Brevet FR2049187A1 — publié le 19710326

La présente invention se rapporte d'une façon générale à la localisation d'une position, et plus particulièrement à un procédé et à un dispositif de localisaÇfon/îf^un endroit déterminé. Bien que ce procédé et ce dispositif soient tous deux sus-5 ceptibles d'applications plus générales, ils sont particulièrement utiles pour la prospection pétrolière en mer où il est très important qu'un endroit déterminé soit identifié avec beaucoup.de précision. Pour une opération telle que la recherche de pétrole au large des côtes les deux stations émettrices seront basées sur le 10 rivage alors que la station réceptrice se trouvera à bord d'un navire pouvant se diriger vers l'endroit exact recherché. De nombreux systèmes de comparaison de phases ou de temps ont été mis au point pour la localisation d'un endroit ou d'un point et se trouvent actuellement en service. Les uns sont basés 15 sur le principe du radar où est utilisée une technique exploitant l'écho ou le retour d'un signal; d'autres sont basés sur le principe du " loran" où l'on utilise la réception puis la réémission d'un signal. Grâce à la grande stabilité de l'horloge atomique dont la ^12 —1*3 20 précision est de l'ordre de 10 ou 10 , une synchronisation continue entre les stations n'est plus nécessaire après que la synchronisation initiale entre les trois horloges atomiques a été réalisée ou que les relations initiales phase-temps entre les trois horloges atomiques ont été établies. 25 La fréquence d'une horloge atomique est fonction des vibra tions des particules atomiques ou des molécules, et de ce fait, reste constante. Sa précision est environ 100 à 1 000 fois plus grande que celle d'une horloge à quartz dont la fréquence varie au cours du temps. Grâce à la constance de la fréquence d'une horloge 30 atomique, un système nouveau et original permettant la localisation d'un point a été découvert. L'objet principal de cette Invention est de fournir pour la localisation d'un endroit ou d'un point un procédé et un dispositif où trois horloges atomiques ou leur équivalent sont employées pour 35 fournir des signaux de fréquence constante, dont les relations réciproques entre phases sont connues. Les signaux captés sont alors convertis en distances pour la détermination des différences de phases de plusieurs signaux d'horloges atomiques. Un autre but de cette invention est de fournir un système 40 de localisation pour lequel aucune synchronisation continue entre 70 21975 2 2049187 stations n'est nécessaire une fois la synchronisation initiale réalisée ou les relations entre phases des horloges atomiques ôtc. blies. Un autre intérêt de cette invention est de fournir un 5 procédé et un système de localisation pour lesquels les transmissions de signaux se font dans un seul sens sans requérir un écho et/ou une réémission. Un autre objet de cette invention est de fournir un système de localisation où des horloges atomiques ou leur équivalent 10 sont employées pour fournir des signaux dont les relations réciproques entre phases sont connues, ainsi que des signaux d'impulsions dont les relations de temps réciproques sont connues, afin d'obtenir des renseignements de position respectivement précis et approchés. 15 Un autre objet de l'invention est de réaliser un émet teur radio adapté à un système de localisation très précise. Un autre objet de l'invention est de réaliser un récepteur radio et une station réceptrice adapée à un système de localisation. 20 D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue schématique illustrant l'gpplica-du procédé et du dispositif selon l'invention; 25 la figure 2 est un schéma d'un exemple de réalisation des stations émettrices du système; la figure 3 est un schéma d'un exemple de réalisation -fes stations réceptrices du système , et la figure 4 comprenant les figures 4A et 4B est un sohê-30 ma plus détaillé d'une partie d'une station réceptrice-type, Isa deux planches portant la figure 4 devant être placées bout à bout pour reconstituer un ensemble complet. En référence à la figure 1, un système conforme à l'invention comprend une