Brevet FR2043553A1 — publié le 19710219

?û 18176 -1- 2043553 La présente invention concerne les systèmes radio-électriques de guidage de l'atterrissage des aéronefs dans lesquels les signaux de guidage émis sont modulés de telle manière qu'un récepteur approprié puisse distinguer les produits d'inter-corrélation 5 dont les amplitudes relatives varient lorsque le récepteur est déplacé d'un côté à l'autre de la trajectoire de. guidage désirée. le brevet français U° 1 580 105 décrit et revendique de tels systèmes et, en particulier, des dispositifs applicables au guidage en azimut des systèmes d'atterrissagçkux instruments, 10 couramment appelés des systèmes ILS. la présente invention concerne un perfectionnement à ces dispositifs et sera décrite ci-après à titre d'exemple dans une application aux circuits de guidage en site d'un système ILS. Dans le brevet français précité, on envisageait un grand 15 nombre de formes différentes de signaux de modulation, parmi lesquels des impulsions de formes appropriées ou des signaux de bruit thermique. Dans la présente invention, l'installation émettrice d'un système d'atterrissage aux instruments comprend deux antennes espacées et un appareillage permettant de.leur appliquer des signaux 20 qui sont modulés par deux formes d'ondes distinctes mais interdépendantes, elles-mêmes modulées en fréquence, de façon que les signaux rayonnés par les deux antennes produisent à la réception au moins deux produits d'inter-corrélation distincts dont l'amplitude est égale au point de réception situé sur la trajectoire 25 de guidage désirée et dont l'amplitude varie différentiellement lorsque le point de réception se déplace d'un côté à l'autre de la trajectoire de guidage. • On a découvert que la bande de. transmission nécessaire à l'obtention d'une précision de guidage et d'une immunité aux erreurs 30 par réflexion données, peut être plus étroite lorsque les signaux de modulation formant les produits d'inter-corrélation sont des formes d'ondes modulées en fréquence que la bande de transmission nécessaire à l'obtention d'une précision et d'une immunité similaires par d'autres formes de modulation. De plus, l'emploi de formes 35 d'ondes modulées en fréquence augmente le rendement global du système, c'est-à-dire que la puissance utile du s'ignal reçu en un point donné est une proportion plus élevée de la consommation totale 18176 -2- 2043553 de puissance de l'installation émettrice. L'installation de la présente invention peut comprendre un appareillage alimentant la première antenne avec un premier signal porteur modulé par un premier signal de modulation et un appareil-5 lage alimentant la seconde antenne avec un second signal porteur modulé par un second signal de modulation et un troisième signal de modulation, le second signal de modulation étant une forme d'onde modulée en fréquence elle-même modulée par vin premier signal audiofréquence prédéterminé. Le premier signal de modulation est la même 10 forme d'onde modulée en fréquence retardée d'une première durée prédéterminée, alors que le troisième signal de modulation est la même forme d'onde modulée en fréquence retardée d'une seconde durée prédéterminée et modulée en amplitude par un second signal audiofréquence prédéterminé. 15 Les fréquences porteuses sont de préférence choisies de ma nière que leur différence soit située dans la bande 328 à 335 mégahertz. Pour l'installation de guidage en site, on préfère utiliser une porteuse hyperfréquences. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven-20 tion ressortiront au cours de la descriptioi/qui va suivre,faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de .réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins : 25 la figure 1 est une représentation schématique en perspective de la disposition des antennes de guidage en sito&'une installation ILS; la figure 2 est une vue en élévation de ces mêmes antennes ; la figure 3 est un schéma synoptique de l'appareillage 30 d'émission ; la figure 4 est un schéma synoptique du récepteur utilisant les signaux émis par les circuits de la figure 3 ; la figure 5 est un schéma synoptique d'un appareil de contrôle associé à l'émetteur de la figure 3 ; 35 les figureô 6 et 7 sont des schémas de diverses formes de réceptèurs associés à des variantes de l'installation