Brevet FR2096487A1 — publié le 19720218

La présente invention concerne des systèmes de radio-navigation à impulsions et, plus particulièrement, un perfectionnement apporté à la caractéristique dynamique d'une boucle de poursuite utilisée dans un récepteur de système de radionavigation 5 à impulsions. On utilise une boucle de poursuite dans tous les systèmes de radionavigation à impulsions et/ou hyperboliques. Cependant, pour simplifier la description de l'invention, on se limitera à discuter le cas des systèmes du type LORAN C. 10 Le système Loran est un système à lignes de position hyperboliques dans lequel la position d'un récepteur est donnée par l'intersection de deux hyperboles. Cel^. est réalisé en mesurant la différence entre les instants auxquels arrivent deux paires d'impulsions émises à partir de trois stations fixes. Les stations 15 d'émission portent le nom de station maîtresse, celui de station esclave X et celui de station esclave Y. Sur la Fig. 1, M représente la station maîtresse, SX la station esclave X, SY la station esclave SY et R un récepteur. L'hyperbole A est déterminée par la paire X moins M et l'hyperbole B par la paire Y moins M. Un récep-20 teur R recevant les signaux de M et des deux esclaves SX et SY, peut déterminer sa position exacte à l'intersection R des deux hyperboles. Chaque station émet des signaux radioélectriques modulés en impulsions à des instants précis. Une impulsion émise par M 25 est reçue par X qui tend à se synchroniser sur M, puis à émettre sa propre impulsion après un délai fixe, Y est également synchronisés sur M et émet son impulsion à un intervalle de temps fixe après avoir reçu le signal de X pour éviter des ambiguïtés. Les impulsions Loran sont émises sur une porteuse de 100 kHz 30 par groupes de 8 impulsions et avec une cadence de répétition allant de 10 à 25 groupes par seconde. Dans un groupe, les impulsions sont espacées de 1 000 microsecondes. Une seule impulsion est montrée à la Fig. 2. On peut trouver la description du maté-v riel et de son fonctionnement,en ce qui concerne le système Loran, 35 dans le rapport "The Loran C system of navigation", Jansky and Bailey, Inc., Report to ÏÏ.S. Coast Guard, février 1962 et dans "LORAN" par J.A.Pierce, A.A. Me Kenzie et R.H. Woodward, série des MIT Radiation Laboratories, volume 1+ de 19^8, ou encore dans "Microminiature Loran C Receiver/indicator" par'R.A- Reilly, IEEE ZfO Transactions on Aerospace and Electronics Systems", volume AES-2, Il 23062 2 2096487 N°-1, pages 74 à 88, janvier 1966. Un problème particulier concernant les systèmes Loran C antérieurs tenait à ce qu'on ne pouvait pas l'utiliser de manière satisfaisante autrement que pour les bateaux et les avions lents. 5 On avait trouvé qu'en utilisant un système avec boucle de poursuite, telle que montrée à la Fig. 3a, sur des avions à haute performance animés de forts décalages dynamiques en position, les performances du système dans son ensemble étaient détériorées en entraînant de fortes erreurs de position. Un système à inertie 10 qui introduisait des signaux de correction dans la boucle de poursuite procurait une amélioration des performances dynamiques de la boucle de poursuite. Cependant, les systèmes à inertie sont chers et, en tout cas, ne peuvent pas être utilisés dans les petits avions à cause de leurs dimensions. 15 Une raison pour laquelle la boucle de poursuite est incapable de répondre aux décalages dynamiques de la position du récepteur tient à ce que l'information extraite du signal reçu est limitée du fait que les signaux HF reçus sont généralement échantillonnés environ 25 microsecondes après le démarrage de 20 l'émission de chaquè impulsion et l'amplitude du signal émis est limitée à 50% de sa valeur de crête potentielle. Un échantillo-nage fait environ 25 microsecondes après le démarrage du signal reçu a pour raison d'assurer que le signal échantillonné ne sera pas contaminé. La contamination résulte, quelque