[0001] L'invention concerne un dispositif de détermination de l'orientation en roulis d'un
engin volant, par exemple d'une munition. Elle s'applique notamment pour l'amélioration
de l'efficacité des munitions d'artillerie surtout dans le cadre des munitions à portée
augmentée.
[0002] L'amélioration de l'efficacité des munitions d'artillerie passe notamment par une
réduction de la dispersion de leur point d'impact au sol.
[0003] En général, cette dispersion est caractérisée par les deux composantes suivantes
:
- la dispersion en portée, qui est dans le plan de la trajectoire théorique
- la dispersion latérale, qui est perpendiculaire au plan de la trajectoire théorique.
[0004] Une méthode connue, actuellement pour diminuer les imprécisions d'impact consiste
notamment à corriger les angles de pointage du tube, à partir d'informations fournies
par des observateurs avancés sur les points d'impact réels de premières munitions
projetées. Il ne subsiste alors dans la dispersion, en plus de l'erreur d'appréciation
des observateurs, que la part aléatoire propre à chaque projectile et due à la turbulence
atmosphérique.
[0005] Il est par ailleurs connu de doter une munition de dispositifs aptes à la localiser
par des systèmes GPS ou à centrales inertielles à bas prix pour:
- dans un premier temps corriger les angles de pointage pour les tirs futurs à partir
des mesures de la trajectoire réelle du premier obus tiré, la nécessité d'observateurs
étant ainsi supprimée,
- dans un deuxième temps corriger directement la trajectoire réelle, en utilisant des
dispositifs de contrôle adaptés, embarqués dans la munition.
[0006] Cette deuxième méthode, plus complexe, offre l'avantage d'éviter le tirs d'ajustement.
Il permet le tir d'emblée. Cela est intéressant du point de vue opérationnel pour
au moins les deux raisons suivantes :
- l'effet de surprise ne permet pas à la cible de quitter la zone visée,
- la minimisation du temps nécessaire pour réaliser un tir au but permet de quitter
rapidement la position de tir, ce qui diminue fortement la probabilité de localisation
par des radars de contre-batterie.
[0007] Deux étapes sont envisagées pour corriger la trajectoire des munitions.
- La première consiste à corriger uniquement les erreurs de portée. Il suffit donc d'une
action dans le plan vertical qui peut être réalisée de façon relativement simple,
en visant volontairement au-delà de la cible, puis en contrôlant la traînée aérodynamique
par exemple par un système d'aérofrein. La courbure de la trajectoire est ainsi modulée.
Le contrôle de la portée met en jeu des forces purement axiales et ne requiert donc
que des informations de localisation de la munition.
- La deuxième étape, plus difficile à mettre en oeuvre, consiste à corriger à la fois
les erreurs en portée et les erreurs latérales. Outre la nécessité de disposer d'actionneurs
développant des forces perpendiculaires à la vitesse de la munition, il est de plus
nécessaire de commander ces actionneurs lorsqu'ils sont dans une position propice
pour résorber l'écart latéral de trajectoire. Cela nécessite donc de connaître l'orientation
des forces de contrôle générées par les actionneurs, par rapport à une référence terrestre,
par exemple la verticale.
[0008] Le but de l'invention est de déterminer l'orientation notamment d'une munition par
rapport à une référence terrestre, par exemple le plan vertical. L'angle d'orientation
ainsi défini s'apparente en fait à l'angle de roulis de la munition.
[0009] A cet effet, l'invention a pour objet , un dispositif de détermination de l'angle
de roulis d'un engin volant, caractérisé en ce qu'il comporte embarqués dans l'engin,
au moins:
- une antenne de réception d'un signal GPS
- des moyens de réémission du signal GPS vers le sol, les moyens de réémission comportant
une antenne anisotrope au moins dans le plan de roulis de l'engin
et en ce qu'il comporte au sol, au moins :
- des moyens de réception du signal GPS
- des moyens calculant l'angle que fait un premier plan avec un plan de référence lorsqu'une
singularité d'anisotropie de l'antenne de réémission rencontre le premier plan, ce
plan étant défini par le vecteur vitesse de l'engin et un vecteur dont l'origine et
l'extrémité sont respectivement les points de référence des positions de l'engin et
des moyens de réception du signal GPS, le point de référence de l'engin et son vecteur
vitesse étant foumis par le signal GPS reçu par l'antenne embarquée et réémis vers
