Brevet FR2033297A1 — publié le 19701204

La présente invention concerne les balises de radionavigation. Dans la demande de brevet d'invention n 6932355 déposée le 23 septembre 1969 par la demanderesse, son a décrit l'utilisation des bali@es radio à réseau linéaire, dans lesquelles une source de fréquence radio est commutée à des éléments séparés afin de simuler un déplacenent à vitesse constante unidirectionnel de la source.Comme indiqué dans le brevet ci-dessus, le systène autorise des techniques de récepteur dans lesquelles l'onde directe peut Aetre filtre par rapport aux ondes réfléchies par les cbstacles par un procédé de filtrage de fréquence, à la suite de quoi les informations de direction peuvent en Aetre extraites avec une erreur minimale ceci l'effet des obstacles ou des signaux réfléchis par la terre. Le système décrit dans la demande de brevet ci-dessus présente, toutefois, l'inconvénient que de grands phénomènes transitoires de phase à fréquence radioentre des balayages linéaires successifs ne peuvent pas être évités pour toutes les positions du récepteur associé. Bien que les phénomènes transitoires de phase à fréquence radio, entre @es paquets d'ondes provenant d t antennes adjacentes, seraient en pratique évités par l'utilisation de paquets d'ondes se chevauchant,d'amplitude inégale, ceci est seulement réellement efficace jusqu'à des étapes maximales de phase du environ # 120 , La technique, dans tous les ouas, ne peut pas pourvoir l'étape intermédiaire de phase de toute valeur possible, entre les paquets d'ondes correspondant au rayonnement provenant des extrémités opposées du réseau linéaire Un problème semblable apparaît dans le système de communication télégraphique radio à décalage en fréquence, dans lequel la modulation de fréquence à onde rectangulaire est utilisée pour éviter les phénomènes transitoires à fréquence radio. Si deux sources de fréquence indépendantes sont mises en service alternativement, les phénomènes transitoires à fréquence radio se produisent en amenant le rayonnement total à occuper un très grand spectre de fréquence. Ainsi, dans la balise Doppler, a réseau linéaire, il est souhaitable d'éviter les grands phénomènes transitoires de phase et le grand spectre de fréquence qui surviendrait à partir de la commutation entre les antennes actives, largement espacées, telles que les deux antennes actives d'extrémité d'un réseau linéaire. Selon l'invention, il est propos une balise de radi@navigation caractérisée en ce qu'elle comporte - un réseau linéaire d'antennes régulièrement espacées 2 - des moyens pour commuter de l @ énergie à fréquence radi à chacune des antennes, successivement, afin d'engendrer un balayage bidirectionnel du réseau à vitesse constante ; - des moyens comportant une antenne supplémentaire pour rayonner de l'énergie à fréquence radio, à une fréquence qui diffère d'une quantité constante par rapport à la fréquence radio qui est commutée au réseau ; - des moyens pour changer le signe de la différence de fréquence, à chaque demipériode de commutation du réseau. Ainsi, afin d'éviter les inconvénients mentionnés précédemment de la balise balayée unidirectionnellement, la présente invention prop- se d'utiliser le balayage bidirectionnel du système d'antennes. Pour prendre un cas simple, si les antennes a, b, c, d, e sont montées en ligne régulièrement espacées dans cet ordre, le cycle de dommutation donnant un balayage bidirectionnel, à vitesse constante, serait : a, b, c, d, e, d, c, b, a, b, c, L'utilisation d'un réseau linéaire d'antennes régulièrement espacées, qui sont excitées séquentiellement pour simuler un déplacement à vitesse constante d'une source à fréquence radio, amène le signal rayonnant à subir un décalage de fréquence Doppler qui est variable en direction.De là, l'angle de glissement qui est déterminé à partir d'une antenne verticale et ltazimut qui est détermine à partir d'une antenne horizontale, sont codés chacun en fonction de la fréquence. Par l'utilisation d'une onde de référence, décalée en fréquence à partir de 11 onde commutée et rayonnée à partir d'une position déterminée, le déplacement de fréquence Doppler du signal commuté peut facilement hêtre détecté et mesuré avec précision par de simples procédés digitaux. il y a une immunité contre les effets des