Guidage de missile

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Un missile AIM-9 Sidewinder sur le point de toucher un North American F-86 Sabre lors d’un tir d’exercice à la base China Lake en 1977.
Un Sikorsky SH-60 Seahawk lance des leurres destinés à tromper les missiles à guidage infrarouge.

Le guidage est l’ensemble des opérations qui permettent au missile de remplir sa mission, du point de vue approche vers l’objectif ou but choisi, malgré l’intervention de perturbations (turbulences de l’air, bruit des détecteurs, mouvement de la cible…). C’est le guidage qui permet de faire la distinction entre un missile et une roquette ou un projectile d’artillerie[1]. Le guidage (mouvement du centre de gravité) est différent du pilotage (mouvement autour du centre de gravité).

Les systèmes de guidage sont de natures très variés, selon la technologie disponible et l’objectif du missile. Ils comprennent deux fonctions principales : la détection de la cible, et l’élaboration des ordres transmis au pilotage. Ces systèmes se retrouvent aussi sur des bombes guidées[N 1].

Généralités[modifier | modifier le code]

Historique[modifier | modifier le code]

Avant la Seconde Guerre mondiale, la trajectoire des « missiles »[N 2] dépendaient uniquement des conditions initiales (vitesse, direction au lancement…) et des effets balistiques, et leur efficacité était assez faible. Les progrès techniques ont permis le développement de systèmes de guidage permettant des tirs plus précis. L’évolution se poursuit aujourd’hui pour avoir des armes plus précises et plus adaptées aux menaces (qui évoluent en même temps)[2].

Contrôle d'un missile[modifier | modifier le code]

Les asservissements de trajectoire d’un missile comportent plusieurs fonctions[3],[4],[5] :

  • Le guidage consiste à maîtriser l’évolution de la trajectoire de l’engin. Il vise à suivre une trajectoire de référence définie par les contraintes géométriques et cinématiques du problème et fournit à cet effet des consignes d’accélérations et d’angles d’attitude. Dans le cas d’une cible mobile, le système doit emmener l’engin au plus près de sa cible[N 3].
  • le pilotage consiste à réaliser les consignes exprimées par le guidage, et à stabiliser l’engin. Le pilotage se fait principalement par actionnement des gouvernes.
  • la navigation assure le bouclage de l’asservissement en fournissant une estimation de la position, vitesse et attitude de l’engin tout au long du vol.

Un système de guidage est constitué de deux éléments :

  • Le détecteur permet de déterminer l’écart angulaire et/ou la distance par rapport à la cible. Ce détecteur peut être l’œil humain, un détecteur infrarouge, un radar…
  • À partir de ces informations, l’élaborateur d’ordre calcule les commandes à transmettre à la chaîne de pilotage.

Ces éléments peuvent être dans le missile ou déportés[6].

Procédés de guidage[modifier | modifier le code]

Les deux grands procédés de guidage sont le téléguidage et l’autoguidage, ils se distinguent sur le fait que le système soit embarqué ou non dans le missile.

Dans la conception du missile, le choix du procédé dépend de la technologie disponible, du prix et du besoin opérationnel.

Les missiles balistiques ont une propulsion et un guidage durant une portion très courte de leur trajectoire, et ont le reste du temps une trajectoire balistique, comme leur nom l’indique[8].

Depuis les années 1980, la plupart des missiles (hors courte portée) ont deux modes de guidage : inertiel pour la mi-course, autoguidage pour la course terminale[9]. Certains autodirecteurs des années 2000 sont bi-mode (par exemple le Dual Mode Brimstone a un autodirecteur radar et laser semi-actif).

On distingue les modes Lock on before launch (LOBL, Accrochage avant le tir) et Lock on after launch (LABL, Accrochage après le tir).

Téléguidage[modifier | modifier le code]

Dans le téléguidage, il est possible de distinguer le téléguidage direct (la mesure et l’élaboration d’ordres sont faits à distance) et le téléguidage indirect (seule l’élaboration d’ordre se fait à distance)[10].