les moyens de réception, l'angle calculé étant l'angle de roulis.
[0010] L'invention a notamment pour principaux avantages qu'elle permet la correction de
trajectoires en portée et en latéral sans équipements complémentaires de type détecteur
de verticale embarqués dans la munition, qu'elle permet des calculs de correction
de trajectoire effectués au sol, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle
est économique dans la mesure notamment où elle ne nécessite pas un système complet
embarqué dans une munition ou tout autre engin volant.
[0011] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la
description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :
- la figure 1, des exemples de trajectoires réelles et théoriques d'une munition avec
des écarts en portée et en latéral au niveau des points d'impact,
- la figure 2, un mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 3, un exemple de signal réémis par une antenne embarquée dans une munition
et anisotrope au moins dans le plan de roulis de la munition,
- la figure 4, une illustration de l'angle de roulis calculé par le dispositif selon
l'invention à partir de données fournies par un système GPS combinées au signal précité
relatif à la figure 3.
[0012] La figure 1 montre un exemple d'écart entre une trajectoire théorique 1 et une trajectoire
réelle 2 d'une munition. Le point d'impact réel Ir présente un écart Δx en portée
et Δy en latéral par rapport au point d'impact théorique I
t. Pour un projectile ayant une portée d'environ 20 km, les ordres de grandeur des
écarts Δx et Δy sont respectivement de 200m et de 120m. Δy représente un écart par
rapport au plan vertical 3 de la trajectoire théorique. Comme il a été vu précédemment,
la correction de la trajectoire réelle nécessite de connaître l'angle que fait la
munition par rapport à un plan, de préférence vertical, l'angle considéré étant un
angle de roulis de la munition ou de rotation autour d'elle-même. Dans toute la suite
de la description, la détermination de cet angle sera appliquée pour une munition
dans le but notamment de corriger sa trajectoire. Cependant, l'invention peut s'appliquer
pour déterminer l'angle de roulis de tous types d'engins volants quelle que soit l'utilisation
ultérieure de cet angle. Les engins volants peuvent par exemple être des obus, des
bombes, des roquettes, ou des missiles. L'invention est notamment adaptée à des engins
ayant des vitesses de roulis de l'ordre par exemple de 10 à 50 tours par seconde.
[0013] La figure 2 illustre un mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention.
Il comporte des éléments embarqués sur la munition tirée 21 et des éléments au sol.
Un des intérêts de l'invention est de disposer au sol la plupart des éléments complexes
et coûteux, les éléments disposés dans la munition étant de faible coût. Les éléments
au sol sont communs à plusieurs munitions, en pratique à un grand nombre de munitions.
[0014] L'invention utilise le système connu GPS, cette deuxième expression étant issue de
l'expression anglo-saxonne "Global Positionning System". Le système GPS est utilisé
notamment pour obtenir les coordonnées et le vecteur vitesse de la munition 21. Afin
notamment de minimiser les coûts dits consommables, c'est-à-dire les coûts liés à
la munition qui ne sert qu'une seule fois, la munition 21 ne comporte pas de récepteur
GPS, système coûteux, mais seulement une antenne GPS, à structure annulaire par exemple
puis des moyens de réémission de ce signal vers le sol. Les moyens de réémission comportent
au moins une antenne de réémission 23 à structure anisotrope dans le plan de roulis
de la munition 21, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à son axe longitudinal
24. Comme il sera exposé ultérieurement, la combinaison du signal GPS et d'un signal
produit par la qualité d'anisotropie de l'antenne de réémission 23 permet selon l'invention
de déterminer l'angle de roulis de la munition 21.
[0015] Un transpondeur 25 est par exemple intercalé entre l'antenne GPS 22 et l'antenne
de réémission 23. L'antenne GPS reçoit un signal d'un satellite puis le transpondeur
25 transpose la fréquence du signal reçu dans une autre bande de fréquence, de préférence
de fréquence supérieure. Le transpondeur 25 transpose par exemple le signal GPS dans
la bande S, toute autre bande de fréquence est envisageable en fonction de l'application.