part après 25 environ les 30 microsecondes qui suivent le démarrage de chaque impulsion de signal reçue, du fait que l'on reçoit des signaux émis retardés qui ont été réfléchis par la ionosphère, si bien que la partie de signal reçue après environ 30 microsecondes est considérée comme contaminée par la réflection d'onde de ciel. 30 Comme la distance parcourue par un signal de l'émetteur au récepteur varie à cause des variations d'altitudes de l'ionosphère de jour et de nuit et pour d'autres raisons, on ne peut se fier à la précision d'un signal ainsi contaminé par la réflexion d'onde de ciel pour déterminer la position d'un récepteur mobile. Cepen-35 dant, s'il était possible d'échantillonner le signal à 100 % ou aux environs de 100 % de la valeur de crête, le rapport signal sur bruit pourrait être, au moins, quatre fois plus grand qu'en un point d'échantillonnage correspondant à 25 microsecondes après le démarrage du signal reçu, la largeur de bande de la boucle de p 40 poursuite pourrait être (4) ou 16 fois plus grande et les erreurs >1 23ûê2 3 2096487 dues aux accélérations du véhicule pourraient être réduites d'un facteur de (16)^ ou 256 fois. Un objet de la présente invention consiste à prévoir une amélioration des performances dynamiques de la boucle de poursuite 5 d'un récepteur de radionavigation sans dégrader la précision de la position trouvée par le système de radionavigation du récepteur. Suivant une caractéristique de la présente invention, cet objet peut être réalisé en échantillonnant une partie non contaminée d'un signal HF pour établir un point de référence stable 10 pour une position de radionavigation déterminée, puis en échantillonnant la partie contaminée dudit signal à un instant déterminé par rapport audit.point de référence stable, et en utilisant ladite partie contaminée échantillonnée pour corriger les erreurs de position causées par les décalages dynamiques en position dudit 15 récepteur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu que la partie contaminée est échantillonnée à la valeur crête ou près de la valeur crête du signal reçu de manière à augmenter le rapport signal sur bruit de cette partie de signal 20 utilisé pour corriger l'erreur de position de navigation causée par les décalages dynamiques de position dudit récepteur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu une boucle de poursuite ayant des performances dynamiques améliorées et destinée à être utilisée dans un récepteur mobile 25 de radionavigation à impulsions, comprenant des moyens pour échantillonner un signal HF, ledit signal ayant une partie contaminée et une partie non contaminée, un servo du type II couplé audit signal échantillonné, un oscillateur couplé audit servo, un circuit de base de temps couplé audit oscillateur et ledit servo comprenant 30 une boucle de poursuite en vitesse couplée audit circuit de base de temps et audit signal HF pour retarder une impulsion d'échantillonnage vers lejsdits moyens d'échantillonnage de manière que la partie contaminée dudit signal soit échantillonnée et utilisée pour corriger les erreurs de position de navigation causées par 35 des décalages dynamiques dans la position du récepteur. D'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation de l'invention, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés, dans lesquels: 40 la Fig. 1 montre l'intersection de lignes hyperboliques 71 23062 k 2096487 de position par rapport aux stations maîtresse, esclave X et esclave Y, la Fig. 2 montre une impulsion Loran C, les-Fig. 3a et 3b montrent chacune sous forme de bloc-5 diagramme des circuits de boucle de poursuite classique, la Fig. 4 montre sous forme de bloc-diagramme une description plus détaillée de la Fig. 3a, les Fig. 5a et 5b montrent chacune sous forme de bloc-diagramme des circuits de boucle de poursuite suivant l'invention, 10 la Fig. 6 montre sous forme de bloc-diagramme une descrip tion plus détaillée de la Fig. 5a, et