WO2012175819A1 - Systeme radar multistatique pour la mesure precise de l'altitude - Google Patents

Systeme radar multistatique pour la mesure precise de l'altitude Download PDF

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receiver
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Michel Moruzzis
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Thales
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    • G01S13/46—Indirect determination of position data
    • G01S2013/462—Indirect determination of position data using multipath signals

Definitions

  • the invention lies in the field of multistatic radars and more precisely relates to their ability to very accurately measure the altitude of the targets even when these are at low altitude, as is the case for applications of the type " PAR "(Precision Approach Radar).
  • the precise measurement of the altitude of targets by a radar is obtained conventionally, by monostatic radars in particular, by using large antennas in the vertical dimension, antennas which present, by this size, a narrow brush in site, the angular measurement accuracy of an antenna being, in known manner, the better the size of the antenna is greater.
  • radars implementing simple antennas, of small size in the vertical dimension, and configured to exploit their multistatic nature so as to measure the altitude of the targets by "multilateration".
  • multilateration is a method for locating a target in space by associating several elementary measurements of propagation time, each measurement being obtained from a given transmitter / receiver pair formed from one of the transmitters and one of the receivers constituting the multistatic radar.
  • multistatic radar system it is possible to achieve multilateration from a set of transmitters located at different geographical locations and from a set of receivers also located at different geographic locations.
  • each receiver can thus receive all the reflected signals. Consequently, if we consider a radar system comprising N transmitters and M receivers, the whole system being synchronized temporally, it is possible to have, for the same target, a total number of NM elementary detections, each elementary detection, relating to a given transceiver pair, being characterized by the time propagating the signal from the transmitter to the receiver via the target.
  • the location of the locations of the targets corresponding to a given propagation time is defined, in known manner, by an ellipsoid whose foci are the transmitter and the receiver.
  • An object of the invention is to propose a simple solution for constituting a multistatic radar system capable of performing accurate altitude measurements using a simple antennal system, consisting of antennas of standard dimensions.
  • the object of the invention is a multistatic radar system for measuring the altitude of aircraft located in an approach zone of a landing zone, this multistatic system comprising signal transmission means. in the approach zone and reception means, relocated with respect to the transmission means, for capturing the signals reflected by aircraft located in the approach zone, and processing means for determining the altitude of these aircraft from the signals picked up.
  • the surface of the ground extending under the approach zone being made substantially flat, the system comprises at least three transmitters configured to emit a signal in the direction of the approach zone and a receiver comprising at least two antennas, each antenna having a radiation pattern oriented in the direction of the approach zone according to a given inclination descent axis with respect to the horizontal plane.
  • the two antennas are co-located in the same location P of the landing zone at different heights, defined so that each of the antennas simultaneously captures the signal reflected directly by an aircraft and the signal from the same aircraft by reflection. on the area of land under the approach zone.
  • the multistatic system and the joint exploitation of the signals received by the antennas of the receiver make it possible to carry out an unambiguous and precise altitude measurement.
  • the distance d on which the ground surface is made substantially plane extends, from the location P, in the direction in which the antennas of the double receiver are oriented, over a defined distance d max , as a function of the central wavelength ⁇ exploited by the radar and the inclination ⁇ 0 of the chosen axis of descent, by the relation: max ⁇ 2 / -v
  • system according to the invention comprises:
  • a dual receiver having two co-located antennas disposed at the edge of the landing zone, these antennas having azimuth radiation patterns substantially oriented in the direction of the axis of descent of the aircraft, so as to face a landscaped area;
  • system according to the invention further comprises complementary transmitters, placed in a zone flanking the axis of descent so as to illuminate any aircraft present in the approach zone and arranged relative to the first three. transmitters to increase the length of the approach area covered by the system.
  • the system according to the invention further comprises complementary receivers, isolated, configured to form, with the various transmitters of the system, a set of bistatic bases implemented. for determining the position of the aircraft present in the approach zone, the position measurements made being used in conjunction with the measurements made on the signals received by the first co-located dual antenna receiver to improve the accuracy of the measurements of altitudes performed by the system.
  • the system according to the invention further comprises a complementary dual receiver with co-located antennas at a location near the location of location P of the first dual antennas receiver.
  • a complementary approach zone is defined with respect to the first two receivers by another descent axis and another terrain zone is arranged under this approach zone.
  • the system according to the invention further comprises a plurality of complementary transmitters arranged in a zone flanking the complementary downhill axis and configured to illuminate any aircraft located in the complementary approach area covered by the system. .
  • the invention also relates to a multistatic radar detection system which comprises at least one set formed by a dual antenna receiver co-located in the same place P and three transmitters.
  • the emitters and the double receiver forming this set are configured and arranged on a landing zone, vis-à-vis a given area of the space constituting an approach zone, so as to form a radar measurement system altitude according to the invention for controlling the approach of the landing zone formed by aircraft located in the approach area considered.
  • the transmitters and the double receiver forming this set are furthermore exploited together with the other transmitters and the other receivers of the multistatic system to perform the detection function of this system.
  • the invention also relates to an altitude measurement system enabling an aircraft to determine its altitude, comprising means on the ground and means embarked on board the aircraft, characterized in that it comprises:
  • ground means comprising an ILS transmission system, a multistatic altitude radar system according to the invention making measurements of the altitude of the aircraft, and means for transmitting to the aircraft the measurements. made;
  • On-board equipment comprising an ILS receiver, transmission means for retrieving altitude information developed by the radar system and means for determining the altitude of the aircraft by merging the altitude information from the system. radar and altitude information from the ILS system.
  • the system according to the invention advantageously makes it possible to carry out guidance in landing approach of any object, cooperative or otherwise. It can for example be used to guide the landing of aircraft without pilots (drones) without requiring for them a particular onboard equipment.
  • FIGS. 4 and 5 illustrations relating to a first embodiment of the system according to the invention
  • FIG. 6 a curve giving the appearance of the variation of the reflection coefficient in vertical polarization
  • FIG. 7 a curve giving the appearance of the variation of the reflection coefficient in horizontal polarization
  • FIG. 13 the block diagram of a particular application of the system according to the invention.
  • the proposed solution is based on the well-known operating principle of landing aid equipment known as ILS, or "Instrument Landing System” according to the English name, and, in particular, the operating principle of the descent radio alignment system or "Glide Path” according to the English name.
  • these equipments take advantage of these reflected signals to reconstitute a signal identical to that obtained in the absence of reflection, under identical operating conditions, by means of a large antenna in the vertical dimension (ie high), thereby presenting a high accuracy in site.
  • the operation of the ILS is based on the implementation of two or three transmit antennas placed on the ground, near the threshold of the runway, and a reception antenna located on board the aircraft. so that the altitude measurement being carried out on board, the ILS is considered as a "cooperative" system.
  • the equipment in charge of the downhill radio alignment includes antennas on the ground, arranged at the same place but at different heights. These antennas are further oriented in the direction of the landing axis of the aircraft.
  • the ground located in front of the antennas is prepared and flattened so as to behave as a kind of mirror reflecting the signals emitted by the antennas.
  • the receiver placed on board the aircraft simultaneously receives the signal coming from the antenna in direct line and a signal coming from the antenna after reflection on the ground.
  • These two signals are combined in amplitude and phase at the receiving antenna of the aircraft, their combination making it possible to form a signal equivalent to the signal that would have been transmitted by an antenna having a dimension equal to twice the height of the aircraft. transmission antenna with respect to the ground.
  • the recombination operation is repeated for each transmitting antenna so as to have two (or three) separate signals enabling the receiver on board to eliminate the angular ambiguities that the combination of signals generates, ambiguities which, due to lack of treatment appropriate, could introduce errors in the altitude measurements made by the aircraft.
  • the use of two or three transmit antennas placed at different heights, judiciously chosen, allows the on-board receiver to solve these ambiguities in a simple manner.
  • the radar system according to the invention is an essentially non-cooperative multistatic system which makes it possible to accurately measure the altitude of targets. , in this case constituted by aircraft approaching a landing site, without the presence of any navigation or measurement equipment on board these aircraft.
