PROCEDE DE CONDUITE DE TIR POUR AERONEFS

Description

[0001] Le domaine de l'invention est celui de la conduite de tir sur cible mobile pour aéronef militaire, et notamment du tir canon air-air sur une cible en vol.

[0002] Dans certaines configurations d'engagement aérien, un aéronef militaire est amené à utiliser le canon pour détruire une cible constituée par un autre aéronef.

[0003] Pour pouvoir traiter correctement la cible, le pilote doit connaître sa distance pour déterminer si la cible est à portée de tir, sa position et sa trajectoire. Une partie de ces informations est généralement fournie par les systèmes de détection radar ou optroniques de l'aéronef. Cependant, un certain nombre d'aéronefs ne disposent pas de ces moyens de détection et d'acquisition. Le pilote doit alors à partir uniquement des informations de pilotage et de navigation et des informations visuelles données par son viseur Tête Haute acquérir la cible pour enclencher la séquence de tir.

[0004] Le brevet américain US 4 020 324 décrit un dispositif de ce type. Il comprend essentiellement :

• Un système d'arme comprenant un canon fixe et une alimentation en munitions ;
• Une centrale inertielle permettant de déterminer l'attitude de l'aéronef dans l'espace ;
• Des sondes aérodynamiques permettant de connaître la vitesse et l'incidence de l'aéronef par rapport à l'air ambiant ;
• Des moyens de commande aérodynamique tels que des gouvernes permettant de diriger l'aéronef dans l'espace ;
• Des moyens de contrôle manuels disposés en cockpit tels que des manches, manettes, joy-sticks,...
• Un viseur Tête Haute comprenant classiquement un générateur de symboles, une source d'images affichant lesdits symboles, une optique de collimation permettant de former une image à l'infini desdits symboles et une optique de superposition (dans le cas le plus simple, une lame plane semi-réfléchissante) permettant de superposer l'image à l'infini de la symbologie sur le paysage extérieur. Pour l'application concernée, les symboles concernés sont un réticule d'acquisition R_ACQ et un réticule de tir R_TIR encore appelé en terminologie anglo-saxonne piper ;
• Des moyens de traitement et de commande électroniques permettant de traiter les différentes données issues de la centrale inertielle, des sondes aérodynamiques et des moyens de contrôle manuels, de générer les informations nécessaires au générateur de symboles, aux moyens de contrôle et au système d'arme.

[0005] La conduite de tir décrite dans ce brevet comporte les étapes suivantes :

a. Acquisition visuelle de la cible C par le pilote de l'aéronef A dans le champ visuel du viseur Tête Haute;

b. Détermination de la distance de la cible en superposant à la cible vue le réticule d'acquisition R_ACQ de forme circulaire d'un diamètre environ égal à la dimension maximale apparente de la cible, de façon à déterminer la distance séparant l'aéronef de la cible ;

c. Détermination du temps de vol des munitions et de la position des points d'impacts PI des munitions par les moyens de traitement électroniques ;

d. Calcul de la position du réticule de tir R_TIR par les moyens de traitement, d'abord dans le repère de l'aéronef puis dans le repère du viseur Tête Haute ;

e. Superposition du réticule de tir R_TIR sur la cible par le pilote en agissant sur les moyens de contrôle pendant un temps d'acquisition ;

f. Enfin, enclenchement de la séquence de tir par le pilote.

[0006] Le dispositif décrit bien le procédé permettant de déterminer la distance séparant l'aéronef de la cible et par conséquent de savoir si elle est à portée de tir, par contre il ne précise pas comment le calcul de la position du réticule de tir tient compte de la vitesse de la cible et de façon plus générale les conditions nécessaires à un tir sur cible réussi.

[0007] L'invention propose un procédé d'acquisition de la cible et de calcul de la position du réticule de tir originaux permettant de mettre en oeuvre le canon avec une grande probabilité de destruction de la cible sans utiliser des moyens de simulation complexes. Il peut donc être mis en oeuvre sur des aéronefs de combat relativement rustiques.

