Brevet FR2009232A1 — publié le 19700130

La présente invention se rapporte à un système perfectionné de navigation omnidirectionnel pour l'aéronautique, et plus particulièrement à un système émettant à un aéronef des informations dont un relèvement ou ces renseignements directionnels peu-5 vent être dérivés. Un système radio omnidirectionnel (appelé généralement,, et dans la suite de ce texte, V.G.E.) a été utilisé jusqu'à présent comme aide à la navigation aérienne. Ce système opère généralement dans la bande des UHF (de 112 à 118 MHz) et fournit une lecture j_q directe du relèvement entre le récepteur de l'aéronef et l'émetteur V.O.R. Cependant, connue il sera montré plus loin, le système V.O.R. connu (appelé aussi système V.O.R. classique dans la suite de ce texte) est vulnérable à des perturbations causées par des obstacles réfléchissants tels que montagnes ou bâtiments, et son 15 emplacement doit être soigneusement choisi si les normes de précision de * 2° environ doivent être respectées» Le signal du système V.O.R. classique porte des informations de relèvement sous forme d'une différence de phase entre deux signair: de 30 Hz. L2un g'sum, appelé phase de référence, est 2Q rayonné onmiclrection£>elie«ient sous £c?«ae d5,«2i signal modulé en fréquence ' :-;lgnal FM,- sur as soiis-por ;-.euss ce 9960 Hs et est capté dans 1-2 récepteur de 13acrcnef par un limiteux- et un discrimina teur FM, L'autre signal, appelé phase variable-, est rayonné-sous forme d'un champ tournant de 30 Hz modulé en amplitude (AM)3 25 génézaLement par quatre antennes en cadre groupées en carré. La référence FM est verrouillée en phase au signal tournant de sorte qu'un récepteur situé dans un aéronef juste au nord de l'émetteur reçoit les deux signaux de 30 Hz exactement en phase, et que lorsque l'aéronef se déplace autour de l'émetteur la différence de 30 phase entre la phase de référence et la phase variable varie. Il s'ensuit — e\: cela peut être facilement vérifié — que la phase du champ tournant AK est, en l'atseace de signaux réfléchis, nu-icuement égale à 1 'angle c«azimut. Si cependant il existe des signaux réfléchis, ils peuvent cêphaser le signal AI-î tournant 35 d'une valeur- ne dépassant pas le rapport du signal réfléchi au signal direct, en radians. Ainsi, pour respecter la norme de précision de - 2° r.ienzionnée ci—dessus, il est nécessaire que tout signal réfléchi . /... BAD ORIGINAL 69 15562 2 2009232 p soit inférieur fois l'intensité du signal direct; ce qui est une. condition particulièrement sévère qui peut être rendue encore plus rigoureuse par de petites erreurs dans des diagrammes ce rayonnement ou des formes d'onde de modulation» ^ Dans une tentative de supprimer, ou tout au moins de réduire, la susceptibilité d'erreur? du système d'émission V.O.S. classique, ce système a été modifié afin d'être utilisé avec les récepteurs classiques, Ce système modifié, désigné généralement par V.O.R. Doppler (ou V.O.R.D.) est un système dans lequel le «0 signal V.O.R,» est "inversé", c'est-à-dire que la phase de référence est émise omnidirectionnellement sous forme de champ AM, et la Phase variable sous forme d'un champ FH tournant. L'aérien est généralement composé d'un cercle de 50 antennes en cadre, ce cercle ayant 13,70m de diamètre et, au centre de ce cercle, d'une 15 seule antenne en cadre qui émet la phase de référence. Un commutateur excite essentiellement un cadre du cercle à la fois et balaye la totalité du cercle en l/30ème de seconde. De cette manière une rotation continue à 30 Hz d'un seul cadre est simulée, et un si-jnal FM tournant peut être considéré comme résultant de l'effet •lû i'-opi"l«r0 iJ-in es système piiii'i'i -âire compatible avec des récep-v.. .• uc-i-.-.iav.X; l-~ de la. rO'OTi au commutât sur est de 5'3?>G Lis de la porteuse 4a r-sférence» de aorte que le .