signaux réfléchis à partir d'un plan de terre imparfait qui, ayant un décilage de fréquence Doppler de sens opposé par rapport à celui de tonde directe, peuvent eAtre éliminés par une sélectivité de fréquence dans le récepteur. La simulation du déplacement est effectuée par la commutation d'une onde, successivement aux antennes séparées du réseau, l'excitation par des impulsions se chevauchant, de forme appropriée, permettant une progression régulière de phase du signal rayonné. Une telle variation régulire de phase est seulement possible quand la coottoutation se produit entre des antennes adjacentes. aussi le cycle de commutation est fait pour correspondre au déplacement de va et vient à vitesse constante. Ce processus attenue l'effet des phénomènes transitoires de phase, non souhaitables, de 11 onde commutée, mais implique une autre nouvelle procédure quand des directions opposées de balayage engendrent un déplacement de fréquence Doppler opposé du signal rayonné, et la fréquence de battement entre le rayonnement commuté et une onde de référence déterminée sterne entre deux valeurs séparées selon le zens du balayage. Cette difficulté est évitée en s'arrangeant pour rayonner une onde de ré férence qui alterne en fréquence entre deux valeurs pratiquement réparties audessus et au-dessous de la fréquence de l'onde- commutée, selon le sens du bala yage. Ainsi, le déplacement Doppler altem ant, à fréquence radio, est traduit en un déplacement unidirectionnel de la fréquence de battement entre les deux rayonnements. Une précaution supplémentaire est nécessaire : l'élimination des phénomènes transitoires de phase à fréquence radio quand tonde de référence varie brusquement en fréquence. Ainsi, dans la préselvGe invention, un balayage bidirectionnel à vitesse constante est utilisé et l'onde de référence, ou bien tonde commutée, ou bien les deux, sont décalées en fréquence selon la direction de balayage. Ceci évite tous les phénomènes transi toiles de phase marqués à fréquence radio, dans l'onde transmise, résultant d'une économie de largeur de bande de fréquence, mais réduit principalement-la largeur du spectre du signal réfléchi de terre, permettant ainsi un filtrage maximal possible du signal réfléchi de terre à partir du signal de trajet direct souhaité. Afin que les techniques de comptage digital soiont utilisées dans le récepteur associé pour la mesure de la fréquence de battement, on s'arrange pour que des trames successives de signaux (chaque trame étant une exploration bidirectionnelle du réseau) ne soient pas identiques, de telle sorte que le comptage ne sera pas digitalisé en étapes approchées dans des multiples exacts de la fréquence de commutation du réseau série. D'autres caractéristiques de liinvention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure 1 représente une balise de radionavigation ayant un réseau d'antennes, une antenne de référence, et un circuit schématique associé, à blocs, pour l'alimentation des antennes. La figure 2 représente une balise de terre, et la figure 3 un récepteur associé, constituant ensemble un équipement destiné à fonctionner sur une fréquence radio d'environ 1 GHz, afin d'avoir un système d'atterrissage avec une antenne verticale nlexcédant pas 9 mètres de hauteur. En se référant à la figure 1, au-dessus du plan de terre 1 se trouve une antenne de référence 2, placée à une hauteur telle au-dessus du plan de terre, et si nécessaire pourvue de contrepoids, que son signal est rayonné sur le volume de service total de la balise. il y a un réseau d'antennes qui comporte plusieurs éléments rayonnants, régulièrement espacés, dont certains sont représentés en 3,4,5 et 6 et qui sont empilés verticalement au-dessus du plan de terre 1. Chacun des éléments du réseau est connecté par un cible d'alimentation séparé, tel que 7, à un montage commutateur 8. L'énergie à fréquence radio appropriée traverse l'antenne de référence 2, et par l'intermédiaire du commutateur 8 se dirige vers le réseau d'antennes, à partir des points terminaux 9 et 10 qui sont explicités ci-après. Une fréquence radio F (par exemple 1 GHz) provenant d'une source à fréquence radio 11, est appliquée à un point terminal A et à chacun des deux modulateurs équilibrés 12A et 12B, chacun de ces deux modulateurs étant alimenté également par une