la Fig. 7 montre en détail une boucle de poursuite suivant l'invention qui comprend les circuits destinés à traiter les signaux reçus des émetteurs maître, esclave X et esclave Y. 15 La Fig. 3a représente une boucle de poursuite typique utilisée dans des systèmes Loran C conventionnels, dans laquelle l'oscillateur 1 engendre un signal à 10 MHz. La sortie de l'oscillateur 1 est couplée au circuit de la base de temps 2 qui abaisse par division la fréquence du signal engendré et produit une impul-20 sion d'échantillonnage en phase qui est appliquée au détecteur de phase 3. L'impulsion d'échantillonnage en phase est retardée d'environ 25 microsecondes sur le départ de chaque signal HF reçu et a une fréquence d'environ 1 kHz de manière à procurer une impulsion d'échantillonnage pour chaque impulsion de signal HF 25 dans un groupe reçu de la station maîtresse ou des stations esclaves. Le signal HF est envoyé au détecteur 3 et est échantillonné pendant la durée de l'impulsion d'échantillonnage en phase. Le circuit du détecteur de phase peut être un amplificateur découpeur ou un circuit comparateur ordinaire tel que celui décrit dans "Transis-30 tor circuit design", copyright 1963 par Texas Instruments, Inc. dans lequel le détecteur de phase est prévu pour détecter un zéro ou un passage par zéro décroissant de la partie du troisième cycle (partie non contaminée) de chaque signal d'impulsion HF telle que montrée à la Fig. 2. Si le détecteur de phase activé 35 par l'impulsion d'échantillonnage de détecte pas de zéro ou de passage par zéro, il envoie un signal d'erreur au servo 4 de type II. Le servo 4 de type II est un servomécanisme d'erreur de vitesse de zéro qui a une fonction de transfert en boucle ouverte de la forme ,,n C KA (TS + 1) 40 I s ^2 71 23062 ~ 2096487 Les termes de l'équation ci-dessus et une explication détaillée des critères de conception du servo de type II peuvent être trouvés dans la publication "Microminiature Loran C Receiver/ Indicator " par R. A. Reilly, IEEE Transactions, volume AES-2, N° 1, 5 janvier 1966, pages 74 à 88. Le signal d'erreur associé à l'impulsion maîtresse reçue est appliqué au servo de type II et une partie est envoyée dans l'oscillateur 1 pour régler la fréquence de l'impulsion de signal maître. Une autre partie M2 du signal d'erreur maître traitée et le signal d'erreur esclave tra.i-10 té Sx correspondant à l'émetteur esclave X est envoyée au circuit de base de temps 2 pour régler le retard de l'impulsion d'échantillonnage de phase de manière que, quand 1*'impulsion d'échantillonnage de phase est renvoyée au détecteur de phase 3, le détecteur de phase activé 3 détecte un zéro ou un passage par zéro en X 15 comme le montre la Fig. 2. Quand la boucle de poursuite est complètement réglée et a annulé toutes les erreurs dans la boucle, une mesure de distance par temps (TDM)5 est donnée par la base de temps 2. Cette mesure de distance par temps représente le retard entre la réception du signal maître et celle du signal esclave X, 20 de manière à déterminer un premier lieu de points de l'hyperbole A montrée Fig. 1. Il est prévu un circuit similaire de boucle de poursuite pour la réception du signal esclave Y par rapport à celle du signal maître qui produit une seconde hyperbole B qui coupe la première hyperbole en R où le récepteur mobile se trouve. 25 La Fig. 3b montre des chemins séparés pour faire passer les signaux maître et esclave HF dans les détecteurs de phase correspondants 3a et 3b, d'où les signaux d'erreurs maître et esclave X détectés séparément sont envoyés au servo 4 par des chemins séparés. Les signaux d'erreur maître et esclave X sont 30 acheminés séparément vers la base de temps 2 de manière à régler individuellement le retard des impulsions d'échantillonnage séparées M et Sx destinées à être utilisées dans les détecteurs de phase correspondants 3a et 3b. Cependant, on dispose aussi couramment de techniques de partage dans le temps de manière à 