-IrraX variable bat contra la rëfêr ej.ee et apparaît en tant que FM sur- une sous-porteuse de 9S60 Hz. 25 On voit que bien que le système V.O.R. Doppler résolve pratiquement le. problème d'erreurs eues à des réflexions, il est extrêmement coûteux, nécessite une grande aperture et un grand contrepoids, et est fondamentalement compliqué. En outre, il réduit las erreurs dues à 1•emplacement à un niveau bien inférieur 30 aux erreurs introduites par la plupart des récepteurs, de sorte que- dans un sens, une partie importante de ses possibilités de réduction d'erreurs dues à l'emplacement est superflue. En conséquence, un but de la présente invention est de fournir un système de radionavigation omnidirectionnel perfec-35 tionné qui évite les problèmes mentionnés ci-dessus inhérents aux s2/stèmes connus et qui, de préférence, soit compatible avec des récepteurs classiques. La présente invention a donc pour objet un système de . /... BAD original^ 69 15562 3 2009232 radionavigation omnidirectionnel dans lequel un signal phase de référence, modulé en amplitude ou modulé en fréquence à une fréquence f^, est rayonné omniairectionnellement, tandis qu'un signal phase variable modulé en fréquence (lorsque ledit signal phase de 5 référence est modulé en amplitude) ou modulé en amplitude (lorsque ledit signal phase de référence est modulé en fréquence) est rayonné pour produire un champ tournant, ledit signal phase variable étant modulé à une fréquence qui est dans un rapport fixe à ladite fréquence f^ 10 Ce signal phase variable est obtenu de préférence en émettant de chacun des réseaux d'une série de réseaux d'antennes concentriques une composante différente des composantes de Fourier d'un signal modulé en onde carrée; bien que, comme décrit plus loin, deux réseaux d'antennes concentriques dont l'un émet la pre--j_5 mière composante de Fourier tandis que l'autre émet la seconde, fournissent une forme d'onde composite (approximativement carrée) satisfaisante. Egalement, ce signal phase variable est de préférence modulé en fréquence à ladite fréquence f^, le signal phase de 20 référence étant alors un signal modulé en amplitude. Afin que le système selon la présente invention soit compatible avec les récepteurs V.O.R. existants, la phase de référence est de préférence émise sous forme d'un signal sinusoïdal de 30 Hz modulé en amplitude et la phase variable est de préfé-25 rence émise sous forme d'un signal à onde carrée de 30 Hz modulé en fréquence. Egalement, la fréquence de la porteuse du signal phase variable utilisée est de préférence égale à la fréquence de la porteuse de la référence plus (ou moins) 9960 Hz, afin d'obtenir l'effet d'une sous-porteuse de 9960 Hz lorsque le signal phase 30 variable bat contre la porteuse de la phase de référence. Le signal de référence modulé en amplitude est verrouillé en phase avec le signal phase variable tournant, de sorte que des informations de relèvement peuvent être tirées de ces signaux (par analyse vectorielle) par rapport à un point auquel ces deux 35 signaux sont reçus exactement en phase. La transmission de l'information en phase variable est, comme mentionné plus haut, réalisée en émettant, de préférence, deux des composantes de Fourier d'une onde FM exactement carrée. • f... jAD original 69 15562 4 2009232 Une onde FM exactement carrée à 30 Hz revient, on le conçoit, à commuter à raison de 30 Hz entre des fréquences (porteuse + 480 Hz) et (porteuse - 480 Hz); le signal 480 Hz étant la déviation de . fréquence V.O.R. classique. 5 L'invention sera plus complètement comprise au moyen de la description d'une forme d'exécution de celle-ci lue en se référant au dessin annexé sur lequel - la figure 1. est un schéma bloc d'un système de commande d'un émetteur, 10 — la figure 2A illustre schématiquement une disposition type d'aériens comprenant deux réseaux concentriques d'antennes, - la figure 2B montre les feeders hybrides du réseau ? intérieur (qui est constitué par les éléments A à C), avec les fonctions d'excitation appropriées telles que produites dans le 15 système de commande selon la fig.l, - la figure 2c montre les feeders hybrides du réseau extérieur (qui est constitué par les éléments 1 à 12) avec les fonctions d'excitation appropriées telles que produites dans le système de commande selon la fig.l, 20 - la figure 3a montre le diagramme de rayonnement pro duit par le réseau intérieur de la fig. 2A, - la figure 3b montre le diagramme de rayonnement produit par le réseau extérieur de la fig. 2A, et - les figures 4A à 4D montrent des formes d'onde re- 25 présentant (a) un signal "phase variable" à onde exactement