première sortie d'une source 13 basse fréquence, de fréquence f, la phase d'une entrée du modulateur à basse fréquence étant en quadrature par rapport à la phase de ltautre entrée du modulateur. La sortie de chaque modulateur 12 délivre une double bande latérale ou paire de fréquences F + f, et F - f. Après un réglage correct de la pliasse relative à fréquence radio de ces sorties à double bande latérale, celles-ci sont appliquées aux coins opposés d'un pont 14, composé de trois bras de ligne de transmission de 1/4 de longueur d'onde et d'un bras de 3/4 de longueur d'onde, Dans ces circonstances, la sortie au point terminal B peut être entierement de fréquence F +f , et la sortie au point terminal C entièrement de fréquence F - f. Une seconde sortie de la source 13 de fréquence f, est soumisse à une division de fréquence par un nombre entier, par le diviseur d? fréquence 15. Par exemple, si f est de 4.000 hertz, elle peut être divisée par 20 pour obtenir une onde carrée de fréquence 200 hertz. Cette onde carrée est utilisée pour fonctionner sur un modulateur en anneau 16, alimenté par le signal entrée à 4.000 hertz du modulateur équilibré i2B, afin d'inverser sa phase à des instants espacés par 1/400ème de seconde.On s' arrange pour que la tension instantanée de l'onde à 4.000 hertz soit nulle aux instants de commutation, de telle sorte qu'aucun phénomène transitoire dtamplitude ne se présente. Exactement dix cycles complets de l'onde à 4.000 hertz traversent le modulateur à fréquence- radio pour chaque demi-periode de l'onde de commutation. Des impulsions de commutation antenne sont dérivées de l'onde de commu- tation à 200 hertz, de telle sorte que des demi-cycles séparés correspondent à un balayage synchrone du réseau d'antennes. Maintenant, en inversant la phase d'entrée d'un modulateur, de telle sorte quelle alterne entre + 900 et - 900 par rapport à l'autre, on alterne les bandes latérales choisies en B et C. Ainsi, bien que la sortie B alterne entre F-f et F+f, la sortie C alterne de manière synchrone entre F+f et F-f. Malgré cette alternance, ni la sortie B, ni la sortie C, ne présente de phéncmènes transitoires de phase à fréquence radio. La balise peut maintenant fonctionner selon l'une quelconque des manières suivantes 1/ Onde de référence d'antenne fixe provenant de A, connectée en 9 à la fréquence F ; rayonnement commuté soit à partir de B, soit à partir de C, connecté en 10 (alternance entre F-f et F+f). 2/ Onde de référence antenne fixe provenant de B ou de C,- connectée en 9; rayonnement commuté à partir de A connecté en 10. 3/ Onde de référence provenant de B connectée en 9.) alternance entre F-f et F+f ) ou onde commutée provenant de C connectée en 10, ) vice alternance entre F+f et F-f ) versa Le troisième montage doit être préféré étant donné qu'il implique le rayonnement de deux fréquences seulement, et qu'il évite la difficulté possible qui pourrait être provoquée par une interprétation différente de la phase des batte mentis entre F/F-f et F/F+f, un défaut qui pourrait survenir si le récepteur n'était pas accordé de manière précise. Le réseau d'antennes peut être monté dans un plan horizontal au lieu d'un plan vertical, ou bien peut être incliné. Le récepteur associé est monté de manière appropriée pour répondre à l'un choisi des trois montages de fonctionnement de balise, indiqués ci-dessus, et pour extraire les informations de navigation requises, par exemple l'angle d'atterrissage, à partir d'un réseau vertical, ou bien l'angle dtazimut, à partir dtun réseau horizontal. Si le troisième montage de fonctionnement est utilisé, le récepteur associé peut être approprié pour les techniques de conptage digital et ceci va autre maintenant décrit, En se référent à la figure 2, le signal de sortie d'une source à fréquence radio. 