La transposition de fréquence est, quant à elle, préférable pour éviter de réémettre
dans la bande de fréquence réservée aux signaux GPS et pour éviter ainsi tout risque
de confusion.
[0016] Au sol, le dispositif comporte au moins un récepteur GPS 26 et des moyens de calcul
27 qui permettent de définir l'angle que fait un point singulier de l'antenne de réémission
23 avec un plan de référence passant par l'axe de roulis de la munition 21, en fait
son axe longitudinal 24, à partir notamment d'un signal particulier capté par les
moyens de réception GPS au sol, lorsque le point singulier passe par exemple au plus
près de ces derniers. L'angle ainsi défini représente l'angle de roulis de la munition.
[0017] Une antenne de réception 28, fonctionnant par exemple en bande S reçoit le signal
32 réémis par l'antenne 23 de la munition 21. L'antenne 28 est par exemple reliée
à des moyens 29 pour transposer le signal reçu, par exemple en bande S, dans la bande
de fréquence des signaux GPS. Les moyens de transposition 29 sont reliés au récepteur
GPS 26 via un commutateur 30 à deux positions par exemple. Dans une première position
le commutateur 30 relie le récepteur GPS 26 à une antenne 31. Dans une deuxième position,
il relie le moyen de transposition de fréquence 29 au récepteur GPS 26. Dans la première
position, le système GPS permet de connaître la position de l'antenne 31. Quand le
commutateur bascule dans sa deuxième position, c'est-à-dire au moment du tir, le récepteur
exploite alors indirectement les signaux reçus par la munition 21 et localise cette
dernière comme s'il était à son bord.
[0018] La précision du dispositif peut être sensiblement améliorée en employant un second
récepteur, fixe permettant le positionnement dit en différentiel. Ce dernier calcule
des corrections à appliquer par le récepteur 26, au même titre qu'un récepteur porté
par la munition.
[0019] Les informations GPS en tant que telles ne peuvent fournir aucune information sur
l'orientation du roulis de la munition 21. Pour obtenir l'angle de roulis, le dispositif
selon l'invention exploite la propriété d'anisotropie de l'antenne de réémission 23.
Cette antenne fournit aux moyens de réceptions 28, 29, 26 situés au sol une information
caractéristique à chaque tour que réalise la munition 21 sur elle-même.
[0020] La figure 3 présente un exemple de signal caractéristique tel que fourni par l'antenne
de réémission 23, anisotrope au moins dans le plan de roulis de la munition. Le signal
32 réémis par l'antenne anisotrope 23 est représenté par son amplitude en fonction
du temps t. Ce signal est par exemple dans la bande S. La caractéristique précitée
est par exemple un pic de signal 39. Ce pic 39 apparaît à chaque fois qu'une singularité
de l'antenne passe en regard des moyens de réception au sol, par exemple en regard
de l'antenne 28 de bande S. La singularité causant cette caractéristique de signal
est notamment une cause d'anisotropie de l'antenne de réémission 23, qui fonctionne
en bande S par exemple, dans le cas d'utilisation d'un transpondeur 25 de bande S.
La durée entre deux pics 39 consécutifs indique la durée d'un tour de roulis de la
munition. La singularité précitée peut être réalisée de différentes façons connues
de l'homme du métier.
[0021] Les moyens de calcul 27 exploitent le signal de la figure 3 ainsi que les données
GPS constituées notamment de la position et du vecteur vitesse de la munition 21.
Des moyens de numérisation non représentés, par exemple intégrés aux moyens de calcul
27, délivrent les données et caractéristiques précitées directement exploitables par
ces derniers.
[0022] La figure 4 illustre un traitement possible effectué par les moyens de calcul 27.
Ces derniers utilisent la direction base-munition, le point de référence de la base
étant donné par le signal reçu par l'antenne 31 de réception GPS au sol. Cette direction
est connue avec précision puisque le point de référence de la base ainsi que le point
de référence de la munition 21 sont parfaitement déterminés par les signaux GPS comme
il a été vu précédemment.
[0023] Le pic de signal 29 tel que par exemple illustré par la figure 3 apparaît lorsque
la singularité 41 de l'antenne de réémission 23 passe au plus près par exemple de
l'antenne 28 de réception bande S, c'est-à-dire précisément lorsque la singularité
41 passe dans le plan Ps formé par l'axe 24 de la munition 21 et la direction base-munition.
L'axe 24 de la munition est porté par un vecteur

