Brevet FR2126124A1 — publié le 19721006

La présente invention concerne des xerfectionnements aux svstO st mes intègres multifonctions de communications digitales7de localisation de mobiles entre eux et par rapport au sol. L'ensemble des mobiles qui se meut dans l'espace aérien doit d'une part entre surveillé, d'autre part guidé et pris en charge par le sol aux approches d'un aérodrome par exemple. Ces mobiles doivent pouvoir également se repérer et suivre une route déterminée9 en un mot naviguer. Â tous ces impératifs s'en ajoutent encore d'autres ressortissant de la prévention des collisions en vol. Il faut ajouter la nécessité d'établir des communications entre ces mobiles et le sol et entre les mobiles eux-memes, les informations nécessaires d la détermination des fonctions qui ont été énumérées de façon générales entraînant dans beaucoup de cas, l'établissement d'un dialogue entre le sol et les mobiles et les mobiles entre eux. Toutes les fonctions de base qui ont été énumérées cl-dessus et d'autres plus particulibres peuvent outre remplies par des~sys- tomes déjà existants et opérationnels. On peut citer les raffiar primaires permettant la direction d'un mobile évoluant dans l'espace aérien couvert par son antenne, les radars secondaires qui interrogent suivant un code déterminé un avion muni d'un répondeur, sur son altitude,son identité, etc..., les bases interférométriques permettant la localisation des mobiles aériens, et tous les systomes de navigation et d'aides à l'atterrissage qu'il n'est peut entre pas utile de rappeler par le détail.Tous les systèmes & o- qués ci-dessus sont des systèmes que lton peut qualifier de particularisés et qui sont évidemment susceptibles de progrès au prix toutefois. lorsQutun certain degré de complexité est atteint excessive d'une augmentation/du prix global de tous les équipements qu'il faut réunir pour assumer les diverses fonctions de plus en plus nécessaires. Un système dit intégré offre une solution certainement moins onéreuse et avec une capacité de traitement accrue au probième posé par les différentes fonctions que nécessite la prise en charge d'un mobile aérien depuis son décollage jusqu'à son atterrissage, fonctions intervenant successivement et qui sont toutes différentes les unes des autres. De fait le système intégré a pour but essentiel de faciliter les communications et la conception des interfaces1 de faciliter 1' interchangeabilité des équi- pements et des fonctions, de faciliter également irorganisation séquentielle de fonctionnement pour utiliser les équipements à pleine charge et de raconfigurer le système suivant soL état par la hiérarchisation des fonctions suivant la mission ou la phase du vol.Un système intégré dans le domaine de la navigation aérienne a déjà été étudié et proposé par la demanderesse. Il consistait essentiellement en un équipement placé au sol comportant un ensemble d'aequisition d'information déterminant la position de chaque aéronef et un dispositif de traitement des informations reçues, un équipementséroporté comporlànt un erwem- ble d'acquisition et d'élaboration des paramètres de navigation et un dispositif dtinteraction bilatérale assurant la transmis- sion des informations entre 1e sol et l'aéronef et vice-versa. DSune façon générale lJéquipement au sol comprenait un radar primaire déterminant la position de chaque avion pris en charge et le dispositif de transmission assurait la continuité du con totale de la position des avions et la correction de leur système de navigation par les coordonnées réelles de la position de l'aéronef calculées au sol. Dans ce système la transmission des informations se faisait sur une fréquence fisse par un signal codé en digital. le système de l'art antérieur est un système multifonctions mais était limité aux fonctions d'identification1 de contrôle du trafic et de navigation à partir des informations de position fournies du sol et non par l'intermédiaire des équipements à bord. Le système intégré suivant l'invention est également un système multifonctions, mais avec des fonctions plus étenduos que les précédentes. Suivant l'invention il comporte des atations au sol et des équipements à bord des mobiles justiciables de ses services, les stations au sol étant réparties de façon telle qu'elles assurent une couverture totale sans trous des zones à surveiller. les communications bilatérales entre le sol et les mobiles ou entre les mobiles se font par des signaux codés en digital d'un mdme type quelle que soit la fonction envisagée, les messages ainsi transmis étant répartis dans le temps avec des fréquences d'émission réparties sur une large bande, des moyens étant prévus de plus aussi bien au sol qu'à bord des mobiles