  • the system according to the invention is composed of a plurality of emitters (at least three) and double receivers (at least one).
  • a dual receiver has two reception channels each connected to an antenna, the two antennas being located vertically above the same point P on the ground (co-located antennas), at different heights with respect to the ground. , so as to exploit the image effect described above.
  • the system according to the invention also comprises processing means for associating the signals received by each of the co-located antennas so as to exploit the mirror effect generated by this configuration and to make an accurate measurement of the altitude of the targets. at the origin of the signals received by the double receiver considered.
  • the signal transmitted by a target, an aircraft is here the signal coming from the transmitters composing the system that is reflected on this target.
  • FIG. 1 The principle of the exploitation of the image effect, carried out by the radar system according to the invention, is illustrated by FIG. It is recalled on this occasion, without demonstrating them, the few known results, established in particular for ILS-type equipment, which make it possible to determine how the various parameters defining the geometry of a system exploiting the image effect are fixed.
  • ICAO International Civil Aviation Organization
  • ILS Aeronautical Telecommunications, Annex 10 Volume I.
  • this exploitation is based on the use of two co-located antennas A and A 2 , 1 1 and 12, that is to say, placed in the same place P, at different heights h and h 2 , on the same mast for example. It is also based on the layout of the ground zone 13 situated in front of the antennas and extending over a given distance d from the location of location P of the antennas 11 and 12.
  • the signal reflected by a target M is picked up by each of the antennas of the dual receiver after having followed two distinct paths a first path, direct, Si or S 2 depending on the antenna considered and a second path, indirect, S i or S ' 2 , following the reflection by the ground of the signal emitted by the target, towards the receiver.
  • the direct path signal and the indirect path signal are combined within the receiver in the same manner as would be two direct path signals. respectively received by two antennas A and A ', connected to the same reception channel and occupying symmetrical positions relative to the ground plane, a real antenna and a virtual antenna.
  • Each receiving channel is thus associated with a large virtual gap antenna comprising two sensors, a real sensor A and a virtual sensor A '.
  • This antenna advantageously has a narrow radiation pattern which allows the receiver to accurately determine the distance of the target M at the origin of the received signal.
  • the use of two co-located antennas makes it possible, provided that the ground is suitably arranged, to have two large virtual antennas whose sensors are spaced respectively by 2h and 2h 2 .
  • the possibility of having two virtual antennas of different sizes here advantageously makes it possible to determine, by exploiting the signals received by these two antennas, the site of the aircraft at the origin of the signals received.
  • the propagation equations associated with the configuration illustrated in FIG. 1 make it possible to define the relationships linking the heights h and h 2 , at the wavelength used ( ⁇ ), and at the chosen value ( ⁇ 0 ) for the nominal descent angle of an aircraft. These relations are established in such a way that the measured signals, Si, S'i on the one hand and S 2i S ' 2 on the other hand, make it possible to remove ambiguities from the measurements that can be performed by each fictional antenna taken separately and obtain a measurement with increased accuracy. As illustrated in FIGS.
  • h and h 2 are chosen in particular so that, taking into account the radiation patterns of the antennas A 1 and A 2 , the radiation patterns 21 and 22 of the two virtual antennas constituted are superimposed so that the radiation pattern 22 of the second virtual antenna has a maximum gain at the locations, symbolized by the arrow 23, where the radiation pattern 21 of the first virtual antenna has a minimum gain.
  • Figures 2 and 3 illustrate such a configuration respectively in the case where the axis of descent considered is inclined to 3 ° relative to the horizontal and in the case where it is inclined to 1 1 °.
  • the signals Si (S'-i) and S 2 (S ' 2 ) received make it possible to determine the measurement of the site of the target and therefore of its altitude, since we also know its distance. This determination can be made using a conventional angular deviation method.
  • the distance of the aircraft can moreover be determined multilaterally by determining, in a conventional manner also, the bistatic distance corresponding to the signals received and by analyzing the intersections of the ellipsoids corresponding to this bistatic distance constructed on the signals received on each reception channel. of the dual receiver constituting the system.
  • the measurement of the site of the aircraft under consideration, at the origin of the signals received consists, for example, in measuring the amplitude of the signals received on the two antennas, and in deducing from this the angle of descent of the aircraft (ie the deviation from ⁇ 0 ) from the a priori knowledge of the diagrams of fictitious antennas constructed from the combination of the direct and reflected paths, knowledge which makes it possible to determine the relation between the amplitude and the angle.
  • the measurement of the aircraft site may consist of operating, in known manner, the phases of the received signals. Alternatively, it may consist of combining amplitude and phase measurements.
  • the fictitious antennas thus produced are each made up of only two sensors, a real antenna and an image antenna, they form two incomplete networks, the radiation patterns of which, in a known manner, exhibit numerous network lobes, as can be seen in Figures 2 and 3.
  • This phenomenon of lobes networks, characteristic of loopholes, usually leads to ambiguities on the angular measurements made and in particular, as regards the system according to the invention, on the measurements of elevation.
  • system according to the invention comprises processing means implementing various known techniques for eliminating these network lobes.
  • the frequency diversity existing between the different emitters of the system forming the different bistatic bases to vary the ambiguity values of the various measurements made, insofar as these ambiguity values depend on the wavelength of the received signal.
  • the exploitation of the image effect (mirror effect) of the system according to the invention can only be possible insofar as a zone of ground is arranged in the direction in which the antennas are directed. , so as to behave as a kind of radio mirror reflecting the signals coming from the aircraft.
  • the system necessarily comprises three transmitters 43, 44 and 45 and a double receiver comprising two antennas 41 and 42 co-located at one and the same place P and positioned at different locations. Heights hi and h 2 different.
  • the two antennas 41 and 42 are arranged in a manner similar to that of which are positioned the antennas of an ILS transmitter, ie at the edge of the landing zone (track), their azimuth radiation patterns being substantially oriented in the direction 46 of the axis of descent of the aircraft whose landing is to be supervised, the directivity in site being of less importance.
  • the receivers are positioned so as to face a terrain zone 47 arranged so as to behave as a sort of radio mirror reflecting the signals coming from the aircraft.
  • the three emitters 43, 44, 45 are for their part disposed on the ground, in a zone flanking the axis of descent.
  • the signals are emitted so as to illuminate any aircraft that may be approaching the landing zone covered by the system.
  • the structure of the system according to the invention can for example be implemented according to different configurations. As it is a system whose structure is similar to that illustrated in Figure 4, one can for example consider a system in the UHF band comprising transmitters of a few tens of watts of peak power, for example 50 watts, producing a continuous emission with a given bandwidth, for example equal to 1 MHz, from omnidirectional antennas placed above the ground, at a height of about fifteen meters, for example.
  • such a system may for example comprise a double receiver provided with directional co-located antennas having a given azimuth opening, 60 ° for example, and oriented in the direction of the axis of descent towards the zone. landing, these antennas being arranged one above the other, respectively about 3 and 6 meters from the ground.
  • the system according to the invention can be designed using means exploiting a wave emitted in polarization, either horizontally or vertically.
  • FIGS. 6 (vertical polarization) and 7 (horizontal polarization) show that, for an identical ground quality, the value of the reflection coefficient on the ground of a radio wave, represented respectively by curves 61 and 71 on the figures, is higher at constant angle of incidence when the polarization of the wave is carried out along a horizontal axis rather than along a vertical axis and the horizontal polarization makes it possible to obtain a high reflection coefficient even for angles of 'higher incidence.
  • the system according to the invention preferably exploits emissions in horizontal polarization, especially when, for reasons of terrain conformation, in particular, the system must ensure alignment on an important angle of descent, greater than 10 ° by example.
  • FIGS. 4 and 5 The simplest embodiment, illustrated by FIGS. 4 and 5, alone makes it possible to benefit from a satisfactory accuracy of the altitude measurement without requiring the installation of large antennas in the vertical direction.
  • this basic configuration can be enriched so as to add to the system additional advantageous technical characteristics.
