FR2781888A1 - Procede et systeme de compensation du mouvement d'un vehicule porteur pour des radars a antenne synthetique - Google Patents
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Abstract
La compensation du mouvement du véhicule porteur dans un système de radar à antenne synthétique comprend la collecte de données inertielles avec un système de navigation inertiel (22) pendant une période de formation d'image au cours de laquelle une impulsion de radar à antenne synthétique est dirigée vers une cible. Des corrections de système de positionnement global (24), à apporter aux données inertielles, sont collectées pendant la période de formation d'image. Une représentation régulière des corrections de système de positionnement global est formée et ensuite cette représentation est appliquée aux données inertielles après l'achèvement de la période de formation d'image.
Description
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Cette invention concerne de façon générale le traitement de signal dans des systèmes de radar à antenne synthétique (RAAS). Cette invention concerne en particulier un procédé pour compenser le mouvement d'un aéronef portant un système de RAAS. Cette invention concerne encore plus particulièrement un procédé pour utiliser des données de système de positionnement global (ou GPS pour "global positioning system") avec un système de navigation inertiel (ou INS pour "inertial navigation system"), pour procurer une compensation régulière et exacte du mouvement du véhicule porteur.
Un système de radar RAAS est décrit dans un document de Stimson "Introduction to Airborne Radar", 1983, Hughes Aircraft Company, pages 527-580. Des systèmes INS/GPS intégrés sont décrits dans un article présenté par Lipman à la conférence de l'Institute of Navigation GPS-92 Technical Meeting, 16-18 septembre 1992, sous le titre "Tradeoffs in the Implementation of Integrated GPS Inertial Systems". Des descriptions supplémentaires de systèmes INS/GPS intégrés figurent dans un article de Lipman et al. présenté à la conférence Precision Strike Technology Symposium, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, 27-28 septembre 1995, sous le titre "Tradeoffs and Technical Issues in the Intégration of Modern Navigation Systems and Synthetic Aperture Radars" ; dans un article de Lipman présenté à la conférence Precision Strike Technology Symposium, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, 9-10 octobre 1996, sous le titre "Millimeter Navigation Performance for High Quality SAR Imaging and Target Location".
La qualité d'image d'un radar à antenne synthétique dépend de la connaissance précise de la position du véhicule porteur et de la régularité du changement relatif dans l'erreur de position. L'utilisation d'un système INS/GPS intégré pour procurer cette compensation de mouvement est devenue une source importante de cette
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information.
L'utilisation d'un système inertiel à gyromètre laser en anneau intégré, avec des récepteurs de système de positionnement global incorporés pour l'assistance de compensation de mouvement en imagerie radar à réseau synthétique, a apporté un progrès important dans la qualité d'image et l'aptitude à localiser des objets de façon précise. Un dilemme universel auquel sont confrontées des applications de RAAS de haute précision, consiste dans la façon de maintenir la précision accrue que les données de GPS avec filtrage de Kalman apportent au système inertiel, et de minimiser les effets perturbateurs des échelons ou de la discontinuité dans les données inertielles qui sont dûs à des actualisations du filtre de Kalman.
Avec le développement de radars RAAS à haute résolution qui effectuent la collecte d'images sur de plus longues périodes et à de plus longues distances et à différentes fréquences, il est maintenant nécessaire d'avoir des niveaux de performance encore plus élevés que ceux que procure normalement un système GPS/INS intégré.
L'exigence de navigation essentielle pour une désignation de cible précise par RAAS, est double : (1) une vitesse et une position absolues précises, et (2) un bruit d'erreur de position relative très faible et régulier sur la période de collecte d'image.
Dans des applications aéronautiques caractéristiques de systèmes GPS/INS, la précision de base de la solution mixte (ou hybride) est fournie par la solution de navigation GPS.
L'INS assure la navigation à court terme entre des actualisations et remplit la fonction d'une aide qui augmente la tolérance du système de navigation au brouillage et à la perte de signal de satellite. Les systèmes aéronautiques militaires sont réalisés avec un filtre de Kalman et une mécanisation qui ont été conçus pour être robustes dans des conditions dynamiques et procurer des actualisations qui maximisent la
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précision du système chaque fois que des données supplémentaires sont reçues à partir du satellite. Dans le fonctionnement GPS/INS intégré utilisant un service offrant des performances de précision, on obtient couramment des performances de navigation correspondant à une erreur circulaire probable (ou CEP pour "circular error probable") de l'ordre 5 à 10 mètres, et une précision de vitesse en moyenne quadratique de l'ordre de 0,025 mètre/seconde. Bien que ces performances et cette architecture répondent à certains des besoins de l'opération de désignation de cible par RAAS, elles peuvent ne pas être toujours appropriées pour d'autres aspects. En particulier, la qualité de l'image RAAS est une fonction critique de la caractéristique de bruit dans les données de position et elle exige un changement de position relative très précis pendant le temps de la scène de RAAS.