[0008] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de conduite de tir pour aéronef militaire pour tir sur cible mobile, ledit aéronef possédant au moins :

• un canon solidaire du fuselage de l'aéronef pouvant délivrer des munitions ;
• des capteurs de navigation permettant de délivrer au moins les informations de vitesse de l'aéronef par rapport au sol et les attitudes de l'aéronef dans un repère parallèle au repère géographique de référence ;
• des capteurs nécessaires au pilotage permettant de délivrer les informations aérodynamiques comme la vitesse de l'aéronef, les informations de pression et de température ;
• des moyens de commande de l'aéronef permettant de maîtriser sa position dans l'espace comme des commandes de gouverne ;
• des moyens de visualisation collimatées de type viseur Tête Haute comportant des moyens de génération d'une symbologie de tir comprenant au moins un premier réticule collimaté en forme de cercle et un second réticule de tir collimaté encore appelé "piper",
• Des moyens de contrôle par le pilote de la symbologie de tir affichée pouvant être un poste de commande ou le manche de pilotage ;
• une base de données comprenant des informations de type balistique sur les munitions utilisées ;
• des moyens de traitement des données issues des moyens de pilotage, de navigation, des moyens de contrôle de la symbologie et de la base de données ;

ledit procédé comportant les étapes suivantes :

a. Acquisition visuelle de la cible par le pilote de l'aéronef dans le champ visuel du viseur Tête Haute;

b. Détermination de la distance de la cible en superposant à la cible vue un réticule d'acquisition de forme circulaire d'un diamètre environ égal à la dimension maximale de la cible, de façon à déterminer la distance séparant l'aéronef de la cible, ledit diamètre étant adapté par le pilote en temps réel aux dimensions de la cible vue ;

c. Détermination du temps de vol des munitions et du vecteur représentant la position des points d'impacts des munitions au moyen du réticule d'acquisition et des moyens de traitement ;

d. Calcul de la position du réticule de tir par les moyens de traitement, d'abord dans le repère de l'aéronef puis dans le repère du viseur Tête Haute ;

e. Superposition du réticule de tir sur la cible par le pilote en agissant sur les moyens de commande pendant un temps d'acquisition ;

f. Enclenchement de la séquence de tir par le pilote ;

caractérisé en ce que pendant le temps d'acquisition, la position de la cible est maintenue constante par le pilote agissant sur les moyens de commande, que le temps d'acquisition dure au moins une seconde et que la position vectorielle du réticule de tir dans le repère de l'aéronef est égale au produit de l'inverse d'une matrice de transfert par le vecteur représentant la position des points d'impacts, la dite matrice de transfert étant égale à la somme de la matrice Identité et du produit du temps de vol des munitions par une matrice représentant la rotation instantanée de l'aéronef.

[0009] Avantageusement, l'incidence de l'aéronef est calculée à partir des informations de vitesse et d'attitude, sans l'utilisation de sondes d'incidence sur l'aéronef.

[0010] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

• La figure 1 représente les positions respectives de l'aéronef et de la cible ;
• La figure 2 représente les changements de repère entre les repères terrestre, avion et viseur Tête Haute.
• Les figures 3a , 3b et 3c représentent les images vues par le pilote à travers l'optique de superposition de son viseur Tête Haute au commencement de la phase d'acquisition de la cible et avant la phase d'enclenchement du tir.

[0011] La figure 1 représente les positions respectives de l'aéronef A et de la cible C. Ils sont séparés d'une distance D à l'instant t. Par rapport à un repère terrestre R_T tridimensionnel fixe de centre O, l'aéronef est animé d'une vitesse représenté sur la figure 1 par le vecteur V_AVION et la cible a une vitesse V_CIB dans ce même repère. Le point PI représente le point d'impact prévisionnel des munitions susceptibles d'être tirées avec la cible C.