pour assurer une parfaite synehronisation des différents éléments du système dans ltétablissement des différentes fonctions qu'il assure. L'invention sera mieux comprise dans la descriptionqui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figue, res qui représentent : a Figure 1 un schéma montrant l'organisation du système au sol. la figure 2 un schéma montrant l'implantation du système dans un espace à trois dimensions, les Figures 3a, 3b, 3o oomment sont distribuées les impulsions d'un message, dans le temps, en fréquence ou en tempsfréquence respectivement. les Figures 4a, 4b; 4O le genre de modulation auquel sont soumises les impulsions. la Figure 5a un diagramme indiquant la couverture en plan des stations au sol. les Figures 5b et 5c la couverture des stations omnidirec- tionnelles en coupe transversale et diagonale. les Figures 6a, 6b la couverture obtenue par des stations mattre et esclaves. la Figure 7 l'infrastructure au sol des stations équipées d'antennes directives. Le système intégré multifonctions suivant l'invention rem- plit essentiellement deux fonctions de base qui sont la localisation et les communications à partir desquelles toutes les autres fonctions peuvent titre remplies. Â bord et au sol la localisation est obtenue par la transmission de messages synchrones à l'émission, le synchronisme étant réalisé par l'utilisation d'horloges à bord et au sol. Ces horloges permettent également l'établissement de communications à sens unique ou bilatérales entre le sol et les mobiles par répartition des messages dans le temps. Cette répartition dans le temps associé à une répartition des fréquences dans une large bande, autorise l'établissement de communications simultanées dans la bande considérée, avec possibilité de désigner dans le message des adresses caractérisant soit des utilisateurs, soit des fonctions. Elle assure de plus une amélioration de la protection contre les brouillages, ainsi que le secret des communications. Elle réduit également les effets des interférences dues à la propagation par les trajets multiples. La multiplicité des fonctions que le système intégré suivant l'invention a à remplir entrain une certaine structure au sol des stations qui le composent. La Figure 1 représente l'organisation générale du réseau des stations au sol. Les stations référencées S et couvrant une zone déterminée sont toutes réunies à un centre de contrtle CC qui peut grouper les équipements nécessaires au traitement des informations. Centre autres, par exemple, un centre de contrôle transfert au centre suivants toutes les informations qui concernent un mobile aérien quittant la zone couverte par ses stations pour entrer dans la zone dépendant d'un autre centre de contrtle. Sur cette Figure 1 sont également schématisées les liaisons qui peuvent exister entre les stations du réseau et des stations relais hertziens RH pour 11 établissement de communications entre les centres de contrôle ou avec les stations. La référence SS indique une station en liaison avec des satellites, les liaisons entre stations ou centres de contrôle opérationnels pouvant également se faire, si besoin est, par l'intermédiaire de satellites de communication. Les références RP représentent des radars primaires qui peuvent coopérer avec le système intégré, qui ne les remplace pas, auquel ils fournissent l'information de présence d'un mobile dans 11 espace aérien couvert par les stations. Ces radars servent surtout à la désignation d'un mobile et à la poursuite des mobiles inconnus non coopératifs. La Figure 2 montre de façon schématique l'implantation du système dans lut espace à trois dimensions avec des liaisons directes ou indirectes par satellites qui peuvent entre établies. Un centre de contrôle CC est relié à ses stations S et peut établir des liaisons avec des satellites de communication SA. les stations S sont en liaison directe avec des avions A qui euxmimes peuvent être en liaison avec des satellites SA. De plus les avions A peuvent entre en liaison entre eux. les différentes liaisons dans le cadre du système intégré lui permettent de remplir une série de fonctions. À bord du navire en liaison avec un satellite, le système intégré assurera par exemple les fonctions de synchronisation, de navigation,de contrôle du trafic et de communication.Ces mêmes fonctions seront assurées à bord d'un avion A. Pour les avions en vue directe des stations du réseau, les fonctions identification et aide à l'atterrissage peuvent entre ajoutées. Entre les avions eux-mêmes s'établissent les fonctions anti collision, identification et de communication. Pour que ces diverses fonctions puissent entre réalisées par le système intégré, otest-à-dire sans que les