. M étant le point de référence de la munition 21 et S étant le point de référence
de la base au sol, la direction base-munition est portée par le vecteur d'origine
S et d'extrémité M. Par la suite, le vecteur opposé

est pris en compte.
[0024] M et S étant donné par les signaux GPS, il en est donc de même pour le vecteur

. En ce qui concerne le vecteur

qui porte l'axe 24 de la munition 21, ce vecteur

est, à quelques degrés près, colinéaire au vecteur vitesse

de la munition 21. Ce vecteur vitesse

est aussi obtenu au moyen des signaux GPS. Les quelques degrés d'erreur précités
sont négligés et le vecteur

est considéré colinéaire au vecteur vitesse

. Les données GPS permettent donc alors d'obtenir le plan Ps formé par les vecteurs

et

.
[0025] Selon l'invention, les moyens de calcul 27 exploitent le fait qu'il existe une corrélation
entre la présence par exemple d'un pic de signal avec une direction connue dans le
repère terrestre, cette direction connue étant portée par le vecteur

. Les moyens de calcul 27 déterminent alors l'orientation en roulis de la munition
27 en exécutant par exemple des calculs appropriés à partir de données de position
et de direction.
[0026] La direction de la singularité 41 de l'antenne de réémission 23 est portée par un
vecteur noté

. L'instant d'apparition d'un pic correspond à l'instant où le vecteur

se situe dans le plan Ps porté par les vecteurs

et

.
[0027] A cet instant, la position en roulis de la munition 21 par rapport à un plan de référence
est définie par l'angle ϕ que fait le plan Ps avec ce plan de référence. Ce dernier
est par exemple le plan vertical P
v. A chaque tour de munition, quand la singularité 41 coïncide dans le plan Ps, les
moyens de calcul 27 peuvent donc déterminer l'angle ϕ que fait la singularité avec
par exemple le plan vertical P
v, ce qui donne en fait une indication de l'angle de roulis qui est cet angle calculé
ϕ. Bien entendu, le plan Ps varie au cours du temps en fonction de la trajectoire
de la munition 21. D'une certaine façon, les mesures de l'angle de roulis sont échantillonnées
dans le temps, les instants d'échantillonnage étant les instants où la particularité
41 de l'antenne de réémission 21 rencontre le plan Ps formé en fait du vecteur vitesse

de la munition, approximativement colinéaire au vecteur

, et du vecteur

défini par les points de référence de la munition 21 et de la base sol 28, 29, 26.
Le vecteur

et vecteur

sont issus des données de positionnement et de direction fournies par les signaux
GPS.
[0029] Une fois l'angle ϕ calculé, les moyens de calcul 27 peuvent en outre effectuer un
traitement pour déterminer un ordre de correction 33 à envoyer à la munition 21. Cet
ordre de correction est notamment fonction de la position de la munition dans le repère
terrestre, de la position de l'objectif de la munition dans le même repère terrestre,
du vecteur vitesse