[0012] La figure 2 représente les trois repères nécessaires à la représentation des différentes données concernant la conduite de tir. Ce sont :

• Le repère terrestre R_T tridimensionnel fixe de centre O ;
• Le repère R_AVION tridimensionnel lié à l'aéronef de centre O_G ;
• Le repère R_SHUD tridimensionnel lié au viseur Tête Haute SHUD de centre O_S. L'acronyme SHUD signifie en terminologie anglo-saxonne Smart Head-Up Display (en français : Viseur Tête Haute Avancé) ;

[0013] Les changements de repère se font au moyen de matrices de passage P_XX comme indiqué sur la figure 2. Ainsi, on appelle P_AG la matrice de passage permettant de passer du repère terrestre R_T au repère aéronef R_AVION , P_SA la matrice de passage permettant de passer du repère aéronef R_AVION au repère viseur R_SHUD et P_SG la matrice de passage permettant de passer du repère terrestre R_T au repère viseur R_SHUD On note également P_GA, P_AS et P_GS les matrices inverses des précédentes. Bien entendu, les matrices P_AG et P_SG varient dans le temps avec l'évolution de l'aéronef alors que P_AS est une matrice constante dans la mesure où le viseur est solidaire de l'aéronef.

[0014] On note également M_CIB la position de la cible dans l'espace. Lorsque le réticule de tir est positionné sur la cible, ces deux positions sont alors confondues dans le champ du viseur Tête Haute. On note aussi T_VOL le temps nécessaire à la munition pour atteindre la cible.

[0015] Quelque soit le repère choisi, on peut écrire :

[0016] L'équation 0 suppose que les vitesses restent constantes pendant le temps de vol T_VOL. Cette approximation est justifiée dans la mesure où le temps de vol est très court, les munitions étant tirées à distance de portée, c'est-à-dire à quelques centaines de mètres et leur vitesse moyenne étant très élevée, de l'ordre de plusieurs centaines de mètres-seconde.

[0017] Le vecteur R_TIR représentant la position du centre du réticule de tir vérifie, lorsqu'il est superposé avec la cible :

[0018] Les symbologies possibles du réticule de tir sont variées. Elle ont toutes comme caractéristique de posséder un centre facilement identifiable par le pilote.

[0019] Et bien entendu, si la munition atteint la cible, ce qui est le but recherché, alors le vecteur représentant la position des points d'impact que l'on note PI vérifie :

soit encore :

[0020] PI est obtenu par un calcul balistique. Les principaux paramètres nécessaires à ce calcul sont les coordonnées de la munition à l'éjection, sa vitesse, son altitude par rapport au sol, la vitesse air, l'attitude de l'aéronef, la masse volumique de l'air, la pression statique qui dépend de l'attitude de l'aéronef, la température de l'air.

[0021] Comme il a été dit, pendant le temps d'acquisition précédant le tir, le pilote garde la position de la cible dans son viseur constante. On écrit alors :

indique dans cette équation et les suivantes le référentiel dans lequel se trouve le vecteur. En dérivant par rapport au temps :

[0022] Dans le repère terrestre, cette équation 4 s'écrit avec les notations définies précédemment :

[0023] On sait que P_AS est une matrice constante dans la mesure où le viseur est solidaire de l'aéronef. Par conséquent, on a :

soit encore

Or on peut écrire :

ce qui donne:

Dans l'équation 7, on change de repère par l'application de la matrice de passage P^t_GA , matrice transposée de la matrice P_GA, on obtient alors l'équation 10 :

que l'on peut encore écrire sous forme de l'équation 11 :

or on a la relation

et par conséquent, la relation 11 devient l'équation 12 :

que l'on simplifie sous la forme :

Or, on a la relation

avec Ω_AVION représentant l'application linéaire définissant la rotation angulaire de l'aéronef sous forme d'une matrice 3x3. On obtient l'équation 14 à partir de l'équation 13 :

qui s'écrit encore :

En remplaçant la valeur de (V_CIB - V_AVION)_AVION de l'équation 14 dans l'équation 2, on obtient l'équation 15 :

Soit encore

Et en combinant avec l'équation 1, on obtient :

[0024] Cette équation est fondamentale. En effet, les trois paramètres qui apparaissent dans le second membre de l'équation 16 sont connus. Ω_AVION est mesuré par la centrale inertielle, T_VOL et le vecteur PI sont fournis par le calcul balistique de la munition. Par conséquent, on peut calculer facilement la position du réticule de tir R_TIR qui est superposé avec la cible et qui correspond au premier membre de l'équation 16.