émebtrice. Là figure 1 représente schématiquement et sans échelle deux 18176 -3- 2043553 antennes émettrices TA1 et TA2, constituées chacune par un cornet d'émission et un réflecteur cylindro-parabolique, montées sur un même mât à une distance latérale de sécurité D de l'axe d'une piste d'aérodrome R. L'antenne TA1 est montée à proximité de la base du mât 5 et l'antenne TA2 est montée à une hauteur 2d au-dessus de l'antenne TA1. La figure 2 représente une coupe parallèle à l'axe de la piste R, sur laquelle la ligne L représente le niveau du sol et l'axe en trait mixte GP représente le plan trajectoire de descente idéal d'un aéronef en approche pour atterrir sur la piste R de la figure 1. 10 Les antennes émettrices TA1 et TA2 sont de préférence disposées de manière que la trajectoire de détente GP soit la médiatrice de la droite qui relie leurs centres. La trajectoire de descente GP est généralement inclinée d'environ trois degrés par rapport à l'horizontale. Dans la pratique, la distance D peut être de l'ordre de 15 150 m et la hauteur 2d de l'ordre de 9 m. La figure 3 est un schéma synoptique de l'installation émettrice alimentant les antennes IA1 et IA2 qui comprend des générateurs de signaux 1 et 2 délivrant respectivement à un mélangeur 3 des signaux à 4000 mégahertz et à 330 mégahertz. Deux autres géné-20 rateurs de signaux 4 et 5 appliquent des signaux à 1 mégahertz et à 1000 mégahertz à un modulateur de fréquence 6. Un convertisseur élévateur à varactor 7 reçoit directement les sorties du générateur 1 et du modulateur de fréquence 6. Un autre convertisseur élévateur à varactor 8 reçoit directement les signaux de sortie du mélangeur 25 3 et,à travers un dispositif de retard 9 la sortie du modulateur de fréquence 6. L^feortie du convertisseur élévateur 7 est appliquée à travers un amplificateur de réglage d'amplitude 10 à un modulateur d'amplitude 11 et également à travers un dispositif de retard 12 et un autre amplificateur de réglage d'amplitude 13 à un modulateur 30 d'amplitude 14. Un générateur de modulation ILS 15 est connecté de manière à appliquer des signaux à 90 hertz à l'entrée de modulation du modulateur 11 et des signaux à 150 hertz à l'entrée de modulation du modulateur 14. Les sorties des modulateurs 11 et 14 sont reliées à un amplificateur à tube à ondes progressives (TOP) 16 et la sortie 35 du convertisseur élévateur 8 est appliquée à un autre ampliticateur à TOP 17. La sortie de l'amplificateur à TOP 16 alimente le cornet rayonnant de l'antenne émettrice inférieure TA1, alors que la sortie 70 18176 _4_ 2043553 de l'amplificateur à TOP 17 alimente le cornet rayonnant de l'antenne émettrice supérieure TA2. Lorsque l'émetteur fonctionne, le modulateur de fréquence 6 produit des signaux modulés en fréquence variant autour d'une 5 fréquence centrale de 1000 mégahertz avec une excursion maximale de + 100 mégahertz, excursion qui est commandée par le signal à 1 mégahertz issu du générateur 4. La sortie modulée en fréquence du modulateur 6 est combinée dans le convertisseur élévateur 7 avec la sortie de signal à 4000 mégahertz du générateur 1 pour pro-10 duire une sortie modulée en fréquence autour d'une fréquence centrale de 5000 mégahertz. Le signal à 5000 + 100 mégahertz est modulé en amplitude par une fréquence de modulation de 90 hertz dans le modulateur d'amplitude 11 et par une fréquence de modulation de 150 hertz dans le modulateur d'amplitude 14, mais étant 15 donné le retard introduit par le dispositif 12, ce signal modulé à 150 hertz est retardé de 2t^ par rapport au signal modulé à 90 hertz. Les deux signaux modulés en amplitude ainsi obtenus sont ensuite combinés dans l'amplificateur 16 et rayonnés par l'antenne TA1. 