L'invention est relative à un procédé et à un système pour la détection du point ou de l'instant d'impact d'un projectile.
Il est souvent utile de connaître la position du point d'impact d'un projectile. Ce point d'impact est habituellement le sol. Cependant il peut être constitué par un autre mobile.
La position du point d'impact peut être calculée à partir des caractéristiques du projectile et des conditions de lancement. Cependant, dans certains cas, ce calcul n'est pas aisé ou ne fournit pas des résultats satisfaisants. Par exemple, la trajectoire d'une bombe larguée d'un avion est difficile à calculer. De toute façon il est toujours utile de connaître, de préférence en temps réel, la position exacte du point d'impact.
On a déjà proposé, pour l'entraînement des personnels, un système de détection du point d'impact d'une bombe larguée d'un avion qui fait appel à des moyens acoustiques. Mais ce système n'est pas toujours fiable, notamment parce que le bruit de l'avion risque de perturber la détection du bruit entraîné par l'impact.
On a également proposé des systèmes de localisation goniométriques, utilisant par exemple trois antennes directives tournantes, pour repérer à partir de chaque antenne la direction d'où semble émettre une source radio, et pour localiser le point d'émission par calcul du point d'intersection des trois directions repérées. Ces méthodes goniométriques sont très imprécises et nécessitent plusieurs installations de réception.
On notera qu'il est connu de la demande de brevet FR-A-2490 802 un système de détection de point d'impact par goniométrie dans lequel un projectile émet des signaux jusqu'à son impact. Il est connu également des systèmes de localisation grossière d'abonnés dans des systèmes de communication par satellites (US 5 543 813).
L'invention permet la réalisation d'un système de détection, en temps réel, du point d'impact d'un projectile qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus et qui est d'une bonne précision.
Le système selon l'invention est caractérisé en ce que le projectile comporte un dispositif pour la réception de signaux GPS ou analogues et pour l'émission des signaux GPS reçus vers un récepteur à distance, et en ce que le récepteur, par exemple au sol, comporte des moyens pour déterminer, de façon périodique, la position du mobile à partir des signaux GPS ou analogues reçus et pour détecter la position de l'impact par extrapolation à partir, d'une part, de la détermination de l'instant où disparaissent les signaux en provenance du projectile, et, d'autre part, des mesures antérieures de position.
Un tel système de détection n'est bien entendu pas sensible au bruit de l'impact. La période de mesure est par exemple comprise entre 100 ms et 1 seconde.
Par signaux GPS ou analogues, on entend ici des signaux qui proviennent de satellites ou de balises, ces signaux servant à déterminer la position et la vitesse de mobiles grâce à la mesure de la distance entre ce mobile et des satellites ou balises dont les positions sont connues. Chaque distance est mesurée à partir du temps séparant l'instant d'émission d'un signal par un satellite ou balise, de l'instant de réception du même signal par le mobile. Le signal émis par chaque satellite ou balise comporte une fréquence porteuse dont la valeur constitue un paramètre utilisé pour la détermination des vitesses.
On peut noter qu'il existe aujourd'hui deux réseaux de satellites dont l'un est affecté au système GPS proprement dit ("Global Positionning System") et l'autre au système GLONASS ("Global Orbiting Navigation Satellite System"). Il est également envisagé l'utilisation de satellites géostationnaires et de balises fixes au sol.
Dans chacun de ces systèmes le satellite émet un signal à un moment précis, cet instant étant une donnée transmise par le satellite. La distance est proportionnelle au temps séparant l'instant d'émission, fourni par le signal du satellite, de l'instant de réception par le mobile.
Dans le système GPS, auquel on se référera surtout par la suite, chaque satellite émet sur une fréquence porteuse L1 égale à 1 575,42 MHz ainsi que sur une fréquence porteuse auxiliaire L2 à 1 227,06 MHz.
La fréquence porteuse, qui sert aussi à la détermination des vitesses, est modulée par une séquence binaire pseudo-aléatoire répétitive selon une modulation de phase de type BPSK ("Binary Phase Shift Keying"). Chaque séquence constitue un code qui, dans le cas du GPS, a une longueur de 1 023 bits. Ces codes sont émis à une fréquence de 1,023 MHz. Ils coexistent avec d'autres codes émis à une fréquence dix fois plus élevée : 10,23 MHz. Les codes, dénommés C/A, à 1,023 MHz permettent en principe une détermination de position approximative tandis que les codes, dénommés P, à la fréquence dix fois plus élevée, permettent une localisation précise.
Le rôle de chaque code est triple : d'une part, il permet d'identifier le satellite émetteur, d'autre part, il facilite la détection et la démodulation des signaux qui sont noyés dans un bruit très élevé, la détection étant effectuée par corrélation entre le code reçu du satellite et un code identique produit localement, et d'autre part enfin, il sert à la mesure des déphasages temporels pour le calcul des distances.
La fréquence porteuse L1 est en outre codée par d'autres données binaires qui représentent, notamment, la date d'émission du signal. Le satellite étant identifié et la date d'émission du signal étant connue, la position de ce satellite au moment de l'émission du signal est alors connue avec une grande précision.