  • Alternative embodiments and implementation of the system according to the invention are presented by way of examples, not limiting the scope of the invention, in the following document. Depending on the case, these variants can be implemented separately, or combined with each other to form more complex variants.
  • the system according to the invention may comprise one or more complementary receivers, either double receivers comprising co-located antennas, or single, isolated receivers.
  • an isolated receiver has no particular capacity for exploiting the image effect. Consequently, the addition of an isolated receiver 81 to the simplest configuration, illustrated in FIG. 4, to form a configuration such as that illustrated in FIG. 8, is not likely to contribute to improving directly the accuracy of the altitude measurements made. However, it is a means that advantageously makes it possible to improve the performance of the system by offering complementary multistatic measurements that are useful in particular for improving the performance of the ambiguity removal processing inherent in the formation of virtual gap antennas by exploiting the image effect.
  • a double receiver is meant a receiver comprising two reception channels associated with two distinct, so-called co-located antennas, which are arranged in the same place, but at two different heights, this double receiver being thus able to exploit the image effect.
  • the addition of double receivers is a means of improving the system according to the invention by allowing a better measurement of the altitude.
  • a dual receiver with co-located antennas 91 and 92 makes it possible to constitute a system such as that illustrated in FIG. 9, which makes it possible to further improve the accuracy of the measurements of altitude relative to the accuracy obtained by the simplest configuration of the system.
  • This increase in the precision of the measurements can for example be obtained simply by exploiting the average value of the measurements obtained by each of the double receivers with co-located antennas then composing the system.
  • the system according to the invention may comprise one or more complementary transmitters.
  • the addition of transmitters has the advantageous effect of increasing the area of operation of the system, by increasing its coverage.
  • complementary transmitters three transmitters 101, 102 and 103 for example, are added to the system, the transmitters 102 and 103 being arranged along the landing axis 46, in the same way as the transmitters 44 and 45 of the simplest version of the system, at a greater distance from the receivers, however.
  • the range of the base system is increased, which advantageously makes it possible to know the position of a target while it is further away from the system and therefore from the landing site.
  • a second embodiment of this variant of the system according to the invention may consist, as illustrated in FIG. 11, in adding complementary transmitters, for example, three transmitters 1 1 1, 1 12 and 1 13 so that the system simultaneously covers several landing axes, the axes 46 and 1 14 in the figure.
  • Such an embodiment is particularly intended for the realization of systems for airports with multiple tracks.
  • the system according to the invention in its basic configuration is integrated within an already existing multistatic detection radar system, comprising transmitters 121, 122, 123 and receivers 124, 125, 126 distributed over a given area surrounding the implantation area of the system according to the invention, a system such as that described in the French patent application filed under the reference FR0902365 by the applicant for example.
  • the joint use of all the transmitters and receivers constituting the two systems advantageously makes it possible simultaneously to improve the performance of the two systems, the multistatic radar system benefiting from the altitude accuracy of the system according to the invention, the system according to the invention benefiting from additional coverage provided by the additional transmitters and receivers provided by the multistatic radar system to which it is integrated, this system bringing in particular a greater geographical diversity, beneficial to the precision of location of approaching aircraft.
  • the system according to the invention can be implemented autonomously, with the aim of achieving a precise altitude measurement making it possible in particular to supervise the landing of aircraft in such a way as to to give useful indications to the pilot wishing to land his aircraft or to ensure an optimal landing to a remote-controlled aircraft (a drone).
  • system according to the invention can be integrated into a more general system so as to exploit the measurements made jointly with measurements made by other equipment.
  • An example of use of the system according to the invention in a more general application is illustrated by the functional block diagram of FIG. 13.
  • This application consists of a system allowing the joint operation, on board of aircraft equipped accordingly, data provided by an ILS receiver 133, and altitude measurements made by the system according to the invention 131.
  • the two systems each give a three-dimensional estimate of the position of the aircraft relative to the ground.
  • the considered system comprises ground equipment consisting of an ILS system and a radar system according to the invention 131 associated with means 132 for transmitting the altitude measurements made to the aircraft.
  • This system also comprises equipment placed on board the aircraft, an ILS receiver 133, receiving means 134 for receiving the transmitted altitude information, and fusion means 135 for determining an altitude measurement of increased accuracy. by merging altitude information developed on board by the ILS receiver and altitude information transmitted from the ground.
  • the system according to the invention is multistatic with the property that the receiver is located near the track, therefore does not bring additional radiation stress in the vicinity, which can be a positive element for electromagnetic pollution.
  • the receiver elements can be installed on a pre-existing infrastructure, such as an ILS mast. In this case they benefit from the existence of a zone of ground already prepared and having the properties required for the "mirror" effect of the antennas S'1, S'2 ...
  • the invention exploits indeed the effect mirror, which allows it to have a gap receiving antenna, for example 2 or 3 elements arranged in the same place, at different heights, ie simple and therefore inexpensive, while providing good angular accuracy in elevation.
  • the elevation measurement can be done in non-coherent (classical, monopulse amplitude) and coherent (or monopulse phase) mode.
  • the system being multistatic, we can arrange the elements according to the local geography, and build a particular "corridor". This is of interest in some areas with difficult geography (mountainous area for example).
  • the characteristics of the system according to the invention make it a system resistant to the effects of wind turbines (the latter constituting a constraint more and more frequent), and this thanks to the following properties: a. It operates simultaneously several transmitter-target-receiver paths. The false detections come from reflections on the blades (moving echoes). Reflection on the blades occurs when the blade is in a particular orientation with respect to the transmitter / receiver configuration. But this property is not satisfied at the same time for all bistatic bases (transceiver). Since the treatment requires that the detection be done provided that there are at least three or more simultaneous bistatic bases, the presence of a blade flash at the output of the treatment is made unlikely. b. It works continuously, so it has excellent Doppler resolution properties. So we can do, on each bistatic basis, a detailed Doppler analysis to analyze the characteristic signature of a wind turbine and reject detections that would have this characteristic.

Abstract

L'invention concerne un système radar multistatique permettant de réaliser des mesures précises d'altitude sur des aéronefs évoluant dans une zone donnée en approche d'une zone d'atterrissage. Le système selon l'invention comporte dans sa version le plus simple au moins trois émetteurs configurés pour couvrir la zone d'approche et au moins un récepteur double comportant deux antennes co-localisées en un même lieu et placées à des hauteur distinctes par rapport au sol. Le récepteur double comporte deux voies de réception chaque voie étant associé à une antenne. Le système selon l'invention est agencé de façon à ce que les diagrammes de rayonnement des antennes du récepteur soient orientés en azimut selon une direction correspondant à l'axe de descente des aéronefs. La zone de terrain située en avant des antennes de réception est aménagée de façon à constituer un plan de réflexion pour les signaux réfléchis par les aéronefs. Chaque antenne recevant à la fois les signaux provenant en ligne directe des aéronefs et les signaux provenant indirectement de ces aéronefs par réflexion sur le sol, le récepteur combine ces signaux pour exploiter l'effet image qui en résulte et bénéficier d'une précision de mesure accrue.

Description

SYSTEME RADAR MULTISTATIQUE POUR LA MESURE PRECISE DE
L'ALTITUDE
L'invention se situe dans le domaine des radars multistatiques et concerne plus précisément leur capacité à mesurer de manière très précise l'altitude des cibles même lorsque celles-ci sont à basse altitude, comme c'est le cas pour des applications du type « PAR » (Précision Approach Radar).
La mesure précise de l'altitude de cibles par un radar est obtenue classiquement, par les radars monostatiques notamment, en utilisant des antennes de grande taille dans la dimension verticale, antennes qui présentent, de par cette taille, un pinceau étroit en site, la précision de mesure angulaire d'une antenne étant, de manière connue, d'autant meilleure que la taille de l'antenne est plus grande.
Concernant les radars multistatiques, on peut distinguer deux types:
- les radars mettant en œuvre, en réception, des antennes de grande taille dans la dimension verticale, et qui présentent de ce fait un pinceau étroit en site. La précision de la mesure d'altitude est alors obtenue en une mesure unique.