station émettrice A, située en un point connu, 35 une station émettrice B, située en un point connu, A et B se trouvant sur un axe de référence connu Rbase> ainsi jiu'une station réceptrice C dont la position inconnue, est prise comme position à localiser. . Les deux stations A et B, ici supposées situées sur le 40 rivage., sont représentées de manière plus détaillée sur la figure 2. BAD ORIGINAL 70 21975 3 2049187 Toutes deux sont identiques, la seule différence essentielle étant que les deux stations émettent des fréquences RF différentes. L'horloge atomique 10 fournit un signal de haute fréquence, (9 GHz par exemple) qui est utilisé de deux façons. Le signal 5 haute fréquence est envoyé dans le synthétiseur de fréquences 11 où sa fréquence est réduite à un niveau choisi dans un intervalle adéquat pour pouvoir être émis sur une distance pouvant atteindre 160 km par exemple, et pour que la précision de la détermination de la phase soit suffisante. Cet intervalle peut s'étendre, par 10 exemple, de 1,0 à 5,0 MHz environ. Le synthétiseur de fréquences 11 transforme le signal haute fréquence de l'horloge 10 en un signal dont la fréquence se situe dans l'intervalle inférieur (1,0 à 5,0 MHz) tout en conservant la stabilité de l'émission initiale de l'horloge 10. Le signal de sortie du synthétiseur de fréquences 15 11, très précis quant à ses caractéristiques de phase et de fréquence, est envoyé dans le synthétiseur excitateur 12 où il est amplifié suffisamment pour convenir à l'émetteur radio à grande stabilité 13. L'émetteur radio 13 est muni d'une' antenne qui émet un signal de fréquence radio de fréquence donnée dans l'intervalle 20 choisi, et de phase et fréquence bien précises. Ainsi, la stabilité et la précision de l'horloge 10 sont préservées et se retrouvent dans le signal émis. D'autre part, le signal haute fréquence de 1,'horloge 10 est aussi envoyé dans le synthétiseur de fréquences 14 où il est 25 converti en un signal donné de l'intervalle adéquat dont il est question ci-dessus, de 1,0 à environ 5,0 MHz par exemple. Le synthétiseur de fréquences 14, comme le synthétiseur de fréquences 11, conserve la précision et la stabilité de l'horloge 10 dont les qualités se retrouvent aussi dans son signal de sortie, qui est 30 appliqué en tant que signal de synchronisation à l'horloge à impul sions 15. Celle-ci produit un train d'impulsions très précisément espacées entre elles. Les intervalles entre les impulsions peuvent être de 10 secondes par exemple. Les impulsions de la source 15 sont appliquées au modulateur d'amplitude 16, qui, lui, a pour objet de moduler l'émetteur 35 13. Les modulations d'impulsions des stations émettrices A et B (figure 1) sont exploitées dans une station réceptrice mobile C (figure 1 pour donner des résultats approchés sur la position, 40 alors que les relations entre phases des signaux de fréquence ra 70 21975 4 2049187 dio des stations émettrices sont exploitées pour fournir des données plus précises.; Le signal issu de l'émetteur radio 13 de la station A (figure 1) est capté par le récepteur 17 (figure 3) alors que le 5 signal issu dé l'émetteur radio 13 de la station B (figure 1) est capté par le récepteur 18 (figure"3). Les signaux de sortie de fréquence radio issus respectivement des récepteurs 17 ou 18 sont envoyés respectivement dans les unités de détermination de phase 20 et 21, chacune comparant la phase des signaux respectifs de fré-10 quence radio avec la phase des signaux de fréquence radio issus des synthétiseurs de fréquences 29 et 31 dont les entrées respectives sont couplées à l'horloge atomique 19. Le-s différences des phases, converties en signaux digitaux, A phase A et A phase B, représentatifs de différences de pha-15 ses , sont introduites dans le calculateur de distance 24 appartenant à la section calcul 27 du système et transformées en deux signaux de distance fournissant des données précises de distance à l'intérieur d'une zone équiphase particulière de 250 m. de large par exemple. Dans ce cas, chaque dègré de rotation relative de 20 phase représente 0,6m. Evidemment, les signaux de sortie des