WO2021110868A1 - Procédé et dispositif de mesure de hauteur d'un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol - Google Patents

Procédé et dispositif de mesure de hauteur d'un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol Download PDF

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Yoan VEYRAC
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Thales
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Definitions

  • TITLE Method and device for measuring the height of an aircraft in flight relative to at least one point on the ground
  • the present invention relates to a method and a device for measuring the height of an aircraft in flight relative to at least one point on the ground, for example located in front of the aircraft.
  • the invention lies in the field of aircraft navigation.
  • the aircraft are equipped with various height measurement devices, for example an altimeter making it possible to evaluate the altitude of the aircraft, as well as one or more receiver (s) of positioning signals transmitted by satellites. , for example a GPS receiver, making it possible to obtain in real time a geolocated position of the aircraft.
  • an altimeter making it possible to evaluate the altitude of the aircraft
  • receiver (s) of positioning signals transmitted by satellites for example a GPS receiver, making it possible to obtain in real time a geolocated position of the aircraft.
  • a GPS receiver can be subjected to interference, intentional or not, which disrupts the calculation of a geolocated position of the aircraft.
  • the calculation of the height above the ground requires having very precise terrain maps with associated altitude indications.
  • a radar system comprising at least one directional antenna, adapted to emit at least one radiofrequency wave beam along a controllable directional sighting axis, said direction being defined by an elevation angle. and a bearing angle.
  • the sighting direction is for example oriented towards the front of the aircraft. Knowing the elevation angle of the line of sight, it is theoretically possible to calculate the height of the aircraft with respect to a point on the ground intercepted by the line of sight from the radial distance between the antenna and the point on the ground.
  • a height value of good precision it is necessary to obtain a radial distance value of good precision, which is particularly difficult because the radar measurements are noisy. and the wave beam received as an echo of the emitted wave beam originates from an area on the ground illuminated by the beam which is extended.
  • a problem to be solved is therefore the estimation of such a radial distance with good precision.
  • the object of the invention is to allow measurement of the height of the aircraft relative to a point on the ground, by an automatic process, in an autonomous manner, without requiring the presence of reflectors or beacons on the ground.
  • the invention proposes a method for measuring the height of an aircraft in flight relative to at least one point on the ground, said aircraft carrying a radar system comprising at least one directional antenna, suitable for transmitting at least one radiofrequency signal along a controllable directional sighting axis, said direction being defined by an elevation angle and a bearing angle, and to receive a reflected radiofrequency signal.
  • This method comprises the following steps, implemented by a calculation processor:
  • the method of the invention makes it possible to estimate a radial distance of the aircraft relative to the ground along the sighting axis with good precision, and to deduce therefrom a height of the aircraft relative to the point at ground intercepted by the line of sight.
  • the method for measuring the height of an aircraft in flight can also have one or more of the characteristics below, taken independently or in any technically conceivable combination.
  • the method further comprises a calculation of a radial distance of barycenter corresponding to a barycenter associated with a power curve received on the sum channel.
  • the chosen zone of the angular deviation measurement curve is defined by an interval of distances comprising said radial distance of barycenter, and in which the power received on the sum channel is greater than the power received on the difference in elevation channel.
  • the determination of an estimator of the radial distance of the aircraft with respect to the point on the ground intercepted by the line of sight comprises a determination of a zero crossing of the angular deviationometry curve in said chosen zone, said passage at zero corresponding to a radial zero-crossing distance, said estimator being equal to said radial zero-crossing distance.
  • the method further comprises applying filtering to determine said estimator of the radial distance of the aircraft from the ground point intercepted by the line of sight.
  • the filtering consists in calculating an average value of the radial distances of said chosen zone of the angular deviation measurement curve, corresponding to angular deviation measurement values less than a predetermined threshold deviation value.
  • the filtering consists in calculating a median value of the radial distances of said chosen zone of the angular deviation measurement curve, corresponding to angular deviation measurement values less than a predetermined threshold deviation value.
  • the method comprises a command to transmit radiofrequency signals along several sighting axes simultaneously, and in which said steps b) to e) are performed for each of said sighting axes, so as to obtain a height profile of a plurality of points on the ground intercepted respectively by each of said sighting axes.
  • the invention relates to a computer program comprising software instructions which, when they are implemented by a programmable electronic device, implement a method for measuring the height of an aircraft as briefly described herein. -above.
  • the invention relates to a device for measuring the height of an aircraft in flight relative to at least one point on the ground, said aircraft being the carrier of a radar system comprising at least one directional antenna, suitable for emit at least one radiofrequency signal along a controllable directional sighting axis, said direction being defined by an elevation angle and an elevation angle bearing, and to receive a reflected radiofrequency signal, the device comprising at least one calculation processor configured to implement:
  • a module for calculating received powers as a function of a radial distance on two reception channels comprising a first channel called the sum channel and a second channel called the deviation channel,
  • FIG 1 Figure 1 schematically illustrates a case of application of the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of the main functional blocks of a device for measuring the height of an aircraft according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 is an example of a graph representing power curves received on two channels as a function of the radial distance
  • Figure 4 is a flowchart of the main steps of a method for measuring the height of an aircraft according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is an example of a graph representing the angular ecartometry value as a function of the radial distance.
  • FIG. 1 schematically illustrates a case of application of the invention, and makes it possible to geometrically describe the context of application of the invention.
  • an aircraft 2 for example an airplane, which is in flight and moves in a direction (d) represented by an arrow in dotted lines.
  • the direction (d) is parallel to the horizontal plane.
  • the aircraft 2 is shown in Figure 1 in a case where it flies over terrain S which is irregular and steep.