de la munition et de l'angle ϕ de roulis.
[0030] Il apparaît bien que l'invention offre plusieurs avantages. Elle permet notamment
une correction de trajectoire en portée et en latéral sans équipements complémentaires
par exemple de type détecteur de verticale embarqués dans la munition. La combinaison
des données GPS et du signal réémis par l'antenne anisotrope 23 permet en effet selon
l'invention de déterminer l'angle de roulis, nécessaire notamment à la correction
de la trajectoire en portée et en latéral.
[0031] Le coût des matériels embarqués dans la munition et nécessaires notamment à la détermination
de l'angle de roulis ϕ sont réduits dans la mesure où elle ne nécessite tout au plus
qu'une antenne GPS 22, un transpondeur 25 et une antenne de réémission 23. Les moyens
coûteux sont disposés au sol et sont communs à toutes les munitions, ces moyens au
sol sont principalement le récepteur GPS 26 et les moyens 27 de calcul 27 de l'angle
de roulis, puis l'antenne 28 par exemple de bande S et les moyens de transposition
29.
1. Dispositif de détermination de l'angle de roulis d'un engin volant (21), caractérisé
en ce qu'il comporte embarqués dans l'engin (21), au moins :
- une antenne (22) de réception d'un signal GPS
- des moyens de réémission (23, 25) du signal GPS vers le sol, les moyens de réémission
comportant une antenne anisotrope (23) au moins dans le plan de roulis de l'engin
(21)
et en ce qu'il comporte au sol, au moins :
- des moyens (28, 29, 30, 26) de réception du signal GPS
- des moyens (27) calculant l'angle (ϕ) que fait un premier plan (Ps) avec un plan
de référence (Pv) lorsqu'une singularité d'anisotropie (41) de l'antenne (23) de réémission
rencontre le premier plan (P1), ce plan (Ps) étant défini par le vecteur vitesse (

) de l'engin (21) et un vecteur

dont l'origine (M) et l'extrémité (S) sont respectivement les points de référence
des positions de l'engin (21) et des moyens de réception (28, 29, 30, 26) du signal
GPS, le point de référence (M) de l'engin (21) et son vecteur vitesse étant fournis
par le signal GPS reçu par l'antenne (22) embarquée et réémis vers les moyens de réception
(28, 29, 30, 26), l'angle (ϕ) calculé étant l'angle de roulis.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réémission
comportent un transpondeur (25) transposant le signal GPS dans une autre bande de
fréquence, l'antenne de réémission (23) étant adaptée à cette dernière bande de fréquence,
les moyens de réception du signal GPS comportant au sol, outre un récepteur GPS (26),
une antenne de réception adaptée (28) et des moyens (29) de transposition du signal
reçu dans la bande de fréquence des signaux GPS pour fournir le récepteur GPS (26).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal GPS est transposé
dans la bande S.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que le plan de référence (Pv) est le plan vertical.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
qu'il comporte avant le récepteur GPS (26) un commutateur (30) qui dans une première
position relie l'entrée du récepteur GPS (26) à une antenne GPS (31) au sol pour déterminer
la position des moyens de réception au sol, et dans une deuxième position relie l'entrée
du récepteur GPS (26) au signal (32) reçu depuis l'engin volant (21).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le commutateur (30) est
dans sa première position avant le lancement de l'engin (21).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que la rencontre de la singularité (41) de l'antenne anisotrope (23) avec le premier
plan (Ps) est définie par un pic (29) du signal (32) reçu par les moyens de réception
(28, 29, 30, 26) au sol depuis l'engin volant (21).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que l'angle ϕ entre le premier plan (Ps) et le plan de référence (Pv) est calculé
par les moyens de calcul (27) selon la relation suivante :
-

étant le vecteur ayant pour origine et extrémité respectivement les points de référence
(M) de l'engin (21) et (S) des moyens de réception (28, 29, 30, 26) au sol
-

étant un vecteur unitaire colinéaire au vecteur vitesse (

) de l'engin (21)
-

étant un vecteur du plan de référence non colinéaire au vecteur

, le plan de référence passant par ce dernier.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que l'engin volant (21) est une munition.