unités de détermination de phases 20 et 21 ne donnent pas une indication de zone d1équiphase. Chacun des récepteurs 17 et 18 est muni de démodulateurs d'amplitude, non représentés, qui fournissent des signaux d'impul-25 sions envoyés respectivement dans les comparateurs d'impulsions 23 et 22. Ceux-ci comparent le temps d'arrivée de chacune des impulsions avec le temps d'arrivée des impulsions faisant partie d'un train d'impulsions envoyé dans chacun d'entre eux depuis le synthétiseur de fréquences et l'horloge à impulsions 41 dont le 30 signal d'entrée provient de l'horloge atomique 19. Les comparateurs d'impulsions fournissent les signaux de sortie digitaux de distances approchées et RAC; ceux-ci sont alors envoyés dans le calculateur de distance 24 dont le signal de sortie est injecté dans le calculateur de position 25, lequel fournit les signaux de sor-35 tie RqA et RqB qui représentent les distances précises séparant la station C des stations A et B. Le calculateur de position 25 déclenche le stockeur-af-ficheur de position 26 qui traduit les distances aux stations cô-tières A et B en une position précise et ceci pour tout système 40 choisi de coordonnées. 70 21975 5 2049187 Les signaux R^B peuvent être soit digitaux, soit analogiques, et le stockeur-afficheur de position peut être digital^ analogique, ou mixte. L'horloge atomique 10 délivre un signal de sortie pério-5 dique t^ que l'on utilise pour synchroniser le calculateur 27,comme il est montré sur la figure ; pour cela, généralement, on utilise les signaux d'entrée t que fournissent des circuits de "décompte" ne figurant pas sur le schéma, ces mêmes circuits étant actionnés par le signal périodique t1. Selon une variante le signal de ré-10 férence t^ peut directement alimenter le calculateur 27,pourvu que celui-ci contienne des circuits de "décompte" appropriés. La figure 4 illustre de façon plus détaillée l'appareillage employé dans la station en mer quand on utilise le système pour localiser une position en mer. 15 Les unités de détermination de phase 20 et 21 de la fi gure 3 sont représentées sur la figure 4 comme faisant partie des comparateurs de phase 30 et 32. Les synthétiseurs de fréquences 33, représentés sur la figure 4 correspondent aux synthétiseurs de fréquences 29 et 31 20 de la figure J>, le synthétiseur de fréquences-horloge à impulsions 42 correspond au synthétiseur de fréquences-horloge à impulsions 41 de la figure 3. Dans l'exemple illustré sur la figure 4, la, fonction des deux comparateurs d'impulsions 22 et 23 de la figure 3 est as-25 surée par un seul comparateur d'impulsions 34. Les impulsions d'entrée de ce dernier proviennent des récepteurs 17 et 18 par l'intermédiaire d'un multiplexeur 43 et les signaux de sortie, images des résultats approchés des distances A et B , alimentent le calculateur 27 via le démultiplexeur 44. 30 Lés sorties digitales des comparateurs de phase 30 et 32 alimentent en tant que données précises de position (signaux A efc A Pg) les calculateurs digitaux de distance 35 et 36;par ailleurs, les signaux de sortie du comparateur d'impulsions 34 alimentent, en tant que données approchées de position (signaux 35 rac et Rgç) les calculateurs digitaux de distance 35 et 36. Les deux calculateurs digitaux de distance 35 et 36 traitenfieurs données d'entrées respectives'et fournissent des signaux de sortie R^p et Rgp représentant avec précision les distances séparant la station C des stations A et B respectivement. 40 Les signaux R^p et RBp sont envoyés au calculateur digital de po 70 21975 6 2049187 sition 37 associé à la mémoire 39 qui fournit des données relatives à l'axe de référence et aux stations cotières. En traitant l'information stockée dans la mémoire 39, le calculateur digital de position 37 convertit les données précises 5 de position fournies par les calculateurs de distance 35 et 36 en des signaux de position rqb • Ces derniers alimentent l'appareil digital-analogique de stockage et d'affichage 31 dont le signal de sortie est envoyé au bloc d'affichage de position 4.0. L'appareil 31 est pourvu d'une mémoire qui contient 10 des données de