  • the aircraft 2 is equipped with a radar system 4, comprising at least one directional antenna 6, suitable for emitting a radiofrequency wave beam or radiofrequency signal 8, along a sighting axis A of controllable direction.
  • a radar system 4 comprising at least one directional antenna 6, suitable for emitting a radiofrequency wave beam or radiofrequency signal 8, along a sighting axis A of controllable direction.
  • the radar system 4 is attached to the front of the aircraft.
  • the direction of the sighting axis A is conventionally defined by two angles in the orthogonal frame of reference (C, U, Z) shown in Figure 1, called the elevation angle and the bearing angle, respectively.
  • the aircraft 2 moves in a horizontal plane (X, Z), therefore the fuselage axis of the aircraft is in the horizontal plane.
  • the elevation angle S a m is the angle formed between the sighting axis A and the horizontal plane (X, Z).
  • the bearing angle, formed between the sighting axis A and the vertical plane (Y, Z), is not shown in Figure 1.
  • the line of sight A of the antenna 6 of the on-board radar system 4 intercepts the ground S at a point P, hereinafter called the point of interception with respect to the line of sight A.
  • the method of the invention makes it possible to obtain, on the one hand, a precise and robust estimate of the radial distance D ant between the phase center of the transmitting antenna 6 and the point P, and on the other hand deduce therefrom a measurement of the height h to the right of point P, the distance, vertically from point P, between point P and the horizontal plane passing through a reference point of the aircraft, for example the barycenter of the aircraft.
  • the precise estimation of the radial distance D ant in the direction of angle in fixed elevation S ant poses difficulties, because the beam 8 of radiofrequency waves intercepts a zone on the ground around the point of interception P, and consequently the Radar system receives reflected radiofrequency waves corresponding to all directions within the beam 8.
  • the antenna radiation pattern representative of the power received as a function of the estimated radial distance comprises several lobes, and the power is not maximum in the direction of the main lobe. In other words, such an antenna radiation pattern is not sufficient to obtain a robust estimate of the radial distance.
  • the power measurements can be noisy, which increases the difficulty of estimating the radial distance D ant
  • the method of the invention proposes to calculate an estimator of the radial distance of the aircraft from the ground along the line of sight.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of an on-board system 3 for measuring the height of an aircraft in flight according to one embodiment of the invention.
  • the on-board system 3 comprises an on-board radar system 4 and a device 10 for measuring the height of an aircraft with respect to at least one point on the ground, other than a point situated directly above the aircraft.
  • the radar system 4 comprises at least one directional antenna 6, the direction of emission of which can be controlled by a control unit 8.
  • the radar system is a mechanical scanning system
  • the control unit 8 is a motor adapted to turn the directional antenna in the chosen direction.
  • the radar system 4 is an electronic scanning system, with beamforming by calculation (or DFB for “Digital Beam Forming”) or a MIMO radar.
  • the radar system 4 comprises at least two reception channels, which are respectively a first reception channel called the sum channel and a second reception channel called the elevation deviation channel.
  • Such reception channels are known in the field of radars, and in particular in the field of single-pulse radars, better known under the name of “monopulse” radars.
  • the sum channel is a reception channel on which are added the signals received in each reception unit (for example in each quadrant) of a reception antenna.
  • a power curve associated with the sum channel represents corresponding power values as a function of values of the measured radial distance.
  • Each measured distance value corresponds to a sampling instant t (i) of the radiofrequency signal, converted into radial distance d (i) by the formula: [M
  • the elevation gap channel hereinafter called channel E, is a receive channel on which signals received by certain receiving units (for example the top two quadrants of a 4-quadrant antenna) from a receiving antenna are subtracted from the other receiving units (eg two lower quadrants of a 4-quadrant antenna) receiving.
  • a power curve associated with channel E represents the power values of the radiofrequency signal received on channel E for each radial distance d (i) as defined above.
  • the powers calculated as a function of a radial distance for each of the reception channels are transmitted to an onboard aircraft height measurement device 10 according to one embodiment.
  • the device 10 is a programmable electronic device, for example an on-board computer.
  • the device 10 comprises an electronic calculation unit 11, comprising one or more processors, configured to implement calculation modules described in more detail below. It also comprises an electronic memory unit 12, configured to store data, for example height measurements 14 in association with interception points on the ground, for example forming a height profile of a spatial area of the ground as described. in more detail below.
  • the calculation modules include in particular a module 16 for calculating the powers as a function of the radial distance for the two reception channels, a module 18 for calculating the angular deviation in elevation, a module 20 for calculating a barycenter associated with the powers received from the channel S, a module 22 for calculating a radial distance estimator and a module 24 for calculating the height of the aircraft with respect to a point on the ground corresponding to the estimated radial distance.
  • the module 22 for calculating a radial distance estimator implements a determination of the zero crossing of the angular deviationometry measurement, in a zone, defined by an interval of radial distances, chosen as a function of the powers on the two reception channels and of the radial distance of barycenter calculated by the barycenter calculation module 20.
  • each of these modules is implemented in the form of software comprising code instructions that can be executed by the calculation unit 11 when the device 10 is powered on.
  • the programmable electronic device 10 is produced in the form of a programmed card of the ASIC or FPGA type.
  • FIG. 3 illustrates an example of received power curves Ps, P E associated with the respective channels S and E as a function of the radial distances.
  • the graph of FIG. 3 represents the power in decibels on the ordinate, as a function of the distance in meters on the abscissa.
  • a curve G comprises zones Gi to G 5 in which the power values of the channel S are greater than the power values of the channel E are indicated in figure 3. It is clear from the figure that the curves of power Ps, PE thus obtained are noisy and it is difficult to obtain a precise evaluation of the radial distance corresponding to the sighting axis.