[0025] Plus précisément, lorsque le pilote garde, pendant le temps d'acquisition précédant le tir, la position de la cible dans son viseur constante, alors l'information de vitesse de la cible n'est plus nécessaire pour obtenir un tir réussi. Il suffit que le calcul de la position du réticule de tir vérifie l'équation 16. Le recours à des systèmes de modélisation plus complexes n'est pas nécessaire. D'autre part, la mise en oeuvre de ce procédé d'acquisition est aisé, le pilote doit simplement :

• Maintenir la position visuelle apparente de la cible immobile dans son viseur en agissant sur les moyens de commande de l'aéronef ;
• Adapter en permanence la dimension du réticule R_ACQ en agissant sur les moyens de contrôle de la symbologie qui sont à la fois couplés avec le générateur de symbologie et également avec les moyens de traitement des données. Connaissant la taille apparente de la cible donnée la dimension du réticule R_ACQ et la taille réelle de la cible, les moyens de traitement fournissent immédiatement la distance à la cible qui est sensiblement égale à la taille réelle de la cible divisée par son diamètre apparent.

[0026] Connaissant la position du réticule dans le repère avion, sa position dans le repère du viseur s'en déduit naturellement par les équations suivantes :

[0027] Tous les paramètres figurant dans l'équation 18 sont connus et par conséquent, le calcul de la position du réticule n'offre pas de difficultés particulières.

[0028] Les figures 3a, 3b et 3c illustrent les différentes phases d'acquisition et de traitement de la cible par le pilote vues à travers son viseur Tête Haute SHUD.

[0029] Sur la figure 3a, la cible C est dans le champ du viseur SHUD. Le pilote l'entoure d'un réticule R_ACQ permettant de connaître sa distance. Le réticule de visée R_TIR calculée à partir des équations 16 à 18 n'est pas superposé sur la cible. Les conditions de tir ne sont pas réunies.

[0030] Sur la figure 3b, le pilote vient juste de manoeuvrer son aéronef A pour superposer le réticule de tir R_TIR à la cible C.

[0031] Sur la figure 3c, le pilote a maintenu pendant un temps d'acquisition supérieur à une seconde la cible C fixe dans le champ de son viseur, il est en position de tir.

[0032] Certains appareils ne disposent pas de moyens de mesure tels des sondes d'incidence permettant de connaître l'incidence de l'aéronef par rapport à l'air ambiant. Or ce paramètre est indispensable pour élaborer par exemple le vecteur représentant la position des points d'impacts. Il est possible de reconstituer l'incidence à partir des paramètres d'attitude en faisant les approximations suivantes :

• Composante verticale du vent nulle ou faible ;
• Dérapage de l'aéronef nul ou faible.

[0033] Dans ce cas, si l'on pose :

θ : angle de tangage

ϕ : angle de roulis

Ψ angle de dérapage,

[0034] Ces trois angles étant fournis par la centrale inertielle.

[0035] Si l'on pose également :

TAS acronyme anglo-saxon de True Air Speed : vitesse vraie de l'avion par rapport au sol,

V_z composante verticale de TAS, si on définit 3 paramètres a, b et

c tels que :
a = -sin(θ) ; b = cos(θ).cos(ϕ) et c = -V_z/TAS, alors l'incidence I vaut :

Revendications

1. Procédé de conduite de tir pour aéronef militaire (A) pour tir sur cible mobile (C), ledit aéronef possédant au moins :

• un canon solidaire du fuselage de l'aéronef pouvant délivrer des munitions ;

• des capteurs de navigation permettant de délivrer au moins les informations de vitesse de l'aéronef par rapport au sol et les attitudes de l'aéronef dans un repère parallèle au repère géographique de référence ;

• des capteurs nécessaires au pilotage permettant de délivrer au moins les informations aérodynamiques ;

• des moyens de commande de l'aéronef permettant de maîtriser sa position ;

• des moyens de visualisation collimatées (SHUD) de type viseur Tête Haute comportant des moyens de génération d'un - premier réticule collimaté en forme de cercle (R_ACQ) et d'un second réticule de tir collimaté (R_TIR) encore appelé "piper",

• Des moyens de contrôle par le pilote de la symbologie de tir affichée pouvant être un poste de commande ou le manche de pilotage ;