21, de fréquence F, est appliqué à un générateur 22 de bande latérale ayant des alimentations pour huit points de prise séparés 23, sur une ligne de transmission à fréquence radio 24, qui est une "stripline" ayant la forme d'un arc centré sur la borne d'entrée 25, les points de prise 23 étant espacés à des intervalles de 1/8ème de longueur de ligne de transmission. La ligne 24 est espacée par rapport à un plan de terre conducteur (non représenté) par un matériau non conducteur (non représenté) de constante diélectrique de quatre, de telle sorte que la longueur d'onde de la ligne est la moitié de la longueur d'onde d'espace libre. La source à fréquence radio 21 est appliquée au centre 25 d1un système connecté en étoile, de huit paires de dicdes 26, qui sont alimentées par les diverses prises 23, Sur la figure 2 seulement une telle paire de diodes 26 a été représentée, afin d'éviter la confusion sur le dessin. Des bras radiaux 27 sont prévus pour conduire par des impulsions de courant continu rappliquées aux j jonctions et entre les paires de diodes 26, de telle sorte qu'une succession d'impulsions provenant d'un distributeur approprié (qui sera décrit ultérieurement) est capable d'avancer la phase du signal de sortie à partir d'une extrémité de la ligne 24 par étapes de 450, bien que le signal de sortie de - l'autre- - extrémité de la ligne 24 est retardé eri phase corrélativement. De là, les deux sorties du générateur 22 -ccirrespondent aux bandes latérales su périeure et inférieure, produites digitalement, de la-source de fréquence radio. Par une mise en forme appropriée ciels impulsions de courant continu pour engendrer un chevauchement régulier dans le temps, les phénomènes transitoires de phase, dus aux étapes de 45 , peuvent être rendus insignifiants. Une rotation électronique de la répartition d'impulsions à 4 KHz engendre une bande latérale supérieure à F + 4 z et une latérale inférieure à F - 4 KHz. Une sortie-du générateur de bande latérale 22 est enyoyée à une antenne de référence déterminée 29, située au voisingage du niveau de terre 30, afin de rayonner sur le volume de service total requis. La seconde sortie est envoyée à un distribu-teur -électronique 31, avant douze points de sortie séparés 32, dont les sorties sont utilisées pour alimenter par l'intermédiaire de câbles d'alimentation 32, un système de douze antennes 34, qui constituent un empilagc vertical d'éléments uniformément espacés, de hauteur total d'environ 9 mètres. Le distributeur 31 est constitué par douze bras 35, connectés en étoile, contenant chacun unc diode (non représentée) qui peut être commutée, à son tour, pour délivrer une connexion à fréquence radio aux antennes correspondantes 34. Une suppression suffisante des pertes, à travers les diodes, dans leur état non conducteur, est aidée par un agencement additionnel de diodes (non représenté) à l'intérieur des éléments rayonnants, dont un est associé à chaque élément. Le distributeur d'antennes 31 est fait pour alterner le sens de rotation afin de provoquer une exploration en va et vient, pour simuler un déplacement de va et vient linéaire à vitesse constante, d'une simple antenne active, une oc ploration bidirectionnelle complète étant répétée à une fréquence de 8.000/22 hertz, soit 363,6 hertz. Le générateur de bande latérale 22 et le distributeur d'antennes 31, fonctionnent de manière synchrone, de telle sorte qu'au cours de chaque balayage vcrs le haut de la commutation d'antennes, le générateur de bande latérale tourne dans une direction et inverse son sens ce rotation au cours de chaque balayage vers le bas. Ainsi, la fréquence de battement entre les deux rayonnements, qui sont reçus par un récepteur mobile, subit un déplacement en fréquence Doppler unidirectionnel. Les circuits de commutation vont autre maintenant décrits. Une source de fréquence stable 36 dc 512 KEIz délivre deux signaux de sortie à cette fréquence. Un signal de sortie traverse un diviseur par deux 3t de la fréquence des impulsions pour obtenir des impulsions à 256 KHz, ces impulsions sont appliquées à un compteur réversible tournant 38, de 64 bits. A partir-de ce compteur on extraie une succession de huit impulsions, une impulsion pour chacun des huit secteurs des huits impulsions d'entrée, ou bien les trois bits binaires -correspondants du compteur 38. Le comptage, ou la rotation unidirectionnelle, se produisent à une fréquence de cycle de 4 KHz, et les impulsions successives provenant du compteur 38 sont utilisées pour actionner le générateur de bande latérale 22. L'autre sortie de la source de fréquence 36 est appliquée à un compteur tournant 39, de 32 bits, afin d'engendrer des impulsions à 16 KHz, et ces impulsions sont appliquées à un diviseur par deux 40 de la fréquence des impulsions, pour délivrer des impulsions de