  • FIG. 4 is a flowchart of the main steps of a method for measuring the height of an aircraft according to one embodiment of the invention.
  • the method comprises a first step 30 for controlling the adjustment of an elevation angle value, S ant for the orientation of the line of sight of a directional antenna of a radar system on board an aircraft (system airborne radar).
  • received power values are calculated and stored, as a function of the radial distance, for an interval of distances, with a predetermined sampling step, for each of the first channels ( sum channel) and second channel (elevation deviation channel).
  • the power is calculated by taking the average of the powers from radio frequency signals received from several bearings of the antenna, over an interval of a few degrees.
  • Step 32 of calculating the powers of the radiofrequency signals received is followed by a step 34 of calculating values of angular deviation in elevation as a function of distance, forming an angular deviation measurement curve.
  • the angular deviation measurement is calculated, in a known manner, from the amplitudes of the signals received respectively on the sum channel and the difference in elevation channel.
  • An example of an angular deviationometry curve, corresponding to the power curves of figure 3, is illustrated in figure 5.
  • the angular deviation in elevation is expressed in degrees (ordinate of the graph shown in Figure 5), as a function of the radial distance expressed in meters.
  • the elevation angular deviation is calculated by averaging the elevation angular deviations from several bearings of the antenna, in an interval of a few degrees.
  • the method further comprises a step 36 of calculating a barycenter associated with the sum channel, making it possible to obtain a radial distance value of barycenter D 0 .
  • the radial distance of barycenter is for example calculated from the powers calculated for the sum channel by the formula:
  • i is the distance box index
  • d (i) is the radial distance for the distance box of index i (according to the formula [Math 2]
  • Ps (i) is the power of the channel Sum for the distance box of index i.
  • the barycenter associated with the sum channel belongs to the main lobe of the antenna diagram of the antenna of the on-board radar system.
  • the method further comprises a determination 38 of the radial distance (s) for which the angular deviation measurement value is equal to zero in a selected area of the angular deviation measurement curve.
  • the zone chosen is one of the zones G, in which the power received on the sum channel (channel S) is greater than the power received on the difference in elevation channel (channel E), and more particularly the zone defined by an interval of distances [D min , D max ], comprising the radial distance of barycenter D 0 calculated in step 36 for calculating barycenter.
  • the distance D max is the greatest distance of the zone in which the power received on the sum channel is greater than the power received on the difference in elevation channel, and including the radial distance of barycenter D 0.
  • the distance D max is, in one embodiment, the estimated maximum radial distance.
  • the chosen zone Z has been illustrated, as well as the distances D mm, D max and the radial distance of barycenter D 0 on the abscissa axis.
  • the chosen zone Z corresponds to the zone G2 in FIG. 3.
  • the radial distance value corresponding to the zero crossing of the angular deviation in the chosen zone Z is an estimator of the radial distance D a m of the aircraft with respect to the ground along the line of sight.
  • the method further comprises, in the case where several zero crossings of the angular deviation are detected in the chosen area, filtering (step 39) the corresponding radial distance values to determine the estimator of radial distance.
  • the filtering implemented in the filtering step 39 consists in calculating the average value of the values of the radial distances corresponding to angular deviationometry values lower in absolute value than a predetermined threshold deviation value e, c ' that is to say between -e and e, with e being a fraction of the opening of the antenna in elevation, preferably a few tenths of the opening of the antenna in elevation, for example equal to 0, 1 °.
  • the filtering consists in selecting the median value of the radial distances corresponding to angular deviation measurements lower in absolute value than a predetermined threshold deviation value e, between -e and e.
  • step 38 of determining a zero crossing of the angular deviation measurement in the chosen angular deviation measurement zone a polynomial regression (of degree 1 or greater) is applied.
  • the method further comprises a step 40 of calculating a height of the aircraft as a function of the estimator of the radial distance D ant and of the elevation angle S a m of the sighting axis, by applying the formula [Math 1] explained above, the angle in elevation S a m being fixed.
  • the height value of the aircraft associated with the point P of interception of the line of sight on the ground is stored in step 42.
  • the point of interception P is for example defined by coordinates in a predetermined spatial frame of reference. , knowing the position of the aircraft in the spatial frame of reference.
  • knowing the altitude of the aircraft it is possible to calculate and store the altitude of the interception point P as a function of the height calculated previously.
  • steps 30 to 42 are repeated for several directions of the axis of sight of the antenna, and the height and / or altitude values with respect to the points of interception on the ground are stored, which makes it possible to 'obtain an altitude profile 44 of the ground area illuminated by the radar system, for example located in front of the aircraft.
  • the radar system is computational beamforming, power measurements for multiple sighting directions are acquired at the same time, resulting in an instantaneous elevation profile of the area on the ground illuminated by the beam. wave emitted, for example located in front of the aircraft.
  • an instantaneous profile of a zone on the ground for example of the zone situated in front of the aircraft, which is for example an airstrip.
  • This profile is calculated autonomously, and the estimated heights are precise, the height estimation error being less than one meter.

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Abstract

Procédé et dispositif de mesure de hauteur d'un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de hauteur d'un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol, ledit aéronef étant porteur d'un système de radar comportant au moins une antenne directionnelle, adapté à émettre au moins un signal radiofréquence selon un axe de visée de direction pilotable. Le procédé comporte des étapes de: -commande (30) d'émission d'un signal radiofréquence selon un axe de visée, -calcul (32) de puissances reçues en fonction d'une distance radiale sur deux voies de réception comportant une première voie dite voie somme et une deuxième voie dite voie écart en élévation, -calcul (34) de valeurs d'écartométrie angulaire en site en fonction de la distance radiale formant une courbe d'écartométrie angulaire, -détermination (38, 39) d'un estimateur de la distance radiale de l'aéronef par rapport au point du sol intercepté par l'axe de visée en fonction d'au moins un passage à zéro de l'écartométrie angulaire dans une zone choisie de la courbe d'écartométrie angulaire, -calcul (40) d'une hauteur de l'aéronef par rapport audit point du sol en fonction de l'estimateur de la distance radiale et de l'angle en site de l'axe de visée.