éléments constitua tifs des stations et des équipements de bord soient changés ou modifiés dans leur structure, ce qui serait contraire i la vocation meme du système, les signaux constituant les messages qui tronsportent les diverses informations suivant les fonctions que le système réalise dans le temps sont construits sur un même modèle, ces signaux digitalisés consistent en des impulsions courtes, de l'ordre, à titre d'exemple non limitatif, de 40 microsecondes, réparties dans un format de longueur donnée 5 ms dans un exemple de réalisation. Dans ces conditions, le message contient un certain nombre de bits, 125 dans l'exemple chiffré, cependant il est entendu quc tous ces bits ne sont pas obligatol; rement porteurs d1information. Suivant l'invention les signaux digitalisés sont transmis avec une répartition temporelle et une répartition fréquentielle9 la répartition fréquentielle ayant lieu de préférence dans une très large bande de fréquences utilisées soit de façon continue soit de façon distontinue. Ainsi, il apparat suivant l'inventio que ltespace temps-fréquence est à la fois divise on quantum temps et en quantums fréquence, ces quants représentant un digit d'émission. I1 est alors possible de distribuer les impulsions qui cons tituent un message, dans un digit d'émission, soit en temps, soit en fréquence ....,....., soit en temps-fréquenceO Dans ces conditions, suivant la distribution adoptée, l'impulsion d'émission occupe toute la bande de fréquence W et le temps d'émission (t) est très court avec une puissance crête élevée. La figure 3a rend compte de cette distribution dans le temps.La figure 3b rend compte de la distribution en fréquence où l'impulsion d'émission a toujours une valeur différente d'une impulsion à vautre, et occupe une bande étroite (B) et où le temps d'émission (#) est égal à la durée du digit d'information avec une puissance crête d'émission faible. La figure 3c rend compte de la distribution en temps-fréquence qui est un compromis entre les deux préeé dents. Ceci conduit à un message qui comporte toujours une identification de la fonction transmise ou du correspondant auquel elle est destinée, et l'information proprement dite et les deux informations étant superposées dans le message. li contenu irÉe:;'- mationnel du message est porté par les digits d'information qui prennent chacun une valeur en fonctior du code utilise porrant entre le code binaire ou le code m-aire dans lequel @es valeurs peuvent être prises. lies valeurs associées à ces ls peuvent Autre exprimées dans différents types de modulation comme 1.1 modu- ration en position (PPM), la modulation par codage en fréquence (FSE) ou codage de phase (PSK) ou d'autres encore. Ces trois ty- pes de modulation sont représentés sur les figures 4a, pour l'c modulation par position, 4b pour la modulation de fréquence et 4c pour la modulation position fréquence. Suivant le type de modulation adopté, la loi de succession des digits constituant le message est définie dans le premier cas par Itensemble des temps ti, dans le second cas par l'ensemble des fréquences bi et dans le troisième cas par l'ensemble ti et bi. Une des caractéristiques importantes du système intégré sui- vant l'invention outre l'utilisation de signaux sous formc digitale, outre une large bande de fréquence, est la mesure du temps avec une grande précision, permettant de façon générale dans le cadre des différentes fonctions qutassume le système, de syncliro- niser les éléments constitutifs des équipements et d'organiser les communications entre les diverses stations et les mobiles et ce d'une façon simultanée dans la bande de fréquence considérée. Cette connaissance du temps avec une bonne précision est liée à l'utilisation tant au sol qu'à bord des mobiles, horloges de grande stabilité. Ces horloges peuvent entre de deux types, soit des horloges dites atomiques, soit des horloges à quartz. Beur utilisation au sol ou à bord de mobiles dépend de leur stabilité, de leur coftF de leur volume et également des fonctions que certaines stations sont destinées à remplir plutôt que d'autres, par exemple, une horloge atomique sera de préférence utilisée au sol, mais pas obligatoitement dans des stations à faible portée où l'horloge à quartz est utilisable1 de telles stations ne nécessitant pas une précision telle, qu'ut écart de 1 ms, par rapport au temps universel, ne puisse entre toléré. Ceci implique qu'il faudra procéder à la synchronisation périodique des horloges, fonction que le système assumera également. La connaissance du temps dans le cadre du système intégré suivant l'invention est fondamentale. La connissance parfaite du début d'un intervalle de communication, oarac"'err,se par un temps