20 En même temps, le convertisseur élévateur 8 reçoit un signal à 4330 mégahertz du mélangeur 3 et le combine avec la sortie retardée du modulateur de fréquence 6 pour produire une nouvelle sortie modulée en fréquence autour d'une fréquence centrale de 5300 mégahertz,, sortie qui est amplifiée par l'amplificateur 17 et rayonnée 25 par l'antenne supérieure TA2. La figure 4 représente schématiquement le récepteur qui est monté à bord d'un aéronef pour utiliser les signaux de guidage émis par l'installation des figures 1, 2 et 3. Ce récepteur comprend une antenne hyperfréquences, qui est de préférence un cornet 20, un mé-30 langeur 21, un pré-amplificateur 22 et les circuits classiques 23 d'un récepteur d'un plan de détente ILS. Cet équipement monté à bord d'un aéronef approchant de l'installation de guidage de la trajectoire de descente reçoit par son antenne cornet 20 les signaux modulés en fréquence à 5330 + 100 mégahertz de. l'antenne TA2 et les signaux 35 modulés en fréquence à 5000 + 100 méhagertz de l'antenne TU, ces derniers portant les modulations à 90 et 150 hertz. Ces signaux modulés en fréquence sont combinés dans le mélangeur 21 pour produire 70 18176 -5- 2043553 des signaux de corrélation à une fréquence de 330 mégahertz portant les modulations à 90 et 150 hertz. Ces signaux ressemblent aux signaux de plan de descente d'un système US classique, car la relation entre les amplitudes des modulations à' 90 et 150 hertz est 5 fonction de l'écart du récepteur par rapport au plan de descente idéal. Après amplification dans le pré-amplificateur 22, ces signaux sont appliqués aux entrées d'un récepteur"classique de plan de descente ILS donnant une indication de la position de l'aéronef par rapport au plan .de descente théorique. 10 L'émetteur (figure 3) est réalisé de manière que si les dis positifs de retard.9 et 12 introduisaient des retards nuls, les trajets de signaux de la sortie du modulateur 6 à l'une ou l'autre des antennes émettrices soient d'égale longueur électrique ; ceci revient à dire que les signaux seraient également retardés si les 15 dispositifs 9 et 12 n'introduisaient pas respectivement des retards t et 2tQ. Si cet équilibre ne peut pas être totalement obtenu, il est possible de compenser l'installation en agissant sur les retards introduits par les dispositifs 9 et 12. Le retard 2t du dispositif 12 et la séparation des antennes déterminent la sensibilité des indi-20 cations de déviation fournies par le système, tandis que la valeur relative du retard tQ introduit par le dispositif 9 détermine la pente du lieu des points où les modulations à 90 et 150 hertz sont reçues avec des amplitudes égales (c'est-à-dire du lieu des points pour lesquels la différence de profondeur des modulations à 90 et 25 150 hertz est nulle). Ce lieu doit coïncider avec la trajectoire de descente idéale et le retard t0 du dispositif 9 sera de préférence fixé exactement à la moitié du retard 2t0 du dispositif 12 pour que ce lieu soit (en élévation verticale) la médiatrice de la ligne joignant les centres des deux antennes. 30 Les valeurs des retards tQ et 2t0 nécessaires à l'obtention d'une sensibilité donnée dépendent de la séparation 2d des antennes émettrices, ainsi que de la largeur de bande et de la distribution spectrale de la forme d'onde de modulation. Lorsque la modulation de fréquence est commandée par une sinusoïde pure, la sensibilité 35 optimale: pour, un plan d'approche classique à 3° est obtenue en prenant t = 1 ^ n » Af étant l'excursion maximale de la 0 (2d) (Af) . 18176 -6- 2043553 forme d'onde modulée en fréquence et la séparation 2d des antennes étant exprimée en mètres. Dans l'exemple choisi, 2d est 9»15 mètres O. et Af est 10 hertz (100 mégahertz), la valeur optimale de 2tQ est par conséquent d'environ 5 nanosecondes. D'autres combinaisons 5 sont possibles en faisant varier à la fois 2t^ et 2d en raison inverse de la variation de largeur de bande de la forme d'onde de modulation* L'équation ci-dessus n'est qu'une approximation valable pour une gamme de combinaisons pratiques comprenant l'exemple spécifique décrit. Les relations entre les divers paramètres mis en jeu 10 par ces formes de l'invention et par d'autres formes possibles sont décrites plus en détail dans le rapport technique ît° 68280 du Royal Aircraft Establishment. Du point de vue de la sécurité, il est extrêmement souhaitable de pouvoir contrôler la précision des signaux de guidage émis 15 par l'installation. Dans les systèmes ILS classiques, un tel contrôle n'est pas facile à réaliser car les signaux de guidage dépendent des propriétés directionnelles, des antennes utilisées et ne peuvent être vérifies qu'en des points situés à une distance considérable en face des antennes ; de plus, il est évidemment impossible 20 de disposer des sondes de contrôle sur ou à proximité de la trajectoire de descente elle-même. Un avantage des systèmes de guidage à corrélation de signaux . tels que ceux décrits dans le brevet français précité N° 1 580 105 et tels que les systèmes décrits plus haut, est que la précision du 25 guidage peut être contrôlée de manière efficace par un appareil installé de manière fixe à proximité des antennes ..