figure 3 illustre le fonctionnement de la deuxième phase du procédé de pointage selon l'invention. Cette deuxième phase consiste à poursuivre l'orbite prédite corrigée temporellement, représentée par la table P2 obtenue en 38, par une recherche perpendiculaire à l'orbite du niveau maximal du signal radioélectrique reçu par l'antenne 2. En 40, cette poursuite démarre en envoyant l'antenne 2 en un point d'élévation ELi, cette élévation ELi , correspondant au temps Tj dans la table recalée P2 étant compatible avec le temps écoulé pour effectuer la première phase du procédé. En 42, le capteur 20 de niveau mesure le niveau du signal radioélectrique 6 reçu par l'antenne 2 au point d'élévation ELi.

Les résultats de cette mesure sont transmis en temps réel à l'unité de contrôle d'antenne 14 qui les mémorise sous forme d'une table Q2 de valeurs (niveau, temps), niveau indiquant le niveau du signal radioélectrique estimé par le capteur 20.

En 43, un algorithme de recherche de type step track latéral est appliqué par l'unité de contrôle d'antenne 14 perpendiculairement à l'orbite prédite corrigée temporellement. Cet algorithme sera décrit de manière plus détaillée en référence aux figures 4 et 5. En 44, les écarts des coordonnées spatiales élévation et azimuth de l'orbite prédite corrigée temporellement sont estimés par l'unité de contrôle d'antenne 14 à partir de l'application de l'algorithme de recherche sur la table P2. En 46, l'unité de contrôle d'antenne 14 applique ces écarts à la table P2 afin de générer une nouvelle table P3 représentant les données de l'orbite prédite corrigée ainsi temporellement et spatialement.

Ensuite, l'ensemble des étapes 40 à 46 est réitéré sur la table P3 afin d'obtenir une nouvelle table P4, etc ... Ainsi, les écarts sur les coordonnées spatiales (azimuth et élévation) de l'orbite prédite sont calculés en permanence afin d'avoir une orbite aussi proche de la réalité que possible.

L'algorithme de recherche de type step track effectué, selon un mode de réalisation de l'invention, perpendiculairement à l'orbite, est décrit dans la suite de la description en référence aux figures 4 et 5. La figure 4 représente les axes X et Y du faisceau de l'antenne 2. Le point d'origine est Al de coordonnées (0,0) dans le plan X-Y. Le point Al représente l'axe du faisceau à un instant t,. Le point Al est un point de l'orbite prédite corrigée temporellement de coordonnées spatiales. (AZ (Al), EL (Al)), AZ et EL représentant respectivement l'azimuth et l'élévation.

Le point A2 de la figure 4 représente le point d'éphéméride à l'instant tl + rt, rt étant la résolution temporelle des commandes envoyées par l'unité de contrôle d'antenne 14 aux moyens de commande 8.

Ce point A2 est acquis à partir des données de l'orbite prédite corrigée temporellement. Il a pour coordonnées (dAZ1. cos EL1 ; dEL1) dans le plan XY, en considérant que l'azimuth de A2 est AZ(A2) = AZ (Al) + dAZ1 et l'élévation de A2 est EL(A2) = EL(A1) + dEL1.