Téléguidage direct[modifier | modifier le code]

Le missile TOW est filoguidé.

Dans le téléguidage manuel, un pilote humain dirige le missile (comme s’il pilotait un avion). C’est une technologie assez ancienne (années 1950-1960) utilisée dans les missiles antichars SS10, SS11, ENTAC et les missiles air-surface AS12, AS20, AS30. Dans le téléguidage semi-automatique, c’est toujours un opérateur humain qui suit la cible, mais l’élaboration d’ordre du missile est fait par un calculateur. Les missiles fonctionnant ainsi ont été développés dans les années 1970, comme les antichar Milan, le HOT ou le TOW ou les sol air courte portée « temps clair » Roland et Rapier. Ces systèmes ont l’inconvénient de rendre le tireur vulnérable pendant qu’il suit la cible[11]. Les lanceurs de missiles antichar utilisent le plus souvent un goniomètre infrarouge pour situer le missile grâce au traceur situé à son arrière. Le goniomètre mesure l’écart angulaire entre le missile et la cible, transformé en écart métrique puis en instructions pour corriger le tir[12].

Le téléguidage automatique ne nécessite plus l’intervention humaine après le tir (« tire et oublie ») par exemple le Crotale[11].

Téléguidage indirect[modifier | modifier le code]

Des missiles air-surface ou surface-surface sont dotés d’une caméra qui permet à l’opérateur humain de les diriger (AS-37 Martel version TV)[13].

Autoguidage[modifier | modifier le code]

L’autoguidage permet au missile de se déplacer de façon totalement automatique, sans nécessiter d’opérateur (« tire et oublie »). Le composant du missile servant à détecter la cible est l’autodirecteur (« tête chercheuse » dans le langage commun). Dans l’autoguidage indirect, la référence n’est pas liée à la cible.

Autoguidage direct[modifier | modifier le code]

Le missile est capable de détecter la cible, et d’élaborer ses ordres. C’est un fonctionnement privilégié dans le cas d’une cible mobile. Il existe plusieurs moyens de détection de cible.

Radar actif[modifier | modifier le code]
Autodirecteur radar du missile Vympel R-77 (sans le radôme)
Article connexe : Radar.

L’autodirecteur comporte un émetteur et récepteur radar. Les ondes émises sont réfléchies par les cibles et reviennent vers le missile. Un traitement du signal permet de trier les réflexions dues à un avion à celles dues à l’eau ou à la terre. La portée de ces autodirecteurs est supérieure à celle des modèles infrarouges. Toutefois, à cause de la taille réduite de l’antenne contenue dans le missile, les cibles ne sont pas détectables à longues distances[14]. Les missiles AIM-120 AMRAAM, Vympel R-77, MICA et Exocet par exemple utilisent ce mode de guidage.

Radar semi-actif[modifier | modifier le code]
Principe de guidage d’un missile par radar semi-actif

Les radars semi actifs, de conception plus simple, sont apparus dans les années 1950 (par exemple l’AIM-7 Sparrow). Il n’était pas possible à l’époque d’installer à la fois un émetteur et un récepteur radar dans un missile. L’avion qui a tiré le missile émet les ondes électromagnétiques qui sont réfléchies par la cible puis reçues et analysées par le missile[14].

Radar passif[modifier | modifier le code]

Des missiles anti-radar comme l’Armat, une version de l’AS-37 Martel AR, se guident en repérant les signaux radar de l’ennemi et en se dirigeant vers l’émetteur[15].

Infrarouge passif[modifier | modifier le code]
Autodirecteur infrarouge du missile IRIS-T
Un missile AIM-9 Sidewinder touche un North American F-86 Sabre lors d’un tir d’exercice à la base China Lake en 1978.