L'information de sortie en temps réel optimale que fournit un système INS/GPS est basée sur une mécanisation de filtre de Kalman. L'utilisation d'un filtre de Kalman dans une forme de réalisation classique introduit des discontinuités aux actualisations discrètes normales de l'information de GPS dans les données inertielles régulières. Pour éviter ce problème, des procédés utilisés ont été des formes de réalisation appropriées dans lesquelles les actualisations de Kalman sont introduites en un mode de fuite, pour maintenir la meilleure précision de temps réel et pour minimiser la perturbation artificielle de la régularité des données inertielles.
Un point important qui n'a pas été pris en considération dans ces types de mécanisation, consiste en ce que l'image de RAAS n'est pas une véritable application en temps réel. C'est une application "presque en temps réel". La période de collecte de données avant une tentative de former une image peut être une période de plusieurs secondes jusqu'à une fraction importante d'une minute, ou plus. Pendant cette période, il est nécessaire
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de fournir des données de compensation de mouvement qui peuvent ensuite être modifiées par diverses techniques pendant le processus de formation d'image. Ces techniques sont généralement appelées "techniques de focalisation automatique", mais elles ne dépendent pas de l'amélioration de la précision de position et de vitesse déduite de la navigation, mais d'autres caractéristiques liées au traitement de l'image.
Un procédé pour compenser le mouvement d'un véhicule porteur dans un système de radar à antenne synthétique comprend les étapes suivantes : (a) on collecte des données inertielles pour le véhicule porteur avec un système de navigation inertiel pendant une période de formation d'image dans laquelle des impulsions de radar à antenne synthétique sont dirigées vers une cible; (b) on collecte des données de correction de système de positionnement global, pour les données inertielles, pendant la période de formation d'image; (c) on forme une représentation régulière des corrections de système de positionnement global ; (d) on ajoute la représentation régulière des corrections du système de positionnement global aux données inertielles, après l'achèvement de la période de collecte de données d'image, pendant la période de formation d'image. Les données inertielles peuvent être des données de position ou de vitesse.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 indique des écarts par rapport à une trajectoire de vol de cartographie en bande idéale pour un aéronef porteur d'un radar RAAS;
La figure 2 est un schéma synoptique d'un système GPS/INS intégré;
La figure 3 illustre de façon graphique la position
La figure 1 indique des écarts par rapport à une trajectoire de vol de cartographie en bande idéale pour un aéronef porteur d'un radar RAAS;
La figure 2 est un schéma synoptique d'un système GPS/INS intégré;
La figure 3 illustre de façon graphique la position
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de l'aéronef porteur en fonction du temps;
La figure 4 est un organigramme du procédé conforme à la présente invention, pour déterminer une compensation de mouvement améliorée ; La figure 5 est un schéma synoptique d'un système GPS/INS intégré, amélioré pour compenser le mouvement de l'aéronef porteur.
La figure 4 est un organigramme du procédé conforme à la présente invention, pour déterminer une compensation de mouvement améliorée ; La figure 5 est un schéma synoptique d'un système GPS/INS intégré, amélioré pour compenser le mouvement de l'aéronef porteur.
Contrairement à un radar classique, un système RAAS fait appel au mouvement du véhicule porteur pour améliorer considérablement son aptitude à résoudre des images dans la direction transversale à la ligne de visée. Le décalage Doppler de la fréquence émise dans les signaux réfléchis dépend de la position de l'objet réfléchissant dans le faisceau du radar. En appliquant un traitement supplémentaire aux signaux réfléchis pour obtenir des variations d'amplitude et de phase, on peut déterminer la position relative d'images dans le faisceau dans la direction transversale à la ligne de visée.