carrée, (B) la première composante de Fourier du signal à onde exactement carrée, (C) la seconde composante de Fourier du signal à onde exactement carrée, et (D) un signal (composite) à onde approximativement carrée dérivé des composantes B et C. 30 Sur la fig.l, un signal porteur d'une phase de référen ce ayant la fréquence fr est engendré dans "l'émetteur de référence"^. Ce signal est à 30% modulé en amplitude à, de préférence, 30 Hz au modulateur 21 et est appliqué aux jonctions hybrides, indiquées par les repères numériques 22 et 23, qui alimentent les 35 éléments d'antenne A, B, C et D du système d'aériens représenté à la fig. 2A. La phase de référence est émise omniairectionnellement sous forme, d'un champ à 30 Hz modulé en amplitude. BAD ORIGfNAt | 69 15562 5 2009232 L'information à phase variable est émise sous forme d'un signal FM à onde approximativement carrée pour produire dans l'espace un champ tournant, ceci étant réalisé (selon la forme d'exécution préférée de l'invention) en émettant deux des compo-5 santés de Fourier de FM à onde exactement carrée, chacune de ces composantes étant émise par l'un des deux réseaux d'antennes concentriques représentés à la fig. 2A. Ainsi, en se référant à la fig.l, un signal porteur est engendré par "l'émetteur de phase variable" 24, la fréquence porteuse (variable) étant égale à la 10 fréquence porteuse (f ) de la phase de référence plus 9960 Hz afin d'obtenir l'effet d'une sous-porteuse à 9960 Hz lorsque le signal phase variable bat contre la porteuse de la phase de référence. Un dispositif 25 de commande automatique de la fréquence est situé entre l'émetteur 20 du signal de référence et l'émet-15 teur 24 de la phase variable afin de maintenir le rapport de fréquence désiré entre la sortie de ces deux émetteurs. La sortie provenant de l'émetteur de phase variable 24 est atténuée par l'atténuateur 26 pour obtenir un rapport d'amplitude désiré entre les signaux de la phase de référence et ceux 20 de la phase variable, et est divisée en un premier circuit et en un second circuit, le premier comprenant un modulateur équilibré 27 pour moduler le signal (porteur) suivant la fonction cos (960fft), et le second comprenant un modulateur équilibré 28 pour moduler ce signal suivant la fonction sin (960Ttt). La sortie du premier 25 circuit fournit une entrée commune pour un côté des jonctions hybrides 29 et 30 qui alimentent les antennes en cadre 1 à 12, en phase, comme le montre la fig.2, pour produire une distribution omnidirectionnelle du champ. La sortie du second circuit est conditionnée en 31 30 pour que le signal modulé suivant la fonction sin (960Xt) retarde de 90 degrés par rapport au signal modulé suivant la fonction cos(960ttt) émis par le premier circuit, et le signal résultant est divisé en un troisième et en un quatrième circuit. Le signal à l'entrée du troisième circuit est, à son 35 tour, divisé entre les deux modulateurs équilibrés 32 et 33 dans lesquels il est soumis à une modulation supplémentaire suivant les fonctions cos(603tt) et sin(60jr t) respectivement. Les sorties des modulateurs 32 et 33 constituent les entrées des jonctions hybri- . /... sad original D 69 15562 6 2009232 des 22 et 23 des éléments d'antenne A à D (comme représenté aux fig. 1 et 2) et ces entrées constituent les premières composantes de Fourier (ou premières harmoniques) — sin 8 et cosO- — du signal à onde approximativement carrée mentionné plus haut. 5 Le signal à l'entrée dix quatrième circuit est atténué dans l'atténuateur 34 dans le rapport de 3 : 1 afin que le signal soit conditionné à une amplitude requise de seconde composante de Fourier (ou troisième harmonique) par rapport à celle de la première composante de Fourier, et le signal ainsi obtenu est di-10 visé entre les deux modulateurs équilibrés 35 et 36 où il est modulé suivant les fonctions cos(l80 t). et sin(l803t t) respectivement. Les sorties des modulateurs 35 et 36 sont appliquées en tant qu'entrées aux jonctions hybrides des éléments d'antenne 1 à 12, ces entrées comprenant les secondes composantes de Fourier (ou troi-15 sièmesharmoniques) — sin 3 0 et cos 30 — du signal à onde approximativement carrée. Les fig» 3A et 3B illustrent les diagrammes de rayonne-- ment émis