Un autodirecteur à infrarouge passif comporte des détecteurs refroidis à 70 K, sensibles aux longueurs d’onde 3 à 5 µm pour les missiles antiaériens, 8 à 12 µm pour les antichar. Les premiers détecteurs (années 1960 à 1980) ne comportaient qu’un seul élément derrière un disque modulateur tournant. De nos jours, on utilise des capteurs IR-CCD qui permettent d’obtenir une image 2D[16]. Ce détecteur est portée par une « antenne » mobile ; la ligne de visée est alors différente de la trajectoire du missile[17]. Sauf dans le cas d’une poursuite pure (§ 3), l’asservissement de l’angle de l’antenne est découplé de celui du missile, ce qui nécessite une stabilisation de l’antenne avec un gyroscope, ou par l’intermédiaire de calculs de changement de repère à partir de mesures inertielles[18].

L’autodirecteur a pour fonction de mesurer de l’écart angulaire (« écartométrie ») entre la trajectoire du missile et sa ligne de visée. Celle-ci se fait avec la détection de rayonnement infrarouge entre la cible et le fond. Certains autodirecteurs peuvent également rechercher leur cible dans un champ angulaire étendu (le « balayage »). Les autodirecteurs les plus récents sont également capables de classer les cibles détectées et de reconnaître les vraies cibles des leurres[19].

Les autodirecteurs infrarouges modernes ont des portées de 10 à 15 km[20]. Les missiles AIM-9 Sidewinder, Vympel R-73, Mistral, Magic 2 ou MICA utilisent de tels systèmes.

Laser semi-actif[modifier | modifier le code]
Autodirecteur laser semi actif de la bombe Paveway

Un désignateur laser est une source laser servant à illuminer une cible afin de guider une arme (bombe ou missile). Le laser n’opère pas nécessairement dans le spectre visible.

Cette technologie a été développée dans les années 1970, suite aux progrès réalisés dans la technologie Laser. Par exemple l’AS-30L, mis en service en 1986 sur le Jaguar A se dirige vers une cible illuinée par un « pod » (nacelle) ATLIS embarqué sur l’avion[21].

Imageurs[modifier | modifier le code]

Un imageur visible peut permettre à un missile air-sol de reconnaître sa cible. L’image a préalablement été enregistrée dans le système (AGM-65 Maverick)[22]. Un imageur infrarouge peut également être utilisé, cette technique permet une grande précision (AASM version métrique ou le SPICE (en))[23].

Autoguidage indirect[modifier | modifier le code]

L’autoguidage indirect consiste à élaborer les ordres à bord du missile, mais ce n’est pas la cible qui est directement détectée. La position est déterminée par rapport à un système de référence auxiliaire, et les coordonnées de la cible sont connues par rapport à cette référence[24].

Navigation inertielle[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Navigation inertielle.
Le guidage du missile V2 nazi était uniquement inertiel, et très imprécis.

Le missile allemand V2 fut le premier missile balistique (qu’on appelait encore « fusée ») de l’histoire. Mis en service en 1944, sa trajectoire était très imprécise, et le missile ne pouvait que bombarder les villes[25].

La centrale inertielle du missile contient trois accéléromètres permettant de mesurer l’accélération linéaire dans les trois axes du repère engin, et trois gyromètres permettant de mesurer la vitesse de rotation dans les trois axes du repère engin. Grâce à des calculs tenant compte des effets de pesanteur et des accélérations d’entrainement et de Coriolis (liées à la rotation de la Terre) et utilisant des changements de repères, ces informations permettent de fournir la vitesse de l’engin ainsi que ses coordonnées dans le repère terrestre (latitude, longitude, altitude, lacet, tangage et roulis).

À cause des intégrations contenues dans les calculs, la précision se dégrade au cours du temps. Ce système est toutefois extrêmement fiable, ne dépend pas de sources extérieures et est insensible à toute perturbation de l’environnement[26].

Beaucoup de missiles utilisent cette méthode, pour leur guidage à mi-course, suivie éventuellement d’un autoguidage direct[24].