• une base de données comprenant des informations de type balistique sur les munitions utilisées ;

• des moyens de traitement des données issues des moyens de pilotage, de navigation des moyens de contrôle de la symbologie et de la base de données ;

ledit procédé comportant les étapes suivantes :

a. Acquisition visuelle de la cible par le pilote de l'aéronef dans le champ visuel du viseur Tête Haute;

b. Détermination de la distance de la cible en superposant à la cible vue le réticule d'acquisition (R_ACQ) de forme circulaire d'un diamètre environ égal à la dimension maximale de la cible, de façon à déterminer la distance séparant l'aéronef de la cible, ledit diamètre étant adapté par le pilote en temps réel aux dimensions de la cible vue ;

c. Détermination du temps de vol des munitions et du vecteur représentant la position des points d'impacts des munitions au moyen du réticule d'acquisition (R_ACQ) et des moyens de traitement ;

d. Calcul de la position du réticule de tir (R_TIR) par les moyens de traitement, d'abord dans le repère de l'aéronef puis dans le repère du viseur Tête Haute ;

e. Superposition du réticule de tir (R_TIR) sur la cible par le pilote en agissant sur les moyens de commande pendant un temps d'acquisition ;

f. Enclenchement de la séquence de tir par le pilote ;

caractérisé en ce que, pendant le temps d'acquisition, la position de la cible est maintenue constante par le pilote agissant sur les moyens de commande, que le temps d'acquisition dure au moins une seconde et que la position vectorielle du réticule de tir dans le repère de l'aéronef est égale au produit de l'inverse d'une matrice de transfert par le vecteur représentant la position des points d'impacts, la dite matrice de transfert étant égale à la somme de la matrice Identité et du produit du temps de vol des munitions par une matrice représentant la rotation instantanée de l'aéronef.

2. Procédé de conduite de tir selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'incidence de l'aéronef est calculée à partir des informations de vitesse et d'attitude, sans l'utilisation de sondes d'incidence sur l'aéronef.

Claims

1. Method of fire control for military aircraft (A) for firing at a moving target (C), said aircraft possessing at least:

• a gun secured to the fuselage of the aircraft capable of delivering munitions;

• navigation sensors making it possible to deliver at least the information regarding the speed of the aircraft relative to the ground and the attitudes of the aircraft in a frame parallel to the geographical reference frame;

• sensors necessary for piloting and making it possible to deliver at least the aerodynamic information;

• means of command of the aircraft making it possible to oversee its position;

• collimated means of display (SHUD) of Head Up display type comprising means of generating a first circle-shaped collimated reticle (R_ACQ) and a second collimated firing reticle (R_FIRE) also called a "piper",

• means of supervision by the pilot of the firing symbology displayed that may be a command post or the control stick;

• a database comprising information of ballistic type on the munitions used;

• means of processing the data emanating from the means of piloting and of navigation, from the means of supervision of the symbology and from the database;

said method comprising the following steps:

a. visual acquisition of the target by the pilot of the aircraft in the visual field of the Head Up display;

b. determination of the distance of the target by superposing on the target viewed the acquisition reticle (R_ACQ) of circular shape of a diameter about equal to the maximum dimension of the target, so as to determine the distance separating the aircraft from the target, said diameter being adapted by the pilot in real time to the dimensions of the target viewed;

c. determination of the flight time of the munitions and of the vector representing the position of the points of impacts of the munitions by means of the acquisition reticle (R_ACQ) and of the processing means;

d. calculation of the position of the firing reticle (R_FIRE) by the processing means, firstly in the frame of the aircraft and then in the frame of the Head Up display;

e. superposition of the firing reticle (R_FIRE) on the target by the pilot by acting on the means of command during an acquisition time;

f. engaging of the firing sequence by the pilot;

characterized in that, during the acquisition time, the position of the target is kept constant by the pilot acting on the means of command, that the acquisition time lasts at least one second and that the vector position of the firing reticle in the frame of the aircraft is equal to the product of the inverse of a transfer matrix times the vector representing the position of the points of impacts, said transfer matrix being equal to the sum of the identity matrix and of the product of the flight time of the munitions times a matrix representing the instantaneous rotation of the aircraft.