La durée pendant laquelle un objet est illuminé peut varier. Dans le mode de cartographie en bande, la durée la plus longue pendant laquelle une cible sera illuminée est la durée nécessaire au véhicule porteur pour parcourir la distance sur laquelle la largeur de faisceau s'étend au niveau de la cible. La nécessité de performances accrues de compensation de mouvement augmente lorsque la distance jusqu'à la scène augmente, et pour des vitesses inférieures de l'aéronef.
Lorsque l'aéronef porteur vole à côté de la zone dont l'image doit être formée, le radar produit une série d'émissions pulsées et il reçoit des réflexions à partir des images dans la largeur de faisceau. Du fait de la largeur de faisceau finie, tout point particulier sera illuminé un certain nombre de fois (temps de scène) pendant un mode de cartographie en bande, et en permanence pendant le temps de scène du mode de "projecteur orientable". Avec chaque réflexion d'impulsion, la distance le long de la
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ligne de visée jusqu'à tout point particulier change. Par conséquent, le décalage Doppler de l'impulsion de retour provenant de ce point variera conformément à la composante du vecteur vitesse de l'aéronef dirigée le long de la ligne de visée, vers un réflecteur quelconque à ce point.
Ainsi, pour chaque impulsion, le signal de retour peut être décomposé en intervalles de distance et Doppler.
L'intensité du signal de retour pour chaque intervalle est liée à la réflectance de l'image. En combinant toutes les données d'intervalles de distance et Doppler (en tenant compte correctement de la position relative et du vecteur vitesse de l'aéronef pendant le temps de scène), on peut former une image de la zone qui a été illuminée.
Comme indiqué sur la figure 1, un aéronef porteur qui porte une antenne de RAAS doit idéalement suivre une trajectoire de vol en ligne droite pour le mode de cartographie en bande. L'aéronef porteur doit également avoir de façon idéale un vecteur vitesse constant pendant que l'antenne émet des impulsions de radar alignées sous un angle fixe de 90 par rapport à la trajectoire de vol idéale. Bien que la figure 1 montre les impulsions de radar à 90 par rapport à la trajectoire de vol, il est bien connu dans la technique que le faisceau radar peut être pointé vers l'avant. L'antenne émet des impulsions de durée fixe à intervalles réguliers, comme indiqué par la ligne représentant la trajectoire idéale.
Cependant, à cause du vent, de limitations dans la précision du système de commande et d'autres facteurs associés au vol d'un avion, l'aéronef porteur s'écarte du mouvement idéal, en ligne droite à vitesse constante. Des écarts par rapport au mouvement idéal occasionnent des erreurs dans les données de phase de radar réfléchies qui sont stockées dans les intervalles de distance/Doppler.
La figure 2 est un schéma synoptique d'un système INS/GPS intégré, 20, qui est porté par l'aéronef porteur.
Le système INS/GPS intégré 20 comprend une unité de mesure
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inertielle 22 et un récepteur GPS 24. La section INS 22 comprend des capteurs inertiels (non représentés) qui fournissent des données concernant la vitesse angulaire et l'accélération du porteur. Les capteurs inertiels comprennent de façon caractéristique un système de gyromètre laser en anneau à trois axes (non représenté), et des accéléromètres appropriés (non représentés), qui sont tous bien connus dans la technique. Les données inertielles sont traitées pour fournir une information de sortie de navigation inertielle autonome qui est utilisée pour mesurer la trajectoire de vol réelle, de façon aussi précise que possible. Des signaux émis par l'unité de mesure inertielle 22 sont appliqués à une unité centrale de traitement (UC) 25 qui comprend un logiciel INS 26 et un filtre de Kalman 28. Le logiciel INS 26 fournit une solution inertielle pure pour la trajectoire de vol réelle de l'aéronef porteur.
L'information de sortie du récepteur GPS 24 est appliquée au filtre de Kalman 28. Le filtre de Kalman 28 consiste en une technique d'actualisation récursive pour déterminer les paramètres corrects pour le modèle mathématique d'un événement ou d'un processus. On utilise des estimations initiales de valeurs de paramètres et des erreurs dans les estimations pour calculer les termes d'une matrice. On détermine les erreurs entre des estimations de paramètres et les données mesurées. On multiplie ensuite les erreurs par la matrice pour obtenir des estimations actualisées de ce que les paramètres et les erreurs devraient être. L'art antérieur contient de nombreuses descriptions de l'algorithme de filtre de Kalman.