35 n'utiliser physiquement qu'un seul détecteur de phase. La Fig. 4 montre plus en détail le circuit de la Fig. 3b. La Fig. 4 reprend réellement le bloc diagramme des boucles de poursuite esclave et maître que montrent les Fig. 10a et 10b, page 80, de l'article déjà cité de la revue IEEE par Robert A. 40 Reilly dans lequel la sortie du diviseur de fréquence de la Fig. 10b 71 23062 6 2096487 est appliquée directement aux portes à coïncidence de la Fig. 10a. Les critères de réalisation réelle et les explications du fonctionnement des différents circuits sont entièrement donnés dans l'ar-■ticle précité. (Le diviseur égaliseur de boucle, le diviseur éga-5 liseur de vitesse, le diviseur de proportion, le diviseur égaliseur proportionnel et les circuits d'échelle de vitesse peuvent être conçus en utilisant les circuits compteurs adéquats décrits dans "Puise, Digital and Switching Waveforms" par Millman & Taub, Copyright 1965, Me Sraw Hill, Inc., et l'accumulateur de vitesse et 10 l'accumulateur de phase maître peuvent être réalisés en utilisant des circuits bascules de mémoire normaux.) La Fig. fa représente par rapport à la Fig. 3a une forme de circuits modifiée suivant l'invention dans laquelle la boucle de poursuite de vitesse 6 a été placée dans le circuit des impulsions 15 d'échantillonnage de phase menant aux circuits détecteurs appelés maintenant"détecteur de vitesse"7. Le détecteur 7 a encore, en fait, la même disposition de circuits internes (circuits amplificateurs découpeurs normaux) que le détecteur de phase 3, avec comme différence que l'impulsion d'échantillonnage introduite dans le 20 détecteur de vitesse est en plus retardée pour échantillon^ir le signal HF à sa valeur de crête ou près de celle-ci. Ainsi, cette partie de signal HF qui peut avoir été contaminée par le signal d'onde de ciel est échantillonnée dans le détecteur de vitesse 7, alors que l'impulsion d'échantillonnage de phase appliquée au 25 détecteur de phase 3 provoque un échantillonnage d'une partie non contaminée du signal HF. Dans la Fig. 5b, des détecteurs de vitesse séparés et des boucles de vitesse séparées sont utilisés pou£ traiter les signaux HF reçus des stations émettrices maître et esclave X. 30 Ainsi on a les détecteurs 7a et 7b et les boucles de poursuite 6a et 6b. Les fonctionnements et performances de l'oscillateur 1, de la base de temps 2 et du servo 4 de type II sont les mêmes que ceux décrits en relation avec les Fig. 3a, 3b et 4, sauf que la porte ET de la boucle de servo esclave située entre l'accumu-35 lateur de vitesse et le circuit d'échelle de vitesse de la Fig. 4 peut être éliminée des exemples de réalisation des Fig. 5®-, 5b, 6 et 7. La boucle de poursuite de vitesse de la Fig. 6 donne une représentation plus détaillée des circuits internes de la boucle 40 6 pour illustrer l'invention. L'impulsion d'échantillonnage de 71 23062 7 2096467 phase maître est exactement la même que celles produites par les circuits de boucle de poursuite conventionnels des Fig. 3a, 3b et 4 dans lesquels l'impulsion d'échantillonnage est retardée de 25 microsecondes par rapport au départ du signal HF maître reçu. 5 L'impulsion d'échantillonnage de phase maître est simultanément introduite dans la boucle de poursuite de vitesse, dans le circuit de retard d'échantillonnage de vitesse de phase 8a et dans le détecteur de phase 9a. Le signal HF maître est aussi appliqué au détecteur de phase 9a et est échantillonné dans sa partie non 10 contaminée par l'impulsion d'échantillonnage de phase maître. Les détecteurs de phase 9a et 9b peuvent réalisés de manière similaire aux circuits amplificateurs découpeurs normaux. Le signal HF maître est échantillonné dans 9a pour établir un point de référence stable sur un zéro ou un passage positif-négatif par 15 zéro du troisième cycle de 1'impulsion maître comme on l'a vu en relation avec la Fig. 2. Le signal d'erreur détecté, si un zéro n'est pas détecté, est e.nvoyé à l'accumulateur