Positionnement par satellites[modifier | modifier le code]

Grâce à une constellation de satellite émettant un signal radio, le missile peut connaître sa position à un instant donné avec une grande précision. Le système le plus connu est le Global Positioning System américain, en service depuis 1995. Par rapport à la navigation inertielle, cette technique présente les inconvénients d’un temps de traitement plus important, et d’une sensibilité aux perturbations électromagnétiques[27].

Ainsi les systèmes actuels sont le plus souvent hybrides, c’est à dire qu’ils utilisent la navigation inertielle comme source primaire mais avec une source complémentaire comme le GPS pour en corriger la dérive[28].

Autres[modifier | modifier le code]

Le lanceur de missile émet un faisceau laser codé spatialement. Le missile, doté d’un récepteur, peut se repérer en décodant le message contenu dans le laser[29],[30].

La technologie TERCOM (Terrain Contour Matching, repérage des contours du terrain) permet au missile de se repérer grâce à son contexte géographique. Une antenne radar détermine les éléments de paysage autour du missile. Un calculateur compare ensuite la scène avec un modèle numérique de terrain stocké en mémoire, ce qui permet au missile de corriger sa direction[2]. Cette méthode est utilisée dans les missiles des croisière : AGM-86 ALCM, BGM-109 Tomahawk, AGM-129 ACM.


Lois de guidage[modifier | modifier le code]

Dans cette section, différentes lois de guidage sont présentées avec les simplifications suivantes :

  • le missile et la cible sont considérés ponctuels,
  • il n’y a pas de constante de temps liée au traitement du signal et au délai des actionneurs,
  • les bruits et perturbations sont négligés,
  • le guidage se fait dans le plan[31].

Center

Notations utilisées :

  • M est le missile et B le but
  • \vec{V_m} et \vec{V_b} sont les vecteurs vitesse
  • \Gamma_{ml} est l’accélération latérale du missile, \Gamma_{mn} l’accélération normale
  • \delta_m = (\vec{V_m}, \vec{MB}) et \delta_b = (\vec{V_b}, \vec{MB})
  • \gamma_m et \gamma_b sont les angles entre les vecteurs vitesse et une référence fixe arbitraire (et non horizontale) ; \eta est l'angle entre MB et cette référence.

Si \delta_b = 0, on parle d’« attaque arrière », si \delta_b = \pm \pi , on parle d’« attaque frontale», et si \delta_b = \pm \frac{\pi}{2}, on parle d’« attaque latérale»[32].

Poursuite[modifier | modifier le code]

Article connexe : Courbe du chien.

La poursuite ou « courbe du chien » est utilisable en autoguidage ou téléguidage indirect. Dans ce cas, la vitesse du missile fait un angle constant avec la direction du but, on a \dot \delta_m  = 0[N 5]. En poursuite pure, \delta_m  = 0[33].

Navigation proportionnelle[modifier | modifier le code]

La navigation proportionnelle est utilisable en autoguidage ou téléguidage indirect. Dans ce cas, le missile a une vitesse de rotation proportionnelle à celle de la droite missile but, soit \dot \delta_m  = A \dot \eta. A est la constante de navigation proportionnelle. Avec \Gamma_{mn}=V_m \dot \delta_m, on obtient \Gamma_{mn}=A V_m \dot \eta, ce qui permet de relier la sortie du détecteur à l’entrée du système de pilotage[34].

Collision[modifier | modifier le code]

La collision est utilisable en autoguidage ou téléguidage indirect. Dans ce cas, la droite MB reste dans la même direction, soit \dot \eta  = 0[35].

Alignement[modifier | modifier le code]

L’alignement est utilisable en téléguidage direct. Cela consiste à forcer l’alignement entre le missile, le but et l’opérateur[36].