Description

TITRE : Procédé et dispositif de mesure de hauteur d’un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de hauteur d’un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol, par exemple situé devant l’aéronef.
L’invention se situe dans le domaine de la navigation d’aéronefs.
Dans ce domaine, en particulier dans certaines phases de vol, comme la phase d’atterrissage, il est important de localiser avec précision un aéronef par rapport au sol, et plus particulièrement de connaître la hauteur relative de l’aéronef par rapport au sol.
Pour ce faire, les aéronefs sont équipés de divers dispositifs de mesure de hauteur, par exemple un altimètre permettant d’évaluer l’altitude de l’aéronef, ainsi qu’un ou plusieurs récepteur(s) de signaux de positionnement émis par des satellites, par exemple un récepteur GPS, permettant d’obtenir en temps réel une position géolocalisée de l’aéronef.
En phase d’atterrissage, il est utile de connaître non seulement la hauteur verticale de l’aéronef en vol, mais également sa hauteur par rapport au sol, en particulier situé devant l’aéronef, par exemple par rapport à la piste d’atterrissage. Cette problématique est d’autant plus critique si le terrain à l’approche de la piste d’atterrissage n’est pas plat.
Un récepteur GPS peut être soumis à des brouillages, intentionnels ou non, qui perturbent le calcul d’une position géolocalisée de l’aéronef. De plus, même lorsqu’on obtient une position géolocalisée de l’aéronef dans un référentiel donné, le calcul de la hauteur par rapport au sol nécessite de disposer de cartes de terrain très précises avec des indications d’altitude associées.
Il est connu d’équiper un aéronef d’un système de radar comportant au moins une antenne directionnelle, adapté à émettre au moins un faisceau d’ondes radiofréquence selon un axe de visée de direction pilotable, ladite direction étant définie par un angle en site et un angle en gisement. La direction de visée est par exemple orientée vers l’avant de l’aéronef. Connaissant l’angle en site de l’axe de visée, il est théoriquement possible de calculer la hauteur de l’aéronef par rapport à un point au sol intercepté par l’axe de visée à partir de la distance radiale entre l’antenne et le point au sol. Cependant, pour obtenir une valeur de hauteur de bonne précision il est nécessaire d’obtenir une valeur de distance radiale de bonne précision, ce qui est particulièrement difficile car les mesures de radar sont bruitées et le faisceau d’onde reçu en écho du faisceau d’ondes émis provient d’une zone au sol illuminée par le faisceau qui est étendue. Un problème à résoudre est donc l’estimation d’une telle distance radiale avec une bonne précision.
L’invention a pour objet de permettre une mesure de hauteur de l’aéronef par rapport à un point au sol, par un procédé automatique, de façon autonome, sans exiger la présence de réflecteurs ou de balises sur le terrain.
A cet effet, l’invention propose un procédé de mesure de hauteur d’un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol, ledit aéronef étant porteur d’un système de radar comportant au moins une antenne directionnelle, adapté à émettre au moins un signal radiofréquence selon un axe de visée de direction pilotable, ladite direction étant définie par un angle en site et un angle en gisement, et à recevoir un signal radiofréquence réfléchi. Ce procédé comporte les étapes suivantes, mises en oeuvre par un processeur de calcul:
-a) commande d’émission d’un signal radiofréquence selon un axe de visée ayant un angle en site prédéterminé,
-b) calcul de puissances reçues en fonction d’une distance radiale sur deux voies de réception comportant une première voie dite voie somme et une deuxième voie dite voie écart en élévation,
-c) calcul de valeurs d’écartométrie angulaire en site en fonction de la distance radiale formant une courbe d’écartométrie angulaire,
-d) détermination d’un estimateur de la distance radiale de l’aéronef par rapport au point du sol intercepté par l’axe de visée en fonction d’au moins un passage à zéro de l’écartométrie angulaire dans une zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire,
-e) calcul d’une hauteur de l’aéronef par rapport audit point du sol intercepté par l’axe de visée en fonction de l’estimateur de la distance radiale et de l’angle en site de l’axe de visée.
Avantageusement, le procédé de l’invention permet d’estimer une distance radiale de l’aéronef par rapport au sol selon l’axe de visée avec une bonne précision, et d’en déduire une hauteur de l’aéronef par rapport au point au sol intercepté par l’axe de visée.
Le procédé de mesure de hauteur d’un aéronef en vol selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables. Le procédé comporte en outre un calcul d’une distance radiale de barycentre correspondant à un barycentre associé à une courbe de puissance reçue sur la voie somme.
La zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire est définie par un intervalle de distances comportant ladite distance radiale de barycentre, et dans laquelle la puissance reçue sur la voie somme est supérieure à la puissance reçue sur la voie écart en élévation.
La détermination d’un estimateur de la distance radiale de l’aéronef par rapport au point du sol intercepté par l’axe de visée comporte une détermination d’un passage à zéro de la courbe d’écartométrie angulaire dans ladite zone choisie, ledit passage à zéro correspondant à une distance radiale de passage à zéro, ledit estimateur étant égal à ladite distance radiale de passage à zéro.
Le procédé comporte en outre une application d’un filtrage pour déterminer ledit estimateur de distance radiale de l’aéronef par rapport au point du sol intercepté par l’axe de visée.