sortic à 8 KHz. Les impulsions de sortie, provenant du diviseur 40, sont utilisées pour faire fonctionner un compteur 41 de va et vient ou d'inversion à 12 positions de 22 bits, qui délivre dcs trames de 22 impulsions aux 12 sorties. Les impulsions de sortie provenant du compteur 41 sont utilisées pour provoquer une rotation de va et vient du distributeur d'an- tennes 31, pour l'exploration bidirectionnelle requise du reseau vertical d'antennes 34 à 363,6 hertz. Au point -milicÉ, en temps, de chaque impulsion provenant du compteur 41, qui correspond à l'antenne la plus basse du réseau.34, les impulsions sont extraites pour ltexploration à la fréquence de trame de 363,6 hertz, et appliquées à un circuit de commande 42 qui provoque une inversion du compteur 38, pilotant le générateur de bande latérale 22 aux flancs successifs positif et négatif des impulsions. De là, la rotation du générateur de bande latérale alterne avec le sens du balayage ou de 11 exploration du réseau d'antennes. Avec les processus de commutation qui ont été décrits jusqu'à maintenant les cycles d'exploration successifs sont identiques. Ceci résulte du comptage digital du spectre de battement reçu automatiquement, limité aux multiples exacts de la fréquence d1 exploration et le comptage de l'angle d'atterrissage correspond à des étapes digitales d'environ un degré. I1 est, en conséquence, nécessaire de décaler la phase de la fréquence produisant la bande latérale d'une petite quantité entre chaque balayage bidirectionnel du réseau. Ceci amène le compteur digital dans le récepteur à recevoir les informations Doppler sous la forme de trames successives contenant des cycles incomplets de fréquence de battement, mais dans des états de phase différents, successivement.Sous ces conditions, une simple période d'exploration bidirectionnelle ne se répète sous une forme identique qu'airés un grand nombre de périodes intermédiaires. Atours du nouveau groupe de périodes des nombreux balayages de réseau lantennes, le nombre de passages par zéro dans le récepteur est proportionnel au nombre de cycles complets de -la fréquence de battement, augmenté de toute fraction contenue dans un simple balayage. La précision de la mesure dépend du nombre d'étapes de phase nécessaires pour compléter un cycle total, et de là, pour redémarrer une répétition exacte dtun nouveau groupe de -périodes aussi, une information de précision élevée se "produit" à une fréquence réduite. Cette variation de phase, entre des explorations bidirectionnelles successives du réseau d'antennes est obtenue en prévoyant des cycles pour le compteur 38 dans le sens des aiguilles d'une montre, et en sens inverse, de durées légèrement inégales, de telle sorte qu'il y a une progression continue de son état au moment du commencement des balayages successifs du réseau. En conséquence, au commencement de chaque balayage, un comptage additionnel d 'und unité est ajouté au compteur précédent 39, utilisé pour l'extraqtjcn des impulsions de commutation d'antennes. Il en résulte une période de rayonnement à partir de l'antenne la plus basse 34, qui est de 1/64 inrérieure aux autres périodes de rayonnement, et les durées de formation des bandes latérales dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens inverse sont inégales. Le but de ceci est destiné à éviter une répétition exacte des signaux pour 64 périodes d'exploration, aussi un compteur digital du spectre de battement reçu est capable de fonctionner avec des étapes digitales réduites par le même facteur. De là, la précision des comptages correspond à de nouvellés étapes digitales correspondant à des incréments d'élévation d'environ une minute d'arc. Le récepteur de la figure 3 utilisé pour llinterprét.ation et l'affichage est de type classique comme le détecteur 50 d'enveloppe d'aiplitude, dont le signal de sortie représente le spectre de fréquence de battement extrait des rayonnements de référence et commuté. Les constantes choisies pour la balise de terre correspondent au spectre de battement centré sur 8KHz du réseau d'émission à grande ouverture qui est au niveau de terre, et on s'carrée pour que la fréquence de battement diminue pour des angles plus élevés d'élévation ce qui signifie que les réflexions de terre correspondent à des fréquences supérieures à 8 