de référence Toi par exemple, détermine l'instant où a lieu l'émission et est utilisé pour la fonction de localisation et de synchronisation, Suivant que l'initiative d'une émission provient du sol ou du bord, avec la connaissance du temps de début de l'émission, le système réalise les fonctions de synchronisation grosse par diffusion et de navigation, ou celles de synchronisa- tion fine, de centrale de trafic, d'anti collision.De la sorte par exemple1 la localisation et la synchronisation par diffusion sont réalisées sur une seule voie par transmission unilatérale Dans les fonctions d'identification par exemple, l'instant d'émission également déterminé par le temps de référence Toi rend possible des communications pour un programme unique de fréquence pour tous les mobiles concernés. Les caractéristiques techniques du système intégré suivant l'invention permettant l'envoi et ltéchange de messages d'un type déterminé entre les stations au sol et les mobiles, entratnent l'existence d'équipements automatiques, aussi bien au sol qu'à bord, de traitement des informations reçues et échangées, bien que l'intervention d'un opérateur soit toujours possible. Les caractéristiques techniques exposées et la nature des fonctions multiples qui sont à remplir par le système ont également une influence sur l'organisation des équipements et en particulier sur 1' organisation des stations au sol. I1 a été dit que les stations qui dépendent de centres de contrôle où se font le traitement et les liaisons devaient assurer une couverture totale sans trous. Pour ce faire les stations au sol sont équipées dans une première version d'une antenne omnidirectionnelle de grande portée, de l'ordre par exemple de 300 à400 km. La figure 5a rend compte de l'implantation de 9 stations au sol S1 à S9. Pour chacune d'elles, la portée à 1000 m. d'altitude a été tracée, cercles Ci à C9. La couverture maximale qutil est possible d'obtenir pour ..... ces stations est représentée en plan par les cercles SOI - SC2 - SC3 - SC4. La Figure 5b représente la couverture haute vue en coupe transversale et la Figure 5c, la couverture haute vue en coupe diagonale. La couverture haute ainsi représentée n'est pas adaptée à des mobiles volant bas et suivant l'invention, on réalise une couverture basse sans trous en associant à chaque station S1 à S9, deux stations au moins , et trois de préférence, dites esclaves El à E3 équipées chacune d'une antenne omnidirectionnelle mais de portée beaucoup plus faible que la station mitre dont elles dépendent. On réalise ainsi aux faibles altitudes une base interférométrique permettant entre autre à un avion de se localiser par rapport aux stations esclaves d'une station martre lorsque son altitude n'est pas suffisante pour qu'il reçoive de plusieurs stations matures des messages ou qutil en transmette0 Les Pigures 6a, 6b, 6c, représentent cette implantation des stations maitres S1 à S9 et des stations esclaves avec sur la Figure 6a des cercles SC11, SC12 ... par exemple indiquant la couverture de chaque antenne des stations esclaves. Les Figures 6b et 6c représentent vue en coupe transversale et en coupe diagonale respectivement la couverture ainsi obtenue. En pointillé a été représentée la couverture haute représentée sur les Figures 5b et 5c. L'implantation au sol et le groupement des stations martres et esclaves ainsi décrits assurent une couverture globale pratiquement sans trous. Pour ce qui concerne les distances, à titre d'exemple non limitatif on peut supposer que les stations mitres S1 à S9 sont séparées les unes des autres d'environ 200 k;, tandis que les stations esclaves se trouvent dans un rayon de l'or- dre de 30 km autour de la station martre dont elles dépendent. Bien entendu les stations esclaves sont de faible puissance et comme la figure 6 le laisse bien voir leur couverture comD la couverture de la station-maître. Leuré antennes d'ailleurs sont te/ plus petites que celle de la station centrale. Toutefois l'horloge et le système de traitement des informations peuvent se trouver dans la station maitre. Dans une seconde version, les stations du système intégra peuvent entre équipées d'antennes directives introduisant une différence d'ordre opérationnel par rapport aux stations équipées d'antennes omnidirectionnelles1 c'est que l'initiative des com munications doit provenir du sol. La communication a lieu lorsque le faisceau directif pointe sur le mobile. Toutefois l'utilisation de stations équipées antennes directives pourra répondre à des besoins spéciaux. La localisation par les stations du système avec antennes directives est en effet plus adaptée dans certains cas aux conditions d'environnement et de brouillage. Elles bénéficient