Le filtrage consiste à calculer une valeur moyenne des distances radiales de ladite zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire, correspondant à des valeurs d’écartométrie angulaire inférieures à une valeur d’écart seuil prédéterminée.
Le filtrage consiste à calculer une valeur médiane des distances radiales de ladite zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire, correspondant à des valeurs d’écartométrie angulaire inférieures à une valeur d’écart seuil prédéterminée.
Le procédé comporte une commande d’émission de signaux radiofréquence selon plusieurs axes de visée simultanément, et dans lequel lesdites étapes b) à e) sont effectuées pour chacun desdits axes de visée, de manière à obtenir un profil de hauteur d’une pluralité de points du sol interceptés respectivement par chacun desdits axes de visée.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont mises en oeuvre par un dispositif électronique programmable, mettent en oeuvre un procédé de mesure de hauteur d’aéronef tel que brièvement décrit ci-dessus.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un dispositif de mesure de hauteur d’un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol, ledit aéronef étant porteur d’un système de radar comportant au moins une antenne directionnelle, adapté à émettre au moins un signal radiofréquence selon un axe de visée de direction pilotable, ladite direction étant définie par un angle en site et un angle en gisement, et à recevoir un signal radiofréquence réfléchi, le dispositif comportant au moins un processeur de calcul configuré pour mettre en oeuvre :
-un module de commande d’émission d’un signal radiofréquence selon un axe de visée ayant un angle en site prédéterminé,
-un module de calcul de puissances reçues en fonction d’une distance radiale sur deux voies de réception comportant une première voie dite voie somme et une deuxième voie dite voie écart,
-un module de calcul de valeurs d’écartométrie angulaire en site en fonction des distances radiales formant une courbe d’écartométrie angulaire ,
-un module de détermination d’un estimateur de la distance radiale de l’aéronef par rapport au point su sol intercepté par l’axe de visée en fonction d’au moins un passage à zéro de l’écartométrie angulaire dans une zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire,
-un module de calcul d’une hauteur de l’aéronef par rapport audit point du sol intercepté par l’axe de visée en fonction de l’estimateur de la distance radiale et de l’angle en site de l’axe de visée.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
[Fig 1] la figure 1 illustre schématiquement un cas d’application de l’invention ;
[Fig 2] la figure 2 est un bloc diagramme des principaux blocs fonctionnels d’un dispositif de mesure de hauteur d’un aéronef selon un mode de réalisation de l’invention ;
[Fig 3] la figure 3 est un exemple de graphe représentant des courbes de puissances reçues sur deux voies en fonction de la distance radiale;
[Fig 4] la figure 4 est un organigramme des principales étapes d’un procédé de mesure de hauteur d’un aéronef selon un mode de réalisation de l’invention, et
[Fig 5] la figure 5 est un exemple de graphe représentant la valeur d’écartométrie angulaire en fonction de la distance radiale.
La figure 1 illustre schématiquement un cas d’application de l’invention, et permet de décrire géométriquement le contexte d’application de l’invention.
Dans l’exemple de la figure 1 on a représenté un aéronef 2, par exemple un avion, qui est en vol et se déplace dans une direction (d) représentée par une flèche en traits pointillés. Dans l’exemple schématique illustré, la direction (d) est parallèle au plan horizontal.
L’aéronef 2 est représenté à la figure 1 dans un cas où il survole un terrain S qui est irrégulier et escarpé.
L’aéronef 2 est équipé d’un système de radar 4, comportant au moins une antenne directionnelle 6, adaptée à émettre un faisceau d’ondes radiofréquence ou signal radiofréquence 8, selon un axe de visée A de direction pilotable.
Par exemple, dans un mode de réalisation, le système de radar 4 est fixé à l’avant de l’avion.
La direction de l’axe de visée A est classiquement définie par deux angles dans le référentiel orthogonal (C,U,Z) représenté à la figure 1 , appelés respectivement angle en site et angle en gisement.
Dans l’exemple de la figure 1 , l’aéronef 2 se déplace dans un plan horizontal (X, Z), par conséquent l’axe de fuselage de l’avion est dans le plan horizontal.
L’angle en site Sam est l’angle formé entre l’axe de visée A et le plan horizontal (X, Z). L’angle en gisement, formé entre l’axe de visée A et le plan vertical (Y, Z), n’est pas représenté sur la figure 1 .
L’axe de visée A de l’antenne 6 du système de radar embarqué 4 intercepte le sol S en un point P, appelé ci-après point d’interception par rapport à l’axe de visée A.
Le procédé de l’invention permet d’obtenir, d’une part, une estimation précise et robuste de la distance radiale Dant entre le centre de phase de l’antenne d’émission 6 et le point P, et d’autre part d’en déduire une mesure de la hauteur h au droit du point P, la distance, à la verticale du point P, entre le point P et le plan horizontal passant par un point de référence de l’aéronef, par exemple le barycentre de l’aéronef.
De manière simple, la relation géométrique suivante est vérifiée :
[Math 1]
^ — Dant sin(/>ant) où sin() est la fonction trigonométrique sinus, Dant la valeur de distance radiale au point d’interception estimée et Sant la valeur d’angle en site.
L’estimation précise de la distance radiale Dant dans la direction d’angle en site Sant fixé pose des difficultés, car le faisceau 8 d’ondes radiofréquence intercepte une zone au sol autour du point d’interception P, et par conséquent le système de radar reçoit des ondes radiofréquence réfléchies correspondant à toutes les directions à l’intérieur du faisceau 8. De manière connue, le diagramme de rayonnement d’antenne représentatif de la puissance reçue en fonction de la distance radiale estimée comprend plusieurs lobes, et la puissance n’est pas maximale dans la direction du lobe principal. En d’autres termes, un tel diagramme de rayonnement d’antenne n’est pas suffisant pour obtenir une estimation robuste de la distance radiale.