- les radars mettant en œuvre des antennes simples, de petite taille dans la dimension verticale, et configurés pour exploiter leur caractère multistatique de façon à mesurer l'altitude des cibles par "multilatération".
On rappelle ici que la multilatération est un procédé permettant de localiser une cible dans l'espace en associant plusieurs mesures élémentaires de temps de propagation, chaque mesure étant obtenue à partir d'un couple émetteur/récepteur donné formé à partir d'un des émetteurs et d'un des récepteurs constituant le radar multistatique. On peut, par exemple, dans le cas d'un système radar multistatique, réaliser une multilatération à partir d'un ensemble d'émetteurs localisés en différents sites géographiques et d'un ensemble de récepteurs également localisés en différents sites géographiques.
Les signaux émis par l'ensemble des émetteurs étant réfléchis par une cible, chaque récepteur peut ainsi recevoir l'ensemble des signaux réfléchis. Par suite, si on considère un système radar comportant N émetteurs et M récepteurs, l'ensemble du système étant synchronisé temporellement, il est possible de disposer, pour une même cible, d'un nombre total de N M détections élémentaires, chaque détection élémentaire, relative à un couple émetteur-récepteur donné, étant caractérisée par le temps de propagation du signal depuis l'émetteur jusqu'au récepteur via la cible.
Le lieu des localisations des cibles correspondant à un temps de propagation donné est défini, de manière connue, par un ellipsoïde dont les foyers sont l'émetteur et le récepteur.
Par suite, connaissant la position des émetteurs et des récepteurs, et l'ensemble des temps de propagation mesurés, il est possible de localiser la cible dans l'espace, grâce à une opération consistant à déterminer l'intersection de tous les ellipsoïdes. L'intersection de seulement trois ellipsoïdes distincts permet de manière connue, de localiser une cible sur une position donnée de l'espace à trois dimensions, et donc de déterminer notamment la coordonnée de cette position sur l'axe vertical qui correspond à l'altitude de la cible correspondante.
Il est à noter que, concernant le premier type considéré, on retrouve dans ces radars multistatiques les défauts des radars monostatiques, à savoir la nécessité d'avoir une antenne d'émission et/ou de réception de grande taille, difficile à réaliser et donc coûteuse.
Par ailleurs, concernant le second type considéré, il est connu que la précision de mesure de l'altitude se dégrade lorsque l'altitude des cibles diminue. Cette altération peut être compensée par une augmentation de la densité des émetteurs et/ou des récepteurs et donc le nombre d'émetteurs et des récepteurs formant le système radar multistatique considéré. Toutefois, cette compensation se fait alors au détriment de la simplicité de mise en œuvre et du coût du système.
En outre, quel que soit le type de radar considéré, monostatique ou multistatique, il est connu que les trajets multiples suivis par les signaux, provoqués en particulier par les réflexions sur le sol, viennent perturber sensiblement les mesures d'altitude et cela d'autant plus que les cibles sont à basse altitude. Un moyen connu pour contourner ce dernier problème consiste à utiliser des émissions à fréquences élevées, des émissions en bande X par exemple, comme dans le cas des radars PAR, et/ou des antennes très directives de manière à limiter l'illumination du sol, ce qui, là encore, augmente généralement de manière sensible le cout du matériel utilisé. Un but de l'invention est de proposer une solution simple permettant de constituer un système radar multistatique capable de réaliser des mesures d'altitude précises en utilisant un système antennaire simple, constitué d'antennes de dimensions standards.
A cet effet l'invention a pour objet un système radar multistatique pour réaliser la mesure de l'altitude d'aéronefs localisés dans une zone d'approche d'une zone d'atterrissage, ce système multistatique comportant des moyens d'émission de signaux dans la zone d'approche et des moyens de réception, délocalisés par rapport aux moyens d'émission, pour capter les signaux réfléchis par des aéronefs localisés dans la zone d'approche, et des moyens de traitement pour déterminer l'altitude de ces aéronefs à partir des signaux captés. Selon l'invention, la surface du terrain s'étendant sous la zone d'approche étant rendue sensiblement plane, le système comporte au moins trois émetteurs configurés pour émettre un signal dans la direction de la zone d'approche et un récepteur comportant au moins deux antennes, chaque antenne présentant un diagramme de rayonnement orienté dans la direction de la zone d'approche selon un axe de descente d'inclinaison donnée par rapport au plan horizontal. Les deux antennes sont co-localisées en un même lieu P de la zone d'atterrissage à des hauteurs différentes, définies de façon à ce que chacune des antennes capte simultanément le signal réfléchi directement par un aéronef et le signal provenant du même aéronef par réflexion sur la zone de terrain située sous la zone d'approche. Le système multistatique et l'exploitation conjointe des signaux reçus par les antennes du récepteur permettent de réaliser une mesure d'altitude à la fois non ambiguë et précise.
Selon l'invention, la distance d sur laquelle la surface de terrain est rendue sensiblement plane s'étend, depuis le lieu P, dans la direction suivant laquelle les antennes du récepteur double sont orientées, sur une distance dmax définie, en fonction de la longueur d'onde centrale λ exploitée par le radar et par l'inclinaison Θ0 de l'axe de descente choisie, par la relation: max ■ 2 / -v \
2.sin2 (0o )
Dans un mode de réalisation simple, le système selon l'invention comporte:
- Un récepteur double comportant deux antennes co-localisées disposées au bord de la zone d'atterrissage, ces antennes présentant des diagrammes de rayonnement en azimut sensiblement orientés dans la direction de l'axe de descente des aéronefs, de façon à faire face à une zone de terrain aménagée;
- trois émetteurs disposés au sol, dans une zone encadrant l'axe de descente et configurés pour éclairer tout aéronef situé dans la zone d'approche couverte par le système
- des moyens pour exploiter conjointement les signaux captés par les antennes et déterminer l'altitude d'un aéronef à partir des signaux réfléchis par celui-ci dans la direction des deux antennes.
Dans un autre mode de réalisation, le système selon l'invention comporte en outre des émetteurs complémentaires, placés dans une zone encadrant l'axe de descente de façon à éclairer tout aéronef présent dans la zone d'approche et agencés par rapport aux trois premiers émetteurs de façon à accroître la longueur de la zone d'approche couverte par le système.
Dans un autre mode de réalisation qui peut être combiné aux modes de réalisation précédents, le système selon l'invention comporte en outre des récepteurs complémentaires, isolés, configurés pour former, avec les différents émetteurs du système, un ensemble de bases bistatiques mises en œuvres pour déterminer la position des aéronefs présents dans la zone d'approche, les mesures de position réalisées étant exploitées conjointement avec les mesures réalisées sur les signaux reçus par le premier récepteur double à antennes co-localisées pour améliorer la précision des mesures d'altitudes réalisées par le système. Dans un autre mode de réalisation qui peut également être combiné aux modes de réalisation précédents, le système selon l'invention comporte en outre un récepteur double complémentaire à antennes co-localisées en un lieu voisin du lieu de localisation P du premier récepteur double à antennes co-localisées, les mesures d'altitudes réalisées à partir du récepteur double complémentaire étant exploitées conjointement avec les mesures d'altitude réalisées à partir du premier récepteur double pour élaborer une mesure d'altitude globale. Dans un autre mode de réalisation qui peut être combiné aux modes de réalisation précédents, une zone d'approche complémentaire est définie par rapport aux deux premiers récepteurs par un autre axe de descente et une autre zone de terrain est aménagée sous cette zone d'approche complémentaire. Dans ce mode de réalisation, le système selon l'invention comporte en outre une pluralité d'émetteurs complémentaires disposés dans une zone encadrant l'axe de descente complémentaire et configurés pour éclairer tout aéronef situé dans la zone d'approche complémentaire couverte par le système. L'invention a également pour objet un système de détection radar multistatique qui comporte au moins un ensemble formé par un récepteur double à antennes co-localisées en un même lieu P et trois émetteurs. Les émetteurs et le récepteur double formant cet ensemble sont configurés et agencés sur une zone d'atterrissage, vis-à-vis d'une zone donnée de l'espace constituant une zone d'approche, de façon à former un système radar de mesure d'altitude selon l'invention permettant de contrôler l'approche de la zone d'atterrissage formée par des aéronefs localisés dans la zone d'approche considérée. Selon l'invention, les émetteurs et le récepteur double formant cet ensemble sont en outre exploités conjointement avec les autres émetteurs et les autres récepteurs du système multistatique pour réaliser la fonction de détection de ce système
L'invention a également pour objet un système de mesure d'altitude permettant à un aéronef de déterminer son altitude, comportant des moyens au sol et des moyens embarqués à bord de l'aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte:
- des moyens au sol comportant un système d'émission ILS, un système radar multistatique de mesure d'altitude selon l'invention réalisant des mesures de l'altitude de l'aéronef, et des moyens permettant de transmettre à l'aéronef les mesures effectuées;
- des équipements de bord comportant un récepteur ILS, des moyens de transmission permettant de récupérer les informations d'altitude élaborée par le système radar et des moyens permettant de déterminer l'altitude de l'aéronef par fusion des informations d'altitude provenant du système radar et des informations d'altitude provenant du système ILS.