Le récepteur GPS 24 reçoit périodiquement des signaux GPS de service de précision qui localisent la position de l'aéronef porteur à l'intérieur d'une plage correspondant à une erreur circulaire probable (CEP) de 10 mètres, et qui fournissent la vitesse de l'aéronef porteur à 0,05 m/s près. Les signaux GPS sont appliqués au filtre
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de Kalman 28 qui calcule des corrections aux données de position et de vitesse provenant de la section INS 22. Les corrections GPS sont ensuite appliquées aux données inertielles, en temps réel, par un élément de sommation 30 qui est inclus dans l'unité centrale 25. L'information de sortie de l'élément de sommation 30 fournit la solution de navigation GPS/inertielle mixte, contenant des actualisations de Kalman discrètes apportées à la vitesse et à la position inertielles. Les données de position corrigées sont appliquées à un système de RAAS 32 qui produit les images de RAAS bien connues.
Pour maintenir des données de vitesse/position régulières, la vitesse et la position GPS obtenues à partir d'actualisations de Kalman sont supprimées pendant la période de formation d'image. Par conséquent, sur de plus longues périodes de formation d'image, la solution de navigation se dégrade progressivement. Les informations de sortie d'actualisation du filtre de Kalman 28 sont appliquées à un interrupteur 34 dans le système de RAAS 32.
La solution mixte GPS/INS avec des actualisations de Kalman est appliquée à un élément de sommation 36 dans le système de RAAS 32. Lorsque l'interrupteur 34 est fermé, les actualisations de Kalman sont éliminées de la solution mixte GPS/INS. L'information de sortie de l'élément de sommation 36 est appliquée à un dispositif dans le système de RAAS 32 qui suit la position de l'antenne de RAAS à chaque émission d'impulsion radar.
La figure 5 illustre un mode de réalisation de la technique de compensation de mouvement améliorée conforme à la présente invention. Un élément de sommation 38 reçoit des signaux provenant du récepteur GPS 24 et du logiciel INS 25. Le signal provenant du logiciel INS 26 est soustrait du signal de GPS pour déterminer la différence entre les données de GPS et les données inertielles. Des signaux émis par l'élément de sommation 38 sont appliqués au filtre de Kalman 28. Les actualisations de Kalman
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provenant du filtre de Kalman sont appliquées au logiciel INS 25 et à l'interrupteur 34 pour l'application à l'élément de sommation 36. L'information de sortie de l'élément de sommation 36 consiste en données de position et de vitesse avec marquage de temps, pour l'application au RAAS.
L'interrupteur 34 fonctionne sous la commande d'un signal provenant du système de RAAS. Le signal de commande provenant du RAAS actionne l'interrupteur 34 pour éliminer les restaurations de Kalman pendant la durée de collecte d'image. Le signal de commande ouvre l'interrupteur 34 à la fin de la durée de collecte d'image. Lorsque l'interrupteur 34 est fermé, un processeur de signal 40 reçoit les actualisations de Kalman provenant du filtre de Kalman 28. Le processeur de signal 40 calcule des coefficients pour une équation de correction. Pendant la durée de formation d'image ou de focalisation automatique, les coefficients de correction provenant du processeur de signal 40 sont appliqués aux données de position et de vitesse avec marquage de temps, pour procurer des données de compensation de mouvement lissées pour former l'image de RAAS.
La technique de correction de compensation de mouvement améliorée conforme à la présente invention tire pleinement parti du fait que des données de compensation de mouvement ne sont pas des données de temps réel, pour fournir les données inertielles les plus régulières et précises qui peuvent être fournies sur la période d'image.
En se référant à la figure 3, on note que les parties lisses de la représentation graphique montrent la position de l'aéronef porteur telle qu'elle est indiquée par la section INS 22. Les parties de lignes verticales de la représentation graphique indiquent les actualisations de position discrètes que procure le filtre de Kalman 26. La représentation graphique comprend un intervalle de temps dans lequel l'image de RAAS est formée, entre un instant de
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début d'image et un instant d'arrêt.
On expliquera la technique de compensation de mouvement conforme à la présente invention en se référant à l'organigramme de la figure 4. Pendant la période de formation d'image correspondant à la collecte des données, le RAAS utilise les données de position inertielles pures provenant de la section INS 22. Pendant la période de collecte de données, la position n'est pas restaurée par les corrections du satellite de GPS. Des observations de pseudo-distance et de variations de distance sont effectuées à des intervalles sélectionnés. Par conséquent, ces données initiales sont aussi régulières et exemptes de bruit qu'elles peuvent être produites. Cependant, les données sont sujettes à des biais de capteurs et des erreurs de variables d'état, qui sont une source de distorsion de l'image.