KHz.Ceci est obtenu par une exploration vers le haut avec la fréquence dè bande latérale inférieure et une exploration vers le bas avec la fréquence de bande latérale supérieure. Après le détecteur 50, du récepteur, il y a un filtre passe-bande 51 couvrant la gamme de 5 à 8 KHz, afin de sélectionner le signal de trajet direct, et de rejeter le signal fléchi de terre. Si le réseau vertical d'antennes à la balise de terre a unê hauteur égale à 30 longueurs d'onde, la bande de fréquence de battement de 5 à 8 Miz corres pond à une élévation nulle (pour 8 KHz) jusqu'à environ 80 pour Lez 5 KHz. Dans ces circonstances, un comptage de fréquence est linéaire entre 8 degrés et 2 degrés, et une information avec de bonnes tolérances est utilisable jusqutà un angle d'élévation de 1 degré. Une gamme supérieure de comptage linéaire d'angle d'élévation serait obtenue par l'utilisation d'un grand nombre d'éléments rayonnants dans le réseau. Après sélection de la gnmme de 5 à 8 KHz de la fréquence de battement, le signal est limité par un limiteur d'amplitude 52 et appliqué à un compteur de fréquence digital classique 53 pour obtenir un affichage alphanumérique, on bien peut être traité par un circuit détecteur différentiel 54 pour faire fonctionner un compteur 55, afin d'indiquer le sens et la valeur du départ , à partir d'un préréglage d'angle d'atterrissage choisi à 11 aide d'un potentiomètre 56. Un système approprié d'avertissement du type sémaphore peut être prévu pour éviter un comptage de faute, pour des gammes où une intensité de signal adéquate n'est pas disponible. Bien quc les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier cle réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Balise de radionavigation caractérisée en ce qu'elle comporte : - un réseau linéaire d'antennes, régulièrement espacées ; - des moyens pour commuter l'énergie à fréquence radio à chacune des antennes, en succession, afin d'engendrer un balayage du réseau bidirectionnel à vitesse constante ; - des moyens comportant une antenne supplémentaire pour rayonner l'énergie à fréquence radio, ,. une fréquence qui diffère d'une auantité déterminée de la fréquence radio qui est commutée au reseau; - des moyens pour changer le signe de la différence de fréquence pour chaque demi-période de commutation du réseau. 2. Balise de radionavigation selon la revendication 1 > caractérisée en ce que la différence de fréquence est un multiple entier de la fréquence de commutction d'exploration d'antenne. 3. Balise de radionavigation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la fréquence radio commutée est constante, et en ce que la fréquence rayonnée par 11 antenne supplémentaire varie selon lc double de la quantité déterminée pour chaque demi-période de commutation. 4. Balise de radionavigation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fréquence rayonnée par l'antenne supplémentaire est constante et en ce que la fréquence radio commutée varie selon le double de la quantité déterminée pour chaque demi-période de commutation. 5 Balise de radionavigation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fréquence radio commutée et la fréquence rayonnée par l'antenne supplémentaire, sont interchangées à chaque demi-période de commutation. 6. Balise de radionavigation selon la revendication 5, caractérisée en ce quelle comporte des moyens pour provoquer une variation de phase de l'énergie commutée, à fréquence radio, entre chaque balayage bidirectionnel successif du reseau; et en ce que les variations de phase successives sont d'amplitude égale et de même direction, de telle sorte que la mAeme relation de phase se répète à des intervalles correspondant à plusieurs explorations. 7. Balise de radionavigation selon la revendication 1, caractérisée en ce qulil y a une période égale de rayonnement de l'énergie à fréquence radios commu- tee à partir de chacune des antennes du réseau. 8. Balise de radionavigation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la période de rayonnement de l'énergie fréquence radio, commutée à partir de l'antenne située à une extrémité du réseau est différente es périodes de rayonnement du reste du réseau ces dernières périodes étant égales. 9. Balise de radionavigation selon la revendicationl,caractérisée en ce que le réseau est vertical.