Le système selon l'invention permet avantageusement de procéder au guidage en approche d'atterrissage de tout objet, coopératif ou non. Il peut par exemple être utilisé pour guider l'atterrissage d'aéronefs sans pilotes (drones) sans nécessiter pour ceux-ci un équipement embarqué particulier.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au travers de la description faite en regard des figures annexées qui représentent:
- la figure 1 , un schéma de principe de l'exploitation de l'effet image;
- la figure 2, une représentation du diagramme d'antenne obtenu, pour un angle de descente de 3°, par mise en œuvre de l'invention;
- la figure 3, une représentation du diagramme d'antenne obtenu, pour un angle de descente de 1 1 °, par mise en œuvre de l'invention;
- les figures 4 et 5, des illustrations relatives à un premier mode de réalisation du système selon l'invention;
- la figure 6, une courbe donnant l'allure de la variation du coefficient de réflexion en polarisation verticale;
- la figure 7, une courbe donnant l'allure de la variation du coefficient de réflexion en polarisation horizontale,
- les figures 8 à 12, des illustrations relatives à différents modes de réalisation du système selon l'invention;
- la figure 13, le schéma synoptique d'une application particulière du système selon l'invention. La solution proposée reprend le principe de fonctionnement bien connu des équipements d'aide à l'atterrissage connus sous le nom d'ILS, ou "Instrument Landing System" selon la dénomination anglo-saxonne, et, en particulier, le principe de fonctionnement du système de radioalignement de descente ou "Glide Path" selon la dénomination anglo-saxonne.
Selon ce principe, au lieu de mettre en place des moyens pour lutter contre les effets néfastes des trajets multiples provoqués par les réflexions sur le sol, ces équipements tirent parti de ces signaux réfléchis pour reconstituer un signal identique à celui obtenu en l'absence de réflexion, dans des conditions d'exploitation identiques, au moyen d'une antenne de grande taille dans la dimension verticale (i.e. de grande hauteur), présentant de ce fait, un grande précision en site. Le fonctionnement de l'ILS repose sur la mise en oeuvre de deux ou trois antennes d'émission placées au sol, à proximité du seuil de la piste d'atterrissage, et d'une antenne de réception localisée à bord de l'avion de sorte que, la mesure d'altitude étant réalisée à bord, l'ILS est considéré comme un système "coopératif".
En ce qui concerne l'équipement chargé du radioalignement en descente, celui-ci comporte des antennes au sol, disposées au même endroit mais à des hauteurs différentes. Ces antennes sont en outre orientées dans la direction de l'axe d'atterrissage des aéronefs. Par ailleurs, le terrain situé en avant des antennes est préparé et aplani de façon à se comporter comme une sorte de miroir réfléchissant les signaux émis par les antennes. Par suite, pour chacune des antennes d'émission, le récepteur placé à bord de l'aéronef reçoit simultanément le signal provenant de l'antenne en ligne directe et un signal provenant de l'antenne après réflexion sur le sol. Ces deux signaux sont combinés en amplitude et phase au niveau de l'antenne de réception de l'aéronef, leur combinaison permettant de former un signal équivalent au signal qui aurait été émis par une antenne ayant une dimension égale à deux fois la hauteur de l'antenne d'émission par rapport au sol.
L'opération de recombinaison est répétée pour chaque antenne d'émission de façon à disposer de deux (ou trois) signaux distincts permettant au récepteur situé à bord de supprimer les ambiguïtés angulaires qu'engendre la combinaison des signaux, ambiguïtés qui, faute de traitement approprié, pourraient venir introduire des erreurs dans les mesures d'altitude faites par l'avion. En pratique, l'utilisation de deux ou trois antennes d'émission placées à des hauteurs différentes, judicieusement choisies, permet au récepteur de bord de résoudre ces ambiguïtés de manière simple.
Bien qu'apparenté au fonctionnement des systèmes ILS, en ce qu'il utilise le principe des antennes "images" le système radar selon l'invention est un système multistatique essentiellement non coopératif qui permet de réaliser une mesure précise de l'altitude de cibles, constituées dans le cas présent par des aéronefs en approche d'un site d'atterrissage, sans nécessiter la présence d'un quelconque équipement de navigation ou de mesure à bord de ces aéronefs.
Le système selon l'invention est composé d'une pluralité d'émetteurs (au minimum trois) et de récepteurs doubles (au minimum un). Selon l'invention un récepteur double comporte deux voies de réception reliées chacune à une antenne, les deux antennes étant situées à l'aplomb d'un même point P au sol (antennes co-localisées), à des hauteurs différentes par rapport au sol, de manière à exploiter l'effet image décrit précédemment. Le système selon l'invention comporte également des moyens de traitement permettant d'associer les signaux reçus par chacune des antennes co- localisées de façons à exploiter l'effet de miroir engendré par cette configuration et réaliser une mesure précise de l'altitude des cibles à l'origine des signaux reçus par le récepteur double considéré. Le signal transmis par une cible, un aéronef, est ici le signal provenant des émetteurs composant le système qui se réfléchit sur cette cible.
Le principe de l'exploitation de l'effet image, effectué par le système radar selon l'invention, est illustré par la figure 1 . On rappelle à cette occasion, sans les démontrer, les quelques résultats connus, établis notamment pour des équipements de type ILS, qui permettent de déterminer comment sont fixés les différents paramètres qui définissent la géométrie d'un système exploitant l'effet d'image. Pour obtenir plus de détails, on pourra utilement se référer aux documents de l'OACI (Organisation de l'Aviation Civile Internationale) relatifs à l'ILS (Standards and Recommended Practices for Aeronautical Télécommunications, Annex 10 Volume I). Comme l'illustre la figure, cette exploitation repose sur l'utilisation de deux antennes A et A2 co-localisées, 1 1 et 12, c'est-à-dire placées, en un même endroit P, à des hauteurs différentes h et h2, sur un même mât par exemple. Elle repose également sur l'aménagement de la zone de terrain 13 située devant les antennes et s'étendant sur une distance donnée d depuis l'endroit de localisation P des antennes 1 1 et 12.
Dans une telle configuration, le signal réfléchi par une cible M est capté par chacune des antennes du récepteur double après avoir suivi deux trajets distincts un premier trajet, direct, Si ou S2 suivant l'antenne considérée et un second trajet, indirect, S'i ou S'2, consécutif à la réflexion par le sol du signal émis par la cible, en direction du récepteur. Par suite, du fait de la différence des longueurs des trajets suivis par le signal provenant de la cible, le signal de trajet direct et le signal de trajet indirect sont combinés au sein du récepteur de la même façon que le seraient deux signaux de trajet direct respectivement reçu par deux antennes A et A', reliées à un même voie de réception et occupant des positions symétriques par rapport au plan du sol, une antenne réelle et une antenne virtuelle. On associe ainsi à chaque voie de réception une antenne lacunaire virtuelle de grande dimension comportant deux capteurs, un capteur réel A et un capteur virtuel A'. Cette antenne présente avantageusement un diagramme de rayonnement étroit qui permet au récepteur de déterminer avec précision la distance de la cible M à l'origine du signal reçu.