De plus, il est à noter que les mesures de puissance peuvent être bruitées, ce qui augmente la difficulté d’estimation de la distance radiale Dant·
Le procédé de l’invention propose de calculer un estimateur de la distance radiale de l’aéronef par rapport au sol selon l’axe de visée.
La figure 2 illustre un mode de réalisation d’un système embarqué 3 de mesure de hauteur d’un aéronef en vol selon un mode de réalisation de l’invention.
Le système embarqué 3 comporte un système de radar embarqué 4 et un dispositif 10 de mesure de hauteur d’un aéronef par rapport à au moins un point au sol, autre qu’un point situé au droit à la verticale de l’aéronef.
Le système de radar 4 comporte au moins une antenne directionnelle 6, dont la direction d’émission est pilotable par une unité de commande 8.
Par exemple, le système radar est un système à balayage mécanique, et l’unité de commande 8 est un moteur adapté à tourner l’antenne directionnelle dans la direction choisie.
En alternative, le système de radar 4 est un système à balayage électronique, à formation de faisceau par le calcul (ou DFB pour « Digital Beam Forming ») ou un radar MIMO.
Le système de radar 4 comporte au moins deux voies de réception, qui sont respectivement une première voie de réception dite voie somme et une deuxième voie de réception dite voie écart en élévation.
De telles voies de réception sont connues dans le domaine des radars, et notamment dans le domaine des radars à mono-impulsion, plus connus sous le nom de radars « monopulse ».
La voie somme, appelée voie S par la suite, est une voie de réception sur laquelle sont additionnés les signaux reçus en chaque unité de réception (par exemple en chaque quadrant) d’une antenne de réception.
Par exemple, une courbe de puissance associée à la voie somme représente des valeurs de puissance correspondantes en fonction de valeurs de la distance radiale mesurée. Chaque valeur de distance mesurée correspond à un instant d’échantillonnage t(i) du signal radiofréquence, converti en distance radiale d(i) par la formule : [M
Où c est la vitesse de la lumière.
La voie écart en élévation, appelée voie E par la suite, est une voie de réception sur laquelle les signaux reçus par certaines unités de réception (par exemple les deux quadrants du haut d’une antenne à 4 quadrants) d’une antenne de réception sont soustraits des autres unités de réception (par exemple deux quadrants du bas d’une antenne à 4 quadrants) de réception.
Par exemple, une courbe de puissance associée à la voie E représente les valeurs de puissance du signal radiofréquence reçu sur la voie E pour chaque distance radiale d(i) telle que définie ci-dessus.
Les puissances calculées en fonction d’une distance radiale pour chacune des voies de réception sont transmises à un dispositif embarqué de mesure de hauteur de l’aéronef 10 selon un mode de réalisation.
Le dispositif 10 est un dispositif électronique programmable, par exemple un ordinateur de bord.
Le dispositif 10 comporte une unité de calcul électronique 11 , comportant un ou plusieurs processeurs, configurée pour implémenter des modules de calcul décrits plus en détail ci-après. Il comporte également une unité de mémoire électronique 12, configurée pour mémoriser des données, par exemple des mesures de hauteur 14 en association avec des points d’interception au sol, par exemple formant un profil de hauteur d’une zone spatiale du sol comme décrit plus en détail ci-après.
Les modules de calcul comportent notamment un module 16 de calcul des puissances en fonction de la distance radiale pour les deux voies de réception, un module 18 de calcul de l’écartométrie angulaire en site, un module 20 de calcul d’un barycentre associé aux puissances reçues de la voie S, un module 22 de calcul d’un estimateur de distance radiale et un module 24 de calcul de hauteur de l’aéronef par rapport à un point au sol correspondant à la distance radiale estimée.
Comme expliqué plus en détail ci-après, le module 22 de calcul d’un estimateur de distance radiale met en oeuvre une détermination de passage par zéro de la mesure d’écartométrie angulaire, dans une zone, définie par un intervalle de distances radiales, choisie en fonction des puissances sur les deux voies de réception et de la distance radiale de barycentre calculée par le module 20 de calcul de barycentre. Dans un mode de réalisation, chacun de ces modules est mis en oeuvre sous forme de logiciel comportant des instructions de code exécutable par l’unité de calcul 11 lorsque le dispositif 10 est mis sous tension.
Selon une variante, le dispositif électronique programmable 10 est réalisé sous forme de carte programmée de type ASIC ou FPGA.
La figure 3 illustre un exemple de courbes de puissances reçues Ps, PE associées aux voies respectives S et E en fonction des distances radiales. Le graphe de la figure 3 représente la puissance en décibels en ordonnée, en fonction de la distance en mètres en abscisse.
De plus, une courbe G comprend des zones Gi à G5 dans lesquelles les valeurs de puissance de la voie S sont supérieures aux valeurs de puissance de la voie E sont indiquées sur la figure 3. Il ressort clairement de la figure que les courbes de puissance Ps, PE ainsi obtenues sont bruitées et qu’il est difficile d’obtenir une évaluation précise de la distance radiale correspondant à l’axe de visée.
La figure 4 est un organigramme des principales étapes d’un procédé de mesure de hauteur d’un aéronef selon un mode de réalisation de l’invention.
Le procédé comprend une première étape 30 de commande de réglage d’une valeur d’angle en site, Sant pour l’orientation de l’axe de visée d’une antenne directionnelle d’un système de radar embarqué sur un aéronef (système radar aéroporté).