aussi de la base in'enérométri- que large que constituent les stations. De plus la couverture obtenue peut entre complémentaire de celle du radar primire La Figure 7 montre l'infrastructure au sol des stations équipées d1 antennes directives aveo la couverture associée.L'utilisation d'antennes directives aa ossides aux stations au sol dans lexploi- tation continue risque de conduire à certaines difficultés, entre autre1 un nombre élevé de réponses simultanées. Des précautions sont prises pour remédier à ces inconvénients et bénéficier ainsi des avantages que procure cette solutions Dans une troisième version il est possible de simplifier l'exploitation du système en associant des stations à antennes omnidirectionnefles à des stations à champ tournant directif. Les stations à antennes omnidirectionnelles peuvent constituer des interferomètres à grande base1 pour lesquelles la couverture haute est pratiquement sans trou, les stations à champ directif tournant assurant la continuité des fonctions à assumer dans des zones où la couverture n1 est assurée que par une seule station ou à proximité de stations à portée réduite, dans des zones à faible infrastructure. Le choix entre les stations du système équipées différemment est d'une façon générale dicté par les fonctions à assumer. Les stations équipées d'antennes omnidirectionnelles assument de préférence les fonctions d'émission réception de communications, d' identification, de synchronisation et de transmission des messages phonie. Les stations équipées d'antennes directives assument de pré référence, et plus particulièrement les fonction d'émission réception, de localisation, de navigation et de contrôle du trafic Les stations équipées d'antennes omnidirectionnelLes et directives superposées assument les mêmes fonctions que celles équipées d'antennes directives, cependant l'interrogation est faite par l'intermédiaire de l'antenne directive tandis que la réception est faite par l'antenne omnidirectionnelle. De plus, dans ces star tions les antennes omnidirectionnelles et directives peuvent être séparées. On a ainsi décrit un système intégré capable de remplir & multiples fonctions, par échange de messages codés d'un même type entre des stations au sol et des mobiles survolant des zo- nes où Ces stations sont implantées. Il est évident que certains de ces stations peuvent Outre affectées plus spécialement à certaines fonctions bien définies mais cette spécialisation ne craa pas de limitation pour le système dont toutes les stations peuvent à un moment ou à un autre assumer toutes les fonctions qui sont du domaine opérationnel du système. Ces fonctions peuvent être définies et repertoriées en fo-nc tion des différents phases de vol du ou des mobiles concernés. L'identification a lieu pour un mobile entrant dans le domaine de oouverture du système considéré, lorsqu' il provient d'une zone non couverte par le système. L'identification peut éga- lement entre faite en cas de perte du mobile ou de croisement dee pistes affectées à deux mobiles différents. Dans le cas de l'iden- tification deux modes principaux d'interrogation correspondent à la vérification de l'idendité ou de la position du mobile. La synchronisation grossière peut entre obtenue après l'identification, l'autre par l'envoi d'un message contenant l'heure d'arrivée à bord. La synchronisation fine se fait elle, par un échange d'information dans lequel l'avion par exemple interroge le sol qui envoie sa réponse par rapport à un instant absolu connu. La navigation consiste en la mesure de l'écart de position par rapport à des stations au sol ou à des stations esclaves d'une station mature. Le calcul de la position se fait à bord pour la navigation,au sol par le centre de contrôle. La position trouvée au sol peut être transmise à bord pour contrôle et calage du système de navigation à bord. Le contrôle du trafic fait appel à trois catégories de messages, les uns émis périodiquement par les avions et qui contiennent son identité obtenue et définie par le système auparavant, de mEme que d'autres informations (altitude, cap, etc ...) les autres émis par le centre de contre- le et permettant la transmission d'ordres aux avions, ceux de la troisième catégorie étant émis par l'avion et contenant différents types de messages. La fonction anticollision consiste dans ta mesure dF la distance entre avions et de leur vitesse de rapprochement0 Chaque avion émet cycliquement un message et reçoit les émissions des autreB avions. La fonction aide à l'atterrisage a pour but la mesure dans 11 avion et au sol des parametres de la trajectoire d'approche de l'avion, sa distance et a position angulaire par rapport à la piste d'atterrissage et la