Par suite, l'utilisation de deux antennes co-localisées permet, pour peu que le terrain soit convenablement aménagé, de disposer de deux antennes virtuelles de grandes dimensions dont les capteurs sont espacés respectivement de 2h et 2h2. La possibilité de disposer de deux antennes virtuelles de tailles différentes permet ici avantageusement de déterminer, en exploitant les signaux reçus par ces deux antennes, le site de l'aéronef à l'origine des signaux reçus.
Ainsi, les équations de propagation associées à la configuration illustrée par la figure 1 permettent de définir les relations liant les hauteurs h et h2, à la longueur d'onde utilisée (λ), et à la valeur choisie (θ0) pour l'angle de descente nominal d'un aéronef. Ces relations sont établies de façon à ce que les signaux mesurés, S-i , S'i d'une part et S2i S'2 d'autre part, permettent de lever les ambiguïtés des mesures pouvant être réalisées par chaque antenne fictive prise séparément et d'obtenir une mesure ayant une précision accrue. Comme l'illustrent les figures 2 et 3, on choisit notamment h et h2 de façon à ce que, compte tenu des diagrammes de rayonnement des antennes A-, et A2, les diagrammes de rayonnement 21 et 22 des deux antennes virtuelles constituées se superposent de telle sorte que le diagramme de rayonnement 22 de la seconde antenne virtuelle présente un gain maximum aux endroits, symbolisés par la flèche 23, où le diagramme de rayonnement 21 de la première antenne virtuelle présente un gain minimum. Les figures 2 et 3 illustrent une telle configuration respectivement dans le cas où l'axe de descente considéré est incliné à 3° par rapport à l'horizontale et dans le cas où il est incliné à 1 1 °.
Dans une telle configuration, les signaux Si (S'-i) et S2 (S'2) reçus permettent de déterminer la mesure du site de la cible et donc de son altitude, dès lors que l'on connaît aussi sa distance. Cette détermination peut être faite au moyen d'une méthode d'écartométrie angulaire classique. La distance de l'aéronef peut par ailleurs être déterminée par multilatération en déterminant, de manière classique également, la distance bistatique correspondant aux signaux reçus et en analysant les intersections des ellipsoïdes correspondant à cette distance bistatique construite sur les signaux reçus sur chaque voie de réception du récepteur double constituant le système.
Par suite la mesure du site de l'aéronef considéré, à l'origine des signaux reçus, consiste, par exemple, à mesurer l'amplitude des signaux reçus sur les deux antennes, et a en déduire l'angle de descente de l'aéronef (i. e. l'écart par rapport à θ0) à partir de la connaissance a priori des diagrammes des antennes fictives construites à partir de la combinaison des trajets direct et réfléchi, connaissance qui permet de déterminer la relation entre l'amplitude et l'angle. De manière alternative la mesure du site de l'aéronef peut consister à exploiter, de manière connue, les phases des signaux reçus. De manière alternative encore elle peut consister à combiner les mesures d'amplitude et de phase.
Il est à noter que, compte tenu du fait que les antennes fictives ainsi réalisées sont constituées chacune par seulement deux capteurs, une antenne réelle et une antenne image, elles forment deux réseaux lacunaires, dont les diagrammes de rayonnement présentent, de manière connue, de nombreux lobes de réseaux, comme on peut le constater sur les figures 2 et 3. Ce phénomène de lobes de réseaux, caractéristique des antennes lacunaires, conduit classiquement à des ambiguïtés sur les mesures angulaires réalisées et en particulier, en ce qui concerne le système selon l'invention, sur les mesures d'élévation.
C'est pourquoi le système selon l'invention comporte des moyens de traitement mettant en œuvre différentes techniques connues permettant d'éliminer ces lobes de réseaux.
Il est par exemple possible de mettre en œuvre une méthode consistant à n'exploiter les signaux reçus que lorsque l'amplitude du signal reçu par le récepteur via l'antenne A ; est supérieure à celle du signal reçu via l'antenne A2.
Alternativement à la méthode précédente, ou conjointement avec celle-ci, il est également possible d'exploiter l'estimation du site obtenue par multilatération, c'est-à-dire par combinaison des mesures réalisées par les différentes bases bistatiques formées à partir le réseau multistatique que constituent les émetteurs à l'origine des signaux réfléchis par l'aéronef et par le récepteur double considéré.
Alternativement encore, il est possible d'utiliser la diversité de fréquence existant entre les différents émetteurs du système formant les différentes bases bistatiques pour faire varier les valeurs d'ambiguïté des différentes mesures réalisées, dans la mesure ou ces valeurs d'ambiguïté dépendent de la longueur d'onde du signal reçu. Comme il a été dit précédemment, l'exploitation de l'effet image (effet de miroir) du système selon l'invention ne peut être possible que dans la mesure où une zone de terrain est aménagée dans la direction dans laquelle les antennes sont dirigées, de façon à se comporter comme une sorte de miroir radioélectrique réfléchissant les signaux en provenance des aéronefs. Or, compte tenu de la longueur d'onde λ employée et de l'angle de descente θ0 choisi, il est connu que la distance d séparant le point de réflexion sur le sol du signal réfléchi par une cible varie avec la distance qui sépare la cible de l'endroit P où sont localisées les antennes A et A2. Ainsi, lorsque la cible M est très éloignée de P, d peut être considéré λ
comme sensiblement égal à dmax = - . Ensuite, lorsque la cible se
2.sin2 (0o )
rapproche, le point de réflexion se rapproche des antennes de réception et la distance d diminue pour tendre vers zéro, de sorte que l'on peut considérer λ que la distance d du point de réflexion varie entre 0 et dmax = - . Par
2. sin2(0o ) suite, l'étendue de la zone dont la surface doit être préparée afin de garantir de bonnes conditions de réflexion est une zone s'étendant depuis le point P sur une distance au moins égale à dmax- L'exploitation de l'effet image conditionne de manière importante la structure du système radar selon l'invention. Dans le mode de réalisation le plus simple, illustré par les figures 4 et 5, le système comporte nécessairement trois émetteurs 43, 44 et 45 et un récepteur double comportant deux antennes 41 et 42 co-localisées en un même lieu P et positionnés à des hauteurs hi et h2 différentes.
Les deux antennes 41 et 42 sont disposées d'une manière similaire à celle dont sont positionnées les antennes d'un émetteur ILS, c'est à dire en bord de la zone d'atterrissage (piste), leurs diagrammes de rayonnement en azimut étant sensiblement orientés dans la direction 46 de l'axe de descente des aéronefs dont on veut superviser l'atterrissage, la directivité en site étant de moindre importance. Selon l'invention, les récepteurs sont positionnés de façon à faire face à une zone de terrain 47 aménagée de façon à se comporter comme une sorte de miroir radioélectrique réfléchissant les signaux en provenance des aéronefs.
Les trois émetteurs 43, 44, 45 sont quant à eux disposés au sol, dans une zone encadrant l'axe de descente. Les signaux sont émis de façon à éclairer tout aéronef éventuel en approche de la zone d'atterrissage couverte par le système. Du point due vue opérationnel la structure du système selon l'invention peut par exemple être mise en œuvre suivant différentes configurations. S'agissant d'un système dont la structure est semblable à celle illustrée par la figure 4, on peut à titre d'exemple considérer un système en bande UHF comportant des émetteurs de quelques dizaines de watts de puissance crête, 50 watts par exemple, réalisant une émission continue avec une largeur de bande donnée, égale par exemple à 1 MHz, à partir d'antennes omnidirectionnelles disposées au dessus du sol, à une quinzaine de mètre de hauteur par exemple. Du point de vue réception, un tel système peut par exemple comporter un récepteur double pourvu d'antennes co- localisées directives présentant un ouverture en azimut donnée, 60° par exemple, et orientées dans la direction de l'axe de descente vers la zone d'atterrissage, ces antennes étant disposées l'une au dessus de l'autre, à respectivement environ 3 et 6 mètres du sol.