Le système collecte et stocke les différences entre l'information GPS et la position et les vitesses inertielles pures, à la cadence GPS de 1 Hz. Les corrections de position GPS sont stockées pour chaque période d'acquisition de données, pour l'application ultérieure aux données de position inertielles. Les corrections de GPS sont représentées par des cercles sur la représentation graphique de la figure 3. Les corrections de GPS sont une série de nombres discrets. Comme on l'a indiqué, l'application directe des corrections de GPS aux données inertielles produit des discontinuités qui dégradent l'image de RAAS.
Le processeur de signal 40 détermine les coefficients d'une courbe de corrections régulière applicable aux données de GPS pendant la période de formation d'image. Une correction régulière est ainsi apportée aux données inertielles. On peut par exemple utiliser des techniques telles qu'un ajustement au sens des moindres carrés, un développement en série et d'autres techniques d'ajustement de courbe pour former une
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représentation régulière des corrections de GPS.
Les corrections de position inertielle continues que produit ce modèle d'erreur inertielle discret, en fonction du temps, tirent pleinement parti de la précision du GPS et sont tout aussi régulières que les données initiales. Ces corrections sont ensuite appliquées à titre de corrections de phase aux données de RAAS pendant le processus de formation d'image. En outre, ces données sont par nature plus précises que ce qu'auraient été les données soumises au filtrage de Kalman, du fait que cette technique de correction représente un dispositif de lissage équivalent, plutôt qu'un filtre.
La description de l'invention fait référence à des données de position. Le procédé conforme à la présente invention est également applicable au traitement de données de vitesse.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (4)
1. Procédé pour compenser le mouvement d'un véhicule porteur dans un système de radar à antenne synthétique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : on collecte des données inertielles pour le véhicule porteur avec un système de navigation inertiel (22), pendant une période de formation d'image au cours de laquelle une impulsion de radar à antenne synthétique est dirigée vers une cible ; collecte des corrections de système de positionnement global à apporter aux données inertielles pendant la période de formation d'image; on forme une représentation régulière des corrections de système de positionnement global ; on ajoute la représentation régulière des corrections du système de positionnement global aux données inertielles, après l'achèvement de la période de formation d'image.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les données inertielles indiquent la position du véhicule porteur.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les données inertielles indiquent la vitesse du véhicule porteur.
4. Système pour compenser le mouvement d'un véhicule porteur dans un système de radar à antenne synthétique (32), caractérisé en ce qu'il comprend . un système de navigation INS/GPS intégré (21) qui comprend un récepteur GPS (24) et une unité de mesure inertielle (22); une unité centrale de traitement (25) conçue pour recevoir des signaux provenant du récepteur GPS (24) et de l'unité de mesure inertielle (22), l'unité centrale de traitement comprenant : un logiciel de navigation inertielle (26) qui fournit des données inertielles pour la position et la vitesse du véhicule porteur ; premier élément de sommation (38) disposé pour obtenir la différence entre les données inertielles et des signaux provenant du récepteur GPS (24); un filtre de Kalman (28) conçu pour traiter la
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différence entre les données inertielles et des signaux provenant du récepteur GPS (24) et pour produire des actualisations de Kalman pour les données inertielles; un interrupteur (34) agencé pour recevoir les actualisations de Kalman; un second élément de sommation (36) disposé pour recevoir les données inertielles actualisées par le filtre de Kalman, l' interrupteur (34) étant actionné par le radar à antenne synthétique (ou RAAS) (32), pour fournir les actualisations de Kalman au second élément de sommation (36) pendant des périodes de collecte d'image du RAAS (32), de façon que pendant des périodes de collecte d'image le second élément de sommation (36) retire les actualisations de Kalman des données inertielles actualisées précédemment, et fournisse au RAAS (32) des données de position et de vitesse avec marquage de temps, pour le véhicule porteur; et un processeur de signal (40) conçu pour recevoir les actualisations de Kalman provenant de la sortie de l'interrupteur et pour calculer des coefficients pour une équation de correction régulière pour le mouvement du véhicule porteur, sur la base des actualisations de Kalman.
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