respectivement par les réseaux d'antennes intérieur et extérieur en réponse à l'application aux jonctions hybrides cor-20 respondantes des entrées dérivées comme exposé ci-dessus. Ces deux diagrammes sont émis simultanément afin d'obtenir des champs tournants, et ils sont composés de la fonction sin6 et cos6 et de la fonction sin 3 0 et cos 3 0 respectivement. La dérivation des fonctions d'excitation mentionnées ci-25 dessus sera parfaitement comprise au moyen de l'analyse mathématique ci-après : Si l'on désigne par f^ la fréquence de la porteuse de la phase variable, les signaux requis pour l'onde FM exactement carrée sont 30 j2K (fD + 480)t j2JT (f _ 480)t e et e mais j23I (fn+ 480)t j27tf t e = e (cos 960 31 t + jsin 9603tt) et 35 j231 (fD - 480)t j2JlfDt e = e (cos 960Jlt - jsin 9603T t) Dans ce qui précède, les inversions de signe algébrique qui marquent les commutations de fréquence doivent se produire à . J... BAD 69 15562 7 2009232 raison de 30 Hz, ce qui peut être représenté symboliquement comme sult : 32* V signal phase variable = e (cos 960 7tt + jS(603Ct -0 ) sin 960K t), dans laquelle S est me onde carrée unitaire de formule 5 S(60JTt-ô), comme représenté à la fig. 4A. En accord avec la forme d'exécution préférée de la présente invention, seuls les deux premiers termes dans l'expansion de Fourier de s(603t t - 9 ) sont utilisés, pour produire la forme-d'onde approximativement carrée telle que représentée à la 10 fig. 4 D. Ces termes sont : 4 cos (6O0tt - 6 ) représenté par la fig. 4B Jt et - 4 cos (180 Jtt - 3ff) représenté par la fig. 4C 15 On peut développer ces termes comme suit : cos (60 311 - S ) = [cos 6 cosôOîtt + sin0 sinôojr tj 31 cos (18031 1 - 3 0 ) = ~3~3r~[ cos30 cosl803tt + sin30 sinl803TtJ 20 Ainsi, le signal phase variable utilisé dans la pré sente invention est : j2JLf_t f e J cos 960 311 + j Jpos 8sin960 3f t cos60 JE t + sin & sin JU 960 3t tsin60 % tj ait]} j 25 -1 |cos3&sin960Tl tcosl80 JT t + sin30 sin960 3l tsinl80: 1 L Ces termes sont rayonnés par des antennes dont les diagrammes d'azimut et les excitations figurent au tableau ci-dessous. TABLEAU 30 DIAGRAMME EXCITATION EXCITATION EStfrtfâïilËNTE Omnidirectionnel 35 cos G s m j2Jtf t e cos 960 311 j2TfDt 4j e sin 960 JC t £ cos 6031 t J2JTV 4j_ e sin 960JI t jt sin 60 JC t cos 2JtfDt. cos 9603t. t 4 sin 23tf.~t.sin 96051 t cos 60tt t 4 sin 2îtfr)t.sin 9603Et jt sin 607C t ./.. 69 15562 8 2009232 cos 3® 02*V -4j e sin cos 960 Tî t 180 H t 4 sin 3Jf 2Jff~t.sin 960JC t cos 180 JJ t sin 3 & j2*£Dt - 4i' e 3^1 sin sin 960 td t 180 311 4 sin 311 2 Jl fnt.sin 960 Jl t sin 180 ïït Les fonctions d'excitation "équivalentes" constituent la composante réelle des fonctions d'excitation exprimées à la deuxième colonne du tableau. 10 Le système d'aériens pour rayonner les diagrammes requis est illustré à la fig.2. Cependant les cadres A, B, C et D qui forment le réseau intérieur et sont comme représenté dans ce groupement peuvent être remplacés par un aérien à fente VOR classique qui rayonnerait les diagrammes sin? et cos& requis. 15 Le réseau extérieur en cercle de l'aérien est composé de 12 antennes Alford en cadre (afin d'éliminer une radiation polarisée verticalement, indésirable) situées sur un cercle dont la circonférence est égale à environ 3 longueurs d'onde. Les cadres 1,3,5,7?9 et 11 rayonnent la fonction (cos 3 0 ) tandis que 20 les cadres 2,4,6,8,10 et 12 rayonnent la fonction (sin 3& )s et le système de commande représenté facilite le rayonnement de signaux omnidirectionnels simultanément par les cadres A à D et 1 à 12. Avec la disposition décrite ci-dessus, les erreurs dues à l'emplacement du système d'émission sont réduites au moins 25 au niveau des erreurs des récepteurs classiques, et avec un système ayant un diamètre d'environ 3 mètres. BA° ORIGinal 69 15562 9 2009232 REVENDICATIONS 1.- Système de radionavigation omnidirectionnel remarquable en ce qu'un signal phase de référence, modulé en amplitude ou modulé en fréquence à une fréquence f^, est rayonné omnidirec- 5 tionnellement, tandis qu'un signal phase variable modulé en fréquence (lorsque ledit signal phase de référence est modulé en amplitude) ou modulé en amplitude (lorsque ledit signal phase de référence est modulé en fréquence) par un signal à onde de forme approximativement carrée est rayonné pour produire un champ tour- 10 nant, ledit signal phase variable étant modulé à une fréquence qui est dans un rapport fixe à ladite fréquence f^ 2.