correction de phase exprimant les différences de phases initiales absolues entre les trois horloges atomiques. Au besoin, on pourra faire intervenir dans le bloc 31 d'autres facteurs comme la pression, la distance, la trajectoire et la distance connue à la position désirée à l'intérieur d'une 15 concession maritime. Dans certains cas, par exemple lorsque la station C se déplace à grande vitesse, les données relatives à la correction Doppler pourraient être exploitées ou mises en mémoire dans l'appareil 31. Dans l'exemple illustré sur la figure 4, l'horloge 20 atomique 19 fournit un signal périodique t1 utilisé pour engendrer dans un circuit non représenté, les signaux périodiques appelés t dont le rôle est de synchroniser le calculateur 27, le stockeur de position 28 et les multiplexeurs 43 et 44. Le comparateur d'impulsions 34 est muni de deux sorties 25 de déclenchement A et B qui servent à déclencher les récepteurs radio 17 et 18. Ce dispositif est très précis et a l'avantage de lever toute ambiguïté relative à la zone d'équiphase sans qu'il soit besoin-de faire des mesures continuelles ou de compter les zones d-30 équiphase, dans le cas par exemple où le navire transportant la station réceptrice quitte le rivage et gagne la mer. Les horloges atomiques utilisées peuvent être pourvues de tubes à césium semblables à celui qui équipe le générateur de fréquences standards à césium fabriqué par la société Hewlett-35 Packard et vendu sous la référence 5061 A. Les synthétiseurs de fréquences utilisés peuvent être conçus de la même façon que le synthétiseur de fréquences fabriqué par ladite Société et vendu sous la référence 5103 A. Les émetteurs et récepteurs peuvent être de conceptions 40 diverses mais doivent être très stables. Le calculateur peut par BAD ORIGINAL r 70 21975 7 2049187 exemple être le calculateur fabriqué par la Société Control Data Corporation et dénommé 5100. On remarquera que de nombreuses variantes de cette invention sont possibles et que la description détaillée précédente 5 a trait uniquement à des exemples types. Parmi les variantes possibles de cette invention, on ci tera son adaptation à une utilisation dans un système à trois dimensions; il faut alors employer une station émettrice en plus ainsi qu'un récepteur radio supplémentaire à la station réceptrice 10 On peut aussi, au lieu que chaque station émettrice émettre des signaux de fréquences différentes, utiliser la même fréquence et polariser les signaux de manières différentes, ou encore faire utiliser par les stations émettrices des bandes voisines de fréquences ne se chevauchant pas. Dans certains cas, les 15 signaux fournissant une information précise de position peuvent être transmis en modulation d'amplitude. Bien que l'on ait supposé jusqu'ici que le présent dispositif comportait une station réceptrice mobile et deux stations émettrices fixes, on remarquera que la station réceptrice pourrait 20 être fixe, et que l'une des stations émettrices pourrait être mobile. Dans certains cas particuliers, toutes les stations pourraient être mobiles. Jusqu'ici il a été dit que les signaux de sortie des comparateurs de phase et des comparateurs d'impulsions de ce dis-25 positif étaient digitaux' . Au besoin, ils pourraient être analogiques, auquel cas les sorties analogiques pourraient être combinées daas un réseau, un système asservi ou analogue. 70 21975 8 2049187 REVENDICATIONS 1 - Procédé de localisation de position caractérisé en ce qu'il consiste à engendrer un premier signal de fréquence et de phase déterminées, un second signal à ladite fréquence détermi-5 née et en relation de phase prédéterminée avec ladite phase déterminée, un troisième signal à ladite fréquence déterminée et en relation de phase prédéterminée avec ladite phase déterminée, à émettre uij£>remier signal radio à une première fréquence fonction dudit premier signal, en un premier endroit, à émettre un second 10 signal radio à une seconde fréquence fonction dudit second signal, en un second endroit, à engendrer en un troisième endroit un signal de fréquence identique à celle dudit premier signal radio et un signal de,fréquence identique à celle du second signal radio fonction dudit troisième signal, à recevoir les premier et second 15 signaux radio en ce troisième endroit, à comparer la phase du premier signal radio reçu avec celle dudit signal de fréquence identique à la fréquence du premier signal radio et à comparer la phase du second signal radio reçu à celle dudit signal de fréquence identique à la fréquence du .second signal radio. 