Pour mémoire, on indiquera ici que dans le système GLONASS la fréquence porteuse L1 constitue l'identification du satellite. Elle diffère donc d'un satellite à un autre. Les fréquences L1 s'étalent d'environ 1 600 MHz à 1 615 MHz. Un code pseudo-aléatoire est également prévu dans ce système GLONASS mais son utilité est limitée à l'extraction du signal dans le bruit et à la détermination des écarts temporels pour la mesure des distances entre récepteur et satellite.
L'invention concerne aussi la détermination de l'instant d'impact d'un projectile non destructible.
Comme pour la détection de la position du point d'impact on prévoit, sur le projectile, un dispositif de réception de signaux GPS ou analogues et de réémission de ces signaux vers un récepteur à distance, le récepteur à distance comportant des moyens pour déterminer, de façon périodique, la position du projectile. Ce projectile et/ou le dispositif de réception et réémission de signaux GPS n'étant pas destructible lors de l'impact, l'instant de l'impact est extrapolé à partir de la position du point d'impact et d'au moins une position mesurée antérieurement.
L'extrapolation est, dans tous les cas, nécessaire car les déterminations de position ne s'effectuent pas en permanence mais de façon périodique, la période étant au moins de l'ordre de 100 ms. Cette période d'échantillonnage est soit fixe, soit variable. Elle est fonction des caractéristiques de vitesse et/ou d'accélération du projectile.
Sur le projectile on prévoit, de préférence, deux antennes, à savoir une antenne de réception des signaux GPS à l'arrière et une antenne d'émission disposée de façon telle que le diagramme de rayonnement soit préférentiellement dirigé vers l'avant. Le projectile pouvant prendre des orientations variables, dans une réalisation, le diagramme des antennes est fortement omnidirectionnel.
Dans une réalisation destinée à un projectile d'entraînement, ce dernier présente une coque en matière plastique et celle-ci est conformée pour participer au diagramme de rayonnement d'émission. Au cours d'expériences effectuées dans le cadre de l'invention, on a constaté qu'avec une antenne d'émission disposée à l'arrière, le fuselage plastique - qui constitue un diélectrique - peut augmenter l'omni-directionnalité du diagramme de rayonnement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certain de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels :
L'exemple que l'on va décrire, en relation avec les figures, concerne la détection de la position de l'impact d'un projectile d'entraînement telle qu'une bombe larguée d'un avion (non représenté).
Cette bombe d'entraînement 10 (figure 1) présente la forme générale d'une roquette avec un corps allongé 12 rétréci en forme de pointe 14 vers l'avant et des ailettes 16 vers l'arrière.
Étant donné que le trajet de la bombe 10 est du haut vers le bas l'antenne 18, destinée à capter les signaux des satellites GPS, est disposée à l'arrière, c'est-à-dire vers le haut.
Dans cet exemple, on prévoit une antenne quadrifilaire composée de fils bobinés en hélice. On sait qu'une telle antenne présente de bonnes qualités d'omni-directionnalité. En variante, on utilise une antenne du type "PATCH", formée d'un ou plusieurs conducteurs sur un support.
L'antenne GPS sert aussi à réémettre les signaux vers une station au sol (non représentée sur la figure 1). Bien que l'antenne d'émission soit disposée à l'arrière de la bombe 10 alors qu'elle doit émettre vers l'avant, cette antenne donne, malgré tout, de bons résultats car on a constaté que la structure isolante en matière plastique de la bombe 10 participe au diagramme de rayonnement de l'antenne d'émission. Ces résultats sont dus à un couplage diélectrique.
Les circuits 20 associés à l'antenne 18 se trouvent dans le même logement 22 que l'antenne 18, à l'arrière de la bombe 10, sensiblement selon son axe.
Dans la variante représentée sur la figure 2, qui est de préférence prévue pour des fréquences d'émission supérieures à 2 GHz environ, l'antenne 18' de réception des signaux de satellites GPS est disposée de la même manière que l'antenne 18 de la figure 1 mais l'antenne d'émission, 24 ou 26, est distincte de l'antenne de réception 18'.
Dans une première réalisation, l'antenne 24 a la forme d'une ceinture entourant la coque 10 à l'avant de l'antenne 18', entre cette dernière et la zone médiane 28. Une telle antenne permet une émission quasi omnidirectionnelle sans variation de phase ou de niveau même si le projectile tourne autour de son axe. On peut également faire appel à une pluralité d'antennes élémentaires (ou "patch") couplées.
Dans une seconde réalisation, on prévoit une antenne 26 à proximité du nez 14 de la bombe 10, autour de la coque. Cette antenne 26 est formée de plusieurs antennes élémentaires couplées. On peut aussi utiliser une antenne de type ceinture. Dans les deux cas, la disposition de l'antenne sur la partie conique avant privilégie l'émission vers l'avant.