émettrices. Cet avantage est dû.au.fait que dans les système^Le guidage à corrélation de signaux, le guidage dépend des retards de phases appliqués aux signaux de modulation de l'émetteur et de la diffé-30 rence des temps de transit des signaux des deux antennes au récepteur. Les temps de transit étant des fonctions sensiblement fixes de la position du récepteur ne sont pas sensiblement affectés par les conditions de propagation et par l'alignement des antennes. Il suffit donc de contrôler les signaux rayonnés par chaque antenne 35 à proximité de ces dernières, ce qui peut être fait de manière simple par une sonde montée sur le réflecteur de chaque antenne, les deux sondes étant reliées par des guides d'ondes :de longueur 18176 -7- 2043553 électrique égale à un appareil récepteur. La figure 5 représente un tel dispositif de contrôle utilisant des sondes P1 et P2 respectivement montées sur les réflecteurs des antennes TA1 et TA2 et des guides d'ondes ¥1 et ¥2 re-5 liant respectivement les sondes P1 et P2 à un mélangeur M d'un récepteur de contrôle MR qui comprend également un préamplificateur A et un récepteur ILS classique RX. Lorsque l'installation émettrice est en service, les sondes P1 et. P2 prélèvent des échantillons des signaux rayonnés et les 10 transmettent respectivement par les guides d'ondes W1 et ¥2 au récepteur de contrôle MR. Le récepteur MR agit sur ces signaux exactement de la même manière que le récepteur de la figure 4 décrit précédemment. Si les guides d'ondes ¥1 et ¥2 sont exactement de même longueur électrique et si l'émetteur fonctionne directement, 15 le récepteur EX doit indiquer une différence nulle de profondeur de modulation, c'est-à-dire qu'en fait il doit fournir la même indication qu'un récepteur de bord placé dans le plan de descente idéal. Si les longeurs des guides d'ondes ¥1 et ¥2 sont rendues légèrement différentes, par exemple en interposant une ligne à 20 retard en série avec l'un des guides d'ondes, le récepteur RX doit produire une indication de différence de profondeur de modulation qui peut servir de contrôle de la sensibilité des signaux de guidage. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-25 dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra y apporter toutes variantes rentrant dans son cadre et son esprit. Par exemple, les fréquences.porteuses centrales des signaux émis peuvent être différents de 5000,et 5330 mégahertz, bien qu'elles doivent se situer dans diverses fréquences internationales 30 affectées aux aides à la navigation, eir leur différence doit de préférence être l'une des fréquences attribuées par convention au guidage du plan de descénte, de façon qu'un récepteur classique ILS puisse être utilisé comme décrit précédemment. Le signal commandant l'excursion de la forme d'onde modulée en fréquence n'est pas né-35 cessairement une sinusoïde à 1 mégahertz, mais peut être n'importe quel signal ne contenant pas de fréquence inférieure à la largeur de bande des circuits de plan, de descente d'un récepteur ILS. 18176 -8- 2043553 Par exemple, il peut être avantageux de remplacer l'oscillateur 4 par une source de bruit reliée au modulateur 6 par l'intermédiaire d'un filtre passe-haut qui bloque toutes les fréquences inférieures à 300 kilohertz. Il est conseillé d'éviter les basses fréquences de 5 modulation pour s'assurer que le récepteur IIS (tel que 23 sur la figure 4) n'est pas influencé par les bandes latérales de modulation mais uniquement par leur produit d'inter-corrélation. Un autre perfectionnement peut consister à utiliser des circuits de stabilisation de l'amplitude du signal pour régler le gain des amplificateurs 10 10 et 13. On peut utiliser des fréquences porteuses dont la différence est très inférieure à 330 mégahertz pour réduire la largeur de bande utiliséepar les signaux de guidage.