Il est à noter que d'un point de vue fonctionnel le système selon l'invention peut être conçu en utilisant des moyens exploitant une onde émise en polarisation soit horizontale soit verticale. Cependant, les illustrations des figures 6 (polarisation verticale) et 7 (polarisation horizontale) montrent que, pour une qualité de sol identique la valeur du coefficient de réflexion sur le sol d'une onde radio, matérialisé respectivement par les courbes 61 et 71 sur les figures, est plus élevée à angle d'incidence constant lorsque la polarisation de l'onde est réalisée suivant un axe horizontal plutôt que suivant un axe vertical et que la polarisation horizontale permet d'obtenir un coefficient de réflexion élevé même pour des angles d'incidence plus élevés. Par conséquent, le système selon l'invention exploite de manière préférentielle des émissions en polarisation horizontale, spécialement lorsque, pour des raisons de conformation de terrain, notamment, le système doit assurer un alignement sur un angle de descente important, supérieur à 10° par exemple.
Le mode de réalisation le plus simple, illustré par les figures 4 et 5, permet à lui seul de bénéficier d'une précision satisfaisante de la mesure d'altitude sans nécessiter la mise en place d'antennes de grandes dimensions dans le sens vertical. Cependant cette configuration de base peut être enrichie de façon à adjoindre au système des caractéristiques techniques additionnelles avantageuses. Des variantes de réalisation et de mise en œuvre du système selon l'invention sont présentées à titre d'exemples, non limitatifs de la portée de l'invention, dans la suite du document. Selon les cas, ces variantes peuvent être mises en œuvre séparément, ou bien combinées les unes aux autres pour former des variantes plus complexes.
Dans un premier type de variante de réalisation, le système selon l'invention peut comporter un ou plusieurs récepteurs complémentaires, soit des récepteurs doubles comportant des antennes co-localisées, soit des récepteurs simples, isolés.
Par principe un récepteur isolé ne dispose d'aucune capacité particulière d'exploitation de l'effet image. Par suite l'ajout d'un récepteur isolé 81 à la configuration la plus simple, illustrée par la figure 4, pour former une configuration telle que celle illustrée par la figure 8, n'est pas de nature à contribuer à améliorer de manière directe la précision des mesures d'altitude réalisées. Cependant c'est un moyen qui permet avantageusement d'améliorer les performances du système en offrant des mesures multistatiques complémentaires utiles notamment pour améliorer les performances du traitement de levée des ambiguïtés inhérentes à la formations des antennes lacunaires virtuelles par exploitation de l'effet image.
On rappelle que, par récepteur double, on entend un récepteur comportant deux voies de réception associées à deux antennes distinctes, dites co-localisées, qui sont disposées au même endroit, mais à deux hauteurs différentes, ce récepteur double étant ainsi capable d'exploiter l'effet image.
L'ajout de récepteurs doubles, en revanche, constitue un moyen d'améliorer le système selon l'invention en permettant une meilleure mesure de l'altitude. En effet, l'ajout de récepteurs doubles, un récepteur double à antennes co-localisées 91 et 92 par exemple, permet de constituer un système tel que celui illustré par la figure 9, qui permet d'améliorer encore la précision des mesures d'altitude par rapport à la précision obtenue au moyen de la configuration la plus simple du système. Cet accroissement de la précision des mesures peut par exemple être obtenu simplement en exploitant la valeur moyenne des mesures obtenues par chacun des récepteurs doubles à antennes co-localisées composant alors le système. Dans un deuxième type de variante de réalisation, le système selon l'invention peut comporter un ou plusieurs émetteurs complémentaires. L'ajout d'émetteurs a pour effet avantageux d'agrandir le domaine de fonctionnement du système, en augmentant sa couverture.
Ainsi, dans un premier mode de réalisation de cette variante du système selon l'invention, illustrée par la figure 10, des émetteurs complémentaires, trois émetteurs 101 , 102 et 103 par exemple, sont ajoutés au système, les émetteurs 102 et 103 étant disposés le long de l'axe d'atterrissage 46, de la même façon que les émetteurs 44 et 45 de la version la plus simple du système, à une distance plus grande des récepteurs cependant. De cette façon, on augmente la portée du système de base, ce qui permet avantageusement de connaître la position d'une cible alors qu'elle est plus éloignée du système et donc du lieu d'atterrissage.
Par ailleurs, un second mode de réalisation de cette variante du système selon l'invention peut consister, comme l'illustre la figure 1 1 , à ajouter des émetteurs complémentaires, trois émetteurs 1 1 1 , 1 12 et 1 13 par exemple, agencés de façon à ce que le système couvre simultanément plusieurs axes d'atterrissage, les axes 46 et 1 14 sur la figure. Un tel mode de réalisation est en particulier destiné à la réalisation de systèmes pour des aéroports disposant de plusieurs pistes.
Dans un troisième type de variante de réalisation, illustré par la figure 12, le système selon l'invention dans sa configuration de base est intégré au sein d'un système radar multistatique de détection déjà existant, comportant des émetteurs 121 , 122, 123 et des récepteurs 124, 125, 126 répartis sur une zone donnée environnant la zone d'implantation du système selon l'invention, un système tel que celui décrit dans la demande de brevet français déposée sous la référence FR0902365 par la demanderesse par exemple. L'utilisation conjointe de l'ensemble des émetteurs et des récepteurs constituant les deux systèmes, permet avantageusement d'améliorer simultanément les performances des deux systèmes, le système radar multistatique bénéficiant de la précision en altitude du système selon l'invention, le système selon l'invention bénéficiant quant à lui d'un complément de couverture apporté par les émetteurs et les récepteurs supplémentaires apportés par le système radar multistatique auquel il est intégré, ce système apportant notamment une plus grande diversité géographique, bénéfique à la précision de localisation des aéronefs en approche. Dans les formes de réalisation décrites dans le texte qui précède, le système selon l'invention peut être mis en œuvre de manière autonome, dans le but de réaliser une mesure d'altitude précise permettant notamment de superviser l'atterrissage d'aéronefs de façon à donner des indications utiles au pilote désireux de faire atterrir son appareil ou encore de façon à assurer un atterrissage optimal à un aéronef télécommandé (un drone).
Cependant il est à noter que le système selon l'invention peut être intégré à un système plus général de façon à exploiter les mesures réalisées de manière conjointe avec des mesures réalisées par d'autres équipements. Un exemple d'utilisation du système selon l'invention dans une application plus générale est illustré par le synoptique fonctionnel de la figure 13.
Cette application consiste en un système permettant l'exploitation conjointe, à bord d'aéronefs équipés en conséquence, des données fournies par un récepteur ILS 133, et des mesures d'altitude réalisées par le système selon l'invention 131 . Les deux systèmes donnent en effet chacun une estimation en trois dimensions de la position de l'aéronef par rapport au sol. Par suite, le système considéré comporte des équipements au sol constitué par un système ILS et par un système radar selon l'invention 131 associé à des moyens 132 permettant de transmettre les mesures d'altitude réalisées à l'aéronef. Ce système comporte également des équipements placés à bord de l'aéronef, un récepteur ILS 133, des moyens de réception 134 permettant de recevoir les informations d'altitude transmises et des moyens de fusion 135 permettant de déterminer une mesure d'altitude de précision accrue par fusion des informations d'altitude élaborées à bord par le récepteur ILS et des informations d'altitude transmises depuis le sol.
Avantageusement, le système selon l'invention étant multistatique avec la propriété que le récepteur est localisé à proximité de la piste, n'apporte donc pas de contrainte supplémentaire de rayonnement dans le voisinage, ce qui peut être un élément positif pour la pollution électromagnétique. Les éléments du récepteur peuvent être installés sur une infrastructure préexistante, comme un mât ILS par exemple. Dans ce cas ils bénéficient de l'existence d'une zone de terrain déjà préparée et ayant les propriétés requises pour l'effet "miroir" des antennes S'1 , S'2... L'invention exploite en effet l'effet miroir, ce qui lui permet d'avoir une antenne de réception lacunaire, par exemple 2 ou 3 éléments disposés au même endroit, à des hauteurs différentes, c'est à dire simple et donc peu coûteuse, tout en offrant une bonne précision angulaire en élévation.