Pour déterminer, au sol, le lieu de l'impact de la bombe 10, à l'aide des signaux réémis par l'antenne 18, ou par l'antenne 24 ou 26, on procède de la façon suivante :
Un récepteur de signaux GPS, qui sera décrit plus loin en relation avec la figure 5, détermine de façon périodique, par exemple tous les 200 ms, la position du mobile et, en fonction des positions mesurées, la trajectoire 32 du mobile. Dans l'exemple représenté sur la figure 3 la trajectoire est dans un plan vertical, l'axe Oz étant vertical et l'axe Ox horizontal. Pour chaque point de la trajectoire 32 calculée on garde en mémoire le temps correspondant ainsi que la vitesse et l'accélération.
L'impact du mobile au sol aura en général pour conséquence de détruire l'électronique de réception et de réémission des signaux GPS. L'instant de l'impact est ainsi déterminé par la disparition des signaux reçus au sol.
La détection de l'instant de la disparition des signaux GPS s'effectue à l'aide d'un circuit se trouvant soit à l'aval des circuits de traitement fournissant les signaux GPS soit en amont du traitement, sur la porteuse du signal reçu.
Dans le premier cas (à l'aval des circuits de traitement), on prévoit un moyen pour mesurer en permanence le rapport signal à bruit et l'instant de l'impact correspond à l'instant où le rapport signal à bruit descend au-dessous d'un seuil déterminé.
Dans le second cas (à l'amont des circuits de traitement), on prévoit un circuit qui, avant le traitement, et avant corrélation, détermine le niveau du signal, par exemple le niveau du contrôle automatique de gain et l'instant de l'impact correspond au moment où le signal descend au-dessous d'un seuil prédéterminé, ou quand le contrôle automatique de gain dépasse une limite prédéterminée.
A partir de la trajectoire calculée lors de la réception des signaux GPS au sol et d'autres paramètres calculés (vitesse et accélération), on peut extrapoler la trajectoire entre le dernier instant t1 de mesure et l'instant td de la disparition des signaux GPS. Cette extrapolation fournit donc la position du point d'impact du mobile au sol. Bien entendu le calcul et l'extrapolation s'effectuent en temps réel.
Dans une variante, quand les circuits récepteurs-émetteurs de signaux GPS du mobile sont résistants et ne sont donc pas détruits par l'impact au sol, l'invention permet de déterminer de façon simple l'instant de l'impact. En effet, dans ce cas, la position de l'impact est connue. L'extrapolation portera donc sur la détermination du temps et non sur la détermination de la position.
La figure 4 représente un exemple de réalisation de circuits de réception et de réémission à bord du mobile.
Dans cet exemple, l'antenne 18 de réception de signaux GPS fournit un signal à l'amplificateur 112. Ce signal amplifié est appliqué sur la première entrée 1141 d'un organe 114, tel qu'un mélangeur de changement de fréquence, dont la seconde entrée 1142 reçoit un signal local fourni par la sortie 1161 d'un générateur 116. Le signal local appliqué sur l'entrée 1142 a une fréquence de 1 580 GHz alors que le signal détecté par l'antenne 18 est le signal de la porteuse GPS à la fréquence 1 575,42 MHz.
Le signal apparaissant sur la sortie 1143 du mélangeur 114 est à une fréquence égale à la différence entre les fréquences des signaux appliqués sur les entrées 1141 et 1142. Ce signal est appliqué à un second amplificateur 118, puis est transmis à un filtre 120 et, de là, est relié à l'antenne 18 d'émission, dirigée vers le récepteur GPS au sol.
La figure 5 représente l'installation au sol.
Elle comporte un récepteur GPS classique.
Des moyens de traitement permettent le calcul de la trajectoire et l'instant d'impact et, donc, la localisation de ce point d'impact.
Dans l'exemple représenté, l'installation au sol comprend une antenne 142 de réception dont le signal est appliqué à un récepteur de télémétrie 144 qui assure des fonctions classiques de filtrage et d'amplification. La sortie du récepteur 144 est reliée à un circuit 146 de calcul de la trajectoire du mobile.
Par ailleurs, l'installation comprend un récepteur dit de référence 148 comportant sa propre antenne 150. De façon en soi connue, le récepteur de référence permet, à chaque instant, la comparaison entre, d'une part, la distance mesurée entre ce récepteur au sol et le satellite et, d'autre part, la distance, connue a priori, entre ce récepteur et le satellite. Cette comparaison est utilisée pour corriger les mesures fournies par le mobile. Ce type de correction, qui permet une grande précision de la localisation du mobile, est appelé un système GPS différentiel.
Le récepteur 148 de référence comporte une sortie d'horloge 1481 reliée à une entrée d'horloge correspondante 1461 du circuit 146. Il comporte aussi une sortie 1482 fournissant les données de référence sur une entrée correspondante d'un circuit 152 de calcul de position, de vitesse, d'accélération et de temps, qui, avec le circuit 146, permet de calculer la trajectoire. Le circuit 146 comporte, en outre, une entrée 1462 recevant un signal d'aide (inertielle par exemple), pour améliorer les performances d'accrochage et de poursuite des signaux GPS.