- Système de radionavigation omnidirectionnel selon la revendication 1, remarquable en ce que le signal phase variable est dérivé en émettant de chacun des réseaux d'une série de 15 réseaux d'antennes concentriques une composants différente des composantes de Fourier d'un signal modulé en onde carrée» 3.- Système de radionavigation omnidirectionnel selon la revendication 1, remarquable en ce que le signal phase variable est dérivé en émettant les deux premières composantes de Fourier 20 d'un signal modulé en onde carrée, la première composante étant émise par l'un de deux réseaux d'antennes concentriques, la seconde par l'autre de ces deux réseaux. 4.- Système de radionavigation omnidirectionnel selon la revendication 3, remarquable en ce que le réseau qui émet la 25 première composante de Fourier est constitué par un groupement carré de quatre antennes en cadre, tandis que le réseau qui émet la seconde composante de Fourier est constitué par un cercle extérieur de douze antennes en cadre. 5.- Système de radionavigation-omnidirectionnel selon 30 la revendication 3, remarquable en ce que le réseau qui émet la première composante de Fourier est constitué par un aérien à fente VOR classique. 6.- Système de radionavigation omnidirectionnel selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en 35 ce que le signal phase variable est modulé à ladite fréquence f1. 7.- Système de radionavigation omnidirectionnel selon l'une quelconcue des revendications précédentes, remarquable en ce crue le signal phase de référence est émis sous forme d'un si- . /... bad original 69 15562 10 2009232 gnal sinusoïdal de 30 Hz modulé en amplitude, tandis que le signal de la phase variable est émis sous forme d'un signal de 30 Hz à onde approximativement carrée modulé en fréquences la fréquence de la portevise du signal phase variable étant égale à la fréquence 5 de la porteuse du signal phase de référence plus (ou moins) 9960 Hz, afin d'obtenir l'effet d'une sous-porteuse de 9960 Hz lorsque le signal phase variable bat contre la fréquence de la porteuse du signal phase de référence, 8.- Appareillage destiné à produire un signal de 10 radionavigation omnidirectionnel, remarquable en ce qu'il comprend des moyens d'émission d'un signal phase de référence dont l'amplitude est modulée à une fréquence cies moyens pour émettre séparément au moins les première et seconde harmoniques de Fourier signal phase variable à onde carrée modulé en fréquence à ladite 15 fréquence f^s des moyens pour produire une composante de signal omnidirectionnel audit signal phase variable, et au moins deux réseaux d'antennes rayonnant chacun une harmonique différente du signal phase variable pour produire un champ tournant, le signal phase de référence étant émis par l'un de ces réseaux tandis que 20 la composante de signal omnidirectionnel du signal phase variable est émise par un autre de ces réseaux simultanément avec l'émission du signal phase variable» 9.- Appareillage selon la revendication 8, remarquable en ce que les moyens destinés à émettre les composantes harmoni- 25 ques de Fourier du signal à onde carrée modulé en fréquence comprennent des modulateurs équilibrés qui modulent les signaux d'entrée respectifs selon les fonctions de temps requises. 10.- Système de radionavigation omnidirectionnel remarquable en ce qu'un signal phase de référence modulé en amplitude 30 à une fréquence f1 est rayonné omnidirectionnellement et qu'un signal phase variable qui est modulé en fréquence par un signal à forme d'onde approximativement carrée est rayonné pour produire un champ tournant, ce signal phase variable étant modulé en fréquence à ladite fréquence f-,, le signal phase de référence modulé 35 en amplitude étant verrouillé en phase avec le signal phase variable, de sorte que des données de relèvement peuvent être dérivées de ces deux signaux à un récepteur par rapport à un point auquel ces signaux sont reçus exactement en phase. 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