Ensuite, lors d’une étape 32 de calcul de puissances, des valeurs de puissance reçues sont calculées et mémorisées, en fonction de la distance radiale, pour un intervalle de distances, avec un pas d’échantillonnage prédéterminé, pour chacune des première voies (voie somme) et deuxième voie (voie écart en élévation).
En variante, dans un mode de réalisation, la puissance est calculée en effectuant la moyenne des puissances issues de signaux radiofréquence reçus provenant de plusieurs pointages de l’antenne en gisement, dans un intervalle de quelques degrés.
L’étape 32 de calcul des puissances des signaux radiofréquence reçus est suivie d’une étape 34 de calcul de valeurs d’écartométrie angulaire en site en fonction de la distance, formant une courbe d’écartométrie angulaire. Le calcul d’écartométrie angulaire est réalisé, de façon connue, à partir des amplitudes des signaux reçus respectivement sur la voie somme et la voie écart en élévation. Un exemple de courbe d’écartométrie angulaire, correspondant aux courbes de puissance de la figure 3, est illustré à la figure 5.
L’écartométrie angulaire en site est exprimée en degrés (ordonnée du graphe illustré à la figure 5), en fonction de la distance radiale exprimée en mètres.
En variante, l’écartométrie angulaire en site est calculée en effectuant une moyenne des écartométries angulaires en site provenant de plusieurs pointages de l’antenne en gisement, dans un intervalle de quelques degrés.
Le procédé comprend en outre une étape 36 de calcul d’un barycentre associé à la voie somme, permettant d’obtenir une valeur de distance radiale de barycentre D0.
La distance radiale de barycentre est par exemple calculée à partir des puissances calculées pour la voie somme par la formule :
[Math
G, _ ü° ~
Figure imgf000011_0001
où i est l’indice de case distance, d(i) est la distance radiale pour la case distance d’indice i (selon la formule [Math 2] et Ps(i) est la puissance de la voie Somme pour la case distance d’indice i.
Avantageusement, le barycentre associé à la voie somme appartient au lobe principal du diagramme d’antenne de l’antenne du système de radar embarqué.
Le procédé comporte en outre une détermination 38 de la ou des distances radiales pour lesquelles la valeur d’écartométrie angulaire est égale à zéro dans une zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire.
La zone choisie est une des zones G, dans lesquelles la puissance reçue sur la voie somme (voie S) est supérieure à la puissance reçue sur la voie écart en élévation (voie E), et plus particulièrement la zone définie par un intervalle de distances [Dmin, Dmax], comprenant la distance radiale de barycentre D0 calculée à l’étape 36 de calcul de barycentre.
La distance Dmax est la distance la plus élevée de la zone dans laquelle la puissance reçue sur la voie somme est supérieure à la puissance reçue sur la voie écart en élévation, et comprenant la distance radiale de barycentre D0.
La distance Dmax est, dans un mode de réalisation, la distance radiale maximale estimée.
A la figure 5, à titre d’exemple, la zone choisie Z a été illustré, ainsi que les distances Dmm, Dmax et la distance radiale de barycentre D0 sur l’axe des abscisses. La zone choisie Z correspond à la zone G2 de la figure 3. La valeur de distance radiale correspondant au passage à zéro de l’écartométrie angulaire dans la zone choisie Z est un estimateur de distance radiale Dam de l’aéronef par rapport au sol selon l’axe de visée.
Dans un mode de réalisation, le procédé comporte en outre, dans le cas où plusieurs passages à zéro de l’écartométrie angulaire sont détectés dans la zone choisie, un filtrage (étape 39) des valeurs de distance radiale correspondantes pour déterminer l’estimateur de distance radiale.
Par exemple, le filtrage mis en oeuvre à l’étape de filtrage 39 consiste à calculer la valeur moyenne des valeurs des distances radiales correspondant à des valeurs d’écartométrie angulaire inférieures en valeur absolue à une valeur d’écart seuil e prédéterminée, c’est-à-dire comprises entre -e et e, avec e valant une fraction de l’ouverture de l’antenne en élévation, de préférence de quelques dixièmes de l’ouverture de l’antenne en élévation, par exemple égal à 0,1°.
Selon une variante, le filtrage consiste à sélectionner la valeur médiane des distances radiales correspondant à des valeurs d’écartométrie angulaire inférieures en valeur absolue à une valeur d’écart seuil e prédéterminée, comprises entre -e et e.
Selon une autre variante, à l’étape 38 de détermination d’un passage à zéro de l’écartométrie angulaire dans la zone choisie d’écartométrie angulaire, une régression polynomiale (de degré 1 ou supérieur) est appliquée.
Le procédé comporte en outre une étape 40 de calcul d’une hauteur de l’aéronef en fonction de l’estimateur de la distance radiale Dant et de l’angle en site Sam de l’axe de visée, en appliquant la formule [Math 1] explicitée ci-dessus, l’angle en site Sam étant fixé.
La valeur de hauteur de l’aéronef associée au point P d’interception de l’axe de visée au sol, est mémorisée à l’étape 42. Le point d’interception P est par exemple défini par des coordonnées dans un référentiel spatial prédéterminé, connaissant la position de l’aéronef dans le référentiel spatial.
En variante ou en complément, connaissant l’altitude de l’aéronef, il est possible de calculer et de mémoriser l’altitude du point P d’interception en fonction de la hauteur calculée précédemment.