La mesure d'élévation peut être faite en mode non cohérent (classique, de type monopulse d'amplitude) et cohérent (ou encore de type monopulse de phase).
Le système étant multistatique, on peut disposer les éléments en fonction de la géographie locale, et construire un "couloir" particulier. C'est un intérêt certain dans certaines zones à géographie difficile (zone montagneuse par exemple).
Les caractéristique du système selon l'invention en font un système résistant aux effets des éoliennes, (ces dernières constituant une contrainte de plus en plus fréquente), et ceci grâce aux propriétés suivantes: a. Il exploite simultanément plusieurs trajets émetteur-cible- récepteur. Les fausses détections proviennent des réflexions sur les pales (échos mobiles). La réflexion sur les pales se produit au moment où la pale est dans une orientation particulière par rapport à la configuration émetteur/récepteur. Mais cette propriété n'est pas satisfaite au même moment pour toutes les bases bistatiques (émetteur-récepteur). Comme le traitement nécessite que la détection soit faite à condition que l'on ait au moins trois, ou plus, bases bistatiques simultanées, la présence d'un flash de pale en sortie du traitement est rendue peu probable. b. Il fonctionne en continu, donc il a des excellentes propriétés de résolution Doppler. On peu donc faire, sur chaque base bistatique, une analyse Doppler détaillée pour analyser la signature caractéristique d'une éolienne et rejeter les détections qui auraient cette caractéristique.
Il n'y a pas une zone de "masquage" comme pour un radar classique. Pour un radar classique, la zone située à l'arrière des éoliennes risque d'être perturbée par la diffraction des ondes sur le mât et les pales des éoliennes (d'autant plus qu'elles sont regroupées en "parc"). Pour un radar multistatique selon l'invention, il y a plusieurs directions, et donc pas une seule direction privilégiée dans laquelle tous les problèmes sont concentrés.

Claims

REVENDICATIONS
Système radar multistatique pour réaliser la mesure de l'altitude d'aéronefs localisés dans une zone d'approche d'une zone d'atterrissage, ledit système comportant des moyens d'émission (43, 44, 45) de signaux dans la zone d'approche ainsi que des moyens de réception (1 1 , 12) délocalisés par rapport aux moyens d'émission pour capter les signaux réfléchis par des aéronefs localisés dans la zone d'approche, et des moyens de traitement pour déterminer l'altitude de ces aéronefs à partir des signaux captés;
caractérisé en ce que, la surface du terrain (13) s'étendant à proximité des moyens de réception étant rendue sensiblement plane, le système comporte au moins trois émetteurs (43, 44, 45) configurés pour émettre un signal dans la direction de la zone d'approche et un récepteur comportant au moins deux antennes (1 1 , 12), chaque antenne présentant un diagramme de rayonnement orienté dans la direction de la zone d'approche selon un axe de descente (S) d'inclinaison donnée par rapport au plan horizontal, les deux antennes (1 1 , 12) étant co-localisées en un même lieu P de la zone d'atterrissage à des hauteurs hi et h2 différentes définies de façon à ce que chacune des antennes capte simultanément le signal (S1 , S2) réfléchi directement par un aéronef et le signal (S'1 , S'2) provenant du même aéronef par réflexion sur la zone de terrain (13) située sous la zone d'approche, le système multistatique et l'exploitation conjointe des signaux reçus par les antennes du récepteur permettant de réaliser une mesure d'altitude non ambiguë et précise.
Système radar selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la distance d sur laquelle la surface de terrain est rendue sensiblement plane s'étend depuis le lieu P, dans la direction suivant laquelle les antennes du récepteur double sont orientées, sur une distance dmax- définie, en fonction de la longueur d'onde centrale λ exploitée par le radar et par l'inclinaison θ0 de l'axe de descente choisie, par la relation: max . 2
2.sin2 (0o )
Système selon l'une de revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte:
- Un récepteur double comportant deux antennes co-localisées (41 , 42) disposées au bord de la zone d'atterrissage, ces antennes présentant des diagrammes de rayonnement en azimut sensiblement orientés dans la direction de l'axe de descente (46) des aéronefs, de façon à faire face à une zone de terrain aménagée (47);
- trois émetteurs (43, 44, 45) disposés au sol, dans une zone encadrant l'axe de descente (46) et configurés pour éclairer tout aéronef situé dans la zone d'approche couverte par le système
- des moyens pour exploiter conjointement les signaux captés par les antennes (41 , 42) et déterminer l'altitude d'un aéronef à partir des signaux réfléchis par celui-ci dans la direction des deux antennes.
Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des émetteurs complémentaires (102, 103), placés dans une zone encadrant l'axe de descente (46) de façon à éclairer tout aéronef présent dans la zone d'approche (47) et agencés par rapport aux trois premiers émetteurs de façon à accroître la longueur de la zone d'approche (47) couverte par le système.
Système selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des récepteurs complémentaires (81 ), isolés, configurés pour former, avec les différents émetteurs (43, 44, 45, 102, 103) du système, un ensemble de bases bistatiques mises en œuvres pour déterminer la position des aéronefs présents dans la zone d'approche, les mesures de position réalisées étant exploitées conjointement avec les mesures réalisées sur les signaux reçus par le premier récepteur double à antennes co-localisées (41 , 42) pour améliorer la précision des mesures d'altitudes réalisées par le système.
6. Système selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un récepteur double complémentaire (91 , 92) à antennes co-localisées en un lieu voisin du lieu de localisation P du premier récepteur double à antennes co-localisées (41 , 42), les mesures d'altitudes réalisées à partir du récepteur double complémentaire (91 , 92) étant exploitées conjointement avec les mesures d'altitude réalisées à partir du premier récepteur double (41 , 42) pour élaborer une mesure d'altitude globale. 7. Système selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que, une zone d'approche complémentaire étant définie par rapport aux deux premiers récepteurs (41 , 42) par un autre axe de descente (1 14) et une autre zone de terrain étant aménagée sous cette zone d'approche complémentaire, il comporte en outre une pluralité d'émetteurs complémentaires (1 1 1 , 1 12, 1 13) disposés dans une zone encadrant l'axe de descente complémentaire (1 14) et configurés pour éclairer tout aéronef situé dans la zone d'approche complémentaire couverte par le système.
8. Système radar multistatique comportant une pluralité d'émetteurs et de récepteurs, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble formé par un récepteur double à antennes (41 , 42) co-localisées en un même lieu P et trois émetteurs (43, 44, 45), les émetteurs et le récepteur double formant cet ensemble étant configurés et agencés sur une zone d'atterrissage (127), vis-à-vis d'une zone donnée de l'espace constituant une zone d'approche, de façon à former un système radar selon l'une quelconque des revendications précédentes, le système formé permettant de contrôler l'approche de la zone d'atterrissage (127) par des aéronefs localisés dans la zone d'approche; les émetteurs (43, 44, 45) et le récepteur double (41 , 42) formant cet ensemble étant en outre exploités conjointement avec les autres émetteurs (121 , 122, 123) et les autres récepteurs (124, 125, 126) du système pour réaliser la fonction de détection du système radar. Système de mesure d'altitude permettant à un aéronef de déterminer son altitude, comportant des moyens au sol et des moyens embarqués à bord de l'aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte:
- des moyens au sol comportant un système d'émission ILS, un système radar multistatique (131 ) selon l'une des revendications 1 à 8, le système radar multistatique réalisant des mesures de l'altitude de l'aéronef, et des moyens (132) permettant de transmettre les mesures effectuées à l'aéronef;
- des équipements de bord comportant un récepteur ILS, des moyens de transmission (134) permettant de récupérer les informations d'altitude élaborée par le système radar et des moyens (135) permettant de déterminer l'altitude de l'aéronef par fusion des informations d'altitude provenant du système radar (131 ) et des informations d'altitude provenant du système ILS.
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