Cette technique était utilisée sur les premiers missiles surface-air mais fut jugée inefficace pour des longues portées et elle est aujourd’hui abandonnée. Cette méthode fut utilisée par exemple sur les RIM-2 Terrier américains dans les années 1950[37].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Il existe également des munitions d’artillerie guidées (en) : M982 Excalibur, MGM-51 Shillelagh
  2. On distinguait alors les missiles (dans le sens « fusées ») et les missiles guidés. Aujourd’hui, par définition un missile est guidé.
  3. Dans le cas de missiles antiaériens, souvent équipés de détecteurs de proximité pour commander l’explosion, un impact direct n’est pas nécessaire pour détruire la cible.
  4. De la même façon, les torpilles utilisent les ondes acoustiques (Sonar).
  5. \dot x = \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} est la fonction dérivée de x par rapport au temps

Références[modifier | modifier le code]

  1. Carpentier 1989, ch 1 I.1. Définition du guidage
  2. a et b Fundamentals of Naval Weapons Systems, Chapter 15 Guidance and Control ; 16.5.3 Terrestrial Guidance Methods
  3. Flament 2009, 1.3 Structure de commande d’un véhicule autonome
  4. Harcaut et al. 1998, 4.1 Besoins du guidage
  5. Marzat 2011, 2.3 Guidage-pilotage
  6. Carpentier 1989, ch 1 I.2. Éléments constitutifs de l’ensemble du système de guidage
  7. Carpentier 1989, ch 1 I.4.3. Récapitulations des procédés de guidage
  8. Carpentier 1989, ch 1 I.3.1. Mobiles et détecteurs considérés dans ce cours
  9. Carpentier 1989, ch 1 I.3.1. 3. Mobiles ayant deux modes successifs de guidage
  10. Carpentier 1989, ch 1 I.4.1 Téléguidage
  11. a et b Carpentier 1989, ch 1 I.4.1.1 Téléguidage direct
  12. Delteil 1997, Téléguidage direct
  13. Carpentier 1989, ch 1 I.4.1.2 Téléguidage indirect
  14. a et b (en) Carlo Kopp, « Active and semiactive radar missile guidance », sur www.ausairpower.net,‎ 1982
  15. Belan et Mercillon 2006, p. 126
  16. Delteil 1997, 2.4 Génération des écartométries
  17. Delteil 1997, 2.2.1 Aérien mobile
  18. Delteil 1997, 2.5 Asservissement de la tête gyro-stabilisée
  19. Delteil 1997, 2.1 Fonctions à assurer
  20. Belan et Mercillon 2006, p. 124
  21. Belan et Mercillon 2006, p. 105
  22. Carpentier 1989, ch 1 I.4.2.1 Autoguidage direct
  23. (en) « France’s AASM Precision-Guided Bombs », sur www.defenseindustrydaily.com,‎ 14 juillet 2010
  24. a et b Carpentier 1989, ch 1 I.4.2.2 Autoguidage indirect
  25. Belan et Mercillon 2006, p. 11
  26. Flament 2009, 1.5.1 Navigation inertielle
  27. Flament 2009, 1.5.2 Positionnement par satellites
  28. Flament 2009, 1.6.2 La navigation hybridée
  29. Dansac 1994, 1.2.2 Guidage sur faisceau directeur
  30. Meyzonnette, Fouilloy et Tribut 1997, Guidage de missiles sur faisceau directeur
  31. Carpentier 1989, ch 2 I.1 Introduction
  32. Carpentier 1989, ch 2 I.3 Notations
  33. Carpentier 1989, ch 2 I.1.4.1.1 La poursuite
  34. Carpentier 1989, ch 2 I.1.4.1.2 Navigation proportionnelle classique
  35. Carpentier 1989, ch 2 I.1.4.1.3 Collision
  36. Carpentier 1989, ch 2 I.1.4.2 Loi de guidage en téléguidage : alignement
  37. (en) Jeff Scott, « Missile Guidance », sur www.aerospaceweb.org,‎ 1er août 2004

Bibliographie[modifier | modifier le code]