Le point B1 de la figure 4 est obtenu à partir de Al et A2, de sorte que la droite (Al B1) est perpendiculaire à l'orbite prédite corrigée temporellement en A1, que la distance Al B1 = Al A2, et que le trièdre formé par la vitesse de la cible projetée sur X-Y, Al B1, et la visée de l'antenne vers la cible est un trièdre indirect. Ainsi B1 a pour coordonnées : (- dEL1 ; dAZI.cos EL1) dans le plan (X,Y) c'est-à-dire que l'azimuth de B1 est AZ(B1) = AZ(A1)-dEL1/cos(EL1) et l'élévation de B1 est EL(B1) = EL (Al) + dAZI.cos (EL1). L'algorithme de recherche perpendiculairement à l'orbite propose que l'antenne 2 pointe en C2 obtenu par Al C2=A1 A2+A1 B1 dans le plan X-Y à l'instant t1 + rt, C2 ayant pour coordonnées dans le plan XY : (dAZI.cos (EL1) ù dEL1 ; dEL1 + dAZI.cos EL1) c'est à dire que l'azimuth de C2 est AZ (C2) = AZ(A1) + dAZ1 ù dEL1 /cos(EL1) et l'élévation de C2 est EL(C2) = EL(A1) + dAZI.cos (EL1)+ d(EL1). De la même manière, à l'instant t1 + 2 rt, en partant de A2, le point d'éphéméride à l'instant t1 + rt et de A3, le point d'éphéméride à l'instant t1 + 2rt, un point B2 est déduit de sorte que la droite (A2B2) est perpendiculaire à l'orbite en A2 et que la distance A2B2 = A2A3. L'algorithme de recherche perpendiculairement à l'orbite propose que l'antenne pointe en C3 à l'instant t1 + 2 rt ; C3 étant obtenu à partir des points C2, A2, B2 et A3 de la même manière que C2, à partir des points Al, B1 et A2, le mouvement de l'antenne entre C2 et C3 étant obtenu en additionnant le pas A2A3 et le pas A2B2. On obtient ainsi les pointages successifs C2, C3...Ck. A l'instant Ti + k rt avec k choisi de sorte que rt x k x VA < 0,5 lobe où VA est la vitesse angulaire maximale totale avec VA = max [ (Vaz2.cos2(EL) +VeI2)1/2 ], Vaz et Vel étant les coordonnées azimuth et élévation de la vitesse angulaire. Soit : - Ak le point d'éphéméride à l'instant t1 + (k-1) rt ; - Ak+1 le point d'éphéméride à l'instant t1 + krt ; et - Bk tel que la droite (Ak Bk) est perpendiculaire à l'orbite en Ak et la distance AkBk = AkAk+1. L'algorithme de recherche propose que l'antenne 2 pointe à l'instant t1 + k rt en Ck + 1 qui est obtenu à partir des points Ck, Aki-, Bk et Ak + 1 de la même manière que C2 à partir des points Al, B1 et A2, le mouvement de l'antenne entre Ck et Ck+1 étant obtenu en additionnant le pas AkAk+1 et le pas AkBk. Les points Al, A2 ... Ak + 1 ; C2, ... Ck+1 sont visibles sur la figure 5 représentant l'orbite corrigée temporellement, représentée sous la référence 50. Ensuite, l'algorithme de recherche est appliqué en sorte de revenir vers l'orbite dans le plan X, Y en utilisant la direction AkDk au lieu de AkBk c'est-à-dire que le trièdre formé par la vitesse de la cible projetée sur X-Y, AkDk et la visée de l'antenne vers la cible est un trièdre direct. A titre d'exemple, le point D1 est représenté sur la figure 4. Ainsi, on obtient les points Ck+2 ... C2k. Le dernier point de la série C2k+1 n'est pas calculé comme précédemment mais il est directement identifié au point A2k+1 de la table en cours. On poursuit le calcul des points C2k+2....C3k+1 en utilisant les directions AkDk. Enfin l'algorithme revient vers l'orbite pour terminer le cycle d'évaluation de décalage pour obtenir les points C3k+2, ..C4k, en utilisant de nouveau les directions AkBk. Le dernier point de la série C4k+1 n'est pas calculé comme précédemment, il est directement identifié au point A4k+1 de la table en cours. Ainsi, l'algorithme de recherche perpendiculairement à l'orbite prédite 50 permet le pointage de l'antenne aux points C2 ... Ck + 1 ...C2k+1 ....C3k+1...