d'erreur 10a, qui peut simplement être un condensateur où s'accumule une tension analogique. Le signal d'erreur sortant de l'accumulateur 10a est 20 appliqué au circuit de retard d'échantillonnage de vitesse de phase 8a. Le circuit 8a peut être un circuit phantastron analogique normal tel que décrit dans "Wave Génération and Shaping" par Strauss, copyright 1960, pair Me Graw Hill, Inc., ou peut être un circuit à retard variable digital. Le circuit 8a retarde 25 généralement l'impulsion d'échantillonnage de phase maître d'environ 97 à 113 microsecondes à partir de l'impulsion maître reçue, soit en fait, provoque un retard supplémentaire de 72 à 88 microsecondes au retard de 25 microsecondes de l'impulsion d'échantil-lonage appliquée à son entrée. Les variations de retard sont 30 commandées par le signal d'erreur emmagasiné dans l'accumulateur 10a, de manière que le retard final ait pour référence d'origine un point de passage par zéro ou un zéro stable (le même que le point d'échantillonnage X de la Fig. 2) du signal HF maître détecté par l'impulsion d'échantillonnage de phase délivrée par la 35 base de temps 2. L'impulsion d'échantillonnage retardée par 8a est renvoyée au détecteur de vitesse 7a pour échantillonner la partie contaminée du signal HF maître en un zéro ou un passage par zéro dans la zone où l'impulsion atteint ou presque sa valeur de crête (point Y de la Fig. 2). Si un zéro n'est pas détecté, 40 un signal d'erreur est appliqué au convertisseur analogique 71 23062 8 2096487 digital du servo de type II, dans lequel la fréquence de l'oscillateur et l'impulsion d'échantillonnage de phase produite par la base de temps 2 sont réglées de manière à assurer finalement que l'impulsion d'échantillonnage de vitesse de phase retardée éc£an-5 tillonne le signal HF maître reçu en un point zéro ou un passage par zéro dans la zone de crête ou presque dudit signal tel que le point Y de la Fig. 2. Il est prévu un circuit 8b, un détecteur 9b et un accumulateur 10b identiques à 8a, Sa. et 10a respectivement, pour réaliser les mêmes fonctions en boucle fermée en ce qui 10 concerne l'impulsion d'échantillonnage de phase Sx et le signal HF esclave X reçu. Une fois que des zéros sont détectés aux sorties des détecteurs de vitesse 7a et 7b et des détecteurs de phase 9a et 9b, le servo avec la base de temps fournit une mesure de distance en (TDM) 5 à partir de l'accumulateur de différence 15 de temps, ladite mesure établissant une des lignes hyperboliques (hyperbole A de la Fig. 1) nécessaire pour déterminer la position du récepteur mobile. La Fig. 7 montre une boucle supplémentaire pour recevoir le signal HF de l'émetteur esclave Y qui fonctionne de la même 20 manière que la boucle de l'émetteur esclave X et contient un détecteur de vitesse 7c, un circuit de retard d'impulsion d'échantillonnage de vitesse de phase 8c, un détecteur de phase 9c et un accumulateur d'erreur 10c, y compris les composants du servo du type II de de la base de temps utilisés dans la boucle de poursuite 25 de l'esclave X de la Fig. 6. Par (TDM2) 11, la mesure de distance établit l'hyperbole B de la Fig. 1# qui coupe l'hyperbole A pour déterminer le point précis du récepteur mobile R. Comme les détecteurs de vitesse 7a, 7b et 7c détectent maintenant les signaux HF entrants maître, esclave X et esclave Y 30.Vdans leurs zones de valeur de crête, au lieu comme précédemment de 25 microsecondes après de début des impulsions reçues, le rapport signal sur bruit est, au moins, quatre fois plus grand et la largeur de bande de la boucle de poursuite peut être 16 fois plus grande que précédemment pour les mêmes fluctuations de bruit. Avec 35 une largeur de bande de servo 16 fois plus grande, les erreurs causées par l'accélération du véhicule sont réduites par un facteur de 256. Bien que les principes de l'invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, 40 on comprendra .clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. 