De manière optionnelle les étapes 30 à 42 sont répétées pour plusieurs directions d’axe de visée de l’antenne, et les valeurs de hauteur et/ou d’altitude par rapport aux points d’interception au sol sont mémorisées, ce qui permet d’obtenir un profil d’altitude 44 de la zone au sol illuminée par le système de radar, par exemple située devant l’aéronef. Lorsque le système de radar est à formation de faisceau par calcul, des mesures de puissance pour plusieurs directions de visée sont acquises en même temps, ce qui permet d’obtenir un profil d’altitude 44 instantané de la zone au sol illuminée par le faisceau d’onde émis, par exemple située devant l’aéronef. Avantageusement, en phase d’atterrissage, grâce au procédé de l’invention, on dispose, au bord de l’aéronef, d’un profil instantané d’une zone au sol, par exemple de la zone située devant l’avion, qui est par exemple une piste d’atterrissage. Ce profil est calculé de manière autonome, et les hauteurs estimées sont précises, l’erreur d’estimation de hauteur étant inférieure à un mètre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de hauteur d’un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol, ledit aéronef étant porteur d’un système de radar comportant au moins une antenne directionnelle, adapté à émettre au moins un signal radiofréquence selon un axe de visée de direction pilotable, ladite direction étant définie par un angle en site et un angle en gisement, et à recevoir un signal radiofréquence réfléchi, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes, mises en oeuvre par un processeur de calcul: a) commande (30) d’émission d’un signal radiofréquence selon un axe de visée ayant un angle en site (Sam) prédéterminé, b) calcul (32) de puissances reçues en fonction d’une distance radiale sur deux voies de réception comportant une première voie dite voie somme et une deuxième voie dite voie écart en élévation, c) calcul (34) de valeurs d’écartométrie angulaire en site en fonction de la distance radiale formant une courbe d’écartométrie angulaire, d) détermination (38, 39) d’un estimateur (Dant) de la distance radiale de l’aéronef par rapport au point (P) du sol intercepté par l’axe de visée en fonction d’au moins un passage à zéro de l’écartométrie angulaire dans une zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire, e) calcul (40) d’une hauteur de l’aéronef par rapport audit point du sol intercepté par l’axe de visée en fonction de l’estimateur de la distance radiale (Dant) et de l’angle en site (Sant) de l’axe de visée.
2. Procédé selon la revendication 1 , comportant en outre un calcul (36) d’une distance radiale de barycentre (D0) correspondant à un barycentre associé à une courbe de puissance reçue sur la voie somme.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire est définie par un intervalle de distances (Dmin, Dmax) comportant ladite distance radiale de barycentre (D0), et dans laquelle la puissance reçue sur la voie somme est supérieure à la puissance reçue sur la voie écart en élévation.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la détermination (38, 39) d’un estimateur (Dant) de la distance radiale de l’aéronef par rapport au point (P) du sol intercepté par l’axe de visée comporte une détermination d’un passage à zéro de la courbe d’écartométrie angulaire dans ladite zone choisie, ledit passage à zéro correspondant à une distance radiale de passage à zéro, ledit estimateur étant égal à ladite distance radiale de passage à zéro.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre une application d’un filtrage (39) pour déterminer ledit estimateur de distance radiale (Dant) de l’aéronef par rapport au point (P) du sol intercepté par l’axe de visée.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel ledit filtrage (39) consiste à calculer une valeur moyenne des distances radiales de ladite zone choisie (Z) de la courbe d’écartométrie angulaire, correspondant à des valeurs d’écartométrie angulaire inférieures à une valeur d’écart seuil prédéterminée.
7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel ledit filtrage (39) consiste à calculer une valeur médiane des distances radiales de ladite zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire, correspondant à des valeurs d’écartométrie angulaire inférieures à une valeur d’écart seuil prédéterminée.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comportant une commande d’émission de signaux radiofréquence selon plusieurs axes de visée simultanément, et dans lequel lesdites étapes b) à e) sont effectuées pour chacun desdits axes de visée, de manière à obtenir un profil de hauteur d’une pluralité de points du sol interceptés respectivement par chacun desdits axes de visée.
9. Programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont mises en oeuvre par un dispositif électronique programmable, mettent en oeuvre un procédé de mesure de hauteur d’aéronef selon les revendications 1 à 8.
10. Dispositif de mesure de hauteur d’un aéronef en vol par rapport à au moins un point du sol, ledit aéronef étant porteur d’un système de radar comportant au moins une antenne directionnelle, adapté à émettre au moins un signal radiofréquence selon un axe de visée de direction pilotable, ladite direction étant définie par un angle en site et un angle en gisement, et à recevoir un signal radiofréquence réfléchi, le dispositif comportant au moins un processeur de calcul configuré pour mettre en oeuvre : a. -un module de commande d’émission d’un signal radiofréquence selon un axe de visée ayant un angle en site prédéterminé, b. -un module (16) de calcul de puissances reçues en fonction d’une distance radiale sur deux voies de réception comportant une première voie dite voie somme et une deuxième voie dite voie écart, c. un module (18) de calcul de valeurs d’écartométrie angulaire en site en fonction des distances radiales formant une courbe d’écartométrie angulaire , d. un module (22) de détermination d’un estimateur (Dant) de la distance radiale de l’aéronef par rapport au point (P) du sol intercepté par l’axe de visée en fonction d’au moins un passage à zéro de l’écartométrie angulaire dans une zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire, e. -un module (24) de calcul d’une hauteur de l’aéronef par rapport audit point du sol intercepté par l’axe de visée en fonction de l’estimateur de la distance radiale et de l’angle en site de l’axe de visée.
11. Dispositif selon la revendication 10, comportant en outre un module (20) de calcul de barycentre, configuré pour calculer une distance radiale de barycentre (D0) correspondant à un barycentre associé à une courbe de puissance reçue sur la voie somme, ladite zone choisie de la courbe d’écartométrie angulaire est définie par un intervalle de distances (Dmin, Dmax) comportant ladite distance radiale de barycentre (D0), et dans laquelle la puissance reçue sur la voie somme est supérieure à la puissance reçue sur la voie écart en élévation.
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