transmission à la tour de contrôle de l'aérodrome des parmsbtres caractérisant l'approche de l'avion. Elle assure également le contrôle de l'ensemble des mobiles en approche. Les communications digitales concernent soit l'avion, soit les compagnies aériennes et sont constituées soit par des mes sages courts transmit b 'intérieur d'une seule récurrence allouée à un avion, soit par des messages longs transmis par segments dans des récurrences différentes. Les communications " phonie " sont réalisées également en digital dans la même bande que les autres communications ou dans une bande adjacente, R E V E N D I C A T I O N S I. Système intégré établissent une liaision pouvant être bol ralle entre le sol et des mobiles dans 1' espace, comportant des stations au sol reliées à des centres de contrtle et des équipements à bord desdits mobiles, coopérant pour la transmission d'informations diversement spécialisées dans les diverses phases de progression et/ou de vol d'un mobile, cette transmission ayant lieu soit à l'initiative du sol soit à oelle du bord, caractérisé par le fait que pour assurer une pluralité de fonctions telles par exemple l'identification, le contrtle du trafic, la navigation, l'atterrissage, l1anticollision, les communications, les stations au sol sont équipées de moyens de rayonnement et sont réparties de façon telle qutelles assurent une couverture totale sans trous, autorisant une liaison entre le sol et le bord à tout instant et en toute position du mobile par rapport au sol, cette liaison dans un sens ou bilatérale étant établie à l'aide de message codés digitalisés, d'un même type quelle que soit la fonction envisagée lesdits messages étant réDartis dans le temps fonctions ou pouvant etre simultanés pour différentes/, avec aes rrequences d'émission réparties dans une large bande, des moyens étant de plus prévus au sol et à bord des mobiles pour assurer une synchronisation substantiellement parfaite des équipements. 2. Système intégré suivant la revendication i,caractérisé par le fait que les moyens de synchronisation consistent en des horloges, placées dans les stations au sol et à bord des mobiles, lesdites horloges déterminant avec précision un temps absolu de référence par rapport auquel se & Snit 11 émission et/ou la réception d'un message. 3. Système intégré suivant la revendication 2, caractérise par le fait que les horloges assurent la programmation dans l'es- pace temps-fréquence des lois de communication des messages, et mesurent le temps de propagation desdits messages qui comportent une information sur 1' instant de leur émission faite à un instant précis. 4. Système intégré suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les messages comportent une partie dite adresse caractérisant soit des utilisateurs, soit des fonctions, et une partie message proprement dit. 5. Système intégré suivant les revenditions i et 4, caractérisé par une modulation on temps et fréquence réalisant une distribution des fréquences, dans une larve bande. au niveau de au niveau du digit l'intervalle contenant un message entier,/ou du bit à l'intérieur du message, et au niveau de ltélément de modulation à l'intérieur du digit. Go Système intégré suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que les impulsions d'émission sont distribuées dans le digit d'émission soit en temps, soit en fréquence, soit en temps et en fréquence simultanément. 7. Système intégré suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les stations au sol sont équipées d'antennes omnidirectionnelles à portée relativement grande, assurant pour l'ensem- ble des stations une couverture haute sans trous, chaque station dite maître étant reliée à au moins deux autres stations dites esclaves équipées d'antennes omnidirectionnelles à portée plus faible, l'nsemble des stations martres et esclaves assurant une couverture globale haut et basse sans trous. 8. Système intégré suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les stations au sol sont équipées d'antennes tournantes directives. 9. Système intégré suivant les revendications 1,7 et 8 caractérisé en ce que la couverture globale haute et basse peut etre obtenue avec des stations à antennes omnidirectionnelles coopérant avec des stations à antennes directives. 1O. Système intégré suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les centres de contrôle peuvent entre en liaison avec des satellites de communication, ces données pouvant communiquer bilatéralement avec des avions ou des bateaux travaillant avec ledit système. 11. Système intégré suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il peut Autre en liaison avec une plateforme mobile, elle-meme en liaison avec d'autres mobiles.