C4k+1 Selon un mode de réalisation de l'invention de l'invention, l'étape 44 de calcul des écarts des coordonnées spatiales élévation et azimuth est menée en parallèle à l'algorithme de recherche en utilisant la table Q2. Ce calcul est effectué à titre d'exemple par une recherche de l'instant H1 auquel il y a un maximum de signal. Il convient de noter que compte tenu de la loi suivie deux maxima locaux sont attendus. Dans le mode de réalisation proposé, uniquement le maximum maximorum est retenu.

La connaissance du trajet réel A1, C2, C3,... C4k+1 noté 52 sur la figure 5 permet de connaître les coordonnées azimuth et élévation réelles utilisées à l'instant H1. La consultation de la table P2 de l'orbite prédite corrigée temporellement donne l'angle de pointage prédit de l'antenne à H1, ce qui permet d'obtenir les écarts en azimuth et élévation, et de corriger ainsi la table P2 qui devient alors la table P3. Ainsi, l'invention permet de disposer d'un procédé de pointage d'une antenne au sol classique vers une cible mobile à grande dynamique peu coûteux grâce à l'utilisation d'une orbite prédite préalablement de la cible et à la mise en oeuvre de moyens de correction temporelle et spatiale de cette orbite prédite utilisant le niveau de signal radioélectrique reçu par l'antenne. L'invention met également en oeuvre un algorithme de type step track perpendiculairement à l'orbite. Cet algorithme est particulièrement bien adapté pour les cibles orbitales (de type satellites ou lanceurs) pour lesquelles les erreurs vis-à-vis de l'orbite prédite sont majoritairement des erreurs de temps sur la trajectoire et dans une moindre mesure des erreurs spatiales perpendiculairement à la trajectoire. Les deux phases décrites ci-dessus du procédé de l'invention, permettent de corriger ces deux types d'erreurs de manière optimale.20

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1.- Procédé de pointage d'une antenne (2) au sol vers une cible (4) mobile en orbite, ladite cible (4) émettant un signal (6) radioélectrique, ledit procédé comprenant une étape de mémorisation (30) d'une orbite (50) prédite de la cible (4), caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - une étape d'évaluation (36) d'un écart temporel entre un instant théorique et un instant réel de passage de la cible (4) au niveau d'un point d'attente déterminé ; - une étape de correction temporelle de l'orbite (50) prédite de la cible (4) à partir de l'écart temporel ; et - une étape de poursuite de l'orbite (50) prédite corrigée temporellement par une recherche autour de l'orbite (50) du niveau maximal du signal (6) radioélectrique reçu par l'antenne (2).

   2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de correction temporelle de l'orbite comprend une sous-étape de mesure (34) du niveau du signal radioélectrique reçu par l'antenne (2) immobile au niveau du point d'attente.

   3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la recherche du niveau maximal du signal est menée perpendiculairement à l'orbite (50) prédite corrigée.

   4.- Procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de poursuite de l'orbite comprend une sous-étape de correction spatiale (46) de l'orbite prédite (50) corrigée temporellement.

   5.- Dispositif de pointage d'une antenne (2) au sol vers une cible (4) mobile en orbite, ladite cible (4) émettant un signal (6) radioélectrique, ledit dispositif comprenant des moyens de mémorisation (14) d'une orbite prédite (50) de la cible, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des moyens d'évaluation d'un écart temporel entre un instant théorique et un instant réel de passage de la cible au niveau d'un point d'attente déterminé ; - des moyens de correction temporelle de l'orbite (50) prédite de la cible (4) à partir de l'écart temporel ; et- des moyens de poursuite de l'orbite (50) prédite corrigée temporellement par une recherche autour de l'orbite (50) du niveau maximal du signal radioélectrique reçu par l'antenne (2).

   6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de correction temporelle de l'orbite (50) comprennent des moyens de mesure (20) du niveau du signal radioélectrique reçu par l'antenne (2) immobile au niveau du point d'attente.

   7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure (20) comprennent un capteur à commande automatique de gain.

   8.- Programme d'ordinateur comportant des instructions de code qui, lorsque ce programme est exécuté sur un ordinateur, permettent la mise en oeuvre des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.15