20 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier, second et troisième signaux sont respectivement engendrés à partir d'une première, d'une seconde et d'une troisième horloge atomique. 3 - Dispositif de localisation de position pour la mise 25 en oeuvre du procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des première," seconde et troisième sources délivrant respectivement lesdits premier, second et troisième signaux, des moyens commandés respectivement par lesdites première seconde et troisième sources pour émettre respectivement lesdits 30 premier et second signaux radio auxdits premier et second endroits et ledit signal audit troisième endroit, des moyens de réception au troisième endroit des premier et second signaux radio, des premiers moyens de comparaison de phase au troisième endroit pour comparer la phase du premier signal radio reçu avec celle du si-35 gnal de fréquence identique à la fréquence du premier signal radio et des seconds moyens de comparaison de phase au troisième endroit pour comparer la phase du second signal radio reçu avec celle du signal de fréquence identique à la fréquence du second signal radio . ho 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé 70 21975 9 2049187 en ce que lesdites première, seconde et troisième sources sont constituées respectivement par une première, une seconde et une troisième horloge atomique. 5 - Dispositif suivant la revendication 3 ou k, carac- 5 térisé en ce que les sources d'émission de signaux radio sont constituées par des émetteurs radio comprenant un excitateur, une horloge atomique et un modulateur d'amplitude couplé à l'excitateur ce dernier étant commandé par l'horloge atomique. 6 - Dispositif suivant la revendication 5* caractérisé 10 en ce que le modulateur d'amplitude est également commandé par l'horloge atomique. 7 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'entrée de l'excitateur est reliée à l'horloge atomique par l'intermédiaire d'un premier synthétiseur de fréquence. 15 8 - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'entrée du modulateur d'amplitude est reliée à une source d'impulsions dont l'entrée est connectée à l'horloge atomique par l'intermédiaire d'un second synthétiseur de fréquence. 9 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de réception et de comparaison comprennent des moyens de réception d'ondes électromagnétiques et délivrant un signal de sortie de fréquence déterminée, une horloge atomique dont une sortie est reliée à un synthétiseur de fréquence délivrant un signal de même fréquence que ladite fréquence déterminée et des ^ moyens pour comparer ledit signal de sortie au signal délivré par le synthétiseur afin de déterminer le déphasage entre eux. 10 - Dispositif suivant la revendication 3* caractérisé en ce que lesdits moyens de réception et de comparaison comprennent des moyens de réception d'ondes électromagnétiques et délivrant un signal de sortie de fréquence déterminée, une horloge atomique dont une sortie est reliée à un synthétiseur de fréquence délivrant un signal de même fréquence que ladite fréquence déterminé e et des moyens pour comparer ledit signal de sortie au signal délivré par le synthétiseur afin de déterminer le déphasage entre eux> des moyens pour délivrer un signal de sortie représentatif de la modulation d'amplitude appliquée aux-ondes électromagnétiques, un comparateur d'impulsions, des moyens pour appliquer ce derafe? signal de sortie audit comparateur comme premier signal d'entrée, des moyens commandés par l'horloge atomique pour délivrer un signal impulsionnel et des moyens pour appliquer ce dernier signal audit comparateur comme second signal d'entrée.