71 23062 9 2096487 REVENDICATIONS 1) Méthode pour améliorer les performances dynamiques d'une boucle de poursuite utilisée dans un récepteur de radionavigation à impulsions, ledit récepteur recevant un signal ayant 5 une partie contaminée et une partie non contaminée, caractérisée en ce que les étapes suivantes sont prévues: - échantillonnage de ladite partie non contaminée pour établir un point de référence stable pour déterminer la position du récepteur, - échantillonnage de ladite partie contaminée en un point déterminé 10 dans le temps par rapport audit point de référence stable, et utilisation de ladite partie contaminée échantillonnée pour corriger l'erreur de position causée par les décalages dynamiques de la position dudit récepteur. 2) Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce 15 que ladite partie contaminée est échantillonnée dans la zone de valeur crête dudit signal reçu de manière à augmenter le rapport signal sur bruit de cette partie de signal utilisée pour corriger la variation de position causée par les décalages dynamiques de position du récepteur. 20 3) Méthode suivant la revendication 2, caractérisée en ce que l'échantillonnage de ladite partie contaminée comprend de plus les étapes suivantes: - génération d'une impulsion d'échantillonnage périodique pour échantillonner la partie non contaminée dudit signal, 25 - retard de ladite impulsion d'échantillonnage, et - réglage de la durée dudit retard en utilisant la partie non contaminée dudit signal échantillonné comme signal de référence, dans lequel la dite impulsion d'échantillonnage à retard réglé est appliquée audit signal pour échantillonner la partie contaminée 30 dans la zone de valeur de crête et pour fournir un signal corrigeant l'erreur de vitesse qui règle les erreurs de position causées par le mouvement dynamique dudit récepteur. 4) Boucle de poursuite utilisée dans un récepteur mobile de radionavigation à impulsions et ayant des performances dyna-35 miques améliorées, comprenant des moyens pour échantillonner un signal HF, ledit signal ayant une partie contaminée et une partie non contaminée, un servomécanisme du type II couplé audit signal échantillonné, un oscillateur couplé audit servomécanisme et un circuit de base de temps couplé audit oscillateur et audit servo-40 mécanisme, caractérisée en ce qu'elle comprend une boucle de 71 23062 2096487 poursuite de vitesse couplée audit circuit de base de temps et audit signal HF pour fournir une impulsion d'échantillonnage auxdits moyens d'échantillonnage, de manière que la partie contaminée dudit signal soit échantillonnée et utilisée pour corriger 5 les erreurs de position causées par des décalages dynamiques de la position dudit récepteur. 5) Boucle de poursuite suivant la revendication i+, caractérisée en ce que ladite boucle de poursuite de vitesse comprend: - un détecteur de phase couplé audit signal HF et audit circuit 10 de base de temps, ledit circuit de base de temps produisant des impulsions d'échantillonnage de manière que lesdites impulsions d'échantillonnage activent ledit détecteur de phase pour faire échantillonner ladite partie non contaminée et pour établir un point de référence stable de détermination de la position, 15 - un acemulateur d'erreur couplé audit détecteur de phase pour emmagasiner le signal échantillonné sortant dudit détecteur, et - des moyens couplés audit circuit de base de temps pour retarder lesdites impulsions d'échantillonnage, qui sont couplés audit accumulateur d'erreur pour faire varier le retard desdites impul- 20 sions d'échantillonnage par rapport audit point de référence stable, lesdites impulsions d'échantillonnage étant couplées auxdits moyens d'échantillonnage de manière que les impulsions retardées activent lesdits moyens d'échantillonnage pour que la partie contaminée soit échantillonnée et utilisée pour corriger 25 les erreurs de position causées par les décalages dynamiques de la position du récepteur.