2. Method of fire control according to Claim 1, characterized in that the incidence of the aircraft is calculated on the basis of the speed and attitude information, without the use of incidence probes on the aircraft.

Ansprüche

1. Feuerleitverfahren für ein Militärluftfahrzeug (A) für das Feuer auf ein bewegliches Ziel (C), wobei das Luftfahrzeug mindestens besitzt:

• ein mit dem Rumpf des Luftfahrzeugs fest verbundenes Geschütz, das Schüsse abgeben kann;

• Navigationssensoren, die es ermöglichen, mindestens die Informationen zur Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs relativ zum Boden und zur Fluglage des Luftfahrzeugs in einem Koordinatensystem, das zum geographischen Referenzkoordinatensystem parallel ist, zu liefern;

• zum Steuern des Luftfahrzeugs erforderliche Sensoren, die es ermöglichen, mindestens die aerodynamischen Informationen zu liefern;

• Mittel zur Steuerung des Luftfahrzeugs, die es ermöglichen, seine Position zu beherrschen;

• kollimierte Visualisierungsmittel (SHUD) vom Typ Head-Up-Display, welche Mittel zur Erzeugung eines ersten kollimierten Fadenkreuzes in Kreisform (R_ACQ) und eines zweiten kollimierten Feuer-Fadenkreuzes (R_TIR), auch "Piper" genannt, aufweisen;

• Mittel zur Kontrolle der angezeigten Feuersymbole durch den Piloten, welche ein Befehlsstand oder der Steuerknüppel sein können;

• eine Datenbank, die Informationen ballistischer Art zu der verwendeten Munition beinhaltet;

• Mittel zur Verarbeitung der Daten, die von den Mitteln zur Steuerung, zur Navigation, den Mitteln zur Kontrolle der Symbole und der Datenbank geliefert werden;

wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a. Visuelle Erfassung des Ziels durch den Piloten des Luftfahrzeugs im Sichtfeld des Head-Up-Displays;

b. Bestimmung der Entfernung des Ziels, indem über das gesehene Ziel das Erfassungs-Fadenkreuz (R_ACQ) von kreisförmiger Gestalt mit einem Durchmesser gelegt wird, der ungefähr gleich der maximalen Abmessung des Ziels ist, um die Entfernung zu bestimmen, die das Luftfahrzeug von dem Ziel trennt, wobei der Durchmesser durch den Piloten in Echtzeit an die Abmessungen des Ziels angepasst wird;

c. Bestimmung der Flugzeit der Geschosse und des Vektors, der die Position der Auftreffpunkte der Geschosse repräsentiert, mittels des Erfassungs-Fadenkreuzes (R_ACQ) und der Mittel zur Verarbeitung;

d. Berechnung der Position des Feuer-Fadenkreuzes (R_TIR) mit den Mitteln zur Verarbeitung, zuerst im Koordinatensystem des Luftfahrzeuges, danach im Koordinatensystem des Head-Up Displays;

e. Legen des Feuer-Fadenkreuzes (R_TIR) auf das Ziel durch den Piloten durch Betätigung der Mittel zur Steuerung während einer Erfassungszeit;

f. Auslösen der Feuersequenz durch den Piloten;

dadurch gekennzeichnet, dass während der Erfassungszeit die Position des Ziels durch den Piloten, der die Mittel zur Steuerung betätigt, konstant gehalten wird, dass die Erfassungszeit mindestens eine Sekunde dauert und dass die vektorielle Position des Feuer-Fadenkreuzes im Koordinatensystem des Luftfahrzeugs gleich dem Produkt der Inversen einer Übergangsmatrix mit dem Vektor ist, der die Position der Auftreffpunkte repräsentiert, wobei die Übergangsmatrix gleich der Summe der Einheitsmatrix und des Produktes der Flugzeit der Geschosse mit einer Matrix, welche die momentane Rotation des Luftfahrzeugs repräsentiert, ist.

2. Feuerleitverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel des Luftfahrzeugs ausgehend von den Informationen zur Geschwindigkeit und zur Fluglage berechnet wird, ohne Verwendung von Anstellwinkelsonden am Luftfahrzeug.

Dessins