- Par exemple, le générateur de signal 2 de la figure 1 peut délivrer des signaux à 20 mégahertz au 15 lieu de 330 mégahertz, c'est-à-dire que les fréquences porteuses émises seront de 5000 mégahertz et 5020 mégahertz. Le récepteur doit être modifié en conséquence, par exemple comme illustré à la figure 6. La figure 6 représente une variante de récepteur constituée par une antenne cornet 20 et un. mélangeur 21 comme dans le cas de 20 la figure 4, mais appliquant un signal à 20 mégahertz au préamplificateur 30. Un oscillateur local 31 et un circuit mélangeur 32 permettent de transformer la fréquence de sortie du préamplificateur en une fréquence normale de plan de descente acceptable pour un récepteur ILS normal 23. 25 En variante, le générateur de signal 2 de l'émetteur (figure 1) peut être réalisé pour fournir des signaux à l'une des fréquences-intermédiaires d'un récepteur ILS classique, le récepteur étant modifié comme à la figure 7. Sur cette figure, il comprend une antenne cornet 20 et un mélangeur 21 comme à la figure 4 et à la figure 6, 30 la sortie alimentant un préamplificateur 35 qui est accordé à la fréquence intermédiaire choisie. La sortie du préamplificateur est ensuite appliquée à l'étage correspondant de fréquence intermédiaire d'un récepteur ILS normal 23. Le retard tQ du dispositif 9 n'est pas nécessairement exac-35 tement égal à la moitié du retard 2t0 du dispositif 12 : si t0 est supérieur à la moitié de 2t0, le lieu équisignal (trajectoire de guidage) devient hyperbolique en se rapprochant de l'antenne qui émet le signal retardé de tQ. 18176 -9- 2043553 . - REVENDICATIONS - 1. Installation d'émission pour système d'atterrissage aux instruments, caractérisé en ce qu'elle comprend, deux antennes espacées et des moyens d'appliquer à ces antennes des signaux modulés 5 par deux formes d'ondes modulées en fréquence distinctes mais interdépendantes, de façon que lesdits signaux soient rayonnés par les deux antennes et produisent à la réception au moins deux produits d'intercorrélation distincts dont les amplitudes sont égales en des points de réception situés sur une trajectoire de guidage 10 idéale et varient différentiellement lorsque le point de réception se déplace d'un côté à l'autre de ladite trajectoire de guidage. 2. Installation d'émission pour système d'atterrissage aux instruments, caractérisée en ce qu'elle comprend deux antennes espacées, des moyens d'appliquer à la première antenne unppremier si- 15 gnal porteur modulé par un premier signal de modulation et des moyens d'appliquer à la seconde antenne un second signal porteur modulé par un second signal de modulation et un troisième signal de modulation, le second signal de modulation étant une forme d'onde modulée en fréquence et modulée en amplitude par un premier signal 20 audio-fréquence prédéterminé, le premier signal de modulation étant la même forme d'onde retardée d'une première durée prédéterminée, le troisième signal de modulation étant la même forme d'onde modulée en fréquence retardée d'une seconde durée prédéterminée et modulée en amplitude par un second signal audio-fréquence prédéterminé. 25 3. Installation d'émission selon la revendication 2, carac térisée en ce que la différence des fréquences du premier signal porteur et du second signal porteur est comprise dans une gamme allant de 328 mégahertz à 335 mégahertz. 4. Installation d'émission selon l'une quelconque des reven-30 dications 1, 2 et 3, caractérisé^én ce qu'elle comprend une première entrée de contrôle disposée à proximité de la première antenne, une seconde entrée de contrôle disposée à proximité de la seconde antenne et un récepteur de contrôle auquel sont reliées les deux entrées précédentes, de façon à contrôler les produits d'inter-corré-35 lation formés par le mélange hétérodyne des signaux rayonnés par la première antenne avec les signaux rayonnés par la seconde antenne. 18176 -10- 2043553 5. Installation d'émission selon la revendication 4» caractérisée en ce que le récepteur de contrôle comprend un dispositif destiné à retarder sélectivement les signaux l'un par rapport à l'autre avant de procéder au mélange hétérodyne. 5 6. Installation d'émission selon l'une quelconque des reven dications 1 à 5» utilisée pour le guidage par rapport au plan de descente d'un système d'atterrissage aux instruments, caractérisée en ce que l'une des antennes est montée sensiblement au niveau du sol et l'autre de façon que la trajectoire de descente idéale soit 0 parallèle à la médiatrice de la ligne qui réunit les centres des deux antennes.